PLAXIS
| PLAXIS | |
|---|---|
 | |
| Тип | конечно-элементный пакет |
| Разработчик | Plaxis BV |
| Операционная система | Microsoft Windows |
| Последняя версия | CE V21.00 (2021) |
| Лицензия | Проприетарное программное обеспечение EULA |
| Сайт | plaxis.nl |
PLAXIS — программная система, основанная на методе конечных элементов, используемая для решения задач инженерной геотехники, проектирования и инженерной геологии. Представляет собой пакет вычислительных программ для конечно-элементного расчёта напряжённо-деформированного состояния сооружений, фундаментов и оснований.
PLAXIS является одним из наиболее популярных в Европе и России программным расчетным комплексом для расчетов оснований и фундаментов наряду с программными пакетами TALREN, FOXTA и K-REA от французской компании Terrasol[1], также стоит упомянуть программный комплекс MIDAS[2].
История разработки программной системы
Создание PLAXIS основано на разработках Питера Вермеера[нем.] из Делфтского Технического Университета, который занимался разработкой конечно-элементного комплекса для использования при проектировании оградительного сооружения Остерсхельдекеринг на Восточной Шельде в Нидерландах. Его разработки привели к созданию программы ELPLAST, определяющий несущую способность упругопластичных грунтов с использованием 6-узловых треугольных элементах, написанной на языке FORTRAN-IV. В 1981 году Рене де Борст начал анализ исследований экспериментов по внедрению конуса в грунты, для чего ему стало необходимо разработать на основе ELPLAST решение осесимметричных задач. В итоге новая программа была названа PLAXIS (PLasticity AXISsymmetry). В 1982 году Слоан и Рандольф из Кембриджского университета выяснили, что 15-узловые треугольные конечные элементы должны сделать работу программы правильней при решении осесимметричных задач.
В 1987 году Вермеер и де Борст участвовали в разработках, финансируемых министерством транспорта Нидерландов. Одной из задач развития программного комплекса был перенос программы на персональные компьютеры. И в 1987 году появилась первая коммерческая версия PLAXIS, а в 1998 году первая версия PLAXIS для операционных программ Windows 95, 98 и NT[3].
В результате развития программного комплекса, в 1993 г. была создана компания Plaxis BV. В 1998 г. была выпущена первая программа PLAXIS 2D для ОС Windows для двухмерного моделирования. Программа PLAXIS 3D с возможностью проведения трёхмерного моделирования была выпущена в 2010 году.
Сейчас компания PLAXIS является членом некоммерческой организации NAFEMS[англ.], занимающейся распространением информации и стандартизации конечно-элементных методов для моделирования в различных инженерных областях. Результаты моделирования в программном комплексе PLAXIS согласуются с российскими строительными нормативами[4].
Особенности расчетов
В программном комплексе PLAXIS грунт моделируется как многокомпонентный материал, в котором могут возникать давления в поровой воде (гидростатическое и избыточное). Программный комплекс PLAXIS позволяют моделировать поэтапное возведение сооружения, экскавацию и отсыпку грунта и различные по величине и направлениям нагрузки. С помощью программы могут быть выполнены расчеты фильтрации и консолидации грунтов, расчеты устойчивости с определением потенциальных поверхностей разрушения и значений коэффициента запаса, отвечающих уровню достигнутых напряжений.
В PLAXIS имеется следующий набор элементов: плита, оболочка, балка, стойка, анкер, шарнир, георешётка, свая, дрена, колодец, туннель, контактные элементы (интерфейсы. Также в программе PLAXIS имеется набор моделей разной степени сложности для грунтов, бетона и скальных пород. В программном комплексе представлены следующие нелинейные модели грунта:
- упругоидеальнопластическая модель Кулона-Мора
- упругопластическая модель упрочняющегося грунта
- модель мягких ползучих грунтов (вязкопластичное поведение слабых грунтов)
- модель анизотропного трещиноватого скального массива (моделирование слоистых горных пород)
- модель cam-clay[англ.] (моделирование слабых грунтов)
- модель Хёка-Брауна[англ.]
Базовой моделью грунта является модель Кулона-Мора, основанная на основных прочностных характеристиках грунтов: сцеплении [math]\displaystyle{ c }[/math], угле внутреннего трения [math]\displaystyle{ \phi }[/math], угле дилатансии [math]\displaystyle{ \psi }[/math], коэффициенте Пуассона [math]\displaystyle{ \nu }[/math] и модуле упругости [math]\displaystyle{ E }[/math]. Дополнительно в программном комплексе имеются более совершенные модели: упругопластическая модель гиперболического типа (модель упрочняющегося грунта), модель слабого грунта с учётом ползучести (для моделирования поведения нормально уплотненных слабых грунтов во времени) и другие модели.
В расчетах котлована ожидаемой поведение грунта описываеться тремя параметрами жесткости[5] [math]\displaystyle{ E_{ur} }[/math] (зона чрезмерного разуплотнения, где есть разгрузки Мор "не рабаотает", снижение эффективных напряжений, риск разжижения грунта), [math]\displaystyle{ E_{50} }[/math], [math]\displaystyle{ E_{oed} }[/math].
Недренированный анализ (условия A, B и C)
Дренированный случай, когда идёт медленное нагружение. Строим здание, у нас вода успевает там отфильтровываться, успевает там проходить наша консолидация - можем использовать дренированный тип.
Используем недренированный, когда нагружение происходит мгновенно, допустим забивка сваи. Удар идёт, воспринимает всю нагрузку не только скелет грунта (он уплотняется), а ещё нагрузку учитывает и вода, которая заключена в порах. Недрениированный-это значит, что будет учитываться поровое давление, которое создается в этот момент удара. И есть разные типы не дренирования - А, B, C.
