توضیحات
پروژه شبیه سازی ستون بتنی استوانه ای تقویت شده با آرماتورهای فولادی تحت بار محوری در نرم افزار آباکوس (ABAQUS)
موارد نیاز سازه های بتنی به ترمیم:
سازه های بتنی ممکن است به دلایل مختلفی دچار آسیب شده و نیاز به مرمت، تقویت و یا بهسازی داشته باشند. این آسیب ها از دو بعد ماده و سازه مطرح می باشند. آسیب ماده در سازه های بتنی در مواردی همچون خوردگی فولاد و یا فساد و خرابی بتن مطرح می شود که با استفاده از روش های مخصوص به خود و مواد تعمیراتی مانند انواع دوغاب و … قابل ترمیم می باشند.
نیروی زلزله:
باتوجه به اینکه کشور ما در منطقه ای زلزله خیز واقع است و این امکان وجود دارد که در طراحی بسیاری از سازه ها که در سال های گذشته انجام گرفته، نیروی زلزله به درستی در نظر گرفته نشده باشد لذا تعداد زیادی از سازه ها نیاز به تقویت و مقاوم سازی در برابر نیروی زلزله دارند. تقویت سازه برای مقابله با ارتعاشات و نیروهای وارده در اثر زلزله با روش های مختلف و جدید از مباحث نسبتا تازه در مباحث علمی است.
تغییر کاربری سازه:
در بسیاری از موارد ممکن است بحث تغییر کاربری یک سازه از مسکونی به اداری یا تجاری و … مطرح باشد، با فرض آنکه سازه در مرحله طراحی خود به درستی طراحی شده و تمام نکات از جمله انواع بارها به خصوص بار زلزله در نظر گرفته شده باشد سازه با کاربری جدید تحت بارگذاری های جدیدی قرار می گیرد که در مرحله طراحی اولیه مطرح نبوده اند. بنابر این در بحث تغییر کاربری سازه ها نیز موضوع تقویت و ترمیم سازه های بتنی مطرح می شود.
عدم رعایت ضوابط اجرایی:
در صورت طراحی مناسب و درست سازه، این امکان وجود دارد که سازه در مرحله اجرا به درستی و همانگونه که محاسبه و طراحی شده، اجرا نشود و اشکالات متعددی همچون عدم آرماتور بندی درست، عدم کاربرد میلگرد با سایز و تعداد مناسب، عدم رعایت طول مهارهای لازم برای میلگرد، عدم اجرای درست اتصالات، استفاده از سیمان نامناسب، عدم استعمال سیمان به مقدار کافی و عمل آوری نامناسب بتن و … در مرحله اجرا پدید آید. جهت استفاده مناسب و ایمن از چنین سازه ای که در مرحله ساخت دچار اشکال شده است، بحث ترمیم و تقویت سازه و اهمیت آن مطرح می گردد.
تغییرات آئین نامه های بارگذاری و ضرایب آنها:
در مواردی ممکن است به علت یافته های جدید علمی بخش هایی از آیین نامه ها و ضرایب بارگذاری تغییر نماید. سازه هایی که بر اساس آیین نامه های قبلی طراحی شده اند می بایست خود را با شرایط آیین نامه جدید هماهنگ نمایند که جهت این هماهنگی ممکن است در مواردی به تقویت و ترمیم سازه نیاز باشد.
خوردگی:
به علت اینکه بخش وسیعی از کشور ما مخصوصا جنوب کشور دارای شرایط محیطی خاص خود و خورندگی شدید می باشد، بسیاری از سازه های این مناطق نیاز به ترمیم و یا بهسازی خواهند داشت.
نگهداری و حفظ بناهای قدیمی:
از آنجایی که کشور ما دارای قدمت بسیار طولانی با بناهای پر ارزش به جا مانده از زمان های بسیار قدیم می باشد، نگهداری و حفظ این بنا ها مستلزم تقویت، ترمیم و بهسازی است.
