W geotechnice grunt stanowi złożone wyzwanie ze względu na swoje nieliniowe i zależne od drogi zachowanie. W przypadku stosowania Analizy Elementów Skończonych (MES) do modelowania interakcji grunt-konstrukcja, uwzględnienie etapów budowy w analizie jest kluczowe dla uzyskania dokładnych symulacji, realistycznych prognoz i bezpieczniejszych obliczeń. Pominięcie tego krytycznego aspektu może skutkować nierealistycznymi rozkładami naprężeń, mniej dokładnymi przewidywaniami osiadania i pogorszoną statecznością konstrukcji. W niniejszym artykule omówiono główne powody zastosowania tego podejścia i zwrócono uwagę na jego znaczenie w analizie geotechnicznej.
- Nieliniowość i przebieg naprężeń w zachowaniu gruntu
Grunt nie zachowuje się liniowo pod obciążeniem; jego odpowiedź zależy od historii przyłożonych naprężeń. Zależność naprężenie-odkształcenie zmienia się wraz z stopniowym wprowadzaniem obciążeń podczas budowy. Uchwycenie tego przebiegu jest istotne dla realistycznego rozkładu naprężeń, ponieważ etapy budowy zmieniają rozkład naprężeń stopniowo, wpływając na osiadanie i wytrzymałość.
- Sekwencyjne przykładanie obciążenia
W budownictwie obciążenia są przykładane stopniowo, w miarę dodawania warstw lub konstrukcji. MES, która obejmuje etapy budowy i symuluje realistyczne obciążenia, umożliwia dokładne przewidywanie osiadań. W ten sposób zapobiega się przeszacowaniu lub niedoszacowaniu odpowiedzi gruntu, które może wpłynąć na stateczność konstrukcji.
- Interakcja z istniejącymi konstrukcjami
W przypadku projektów obejmujących sąsiednie lub istniejące konstrukcje, wpływ budowy etapowej na pobliskie budynki lub infrastrukturę może być znaczny. Analiza etapowa pomaga ocenić ryzyko, takie jak nierównomierne osiadanie lub uszkodzenie konstrukcji.
- Wyzwania specyficzne dla konstrukcji
Analiza etapowa pomaga w rozwiązywaniu problemów tymczasowych występujących podczas budowy, takich jak odwodnienie, nadmierne osiadania itp. Poprzez symulację każdego etapu inżynierowie mogą wcześnie zidentyfikować potencjalne mechanizmy uszkodzenia i zaprojektować środki łagodzące w celu utrzymania stateczności podczas budowy.
- Zgodność z normami projektowymi
Współczesne normy projektowania geotechnicznego, takie jak Eurokod 7, podkreślają znaczenie uwzględniania etapów budowy w analizach. Normy te wymagają od inżynierów oceny pośredniej stateczności podczas budowy i długoterminowej charakterystyki układu grunt-konstrukcja po zakończeniu budowy, co wymaga stopniowego podejścia do procesu projektowego.
Analiza geotechniczna z etapami budowy w RFEM 6
Po ustaleniu, jak ważne jest uwzględnienie etapów budowy w analizie geotechnicznej, przyjrzyjmy się teraz, jak zastosować to podejście, korzystając z modelu opisanego poniżej. Model przedstawia budynek z betonu zbrojonego, osadzony na masywie gruntowym, modelowany w programie RFEM 6. Konstrukcja składa się z płyty żelbetowej na każdą kondygnację, płyty fundamentowej, słupów i ścian pionowych. Przykładane obciążenia obejmują ciężar własny gruntu, ciężar własny konstrukcji, obciążenia stałe i obciążenia użytkowe.
Osobom, które dopiero zaczynają proces definiowania etapów budowy w programie RFEM 6, zalecamy zapoznanie się z artykułami w Bazie informacji. Należy pamiętać, że etapy budowy są definiowane w programie na podstawie dwóch głównych współczynników: elementy konstrukcyjne aktywne na danym etapie oraz obciążenia przyłożone na tym etapie. Dla jasności i zwięzłości procesu, zostanie zademonstrowany proces dla pierwszego etapu budowy, wraz z tabelą pokazującą, w jaki sposób można rozszerzyć ten sam przepływ pracy o kolejne etapy.
