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.

De senaste åren har det funnits olika företag som har tillverkat avancerade mjukvaror inom byggbranschen. En del av mjukvaror är avsedd att skapa 2D ritningar och 3D modeller. Med hjälp av dessa verktyg har ingenjörer och arkitekter snabbt och enkelt skapat ritningar och modeller för projektering av konstruktioner. Utvecklingen inom detta område kallas BIM. Byggnadsinformationsmodellering, BIM, stödjer design av en byggnad genom alla faser och möjliggör bättre konstruktions-, tillverknings- och inköpsaktiviteter. Andra mjukvaror är tilltänkt att förutse hur en struktur reagerar på verkliga laster, vibrationer, värme och andra fysiska effekter. För detta används finita elementmetod, där kommer strukturen analyseras i element för ett noggrannare resultat. En utveckling inom detta område har också skett. Företaget Strusoft AB utvecklar FE-verktyg för analys av struktur. Den senaste nyheten är modul för beräkning av samverkan mellan struktur, grundläggning och undergrunden i form av jord. Modulen kallas 3D-Soil och används enligt Strusoft för modellering och analys av geokonstruktioner. I denna rapport redovisas modellering av en struktur och underliggande jord med finit elementanalysprogrammet, FEM-Design som är försett med den nya modulen 3D-Soil för geotekniska beräkningar. Målet är att jämföra resultat för moment utifrån samverkanskrafter mellan jord och struktur i FEM-Design med ett annat FEM-program, Lusas. Till skillnad från FEM-Design appliceras jord- och vattentryck som utbredd last i Lusas. Resultaten visar att det finns signifikanta skillnader mellan resultaten från analysprogrammen och det finns begränsningar i modelleringsverktyget som behöver utvecklas vidare. / In recent years, there have been various companies that produced advanced software in the construction industry. A part of software is designed to create 2D drawings and 3D models. With the help of these tools, engineers and architects have been able to quickly create drawings and models for estimation of designs. Development in this area is called BIM. Building Information Modeling, BIM, supports design of a building through all phases and enables better design, manufacturing and purchasing activities. Other software is intended to predict how a structure responds to real loads, vibration, heat and other physical effects. For this, finite element method is used, where the structure will be analyzed in elements for more accurate results. Development in this area has also taken place. Strusoft AB develops FE tools for structural analysis and the latest product is a module for calculating the interaction between structure, foundation and subsoil in the form of soil. The module is called 3D-Soil and is used by Strusoft for modeling and analysis of geo-constructions. In this report, modeling of a structure and underlying soil with the finite element analysis program, FEM-Design, is provided with the new 3D-Soil module for geotechnical calculations. The goal is to compare the results for moment based on interaction forces between soil and structure in FEM-Design with another FEM program, Lusas. Unlike FEM-Design, soil and water pressure is applied as a distributed load in Lusas. The results show that there are significant differences between the results of the analysis programs and there are limitations in the modeling tool that needs further development.

Mass and energy flow processes in soil are strongly dependent on the state of the soil structure and on pore space geometry. To correctly describe these transport processes, an adequate pore space characterization is required. In this context, the use of computerized microtomography allows the visualization of the soil structures and processes that occur at large scales may be very useful, besides being a fast and non-destructive technique. Soil hydraulic properties, which are essential in the quantification of water balance components in hydrological models of the unsaturated zone, can be measured directly with field or laboratory methods. Simultaneous determination of these properties can be done by the Wind-Schindler evaporation method, but determining only the retention function is a more common practice. The relation between soil water retention and hydraulic conductivity can then be predicted using theories like those developed by Childs and Collis-George, Burdine and Mualem. These models treat pore-space tortuosity and connectivity as an empirical parameter, and its value remains usually undetermined, the use of a standard value being more common. Based on this contextualization, the objectives of this thesis are: (i) to evaluate the correlation between soil hydraulic properties measured in the laboratory, and parameters that quantify soil pore space from 3D images obtained by X-ray microtomography; and (ii) to functionally analyze soil hydraulic property parameterization in the prediction of soil water balance components by an agrohydrological model. To verify the relationship between soil hydraulic properties and soil image parameters, a stepwise multiple regression analysis was performed between the pore space parameters from images and empirical parameters of the semi-deterministic model, obtained with evaporation experiments together with an inverse solution method. Functional evaluation of soil hydraulic parameters was performed by a sensitivity analysis of the outputs of an agro-hydrological model to several ways of obtaining the tortuosity/connectivity parameter: applying the commonly used standard value, or determining its value in evaporation experiments in the laboratory with wet-range tensiometers, dry-range tensiometers, or both wet- and dry-range tensiometers. Simulations with the agro-hydrological model were performed for some years with distinct rainfall characteristics. The soil retention curve obtained using soil images had a good agreement to the retention curve obtained by the evaporation experiment, although the spatial resolution of the microtomograph allowed to only quantify macropores, consequently, to determine the hydraulic properties in a small range close to saturation. Soil hydraulic parameterization using a wide range of pressure heads is recommended for a better representation of vadose zone processes and soil-water-plant relations / Os processos de fluxo de massa e energia no solo dependem fortemente do estado da estrutura do solo e da geometria do espaço dos poros. Para descrever corretamente esses processos de transporte, é necessária uma caracterização adequada do espaço poroso. Neste contexto, o uso da microtomografia computadorizada permite a visualização das estruturas do solo e os processos que ocorrem em grandes escalas podem ser muito úteis, além de ser uma técnica rápida e não destrutiva. As propriedades hidráulicas do solo, que são essenciais na quantificação dos componentes do balanço hídrico em modelos hidrológicos da zona não saturada, podem ser medidas diretamente com métodos de campo ou laboratório. A determinação simultânea dessas propriedades pode ser feita pelo método de evaporação Wind-Schindler, mas a determinação apenas da função de retenção é uma prática mais comum. A relação entre a retenção de água do solo e a condutividade hidráulica pode então ser predita por teorias como as desenvolvidas por Childs e Collis-George, Burdine e Mualem. Esses modelos tratam a tortuosidade e conectividade do espaço poroso como um parâmetro empírico, e seu valor permanece geralmente indeterminado, sendo o uso de um valor padrão mais comum. Com base nessa contextualização, os objetivos desta tese são: (i) avaliação da correlação entre propriedades hidráulicas do solo, medidas em laboratório e parâmetros que quantificam o espaço de poros do solo a partir de imagens 3D obtidas por microtomografia de raios X; (ii) a análise funcional da parametrização das propriedades hidráulicas do solo na predição dos componentes do balanço hídrico do solo por um modelo agro-hidrológico. Para a verificação da relação entre as propriedades hidráulicas do solo e os parâmetros da imagem do solo, foi realizada uma análise de regressão múltipla entre os parâmetros do espaço poroso por imagens e parâmetros empíricos do modelo semi-determinística, obtidos com experimentos de evaporação juntamente com método de solução inversa. A avaliação funcional das parametrizações hidráulicas do solo foi feita pela análise de a sensibilidade das saídas de um modelo agro-hidrológico a várias maneiras de obter o parâmetro de tortuosidade/conectividade: aplicando um valor fixo comumente utilizado ou determinando seu valor em experimentos de evaporação no laboratório com tensiômetros na faixa úmida, tensiômetros na faixa seca, ou com tensiômetros nas faixas seca e úmida. As simulações com o modelo agro-hidrológico foram realizadas por vários anos com disponibilidade de água distinta. A curva de retenção de solo obtida através de imagens do solo está em concordância com a curva de retenção obtida pelo experimento de evaporação, embora a limitação da resolução espacial da microtomografia, permitiu apenas quantificar macroporos, consequentemente, a determinação das propriedades hidráulicas em uma pequena faixa próxima à saturação. A parametrização hidráulica do solo usando uma faixa mais ampla de tensões é recomendada para melhor representar os processos na zona não-saturada e das relações solo-água-planta

Mass and energy flow processes in soil are strongly dependent on the state of the soil structure and on pore space geometry. To correctly describe these transport processes, an adequate pore space characterization is required. In this context, the use of computerized microtomography allows the visualization of the soil structures and processes that occur at large scales may be very useful, besides being a fast and non-destructive technique. Soil hydraulic properties, which are essential in the quantification of water balance components in hydrological models of the unsaturated zone, can be measured directly with field or laboratory methods. Simultaneous determination of these properties can be done by the Wind-Schindler evaporation method, but determining only the retention function is a more common practice. The relation between soil water retention and hydraulic conductivity can then be predicted using theories like those developed by Childs and Collis-George, Burdine and Mualem. These models treat pore-space tortuosity and connectivity as an empirical parameter, and its value remains usually undetermined, the use of a standard value being more common. Based on this contextualization, the objectives of this thesis are: (i) to evaluate the correlation between soil hydraulic properties measured in the laboratory, and parameters that quantify soil pore space from 3D images obtained by X-ray microtomography; and (ii) to functionally analyze soil hydraulic property parameterization in the prediction of soil water