GEOTECHNIKAI TERVEZÉS II. LGM_SE012_2

Átírás

1 GEOTECHNIKAI TERVEZÉS II. LGM_SE012_2 se.sze.hu Szilvágyi Zsolt

2 TÉMAKÖRÖK 2 1. Geotechnikai VEM modellezés SzZs 2. Munkatérhatárolás modellezése szoftverekkel SzR ZH: munkatérhatárolás + VEM Házi kiadás 3. HF konzultáció SzR+SzZs

3

4 4

5

6 6 1. Geotechnikai VEM modellezés -VEM alapelv -elemek -anyagmodellek -modellezés folyamata -verifikáció -validáció

7 A VEM alapelve A talajt és szerkezeteket folytonos közeg helyett véges számú felülettel, vagy térelemmel modellezzük. Az elemek mechanikailag csak az elemek kitüntetett csomópontjaiban érintkeznek. Csak a csomópontok mechanikai jellemzőit (feszültségeket, alakváltozásokat, elmozdulásokat) számítjuk az egyensúlyi, fizikai és geometriai egyenletek alapján (gyakran munka és energiatételek formájában). A statikai és geometriai peremfeltételek (terhek, elmozdulások) figyelembevételével számítjuk a csomópontok elmozdulásait, majd egyéb mechanikai jellemzőit (alakváltozás, feszültség). Az elemek belső pontjainak mechanikai jellemzőit a csomópontok jellemzőiből egyszerű függvényekkel számítjuk (lineáris kombináció). Az így kapott eredmények közelítőek (az elemméret csökkenésével nő a pontosság), de lényegében tetszőlegesen bonyolult peremfeltételekre és anyagmodellekkel is adható megoldás.

8 Feszültségi állapot X A X Y A Z A Y ZX Z ZY Z Y YZ A YX XY XZ X

9 Mechanikai állapotjellemzők és egyenletek 3 normál- és 3 nyíró-feszültség a hasáb oldalain egyensúlyi egyenletek qi ui geometriai egyenletek x y z xy yz zx 3 fajlagos nyúlás és 3 szögtorzulás a hasáb deformációi i fizikai egyenletek i x y z xy yz zx 3 eltolódás a pont elmozdulásvektorának komponensei u x u y u z.

10 3 egyensúlyi egyenlet d dz z d dx zx d zy dy g 6 geometriai egyenlet duz dz 6 fizikai egyenlet z ε z 1 E σ z μ σ x σ y

11 Bevezetés Végeselem módszer alkalmazása az építőmérnöki szakterületeken magasépítés, mélyépítés Komplex feladat Geometria Anyagmodellek Hatások (víz, időbeliség) Adatbevitel Kezelhetőség Kiértékelés Legelterjedtebb geotechnikai VEM szoftverek: Plaxis, Midas, Sofistik, Geo 5 (Magyarországon)

12 12 Midas GTS NX

13 Alkalmazási területek Feszültségek alakváltozások meghatározása a talajban Igénybevételek meghatározása mélyépítési szerkezetekben Állékonyságvizsgálat Konszolidációszámítás Dinamikai számítások Szivárgásszámítás

14 Végeselemes számítás menete Diszkretizáció geometriai modell előállítása Anyagtulajdonságok megadása Peremfeltételek felvétele Végeselemes háló előállítása Kezdeti feszültségállapot definiálása Számítási fázisok megadása valós építési fázisok Számítás

15 Általános modellezési kérdések Csomópont: minden lényeges helyre kerül Geometriai sajátosságok Koncentrált terhek Támaszok Szerkezeti elemek Vonal: geometria határai, belső határvonalak Réteghatár Munkagödör széle Kiemelési szintek Felület: megadott záródó vonalak között

16 Elemtípusok y p(x, y) y p(x, y) y

17 Anyagmodellek - Talaj Linear elastic lineárisan rugalmas Hooke törvény s Modellparaméterek: E n rugalmassági modulus Poisson tényező Talajok viselkedését nem képes valósághűen modellezni, de alkalmas: Merev szerkezetek vagy alapkőzet modellezésére Alacsony terhelési szint modellezésére e

