Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Podobné dokumenty
Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

POROVNÁNÍ VÝSLEDKŮ NUMERICKÉHO MODELOVÁNÍ S KLASICKÝMI TEORIEMI, CHYBY PŘI MODELOVÁNÍ

Metoda konečných prvků Charakteristika metody (výuková prezentace pro 1. ročník navazujícího studijního oboru Geotechnika)

Co je obsahem numerických metod?

Připomenutí co je to soustava lineárních rovnic

Globální matice konstrukce

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Mezi jednotlivými rozhraními resp. na nosníkových prvcích lze definovat kontakty

Násep vývoj sedání v čase (konsolidace) Program: MKP Konsolidace

Pilotové základy úvod

1 Úvod. Poklesová kotlina - prostorová úloha

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Aplikovaná numerická matematika - ANM

Metoda konečných prvků Základy konstitutivního modelování (výuková prezentace pro 1. ročník navazujícího studijního oboru Geotechnika)

Numerické metody a programování

MECHANIKAPODZEMNÍCH KONSTRUKCÍ KLASIFIKACE VÝPOČETNÍCH METOD STABILITY A ZATÍŽENÍ OSTĚNÍ

Metoda konečných prvků Úvod (výuková prezentace pro 1. ročník navazujícího studijního oboru Geotechnika)

Sypaná hráz výpočet ustáleného proudění

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Matematika B101MA1, B101MA2

MECHANIKA PODZEMNÍCH KONSTRUKCÍ Statické řešení výztuže podzemních děl

Numerické metody a programování. Lekce 4

Soustavy lineárních rovnic

FP - SEMINÁŘ Z NUMERICKÉ MATEMATIKY. Katedra matematiky a didaktiky matematiky Technická univerzita v Liberci

Rozdíly mezi MKP a MHP, oblasti jejich využití.

Posouzení stability svahu

Výpočet konsolidace pod silničním náspem

Výpočet konsolidace pod silničním náspem

Kancelář stavebního inženýrství s.r.o. Statický výpočet

Soustavy lineárních rovnic-numerické řešení

Kopané, hloubené stavby

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Druhy plošných základů

MATEMATICKÉ MODELOVÁNÍ A SKUTEČNÉ CHOVÁNÍ TUNELŮ REALIZOVANÝCH PODLE PROJEKTŮ IKP Consulting Engineers, s.r.o.

Jedná se o soustavy ve tvaru A X = B, kde A je daná matice typu m n,

Dnešní látka Opakování: normy vektorů a matic, podmíněnost matic Jacobiova iterační metoda Gaussova-Seidelova iterační metoda

OTÁZKY K PROCVIČOVÁNÍ PRUŽNOST A PLASTICITA II - DD6

Numerické metody. Numerické modelování v aplikované geologii. David Mašín. Ústav hydrogeologie, inženýrské geologie a užité geofyziky

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

Soustavy lineárních rovnic-numerické řešení. October 2, 2008

Matice. Modifikace matic eliminační metodou. α A = α a 2,1, α a 2,2,..., α a 2,n α a m,1, α a m,2,..., α a m,n

Výpočet sedání terénu od pásového přitížení

0.1 Úvod do lineární algebry

Tvorba výpočtového modelu MKP

Rovinná úloha v MKP. (mohou být i jejich derivace!): rovinná napjatost a r. deformace (stěny,... ): u, v. prostorové úlohy: u, v, w

Pružnost a plasticita II CD03

stránkách přednášejícího.

Výpočet přetvoření a dimenzování pilotové skupiny

a vlastních vektorů Příklad: Stanovte taková čísla λ, pro která má homogenní soustava Av = λv nenulové (A λ i I) v = 0.

Všechno, co jste kdy chtěli vědět o maticích, ale báli jste se zeptat

Matematické modely a způsoby jejich řešení. Kateřina Růžičková

Martin NESLÁDEK. 14. listopadu 2017

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství

10. Soustavy lineárních rovnic, determinanty, Cramerovo pravidlo

HODNOST A DETERMINANT MATICE, INVERZNÍ MATICE

Kapitola 24. Numerické řešení pažící konstrukce

MECHANIKA HORNIN A ZEMIN

HODNOST A DETERMINANT MATICE, INVERZNÍ MATICE

Numerické řešení pažící konstrukce

Namáhání ostění kolektoru

Maticí typu (m, n), kde m, n jsou přirozená čísla, se rozumí soubor mn veličin a jk zapsaných do m řádků a n sloupců tvaru:

