3D-mallintamisen tarkkuuden vaikutus ratasiltapaikkojen tulopenkereiden stabiliteettiin: Parametrisen suunnittelun hyödyntäminen laskentamallin rakentamisessa
Lindberg, Lauri (2024)
Lindberg, Lauri
2024
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
2024-05-23
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202405165944
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202405165944
Tiivistelmä
Uuden 1.4.2023 julkaistun NCCI 7:n mukaan tarkasteltaessa tilanteita, joiden mitoitusgeometria ei johda tasoliukupintaan tai geometria ei ole yksinkertaistettavissa tavanomaiseksi 2D-laskennaksi, tulee ensisijaisesti käyttää 3D-laskentaa. Tyypillisimpiä kohteita, joissa 3D-laskentaa tarvitaan ovat siltojen tulopenkereiden stabiliteettitarkastelut. Ohjeistus ei määritä selkeästi, millä tarkkuudella laskentamallit tulee tehdä ja mitä niissä tulee huomioida. Ohjeistuksen selkeyttämiseksi tulisi jo tarjousvaiheessa olla määritettynä laskentamallin geometrian tarkkuusvaatimus.
3D-mallien tekeminen piirto-ohjelmilla vie yleensä runsaasti aikaa ja tästä syystä laskentamalleja yksinkertaistetaan. Yksinkertaistamisen takia, laskettu stabiliteetti ei välttämättä kuvaa todellista stabiliteettia. 3D-mallintamisen nopeuttamiseksi on kehitetty parametrisen mallintamisen mahdollistamia työkaluja, kuten Rhino-ohjelmiston Grasshopper-lisäosa. Tässä työssä tutkittiin parametristen laskentamallien rakentamista Plaxis 3D-ohjelmistoon ja mallintamistarkkuuden vaikutusta ratasiltojen tulopenkereiden laskennalliseen stabiliteettiin. Näiden lisäksi työssä tutkittiin myös 2D- ja 3D-stabiliteettilaskentojen välisiä stabiliteettieroja. Tutkimus tehtiin kolmeen ratasiltapaikkaan, jotka perustuivat osittain todellisiin siltakohteisiin.
Työssä vertailtavat laskentamallit jaettiin yksinkertaiseen laskentamalliin, jossa lähtötietona käytettiin keskilinjalta otettua pituusleikkausta ja muutamaa apupistettä ja tarkkaan laskentamalliin, jossa lähtötietoina käytettiin maanpintamallia, radan mittalinjaa ja maakerrosmalleja. Parametrisoidut laskentamallit luotiin Rhino 7 -ohjelmistolla ja sen Grasshopper-lisäosalla. Yksinkertaisen mallin algoritminen rakentaminen ja parametrisointi onnistui täysin. Tarkassa mallissa maanpinnan yksinkertaistaminen, ratapenkereen rakennus ja kuormien lisäys onnistuttiin tekemään täysin algoritmisesti, mutta maakerrosten jatkamisessa jouduttiin tekemään manuaalista työtä, sillä maanpinnan muotojen ja maakerrosmallien rajallisuuden takia maakerrosten osalta jouduttiin tekemään oletuksia laskentamalleissa.
Yksinkertaisen ja tarkan 3D-laskentamallien stabiliteettierot olivat noin 0.01–0.12 varmuusyksikköä. Liukupinnan muodoissa yksinkertaisen ja tarkan mallin välillä ei ollut suuria eroja. Maanpinnan ja maakerrosrajojen vaihtelu liukupinnalla aiheutti kuitenkin muutoksia kaataviin ja vakauttaviin kuormiin, mistä aiheutui eroa laskennalliseen stabiliteettiin. Suurin yksittäinen tekijä stabiliteettieroon oli todennäköisesti maanpinnavaihtelu. 2D-laskennat tehtiin käyttäen Bishobin yksinkertaistettua menetelmää. Case-kohteista tehtiin kolme 2D-laskentaa. Ensimmäinen laskenta tehtiin huomioimatta liukupinnan tai kuormituksen 3D-vaikutuksia, toisessa laskennassa käytettiin päätyvastuksena pengerleveyttä ja NCCI 7:n mukaista siirtymälaattakuorman approksimaatiota ja kolmannessa laskennassa käytettiin päätyvastuksena pengerleveyttä ja 3D-laskentoja vastaavaa siirtymälaattakuormaa. Case 2 ja case 3-tapauksissa päätyvastuslaskelmat, joissa käytettiin 3D-laskelmien mukaisia siirtymälaattakuormia, vastasivat parhaiten 3D-laskentojen mukaisia stabiliteetteja. Case 1 -tapauksessa laskenta siirtymälaattakuorma-approksimaatiolla vastasi parhaiten 3D-laskentoja.