18 Anyagmodellek - Talaj Mohr Coulomb modell Lineárisan rugalmas, tökéletesen képlékeny Modellparaméterek: E n f c y rugalmassági modulus Poisson tényező belső súrlódási szög kohézió dilatációs szög Közelítő számításokhoz (E(z), c(z)) Állékonyságvizsgálathoz s ep e

19 Anyagmodellek - Talaj Hardening Soil Felkeményedő modell Modellparaméterek: f,c,y E50 ES EUR merevségi húrmodulus összenyomódási modulus újraterhelési modulus

20 Anyagmodellek - Talaj Advanced material models Hardening Soil (HS) felkeményedő HS small felkeményedő, kis terhelési szintek Soft soil puha Jointed rock szikla User defined kutatás

21 Plaxis Soil Test modul 21

22 Anyagok Határfelületi elem Fal Talajszilárdság mobilzálódási aránya Hajlítási és normálmerevség nyomatéki és nyomó teherbírással Geotextília Nyúlási merevség szakítószilárdsággal Horgony Normálmerevség szakítószilárdsággal

23 23 Határfelületi elem - interface

24 Kezdeti feszültségállapot Nyugalmi függőleges és vízszintes feszültségek (K0 procedure Jáky) Előterheltség (OCR) Talajvízszint, áramlási peremfeltételek Hatékony és semleges feszültségek számítása

25 Számítási fázisok Plastic / consolidation / phi-c reduction / dynamic statikus számítás / konszolidáció / állékonyságvizsgálat / dinamikus számítás Építési fázisokhoz igazodva Felületek, elemek aktiválása / deaktiválása Anyagtulajdonságok változtatása Talajvízszint változtatása Pihentetés Erő elmozdulás diagramokhoz referenciapont megadása

26 26 Számítási fázisok kezdeti fesz.

27 27 Számítási fázisok -alapozás

28 28 Számítási fázisok szerkezet+terhelés

29 Számítás - eredmények Egyensúlyi állapot Nincs egyensúly Valós fizikai ok: talajtörés, rézsűcsúszás Numerikus számítási probléma Kiértékelés körültekintő, megalapozott

30 30 VEM háló rézsűáll.

31 31 Csúszólap incremental displ.

32 32 VEM háló - munkatérhatárolás

33 33

34 34 Teljes elmozdulások

35 35 Nyomatéki ábra

36 36 Pórusvíznyomás-többlet

37 37 Pórusvíznyomás-többlet

38 38 Pórusvíznyomás-többlet

39 Eredmények megjelenítése Talaj Feszültségek Teljes, hatékony, semleges, főfeszültségek, képlékeny zóna, pórusvíznyomás-többlet, talajvíz áramlási kép Alakváltozások Deformált háló, teljes elmozdulások, elmozdulásváltozások, alakváltozások Szerkezetek Elmozdulások, alakváltozások, feszültségek Rézsűállékonyság Biztonság, csúszólap

40 Modellezés folyamata 40 Valóság Modell Koncepcionális modell VALIDÁCIÓ Matematikai modell Numerikus modell VERIFIKÁCIÓ Számítási modell Brinkgreve, Engin 2013

41 Eltérések okai 41 A) Egyszerűsítések Geometriai Modellhatár/modellméret felvétele Anyagi viselkedés Építési folyamat B) Modellezési hibák Input hiba VEM háló hiba Peremfeltételek Tolerancia/hibahatár Teoretikus korlátok (pl. kis alakváltozások elmélete)

42 VEM háló m 100 m

43 Eltérések okai 43 C) Anyagmodell Drénezetlen viselkedés Telítettlenség Képlékeny viselkedés felpuhulás/felkeményedés D) Bizonytalanságok Talajkörnyezet Térbeli változékonyság Különleges hatások földrengés, árvíz Tervezett és épített állapot eltérései

44 Bizonytalanságok kezelése 44 Globális biztonság (szabvány) Osztott biztonsági tényezős eljárás Valószínűségi elméleten alapuló tervezés Paramétertanulmány

45 Eltérések okai 45 E) Szoftver/Hardver Programozás Iterációs eljárás F) Eredmények értelmezése Biztonsági tényező értelmezése Szerkezeti egyszerűsítések Részletbeli hiba (3D modell) Felkészületlenség, tájékozatlanság (anyagmodell, elem, stb.)