روشهای مرسوم مرمت و ترمیم سازه های بتنی:
روش های متعددی جهت مرمت و ترمیم سازه های بتنی وجود دارد که از آنها می توان به چند مورد معمول به اختصار اشاره نمود:
– دور پیچ کردن با فولاد
– افزایش سطح مقطع با بتن ریزی و اضافه کردن آرماتور
– تقویت با فولاد
– تزریق اپوکسی
– بخیه زدن
– پیش تنیدگی خارجی
– استفاده از FRP ها.
دورپیچ کردن با فولاد (زره پوش فولادی):
در این روش از ورق فولادی نازک جهت پوشش ستون ها استفاده می شود. پوشش ستون ها به صورت کامل بوده و دور تا دور ستون توسط ورق های فولادی که ضخامتی بین 4 تا 8 میلیمتر دارند پوشیده می شود. این ورق ها بطور پیوسته به یکدیگر جوش داده می شوند. پوشش استوانه ای شکل حاصل بر روی بتن در مهار تنش های محیطی ستون عملکرد مناسبی از خود نشان داده است. در صورت مستطیل بودن ستون می توان دو ورق L شکل و یا چهار تسمه فولادی قائم را به یکدیگر (توسط چهار نبشی) جوش داد. در این روش شکل پذیری و مقاومت محوری ستون به طور موضعی افزایش می یابد. فضای خالی بین بتن و پوشش فولادی توسط پر کننده هایی نظیر دوغاب سیمان منبسط شونده و یا بتن اشغال می گردد. این روش ابعاد سازه را تغییر نمی دهد ولی وزن سازه با استفاده از ورق های فولادی افزایش قابل ملاحظه ای می یابد.
افزایش سطح مقطع با بتن ریزی و اضافه کردن آرماتور:
از این روش نیز برای ستون هایی که دچار آسیب دیدگی شده باشند استفاده می شود. این روش ظرفیت باربری ستون را افزایش داده و در عین حال می تواند مرمت عضو را نیز شامل گردد. استفاده از این روش بر حسب موقعیت ستون و فضاهای قابل دسترسی اطراف ستون می تواند در یک، دو، سه و یا هر چهار طرف ستون انجام گیرد. مسلح کننده بتن در این روش میتواند پروفیل، ورق فولادی و یا آرماتور باشد. با این روش مقاومت محوری و برشی ستون افزایش می یابد ولی مقاومت خمشی ستون به علت عدم عبور مسلح کننده ها از سقف افزایش نمی یابد. در صورت تقویت نمودن ستون بین طبقات ممکن است کل سازه رفتار نامناسبی از خود نشان دهد و کمکی در برابر زلزله ننماید. از این رو توصیه می شود دیوار برشی هم در این گونه مواقع به سیستم اضافه شود و یا آرماتور های طولی تقویتی از میان سوراخ های ایجاد شده در دال سقف عبور نموده و در محل اتصال تیر به ستون بتن ریزی گردد.
تزریق اپوکسی:
عمل تزریق جهت مرمت تیرهای با ترک جزئی به کار میرود. در صورت تمیز بودن سطوح تماس بتن می توان با تزریق رزین های اپوکسی با روانی بالا مقاومت برشی -کششی سازه را بهبود بخشید. چون ترک در اثر تنش های کششی پدید می آید چنانچه این تنش ها پس از تعمیر ترک باز هم بوجود آیند ترک مجددا ایجاد خواهد شد. چنانچه برطرف کردن این تنش ها غیر ممکن باشد توصیه می شود که در طول سطح ترک یک برش به عنوان درز انقباض یا جابجایی استفاده شود.
بخیه زدن:
در آماده سازی بتن برای بخیه زدن اولین گام بر طرف نمودن بتن فاسد و پوسیده است. از سیمان پرتلند یا رزین های معمولی می توان برای عمل بخیه زدن استفاده کرد.
پیش تنیدگی خارجی:
این تکنیک، روشی برای تقویت برشی تیرها است. در این روش سیم های پیش تنیدگی در خارج عضو قرار می گیرند. استفاده از پیش تنیدگی خارجی در تیر منجر به سیستم سازه ای جدیدی می شود که رفتار آن با تیر اولیه متفاوت می باشد. گسیختگی پس از این نوع تقویت معمولا از نوع برشی است و به علت ناگهانی بودن آن نامطلوب می باشد.