- KB 1737 | Definiowanie etapów budowy w trakcie modelowania
- KB 1724 | Uwzględnianie etapów budowy w RFEM 6
W początkowej fazie budowy nacisk kładziony jest wyłącznie na podłoże. Aby skonfigurować ten etap, należy otworzyć okno „Etapy budowy” i wybrać zakładki „Bryły” i „Powierzchnie”, jak pokazano na rysunku 1. Ten krok zapewnia uwzględnienie bryły gruntu oraz powierzchni o wstępnie zdefiniowanych warunkach brzegowych. Nawigując po odpowiednich zakładkach, można dostosowywać status brył i powierzchni. W przypadku brył należy wybrać opcję „Wszystkie”, ponieważ na tym etapie w modelu nie ma żadnych innych brył. Podobnie w zakładce „Powierzchnie” należy uwzględnić powierzchnie o wstępnie zdefiniowanych warunkach brzegowych, w szczególności powierzchnie o numerach 31-47 i 54-57, jak pokazano na rysunku 2. Aby usprawnić ten proces, można skorzystać z wstępnie zdefiniowanego wyboru obiektów, co umożliwia jednoczesne dodawanie wszystkich istotnych elementów. Takie podejście nie tylko oszczędza czas, ale także zwiększa dokładność ustawiania etapu budowy.
Po zdefiniowaniu zmian konstrukcyjnych dla etapu budowy, następnym krokiem jest określenie przypadków obciążeń aktywnych na tym etapie. Można to zrobić w zakładce „Etapy konstrukcji” w oknie „Przypadki i kombinacje obciążeń”, jak pokazano na rysunku 3. W początkowym etapie uwzględniany jest tylko ciężar własny gruntu i przydzielany jest odpowiedni przypadek obciążenia.
W tym kroku można wprowadzić dodatkowe opcje, takie jak modyfikacja konstrukcji, zgodnie z wymaganiami dla rozważanej początkowej fazy (patrz rysunek 4). Jest to istotne, ponieważ w przypadku analizy twardniejącej gruntu w pierwszym etapie materiał musi zostać zlinearyzowany. W tym celu należy otworzyć odpowiednie okno i dezaktywować nieliniowość materiału, jak pokazano na rysunku 5.
Następnie można dostosować ustawienia analizy statycznej dla poszczególnych etapów, otwierając okno „Ustawienia analizy statycznej” za pomocą zakładki Główne pokazane na rysunku 4. Chociaż w przypadku początkowego etapu, w którym nieliniowość materiału jest wyłączona, nie są konieczne żadne zmiany, istotne staje się to jednak w przypadku kolejnych etapów, takich jak UB2, gdzie można aktywować opcję "Równowaga dla konstrukcji nieodkształconej" (patrz rys. 6). Dzięki temu odkształcenia pozostają zerowe, co pozwala zachować naprężenia od ciężaru własnego gruntu'. Ten krok ma kluczowe znaczenie dla ustalenia prawidłowego stanu naprężeń i zapewnienia, że model materiałowy zapewnia odpowiednią sztywność.
Patrząc na ustawienia na rysunku 6, można zauważyć, że ustawienia analizy statycznej dla fazy początkowej są skonfigurowane z pojedynczym przyrostem obciążenia. Ponieważ jednak obciążenia będą przykładane w kolejnych fazach, konieczne jest dodatkowe uwzględnienie, takie jak dostosowanie liczby przyrostów obciążenia w celu odzwierciedlenia zmieniających się warunków obciążenia. Aby rozwiązać ten problem, można utworzyć nowe ustawienie analizy statycznej ze zwiększoną liczbą przyrostów obciążenia i przypisać je do kolejnych faz. Konkretna liczba przyrostów obciążenia dla każdej fazy w tym modelu jest podana w poniższej tabeli, co zapewnia precyzyjne dostosowanie do kolejności budowy.
