Моделирование грунтового анкера

Грунтовый анкер — это устройство, работа которого предполагается на растяжение, анкер в общем случае состоит из двух основных частей: тяги (воспринимает растягивающие усилие от строительной конструкции, например, от ограждения котлована) и корня анкера (воспринимает усилия от тяги и передает их на грунт). Грунтовые анкеры применяют в промышленном, гражданском, транспортном и гидротехническом строительстве: при возведении причальных сооружений типа «больверк», при закреплении ограждений котлованов, стен подземных сооружений, опускных сооружений. В некоторых случаях без грунтовых анкеров обойтись невозможно, но также анкеры могут служить альтернативой, например, распоркам, подкосам или раскосам при закреплении стенок ограждения, и облегчить производство строительных работ внутри котлована за счет свободного пространства.

В статье рассмотрены способы моделирования грунтового анкера в расчетных комплексах midas GTS NX и midas FEA NX , возможные допущения при моделировании анкеров, способы задания преднатяжения анкера, использование Мастера моделирования анкера «Anchor Modelling», также в данной статье вы найдете ответы на самые популярные вопросы пользователей на эту тему.

Способы моделирования грунтового анкера

Корень анкера возможно замоделировать объемными элементами, такой подход даст наиболее точные результаты, но ведет к очень сильному усложнению модели (значительно увеличивается количество узлов и элементов), и, соответственно, данный способ не рационален. В данной статье будет рассмотрено моделирование тяги и корня анкера стержневыми элементами.

Моделирование тяги

При моделировании тяги для ограждения котлована необходимо обеспечить полное проскальзывание тяги относительно грунта. Если тяга будет иметь с грунтом общие узлы, то полное проскальзывание обеспечиваться не будет, и растягивающее усилие в тяге по направлению от ограждения к корню в таких узлах будет уменьшаться, что не соответствует реальной ситуации. Поэтому очень важно моделировать тягу одним единым стержневым конечным элементом, в таком случае лишних общих узлов с грунтом не будет. Для того, чтобы не выродились лишние узлы, и тяга разбилась одним конечным элементом, нужно при генерации сетки для тяги выставить значение «1» в поле «Division» (см. рисунок 1), предварительно нужно убедиться в том, что на элемент тяги не назначены контрольные узлы «Size Control» и геометрический отрезок, по которому генерируется сетка конечных элементов тяги, всего один.

Генерация тяги в виде одного конечного элемента
Рисунок 1. Генерация тяги в виде одного конечного элемента

В качестве свойства тяги рекомендуется использовать ферменный элемент «Truss» (при моделировании тяги одним конечным элементом допустимо использовать «Embedded Truss», отличия от «Truss» не будет). Свойство «Truss» от свойства «Beam» отличается тем, что стержень «Truss» воспринимает только усилия сжатия и растяжения (не учитывается изгибная жесткость), а стержень «Beam» воспринимает еще и усилия момента (учитывается изгибная жесткость).

Можно задать предел на растяжение для тяги анкера: для этого нужно в «Constitutive Behavior» выбрать «Compression Only/Gap» и в поле «Truss Allowable Tension» задать максимальную растягивающую величину, которую может воспринять тяга (см. рисунок 2). При достижении предельного растягивающего усилия тяга будет выключаться из работы.

Задание предела на растяжение для тяги
Рисунок 2. Задание предела на растяжение для тяги

Моделирование корня анкера без учета проскальзывания

Моделировать корень анкера без учета проскальзывания возможно двумя способами. Первый способ — это замоделировать анкер элементом «Truss», обеспечив узловую связь корня анкера и окружающего грунта. В 2D или 3D постановке общих узлов корня анкера и грунта можно добиться различными инструментами: «Size Control» (для 2D), отпечатком «Imprint» точек на плоскость (для 2D), при генерации сетки указать отрезки корня анкера внутри солида грунта «Interior Edge» (для 3D). Первый способ усложняет моделирование за счет выполнения дополнительных действий. При моделировании анкера без учета проскальзывания рекомендуется использовать второй способ: задавать корень анкера встроенным ферменным элементом «Embedded Truss». При использовании «Embedded Truss» не нужно соблюдать узловую связь стержня и грунта. Взаимодействие корня анкера и грунта в этом случае обеспечивается через виртуальную связь, которая автоматически формируется при использовании встроенных элементов «Embedded Truss/Embedded Beam». Для наиболее корректных результатов рекомендуется разбивать стержень «Embedded Truss» с шагом, соизмеримым с размером конечных элементов окружающего грунта в зоне корня анкера. Данный способ актуален и для 2D, и для 3D. Второй способ практически не отличается по точности результатов от первого, но сильно упрощает процесс моделирования.

