SPC Soil Pressures Calculation Υπολογισμός Τάσεων Εδάφους Εγχειρίδιο Χρήσης v.1.1 Άγγελος Γάκης 2009
Πίνακας Περιεχομένων ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 3 ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ... 4 ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ... 5 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ... 5 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ... 10 ΕΞΩΤΕΡΙΚΗ ΦΟΡΤΙΣΗ... 11 ΑΡΧΕΙΟ ΚΕΙΜΕΝΟΥ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ... 13 2
ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το πρόγραμμα SPC δημιουργήθηκε στα πλαίσια των «ΕΙΚΟΝΙΚΩΝ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΩΝ» του τμήματος Πολιτικών Μηχανικών για λογαριασμό του τομέα Γεωτεχνικής Μηχανικής υπό την επίβλεψη των καθηγητών κκ. Θ. Τίκα και Στ. Τσότσου. Ο κώδικας έχει συγγραφεί σε γλώσσα Visual Basic 2008 (VB.NET) με τη χρήση της πρόσθετης βιβλιοθήκης zedgraph (με άδεια ανοικτού λογισμικού), για την κατασκευή των διαγραμμάτων (zedgraph.org). 3
ΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ Ο κύριος στόχος του SPC είναι να δώσει διαδραστικά τη δυνατότητα στον φοιτητή του τμήματος Πολιτικών μηχανικών να αφομοιώσει βασικές έννοιες της Εδαφομηχανικής κυρίως μέσα από πειραματισμό με τις διάφορες παραμέτρους που χαρακτηρίζουν ένα γεωυλικό. Μέσα από τα διάφορα στάδια υπολογισμού, ο φοιτητής οδηγείται σε ένα πλήρη υπολογισμό τόσο των αρχικών τάσεων του εδάφους όσο και πιθανών πρόσθετων τάσεων λόγο εφαρμογής εξωτερικών φορτίσεων δίνοντας παράλληλα τη δυνατότητα να μεταβάλει τις διάφορες παραμέτρους και να παρατηρεί τις αντίστοιχες μεταβολές που προκαλούνται, λαμβάνοντας τα αποτελέσματα τόσο μέσω γραφικού περιβάλλοντος όσο και υπό μορφή κειμένου. Ο υπολογισμός της τελικής εντατικής κατάστασης, αναφέρεται σε μακροπρόθεσμες συνθήκες (ολοκλήρωση στερεοποίησης) χωρίς να λαμβάνονται υπόψη τα ενδιάμεσα στάδια. Η συγγραφή του κώδικα έγινε με τρόπο τέτοιο ώστε να επιδέχεται μελλοντικές προσθήκες (κατασκευή κύκλου Mohr, υπολογισμός εντατικής κατάστασης κατά τη διάρκεια της στερεοποίησης κ.α., υπολογισμός καθιζήσεων). 4
ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ε ΟΜΕΝΩΝ Μετά την αρχική οθόνη εισαγωγής, ο χρήστης μεταφέρεται στη φόρμα εισαγωγής δεδομένων (κύρια φόρμα ελέγχου) όπως φαίνεται στο σχήμα 1. Σχήμα 1: Κύρια φόρμα ελέγχου για την εισαγωγή δεδομένων. Η πρώτη εισαγωγή που πρέπει να γίνει είναι αυτή του αριθμού των στρώσεων (δεν υπάρχει αριθμητικός περιορισμός). Κατόπιν εισάγεται το 5
