Projekt vznikl za podpory FRVŠ 1460/2010 Multimediální učebnice předmětu "Výpočty podzemních konstrukcí na počítači"" Příklad č. 3 Horizontálně členěný výrub s prvky primárního zajištění 3D 1
Příklad č. 3 Horizontálně členěný výrub s prvky primárního zajištění 3D Obsah Úvod... 2 Otevření nového souboru... 2 Vložení materiálů... 3 Import DXF výkresu... 8 Vytvoření 3D geometrického modelu... 8 Vytvoření sítí konečných prvků... 11 Okrajové podmínky modelu podpory... 15 Tvrdnutí betonu... 16 Průvodce postupem ražeb... 17 Nastavení výpočtu... 20 Vyhodnocení výsledků... 21 Úvod Na tomto příkladu si ukážeme, jak jednoduše vytvořit model raženého tunelu ve vrstevnatém prostředí. Geometrické vstupy tedy právě danou vrstevnatost geologického podloží a dimenze raženého díla i s prvky zajištění budeme importovat z AutoCAD výkresu ve formátu.dxf. Naučíme se, jak vytvořit prostorový model tunelu (včetně primárního ostění se svorníky) i s následnou generací sítí konečných prvků. Dále si předvedeme aplikaci zatížení vlastní tíhy, nastavení tvrdnutí betonu, sestavení harmonogramu ražeb pro výpočet a nastavení výpočtu. Nakonec si prohlédneme grafické výsledky z postprocesoru. Postup předpokládá základní znalosti orientace a ovládání programu Midas GTS. Otevření nového souboru Po spuštění programu Midas GTS a otevření nového souboru jednoduše zadáme pojmenování, ostatní hodnoty necháme defaultní. Změníme si pouze lépe vyhovující jednotku z tonf na kn. 1) klik na vpravo na výběr z Unit System a vybrat kn. 2
Pro přehlednost je lepší si vypnout mřížku z pracovní plochy a osy lokálního souřadného systému. 2) pravý klik na plochu, vybrat Toggle grid. 3) pravý klik na plochu, vybrat Toggle WCS triad. Vložení materiálů Dalším krokem je vložení materiálů (geologie, prvky zajištění) a parametrů zajištění (ostění, svorníky). Nejprve uložíme informace o geologickém prostředí. Hodnoty parametrů materiálů jsou zahrnuty v následující tabulce. 1) v záhlaví model-property-attribute. 2) klik na add-solid. 3
3) ponecháme ID číslo a vepíšeme název zeminy (navazka), element type vybereme solid a materiál zadáme tlačítkem add. * pro budoucí lepší orientaci v programu je výhodné před název materiálu připsat mat- 4) v kartě materiálů vyplníme jméno (mat-navazka*). Vpravo v model type vybereme model Mohr Coulomb a zadáme parametry vrstvy. Ostatní parametry necháme default. 4
Tímto postupem zadáme všechny vrstvy prostředí (bridlice, kremence). Dále zadáme parametry ostění ze stříkaného betonu. 1) v záhlaví model-property-attribute. 2) klik na add-plane. 3) ponecháme ID číslo a vepíšeme název (SB mlady), element type vybereme plane a materiál zadáme tlačítkem add. 4) v kartě materiálů vyplníme jméno (mat-sb mlady). Vpravo v constitutive model vybereme model elastic a zadáme parametry. Ostatní parametry necháme default. 5) dále klikneme na add-property. 6) v kartě property vyplníme jméno (prop-sb). Jako typ zadáme plate/plane stress a zadáme tloušťku. Ostatní parametry necháme default. 5
Stejným způsobem zadáme i zralý beton (SB zraly). Poslední zadáme ocelové svorníky 1) v záhlaví model-property-attribute 2) klik na add-line 3) ponecháme ID číslo a vepíšeme název (svornik), element type vybereme embedded truss a materiál zadáme tlačítkem add 4) v kartě materiálů vyplníme jméno (mat-svornik). Vpravo v constitutive model vybereme model elastic a zadáme parametry. Ostatní parametry necháme default. 6
5) dále klikneme na add-property 6) v kartě property vyplníme jméno (prop-svornik). Jako typ zadáme truss/embedded truss a jako truss type dáme linear elastic. Vepíšeme průřezovou plochu svorníku, nebo zadáme dole v sectional library jeho geometrii. Nyní máme zadané všechny materiály. 7
* všechny operace budeme v programu zadávat v metrech * pomocí příkazu geometry-checkduplicates můžeme zkontrolovat případné překrytí a zdvojení čar Import DXF výkresu Vytvořený výkres v programu AutoCAD, kde máme narýsované rozhraní vrstev prostředí, vlastní tunel a jeho prvky zajištění je potřeba uložit ve formátu.dxf. Souřadnice v AutoCADu odpovídají souřadnicím v Midasu, je ale potřeba vložit výkres v jednotkách metrů*. Takto upravený výkres se jednoduše importuje do programu Midas GTS. 1) file-import-dxf 2D (wireframe) 2) klik na select AutoCAD file a najít požadovaný.dxf soubor (3). Všechny parametry necháme default*. Vytvoření 3D geometrického modelu Nejprve si musíme upravit importovaný drátový 2D model. Z okrajů světa a z obrysu tunelu vytvoříme wire. 1) geometry-curve-make wire. Jako method vybereme multi entity a ponecháme toleranci. Vybereme úsečky (4) okraje světa a provedeme příkaz. Opakujeme pro křivky obrysu tunelu (4). Pokračujeme protažením modelu do 3tího rozměru. 8
1) geometry-generator feature-extrude. 2) klik na select extrusion profile(s) a v roletě v záhlaví vybereme místo Face (F) položku Wire (W). Napravo od této rolety klikneme na symbol dalekohledu select all, což nám označí oba vytvořené wire. Dále v select extrusion direction oklikneme na ploše osu y (3tí rozměr). 3) zadáme délku length (70), zaškrtneme políčko solid a pojmenujeme vzniklé objekty (prostredi). * pokud projíždíme seznam objektů, postupně se nám rozsvěcují orámováním světle fialovou barvou Takto vytvořenou kostku prostředí a tunelovou troubu je nutné ze sebe navzájem vyřezat, neboť se nám překrývají. Před tímto krokem je výhodné si jeden z těchto objektů přejmenovat. To provedeme vlevo ve stromu nabídky pre-works, kde najdeme geometry-solid-prostredi a oznacime objekt tunelu* a přejmenujeme na tunel. 1) geometry-solid-embed. 2) pro master object select označíme kostku prostředí a pro tool object select označíme tunel. Zaškrtneme políčko delete original shape(s). * jestliže chceme odznačit objekty, přepneme si buď z módu přidávání prostředním tlačítkem do módu odebírání a klikneme na označený objekt. Odznačit všechny objekty můžeme tlačítkem unselect all, nebo jednoduše dvojklikem prostředním tlačítkem Dalším krokem je vytvoření rovin řezů pro geologické vrstvy a členění výrubu. Použijeme opět stejný příkaz extrude pro protažení do 3tího rozměru. Roviny řezu vytvoříme o něco delší než je kostka prostředí, aby se nám lépe uchopovali při další práci. 1) geometry-generator feature-extrude. 2) pro výběr vybrat Edge (E) vybrat čáry pro rozdělení prostředí a čelby (4), v select extrusion direction oklikneme na ploše osu y. 9