Lisätutkimuksena työhön tehtiin myös Safety-laskenta-ajan ja elementtiverkon koon riittävyyden vertailua. Elementtiverkon koolla ja laskenta-ajalla oli selkeä yhteys. Elementtiverkon koon kasvaminen kasvatti myös laskentaan kuluvaa aikaa. Case-kohteiden yksittäiseen stabiliteettilaskentaan kului aikaa noin 20 minuuttia – 3 tuntia. Korkean laskenta-ajan takia FEM-stabiliteettilaskennat ovat hyvin epäkäytännöllisiä eri optimointitehtävissä, kuten paalulaattamitoituksissa. Elementtiverkoina laskennassa Plaxiksen ”Medium” ja ”Fine”-asetuksella generoituja elementtiverkkoja. ”Fine”-asetus kasvatti elementtiverkon kokoa 2–11 %, mutta tämä ei vaikuttanut merkittävästi laskennalliseen stabiliteettiin.
3D-mallien tekeminen piirto-ohjelmilla vie yleensä runsaasti aikaa ja tästä syystä laskentamalleja yksinkertaistetaan. Yksinkertaistamisen takia, laskettu stabiliteetti ei välttämättä kuvaa todellista stabiliteettia. 3D-mallintamisen nopeuttamiseksi on kehitetty parametrisen mallintamisen mahdollistamia työkaluja, kuten Rhino-ohjelmiston Grasshopper-lisäosa. Tässä työssä tutkittiin parametristen laskentamallien rakentamista Plaxis 3D-ohjelmistoon ja mallintamistarkkuuden vaikutusta ratasiltojen tulopenkereiden laskennalliseen stabiliteettiin. Näiden lisäksi työssä tutkittiin myös 2D- ja 3D-stabiliteettilaskentojen välisiä stabiliteettieroja. Tutkimus tehtiin kolmeen ratasiltapaikkaan, jotka perustuivat osittain todellisiin siltakohteisiin.
Työssä vertailtavat laskentamallit jaettiin yksinkertaiseen laskentamalliin, jossa lähtötietona käytettiin keskilinjalta otettua pituusleikkausta ja muutamaa apupistettä ja tarkkaan laskentamalliin, jossa lähtötietoina käytettiin maanpintamallia, radan mittalinjaa ja maakerrosmalleja. Parametrisoidut laskentamallit luotiin Rhino 7 -ohjelmistolla ja sen Grasshopper-lisäosalla. Yksinkertaisen mallin algoritminen rakentaminen ja parametrisointi onnistui täysin. Tarkassa mallissa maanpinnan yksinkertaistaminen, ratapenkereen rakennus ja kuormien lisäys onnistuttiin tekemään täysin algoritmisesti, mutta maakerrosten jatkamisessa jouduttiin tekemään manuaalista työtä, sillä maanpinnan muotojen ja maakerrosmallien rajallisuuden takia maakerrosten osalta jouduttiin tekemään oletuksia laskentamalleissa.
Yksinkertaisen ja tarkan 3D-laskentamallien stabiliteettierot olivat noin 0.01–0.12 varmuusyksikköä. Liukupinnan muodoissa yksinkertaisen ja tarkan mallin välillä ei ollut suuria eroja. Maanpinnan ja maakerrosrajojen vaihtelu liukupinnalla aiheutti kuitenkin muutoksia kaataviin ja vakauttaviin kuormiin, mistä aiheutui eroa laskennalliseen stabiliteettiin. Suurin yksittäinen tekijä stabiliteettieroon oli todennäköisesti maanpinnavaihtelu. 2D-laskennat tehtiin käyttäen Bishobin yksinkertaistettua menetelmää. Case-kohteista tehtiin kolme 2D-laskentaa. Ensimmäinen laskenta tehtiin huomioimatta liukupinnan tai kuormituksen 3D-vaikutuksia, toisessa laskennassa käytettiin päätyvastuksena pengerleveyttä ja NCCI 7:n mukaista siirtymälaattakuorman approksimaatiota ja kolmannessa laskennassa käytettiin päätyvastuksena pengerleveyttä ja 3D-laskentoja vastaavaa siirtymälaattakuormaa. Case 2 ja case 3-tapauksissa päätyvastuslaskelmat, joissa käytettiin 3D-laskelmien mukaisia siirtymälaattakuormia, vastasivat parhaiten 3D-laskentojen mukaisia stabiliteetteja. Case 1 -tapauksessa laskenta siirtymälaattakuorma-approksimaatiolla vastasi parhaiten 3D-laskentoja.
Lisätutkimuksena työhön tehtiin myös Safety-laskenta-ajan ja elementtiverkon koon riittävyyden vertailua. Elementtiverkon koolla ja laskenta-ajalla oli selkeä yhteys. Elementtiverkon koon kasvaminen kasvatti myös laskentaan kuluvaa aikaa. Case-kohteiden yksittäiseen stabiliteettilaskentaan kului aikaa noin 20 minuuttia – 3 tuntia. Korkean laskenta-ajan takia FEM-stabiliteettilaskennat ovat hyvin epäkäytännöllisiä eri optimointitehtävissä, kuten paalulaattamitoituksissa. Elementtiverkoina laskennassa Plaxiksen ”Medium” ja ”Fine”-asetuksella generoituja elementtiverkkoja. ”Fine”-asetus kasvatti elementtiverkon kokoa 2–11 %, mutta tämä ei vaikuttanut merkittävästi laskennalliseen stabiliteettiin.