Epälineaarisen alustamallin hyödyntäminen maanvaraisten laattojen mitoituksessa
Lahti, Jussi (2022)
Lahti, Jussi
2022
Rakennustekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Civil Engineering
Rakennetun ympäristön tiedekunta - Faculty of Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-10-25
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202210067473
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202210067473
Tiivistelmä
Maanvaraisten betonilaattojen suunnittelussa on pitkään hyödynnetty alustaluvun määrityksessä lineaariseen jousimalliin perustuvaa Winklerin alustamallia. Maaperä on todellisuudessa hyvin kompleksinen materiaali, eikä lineaarinen jousimalli pysty kuvaamaan näitä ominaisuuksia kuin karkeasti. Jotta maan käyttäytymistä pystytään mallintamaan kuormituksen alaisena, tulee suunnittelijan hyödyntää FEM-laskentaa ja kehittyneitä materiaalimalleja. Tässä työssä tutkitaan lineaaristen ja epälineaarisen materiaalimallien hyödyntämistä maanvaraisten betonilaattojen mitoituksessa.
Työ jakautuu kahteen osaan. Aluksi perehdytään maan materiaaliominaisuuksiin ja materiaalimalleihin, jonka jälkeen suoritetaan laskennallinen tarkastelu ja vertailulaskelmat eri menetelmiä hyödyntäen. Tarkastelun kohteena on kolme eri jäykkyysasteen maapohjaa, joita ovat: tiivis moreenikerros, keskijäykkä hiekkainen kerros ja löyhä silttikerros. Laskelmia suoritetaan 150 mm sekä 300 mm laatoille. Kuormituksena toimii FL6 luokan trukkikuorma sekä erään teollisuuskohteen säiliökuormitus. Työn vertailulaskelmat tehdään Robot Structural Analysis ja Plaxis 3D FEM-ohjelmilla, joiden tuloksia verrataan käsin laskettuihin tuloksiin.
Tuloksista huomioitiin laattoihin syntyvien momenttien sekä taipumien maksimiarvot. Tulokset osoittivat johdonmukaisia eroavaisuuksia eri menetelmien ja laskentatapausten välillä. Ohuemman laatan momenttien arvot ovat paksumpaa ja jäykempää laattaa pienemmät, mutta painumat merkittävästi suurempia. Käsinlaskentamenetelmällä saadut tulokset ovat lähes poikkeuksetta useita prosenttiyksikköjä FEM-laskentatuloksia pienempiä momenttien osalta. Painumat käsinlaskentamenetelmällä olivat pääsääntöisesti suurempia kuin FEM:llä saadut vastaavat tulokset.
Työssä esitetyt laskentatapaukset ovat yksinkertaisia, jotta vertailu olisi helppoa eri menetelmien välillä. Robot Structural Analysis ohjelmiston rajallinen maan mallinnusmoduuli voi aiheuttaa rajoitteita ohjelman käytölle, jolloin rakennesuunnittelijan on perusteltua käyttää kehittyneempää maan mallinnukseen soveltuvaa ohjelmaa, joka huomio myös maan plastisoitumisen. Winkler's subgrade model based on linear springs have been used in the design of ground-supported slabs for decades. Soil is actually a very complex material, and a linear spring model can only describe roughly these functions. To model soil behavior under load, the designer must use FEM calculations and advanced material models. In this work linear and nonlinear material models have been investigated for finding moments and deflections for ground supported slabs.
The work is divided into two parts. First, the material properties and material models of the soil are studied, followed by computational analysis and comparative calculations using different methods. Three subsoil soils are considered: a dense moraine layer, a medium-stiff sandy layer and a loose silt layer. Calculations are made for 150 mm and 300 mm slabs. Two load cases are investigated. Primary case is mainly from FL6 class truck load and the other load is from industrial sized tank. Comparative calculations are performed with Robot Structural Analy-sis and Plaxis 3D FEM programs, the results are compared with manually calculated results.
The maximum values of the moments and deflections generated in the slab were compared. The results showed consistent differences between the different methods and calculation cases. The moment values for a thinner slab are smaller than for a thicker and stiffer slab founda-tion but the deflections are larger. The results obtained by manual calculation are clearly several percentages lower than the FEM calculation results for moments. Deflections by the manual calculation method were generally greater than the corresponding results obtained with FEM.
In this work, the calculation cases were uncomplicated to compare between the different calculation methods. The limited soil modeling module of the Robot Structural Analysis software may cause restrictions on the use of the program.
Työ jakautuu kahteen osaan. Aluksi perehdytään maan materiaaliominaisuuksiin ja materiaalimalleihin, jonka jälkeen suoritetaan laskennallinen tarkastelu ja vertailulaskelmat eri menetelmiä hyödyntäen. Tarkastelun kohteena on kolme eri jäykkyysasteen maapohjaa, joita ovat: tiivis moreenikerros, keskijäykkä hiekkainen kerros ja löyhä silttikerros. Laskelmia suoritetaan 150 mm sekä 300 mm laatoille. Kuormituksena toimii FL6 luokan trukkikuorma sekä erään teollisuuskohteen säiliökuormitus. Työn vertailulaskelmat tehdään Robot Structural Analysis ja Plaxis 3D FEM-ohjelmilla, joiden tuloksia verrataan käsin laskettuihin tuloksiin.
Tuloksista huomioitiin laattoihin syntyvien momenttien sekä taipumien maksimiarvot. Tulokset osoittivat johdonmukaisia eroavaisuuksia eri menetelmien ja laskentatapausten välillä. Ohuemman laatan momenttien arvot ovat paksumpaa ja jäykempää laattaa pienemmät, mutta painumat merkittävästi suurempia. Käsinlaskentamenetelmällä saadut tulokset ovat lähes poikkeuksetta useita prosenttiyksikköjä FEM-laskentatuloksia pienempiä momenttien osalta. Painumat käsinlaskentamenetelmällä olivat pääsääntöisesti suurempia kuin FEM:llä saadut vastaavat tulokset.
Työssä esitetyt laskentatapaukset ovat yksinkertaisia, jotta vertailu olisi helppoa eri menetelmien välillä. Robot Structural Analysis ohjelmiston rajallinen maan mallinnusmoduuli voi aiheuttaa rajoitteita ohjelman käytölle, jolloin rakennesuunnittelijan on perusteltua käyttää kehittyneempää maan mallinnukseen soveltuvaa ohjelmaa, joka huomio myös maan plastisoitumisen.
The work is divided into two parts. First, the material properties and material models of the soil are studied, followed by computational analysis and comparative calculations using different methods. Three subsoil soils are considered: a dense moraine layer, a medium-stiff sandy layer and a loose silt layer. Calculations are made for 150 mm and 300 mm slabs. Two load cases are investigated. Primary case is mainly from FL6 class truck load and the other load is from industrial sized tank. Comparative calculations are performed with Robot Structural Analy-sis and Plaxis 3D FEM programs, the results are compared with manually calculated results.
The maximum values of the moments and deflections generated in the slab were compared. The results showed consistent differences between the different methods and calculation cases. The moment values for a thinner slab are smaller than for a thicker and stiffer slab founda-tion but the deflections are larger. The results obtained by manual calculation are clearly several percentages lower than the FEM calculation results for moments. Deflections by the manual calculation method were generally greater than the corresponding results obtained with FEM.
In this work, the calculation cases were uncomplicated to compare between the different calculation methods. The limited soil modeling module of the Robot Structural Analysis software may cause restrictions on the use of the program.