Геотехнические расчёты в ПГС: оптимизация проекта
Применение одновременно программного комплекса для работы с конструктивом и геотехнического комплекса позволяет повысить точность расчетов. Это положительно сказывается на экономическом обосновании проекта и на общей надежности сооружения.
В статье на конкретном примере расчетов в программных комплексах midas GTS NX, ЛИРА и СКАД приводится обоснование данного утверждения.
![](/images/dynamic/img46909.jpg)
Введение
Какие преимущества даёт применение геотехнических программных комплексов? Этот вопрос часто поднимается, когда речь касается ПГС отрасли. В действительности сложилась ситуация, когда инженеры, работающие в этой сфере, не видят необходимости в применении дополнительных решений для оценки поведения грунтового массива. Причин для появления такого мнения несколько: начиная с того, что действующие нормы не обязуют выполнять геотехнический расчёт численными методами (за исключением некоторых случаев), заканчивая тем, что современные программные комплексы для работы с конструктивом имеют встроенные модули, где также описывается грунт, и коэффициенты постели рассчитываются с учетом неоднородности основания. В этой статье попробуем ответить на вопрос «нужно ли применять геотехнические программные комплексы?» в ситуациях, когда того не требуют нормативные документы.
Сравнение математических моделей материала
Одна из причин включения геотехнического расчёта в состав проекта – оптимизация. За счёт гораздо более точного расчёта работы грунта изменяется общая работа системы «грунт-сооружение». При этом мы получаем и иные усилия в элементах. Таким образом, при подборе армирования, это позволяет нам не прибегать к излишнему запасу материала.
Уточнение армирования в элементах конструкции будет происходить:
За счёт применения расширенных моделей грунта, которые присутствуют в midas GTS NX / FEA NX. При использовании таких моделей мы получим уточнённые усилия в элементах за счёт более корректных напряжений и перемещений в массиве.
За счёт моделирования поведения грунта на разных этапах производства работ, начиная с подготовительного этапа планировки площадки строительства, далее описывая разработку котлована, возведение здания и обратную засыпку. На всех этапах можно будет получить подробные данные о работе конструкции.
Насколько математические модели работы грунта влияют на результат, можно увидеть на рисунках 1 и 2. На рисунке 1 представлены значения вертикальных перемещений при использовании различных моделей. Упругая модель Elastic в данном сравнении нам не так интересна, т. к. очевидно, что, моделируя грунт в виде упругой среды мы заметно снижаем точность получаемых результатов. В представленном сравнении нам интересно сравнение моделей Hardening Soil (HS) и модели Mohr-Coulomb (MC). Несмотря на то, что модель Мора-Кулона также относится к упругопластическим моделям, фактически она работает сначала идеально упруго, как и упругая модель, но при достижении критерия прочности Мора-Кулона она начинает работать идеально пластически. Таким образом она также не описывает правильного поведения грунта и рекомендуется к применению лишь в определённых задачах (например, расчёт устойчивости в одностадийном варианте).
Модель HS лишена данных недостатков и основывается на гиперболической зависимости деформаций от напряжений. Эта модель уже позволяет достоверно оценивать работу массива и разделяет такие понятия как первичное нагружение, разгрузка и вторичное нагружение грунта. Подробнее о сравнениях моделей Hardening Soil и Mohr-Coulomb вы можете узнать из этой статьи.
Соответственно, применяя эту модель при расчёте системы «Основание-Сооружение», мы заметно повышаем точность расчёта.
В рассматриваемой модели присутствовало несколько стадий, таких как: начальная стадия (формирование начальных напряжений в массиве), разработка котлована с бортами естественного залегания и стадийное возведение здания.
![Рис. 1. Вертикальные перемещения при использовании разных моделей грунта](/images/dynamic/img49283.jpg)
![Рис. 2. Вертикальные напряжения по подошве фундаментной плиты](/images/dynamic/img49284.jpg)
При применении расширенных моделей, как было описано ранее, уточняются напряжение в массиве и, как следствие, изменяются усилия в элементах. Пример изменения изгибающих моментов в фундаментной плите при применении различных моделей грунтов продемонстрированы на рисунках 3 и 4.
![Рис. 3. Изгибающий момент в фундаментной плите вокруг глобальной оси Y](/images/dynamic/img49285.jpg)
![Рис. 4. Изгибающий момент в фундаментной плите вокруг глобальной оси X](/images/dynamic/img49286.jpg)
Помимо уточнения усилий в элементах, мы также уточняем и общие перемещения в массиве, то есть получаем более достоверные результаты задачи оценки влияния, осадке и крену здания. Также это позволяет нам уточнить сечения ограждающих конструкций котлована, что положительно скажется на экономическом обосновании проекта в целом.
Модель Мора-кулона традиционно даёт высокие значения по зоне влияния за счёт особенностей работы и отсутствия разграничений по работе при первичном нагружении, разгрузке и повторном нагружении. Наглядно данный недостаток можно оценить по значениям выпора грунта при разработке котлована. Модель Мора-кулона даёт гипертрофированные значения по данному компоненту. Конечно, можно применить подходы изменения модуля деформации, что реализовано в программных комплексах для работы с конструктивом, однако этот подход нельзя назвать точным. Также эта модель является чувствительной к размеру расчётной области. Соответственно инженеру нужно также внимательно следить за тем, чтобы размер схемы не был избыточным. Пример различных значений по зоне влияния представлен на рисунке 5.
