V geotechnice představuje podloží složitou výzvu vzhledem ke svému nelineárnímu chování závislému na dráze. Při použití analýzy konečných prvků (MKP) pro modelování interakce konstrukce s podložím je nezbytné zahrnout fáze výstavby do analýzy pro dosažení přesných simulací, realistických předpovědí a bezpečnějších posouzení. Zanedbání tohoto kritického aspektu může vést k nerealistickým rozdělením napětí, méně přesným odhadům sedání a ohrožení stability konstrukce. V tomto příspěvku se podíváme na hlavní důvody pro tento přístup a vyzdvihneme jeho význam v geotechnické analýze.
- Nelinearita a historie napětí v chování zeminy
Zemina se při zatížení nechová lineárně; jeho odezva závisí na historii působících napětí. Vztah mezi napětím a přetvořením se vyvíjí s postupným zaváděním zatížení během výstavby. Zachycení tohoto průběhu je nezbytné pro realistický průběh napětí, protože fáze výstavby postupně mění průběh napětí a ovlivňují sedání a pevnost.
- Postupné působení zatížení
Ve stavebnictví jsou zatížení aplikována postupně, jak se přidávají vrstvy nebo konstrukce. MKP, která zahrnuje fáze výstavby a simuluje realistické zatížení, umožňuje přesnou předpověď sedání. Tímto způsobem se zabrání nadhodnocení nebo podcenění odezvy podloží, které může ovlivnit stabilitu konstrukce.
- Interakce s existujícími konstrukcemi
U projektů, které se týkají přilehlých nebo stávajících konstrukcí, může být dopad postupné výstavby na okolní budovy nebo infrastrukturu značný. Postupná analýza pomáhá posoudit rizika, jako je rozdílné sedání nebo poškození konstrukce.
- Výzvy specifické pro stavebnictví
Postupná analýza pomáhá řešit dočasné stavy během výstavby, jako je odvodnění, nadměrné sedání atd. Díky simulaci každé fáze mohou inženýři včas identifikovat potenciální mechanismy selhání a navrhnout opatření pro zmírnění stability během výstavby.
- Soulad s návrhovými normami
Moderní geotechnické normy, jako například Eurokód 7, zdůrazňují, jak je důležité při analýze zohlednit fáze výstavby. Tyto normy vyžadují, aby inženýři vyhodnotili mezistabilitu během výstavby a dlouhodobou výkonnost systému konstrukce podloží po výstavbě, což vyžaduje postupný přístup k procesu návrhu.
Geotechnická analýza s fázemi výstavby v programu RFEM 6
Poté, co jsme si ukázali, jak důležité je zahrnout fáze výstavby do geotechnické analýzy, nyní se podíváme na to, jak tento přístup aplikovat na níže uvedeném modelu. Model představuje železobetonovou budovu na půdním masivu modelovanou v programu RFEM 6. Konstrukce se skládá ze železobetonové desky pro každé podlaží, základové desky, sloupů a svislých stěn. Mezi působící zatížení patří vlastní tíha podloží, vlastní tíha konstrukce, vlastní tíha a užitná zatížení.
206x
102x
Pro nováčky v pracovním postupu pro definování fází výstavby v programu RFEM 6 doporučujeme nahlédnout do níže uvedených článků databáze znalostí. Je důležité si uvědomit, že fáze výstavby jsou v programu definovány na základě dvou hlavních faktorů: konstrukční prvky aktivní v dané fázi a zatížení působící v dané fázi. Pro srozumitelnost a stručnost předvedeme proces pro první fázi výstavby spolu s tabulkou, která ukazuje, jak lze stejný pracovní postup rozšířit o další fáze.
- KB 1737 | Zadání fází výstavby při vytváření modelu
- KB 1724 | Zohlednění fází výstavby v programu RFEM 6
V počáteční fázi výstavby se pozornost soustředí výhradně na podloží. Pro konfiguraci této fáze otevřete okno "Fáze výstavby" a vyberte záložky "Tělesa" a "Plochy", jak je znázorněno na obrázku 1. Tento krok zajistí zahrnutí půdního tělesa i ploch s předem definovanými okrajovými podmínkami. Procházením příslušných záložek lze upravit stav těles a ploch. Pro tělesa vyberte možnost „Vše“, protože v této fázi nejsou v modelu přítomna žádná další tělesa. Podobně v záložce "Plochy" zahrňte plochy s předem definovanými okrajovými podmínkami, konkrétně plochy s čísly 31-47 a 54-57, jak je znázorněno na obrázku 2. Pro zefektivnění tohoto procesu lze použít předdefinovaný výběr objektů, který umožňuje přidat všechny relevantní prvky současně. Tento přístup nejen šetří čas, ale také zvyšuje přesnost při přípravě fáze výstavby.
Poté, co byly zadány změny konstrukce pro fázi výstavby, je dalším krokem zadání zatěžovacích stavů aktivních v této fázi. To lze provést v záložce "Fáze výstavby" v okně "Zatěžovací stavy a kombinace", jak je znázorněno na obrázku 3. V počáteční fázi se zohlední pouze vlastní tíha podloží a odpovídající zatěžovací stav se přiřadí.
V tomto kroku lze zadat další možnosti, jako například upravit konstrukci podle potřeby pro uvažovanou počáteční fázi (viz obrázek 4). To je důležité, protože při analýze s materiálem tvrdnoucí zeminy musí být materiál v první fázi linearizován. Za tímto účelem otevřete příslušné okno a deaktivujte nelinearitu materiálu, jak je znázorněno na obrázku 5.
