GEOTECHNIKAI TERVEZÉS II. LGM_SE012_2

GEOTECHNIKAI TERVEZÉS II. LGM_SE012_2

se.sze.hu Szilvágyi Zsolt – [email protected]

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 XA

YA ZA

Z

Y

ZX

ZY

YZ A

Y Z

YX

XY XZ

X

X

Mechanikai állapotjellemzők és egyenletek



x y z xy yz zx

ui

qi



egyensúlyi egyenletek

geometriai egyenletek

i

3 fajlagos nyúlás és 3 szögtorzulás a hasáb deformációi

x y z xy yz zx

i fizikai egyenletek

3 normál- és 3 nyíró-feszültség a hasáb oldalain



3 eltolódás a pont elmozdulásvektorának komponensei

ux uy uz.

3 egyensúlyi egyenlet d z d zx d zy    g dz dx dy

6 geometriai egyenlet du z  z dz

6 fizikai egyenlet





1 ε z  σ z  μσ x  σ y  E

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)

Midas GTS NX 12

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



Modellparaméterek: •

•

E n

s

rugalmassági modulus Poisson tényező e



Talajok viselkedését nem képes valósághűen modellezni, de alkalmas: • •

Merev szerkezetek vagy alapkőzet modellezésére Alacsony terhelési szint modellezésére

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

s

Közelítő számításokhoz (E(z), c(z)) Állékonyságvizsgálathoz

ep

e

Anyagmodellek - Talaj  Hardening Soil – Felkeményedő modell 

Modellparaméterek: •

• • •

f ,c ,y E50 merevségi húrmodulus ES összenyomódási modulus EUR 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

Talajszilárdság mobilzálódási aránya

 Fal

Hajlítási és normálmerevség –

nyomatéki és nyomó teherbírással  Geotextília

Nyúlási merevség – szakítószilárdsággal

 Horgony

Normálmerevség – szakítószilárdsággal

Határfelületi elem - interface 23

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

Számítási fázisok – kezdeti fesz. 26

Számítási fázisok -alapozás 27

Számítási fázisok – szerkezet+terhelés 28

Számítás - eredmények  Egyensúlyi állapot

 Nincs egyensúly 

Valós fizikai ok: talajtörés, rézsűcsúszás



Numerikus számítási probléma

 Kiértékelés – körültekintő, megalapozott

VEM háló – rézsűáll. 30

Csúszólap – incremental displ. 31

VEM háló - munkatérhatárolás 32

33

Teljes elmozdulások 34

Nyomatéki ábra 35

Pórusvíznyomás-többlet 36

Pórusvíznyomás-többlet 37

Pórusvíznyomás-többlet 38

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 Matematikai modell

VALIDÁCIÓ Numerikus modell Számítási modell Brinkgreve, Engin 2013

VERIFIKÁCIÓ

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

46

No of nodes:

857.608

D.O.F.:

2.572.824

Code:

ABAQUS V6.7

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

Modellméret felvétele - töltés

58

Modellméret felvétele - alagút

59

Validáció 60

 C) Kezdeti feltételek 









Előterheltség (OCR) Pórusvíznyomás (u, Du) Feszültségszint (s’0) Tömörség (e) Drénezett/drénezetlen viselkedés (terhelés sebessége, Sr)

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.

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

64 •

https://www.youtube.com/user/MIDASGTSNX