GEOTECHNIKAI TERVEZÉS II. LGM_SE012_2 se.sze.hu Szilvágyi Zsolt szilvagyi@sze.hu
TÉMAKÖRÖK 2 1. Geotechnikai VEM modellezés SzZs 2. Munkatérhatárolás modellezése szoftverekkel SzR ZH: munkatérhatárolás + VEM Házi kiadás 3. HF konzultáció SzR+SzZs
4
6 1. Geotechnikai VEM modellezés -VEM alapelv -elemek -anyagmodellek -modellezés folyamata -verifikáció -validáció
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.
Feszültségi állapot X A X Y A Z A Y ZX Z ZY Z Y YZ A YX XY XZ X
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.
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
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 Midas GTS NX
Alkalmazási területek Feszültségek alakváltozások meghatározása a talajban Igénybevételek meghatározása mélyépítési szerkezetekben Állékonyságvizsgálat Konszolidációszámítás Dinamikai számítások Szivárgásszámítás
Végeselemes számítás menete Diszkretizáció geometriai modell előállítása Anyagtulajdonságok megadása Peremfeltételek felvétele Végeselemes háló előállítása Kezdeti feszültségállapot definiálása Számítási fázisok megadása valós építési fázisok Számítás
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
Elemtípusok y p(x, y) y p(x, y) y
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
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
Anyagmodellek - Talaj Hardening Soil Felkeményedő modell Modellparaméterek: f,c,y E50 ES EUR merevségi húrmodulus összenyomódási modulus újraterhelési modulus
Anyagmodellek - Talaj Advanced material models Hardening Soil (HS) felkeményedő HS small felkeményedő, kis terhelési szintek Soft soil puha Jointed rock szikla User defined kutatás
Plaxis Soil Test modul 21 http://kb.plaxis.com/videos/plaxis-soiltest-triaxial
Anyagok Határfelületi elem Fal Talajszilárdság mobilzálódási aránya Hajlítási és normálmerevség nyomatéki és nyomó teherbírással Geotextília Nyúlási merevség szakítószilárdsággal Horgony Normálmerevség szakítószilárdsággal
23 Határfelületi elem - interface
Kezdeti feszültségállapot Nyugalmi függőleges és vízszintes feszültségek (K0 procedure Jáky) Előterheltség (OCR) Talajvízszint, áramlási peremfeltételek Hatékony és semleges feszültségek számítása
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 Számítási fázisok kezdeti fesz.
27 Számítási fázisok -alapozás
28 Számítási fázisok szerkezet+terhelés
Számítás - eredmények Egyensúlyi állapot Nincs egyensúly Valós fizikai ok: talajtörés, rézsűcsúszás Numerikus számítási probléma Kiértékelés körültekintő, megalapozott
30 VEM háló rézsűáll.
31 Csúszólap incremental displ.
32 VEM háló - munkatérhatárolás
33
34 Teljes elmozdulások
35 Nyomatéki ábra
36 Pórusvíznyomás-többlet
37 Pórusvíznyomás-többlet
38 Pórusvíznyomás-többlet
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
Modellezés folyamata 40 Valóság Modell Koncepcionális modell VALIDÁCIÓ Matematikai modell Numerikus modell VERIFIKÁCIÓ Számítási modell Brinkgreve, Engin 2013
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)
VEM háló 42 100 m 100 m
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
Bizonytalanságok kezelése 44 Globális biztonság (szabvány) Osztott biztonsági tényezős eljárás Valószínűségi elméleten alapuló tervezés Paramétertanulmány
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.)
Domain size: 440 m x 320 m x 75 m No of elements: 603.187 Type of elements: Quadratic No of nodes: 857.608 D.O.F.: 2.572.824 Code: ABAQUS V6.7 46
47
48
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
Validáció 50 A) Anyagmodell B) Modellméret C) Kezdeti feltételek D) Eredmények E) Benchmarking (mintapéldák)
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!
Validáció 52 B) Modellméret Kezdeti feszültségek Terhelés környezetében Állékonyságvizsgálat Szivárgásvizsgálat
Peremfeltételek hatása 50 m 53
Modellméret hatása 54 300 m Szepesházi R: Árvízvédelmi töltések méretezése Plaxis szoftverrel EC7 szerint 2013
Modellméret felvétele 55 Stabilitásvizsgálat Elmozdulás számítása Drénezett Elmozdulás számítása Drénezetlen Dinamikus vizsgálat
Modellméret felvétele - síkalap 56
Modellméret felvétele - munkatér 57
58 Modellméret felvétele - töltés
Modellméret felvétele - alagút 59
Validáció 60 C) Kezdeti feltételek Előterheltség (OCR) Pórusvíznyomás (u, Du) Feszültségszint (s 0 ) Tömörség (e) Drénezett/drénezetlen viselkedés (terhelés sebessége, S r )
Validáció 61 D) Eredmények (pontossága) Hálóméret Összevetés monitoring mérésekkel Összevetés tapasztalati értékekkel Összevetés egyszerűsített modellek eredményeivel Összevetés más szoftver eredményeivel
Validáció 62 E) Benchmarking (mintapéldák) Szoftver igazolása Felhasználó gyakorlottság Anyagmodell használat Modell korlátainak felismerése
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 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 http://www.plaxis.nl/plaxis2d/manuals/ http://www.plaxis.nl/bulletin/ https://www.youtube.com/user/plaxistv https://www.youtube.com/user/midasgtsnx