| align=center@width=20%@bgcolor=lightgray | align=center | align=center | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Etap budowy: | Następuje: | Dodane obiekty | Aktywny przypadek obciążenia | Modyfikacja konstrukcji: | Liczba przyrostów obciążenia: | Dodatkowe uwagi: |
| UW1 | / | Bryła gruntowa, powierzchnie z warunkami brzegowymi | PO4 | Modele nieliniowości materiału dezaktywowane | 1 | / |
| UW2 | UW1 | / | PO4 | / | 1 | Równowaga dla konstrukcji nieodkształconej (u=0) |
| CS3 | UW2 | Elementy fundamentowe | PO1, PO4 | / | 2 | / |
| CS4 | CS3 | Parter: Ściany i słupy | PO1, PO4 | / | 2 | / |
| KW5 | CS4 | Parter: Sufit | PO1, PO4 | / | 2 | / |
| CS6 | KW5 | I piętro: Ściany i słupy | PO1, PO4 | / | 6 | / |
| CS7 | CS6 | Strop dachu | PO1, PO4 | / | 6 | / |
| CS8 | CS7 | obciążenie stałe | PO1, PO2, PO4 | / | 10 | / |
| CS9 | CS8 | obciążenie użytkowe | PO1, PO2, PO3, PO4 | / | 10 | / |
| align=center@width=20%@bgcolor=lightgray | align=center | align=center |
|---|---|---|
| Przypadek obciążenia | Przyłożone obciążenie | |
| PO1 | Ciężar własny konstrukcji | |
| PO2 | obciążenie stałe | |
| PO3 | obciążenie użytkowe | |
| PO4 | Ciężar własny gruntu |
Jak podkreślono we wstępie, kluczowe jest zdefiniowanie kolejnych etapów budowy w sposób, który dokładnie odwzorowuje proces konstrukcyjny i obciążenia, a jednocześnie realistycznie odwzorowuje zachowanie gruntu. Postępując zgodnie z przepływem pracy nakreślonym dla początkowego etapu budowy (CS1 Start) i stosując dostarczone uwagi dla innych etapów, Tabele 1 i 2 mogą służyć jako wskazówki do definiowania kolejnych etapów. Należy pamiętać, że wszystkie etapy budowy są analizowane metodą geometrycznie liniową, a do analizy nieliniowej stosowana jest metoda Newtona-Raphsona. Modyfikacje innych ustawień analizy, takich jak liczba przyrostów obciążenia, są szczegółowo opisane w poniższej tabeli.
Po zdefiniowaniu etapów budowy kolejnym krokiem jest dostosowanie ustawień generowania kombinacji obciążeń przed rozpoczęciem obliczeń. Można to zrobić w Generatorze kombinacji dla odpowiedniej sytuacji obliczeniowej. Tutaj można skonfigurować ustawienia analizy i aktywować opcję uwzględnienia stanu początkowego, co pozwala na przypisanie zdefiniowanych etapów budowy, jak pokazano na rysunku 7. Metoda ta zapewnia generowanie kombinacji obciążeń dla każdego etapu z uwzględnieniem stanu początkowego z poprzedniego etapu, co zapewnia płynne i dokładne przejście między etapami budowy.
Masz teraz wszystkie informacje niezbędne do rozpoczęcia obliczeń i analizy wyników. Można na przykład zobaczyć przemieszczenia na każdym etapie budowy, a także końcowe przemieszczenia odpowiadające ukończonemu etapowi CS9, kiedy konstrukcja jest w pełni zbudowana i przyłożone są wszystkie obciążenia. Dodatkowo można wybrać wyświetlanie wyników jako różnic w ramach przyrostu obciążenia na etapie lub w stosunku do poprzedniego etapu (rysunek 8). Umożliwia to obserwację odkształceń spowodowanych konstrukcją określonych elementów konstrukcyjnych lub przyłożeniem obciążeń. Na przykład na rysunku 8 można zobaczyć osiadania spowodowane budową elementów fundamentu.
Uwagi końcowe
Uwzględnienie etapów budowy w geotechnicznej analizie elementów skończonych jest niezbędne dla zapewnienia bezpieczeństwa, stateczności i trwałości konstrukcji. Dzięki symulacji krok po kroku, inżynierowie mogą dokładnie oceniać zachowanie gruntu, optymalizować projekty i proaktywnie przeciwdziałać potencjalnym zagrożeniom. Wraz ze wzrostem skali i złożoności projektów, coraz bardziej nieodzowna staje się analiza etapów. Dzięki zaawansowanym funkcjom i intuicyjnym narzędziom, RFEM 6 stanowi wydajną platformę do przeprowadzania szczegółowych analiz etapów, zwiększając zarówno wydajność, jak i niezawodność w inżynierii geotechnicznej.
Baza informacji