Dále je možné upravit nastavení pro statickou analýzu pro jednotlivé fáze otevřením okna „Nastavení pro statickou analýzu“ v záložce Hlavní, která je znázorněna na obrázku 4. Zatímco pro počáteční fázi, kdy je materiálová nelinearita deaktivována, nejsou nutné žádné změny, pro následné fáze, jako je CS2, je to důležité, kde je možné aktivovat možnost "Rovnováha pro nedeformovanou konstrukci" (viz obrázek 6). Tím je zajištěno, že deformace zůstanou nulové, což umožňuje zachovat napětí od vlastní tíhy zeminy. Tento krok je rozhodující pro stanovení správného napěťového stavu a zajišťuje, že materiálový model poskytuje odpovídající tuhost.
Při pohledu na nastavení na obrázku 6 je vidět, že nastavení pro statickou analýzu pro počáteční fázi se konfigurují s jedním přírůstkem zatížení. Vzhledem k tomu, že zatížení budou aplikována v po sobě jdoucích fázích, je třeba zohlednit další aspekty, jako je například úprava počtu přírůstků zatížení tak, aby odpovídala vyvíjejícím se zatěžovacím podmínkám. Za tímto účelem lze vytvořit nové nastavení pro statickou analýzu se zvýšeným počtem přírůstků zatížení a přiřadit je následujícím fázím. Konkrétní počet přírůstků zatížení pro každou fázi v tomto modelu je uveden v tabulce níže, aby bylo zajištěno přesné sladění s postupem výstavby.
| Fáze výstavby: | Následuje: | Přidané objekty | Aktivní zatěžovací stav | Změna konstrukce: | Počet přírůstků zatížení: | Další pokyny: |
|---|---|---|---|---|---|---|
| CS1 | / | Půdní těleso, plochy s okrajovými podmínkami | ZS4 | Modely s nelinearitou materiálu deaktivovány | 1 | / |
| CS2 | CS1 | / | ZS4 | / | 1 | Rovnováha pro nedeformovanou konstrukci (u=0) |
| CS3 | CS2 | Základové prvky | ZS1, ZS4 | / | 2 | / |
| CS4 | CS3 | Přízemí: Stěny a sloupy | ZS1, ZS4 | / | 2 | / |
| CS5 | CS4 | Přízemí: Strop | ZS1, ZS4 | / | 2 | / |
| CS6 | CS5 | 1.NP: Stěny a sloupy | ZS1, ZS4 | / | 6 | / |
| CS7 | CS6 | Střešní strop | ZS1, ZS4 | / | 6 | / |
| CS8 | CS7 | Vlastní tíha | ZS1, ZS2, ZS4 | / | 10 | / |
| CS9 | CS8 | Užitné zatížení | ZS1, ZS2, ZS3, ZS4 | / | 10 | / |
| align=center@width=20%@bgcolor=lightgray | align=center | align=center |
|---|---|---|
| Zatěžovací stav | Použité zatížení | |
| ZS1 | Vlastní tíha konstrukce | |
| ZS2 | Vlastní tíha | |
| ZS3 | Užitné zatížení | |
| ZS4 | Vlastní tíha zeminy |
Jak bylo zdůrazněno v úvodu, je důležité definovat následující fáze výstavby tak, aby přesně odrážely proces výstavby a zatížení a současně realisticky zachytily chování zeminy. Tabulky 1 a 2 mohou sloužit jako vodítko pro definování následujících fází, pokud dodržíme pracovní postup pro počáteční fázi výstavby (CS1 Začátek) a použijeme příslušné poznámky pro ostatní fáze. Všimněte si, že všechny fáze výstavby jsou posuzovány pomocí geometricky lineárního přístupu, přičemž pro nelineární analýzu se používá Newton-Raphsonova metoda. Úpravy dalších nastavení pro analýzu, například počtu přírůstků zatížení, jsou popsány v tabulce níže.
Jakmile jsou fáze výstavby definovány, je třeba před spuštěním výpočtu upravit nastavení pro generování kombinací zatížení. To lze provést v generátoru kombinací pro příslušnou návrhovou situaci. Zde můžete konfigurovat nastavení analýzy a aktivovat možnost zohlednit počáteční stav, což umožňuje přiřazení definovaných fází výstavby, jak je znázorněno na obrázku 7. Tato metoda zajišťuje generování kombinací zatížení pro každou fázi se zohledněním počátečního stavu z předchozí fáze, což zajišťuje plynulý a přesný přechod mezi fázemi výstavby.
Nyní máte všechny potřebné informace pro spuštění výpočtu a analýzu výsledků. Lze tak například zobrazit posuny v každé fázi výstavby a také konečné posuny odpovídající dokončené fázi CS9, kdy je konstrukce plně postavena a jsou aplikována všechna zatížení. Kromě toho lze výsledky zobrazit jako rozdíly v rámci přírůstku zatížení ve fázi nebo vzhledem k předchozí fázi (obrázek 8). Lze tak sledovat deformace způsobené konstrukcí určitých konstrukčních prvků nebo působením zatížení. Na obrázku 8 je například vidět sedání způsobené konstrukcí základových prvků.
Závěr a výhled
Zahrnutí fází výstavby do geotechnické analýzy metodou konečných prvků je zásadní pro zajištění bezpečnosti, stability a trvanlivosti konstrukcí. Simulace postupu výstavby krok za krokem umožňuje inženýrům přesně vyhodnotit chování podloží, optimalizovat posouzení a proaktivně řešit potenciální rizika. S rostoucím rozsahem a složitostí projektů je postupná analýza stále více nezbytná. Program RFEM 6 se svými pokročilými funkcemi a intuitivními nástroji poskytuje inženýrům výkonnou platformu pro provádění detailních jevištních analýz, což zvyšuje efektivitu a spolehlivost v geotechnickém inženýrství.
