Pel (fundamentering)
En pel er en konstruksjonsdel, typisk av tre, betong og/eller stål, som inngår i en konstruksjons fundament ved at den overfører laster fra konstruksjonen til grunnen, hvor de enten tas opp av sidefriksjon eller ved spissbæring mot berg. Bygninger, demninger, kaier, vindmøller og stålplattformer er noen av konstruksjonstypene som kan pelefundamenteres.
Pelen kan enten installeres vertikalt eller med en viss helning (skråpel), for opptak av hhv. ren vertikallast eller en kombinasjon av vertikal- og horisontallast. Pælene blir som regel rammet ned i bakken, men kan også forbores. Pælene kan lages av tømmer, stål, armert betong eller forspent betong. Pæler laget av rør kan ha åpen ende nede eller ha påsatt en plate. For å forsterke pælene kan pæler av rør fylles med betong.
Lastene tas opp delvis som friksjon langs sidene på pælen og som spissmotstand. Dersom en har bløte jordlag (silt eller leire), ønsker en oftest å få pælespissen til å nå fjell eller et fast lag.
Pælingen foregår med en pælehammer. Hammeren slås ned på pælen. Slagene må ikke være så harde at de skader pælen. Det medfører at hvert slag bare medfører en liten vertikal bevegelse av pælen. For å få spenningene fra slaget jevnt fordelt over tverrsnittet, brukes ofte en follower. Mange slag kan også føre til utmatting av pælen.
Pælene slås ofte ned med flere nær hverandre - en pælegruppe. Pælene kobles da ofte sammen med en stålkonstruksjon, eller med å fylle betong mellom dem.
Geotekniske undersøkelser rediger
- Se også utdypende artikkel Geoteknisk undersøkelse
For å bestemme hvor lange pælene skal være, hvilken diameter de skal ha, veggtykkelsen og hvor de skal plasseres og hvor mange pæler en skal ha, er det nødvendig å kjenne belastningen og egenskapene til jordlagene.
Grunnforholdene finner en ved å ta prøver eller ved CPT-undersøkelser. En har gjerne noen få borehull der en tar opp prøver. Jordprøver tas enten i omrørt eller uforstyrret tilstand; men selv uforstyrrede prøver er ikke helt uforstyrrede. En lang rekke med laboratorieprøver gjøres for å måle ulike egenskaper. Oftest gjøres det mange CPT-undersøkelser (engelsk: cone penetration test) der en slår et tynt massivt rør ned i bakken med en fast last og måler antall slag for hver halve meter. Ved å korrelere med erfaringer beskrevet i standarder, og med jordprøvene kan en beskrive lagtykkelsene og de geotekniske egenskapene for lagene for hver pælelokasjon.
Dimensjonering rediger
Dimensjoneringen for vertikale laster (oftest egenvekter og variable funksjonslaster) er delt i rekke oppgaver:
- Pælen i seg selv må ha tilstrekkelig styrke og motstand mot knekking, overlast og utmatting. Jorda må være stiv nok, til at knekklengden blir tilstrekkelig. Pælene dimensjoneres etter vanlige dimensjoneringsregler for det aktuelle materialet.
- I leirlagene tas lasten opp med friksjon på innsiden og utsiden av pælen, og av spissmotstand. Friksjonen anslås oftest som en funksjon av forholdet mellom udrenert skjærstyrke og trykket fra de overliggende lagene.[1] Spissmotstanden beregnes som en faktor (typisk 9) ganger udrenert skjærstyrke. Skjærstyrken varierer med type jord, men varierer også betydelig innen hver type jordart, avhengig av en rekke forhold som konsolideringsgraden (sammenpressingen av jorda), porevannet (salt eller ferskt) og blandingsforholdet av jordartene. På grunn av omrøring og at utjevning av poretrykk tar tid kan styrken like etter installering være lavere enn ellers.
- I sandlagene tas også lasten opp med friksjon på innsiden og utsiden av pælen, og av spissmotstand. Friksjonen beregnes oftest som en faktor multiplisert med trykket fra de overliggende lagene i hvert punkt langs pælen. Spissmotstanden beregnes som en faktor ganger trykket fra de overliggende lagene.[2] Det er også vanlig å beregne kapasitet basert på CPT-resultater.[3]
- Dersom pælene holdes i strekk som for strekkstagplattformer, er det bare friksjonen som holder pælene på plass.
- Dersom pælene er i sjø, hav eller elver vil pælen i seg selv medføre at strømhastighetene øker lokalt nær pælen. Det kan medføre erosjon, der særlig fin sand er mest utsatt. Erosjonen vil kunne medføre at pælen mister sin tiltenkte vertikale og sideveis støtte i det øvre jordlaget. Dersom erosjon er mulig kan en gjøre tiltak på sjø- eller elvebunnen eller ta hensyn til det i dimensjoneringen.
- Horisontalbevegelser av pæletoppen vil flytte jorda i de øverst lagene, slik at de ikke bidrar til friksjon. Det kan ivaretas med å holde pælen fast for horisontalbevegelser eller beregne hvor mye av jorda som vil flytte på seg og ta hensyn til det i dimensjoneringen.