استفاده از الیاف FRP:
الیاف FRP را می توان برای ترمیم یا تقویت و بهسازی انواع سازه های بتنی با نصب بر روی سطح(دال ها و تیرها، ستون ها، دیوارهای حمال، شناژها و فونداسیون) و در ساختمان های مسکونی، اداری و تجاری، ساختمان های صنعتی، تکیه گاه های ماشین آلات و تاسیسات سنگین، سازه های آبی از قبیل سد، کانال، کانال عبور آب و غیره، پل های جاده ای و ریلی، مخازن و منابع آب و مایعات، سیلوها و برج های خنک کننده به کار برد. با پیشرفت علم و فن آوری، امروزه متخصصین امر ساخت و ساز سعی می کنند به تکنولوژی ساخت مواد جدیدی دست یابند که علاوه بر انجام وظیفه های در نظر گرفته شده از جنبه های دیگر مانند وزن، مقاومت، راحتی کاربرد و طول عمر نیز برتری هایی داشته باشند. یکی از این مواد که دارای مزیت های شمرده شده می باشد، کامپوزیتهای پلیمری(FRP) می باشند. این مواد قابلیت استفاده به صورت های مختلف و در قسمت های مختلف سازه را دارند. همانگونه که از اسم کامپوزیت ها مشخص است، کامپوزیت ها موادی هستند که از چندین ماده در کنار یکدیگر تشکیل می شوند. این مواد هر یک وظیفه جداگانه ای را ایفا می کنند.
معرفی نرم افزار ABAQUS:
نرم افزار آباکوس( ABAQUS) از جمله نرم افزاری های قدرتمند مهندسی به کمک رایانه در زمینه تحلیل به روش اجزاء محدود در بازار است. نرم افزار ABAQUS قابلیت حل مسائل از یک تحلیل خطی ساده تا پیچیده ترین مدل سازی غیرخطی را دارا می باشد. این نرم افزار دارای مجموعه المان های بسیار گسترده ای می باشد که هر نوع هندسه ای را می توان توسط این المان ها مدل کرد. همچنین دارای مدل های رفتاری بسیار زیادی است که در مدل سازی انواع مواد با خواص و رفتار گوناگون نظیر فلزات، لاستیک ها، پلیمرها، کامپوزیت ها، بتن مسلح، فوم های فنری و نیز شکننده و همچنین مصالحی ژئوتکنیکی نظیر خاک و سنگ، قابلیت بالایی را ممکن می سازد. نظر به اینکه نرم افزار ABAQUS یک ابزار مدل سازی عمومی و گسترده می باشد، استفاده از آن تنها محدود به تحلیل مسائل مکانیک جامدات یعنی مسئله تنش-کرنش نمی شود. با استفاده از این نرم افزار می توان مسائل مختلفی نظیر انتقال حرارت، انتقال جرم، تحلیل حرارتی اجزاء الکتریکی، اکوستیک، تراوش و پیزو الکتریک را مورد مطالعه قرار داد.
نرم افزار ABAQUS باوجود اینکه مجموعه قابلیت های بسیار گسترده ای را در استفاده از نرم افزار در اختیار کاربر قرار می دهد، کار نسبتاً ساده ای می باشد. پیچیده ترین مسائل را می توان به آسانی مدل کرد. به عنوان مثال مسائل شامل بیش از یک جزء را می توان با ایجاد مدل هندسی هر جزء و سپس نسبت داده رفتار ماده مربوطه به هر جزء و سپس مونتاژ اجزاء مختلف مدل کرد. در اغلب مدل سازی ها، حتی مدل های با درجه غیرخطی بالا، کاربر می بایست تنها داده های مهندسی نظیر هندسه مسئله رفتار ماده مربوط به آن، شرایط مرزی و بارگذاری آن مسئله را تعیین کند. نرم افزار ABAQUS در یک تحلیل غیرخطی، به طور اتوماتیک میزان نمو بار و رواداری های همگرایی را انتخاب و همچنین در طول تحلیل مقادیر آنها را جهت دستیابی به یک جواب صحیح تعدیل می کند. در نتیجه کاربر به ندرت می بایست مقادیر پارامترهای کنترلی حل عددی مسئله را تعیین کند.