Kontraktantní/dilatantní

1 0 0 u 22 u 23 l 31. l u11

Konsolidace zemin Stlačení vrstev zeminy je způsobené změnou napětí v zemině např. vnesením vnějšího zatížení do zeminy

1 Použité značky a symboly

SOUSTAVY LINEÁRNÍCH ALGEBRAICKÝCH ROVNIC

Úlohy k přednášce NMAG 101 a 120: Lineární algebra a geometrie 1 a 2,

0 0 a 2,n. JACOBIOVA ITERAČNÍ METODA. Ax = b (D + L + U)x = b Dx = (L + U)x + b x = D 1 (L + U)x + D 1 b. (i) + T J

Soustava m lineárních rovnic o n neznámých je systém

Iterační metody řešení soustav lineárních rovnic. 27. prosince 2011

Posouzení piloty Vstupní data

Pružné oblasti (oblasti bez plasticity) Program: MKP

Metoda konečných prvků Základní veličiny, rovnice a vztahy (výuková prezentace pro 1. ročník navazujícího studijního oboru Geotechnika)

VYUŽITÍ VÝSLEDKŮ MATEMATICKÉHO MODELOVÁNÍ PRO NÁVRH NOVÝCH KONSTRUKCÍ BEZPEČNOSTNÍCH HRÁZÍ

Generování sítě konečných prvků

DRN: Soustavy linárních rovnic numericky, norma

VYBRANÉ PARTIE Z NUMERICKÉ MATEMATIKY

Aktuální trendy v oblasti modelování

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE

1 Determinanty a inverzní matice

Nelineární analýza materiálů a konstrukcí (V-132YNAK) Přednáška 2 Princip metody konečných prvků

Posouzení mikropilotového základu

1 Švédská proužková metoda (Pettersonova / Felleniova metoda; 1927)

TENSOR NAPĚTÍ A DEFORMACE. Obrázek 1: Volba souřadnicového systému

Mechanika s Inventorem

III. MKP vlastní kmitání

Princip řešení soustavy rovnic

2.6. VLASTNÍ ČÍSLA A VEKTORY MATIC

1 TECHNICKÁ ZPRÁVA KE STATICKÉMU VÝPOČTU

8 Matice a determinanty

Výpočet prefabrikované zdi Vstupní data

Soustavy linea rnı ch rovnic

Výpočet gabionu Vstupní data

Zakládání ve Scia Engineer

1/10. Kapitola 12: Soustavy lineárních algebraických rovnic

Státní závěrečná zkouška z oboru Matematika a její použití v přírodních vědách

Transkript:

Katedra geotechniky a podzemního stavitelství Modelování v geotechnice Obecný postup při numerickém modelování (prezentace pro výuku předmětu Modelování v geotechnice) doc RNDr Eva Hrubešová, PhD Inovace studijního oboru Geotechnika CZ107/2200/280009 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR

Obecný postup při numerickém modelování Stanovení cílů modelování Zjednodušení reálné situace Numerická formulace Výběr vhodné matematické metody a odpovídajícího výpočetního programu Zadání vstupních dat výpočtů (preprocesor) Vlastní matematické řešení úlohy

STANOVENÍ CÍLŮ MODELOVÁNÍ stabilita svahů napěťodeformační stav v okolí podzemního díla statické řešení výztužní konstrukce filtrační stabilita hrází apod Nutno zohlednit dostupné hardwarového a softwarového vybavení, ekonomické i časové hledisko tvorby modelu i výpočtu

ZJEDNODUŠENÍ REÁLNÉ SITUACE redukce dimenze úlohy (pokud jsou splněny předpoklady pro redukci) - např redukce 3D modelu na rovinný model v případě splnění požadavků na rovinné přetvoření (liniová díla, tunely, hráze, násypy, opěrné konstrukce apod) zjednodušení geometrie - zohlednění pouze podstatných vlivů: zjednodušení geometrie zjednodušení rozhraní vrstev v geologickém profilu zjednodušení materiálové variability (např kvazihomogenní celky) Výchozí motto formulace modelu: Make everything as simple as possible, but not simpler Albert Einstein

