Modeling of foundation and soil in FEM-Design : A study of the geo-modules 3D Soil and Pile

Beräkning med finita elementmetoden, FEM, är en vanlig metod vid lastnedräkning för bärande konstruktioner. Vid FEM-modellering inom huskonstruktion måste konstruktören på något sätt även modellera markens egenskaper för att uppnå statisk jämvikt i modellen. Att låta byggnaden vila på oeftergivliga stöd fungerar vid grundläggning på berg, men i övriga fall måste jordens deformation vid belastning simuleras. Ett vanligt tillvägagångssätt är att konstruktören samarbetar med en geotekniker som beräknar sättningar i jorden utifrån de laster konstruktören beräknat. Det görs i ett geotekniskt FEM-program som exempelvis PLAXIS. Utifrån geoteknikerns resultat beräknar konstruktören fjäderstöd som får simulera marken. Därefter kan deformationer i byggnaden studeras. Denna studie har prövat en alternativ metod. Hus, grundläggning och undergrund har modellerats i en gemensam modell i FEM-Design 3D Structure 17. Syftet med att undersöka detta var möjligheten till effektiviseringar av arbetsflödet. Om konstruktören kan modellera allt i samma modell skulle flera arbetsmoment kunna sparas. Risken för fel då data tolkas och flyttas mellan olika program skulle också elimineras. Som fallstudie användes ett sexvåningshus med både pål- och plattgrundläggning. En befintlig modell med fjäderstöd beräknade i PLAXIS gjordes om till en komplett modell med byggnad, grundplattor, pålar och jord som finita element. FEM-Design kunde dock inte beräkna något resultat för modellen. Modulen Pile som modellerar pålar och modulen 3D Soil som modellerar jorden som solida element var inte kompatibla. Studien övergick då till att undersöka enskilda grundläggningselement separat. Pålar och plattor lyftes ut från den stora modellen och studerades dels med externt beräknade fjäderstöd och dels med FEM-Designs geotekniska moduler. Resultaten visade större deformationer för de modeller som var modellerade med 3D Soil. För Pile var resultaten att betrakta som likvärdiga. En tydlig slutsats är att för husprojekt med både pål- och plattgrundläggning kan byggnad och undergrund inte modelleras tillsammans i FEM-Design. Programmets utvecklare StruSoft har planer på att utveckla funktionerna i framtiden så att de kan användas tillsammans, men det finns ingen prognos för när det kan vara klart. För byggnader med endast en grundläggningstyp kan respektive modul däremot användas. Det ska understrykas att en konstruktör som ska modellera undergrunden själv måste ha goda geotekniska kunskaper för att kunna hantera modulerna korrekt. Den optimala arbetsgången skulle enligt författarna vara att konstruktören och geoteknikern arbetade i samma modelleringsprogram i en gemensam modell. The finite element method, FEM, is a common method for load calculation in building construction design. In addition to the structure itself, the structural engineer must also model the soil response to achieve static equilibrium in the model. Using unyielding supports works for structures founded on rock, but in other cases the soil deformation must be simulated somehow. A common approach is that the structural engineer collaborates with a geotechnician who calculates the settlements in the soil due to the loads provided by the structural engineer. This is done in a geotechnical FEM program, e.g. PLAXIS. The structural engineer then uses the PLAXIS results to calculate spring supports simulating the soil response. The settlements in the structure can then be studied. This study has evaluated a different approach. The structure, foundation slabs, piles and subgrade has been modeled in a common model in the program FEM-Design 3D Structure 17. The study identified several possible benefits if the method proved reliable. If the structural engineer could model everything in one model, several work steps could be excluded. It would also eliminate the risk of errors that may occur when data is to be interpreted and moved between different programs. The studied case is a six-storey residential building founded on both piles and foundation slabs. An existing model with spring supports calculated in PLAXIS was modified into a complete model with structure, foundation slabs, piles and soil as finite elements. The complete model proved unable to produce any results. The Pile module and the 3D Soil module turned out to be incompatible. Facing this fact, the study decided to evaluate separate foundation elements individually. Piles and foundation slabs were extracted from the full model and studied first with externally calculated spring supports and then with the FEM-Design geotechnical modules. The results displayed larger deformations for the 3D Soil models. For the Pile module, the results should be regarded as equivalent. The major conclusion is that a building founded on both piles and foundation slabs is not possible to model together with subgrade in FEM-Design. The program developer StruSoft may develop the features in the future so that they can work together, but there is no forecast for when this can be done. However, the features can be used separately for structures with only one type of foundation. It should be emphasized that a structural engineer who is going to model the subgrade must have good geotechnical knowledge in order to handle the modules correctly. According to the authors, the optimal workflow would be that the structural engineer and the geotechnician worked in the same modeling program in a common model