46 Domain size: 440 m x 320 m x 75 m No of elements: Type of elements: Quadratic No of nodes: D.O.F.: Code: ABAQUS V6.7 46

47 47

48 48

49 Verifikáció 49 Számítási modell ismert eredmények Analitikus megoldások (rugalmasságtan, képlékenységtan, anyagmodellek, dinamikus problémák, talajtörés, áramlás stb). Határegyensúlyi modellek (talajtörés, rézsűáll.) Benchmarking (mintapéldák) Szoftver fejlesztő mintapéldái

50 Validáció 50 A) Anyagmodell B) Modellméret C) Kezdeti feltételek D) Eredmények E) Benchmarking (mintapéldák)

51 Validáció 51 A) Anyagmodell Soil test modul: labor méréssel összehasonlítás Merevség, szilárdság függ: Feszültségszint Alakváltozásszint (hézagtényező) Terhelési pálya Paraméter érzékenység vizsgálat Eredmények körültekintő értékelése Feszültségmező Elmozdulások Pórusvíznyomás Tönkremeneteli mechanizmus (csúszólap) becslés!

52 Validáció 52 B) Modellméret Kezdeti feszültségek Terhelés környezetében Állékonyságvizsgálat Szivárgásvizsgálat

53 Peremfeltételek hatása 50 m 53

54 Modellméret hatása m Szepesházi R: Árvízvédelmi töltések méretezése Plaxis szoftverrel EC7 szerint 2013

55 Modellméret felvétele 55 Stabilitásvizsgálat Elmozdulás számítása Drénezett Elmozdulás számítása Drénezetlen Dinamikus vizsgálat

56 Modellméret felvétele - síkalap 56

57 Modellméret felvétele - munkatér 57

58 58 Modellméret felvétele - töltés

59 Modellméret felvétele - alagút 59

60 Validáció 60 C) Kezdeti feltételek Előterheltség (OCR) Pórusvíznyomás (u, Du) Feszültségszint (s 0 ) Tömörség (e) Drénezett/drénezetlen viselkedés (terhelés sebessége, S r )

61 Validáció 61 D) Eredmények (pontossága) Hálóméret Összevetés monitoring mérésekkel Összevetés tapasztalati értékekkel Összevetés egyszerűsített modellek eredményeivel Összevetés más szoftver eredményeivel

62 Validáció 62 E) Benchmarking (mintapéldák) Szoftver igazolása Felhasználó gyakorlottság Anyagmodell használat Modell korlátainak felismerése

63 Házi feladat 63 Egy megadott talajadottságokkal és geometriával bíró résfalas vagy szádfalas, szükség szerint kitámasztott vagy hátrahorgonyzott munkatérhatárolást kell megtervezni az Eurocode 7 elveit követve. Hidraulikailag és statikailag is ellenőrizni kell a megoldást igazolva minden határállapot elkerülését. Modellezni kell a szerkezetet a GEO5 és a Plaxis szoftverrel is, s össze kell vetni az eredményeket a tapasztalatokkal. Be kell mutatni, miért választották az adott megoldást, mik annak az előnyei és a kockázatai. Értelmezni kell a futtatási eredményeket, s be kell mutatni a választott szerkezeti elemek megfelelőségét, illetve az általános állékonyságot.

64 64 Irodalom Szepesházi R: Mozgások mély munkagödrök mentén Szepesházi R: A HS talajmodell Bojtár I, Gáspár Zs: Végeselemmódszer építőmérnököknek, Terc 2003 Páczelt I., Scharle P.: A végeselem módszer a kontinuummechanikában, Műszaki Könyvkiadó 1987 R Brinkgreve: Plaxis user s manual, Plaxis BV 2015 Midas GTS NX User manual, 2015 D M Potts, L Zdravkovic: Finite element analysis in geotechnical engineering Vol. 1-2., Thomas Telford 1999 D V Hutton: Fundamentals of finite element analysis, McGraw Hill 2004 Bringkgreve RBJ, Engin E: Validation of geotechnical finite element analysis