NUMERICKÁ FORMULACE ÚLOHY popis chování modelu, popř jeho částí pomocí řídících rovnic Základní řídící rovnice: Diferenciální rovnice rovnováhy popisuje podmínku rovnováhy, kterou musí splňovat složky napětí Geometrické rovnice udávají vztah mezi deformací a posuny Fyzikální (konstitutivní) rovnice udávají vztah mezi přetvořením a napětím Lévyho podmínka souvislosti přetvoření podmínka souvislosti přetvoření bez roztržení materiálu (pro metody modelování kontinua)

VÝBĚR VHODNÉ MATEMATICKÉ METODY A ODPOVÍDAJÍCÍHO VÝPOČETNÍHO PROGRAMU Kontinuální x diskontinuální model prostředí (např skalní prostředí s blokovou strukturou, sypký granulární materiál, vliv diskontinuit je primární ) volba numerické metody numerická metoda modelování kontinua (metoda konečných prvků, metoda hraničních prvků, metoda konečných diferencí) předpoklad kontinuálního přetváření tělesa, bez možnosti modelování odtržení (např software Plaxis, Midas GTS, GEO5 MKP, CESAR, FLAC, ) numerická metoda modelování diskontinua (metoda oddělených elementůsoftwary UDEC, PFC) umožňuje modelovat separaci bloků, otevírání resp uzavírání trhlin

Zadání vstupních dat výpočtů (preprocesor) Rozsah Volba typu rozdělení oblasti na dílčí podoblasti Geometrie Konstitutivní vztah Materiálové charakteristiky konstitutivních modelů Okrajové podmínky Počáteční podmínky

Volby výšky a šířky modelu Rozsah modelu v h Hranice modelu musí být tak daleko, aby nedocházelo k ovlivnění výpočtu okrajovými podmínkami úlohy Tato podmínka je zohledněna obvykle dostatečnou výškou a šířkou modelu, v některých případech je určena přímo reálnou situací (např v podloží se nachází tuhá, prakticky nedeformovatelná hornina)

Doporučené rozsahy modelů pro jednotlivé typy staveb Plošné základy Hlubinné základy Nevyztužená jáma Násyp 2L L

Doporučené rozsahy modelů pro tunelové stavby Mělké tunely Hluboké tunely

Volba typu rozdělení oblasti na dílčí podoblasti (diskretizace) Každá numerická metoda vyžaduje rozdělení na určité dílčí podoblasti (konečné prvky, oddělené prvky, hraniční prvky apod) Volba typu aproximace přesného řešení na prvku (lineární, kvadratická popř aproximace vyšších řádů) předurčuje typ podoblasti (trojúhelník s určitý počtem uzlových bodů, čtyřúhelník, v prostoru např čtyřstěny s určitým počtem uzlových bodů apod) Volba velikostí dílčích podoblastí závisí na typu a geometrické komplikovanosti úlohy, v místech očekávaných velkých změn napětí resp posunů by měly být podoblasti (prvky) menších rozměrů (např paty svahů, okolí výrubu díla apod) Obecně se v případě stabilitních úloh doporučuje volba prvků s aproximační funkcí vyššího řádu

Zadání geometrie modelu základní geometrie (rozsah modelu, řez svahem apod) rozhraní materiálů (rozhraní jednotlivých zeminových resp horninových vrstev), antropogenní rozhraní (zpevněné zeminy apod) geometrie diskontinuit (směry diskontinuit, vzdálenosti jednotlivých diskontinuit apod) geometrie příčného průřezu podzemního díla určuje generaci sítě atd

Volby resp zadání konstitutivního vztahu materiálů v modelu Volba vhodného konstitutivního modelu je jedna z nejzákladnějších a současně nejproblematičtějších součástí tvorby modelu (viz samostatná kapitola Konstitutivní vztahy) Volba typu konstitutivního modelu je závislá na typu materiálu (jíly, štěrky, horniny, beton, ocel, ) a předurčuje významně stupeň vypovídací schopnosti modelu V případě diskontinuitních modelů je třeba kromě volby konstitutivního vztahu pro bloky stanovit i vhodný konstitutivní vztah pro diskontinuity

Zadání materiálových charakteristik konstitutivních modelů Čím sofistikovanější konstitutivní vztah, tím jsou obvykle kladeny větší požadavky na charakter a rozsah laboratorních zkoušek pro stanovení vstupních dat (z toho vyplývají i vyšší časové nároky na přípravu modelu) Základní vlastnosti horninových bloků přetvárné popisné pevnostní vlastnosti diskontinuit charakter povrchu vlastnosti výplně