balance components by an agrohydrological model. To verify the relationship between soil hydraulic properties and soil image parameters, a stepwise multiple regression analysis was performed between the pore space parameters from images and empirical parameters of the semi-deterministic model, obtained with evaporation experiments together with an inverse solution method. Functional evaluation of soil hydraulic parameters was performed by a sensitivity analysis of the outputs of an agro-hydrological model to several ways of obtaining the tortuosity/connectivity parameter: applying the commonly used standard value, or determining its value in evaporation experiments in the laboratory with wet-range tensiometers, dry-range tensiometers, or both wet- and dry-range tensiometers. Simulations with the agro-hydrological model were performed for some years with distinct rainfall characteristics. The soil retention curve obtained using soil images had a good agreement to the retention curve obtained by the evaporation experiment, although the spatial resolution of the microtomograph allowed to only quantify macropores, consequently, to determine the hydraulic properties in a small range close to saturation. Soil hydraulic parameterization using a wide range of pressure heads is recommended for a better representation of vadose zone processes and soil-water-plant relations / Os processos de fluxo de massa e energia no solo dependem fortemente do estado da estrutura do solo e da geometria do espaço dos poros. Para descrever corretamente esses processos de transporte, é necessária uma caracterização adequada do espaço poroso. Neste contexto, o uso da microtomografia computadorizada permite a visualização das estruturas do solo e os processos que ocorrem em grandes escalas podem ser muito úteis, além de ser uma técnica rápida e não destrutiva. As propriedades hidráulicas do solo, que são essenciais na quantificação dos componentes do balanço hídrico em modelos hidrológicos da zona não saturada, podem ser medidas diretamente com métodos de campo ou laboratório. A determinação simultânea dessas propriedades pode ser feita pelo método de evaporação Wind-Schindler, mas a determinação apenas da função de retenção é uma prática mais comum. A relação entre a retenção de água do solo e a condutividade hidráulica pode então ser predita por teorias como as desenvolvidas por Childs e Collis-George, Burdine e Mualem. Esses modelos tratam a tortuosidade e conectividade do espaço poroso como um parâmetro empírico, e seu valor permanece geralmente indeterminado, sendo o uso de um valor padrão mais comum. Com base nessa contextualização, os objetivos desta tese são: (i) avaliação da correlação entre propriedades hidráulicas do solo, medidas em laboratório e parâmetros que quantificam o espaço de poros do solo a partir de imagens 3D obtidas por microtomografia de raios X; (ii) a análise funcional da parametrização das propriedades hidráulicas do solo na predição dos componentes do balanço hídrico do solo por um modelo agro-hidrológico. Para a verificação da relação entre as propriedades hidráulicas do solo e os parâmetros da imagem do solo, foi realizada uma análise de regressão múltipla entre os parâmetros do espaço poroso por imagens e parâmetros empíricos do modelo semi-determinística, obtidos com experimentos de evaporação juntamente com método de solução inversa. A avaliação funcional das parametrizações hidráulicas do solo foi feita pela análise de a sensibilidade das saídas de um modelo agro-hidrológico a várias maneiras de obter o parâmetro de tortuosidade/conectividade: aplicando um valor fixo comumente utilizado ou determinando seu valor em experimentos de evaporação no laboratório com tensiômetros na faixa úmida, tensiômetros na faixa seca, ou com tensiômetros nas faixas seca e úmida. As simulações com o modelo agro-hidrológico foram realizadas por vários anos com disponibilidade de água distinta. A curva de retenção de solo obtida através de imagens do solo está em concordância com a curva de retenção obtida pelo experimento de evaporação, embora a limitação da resolução espacial da microtomografia, permitiu apenas quantificar macroporos, consequentemente, a determinação das propriedades hidráulicas em uma pequena faixa próxima à saturação. A parametrização hidráulica do solo usando uma faixa mais ampla de tensões é recomendada para melhor representar os processos na zona não-saturada e das relações solo-água-planta

Ziel dieser Arbeit ist die Verbesserung der Vorhersagekraft des Bodenerosionsmodelierungs-werkzeugs EROSION-3D, welche oftmals durch die Identifizierung der werkzeugspezifischen Parameter Skinfaktor und Erosionswiderstand limitiert ist. Als drei Betrachtungsebenen der Arbeit werden 1. Beobachtungsdaten, 2. die Fähigkeit von EROSION-3D zur Beschreibung der Beobachtungsdaten und 3. die Vorhersagekraft des Werkzeugs untersucht. Aufzeichnungen verschiedener Beregnungsversuche wurden maschinenlesbar zusammengefasst. Daran wurde EROSION-3D mit den bisher üblichen sowie Monte-Carlo Methoden kalibriert. Anhand beschreibender Daten der Beregnungsversuche wurden Vorhersagemethoden zur Schätzung der modellspezifischen Parameter entwickelt und hinsichtlich der Parameterwerte und damit modellierter Abfluss-/Abtragswerte validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass verbesserte Vorhersagen mit den neuen Schätzmethoden möglich sind, aber auch Möglichkeiten zur Verbesserung der Modellstruktur bestehen.