روش اجزا محدود یک روش عددی پذیرفته شده برای حل معادلات دیفرانسیل حاکم بر مسائل فیزیکی و مهندسی و پایه محاسبات بسیاری از سیستم های CAD است. در گذشته روش های عددی بیشتر جنبه نظری داشته و در موارد محدود مورد استفاده قرار می گرفتند، ولی امروزه با رشد سریع علوم مربوط به کامپیوتر و به وجود آمدن ابر پرازنده ها، روش های عددی مانند روش اجزا محدود، موجبات تحولی عظیم در عرصه های مختلف علوم مهندسی را فراهم آورده اند، به گونه ای که امروزه کدهای تجاری اجزا محدود به صورت گسترده در پروسه های تحلیل و طراحی به کار می روند. در روش اجزا محدود مدل مورد بررسی به المان های ریز تقسیم شده و معادلات برای این المان ها بر اساس توابع شکلی که برای آنها تعریف می شود، حل می شوند. روش اجزا محدود به دو زیر مجموعه تقسیم می شود، در روش اول مدل به المان های گسسته، برای تعیین جابه جایی ها و نیروهای اعضا در یک آنالیز سازهای تقسیم می شود. فرمول بندی روش اول بر پایه آنالیز ماتریسی است، اما روش دوم که یک روش اجزا محدود واقعی است بر پایه تقریب پارامترهای مطلوب در نقاط خاصی به نام گره استوار است. روش اجزا محدود در حل مسایل خطی و غیرخطی سازه های دو یا سه بعدی کاربرد گسترده ای دارد.
تحلیل غیرخطی نیز که یکی از شاخه های این روش می باشد، به دلیل وجود مشخصه های رفتار غیرخطی در تیرهای بتن مسلح، راه حل مناسبی جهت تحلیل رفتار این قبیل سازه ها است. زیرا عموما در اعضای بتن مسلح بروز ترک های کششی، وجود تنش های چند محوره فشاری در بتن و تسلیم آرماتورهای برشی یا تسلیم آرماتورهای کششی اصلی موجب رفتار غیر خطی می گردد. توسعه روزافزون صنعت و هزینه های قابل توجه طراحی و تست قطعات و مجموعه های طراحان را بر آن داشته تا هزینه های جاری را کاهش دهند و طراحی های با قابلیت اطمینان بالاتر ارائه نمایند. از این رو گرایش مهندسین به نرم افزارهای شبیه ساز افزایش یافته است. از مزایای این نرم افزارها کاهش زمان طراحی و ساخت به همراه ارائه دیدگاه شبه تجربی است. مجموعه ای از برنامه های شبیه ساز قدرتمند مهندسی است که بر پایه روش اجزا محدود بناABAQUS نهاده شده است و می تواند مسایلی با طیف گسترده، از یک تحلیل خطی نسبتا ساده تا تحلیل های غیرخطی بسیار پیچیده را حل کند.
این نرم افزار شامل کتابخانه گسترده ای از المان ها است که می تواند هر نوع هندسه ای را به صورت مجازی مدل سازی کند. در این برنامه لیست گسترده ای از مدل های رفتار ماده وجود دارد که می تواند رفتار اغلب مصالح مهندسی مانند فلزات، لاستیک، پلیمرها، کامپوزیت ها، بتن مسلح، فوم های شکننده و حتی مصالح ژئوتکنیکی مثل خاک و سنگ را شبیه سازی نماید. ABAQUS شامل قسمت هایی است که در هر کدام، بخشی از اطلاعات مربوط به مدل سازی وارد می گردد که از جمله آنها می توان به بخش تعریف هندسه، تعریف خصوصیات ماده و مش بندی اشاره نمود.
المان های سه بعدی در نرم افزار ABAQUS:
کتابخانه المان های سه بعدی ABAQUS استادارد شامل المان هایی با درونیابی مرتبه اول (خطی) و المانهایی با درونیابی مرتبه دوم در دو یا سه بعد با استفاده از انتگرال گیری کامل یا کاهش یافته است. مثلث و چهار ضلعی در دو بعد در دسترس هستند: چهار وجهی، گوه های مثلثی و شش وجی ها (بلوک) در سه بعدی در دسترس هستند. همچنین امکان استفاده از المان های مثلثی و چهار وجهی اصلاح شده مرتبه دوم نیز وجود دارد. به علاوه المان هایی با مود ترکیبی در ABAQUS قابل استفاده است. با انتخاب نوع المان مثلاً در مدلسازی های سه بعدی بیش از بیست انتخاب برای المان وجود دارد. با در نظر گرفتن تعداد المانهای قابل استفاده، واضح است که دقت مدل سازی به شدت به نوع المانی که استفاده کرده ایم وابسته است.
المان توپر(Solid):
این المان یکی از مهم ترین المان های قابل استفاده در نرم افزار ABAQUS می باشد. المان های سالید(solid) در ABAQUS می توانند برای تحلیل های خطی یا غیرخطی پیچیده با وجود تماس، پلاستیسیته و یا تغییر شکل های بزرگ در مسائل از جمله تحلیل های تنش، انتقال حرارت، آکوستیک، ترمودینامیکی، نفوذپذیری جریان سیال در یک محیط، پیزوالکتریک، الکترومغناطیس و ترموالکتریکی بکارگرفته شود. برای مشاهده یک تنش سه بعدی از المان های Solid در ABAQUS استفاده می شود. این المان ها در فضای سه بعدی و دو بعدی موجود هستند. در فضای سه بعدی مسئله تحلیل تنش به صورت کامل بوده و شکل المان ها می تواند چهار، پنج و یا شش وجهی باشد. در فضای دوبعدی مسئله به صورت تنش صفحه ای یا کرنش صفحه ای می باشد و شکل المان ها می تواند به صورت سه یا چهار ضلعی باشد. نکته قابل ذکر این است که درجات آزادی گره های المان های Solid فقط از نوع درجه آزادی انتقالی می باشند. اگر تابع شکل از درجه یک انتخاب شود تنش در کل المان یکنواخت به دست می آید و چنانچه تابع شکل از درجه دو انتخاب شود، تنش به صورت خطی در المان تغییر خواهد نمود.
المان های خرپایی(Truss):
با توجه به زمان زیاد تحلیل مدل های سه بعدی، مدلهای دو بعدی می تواند در کاربری مناسب خودش بسیار دقیق و مقرون به صرفه باشد. به عنوان مثال، تیری با مقطع قوطی را در نظر بگیرید که برای مدل سازی این تیر نیازمند به استفاده از هزاران المان Solid هستیم. المان های Truss (Bar) یا المانهای Bram (Frame) می توانند برای هندسه مذکور دقیقا نتایج تنش و تغییرمکان را با تعداد کمتری از معادلات حل نمایند. این روش علاوه بر کاهش تعداد المان ها و زمان تحلیل جوابی مناسب و دقیق به دست می دهد.
المان های خرپایی یکی از المان های سازهای معمول قابل استفاده در نرم افزار ABAQUS می باشد. المان خرپایی عضوی است دو نیرویی که نیروها فقط در گره های آن اعمال می شود و این گرهها تنها دارای درجه آزادی انتقالی هستند. این المان ها فقط دارای مقاومت محوری می باشند. در این المان ها فقط گره ها نیرو را انتقال می دهند و لذا المان های خرپایی مقاومت برشی و خمشی از خود نشان نمی دهند. در واقع المانهای خرپایی اعضای سازه ای هستند که فقط نیروی محوری را انتقال داده و ممان و برش را انتقال نمی دهند. این المان ها در حالت دو بعدی و سه بعدی قابل استفاده هستند. المان های خرپایی در حالت دو بعدی در مدل های متقارن محوری به منظور نمایش پیچ ها و اتصالات و نیز در مدل سازی خرپاها در صفحه استفاده می شوند. از المان های خرپایی سه بعدی برای مدل سازی خرپاهای فضایی و یا کابل های پیش تنیده در بتن مسلح یا لوله های انتقال نفت و گاز که بحث اندر کنش سیال و سازه در آنها مطرح نیست می توان استفاده کرد. برای لوله هایی که در خشکی استفاده می شود استفاده از این المان ها توصیه می شود. در حالت دو بعدی دو درجه آزادی انتقالی برای این المان ها در نظر گرفته می شود و در حالت سه بعدی سه درجه آزادی انتقالی برای این المان ها در نظر گرفته می شود.