![Рис. 5. Зона влияния при различных моделях грунтов](/images/dynamic/img49287.jpg)
Таким образом, мы приходим к выводу, что уточнение количества арматуры происходит за счёт более точного описания работы грунта. Однако не стоит забывать и о том, что, используя геотехнический расчёт, пользователь может одновременно учесть все факторы, влияющие на работу здания. Изменяемый во времени уровень грунтовых вод, расчёт консолидации, учёт взаимного влияние различных строящихся на одной площадке объектов и т. д. Всё это позволяет дать точные результаты без необходимости перерасхода материала.
Практический пример
Исходя из всего вышеописанного может возникнуть вывод: если нет разработки котлована, при первичном нагружении результаты с использованием геотехнического комплекса и без него будут сопоставимы. Это не совсем так. Общий характер работы конструкции при этом будет схож, и анализируемые изгибающие моменты будут близки. Однако, перемещения даже в таком случае будут значительно отличаться.
Рассмотрим такой пример. Имеется некий массив грунта, состоящий из двух слоёв, дневная поверхность горизонтальна и выемки котлована не производится. Моделирование выполняется в midas GTS NX и в ЛИРА 10. Расчётные модели представлены на рисунках 6 и 7.
![Рис. 6. Расчётная модель midas GTS NX](/images/dynamic/img49288.jpg)
![Рис. 7. Расчётная модель ЛИРА 10](/images/dynamic/img49289.jpg)
Важно отметить, что при выполнении геотехнического расчёта у пользователя нет необходимости моделировать конструктив заново. Взаимодействие программ осуществляется с помощью встроенного конвертора, который позволяет переносить готовые схемы (в конечноэлементном виде, с учетов материалов и сечений, со всеми заданными загружениями) из программных комплексов ЛИРА Софт, ЛИРА-САПР и СКАД. В рамках такого взаимодействия после выполнения расчёта мы имеем возможность перенести обратно в один из трёх представленных программных комплексов результаты, которые могут содержать коэффициенты постели, одноузловые связи, перемещения для всех узлов модели или перемещения для фундамента. Таким образом можно воспользоваться подбором арматуры встроенными в один из трёх программных комплексов используя усилия в элементах, полученные в рамках расчёта системы «Грунт-Сооружение» с учётом всех факторов, влияющих на работу здания на грунте.
![Рис. 8. Принцип взаимодействия midas GTS NX и расчётных комплексов ЛИРА и СКАД](/images/dynamic/img49290.jpg)
В рассматриваемой тестовой задаче после выполнения расчёта в midas GTS NX были получены коэффициенты постели, перенесённые обратно в ПК ЛИРА 10 для дальнейшего анализа.
Сравнивая результаты простейшей задачи на примере изгибающих моментов фундаментной плиты, видим, что работа конструктива идентична в варианте с использованием midas GTS NX и без него.
![Рис. 9. Результаты изгибающих моментов в фундаментной плите](/images/dynamic/img49291.jpg)
Однако если рассмотреть результаты перемещений, то разница составляет 30%.
![Рис. 10. Результаты вертикальных перемещений фундаментной плиты](/images/dynamic/img49292.jpg)
Разница осадок связана с различными значениями коэффициента постели. Различения коэффициентов обусловлены, в том числе, применением модели грунта «Hardening Soil», имеющей сложную траекторию зависимости деформаций от напряжений. В программных комплексах для работы с конструктивом применяется линейная зависимость напряжений от деформаций. Подробнее о сравнении результатов различных моделей (в том числе линейной) и аналитического решение мы расскажем в следующем материале.
Выполняя расчёт в midas GTS NX, ввиду всех вышеизложенных факторов, пользователь получает более точные напряжения и перемещения. Это поведение конструкции и воссоздаётся с помощью коэффициентов постели в ЛИРА 10. И, как показано на приведённом примере, результат без использования геотехнического программного комплекса значительно занижен, что в некоторых случаях может быть критичным.
Вывод
Применение одновременно и программного комплекса для работы с конструктивом и геотехнического комплекса позволяет повысить точность результатов, что положительно сказывается как на экономическом обосновании проекта, так и на общей надежности сооружения. Совместное применение не требует от инженера дополнительных действий по моделированию здания, т. к. встроенный конвертер позволяет сразу перенести конструктив в midas GTS NX для выполнения совмещённого расчёта.
Пройдите бесплатный вводный курс и узнайте больше о возможностях midas GTS NX. Вы узнаете, как замоделировать разработку котлована и провести расчет оценки влияния и совмещенный расчет НДС-Фильтрация-Устойчивость.
![](/images/dynamic/img51547.png)
Журнал остается бесплатным и продолжает развиваться.
Нам очень нужна поддержка читателей.
Поддержите нас один раз за год
Поддерживайте нас каждый месяц