В типе А расчёт идет по эффективному напряжению, то есть мы поровое давления посмотрим, но всё равно весь расчет строится на эффективных параметрах грунта.
Тип B. Нам уже необходимо принимать не только эффективное напряжение, но ещё нужно знать сопротивление недренированного сдвигу, то есть знать, что на себя возьмет поровая вода и все эти водно-коллоидные связи, когда мы нагрузим, если допустим образец глинистый.
Тип С применим для тяжелых и вязких жидкостей модель. PLAXIS рекомендует там использовать коэффициент пуассона 0,5, что больше чем обычно.
Процедуры ввода
В программе PLAXIS ввод данных осуществляется с помощью мыши и с клавиатуры. Существует 4 типа ввода:
- Ввод объектов (напр. линии). Линии создаются с помощью щелчка левой кнопкой мыши. В результате создается первая точка. При перемещении мыши и ещё одном щелчке левой кнопкой мыши создается новая точка с линией, идущей от предыдущей точки к новой. Построение линии завершается путем щелчка правой кнопкой мыши или нажатия клавиши <Esc>.
- Ввод текста
- Ввод значений (напр. ввод объемного веса грунта, фильтрационных характеристик через вкладку groundwater)
- Ввод вариантов выбора (напр. выбор модели грунта)
Виды расчетов
В программном комплексе могут быть проведены статические расчеты устойчивости сооружений, расчеты фильтрации, может быть определено избыточное поровое давление грунтов, проведены расчеты консолидации грунтов (требует задания коэффициентов фильтрации для грунтов), определены коэффициенты надежности (методом снижения параметров прочности грунта: угла внутреннего трения [math]\displaystyle{ \phi }[/math] и сцепления [math]\displaystyle{ c }[/math]). Вышеперечисленные расчеты могут быть выполнены для пошагового нагружения и для поэтапного строительства и экскавации грунтов. При значительных деформациях может быть дополнительно использован корректирующий расчет Лагранжа, который представляет собой расчет по изменяемой сетке конечных элементов.
Модели грунтов, реализованные в Plaxis 3D[6]
Модель Винклера
Модель линейно деформируемого полупространства
Модель упругопластической среды
Модель Hardening Soil
Модель HS оперирует не понятием «модуль деформации», а, скорее, понятием «жёсткость грунта», в которое вкладывается иной смысл[7]. [math]\displaystyle{ E_{{oed}}^{{ref}} }[/math] интерпритируется не как модуль деформации, а как цифровое значение для восстановления модельи компрессионной кривой. Вследствие чего, введённые значения опорной жёсткости [math]\displaystyle{ E_{{oed}}^{{ref}} }[/math], опорного давления Pref и параметра m позволяют модели восстановить компрессионную кривую. Наличие компрессионной кривой учитывает переменный модуль деформации. Расчёт с постоянным модулем деформации вполне возможен, но является весьма трудоёмким. Всякий раз необходимо для каждого слоя определять действующие напряжения (бытовые и от нагрузки) и по компрессионной кривой выбирать правильное значение модуля деформации. На практике этого практически никто не делает, довольствуясь выданным в отчёте по изысканиям модулем деформации (часто в диапазоне 100—300 кПа), который далеко не всегда соответствует решаемой задаче. Поэтому принцип опорного давления в модели HS является достижением 21-го века, когда процесс выбора модуля деформации автоматизирован. Уже не требуется при выполнении лабораторных испытаний геологу запрашивать, а проектировщику выдавать, нагрузки от проектируемого здания. Достаточно провести испытание грунта в компрессионном приборе при больших нагрузках и оцифровать график через указанные параметры. Таким образом достигается универсальность работы программы — учитывается не конкретное напряжённое состояние и его деформационный параметр (модуль деформации), а поведение грунта в диапазоне напряжений.
Анализ результатов
Для демонстрации полученных распределений напряжений и деформаций, прогноза их изменения среде прочего может использоватся инструмент пластические точки (вызывается через меню Streses, Plastic point).[8]. Точки напряженно-деформированного состояния (НДС) могутбыть: failure-разрушение по критерию точности которое задано в модели, Tension cut-off point (разупрочнение за счет растяжения грунта), Hardening (зоны где идет упрочнение грунта), liquefaction (Разжижение грунтов) и т.д. Точка обозначается как точка пластического разрушения, если она в настоящее время находится на огибающей разрушения (например, огибающей Мора-Кулона). Если из-за разгрузки напряженное состояние падает ниже огибающей Мора-Кулона, то точка уже не является точкой пластического разрушения, даже если в прошлом она подвергалась необратимым деформациям.[9]
См. также
Примечания
- ↑ Михаил Аристов. Программное обеспечение для инженерной геологии и геотехники // «Геопрофиль». — 2008. — № 2. Архивировано 20 января 2013 года.
- ↑ ~~~~. Оф.сайт (рус.) ?. MIDAS. Не известно (13.12.20). Дата обращения: 16 мая 2022. Архивировано 3 марта 2022 года.
- ↑ Ronald B.J. Brinkgreve. Beyond 2000 in Computational Geotechnics // CRC Press. — 1999.
- ↑ PLAXIS — инструмент инженера-геотехника. Примеры расчетов // CADmaster. — 2002. — № 3. — С. 62—65.
- ↑ Типичные ошибки применения Plaxis 2D при расчете котлованов
- ↑ Модели грунтов, реализованные в программных комплексах SCAD Office и Plaxis 3D. Дата обращения: 10 апреля 2022. Архивировано 10 апреля 2022 года.
- ↑ Модели Hardening Soil и Soft Soil
- ↑ Анатолий Мирный о пластических точках в PLAXIS
- ↑ Во время расчета исчезают некоторые пластические точки. Как это возможно?