Моделирование корня анкера с учетом проскальзывания

В этом способе учитывается проскальзывание корня анкера относительно окружающего грунта, данный способ позволяет смоделировать более реальную ситуацию. Учет проскальзывания влияет на распределение усилий в анкерах (соответственно, и в ограждении котлована) и на перемещения в системе. Учесть проскальзывание можно с помощью назначения интерфейса на корень анкера: «Mesh — Element — Interface — Line — From Truss/Beam» (в окне задания интерфейса необходимо указать сшивку точки начала корня и его конца), данный интерфейс задается по такому же принципу, как интерфейс для ограждения котлована, в этом случае у стержневого элемента корня обязательно должна соблюдаться узловая связь с окружающим грунтом. Либо возможно учесть проскальзывание с помощью назначения свайного интерфейса на боковую поверхность корня анкера: «Mesh — Element — Pile/Pile Tip — Pile» (после назначения интерфейсов по боковой поверхности необходимо выполнить сшивку по корню анкера: «Mesh — Node — Merge»), при реализации данного способа нет необходимости в соблюдении узловой связи корня анкера и окружающего грунта.

Характеристики для материала интерфейса/свайного интерфейса требуется откалибровать в соответствии с реальными испытаниями анкера, для наиболее точного результата нужно провести виртуальное испытание анкера, заданного стержнями, и повторить значения, которые были получены в ходе реального испытания, корректируя характеристики интерфейсов. При задании характеристик материала интерфейса помимо нормальной и касательной жесткости можно задать предел по трению через прочностные характеристики в случае задания обычного интерфейса и через указание максимальной величины трения — при задании свайного интерфейса.

Учет преднатяжения анкера

Преднапряжение стержня тяги можно задать с помощью команды «Static/Slope Analysis — Load — Prestress». Преднапряжение можно задать 1) без активированной опции «Pretension Type»; 2) с активированной опцией «Pretension Type» в режиме «Add»; 3) с активированной опцией «Pretension Type» в режиме «Replace». Все эти 3 опции значительно влияют на формирование усилия в тяге.

Преднапряжение без активированной опции «Pretension Type»

Преднапряжение без активированной опции «Pretension Type» учитывает потери осевой силы в элементе на стадии активации. Важно, что активация преднатяжения с выключенной опцией «Pretension Type» должна быть произведена на стадии активации элементов, к которым данная нагрузка прикладывается, в противном случае преднатяжение не будет учитываться.

Преднапряжение с активированной опцией «Pretension Type» в режиме «Add»

Преднапряжение с активированной опцией «Pretension Type» (и в режиме «Add», и в режиме «Replace») не учитывает потери осевой силы в элементе на стадии активации. В режиме «Add» преднапряжение алгебраически складывается с усилием в элементе, которое было сформировано до стадии активации преднатяжения.

Преднапряжение с активированной опцией «Pretension Type» в режиме «Replace»

Преднапряжение с активированной опцией «Pretension Type» в режиме «Replace» отличается от «Add» тем, что режим «Replace» создает фиксированную величину усилия в элементе, которая соответствует входному значению усилия преднатяжения «Nxx».

Пример использования преднатяжения

Для наглядности применения нагрузки от преднапряжения разными способами было выполнена простая модель (см. рисунок 1), которая представляет из себя вертикальный стержень «Beam» и горизонтальный стержень «Truss» с приложенной к нему точечной растягивающей нагрузкой в 500 кН (на рисунке 3 визуализируется красной стрелкой), на 3-м этапе включается преднапряжение в 200 кН для горизонтального стержня разными способами (на рисунке 3 преднапряжение визуализируется точкой).

На второй стадии после приложения точечной нагрузки в 500 кН во всех случаях: без «Pretension Type», с «Pretension Type» в режиме «Add» и в режиме «Replace» в горизонтальном стержне образуется одинаковое усилие в 260,6 кН (см. рисунок 4, на данное усилие влияет изгибная жесткость вертикального стержня). А вот на третьей стадии при включении преднапряжения в 200 кН для горизонтального стержня в разных режимах осевые усилия значительно различаются:

  • без активированной опции «Pretension Type» продольное усилие в стержне не изменилось и составило 260.6 кН (см. рисунок 5), так как нагрузка преднапряжения без опции «Pretension Type» не учитывается в случае активации элемента, к которому она приложена на другой стадии;

  • с активированной опцией «Pretension Type» в режиме «Add» продольное усилие в стержне составило 260.6 кН+200 кН=460.6 кН (см. рисунок 5);

  • с активированной опцией «Pretension Type» в режиме «Replace» продольное усилие в стержне составило 200 кН (см. рисунок 5).

Для демонстрации корректной работы от преднапряжения без активированной опции «Pretension Type» был проведен расчет в одну стадию, в которой были включены все стержни, и нагрузка преднатяжения (растягивающая точечная нагрузка в 500 кН не была активирована). Усилие, возникшее в горизонтальном элементе, сформировалось с учетом потерь и составило 95.8 кН (см. рисунок 6). Если в данной задаче использовать любой режим «Pretension Type», то продольное усилие сформируется без учета потерь и составит 200 кН.

Исходные данные расчетной модели
Рисунок 3. Исходные данные расчетной модели

Результаты после приложения растягивающей нагрузки в 500кН
Рисунок 4. Результаты после приложения растягивающей нагрузки в 500кН

Результаты осевого усилия в горизонтальном элементе
Рисунок 5. Результаты осевого усилия в горизонтальном элементе после активации растягивающей нагрузки преднапряжения в 200кН, заданной разными способами

Результаты осевого усилия без Pretension Type
Рисунок 6. Результаты осевого усилия без «Pretension Type»

Моделирование анкера инструментом «Anchor Modelling»

Команда «Static/Slope Analysis — Wizard — Anchor Modeling» позволяет создать анкер автоматически. Для создания анкера необходимо указать точку крепления тяги анкера «Start Location»; угол наклона анкера «Angle»; длину тяги «Ungrouted Length»; длину корня анкера «Grouted Length»; нагрузку от преднапряжения в тяге анкера «Axial Force [Nxx]«; можно активировать «Pretension Type» (при активации по умолчанию будет создан «Pretension Type» в режиме «Add»); выбрать предварительно созданное свойство для стержня «Truss», см. рисунок 7. Данная команда доступна для 2D и для 3D. При использовании команды «Anchor Modelling» будет автоматически сгенерирована тяга в виде одного конечного элемента «Embedded Truss», таким образом будет учитываться полное проскальзывание тяги относительно грунта (так как тяга представлена в виде одного конечного элемента) и будет автоматически сгенерирован корень анкера элементами «Embedded Truss» с шагом 1 м (см. рисунок 8), можно создать промежуточные узлы в корне анкера с помощью команды «Mesh — Element — Divide — 1D». При автоматической генерации анкера нагрузку от преднапряжения есть опция записать в существующий набор, либо в новый. Тяга и корень анкера записываются в один набор конечных элементов под названием «Anchor Modelling». В случае использования инструмента «Anchor Modeling» корень анкера не учитывает проскальзывание относительно окружающего грунта.

Окно задание анкера
Рисунок 7. Окно задание анкера

Грунтовый анкер созданный с помощью Anchor Modelling
Рисунок 8. Грунтовый анкер созданный с помощью «Anchor Modelling»

Наиболее частые ошибки при задании грунтового анкера

Формирование тяги в виде нескольких конечных элементов, промежуточные конечные элементы при этом имеют общие узлы с окружающим грунтом. Данную ошибку легко проверить по распределению продольного усилия вдоль тяги — оно должно быть постоянным вдоль всего стержня. Этой ошибки легко избежать, если создать тягу в виде одного конечного элемента, в начале настоящей статьи подробно описано, как этого можно добиться.

  • Создание анкера с реализацией узловой связи тяги с узлом грунта, а не ограждения. Данную ошибку можно сделать, если генерировать КЭ тяги после создания интерфейсов для ограждения котлована, так как после создания интерфейсов для стержня ограждения вырождается 3 узла: для грунта слева от ограждения, для грунта справа от ограждения и для самого элемента ограждения. Данную ошибку легко заметить в результатах по деформированной схеме и усилию в анкере (будет видно, что анкер некорректно включается в работу). Эту ошибку легко предотвратить, если создавать анкер до создания интерфейсов ограждения.

  • При ограничении растягивающего усилия в свойстве ферменного элемента указать в «Constitutive Behavior» (см. рисунок 2) параметр «Tension Only/Hook» вместо «Compression Only/Gap». Многие неверно полагают, что при выборе «Tension Only/Hook» ферменный элемент будет работать только на растяжение, а величина в «Truss Allowable Compression» ограничивает растяжение, но на самом деле все наоборот: «Truss Allowable Compression» определяет предельное сжатие, которое может воспринять элемент, при этом элемент может работать на растягивающие усилия любой величины. В «Compression Only/Gap» ферменный элемент может работать неограниченно на сжатие, а «Truss Allowable Tension» определяет предельное растягивающее усилие в элементе.

  • Активация преднапряжения без «Pretension Type» после активации элемента, к которому данная нагрузка прикладывается. В этом случае нагрузка от преднапряжения не будет учитываться. Без «Pretension Type» нагрузка должна активироваться на той же стадии, что и тяга. Данная ошибка подробно разобрана в главе Учет преднатяжения анкера настоящей статьи.

Заключение

Инженер при моделировании анкера должен определить, как учесть взаимодействие корня анкера и грунта: моделировать жесткое сопряжение или учитывать проскальзывание. Моделировать жесткое сопряжение — это значительное допущение. При учете проскальзывания в идеальном случае нужно иметь натурные испытания анкера, по которым необходимо выполнить калибровку параметров интерфейса. Учет проскальзывания и характеристики интерфейсов сильно влияют на результаты расчета. При задании нагрузки от преднапряжения нужно различать, что есть 3 способа учета преднатяжения, и эти 3 способа сильно влияют на конечный результат. Расчетчик должен внимательно подходить к анализу результатов и проверять свою схему на возможные ошибки, так как от этого зависит финальное конструктивное решение.

midas GTS NX

Скачайте демо-версию midas GTS NX

Начните пользоваться уже сегодня! После скачивания демо-версии
вам будут доступны обучающие материалы по началу работы.