* použití této možnosti je velice důležité, zajistí nám to následně kompatibilitu vytvořených sítí a jejich spolupůsobení, tedy provázanost. Naopak, pokud chceme každou síť samostatně, toto neprovedeme. 3) zadáme délku length (80), ostatní default. A nyní rozřežeme tělesa na vrstvy 1) geomtery-golid-givide solid by surface. 2) v select solids vybereme těleso prostředí a tunelu (2), jako select tool surface vybereme vytvořené roviny řezů (4). 3) zaškrtneme políčko divide touching faces of neighbours* a obtáhneme všechny objekty, ostatní necháme default. A dále rozdělíme členěné tunelové trouby na jednotlivé záběry. Je potřeba vytvořit kolmou rovinu na tunel (nakreslit čtverec), tu zkopírovat na dané délky záběrů a dle nich rozřezat troubu. 1) geometry-curve-create on WP-Rectangle. 2) nejprve zatrhneme políčko make face a vytvoříme obdélník překrývající výrub. Nakopírujeme obdélník. 1) geometry-transform-translate. 2) pro select object shape vybereme obdélník jako select direction osu y, vybereme uniform copy, zadáme vzdálenost distance (2) a počet opakování number of times (34). 10
* pro označování v již polovytvořeném modelu nám pomůže možnost zapínání a vypínání zobrazení objektů, což provádíme v nabídce pravého tlačítka na objektech v levém sloupci pre works tree, případně používáme různé metody výběrů měníme v horní liště. A rozřežeme tunel na pásky. 1) geometry-solid-divide solid by surface. 2) pro select solid(s) vyberem všechny části tunelu (4), jako tool surface označíme vytvořené obdélníky (35)*, zatrhneme divide touching faces of neighbours a obtáhneme všechny objekty (včetně vrstev kostky prostředí (4)). Ostatní default. Než přikročíme k vytvoření sítí konečných prvků, posuneme si linie svorníků do polohy ve středu prvního pásku tunelu. 1) geometry-transform-translate. 2) v select object shape(s) vybereme svorniky (9), jako select direction osu y a pro možnost move zadáme vzdálenost distance (1). Vytvoření sítí konečných prvků Nyní se pustíme do vytváření sítí konečných prvků. Použijeme jednoduší variantu automatické sítě z čtyřstěnných prvků. Pro každý objekt (vrstvu, část tunelu) vytvoříme zvlášť síť s příslušným materiálem. Výhodnější je začít od nejmenších částí tunelu, kde použijeme jemnější prvky, síť se pak bude rozvíjet do vrstev s hrubšími prvky. 11
1) mesh-automesh-solid (čelní pohled) 2) v select solid(s) obtáhneme při čelním pohledu levou část kaloty, abychom vybrali všechny za sebou jdoucí pásky (35). 3) v mesh size zadáme velikost prvku element size (2), přiřadíme attribute (3-qOd) podle toho do které vrstvy prostředí spadá (2: bridlice), v mesh set změníme název (LK) pro další orientaci v seznamu sítí a ostatní ponecháme default. Stejným postupem postupně vytvoříme sítě ostatních objektů. Pro objekty částí tunelu (LK, PK, LD, PD kaloty a dna) použijeme velikost prvku 2, pro přiléhající vrstvy podloží (kremence, bridlice 2) 4 a pro ostatní vrstvy (bridlice 1 a navazky) velikost 6. Ještě vytvoříme síť prvků na svornících, kterou potom nakopírujeme nad každý záběr ostění. 1) mesh-automesh-edge. 2) v select edge(s) vybereme svorníky (9). 3) zadáme počet rozdělení linie number of divisions (3), materiál attribute (5:svornik) a pojmenujeme (svorniky). Ostatní default. 12
Síť svorníků nakopírujeme do středu každého proužku. 1) model-transform-tranlate. 2) select mesh sets vybereme síť svorniky (1), select direction osu y, vybereme si uniform copy a distance (2), number of time (34). Odznačíme include color a merge nodes, pojmenujeme v mesh set (svorniky) a ostatní default. 13
* v pre works tree pravým klikem na mesh set a hide all V dalším kroku vytvoříme síť prvků primárního ostění se stříkaného betonu. Vypneme si zobrazení všech sítí* a na plochu si zobrazíme pouze objekt celého tunelu. 1) model-element-extract element 2) jako select face obtáhneme troubu (805), zatrhneme skip duplicated faces, přiřadíme attribute (4: SB mlady), pojmenujeme SB a zatrhneme možnost register based on owner shape, ostatní ponecháme default. * v pre works tree pravým klikem na geometry a hide all Vypneme zobrazení všech objektů* a vygenerovanou síť ostění si zobrazíme zvrchu, protože je potřeba odmazat čela skořepiny stříkaného betonu. 1) model-element-delete 2) pro select element(s) označíme obě čela skořepiny, nastavení default. * po vytvoření sítí ostění je potřeba zkontrolovat, jestli nebyly duplikované, to si ověříme tak, že si zobrazíme pouze sítě ostění (SB-K a SB D), ty označíme na ploše a skryjeme. V pre works tree si ověříme, jestli jsou skryté všechny. To co zůstalo zapnuté (a přitom neviditelné) vymažeme Pro další práci (pro nastavení postupu ražeb) je nutné si vygenerované sítě tunelu a zajištění seřadit vzestupně podle jeho osy (osy y). To provedeme pomocí příkazu rename mesh set. Zapneme znovu zobrazení všechny sítí. 1) mesh-mesh set-rename mesh set. 2) pro select mesh set(s) je výhodnější vybrat příslušný set sítí (LD#1 - LD#35) v pre works tree pomocí shiftu (35). Sorting order vybereme coordinate a jako 1st zvolíme y. Pojmenujeme nově set (LD-), pro každý set vždy nastavíme starting suffix number (1). 14
* pomlčka za názvem je pouze praktická, pro lepší orientaci mezi sítěmi v pre works tree * výběr jednotlivých setů ostění je výhodnější provádět na ploše s vhodnými výběrovými nástroji * to je vhodné udělat při čelním pohledu a pouze táhnout obdélník přes boční hrany, stejně potom u dalších směrů Toto opakujeme pro sítě rubaniny v tunelu (LK-,PK-,PD-) a pro sítě prvků zajištění (SB-LK-,SB-PK-,SB-LD-,SB-PD-,svorniky-)* Nyní, když máme vytvořené všechny sítě, nastavíme věci potřebné pro analýzu, tj. podpory, zatížení, tvrdnutí betonu a postup ražeb. Okrajové podmínky modelu podpory Pro nastavení podpor si v pre works tree skryjeme veškeré sítě (hide mesh set) a zapneme si všechny tělěsa (show solid). 1) model-boundary-supports. 2) pojmenujeme BC set (podpory), pro object type (node) změníme výběr prvků v liště na face (F) a označíme plochy* bočních stěn krychle (559), zatrhneme DOF (UX), ostatní default. 15
* je potřeba si dát pozor, abychom neoznačili i čelní stěnu dalších pásků rozřezané tunelové trouby Toto opakujeme i pro čelní a zadní stěnu* (UY) (674) a pro dno (UZ) (361). Jako zatížení aplikujeme vlastní tíhu. 1) model-load-self weight. 2) vepíšeme jméno load set (vlastni tiha) a u Z vepíšeme hodnotu (-1). Tvrdnutí betonu Nastavíme tvrdnutí betonu. 1) model-bounday-change element attribute for CS. 2) pro select mesh set označíme oba sety ostění kaloty (70), nastavení default a vybereme attribute (6: SB zraly). Stejně provedeme i pro oba sety dna (70). 16
Průvodce postupem ražeb Přikročíme k zadání postupu ražeb, k tomuto účelu nám slouží skupinka nastavení construction stage, pro 3D projekt pak zejména stage definition wizard. V tomto průvodci ražeb nastavíme postupné aktivace a deaktivace jednotlivých sad sítí prvků a simulujeme tak skutečný postup ražeb. Postup je rozdělej na jednotlivé kroky stage, do kterých vepisujeme změny na modelu. V prvním kroku initial stage aktivujeme celkový původní stav a předepíšeme nulové deformace, v dalších fázích potom odstraňujeme části výrubu a v závěsu instalujeme zajištění a měníme vyzrálost betonu. 1) model-construction stage-stage definition wizard. 2) v nabídce vlevo vybereme se stiskem ctrl všechny prvky původního stavu, tedy vrstvy podloží a všechny části výrubu, okrajové podmínky a původní zatížení (bridlice,kremence,navazky,ld-,lk-,pk-,pd-,podpory,vlastni tiha) a přetáhneme do sloupce I.S. ve spodní tabulce pro activation status. 17
3) vybereme nyní všechny odstraňované a instalované prvky (LD-,LK-,PK-,PD-,SB-LK-,SB-PK-,SB-LD-,SB-PD-,svorniky) a přetáhneme do tabulky vpravo. V této tabulce první 2 sloupce set type, set name prefix označují typ a jméno sady sítí, ve třetím sloupci (A/R) nastavujeme aktivaci nebo deaktivaci sad, start postfix zajišťuje kterým prvkem ze sady postup začne a sloupce F a end postfix slouží k určení konce postupu (default je do posledního prvku sady), postfix inc. zajišťuje kolik prvků ze sady bude aktivováno na jednu fázi (S1-Sn), start stage slouží k nastavení začátku aktivací sady a pomocí stage inc. můžeme naopak aktivaci jednoho prvku roztáhnout do více fází. Nastavíme tedy aktivaci/deaktivaci (A/R) a jejich začátky v start stage pro jednotlivé sady, podle tabulky importovaného obrázku a pomocí apply assignment rules toto nastavení potvrdíme, takže se nám zobrazí v ose fází ražby v dolní tabulce, a potvrdíme OK. 18
Podobně nastavíme aktivaci vyzrálého betonu. 19
Předepsání nulových deformací na počátku (initial stage) nastavíme v dalším průvodci define construction stage, kde si můžeme také prohlížet jednotlivé detaily fází výpočtu. 1) model-construction stage-define construction stage. 2) zatrhneme clear displacenemt a potvrdíme save. Nastavení výpočtu Posledním nastavením před spuštěním výpočtu je vybrání analýzy, které chceme náš model podrobit. 1) analysis-analysis case. 2) klikneme na add. 3) vepíšeme jméno (razba), případně popis, jako analysis type vybereme construction stage a klikneme na ikonku analysis control. 4) v analysis control zatrhneme initial stage for stress analysis a Ko condition a zbytek ponecháme default a vše potvrdíme OK. V nastaveních general analysis control a analysis option můžeme měnit nastavení řešiče. Soubor uložíme a spustíme výpočet, který bude trvat přibližně 2 hodiny (záleží na výkonnosti počítače). 1) analysis-solve. 20
* měřítko zobrazení deformací nastavujeme v okně properities vlevo dole v poli scale factor Vyhodnocení výsledků Po dokončení výpočtu si vlevo změníme nabídku z pre works na post works a můžeme prohlížet a analyzovat výsledky výpočtu. V tomto okně post works je seznam jednotlivých fází ražby, tak jak jsme je nastavili pro výpočet a u každé fáze zvlášť můžeme prohlížet veškeré hodnoty (deformace, napětí, síly v ostění, atd.), stačí najít požadovanou neznámou a dvojklikem ji zobrazit. Požadovanou proměnnou můžeme sledovat v čase ražby pomocí ikonky šipky na liště ikon post data, kde navíc zapínáme zobrazení deformací* sítě, způsob vykreslení atd. * pokud klikneme na měřítko a barevnou škálu zobrazené veličiny vpravo nahoře, můžeme toto měřítko různě měnit a hledat na něm konkrétní hodnoty Druhou lištou ikon pro práci s výsledky je post command. Pomocí příkazů z lišty můžeme upravovat různá zobrazení, vytvářet řezy (slice plane) a odříznuté tělesa (clipping plane) např. v místě tunelu. Další ikonou nastavujeme zobrazení sítě (i vypnutí). Je možné vytvořit i video průběhu ražby při nastaveném pohledu a neznámé, exportovat obrázek pohledu i tabulku hodnot zvolené neznámé. V okně properities vlevo dole nastavujeme další možnosti jednotlivých zobrazení. 21
Další práci s výsledky můžeme provádět pomocí příkazů z lišty nástrojů result. 22