Základní charakteristiky bloků horninového masívu Přetvárné charakteristiky Youngův modul pružnosti Poissonovo číslo smykový modul pružnosti popř další v závislosti na volbě konstitutivního vztahu Popisné charakteristiky objemová tíha pórovitost popř další v závislosti na volbě konstitutivního vztahu Pevnostní charakteristiky soudržnost úhel vnitřního tření úhel dilatance popř další v závislosti na volbě konstitutivního vztahu

Základní materiálové charakteristiky diskontinuit Charakter povrchu diskontinuity - povrch drsný resp hladký Charakter výplně diskontinuity bez výplně s výplní tvořenou úlomky hornin s jílovitou výplní různé konzistence zvodnělá výplň Deformační chování diskontinuit je nejčastěji simulováno dvojicí pružin (v normálovém a smykovém směru), které mají rozličnou tuhost Normálová tuhost k n charakterizuje chování diskontinuity ve směru kolmém k ploše diskontinuity, smyková tuhost k s pak v samotné ploše diskontinuity

Okrajové podmínky modelu Geometrické základní okrajové (hraniční) podmínky modelu, zamezují pohybu modelu jako celku Silové jsou zadávány v případě potřeby zadáním přitížení na hranici nebo její části (objektem, dopravou apod) Konsolidační okrajové podmínky- stanovují charakter hranic modelu z hlediska propustnosti a s tím spojeným vytlačováním vody z pórů Omezující okrajové podmínky z hlediska proudění vody-stanovují charakter hranic modelu z hlediska proudění vody (propustné resp nepropustné)

Geometrické okrajové podmínky modelu Zadávají se omezení posunů na hranicích modelu standardní geometrické podmínky odpovídají tzv tuhé vaně v případě statických úloh jsou na vertikálních hranicích omezeny posuny ve směru horizontálním, na spodní hranici modelu ve směru vertikálním, popř v obou směrech V případě řešení dynamické rovnováhy jsou výše uvedeným způsobem omezeny rychlosti Pro objektivitu geometrických okrajových podmínek a eliminaci jejich vlivu na řešení úlohy nutno volit vhodný rozsah modelu! Doporučované rozsahy modelu pro různé typy staveb byly již uvedeny dříve

Standardní geometrické podmínky (tuhá vana) v případě statické rovnováhy y Příčný řez svahem y Příčný řez tunelem u x = 0 u =0 u x = 0 x u x =0 u x =0 y u y =0

Standardní geometrické podmínky v případě dynamické rovnováhy (omezení rychlostí v horizontálním směru na svislých hranicích a omezení rychlosti ve vertikálním směru na spodní hranici modelu aplikace např v systému UDEC (metoda oddělených elementů)) u / x = 0 u / x = 0 x u / y =0

Počáteční podmínky modelu Primární (počáteční stav) napjatosti v horninovém prostředí svislá složka obvykle uvažována jako tíha nadloží, horizontální složka je zjednodušeně uvažována jako součin vertikální složky a koeficientu bočního tlaku Koeficient bočního tlaku je možno stanovit na základě různých výpočetních vztahů, nejčastěji používané vztahy: Jákyho vztah: Kb=1-sin j (j úhel vnitřního tření) Terzaghiho vztah: Kb=m/(1-m) (m Poissonovo číslo) Počáteční hodnota pórového tlaku (daná např počáteční výškou hladiny podzemní vody) Pozor na rozdíl mezi okrajovými a počátečními podmínkami!!

ŘEŠIČ VÝPOČETNÍHO PROGRAMU Základní zadávané charakteristiky (v závislosti na konkrétním řešiči): metoda řešení odpovídající soustavy algebraických rovnic (Gaussova přímá eliminační metoda, iterační metoda) přesnost řešení počet výpočetních kroků

ŘEŠENÍ SOUSTAV LINEÁRNÍCH ROVNIC 1 PŘESNÉ (FINITNÍ) METODY teoreticky přesné řešení se získá po konečně mnoha krocích 2 ITERAČNÍ (PŘIBLIŽNÉ) METODY- k přesnému řešení konverguje nekonečná posloupnost vektorů (efektivnost iteračních metod závisí na volbě počáteční aproximace a na rychlosti konvergence)

Maticový zápis soustavy lineárních rovnic: A x = b mn m m n a a a a a a A 2 1 1 12 11 matice (m x n) m řádků n sloupců n b n b b x x x, 1 1 jesliže m=n jedná se o čtvercovou matici Modelování v geotechnice Obecný postup při numerickém modelování