Analysene av pælene for horisontale laster foregår oftest med det som kalles p-y-metoden. Tilnærmingen bruker endelig-differanse-metoden og sammenstillinger (kurver) av sidetrykk og sideveis forskyvning til å iterere seg til en løsning. p-y-kurvene avhenger av jordtype. En mengde ikke-lineære fjærer settes i analysene på pælen fordelt over hele lengden som:
der k er den ikke-lineære stivheten som vil variere i pælens lengde, y er horisontalforskyvningen, og p er lasten per løpemeter.[4]
Ramming rediger
I forkant av pælerammingen gjøres det en analyse for å fastsette pælerammingslasten, og for å gi en overslag over antall slag.
Rammingen av pæler gjøres av spesiallagde enheter på hjul eller fra flytende enheter - skip eller halvt nedsenkbare plattformer. Den har et lodd (hammer) som løftes opp og slippes fra en fastsatt høyde for å få den ønskede lasten. En logger antall slag for å sikre seg at en ikke går ut over designforutsetningene med hensyn til utmatting.
Dersom pælen ikke når foreskrevet dybde kan det være flere årsaker, som at jordstyrken er større enn forutsatt eller at motstanden mot pælespissen har vært for stor, slik at pælespissen har knekt lokalt. Går pælen for fort ned, kan det også være flere årsaker som at jorda er bløtere enn forutsatt eller at pælen har knekt.
Småskalaforsøk viser at utmattingslevetidene i pæler blir bedre på grunn av pæleramming, på grunn av reduserte eller bedre fordelte restspenninger.[5] Prøvetaking på store pæler som har vært utsatt for pælerammingen viser at rammingen ikke ga reduserte restspenninger, og at disse var nær flyt mange år etter rammingen.[6] Hvert slag i pælerammingen gir en trykklast med en påfølgende kortvarig respons med strekk i pælene. Pælerammingen må da beregnes der en må være nøye med spenningsvidden. Noe av årsaken til forskjellen er at uttak av små prøver frigjør restspenninger.
Svikt av pæler rediger
Pæler har gjennom årene sviktet en rekke ganger. Det har medført at en setter strenge krav til grunnundersøkelser, til omfanget av analysene, verifikasjon av analyser og til sikkerhetsfaktorer. Noen eksempler:
Svikt av pæler har skjedd flere ganger i forbindelse med jordskjelv.[7] Jordskjelvet gjør at jorda blir nær flytende. I slike tilfeller kan en få:
- knekking av pælene på grunn av sviktende sideveis støtte, som øker knekklengder og reduserer knekklasten.
- at jordlagene beveger seg relativt i forhold til hverandre, og overbelaster pælen i bøying.
Svikt av trepæler i diker i Nederland.[8]
Forsettlig installering av for korte pæler i en 41 etasjers høyblokk og andre bygninger i Hongkong for å spare penger.[9]
Utmattingsbrudd i pæler for en oljeterminal i Persiabukta.[10]
Se også rediger
Noter rediger
- ^ ISO 19902:2007 Petroleum and natural gas industries - fixed steel offshore structures, side 186f.
- ^ ISO 19902:2007 Petroleum and natural gas industries - fixed steel offshore structures, side 187ff.
- ^ ISO 19902:2007 Petroleum and natural gas industries - fixed steel offshore structures, side 477ff. Her er det beskrevet flere mulige tilnærminger.
- ^ ISO 19902:2007 Petroleum and natural gas industries - fixed steel offshore structures, side 194ff.
- ^ Priest, H. and Gaunt, I. M.: The Effect on Pile Driving on the Fatigue of Welded Tubes. OMAE, The Hague, 1989. og Priest, A. H. and Large, M.: Observations on the Effect of pile Driving on Fatigue Endurance. First European Offshore Mechanics Symposium, Trondheim, August 1990.
- ^ Lotsberg Inge, Stig Wästberg, Hugo Ulle, Per Haagensen og Michael E. Hall: Fatigue testing and S-N data for fatigue analysis of piles, OMAE2008-57250, Estoril, 2008.
- ^ Bhattacharya, Subhamoy, and Malcolm Bolton. "Errors in design leading to pile failures during seismic liquefaction." (2004).
- ^ S. Van Baars og I. M. Van Kempen: The Causes and Mechanisms of Historical Dike Failures in the Netherlands, Official Publication of the European Water Association (EWA), 2009.
- ^ Hencher, S. R., J. T. Tyson, and P. Hutchinson. "Investigating substandard piles in Hong Kong." Forensic Engineering Diagnosing Failures and Solving Problems: Proceedings of the 3rd International Conference on Forensic Engineering. Diagnosing Failures and Solving Problems, London, UK, 10-11 November, 2005. Thomas Telford Publishing, 2005.
- ^ Lin, Cheng, et al. "Case history analysis of bridge failures due to scour." Climatic Effects on Pavement and Geotechnical Infrastructure. 2014. 204-216.