توضیحات
پروژه شبیه سازی تیر بتنی مسلح با میلگرد و خاموت تحت بار ضربه ای در نرم افزار آباکوس(ABAQUS)
بارگذاری دینامیکی، بررسی و ارزیابی اثر انواع مختلف بارهای دینامیکی بر سازه یکی از مهم ترین مولفه ها در تحلیل و طراحی سازه ها در زمان حاضر به شمار می رود. بارهای ضربه ای در انواع مختلف مانند نفوذ گلوله، ترکش و بمب ها، تصادف، برخورد اتومبیل و ضربات ناشی از رها شدن وزنه سنگین در ساختمان های صنعتی و … مورد بررسی قرار می گیرد. باتوجه به جایگاه ویژه سازه های بتن مسلح در صنعت ساختمان بررسی و ارزیابی عملکرد این سیستم ساختمانی مورد توجه است.
بتن با قابلیت جذب انرژی و چقرمگی بیشتر دارای کاربردهای فراوانی می باشد. از آن جمله می توان به مقابله با بارهای دینامیکی و ضربه ای، کاربرد در سازه های محافظ خاص، سازه های مقاوم در برابر زلزله، بهسازی سازه های بتن آرمه و سازه های تحت اثر بارهای ناگهانی اشاره نمود.
بتن(concrete):
بتن پرمصرف ترین مصالح ساختمانی است. کاربرد فراگیر بتن مرهون مزایایی همچون مقاومت فشاری قابل قبول، در دسترس بودن و ارزانی مصالح آن، سهولت شکل دادن به آن برای ساخت اجزای مختلف سازه، مقاومت خوب در برابر آتش سوزی و رطوبت، و عمر بهر ه دهی طولانی می باشد. در مقابل، نقاط ضعفی را نیز می توان برای بتن برشمرد که از جمله آنها، مقاومت کششی پایین، نسبت مقاومت به ازای وزن واحد پایین تر بتن در مقایسه با فولاد، و تغییرات حجمی وابسته به زمان می باشند.
مواد تشکیل دهنده بتن:
بتن اساساً از یک ماده چسباننده و سنگدانه ها و آب تشکیل می شود. در بتن سنگدانه ها نقش پرکننده داشته و مخلوط سیمان و آب بصورت خمیر سیمان به عنوان چسباننده عمل می نماید. آب در بتن دو نقش مهم را بر عهده دارد. یکی ترکیب شیمیایی با سیمان و انجام هیدراسیون سیمان و دیگری تأمین کارایی بتن. آبی که در ساخت بتن مصرف می شود، باید تمیز و عاری از مواد آلی، قلیایی، اسیدی و چربی باشد. به طور کلی آب قابل شرب (به شرطی که دارای مقدار زیادی سولفات نباشد) برای ساختن بتن مناسب است.
سنگدانه ها مواد دانه ای نظیر ماسه، شن، سنگ شکسته یا سرباره های کوره های آهنگدازی هستند که ۶۰ تا ۸۰ درصد حجم بتن را اشغال می کنند. مرز بین شن (درشت دانه ها) و ماسه(ریزدانه ها) الک نمره ۴ (4.75) است. مصالح دانه ای باید تمیز و عاری از مواد شیمیایی بوده و سطح دانه ها از رس یا مواد دیگری که در چسبندگی دانه ها با خمیر سیمان تأثیر دارد، پوشیده نشده باشد. دانه ها باید در مقابل سایش، اعمال تنش، یخبندان و هوازدگی مقاوم باشند. سنگدانه ها باید دارای دانه بندی پیوسته باشند تا فضای خالی بین مصالح به حداقل برسد و بتن حاصله توپر تر و متراکم تر باشد که هم مصرف سیمانش کمتر شده و هم مقاومت مطلوب تری داشته باشد.
