توضیحات
پروژه شبیه سازی و آنالیز مودال قاب بتنی مسلح چندطبقه تحت زلزله در نرم افزار آباکوس(ABAQUS)
اتصالات تیر-ستون:
مدتی است که اهمیت اتصال تیر به ستون برای طراحان روشن تر شده و محققین بسیاری تحقیقات خود را در این زمینه آغاز کرده اند. اهمیت اتصال تیر به ستون از آن جهت است که اتصال نقطه ای است که دارای تمرکز نیرو و همچنین سختی زیادی می باشد و به همین دلیل در هنگام زلزله تحت نیروهای بزرگی قرار می گیرد و در نهایت خرابی در اتصال منجر به خرابی کل سازه می گردد. یک سازه از قسمت های مختلفی تشکیل شده است که عدم توجه کافی در طراحی و اجرای صحیح هر قسمت، مشکلات زیادی را در پی خواهد داشت. اتصال تیر به ستون به عنوان نقطه ای که دارای تمرکز نیرو و همچنین سختی زیادی می باشد. از مهم ترین بخش های سازه محسوب می شود که بایستی با دید بازتر و عمیقتری موردتوجه قرارگیرد چرا که به دلایل ذکر شده، در هنگام زلزله تحت نیروهای بزرگی قرار می گیرد و درنهایت خرابی در اتصال منجر به خرابی کل سازه می گردد. اهمیت اتصالات هنگام وقوع زلزله، روشنتر شده و نقش آنها در عملکرد صحیح سازه پررنگ تر می شود. از عوامل اصلی تخریب اتصالات بتنی می توان به کمبود آرماتورهای برشی با طول مهاری میلگردهای تیر و همچنین کم بودن وصله در آرماتورهای طولی ستون و همچنین نقض قانون تیر ضعیف و ستون قوی اشاره کرد.با اجرای میلگردهای عرضی به مقدار کافی و مناسب در هسته اتصال علاوه بر مشکلات اجرایی آن ها، به دلیل تراکم زیاد آرماتور در این ناحیه کوچک، بتن ریزی با مشکل مواجه می شود.
اتصالات تیر به ستون در سازه ها به سه نوع اتصالات مفصلی، نیمه صلب (نیمه گیردار) و صلب تقسیم می شوند. اتصال صلب، اتصالی است که درجه گیرداری آن بیش از ۹۰ درصد می باشد. اتصال مفصلی، اتصالی است که درجه گیرداری آن کمتر از ۲۰ درصد باشد و اتصال نیمه صلب، اتصالی است که درجة گیرداری آن بین ۲۰ تا ۹۰ درصد باشد. درجه گیرداری اتصال بنا به تعریف، نسبت لنگر انتقال یافته توسط اتصال به لنگر حالت گیرداری کامل می باشد. اتصالات نیمه صلب تیر به ستون از آن دسته اتصالاتی می باشند که تحت تأثیر بارهای وارده در آنها مقداری دوران انتهایی رخ داده و درنتیجه لنگر انتهایی کوچک تر از لنگر انتهایی در حالت صلب به دست می آید. چنین رفتاری باعث ایجاد توازن بین لنگر منفی و مثبت دهانه شده و درنتیجه طرح از نظر اقتصادی بهبود می یابد. آزمایش ها نشان داده است که با انتخاب صحیح اتصالات نیمه صلب می توان در اکثر موارد در حدود 7.6% وزن قاب ساختمانی را کاهش داد.
اتصالات در سازه های قاب فولادی و بتن آرمه :
در ساختمان های با قاب خمشی، اتصال صلب تیر به ستون عامل اصلی باربری جانبی سازه می باشد. اتصالات یکی از نواحی بسیار حساس در کلیه قاب های سازه ای اعم از فولادی و بتنی می باشند. اتصال تحت تأثیر نیروهای بزرگ در طول زمین لرزه ها قرار می گیرد و عملکرد آن اثر بسیار مهمی بر روی پاسخ سازه دارد. فرض صلب بودن ناحیه اتصال ماهیت نیروهای برشی بزرگ در ناحیه اتصال را نادیده می گیرد. اتصال تیر به ستون یک ناحیه بحرانی و حساس در یک قاب خمشی بتنی می باشد. شکست برشی که شکستی از نوع ترد می باشد، تحت هیچ شرایطی قابل پذیرش نمی باشد. به واسطه کاربرد بالای قاب های بتن آرمه با سیستم باربر جانبی خمشی بواسطه مزایایی چون اقتصادی بودن قالب بندی، زمان اجرای کوتاه تر و قابلیت اجرای عناصر مورد نظر مهندس معمار در قاب، این سیستم سازه ای را به عنوان یکی از پرکاربردترین سیستم های باربر جانبی تبدیل نموده است. قاب های خمشی اعم از فولادی و بتنی در مقایسه با قاب های فولادی دارای مهاربند و قاب های بتنی دارای دیوار برشی، دارای ضعف در برابر کنترل تغییرمکان جانبی سازه هستند. با توجه به ماهیت قاب های خمشی، در ناحیه اتصال مقادیر بالای نیرو با یکدیگر تلاقی می کنند و این نیروها که به صورت نیروهای افقی و قائم ناشی از بارگذاری های عادی و فوق العاده (همانند زلزله) هستند، می بایست به صورت لنگر خمشی و نیروی برشی از طریق هسته اتصال منتقل گردند. خسارات وارده به این نوع قاب ها اغلب در ناحیه اتصال تیر به ستون رخ می دهد. آئین نامه های طراحی ساختمان در گذشته توجه محدودی به اتصال تیر به ستون داشته اند و در نتیجه مهندسین کمتر به جزئیات این ناحیه توجه می کردند و تنها خود را ملزم به رعایت تأمین طول مهاری کششی برای میلگردهای منفی تیر می دانستند. همچنین جزئیات سخت در آرماتوربندی ناحیه اتصال و اجرای ضعیف آن منجر به نامناسبی رفتار این جزء سازه ای شده است. در مقاوم سازی ساختمان با سیستم های باربر جانبی به صورت قاب خمشی، اتصالات و اجزای آن باید به گونه ای مقاوم سازی شوند که پس از مقاوم سازی دارای سختی، مقاومت و هندسه متناسبی باشند و با عملکرد ارتجاعی اجزای خود، شرایط لازم برای رفتار غیر ارتجاعی سایر اعضا را فراهم و پیوستگی مسیر انتقال بار را نیز تأمین نمایند به گونه ای که ناحیه شکل پذیر(مفصل پلاستیک) در دو سر تیر و خارج از محدوده اتصال تیر به ستون واقع شود. به جرأت می توان ادعا نمود که بدترین آسیب اتصالات بتنی در اثر کمبود میلگردهای طولی می باشد. تقویت و ترمیم اتصالات بتنی عملیات پیچیده ای می باشد که به روش های مختلفی صورت می پذیرد. از این میان می توان به روش هایی مانند افزایش سطح مقطع اتصال با بتن ریزی مجدد، محصور کردن ناحیه اتصال با ورق های فولادی و غیره نام برد.
سازه های قاب بندی شده:
اکثر ساختمان های متداول دارای اسکلت قاب بندی شده می باشند. سازه های قاب بندی شده ترکیبی از تیرها و ستون ها می باشند که با استفاده از اتصالات صلب و یا ساده به یکدیگر متصل شده اند. سازه های قاب بندی شده ممکن است به صورت ساختمان های چند طبقه و یا ساختمان های صنعتی باشند. به طورکلی ساختمان های قاب بندی شده از ترکیب دو سری قاب صفحه ای عمود بر هم به وجود آمده و تشکیل قاب فضایی را می دهند. لیکن عملکرد قاب های موجود در هر امتداد، تاثیری بر عملکرد قاب های امتداد دیگر ندارد. بنابراین تحلیل قاب های هر امتداد به صورت مستقل و به صورت صفحه ای انجام می شود. قاب های ساختمانی باید قادر به تحمل نیروهای قائم و جانبی باشند. برای تحمل بارهای جانبی از اتصالات صلب و یا از سیستم مهاربندی استفاده می شود. پل ها نیز از انواع سازه های قاب بندی شده هستند.
رفتار بتن:
بتن از ترکیب سنگدانه ها و مواد چسباننده تشکیل شده است. رفتار این ماده در کشش و فشار متفاوت است. در شکل زیر رفتار بتن در کشش و فشار به صورت شماتیک نشان داده شده است. بتن در فشار در ابتدا دارای رفتار خطی است و سپس وارد ناحیه غیرخطی می شود. در ناحیه خطی پس از باربرداری تغییرشکل دائمی در مصالح باقی نمی ماند ولی در ناحیه غیرخطی پس از باربرداری مقداری تغییرشکل دائمی در بتن وجود خواهد داشت. گسیختگی کششی بتن در تنشی در حدود ۷ تا ۱۵ درصد مقاومت فشاری بتن رخ می دهد. این گسیختگی با سرعت زیادی انجام می گیرد و دستگاه های موجود قادر به ترسیم نرم شدگی پس از ترک خوردگی نیستند.
مدل های بتن در نرم افزار آباکوس(ABAQUS):
در کتابخانه مصالح از پیش تعریف شده نرم افزار آباکوس( ABAQUS) سه نوع مدل رفتاری مختلف برای بتن ارائه شده است که در زیر به صورت خلاصه به معرفی هر سه نوع مدل رفتاری ارائه شده می پردازیم:
مدل رفتاری بتن ترک دار(Concrete smeared cracking) در ABAQUS/Standard و ABAQUS/CAE برای محل هایی که بتن اساساً تحت بارگذاری یک طرفه است و رفتار آن به صورت ترک کششی و خردشدگی فشاری است، به کار می رود. کرنش پلاستیک در فشار توسط سطح تسلیم فشاری کنترل می شود. فرض می شود که ترک خوردگی مهمترین جنبه رفتاری بتن است و ترک خوردگی و رفتار ناهمسانگرد(Anisotropic) پس از ترک خوردگی بر مدلسازی حاکم می باشد.
- مدل رفتاری ترک خوردگی ترد بتن در ABAQUS/Explicit و ABAQUS/CAE برای بتنی که ترک کششی حاکم بر مدل است و گسیختگی فشاری اهمیت چندانی ندارد، مورد استفاده قرار میگیرد. مدل ناهمسانگردی ناشی از ایجاد ترک خوردگی را درنظر می گیرد. رفتار مدل در فشار الاستیک فرض می شود. یک معیار ساده گسیختگی ترد در این مدل اجازه حذف المان ها را از شبکه می دهد.
- مدل رفتاری بتن آسیب دیده خمیری(Concrete damaged plasticity) که در تمام محصولات ABAQUS برای محل هایی که بتن تحت بارگذاری های متنوع مانند بار گذاری رفت و برگشتی قرار دارد، مورد استفاده قرار می گیرد. مبنای این مدل رفتاری فرض ضریب خسارت همسانگرد می باشد.
رفتار فولاد نرمه:
فولادهای مورد استفاده در کارهای ساختمانی عمدتاً از نوع فولاد نرمه بوده و دارای رفتاری شکل پذیر هستند. فولاد نرمه برخلاف بتن که رفتاری متفاوت در کشش و فشار از خود نشان می دهد، دارای رفتاری تقریباً مشابه در کشش و فشار می باشد. رفتار تک محوره آن توسط آزمایش کشش تعیین می شود. در نمودار تنش-کرنش فولادهای نرمه معمولا یک پله تسلیم مشاهده می شود که بعد از آن فولاد دچار سخت شدگی کرنشی شده و به مقاومت نهایی خود می رسد. در آخر نیز بعد از نرم شدگی، گسیختگی در نمونه رخ می دهد.
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.
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 و آنالیز مودال قاب بتنی مسلح چندطبقه تحت زلزله در نرم افزار آباکوس(ABAQUS)در نرم افزار آباکوس(ABAQUS) انجام شده است.
مدل سازی قاب بتنی:
المان بندی:
نمونه نتایج شبیه سازی:
