Modelowanie komputerowe zagadnień geotechnicznych

Modelowanie komputerowe zagadnień geotechnicznych w systemie Z_SOIL.PC

Czym jest Z_SOIL.PC ?

Z_SOIL.PC jest systemem analizy obliczeniowej bazującym na Metodzie Elementów Skończonych (MES), ukierunkowanym na rozwiązywanie różnorodnych praktycznych problemów projektowych i wykonawczych szeroko pojętej geotechniki, a w szczególności zagadnień: fundamentowania, ziemnych i betonowych budowli hydrotechnicznych, budownictwa drogowego i mostowego, górnictwa podziemnego i odkrywkowego. Dotychczasowymi użytkownikami Z_SOIL-a, w liczbie ponad tysiąca na całym świecie, są biura projektów i inżynierowie-konsultanci, uczelnie techniczne, ośrodki badawcze i przedsiębiorstwa wykonawcze branży budowlanej, hydrotechnicznej, drogowej i górniczej. Typowe zastosowania systemu to: ocena nośności i stateczności budowli ziemnych tj. skarp, nasypów, obwałowań, wykopów i wyrobisk podziemnych na małych i dużych głębokościach (tunele), prognozowanie przemieszczeń w wymienionych układach, ocena wpływu wykopów na stan obiektów istniejących, analiza współpracy układu ośrodek gruntowy-konstrukcja, analiza przepływu cieczy przez ośrodek gruntowy i jego wpływu na stan mechaniczny układu. W większości przypadków analizy wykonywane przez system wymagają jedynie typowych (normowych) charakterystyk ośrodka gruntowego.

Stosowanie programu Z_SOIL w praktycznej działalności inżynierskiej umożliwia efektywne i niezawodne rozwiązywanie najtrudniejszych zagadnień geotechnicznych, a w szczególności takich, wobec których bezradne są metody tradycyjne.

Możliwości systemu, w wersji podstawowej (2D) i rozszerzonej (3D)

Typ modelu : płaski stan odkształceń i osiowa symetria, analiza 3D Tryby analizy: statyka ośrodka jedno- lub dwu- fazowego, oszacowanie nośności granicznej lub współczynników pewności z uwagi na możliwość utraty stateczności, filtracja ustalona i nieustalona, konsolidacja i pełzanie. Analizy przepływu i deformacji mogą być dokonywane w pełnym wzajemnym sprzężeniu lub niezależnie od siebie. Analiza nieustalonego zagadnienia przewodnictwa ciepła i zjawisk termomechanicznych w dojrzewającym betonie (hydratacja).

Modele konstytutywne:

-fazy stałej (szkieletu): sprężysto-plastyczne z warunkami plastyczności Coulomba-Mohra izotropowym i dla ośrodka z wieloma płaszczyznami osłabień, Druckera-Pragera+CAP, Rankina, Hoek-Browna, Menetrey-Willama (beton), wszystkie z możliwym nie -stowarzyszonym prawem płynięcia. Model hipo-sprężysty Duncana Changa. Niezależnie, każdy z modeli może uwzględniać cechy reologiczne szkieletu (pełzanie liniowe lub nieliniowe),

-przepływu: liniowe prawo Darcy w strefie pełnego nawodnienia, z opisem strefy niepełnej saturacji wg teorii van Genuchtena,

Elementy: 2D kontinuum (standard, B-bar, EAS), belkowe (powłokowe w zagadnieniach osiowo-symetrycznych), prętowe (kotwy, zbrojenie), kontaktowe, przełączalnych warunków brzegowych dla ciśnienia, kontinuum 3D, powłoki, belki 3D, membrany.

Najważniejsze cechy Z_SOIL-a

Cechy różniące go od innych dostępnych systemów analizy MES a stanowiące o jego szczególnej przydatności w modelowaniu numerycznym zagadnień geotechnicznych polegają na wbudowaniu szeregu mechanizmów ułatwiających modelowanie zgodne z rzeczywistym przebiegiem procesów fizycznych zachodzących podczas wznoszenia i eksploatacji obiektów. Wymienić tu należy możliwości:

automatycznej generacji stanu naprężeń in-situ,
automatycznego wyznaczanie krzywej depresji i zakresu strefy przesiąkania w zagadnieniach filtracji ustalonej i nieustalonej,
automatycznego obciążania szkieletu gruntowego siłami pochodzącymi od wyporu i ciśnienia spływowego poprzez uwzględnienie koncepcji rozkładu naprężeń w ośrodku dwufazowym wg koncepcji Terzaghiego,
automatycznej generacji warunków brzegowych typowych dla zadań geotechnicznych,
generowania nieproporcjonalnych procesów obciążenia i odciążenia,
stosowania siatek MES niezgodnych na granicach obszarów,
czasowego włączania i wyłączania elementów, warunków brzegowych i innych składników modelu (z techniką częściowego odprężania) przy symulacji procesu wykonywania wykopu czy wyrobiska oraz wbudowywania konstrukcji współpracującej z ośrodkiem gruntowym czy skalnym,
symulacji wprowadzania elementów kotwiących i ich sprężania,
symulacji obecności geo-siatek i geo-membran,
zatrzymania, modyfikacji danych i kontynuacji analizy po zmianie cech ośrodka (np. wywołanych procesem zamrażania czy iniekcją) ,
uruchomienia algorytmu oceny współczynnika pewności budowli w każdym etapie analizy (metodą redukcji parametrów wytrzymałościowych ośrodka) i powrotu do przebiegu podstawowego.
używania dowolnych jednostek w trakcie edycji danych.
efektywnego rozwiązywania dużych problemów (~100 000 równań)

Z_SOIL może być również używany w analizie typowych zagadnień analizy konstrukcji takich jak: stany 2D, spreżysto-plastyczne układy ramowe i powierzchniowe, powłoki osiowosymetryczne (żelbet, stal). Z kolei analiza procesów nieustalonego przepływu przez ośrodek porowaty pozwala na modelowanie numeryczne takich zagadnień jak ocena czasu nasycenia korpusu wału przeciwpowodziowego oraz określenie prędkości i wydatków filtracyjnych.

Algorytmy

Algorytmy użyte w module obliczeniowym systemu Z_SOIL są oparte na wynikach najnowszych badań publikowanych w literaturze oraz na własnych pracach badawczych autorów systemu. Dotyczy to w szczególności algorytmów całkowania równań konstytutywnych (sformułowania konsystentne dla wielo-powierzchniowych, nie-stowarzyszonych modeli spreżysto-plastycznych) oraz algorytmów aproksymacji skończenie elementowej (elementy EAS) Dzięki temu możliwe stało się efektywne pokonanie znanych trudności obliczeniowych pojawiających się w analizie niektórych typów zadań sprężysto-plastycznych związanych z geotechniką ( np. zjawisko "volumetric locking" dla modeli z dylatancją ) i uzyskiwanie w licznych testach wyników analiz zgodnych z mierzonymi w warunkach polowych.

Inferfejs użytkownika

Komunikacja użytkownika z systemem odbywa się w trybie interaktywnym przy wykorzystaniu okien dialogowych zgodnych ze standardami MS-Windows. System Obliczeniowy Z_SOIL wyposażony jest w PRE-procesor graficzny umożliwiający szybką budowę nawet najbardziej skomplikowanych 2- i 3-wymiarowych modeli numerycznych. Z kolei POST-procesor umożliwia wizualizację wyznaczonych wielkości fizycznych w rozmaitych formach graficznych - planów warstwicowych i map, wykresów wzdłuż zadanych linii (płaszczyzn) przekrojowych, pól wektorowych i tensorowych. Ponadto można śledzić przebiegi czasowe dowolnych wielkości stanu występujące w modelu. Tworzona informacja graficzna może być przekazywana do dowolnego oprogramowania działającego w pod kontrolą systemu MS-Windows.

W jaki sposób można nauczyć się posługiwania systemem Z_SOIL?

Z_SOIL zawiera interaktywny system pomocy, podręcznik teoretyczny, zestaw przykładów i danych materiałowych (w formie elektronicznej i książkowej) pozwalający każdemu użytkownikowi Z_SOIL-a nie tylko na szybkie osiągnięcie umiejętności praktycznego posługiwania się programem, ale również na wzbogacenie swojej wiedzy i zdobycie doświadczenia w dziedzinie modelowania numerycznego w geotechnice. Po dokonaniu zakupu systemu, każdy użytkownik przechodzi jedno-dniowe przeszkolenie.

W pierwszym roku po zakupie systemu zapewniona jest bezpłatna pomoc (assistance) telefonicznie lub poprzez e-mail, prowadzona w języku polskim. Warto w tym miejscu zwrócić uwagę że zarówno oferowane szkolenia jak i pomoc są udzielane bezpośrednio przez twórców programu, a nie tylko przez przeszkolonych sprzedawców.

Z_SOIL w dydaktyce

System Z_SOIL ma duże walory dydaktyczne. Przy jego pomocy można uczyć zarówno metodologii modelowania numerycznego zagadnień inżynierskich jak i analizować konkretne problemy pojawiające się w toku nauczania zawodowych przedmiotów inżynierskich. Przykładowo, na Wydziale Inżynierii Środowiska Politechniki Krakowskiej, już od kilku lat, Z_SOIL jest wykorzystywany z dużym powodzeniem w zajęciach z przedmiotów: metody numeryczne w budownictwie wodnym, budowle ziemne, budowle piętrzące, mechanika budowli, na studiach dziennych i zaocznych. Program jest szczególnie użyteczny przy wykonywaniu prac dyplomowych i przejściowych.

Wymagania sprzętowe i programowe

Zintegrowany System Z_SOIL działa w środowisku MS-Windows (NT4.0 lub 98) . Eksploatacja systemu jest możliwa na komputerach klasy PC-Pentium (zalecane: >160MHz, min 64MB RAM, HD min 300MB, karta graficzna 1024x768). Istnieje możliwość dokonania instalacji sieciowej do pracy wielo-stanowiskowej.

Twórcy systemu

Właścicielem i dystrybutorem systemu jest szwajcarska firma ZACE SERVICES Ltd, z siedzibą w Lozannie działająca pod kierunkiem dr Thomasa Zimmermanna. Program jest tworzony przy znaczącym współudziale autorów polskich w osobach: dr Andrzeja Trutego, dr Aleksandra Urbańskiego i mgr Krzysztofa Podlesia z WIŚ Politechniki Krakowskiej.

Użytkownicy w Polsce

Politechnika Krakowska (WIŚ), Politechnika Śląska -Katedra Geotechniki, SGGW AR Warszawa, Hydrobudowa Warszawa, GEOTEKO Warszawa.

Cennik programu

Ceny podane w tabeli (wyrażone w dolarach) obejmują program (CD-ROM + klucz hardware-owy) z nieograniczoną czasowo licencją, 1-roczną aktualizację wersji (upgrade), podręcznik użytkownika, jedno-dniowe szkolenie i pomoc techniczną przez 1 rok.

Przy zakupie dwóch lub większej liczby instalacji przez jednego użytkownika stosuje się upust 50% do nadliczbowych egzemplarzy systemu.

Do ceny należy doliczyć koszty wysyłki (25 USD).

*Przeznaczenie:* *Wersja:*	do celów dydaktycznych i naukowo-badawczych (uczelnie)	bez ograniczeń
Podstawowa 2D (Z_SOIL v 4)	2499.50 USD	4999.- USD
Rozszerzona 3D (Z_SOIL v 5)	6500.- USD	13000.- USD
Sieciowa (Z_SOIL v 4) 10 stanowisk	5000.- USD	10000.- USD

W przypadku zamiaru zakupu Z_SOIL-a:

Celem uzyskania szczegółowych informacji i ewentualnego dokonania zamówienia, proszę o kontakt z dr inż. Aleksandrem Urbańskim :

pocztą elektroniczną na adres: aurbansk@usk.pk.edu.pl
telefoniczny (012) 628 28 81 (PK) lub (012) 633 65 13 (tel. domowy)
fax (012) 632 60 36
listowny, na adres:

dr inż. Aleksander Urbański,

31-137 Kraków,

ul. Siemiradzkiego 9 /8.

W przypadku potrzeby okazjonalnego skorzystania z Z_SOIL-a:

Możliwym jest podjęcie współpracy przy rozwiązywaniu wszelkich zagadnień praktycznych i naukowo-badawczych wchodzących w zakres możliwości systemu, na uzgodnionych warunkach. W takim przypadku również proszę o kontakt na podane powyżej adresy. W imieniu zespołu twórców systemu Z_SOIL dr inż. Aleksander Urbański (Kraków)