سیمان، ماده ریز و پودر شده ای است که به تنهایی خاصیت چسبانندگی ندارد ولی در اثر عمل هیدراسیون (واکنش شیمیایی بین سیمان و آب)، خاصیت چسبانندگی پیدا می کند. سیمان هیدرولیکی به سیمانی گفته می شود که در آن، محصولات حاصل از واکنش ها، در یک محیط آبی پایدار هستند. از متداول ترین سیمان های هیدرولیکی برای ساخت بتن، سیمان پرتلند است که ماده اصلی تشکیل دهنده آن سیلیکات های کلسیم هستند. سیلیکات کلسیم هیدراته شده که بر اثر هیدراسیون سیمان تولید می شود نقش اصلی چسبندگی را داشته و در محیط های آبی پایدار می باشد.
مواد افزودنی موادی هستند که علاوه بر سنگدانه، سیمان و آب، قبل یا حین ساختن بتن به آن افزوده میشوند. کاربرد مواد افزودنی در اغلب بتن های نوین، بدلیل خواصی که می توانند به بتن بدهند، بسیار وسیع گشته است. به عنوان مثال می توان به مواد افزودنی شیمیایی که زمان گیرش خمیر سیمان را اصلاح می کنند(زودگیرکننده ها و کندگیرکننده ها)، مواد مضاف کاهش دهنده آب که با کم کردن کشش سطحی آب موجود در بتن، حالت خمیری مناسب تری در بتن تازه ایجاد می کنند روان کننده ها و فوق روان کننده ها)، مواد حباب هوازا که دوام بتن را در برابر یخ زدن و آب شدن افزایش می دهند، و مواد معدنی نظیر پوزولان ها (مواد شامل سیلیس واکنش پذیر) که به شکل ذرات بسیار ریز در مجاورت رطوبت طی واکنش شیمیایی با هیدروکسید کلسیم در درجات حرارت معمولی ترکیب هایی با خاصیت سیمانی بوجود می آورند، اشاره کرد.
سیمان:
مواد اولیه سیمان از آهک(CaO) و خاک رس تشکیل می شود. سیلیس (SiO2)، آلومین(Al2O3)، اکسید آهن (Fe2O3) و اکسید منیزیم(MgO) در خاک رس وجود دارد. ترکیبات اصلی کلینکر سیمان عبارتند از: تری کلسیم سیلیکات(C3s) که سریع وارد واکنش های شیمیایی شده و بتن را سفت می کند، و در هنگام ترکیب با آب گرمای زیادی ایجاد می کند؛ دی کلسیم سیلیکات(C2S) که دیرگیر است و در هنگام گرفتن، گرمای کمی تولید می کند؛ تری کلسیم آلومینات(C3A) که مانند که در گیرش اولیه سیمان دخالت می کند و از مقاومت بتن در مقابل حمله سولفات ها می کاهد و گرمای بیشتر از سایر اجزای سیمان در هنگام گیرش تولید می کند؛ و تتراکلسیم آلومینوفریت( C4AF) که از نظر گیرش حد پایین را دارد.
هنگامی که پودر سیمان در آب ریخته می شود، ترکیبات کلسیم شروع به حل شدن کرده و محلول به سرعت از ذرات یونی مختلف اشباع می شود. درنتیجه اثر متقابل کلسیم، سولفات آلومینات و یون های هیدروکسیل، چند دقیقه پس از شروع هیدراسیون سیمان، ابتدا بلورهای سوزنی شکل تریسولفوآلومینات کلسیم هیدراته شده موسوم به اترینگایت ظاهر می گردند، پس از چند ساعت بلورهای بزرگ منشوری شکل هیدروکسید کلسیم و بلورهای کوچک الیافی شکل سیلیکات کلسیم هیدراته شده (C-S-H) فضاهای خالی خمیر را که قبلا توسط آب اشغال شده بود پر می کنند. بعد از چند روز، بسته به نسبت آلومینا به سولفات در سیمان پرتلند، اترینگایت ناپایدار شده و به مونوسولفات هیدراته شده به شکل صفحات شش وجهی در می آید. صفحات شش وجهی شکل همچنین متعلق به آلومینات کلسیم هیدراته شده می باشد که در خمیر هیدراته شده کم سولفات یا در سیمان های با C3A زیاد تشکیل می شود. از حجم مواد جامد خمیر سیمان هیدراته شده، حدود ۵۰ تا ۶۰ درصد مربوط به C-S-H و حدود ۲۰ تا ۲۵ درصد مربوط به 2( Ca(OH و در حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد مربوط به سولفوآلومینات کلسیم می باشد. در مقایسه با C-S-H نقش Ca(OH)2 در مقاومت، محدود می باشد که این امر به دلیل سطح ویژه بسیار کمتر آن است.
سیمان پرتلند دارای انواع مختلفی به شرح زیر است:
سیمان نوع ۱ یا معمولی که در شرایط آب و هوای عادی و درجاییکه از نظر سولفات مشکلی وجود نداشته باشد، به کار می رود.
سیمان نوع ۲ که تا حدی کندگیر و تا حدی در مقابل حمله سولفات ها مقاوم است. و در ساخت آن تا حد ممکن از مقدار C3S و C3A کاسته و C2S را افزایش می دهند.
سیمان نوع ۳ یا سیمان زودگیر که تقریباً اجزاء اولیه سیمان نوع ۱ را دارد، با این تفاوت که به شدت ریزتر آسیاب شده و به همین دلیل، گیرش سریع تری دارد و در هنگام گیرش حرارت بیشتری تولید می کند.
سیمان نوع ۴ یا سیمان دیرگیر که هنگام گیرش حرارت کمی تولید می کند. مقدار C3S و C3A موجود در این سیمان در مقایسه با انواع دیگر سیمان، کمتر بوده و در مقابل C2S زیادتری بکار برده شده است.
سیمان نوع ۵ یا ضدسولفات که برای مصرف در بتن هایی که در معرض حمله سولفات ها قرار دارد مناسب است.
سیمان های پرتلند اصلاح شده ای نیز ساخته می شوند که به عنوان نمونه می توان به سیمان هوازا، سیمان پوزولان دار و سیمان روباره کوره آهن گدازی اشاره کرد.
انواع بتن:
بتن ها را از نظر وزن مخصوص، می توان به سه گروه تقسیم بندی نمود. بتن با وزن مخصوص معمولی حاوی شن و ماسه طبیعی یا شکسته، که بیشترین کاربرد را در کارهای ساختمانی داشته و وزن مخصوصی در حدود ۲۴۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب دارد. بتن سبک به گروه بتنی اتلاق می شود که وزن مخصوصی کمتر از ۱۸۰۰ کیلوگرم بر مترمکعب داشته و با استفاده از سنگدانه های طبیعی یا مصنوعی با وزن حجمی کمتر ساخته میشود و بیشتر برای اهداف غیرسازه ای و یا در مواردی که نسبت مقاومت به وزن بیشتری مورد نیاز است، بکار می رود. بتن سنگین با وزن حجمی بیش از ۳۲۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب و اغلب با سنگدانه های با وزن مخصوص زیاد ساخته شده و در موارد خاص از جمله حفاظت در نیروگاه های هسته ای و واحدهای پزشکی کاربرد دارد. در دسته بندی دیگری بتن ها را از نظر مقاومت، تقسیم بندی می کنند. بتن با مقاومت پایین به بتن با مقاومت فشاری کمتر از MPa 20، بتن با مقاومت متوسط به بتن با مقاومت فشاری بین 20 تا MPa 40 و بتن با مقاومت بالا به بتن با مقاومت فشاری بیشتر از MPa 40 گفته می شود.
محاسن و معایب بتن:
محاسن بتن:
فراوانی و در دسترس بودن مصالح:
شن و ماسه و آب در اکثر مناطق به آسانی و وفور یافت می شود به همین دلیل اغلب می توان بتن را با قیمت ارزان تهیه کرد و به کار برد.
فرم پذیری:
بتن قبل از سخت شدن فرم پذیر است، از این رو می توان آن را در هر قالبی و به هر شکلی ریخت.
مقاومت فشاری بالا:
اگر در ساختن بتن از مصالح خوب و مناسب استفاده شود، همچنین آب به مقدار لازم (باملاحظه نسبت آب به سیمان) به کار رود و در طرح اختلاط و روش های اجرا دقت کافی به عمل آید، بتن، مقاومت فشاری بالایی خواهد داشت.
عمر طولانی:
در وضعیت بهره برداری مناسب، سازهی بتنی می تواند بدون آن که مقاومت و باربری اش کاهش یابد مدتی نامحدود دوام داشته باشد(این امر ناشی از افزایش مقاومت بتن در طی گذشت زمان است).
مقاومت در مقابل آتش سوزی:
در برابر آتش سوزی با درجه حرارتی معادل با ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد حدود یک ساعت طول خواهد کشید تا فولادی که دارای پوشش بتنی برابر 5.2 سانتیمتر است، به دمای ۵۰۰ درجة سانتیگراد برسد. به تجربه اثبات شده که ساختمان هایی که از بتن مسلح با پوشش محافظ کافی ساخته شده اند در آتش سوزی هایی که چندین ساعت ادامه داشته و دارای شت متوسطی بوده است، متحمل صدمات سطحی شده اند ولی فرو نریخته اند.
معایب بتن:
مقاومت کششی بسیار کم:
مقاومت کششی بتن حدود یک دهم مقاومت فشاری آن است. این نقیصه با بکارگیری میلگردهای فولادی در سازه های بتنی مرتفع می شود.
سنگین بودن:
به علت بزرگی ابعاد و جرم مخصوص بالای بتن، وزن سازه های بتنی در مقایسه با سازه های فولادی بسیار سنگین تر است. این عیب را می توان با استفاده از دیوارهای نازک، أعضای توخالی، بتن پیش تنیده، بتن حاوی دانه های سبک و یا بتن با مقاومت بالا برطرف کرد.
قدرت انتقال صوت و قابلیت انتقال حرارت:
این نقایص را می توان با استفاده از عایق های صوتی و حرارتی تا حد زیادی کاهش داد.
خواص بتن:
در لحظات اولیه اختلاط بتن حالت خمیری دارد و پس از این عملیاتی از قبیل ریختن آن در قالب متراکم کردن و نگهداری از آن، با گذشت زمان خود را می گیرد و سخت می شود و درنتیجه به شکل قالب خود در می آید؛ بنابراین بتن دو دوره ی عمر، شامل حالت تازه و حالت سخت شده، دارد که باید در هر دو دوره انتظاراتی را که طراح سازه از آن دارد برآورده سازد.
ویژگی های مطلوب بتن تازه:
قابلیت حمل:
بتن تازه باید در عین روانی به صورت خمیری نسبتا سفت باشد تا ضمن حمل و نقل، اجزای تشکیل دهنده آن از هم جدا نشده و در یک گوشه جمع نشوند.
قابلیت ریختن:
بتن را باید بتوان به سهولت بدون اینکه انسجام آن به هم بخورد در محل موردنظر تخلیه کرد.
قابلیت جا دادن:
بتن را باید بتوان به راحتی در قالب جا داد و به طوری که تمام گوشه ها و زوایای قالب ها و دور میلگردها را پر کند.
قابلیت تراکم:
باید بتوان تا حد امکان هوای محبوس در بتن را خارج کرد و آن را متراکم نمود.
قابلیت پرداخت:
سطح بتن تازه را باید بتوان به راحتی صاف نمود یا روی آن نقش موردنظر را ایجاد کرد.
ویژگی های مطلوب بتن سخت شده:
بتن سخت شده باید تمام یا برخی از خصوصیات زیر را بسته به شرایط موردنظر داشته باشد.
مقاومت در مقابل نیروهای وارده:
دوام در مقابل عوامل محیطی اعم از عوامل فیزیکی و شیمیایی و به تعبیر دیگر حفظ شدن کیفیت و قابلیت بهره برداری آن در طی زمان.
مقاومت در مقابل حرارت زیاد و یا برودت زیاد:
ثبات حجم، یعنی عدم تغییر حجم به میزانی که باعث شود تنش های اضافی در آن ایجاد شود.
-مقاومت در مقابل اثر تخریبی آب و فرسایش
-نفوذپذیری بسیار کم.
گیرش بتن:
بتن از زمانی که مخلوط می شود تا زمان سخت شدن، دچار تغییر حالت مهم می شود. در ابتدا پس از مخلوط کردن، به حالت روان است که به آن اجازه می دهد به شکل های مختلف در آید. با گذشت زمان، ترکیبات بتن سخت تر شده و کارایی آن کاهش می یابد. یک تغییر تدریجی در بتن از مرحله ای که به صورت روان است تا زمانی که به حالت جامد می رسد، صورت می گیرد. این پیشرفت تدریجی در سفت شدن، گیرش نامیده می شود. پس از گیرش، با گذشت زمان جسم جامد سخت تر شده و به مقاومت می رسد. گرچه به هنگام گیرش، خمیر سیمان مقاومت کمی نیز حاصل می نماید، اما برای مقاصد عملی، متمایز نمودن گیرش از سخت شدن که به معنی کسب مقاومت خمیر سیمان گیرش یافته می باشد، مهم است.
بارهای ضربه ای(impact loading):
نوع ساختمان ها از نظر رفتار در برابر آثار ناشی از انفجارها می تواند در کاهش و یا به حداقل رساندن آسیب ها موثر باشد. ساختمان های بتن مسلح به دلیل اینکه جرم، ظرفیت میراگری و جذب انرژی بیشتری در مقایسه با ساختمان های فولادی دارند، در انفجارهای بزرگ می توانند رفتار بهتری از خود نشان دهند. مزیت دیگر بتن این است که به تنهایی نیز می تواند در برابر بارهای فشاری مقاومت نماید. از سوی دیگر کشش به وسیله میلگردها تحمل می شود، درحالیکه در ساختمان های فولادی، فولاد دارای ظرفیت یکسانی در فشار و کشش می باشد. موج انفجار در اثر افزایش سریع فشار هوا از نقطه اتمسفری به نقطه اوج انفجار، حاصل می شود که به دنبال آن یک کاهش سریع در فشار اتمسفری فرعی و سپس افزایش تدریجی در فشار اتمسفری به وجود می آید. رفتار سازه های بتنی و بتن مسلح به طور چشم گیری وابسته به نرخ بارگذاری آنها است. به گونه ای که رفتار اعضای سازهای بتن مسلح تحت بارهای ضربه ای که رده مهمی از بارهای دینامیکی هستند با رفتار استاتیکی آنها متفاوت است. در دهه های اخیر تقاضا برای طراحی ساختمان ها و تاسیسات مقاوم در برابر بارهای ضربه ای افزایش یافته است. همچنین با توجه به اینکه بارهای ضربه ای مقدمه ای برای بررسی اثر بارهای ناشی از انفجار بر سازه ها هستند، محققان و طراحان زیادی در این زمینه به مطالعه و پژوهش پرداخته اند. از نتایج این پژوهش های آزمایشگاهی، تحلیلی و عددی موجود، این گونه بر می آید که مکانیزم برش، تاثیر به سزایی بر رفتار سازه های بتنی مسلح، تحت اثر بارهای دینامیکی ضربه ای دارد. به طوری که در حالت بار ضربه ای حالت شکست غالب، شکست برشی است.
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.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی تیر بتنی مسلح با میلگرد و خاموت تحت بار ضربه ای در نرم افزار آباکوس(ABAQUS) انجام شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