در این المان ها محدودیتی در طول المان وجود ندارد. با توجه به توضیحات بالا از این المانها برای مدلسازی اعضا سازهای که تحت نیروهای محوری کششی یا فشاری هستند استفاده میشود. به عنوان مثال خرپاهایی که در ساختمان ها با سازه های صنعتی استفاده می شود از این قبیل اعضا هستند. در این المان ها تنش در طول عضو متغیر است اما در سطح مقطع عضو تنش ثابت فرض می شود. پس برای تعریف المان های خرپایی علاوه بر تعریف مورداستفاده باید سطح مقطع را نیز به عضو مورد نظر خرپایی اختصاص دهیم.
المان های پوسته ای(shell):
در حالتیکه یکی از ابعاد مدل (ضخامت آن) در برابر دو بعد دیگر بسیار کوچکتر باشد و تنش ها در جهت ضخامت مدل قابل صرف نظر باشد، از المان پوسته ای برای مدلسازی استفاده می شود. سازه ای مانند یک مخزن فشار که ضخامت آن کمتر از یک دهم ابعاد دیگر است را می توان با استفاده از المان های پوسته ای مدلسازی کرد. یک المان غشاء پوسته ای که تنها تحت بارها و تغییر مکان های درون صفحه ای قرار می گیرد، با یک المان پوسته ای صفحه ای تخت تحت بارهای انتقالی و ممان های درون صفحه ای قرار می گیرد از آن جهت متفاوت است که، یک Shell تحت هرکدام از بارهای درون صفحه، بارهای انتقالی حاصل از نیروهای درون صفحه، ممان و نیروهای برشی انتقالی قرار می گیرد. سطح یک Shell می تواند به صورت منحنی مانند کروی یا مخروطی هیپربولیک باشد، همچنین به صورت یک مخروط یا استوانه یا تخت باشد.
بخش های Abaqus:
نرم افزار ABAQUS/CAE به محیط های ده گانه ای تقسیم شده است. این محیط ها عبارتند از :
محیط Part: در این محیط کار مدلسازی هندسی قطعات انجام می گیرد.
محیط Property: در این محیط کار تعریف خصوصیات مواد مورد تحلیل، تعریف پروفیل سطح مقطع، نسبت دادن خواص تعریف شده به قطعات و … انجام می گیرد.
محیط Assembly: در این محیط کار مونتاژ قطعات مختلف در صورت وجود در یک تحلیل انجام می گیرد. درواقع موقعیت هندسی قطعات را کاربر تعیین می کند.
محیط Step: در این محیط گام های حل مساله انتخاب می شوند. در اینجا است که کاربر نوع حلگر را نیز مشخص می کند.
محیط Interaction: در این محیط خاصیت فیزیکی تماس بین سطوح تعیین می شود.
محیط Load: در این محیط بارگذاری و شرایط مرزی تعیین می گردد.
محیط Mesh: در این محیط کار آلمان بندی مدل انجام می شود.
محیط Job: در این محیط با تعریف یک job کاربر شروع حل مسئله را به پردازشگر اعلام می کند.
محیط Visualization: در این محیط کاربر نتایج حل را مشاهده می کند.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی ستون بتنی استوانه ای تحت اثر بارگذاری محوری و مقاوم سازی آن با آرماتورهای فولادی در نرم افزار آباکوس انجام شده است.
مدل سازی:
مش بندی:
نمونه نتایج شبیه سازی:
