Jak modelovat tunel v GTS NX?

08.06.2021

Popis problému

Posuny podloží spojené s ražením tunelu se vyskytují ve směrech x, y a z, takže pro přesnou reprezentaci chování podloží během výkopových procesů je zásadní podrobné 3D numerické modelování. 2D analýza navíc není schopna realisticky zobrazit mechanické chování, které probíhá v průsečících tunelů apod.

Obrázek 1: Několik projektů tunelů různé složitosti v GTS-NX
Obrázek 1: Několik projektů tunelů různé složitosti v GTS-NX

Generování geometrie

1. .V případě 3D modelu ve formátu CAD umožňuje GTS-NX importovat model přímo do softwaru. 

2. V ostatních případech je možné na záložce ."geometry" (geometrie) vytvořit tunel, který lze dokonce spřáhnout pomocí skalních svorníků.

3. Použijte příkaz "make face'" v řezu tunelu. Následně bude možné z profilu křivky vygenerovat povrch.

4. Následně příkazem "extrude" vytvořte z 2D drátového modelu 3D těleso.

Obrázek 3: Náhled příkazu ‚extrude‘ na čele tunelu
Obrázek 3: Náhled příkazu ‚extrude‘ na čele tunelu

5. Abychom vytvořili ohraničující kvádr, kde má být ražen tunel, vygenerujeme obdélník a použijeme volbu "make face" a poté vytáhneme (pomocí příkazu "extrude") stejnou vzdálenost jako je délka tunelu.

6. Pomocí nástroje "check-duplicate" (zkontrolovat duplicity) zajistíme, aby geometrie sdílela uzly v průsečíku pole tunelu.

7. Pokud chceme simulovat postup ražby tunelu, je nutné vytvořit povrchy a provést řez tunelem. Pomocí nástroje "translate" (translace) zkopírujeme původní 2D tvar a nakopírujeme jej tolikrát, kolikrát je potřeba.

8. Pomocí nástroje "divide" (rozdělit) vybereme tunel a získáme jednotlivé řezy.

9. Nyní musíme rozkopírovat skalní svorníky po celém tunelu, k tomu použijeme nástroj "translate" a zkopírujeme skalní svorníky v souladu s geometrií.

10. Nyní je nutné vytvořit spojení mezi všemi sdílenými povrchy, takže přejdeme k nástroji "auto connect" a vybereme všechna tělesa. Pokud připojení proběhlo úspěšně, v nástroji "check-duplicates" by všechny sdílené povrchy měly vypadat takto:

Na záložce "mesh" à následně "materials" definujeme všechny geologické materiály uvažované v tomto jednoduchém modelu.

V tomto případě jsou to materiály: hornina, stříkaný beton, ocel. Všechno jsou izotropní materiály a stříkaný beton a ocel jsou typ "structure":

Obrázek 6: Okno materiálu, kde je zaškrtnuto políčko „structure“.
Obrázek 6: Okno materiálu, kde je zaškrtnuto políčko „structure“.

Jakmile jsou materiálům nastaveny správné parametry, je nutné přejít na panel "Vlastnosti". Tam vytvoříme 1D vlastnost pro ocel s materiálem ocel, 2D vlastnost pro stříkaný beton s materiálem stříkaný beton a 3D vlastnost pro skalní materiál.

U 2D vlastnosti vybereme prvek "Shell" a nastavíme tloušťku stříkaného betonu. 

Podobně pro 1D prvek vybereme "embedded beam" a nastavíme průřez a průměr skalních svorníků. Po stisknutí tlačítka "OK" se automaticky vypočítají všechny průřezové vlastnosti.

Síť

Chcete-li vytvořit síť modelu (mesh), je vždy vhodné začít od nejmenších těles, v tomto případě od tunelu.

Obdobně musí být vytvořena síť i pro ohraničující kvádr - v tomto případě s hrubším rastrem.

Výsledek vypadá takto:

Obrázek 11: Hybridní síť generovaná pro tunel a horninu
Obrázek 11: Hybridní síť generovaná pro tunel a horninu

Pro vytvoření ostění je třeba extrahovat vnější síť tunelu příkazem "extract" (extrahovat).

Extrahovaná síť byla získána z geometrie, takže na pracovním panelu je třeba aktivovat geometrii tunelu a vybrat ji k extrahování sítě.

Je důležité zatrhnout možnost přeskočení duplikovaných ploch ("skipping duplicated faces"), aby software nepřidával ostění do plochy výkopu.

Ostění v opačných extrémních plochách však bude odstraněno pomocí nástroje "delete elements" (odstranit prvky). Následně sítě ostění budou vypadat takto: 

Obrázek 13: Extrahovaná síť ostění
Obrázek 13: Extrahovaná síť ostění

Posledním krokem v procesu tvorby sítě jsou skalní svorníky. Takže v geometrii vybereme všechny křivky odpovídající skalním svorníkům a vygenerujeme 1D prvky. 

Vzhledem k tomu, že modelujeme fáze výstavby, je třeba jednotlivé řady skalních svorníků spojit samostatně. Na konci bude 5 fází výstavby tunelu s 5 fázemi stříkaného betonu ostění a 11 řadami skalních svorníků. 

Okrajové podmínky / zatížení

  • Poslední částí nastavení je stanovení gravitačních a statických okrajových podmínek. Za tímto účelem přejdeme k záložce "static-slope analysis" (statická analýza svahu) a u "constraint" zvolíme "auto". V možnosti "Self-weight" (vlastní tíha) jsme nastavili gravitační zatížení.
  • V případě hlubokých výkopů je možné nastavit počáteční stav napjatosti (in-situ). Pro tuto možnost máme nástroj "initial-equilibrium force" (počáteční rovnovážná síla) a vybereme možnost "solid" pro stanovení počátečních napětí.

Typ analýzy

Je třeba specifikovat všechny fáze výstavby, deaktivovat síť tunelu a odpovídajícím způsobem aktivovat ostění a skalní svorníky.

Pomocí záložky "show data" (zobrazit data) v aktivním režimu snadno zjistíte, co je aktivováno a deaktivováno v jednotlivých fázích výstavby.

Alternativně nabízí software možnost průvodce tunelu ("tunnel stage wizard") pro větší modely s několika cyklickými fázemi.

Analýza řešení

V řízení analýzy můžeme stanovit fázi in-situ s tektonickými napětími a také, pokud byla modelována hladina spodní vody, je možné, aby software automaticky vypočítal pórový tlak spolu s dalšími možnostmi.

Ve výstupní kontrole můžeme nastavit, jaké výsledky chceme získat, například posunutí, napětí, přetvoření, síly atd.

Nyní je model připraven ke spuštění.

Post processing (vyhodnocení)

Jakmile je vše hotové, je možné vidět výsledky. MIDAS GTS-NX umožňuje získat síly a momenty z konstrukčních prvků, zatímco pro 3D prvky mj. napětí, přetvoření a posuny.

V softwaru je možné zobrazit objemy pod určitými hodnotami posunutí nebo přetvoření, provést vlastní řezy, aby byly v určitých oblastech podrobně zobrazeny výsledky. Je také možné "projít" uvnitř tunelu pomocí nástroje "flight-simulator" (letového simulátoru), takže je možné prozkoumat tunel zevnitř.