Geotechniczne analizy numeryczne cechują się silną wrażliwością na błędne założenia obliczeniowe, dlatego tak ważna jest kontrola modeli obliczeniowych. Celem artykułu jest prezentacja doświadczeń zdobytych przez autorów na przestrzeni dekady.
Metoda elementów skończonych (MES) znalazła w geotechnice szerokie zastosowanie. W przypadku skomplikowanych zagadnień geotechnicznych podejście analityczne bywa niewystarczające, dlatego rozwinęła się gałąź numerycznych metod obliczeniowych. Od lat obserwowany jest ciągły i dynamiczny rozwój „mesowskiego” oprogramowania geotechnicznego, zwłaszcza w zakresie doskonalenia modeli konstytutywnych gruntu opisujących mechanikę gruntów oraz możliwości odwzorowania interakcji na styku konstrukcja–grunt.
Podejście MES należy stosować z dużym zrozumieniem wewnętrznych procesów obliczeniowych, dlatego modele obliczeniowe muszą podlegać kontroli jakościowej. Zasadnicze wymagania wobec modeli współpracy konstrukcji z podłożem to:
- zastosowanie zaawansowanego modelu gruntu uwzględniającego zjawisko wzmocnienia oraz charakterystykę małych odkształceń,
- dobra jakość siatki elementów skończonych, która jest remedium na sporą część troubleshootingu,
- uwzględnienie przestrzennej zmienności warunków gruntowo-wodnych,
- dokładne zamodelowanie geometrii konstrukcji,
- dokładne uwzględnienie etapów budowy.
Kontrola jakości modeli obliczeniowych
W tym miejscu postawmy sobie kluczowe pytanie: w jaki sposób możemy sprawdzić poprawność modeli MES i otrzymanych wyników? Inżynieria programowa rozróżnia dwie procedury kontroli obliczeń: weryfikację oraz walidację.
Rys. 1–2. Przykład weryfikacji obliczeń wskaźnika stateczności skarpy: 1) metoda elementów skończonych (F = 0,9375); 2) metoda Bishopa (F = 0,94). Rys. archiwum autorów
Weryfikacja (rys. 1–2) polega na sprawdzeniu poprawności odpowiedzi matematycznej modelu. Zazwyczaj wystarczającym działaniem jest wykonanie obliczeń przy użyciu innego, dobrze zweryfikowanego narzędzia w celu porównania wyników. Należy zaznaczyć, iż obliczenia różnymi narzędziami trzeba wykonać dla identycznych danych wejściowych.
Istotne jest, że takie podejście pozwala na weryfikację algorytmu obliczeniowego, natomiast nie weryfikuje przyjętych założeń obliczeniowych. Zatem weryfikacja nie pozwala na sprawdzenie poprawności np. parametrów geotechnicznych przyjętych do obliczeń. Aby w pełni sprawdzić poprawność obliczeń, należy wykonać walidację, czyli porównać wyniki obliczeń z wynikami pomiarów przemieszczeń i deformacji modelowanej konstrukcji z podłożem gruntowym. Takie podejście pozwala zidentyfikować błędne założenia projektowe, jednakże wymaga prowadzenia fizycznych pomiarów przemieszczeń wznoszonej konstrukcji oraz podłoża gruntowego.
>>> Modelowanie konstrukcji murowych z wykorzystaniem MES
>>> Komputerowe wspomaganie projektowania stropów gęstożebrowych MES
W pierwszej części artykułu zaprezentowano przykłady walidacji modeli MES – obiektów trzeciej kategorii geotechnicznej, realizowanych w bardzo zróżnicowanych warunkach gruntowych. Cechą wspólną tych inwestycji było dobre opomiarowanie w trakcie budowy i eksploatacji, które pozwoliło na walidację wyników obliczeń numerycznych oraz – pośrednio – założeń obliczeniowych i parametrów geotechnicznych.
Cały artykuł (cz. I) dostępny jest w numerze 7/8/2023 miesięcznika „Inżynier Budownictwa”.
W drugiej części artykułu – na przykładzie silosu o ładowności 80 tys. ton – przedstawiono weryfikację procedur obliczeniowych na podstawie sześciu modeli numerycznych o różnym stopniu zaawansowania.
Cały artykuł (cz. II) dostępny jest w numerze 9/2023 miesięcznika „Inżynier Budownictwa”.
mgr inż. Jacek Nawracała
GT Projekt Sp. z o.o.
mgr inż. Paweł Łęcki
GT Projekt Sp. z o.o.
Zobacz: Oprogramowanie dla budownictwa i projektantów