Často používané typy matic: Čtvercová matice: počet řádků se rovná počtu sloupců (m=n) Inverzní matice: AA -1 =A -1 A=E 1 0 1 0 0 0 1 E jednotková matice Transponovaná matice A T k matici A: vzniká záměnou řádků a sloupců původní matice A Modelování v geotechnice Obecný postup při numerickém modelování

Diagonální matice: 3 2 1 0 0 0 0 A Regulární matice - čtvercová matice, pro níž platí: 0 det 1 1 11 nn n n a a a a A podmínka pro existenci právě jednoho řešení soustavy, ke každé regulární matici existuje matice inverzní A -1 V opačném případě se jedná o singulární matici Modelování v geotechnice Obecný postup při numerickém modelování

Regularitu matice zajišťují v případě numerických metod především správně zadané okrajové podmínky! Špatně podmíněné matice: malá změna v hodnotách prvků matice způsobí relativně velkou chybu v řešení V opačném případě se jedná o dobře podmíněné matice Symetrická matice: a i,j =a j,i, pro každé i,j Pozitivně definitní matice: pro každý nenulový vektor x platí: x T A x > 0

Symetrická pozitivně definitní matice je regulární- zajišťuje tedy existenci jediného řešení soustavy Řídká matice- má velký počet nulových prvků různě umístěných Pásová matice- řídká matice, jejíž nenulové prvky jsou soustředěny kolem hlavní diagonály Trojúhelníková matice: Horní trojúhelníková matice- nenulové prvky matice jsou pouze na hlavní diagonále a nad ní, ostatní prvky jsou nulové Dolní trojúhelníková matice- nenulové prvky jsou pouze na hlavní diagonále a po ní

ŘEŠENÍ SOUSTAVY: x=a -1 b A -1 tzv inverzní matice Způsob řešení soustavy závisí do značné míry na typu matice soustavy existují pak specializované algoritmy pro řešení soustav s určitým typem matice ( matice symetrická, pásová apod)

Nejčastěji používané přímé metody řešení soustav lineárních rovnic 1) Cramerovo pravidlo- řešení soustav lin rovnic o n neznámých se převádí na výpočet (n+1) determinantů n-tého stupně, pro velké soustavy rovnic je tato metoda nevhodná 2) Gaussova eliminační metoda- nejrozšířenější eliminační metoda, pro rozsáhlé soustavy rovnic relativně pomalá Princip: danou soustavu převedeme postupnými úpravami na ekvivalentní soustavu, která má trojúhelníkovou matici Postup při řešení touto metodou lze rozdělit na: a)přímý chod stanovení ekvivalentní soustavy s trojúhelníkovou maticí b) Zpětný chod určení neznámých x i, i=1,, n

3) Metoda odmocnin 4) Choleského metoda Nejčastěji používané iterační metody pro řešení soustav lineárních algebraických rovnic 1) Jacobiho iterační metoda iterační předpis: j1 n i1 1 i i x j bj a jk xk a jk xk a jj k 1 k j1 Při řešení touto iterační metodou je nutno v paměti počítače uchovávat všechny složky vektoru x (i)

2) Gauss-Seidlova iterační metoda: Iterační předpis: j1 n i1 1 i1 i x j bj a jk xk a jk xk a jj k 1 k j1 V případě této iterační metody se uchovává v paměti méně dat 3) Metoda střídavých směrů 4) Gradientní metody 5) Metoda největšího spádu 6) Superrelaxační metoda

Shrnutí Přímé metody: 1) nevyžadují volbu počáteční aproximace 2) jsou pomalejší 3) relativně velké nároky na paměť Iterační metody: 1) Vyžadují volbu počáteční aproximace 2) Rychlejší 3) Nutnost uchování menšího množství dat

Zhodnocení výsledků modelování Každý model je zatížen ve větší či menší míře objektivními či subjektivními chybami- není možno je zcela eliminovat, objektivní chyby vyplývají ze samotné podstaty modelování Každý výsledek modelování je nutno kriticky posoudit z hlediska očekávaných výsledků, zkušeností, popř porovnání s analytickým modelem, optimální je porovnání s výsledky geotechnického monitoringu Není přípustná formulace tak mi to vyšlo z počítače Za výsledek modelování vždy odpovídá realizátor výpočtu, nikoliv aplikovaná metoda ani software!!!