Εκτίμηση της Συμπεριφοράς Στύλων με Χρήση Τρισδιάστατης Αριθμητικής Ανάλυσης

Abstract

Η δημιουργία υπόγειων χώρων με τη μέθοδο θαλάμων και στύλων (room and pillar method) τυγχάνει ευρείας εφαρμογής σε παγκόσμιο επίπεδο και η εύρεση των βέλτιστων διαστάσεων των στύλων με μεγίστη ασφάλεια και με μέγιστη δυνατή λειτουργικότητα αποτελεί αντικείμενο μελέτης από πολλούς ερευνητές. Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με την ανάλυση της συμπεριφοράς των στύλων με τη χρήση τρισδιάστατης ανάλυσης με πεπερασμένα στοιχεία, καθώς μπορεί να προσομοιωθεί πιο αξιόπιστα η τρισδιάστατη γεωμετρία των εκσκαφών. Η ανάλυση πραγματοποιείται με την δημιουργία διαφόρων μοντέλων εξέτασης με τη χρήση του λογισμικού πακέτου τρισδιάστατης ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων, MIDAS GTS. Επιτυγχάνεται έτσι, η βελτίωση της διακριτικής ικανότητας της ανάλυσης και κατανόηση της συμπεριφοράς των στύλων υπό διάφορες συνθήκες γεωμετρίας και φόρτισης, η σύγκριση των αποτελεσμάτων με αντίστοιχα λογισμικά πακέτα δισδιάστατης ανάλυσης, αλλά και ταυτόχρονα η εκμάθηση και εξοικείωση με το λογισμικό πακέτο MIDAS GTS. Πιο αναλυτικά στην εργασία, πραγματοποιούνται παραμετρικές αναλύσεις χωρισμένες σε 4 διαφορετικές ομάδες αναλύσεων. Για την κατανόηση της συμπεριφοράς των στύλων, σε κάθε μια από τις ομάδες αναλύσεων μεταβάλλεται μια βασική παράμετρος, όπως, η μονοαξονική αντοχή σε θλίψη (UCS), ο λόγος Wp/Hp και το πλευρικό φορτίο που ασκείται στο στύλο λόγω της ενίσχυσης. Σε κάθε ομάδα ανάλυσης, εξετάζεται η ευστάθεια και η συμπεριφορά των στύλων μέσω των οριζόντιων μετατοπίσεων (Horizontal Displacement), του συντελεστή ασφαλείας (Factor of Safety) και των αστοχιών που συμβαίνουν. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων δείχνουν ότι με την αύξηση του UCS και του λόγου Wp/Hp επιτυγχάνεται βελτίωση της ευστάθειας του στύλου, ενώ με την εφαρμογή της ενίσχυσης επιτυγχάνονται μεν καλύτερες συνθήκες, αλλά οι οριζόντιες μετατοπίσεις δεν μειώνονται σε μεγάλο βαθμό διότι ο στύλος έχει ήδη παραμορφωθεί λόγω των ισχυρών τάσεων που δέχεται. Γενικότερα, αποδείχτηκε ότι τα μέτρα ενίσχυσης δεν επιδρούν στην αποτροπή της εμφάνισης των αστοχιών, αλλά στον περιορισμό των συνεπειών τους. Τέλος, αναφορικά με την σύγκριση μεταξύ 2-D και 3-D ανάλυσης, εξήχθησαν αποτελέσματα ίδιας τάξης μεγέθους. Μολαταύτα, εκτιμάται ότι τα αποτελέσματα της 3-D ανάλυσης παρουσιάζουν μεγαλύτερη ακρίβεια και, επίσης, ότι τα αποτελέσματα της 2-D ανάλυσης φαίνεται να υποεκτιμούν την τρισδιάστατη γεωμετρία της εκσκαφής.

The creation of underground spaces by using the room and pillar method is applied widely at international level and the discovery of the best dimensions of pillars and their biggest possible functionality constitutes the object of study of many researchers. The main objective of this diploma thesis is the study of the behavior of pillars by using 3D finite elements analysis method, since it can simulate more reliable the 3D geometry. The analysis is performed by creating different groups models using the software three dimensional finite elements analysis software, MIDAS GTS. Thus, the goals of understanding the behavior of pillars under various geometry and loading conditions, the comparison between 2D and 3D numerical analysis methods and, also, learning and the familiarization with a state-of-the-art computer program MIDAS GTS, are achieved. More precisely, parametric analysis divided into four different groups, are effectuated. To understand the behavior of pillars, we change in each of analyses one basic parameter, such as the Unconfined Compressive Strength (UCS), the pillar W/H ratio and the reinforcement’s lateral load exerted on the pillar. In every group of analysis, we examine the stability conditions of pillars via the Horizontal Displacement, the Factor of Safety and the pillar failures that occur. The results of the analyses show that because of the increase in the UCS and the pillar W/H ratio, we achieve an improvement of the stability of the pillar, whereas by applying the reinforcement we achieve better stability conditions, but the horizontal displacements aren’t decreased greatly because the pillar is already disfigured due to intense stresses. Generally, it was proved that the reinforcement measures don’t have an impact on preventing the pillar failures from appearing. However they can restrict their consequences. Finally, as for the comparison between 2D and 3D analysis, the results have presented similar rates. Nevertheless, it is estimated that the results of 3D analysis present greater accuracy and, also, the results of 2D analysis seem to underestimate the three dimensional geometry of the excavation.