βάθος του υδροφόρου ορίζοντα. Σημειώνεται ότι ο υπολογισμός της πίεσης πόρων γίνεται για πλήρως κορεσμένα γεωυλικά, δίχως δυνατότητα ροής (υδροστατικές πιέσεις). Αφού επιλεγούν τα παραπάνω, ακολουθεί η εισαγωγή των στοιχείων των εδαφικών στρώσεων (αντίστοιχο πλήκτρο). Στο συγκεκριμένο παράδειγμα επιλέγονται 5 εδαφικές στρώσεις, για βάθος υδροφόρου ορίζοντα στα 2.7 μέτρα. Με το που πατηθεί το πλήκτρο Στοιχεία Εδαφικών Στρώσεων Σχήμα 2: Φόρμα Εισαγωγής Δεδομένων με τις νέες καρτέλες των εδαφικών στρώσεων. δημιουργούνται αυτόματα οι 5 καρτέλες εισαγωγής δεδομένων για τις εδαφικές στρώσεις (σχήμα 2). Στον πίνακα 1 συγκεντρώνονται όλες οι παράμετροι εισαγωγής για το συγκεκριμένο πρόβλημα. 6
Στρώση Γεωυλικό Πάχος γd γsat H(m) (kn/m 3 ) (kn/m 3 ) φ( ο ) OCR ko 1 Άμμος 10 16 18 31 1 0.484 2 Άργιλος 20 17 19 24 1 0.540 PI=24% 3 Χαλίκι 1 17.5 19.5 41 1 0.344 4 Άργιλος 30 17.6 19.6 22 5 1.126 PI=42% 5 Χαλίκι 15 18 20 45 1 0.293 Πίνακας 1: Παράμετροι εδαφικών στρώσεων. Ο χρήστης πρέπει σε κάθε καρτέλα να συμπληρώσει τα απαραίτητα δεδομένα. Σε περίπτωση που οι τιμές που δίνονται σε κάποιο κελί εισαγωγής είναι μη αποδεκτές (πχ. φ=60 ο ) εμφανίζεται μήνυμα που προειδοποιεί τον χρήστη. Οι παράμετροι H, γd, γsat, φ και OCR εισάγονται απευθείας από το χρήστη ενώ όσον αφορά το ko δίνονται δυνατότητες επιλογής του τρόπου υπολογισμού. Έτσι στην περίπτωση που το υλικό της στρώσης είναι κανονικά στερεοποιημένο (OCR = 1) ο χρήστης επιλέγει ο υπολογισμός του ko NC να γίνεται είτε με τη σχέση του Jacky, 1 ( 1) είτε μέσω της συσχέτισης με βάση το το δείκτη πλαστικότητας, 0.44 0.42 ( 2) είτε να εισάγεται απευθείας (μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για OCR >1). Επίσης δίνεται η δυνατότητα σε περίπτωση υπερστερεοποιημένου υλικού, ο υπολογισμός του Ko OC να γίνεται με μία εκ των σχέσεων: (3). (4) 7
Η μετάβαση στην κάθε καρτέλα γίνεται είτε ενεργοποιώντας την αντίστοιχη ταμπέλα είτε με χρήση του πλήκτρου Καταχώρηση. Μετά την εισαγωγή των δεδομένων της τελευταίας στρώσης, αφού πατηθεί το πλήκτρο Καταχώρηση γίνεται και πάλι μετάβαση στην κύρια καρτέλα ελέγχου. Πλέον τα δεδομένα έχουν καταχωρηθεί στις 5 εδαφικές στρώσεις και έχουν ενεργοποιηθεί τα πλήκτρα πρόσβασης Εδαφική Τομή και Απαλοιφή. Το πρόγραμμα αυτομάτως μετά την καταχώρηση των δεδομένων, διακριτοποιεί την κάθε στρώση δημιουργώντας συγκεκριμένα σημεία στην οροφή, το μέσο και τον πυθμένα αυτής. Στη στρώση εντός της οποίας βρίσκεται ο υδροφόρος ορίζοντας το πρόγραμμα ουσιαστικά θεωρεί ότι υπάρχουν δύο ξεχωριστές στρώσεις, μία πάνω και μία κάτω από τον υπόγειο ορίζοντα, οπότε και διακριτοποιεί αντίστοιχα. Επόμενο βήμα είναι η αναπαραγωγή της εδαφικής τομής, μέσω της οποίας ο χρήστης μπορεί να έχει μία πρώτη γραφική απεικόνιση του προβλήματος κάνοντας και έλεγχο για τυχόν λάθη (σχήμα 3). 8
Σχήμα 3: Τυπική Εδαφική τομή. Σε περίπτωση που διαπιστωθούν πιθανά λάθη (όπως να μην έχει οριστεί ο τύπος του εδάφους με αποτέλεσμα η εδαφική τομή να μην έχει την παραπάνω μορφή) ή κριθεί ότι πρέπει να αλλάξουν ορισμένα εκ των δεδομένων, στην κύρια καρτέλα υπάρχει είτε η δυνατότητα απαλοιφής των έως τώρα δεδομένων, είτε να μεταβληθούν κάποια εκ των δεδομένων πηγαίνοντας στις αντίστοιχες καρτέλες των στρώσεων, χωρίς να παραληφθεί η καταχώρηση των δεδομένων στο τέλος της επεξεργασίας. 9
ΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ Αφού βεβαιωθεί ο χρήστης ότι η εισαγωγή των δεδομένων έγινε σωστά, με τη χρήση του πλήκτρου Διαγράμματα, ανοίγει μία νέα φόρμα ελέγχου (σχήμα 4) στην συγκεντρώνονται τα διαγράμματα των αρχικών και των τελικών τάσεων, καθώς και της μεταβολής και του λόγου της μεταβολής προς τις αρχικές τάσεις. Σχήμα 4: Φόρμα Διαγραμμάτων. Στην περιοχή των διαγραμμάτων, με δεξί κλικ του ποντικιού, ο χρήστης μπορεί να αντιγράψει, να εκτυπώσει ή να αποθηκέυσει ως εικόνα τα διαγράμματα καθώς και ενεργοποιώντας την τιμή Show Point Values, να δίνονται οι τιμές κάθε σημείου όταν ο κέρσορας είναι στην περιοχή αυτού. Επίσης με την χρήση της ροδέλας του ποντικιού, μπορεί να γίνει 10
μεγένθυνση ή σμίκρυνση κάθε διαγράμματος. Τέλος με την εξαγωγή σε textfile ο χρήστης μπορεί να αποθηκεύσει τα δεδομένα και σε μορφή κειμένου. Τα διαγράμματα της μεταβολής και του λόγου των τάσεων σε αυτό το σημείο δεν έχουν δημιουργηθεί καθώς δεν έχει επιλεγεί κάποια πρόσθετη φόρτιση. ΕΞΩΤΕΡΙΚΗ ΦΟΡΤΙΣΗ Με το πλήκτρο Επιβολή Εξωτερικής Φόρτισης, μεταφερόμαστε σε νέα οθόνη εισαγωγής (σχήμα 5). Ο χρήστης μπορεί να επιλέξει ανάμεσα σε ορθογωνική, κυκλική (κάτω από το κέντρο ή στην περίμετρο της επιφάνειας φόρτισης), συνεχή ομοιόμορφη απείρου μήκους και σημειακή φόρτιση. Στην περίπτωση της ορθογωνικής φόρτισης δίνεται η δυνατότητα υπολογισμού κάτω από το κέντρο, στο άκρο ή σε οποιοδήποτε σημείο σε σχέση με την περιοχή φόρτισης δίνοντας τις αντίστοιχες συντεταγμένες. Στο συγκεκριμένο παράδειγμα μας ενδιαφέρει η μεταβολή στις αρχικές τάσεις λόγω ορθογωνικής φόρτισης 100 kpa σε επιφάνεια 10x10 m κάτω από το κέντρο αυτής.επιστρέφοντας στα διαγράμματα, ο χρήστης πλέον μπορεί να εντοπίσει και τις δύο τελευταίες κατηγορίες οι οποίες δεν είχαν σχεδιασθεί. Στο σχήμα 6 παρουσιάζονται τα διανύσματα των τάσεων σε ένα εδαφικό στοιχείο. 11
Σχήμα 5: Φόρμα Επιβολής Εξωτερικής Φόρτισης. Σχήμα 6: Διανύσματα τάσεων σε ένα εδαφικό στοιχείο. 12
ΑΡΧΕΙΟ ΚΕΙΜΕΝΟΥ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Όπως προαναφέρθηκε ο χρήστης έχει τη δυνατότητα μέσα από τη φόρμα των διαγραμμάτων να αποθηκεύει με χρήση του αντίστοιχου πλήκτρου τα αποτελέσματα (καθώς και τα δεδομένα που εισήχθησαν) σε αρχείο κειμένου για έλεγχο και περεταίρω επεξεργασία (πχ. Εισαγωγή στο MS Excel). Παρατίθεται για το δεδομένο πρόβλημα το τελικό αρχείο κειμένου στο σχήμα 7. Σχήμα 7: Αρχείο κειμένου με τα δεδομένα και τα αποτελέσματα του προβλήματος. 13