توضیحات

پروژه شبیه سازی تیر بتنی پیش تنیده با درنظرگرفتن اثر خزش در نرم افزار دایانا (DIANA)

پیش تنیدگی بتن(prestress):

پیش تنیدگی به ایجاد یک تنش ثابت و دائمی به اندازه لازم در یک عضو بتنی اطلاق می شود که در اثر این اقدام، مقداری از تنش های کششی ناشی از بارهای مرده و زنده در این عضو خنثی می شود و درنهایت مقاومت باربری عضو بتنی افزایش پیدا می کند. از روش های پیش تنیدگی دو نوع کلی بتن پیش تنیده پیش کشیده و پس کشیده است. نیروی پیش تنیدگی در طولی از کابل کاملاً به بتن منتقل می شود که این طول انتقال، بستگی به عوامل مختلفی از جمله نوع سطح فولاد، شکل مقطع و قطر فولاد و همچنین مقاومت بتن دارد. پیش تنیدگی عبارت از ایجاد تنش داخلی در یک جسم است تا تنش را که به علت تاثیر نیروهای خارجی بوجود می آید به مقدار مورد نیاز خنثی کند یا به عبارت دیگر پیش تنیدگی به معنای ایجاد تنش های دائمی مخالف با تنش هایی می باشد که در اثر بارهای خدمت در سازه ایجاد خواهند شد. عمده ترین کاربرد پیش تنیدگی در بتن پیش تنیده است. بتن که یکی از ارزانترین و عملی ترین مصالح ساختمانی است و مقاومت خوبی در برابر فشار دارد و تاب کششی کمی از خود نشان می دهد. بنابراین در ناحیه ای از بتن که بعد از بارگذاری تحت کشش قرار می گیرد قبلاً ایجاد فشار می کنند. این عمل به اصطلاح پیش تنیدن بتن نامیده می شود.براساس آئین نامه 95 -ACI318 بتن پیش تنیده عبارت است از بتن سازه ای(ساختمانی) که جهت کاهش تنش های کششی بالقوه حاصل از بارها در آن تنش های داخلی ایجاد شده است. هدف اصلی از پیش تنیده کردن یک عضو بتنی محدود کردن تنش های کششی و ترک های ناشی از لنگر خمشی تحت تاثیر بارهای وارده در آن عضو می باشد.

کاربردهای بتن پیش تنیده:

کاربرد بتن پیش تنیده معمولاً در عضوهایی است که تحت تأثیر خمش می باشد مانند تیرها، دال ها، دیوارهای حائل و ستون ها. ولی از بتن پیش تنیده در عضو هایی که تحت تأثیر کشش هستند مانند لوله ها، مخازن آب و غیره به نحو مطلوب می توان استفاده نمود.

بتن های پیش تنیده از نظر تنش کششی دارای چهار نوع است:

• بتن پیش تنیده کامل که بتن تا بار سرویس نباید تنش کششی تحمل کند.
• بتن آرمه با پیش تنیدگی جزئی است. تحت بار سرویس بتن می تواند تنش کششی داشته باشد، به شرطی که ترک نخورد، تحت بارهای دائم بتن نبایستی کشیده شود.
• نوع سوم بتن آرمه پیش تنیده است. در این نوع بتن، ترک خوردن بتن تحت بار سرویس امری عادی است ولی عرض ترک ها از ۱% تا 33% میلیمتر محدود شده اند. محدودیت آنها بر حسب آب و هوایی که قطعه در آنجا مورد استفاده قرار می گیرد و جنس فولاد به کار رفته است.
• نوع چهارم بتن آرمه کلاسیک است.

استفاده از بتن پیش تنیده در ایجاد پل ها و ساختمان ها و تمام سازه ها از حدود ۵۰ سال پیش تاکنون در سطح وسیع متداول شده است. باتوجه به عیوب مختلف فولاد(ناپایداری الاستیک نیمرخ های فلزی، خوردگی و زنگ زدگی، فزونی بهای تولید …). امروزه اغلب پل های بزرگ از بتن پیش تنیده ساخته می شوند، اما برخلاف حالت بتن مسلح مصالح مصرفی جهت این پل ها باید از کیفیت بسیار خوبی برخوردار باشند.در بتن پیش تنیده نیز مانند بتن مسلح از بتن که دارای مقاومت بسیار خوب فشاری است و فولاد استفاد می شود اما بتن مسلح ترکیبی از بتن و فولاد است که در آن بتن در مقابل فشار و فولاد در مقابل کشش مقاومت می کند در حالیکه در بتن پیش تنیده با انجام یک عمل مکانیکی بتن به تنهایی تنشهای کششی و فشاری ایجاد شده را تحمل می نماید.

مقاومت بتن در برابر فشار بالا است ولی در مقابل کشش ضعیف است. ایجاد پیش فشردگی در بتن با کابلهای فولادی باعث می گردد بتن همواره در تنش فشاری باقی بماند و در نتیجه میزان باربری آن افزایش خواهد یافت. چون کابل ها در حالت فشرده قرار دارند و نیروی کششی را به نیروی فشاری تبدیل می کنند و هیچ ضعفی در مقطع بتن ایجاد نمی کنند و بتن فقط تحت بارهای بسیار زیاد به کشش می افتد و ترک نمی خورد. به علت اینکه فشار وارده از طرف کابل های پیش تنیده به بتن بسیار زیاد است لازم است که مقاومت فشاری بتن مورد استفاده در یک ساختمان بتن پیش تنیده به مراتب بالاتر از مقاومت فشاری بتن مورد استفاده دریک ساختمان بتن آرمه باشد. فولاد های نرم که معمولا در ساختمان های بتن آرمه به کار می رود برای ساختمان های بتن پیش تنیده مناسب نمی باشد زیرا امکان کشیدن آن به حدی که بتواند جبران اتلاف تنش های پیش تنیدگی ناشی از انقباض و خزش بتن را بکند وجود ندارد. بتن پیش تنیده یک جسم همگن و الاستیک می باشد و قبل از ترک خوردن بیشتر خاصیتی شبیه به فولاد را دارد تا یک جسم غیر همگن مانند بتن آرمه.

هدف اصلی از پیش تنیده کردن یک عضو بتنی، محدود کردن تنش های کششی و ترکهای ناشی از لنگر خمشی، تحت تاثیر بارهای وارده در آن عضو می باشد. بتن جسمی است که در مقابل فشار مقاوم است، لیکن مقاومت آن در مقابل کشش بسیار کم میباشد، بنابراین می توان با وارد کردن تنش به بتن، کشش ایجاد شده در اثر بار مرده و زنده در عضو بتنی را تقلیل داده و در نتیجه مقاومت آن را افزایش داد. از بتن پیش تنیده در اعضای تحت خمش مثل تیرها، دال ها، دیوارهای حائل و ستون ها و نیز اعضای تحت کشش مثل لوله ها و مخازن آب استفاده می شود. در مقایسه تیر بتن پیش تنیده با تیر بتن آرمه می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• بالابودن مقاومت فشاری بتن پیش تنیده به دلیل فشار اولیه وارده ناشی از پیش تنیدگی
• عدم ترک خوردگی اولیه در تیرهای بتن پیش تنیده کامل تحت اثر بارهای سرویس، برخلاف تیرهای بتن آرمه معمولی.

مزایای تیرهای پیش تنیده در مقابل تیرهای بتن آرمه شامل:

• دوام بیشتر تیرهای بتن پیش تنیده نسبت به تیرهای بتن آرمه معمولی بدلیل نداشتن ترک های دائمی
• کاهش خیز بدلیل خیز اولیه ی منفی و عدم ترک خوردگی
• اقتصادی بودن تیرهای بتن پیش تنیده برای دهانه های بزرگ
• تغییر شکل پذیری سازه با تغییر نیروی پیش تنیدگی.

نرم افزار دایانا( DIANA):

امروزه نرم افزارهای متفاوتی برای مدل سازی و تحلیل سازه ها طراحی شده اند که اغلب به نحوی امکان مدلسازی رفتار غیرخطی مصالح را در نظر گرفته اند. این نرم افزارها شامل نرم افزارهای قابی و اجزای محدود قابل تقسیم هستند. از این نرم افزارها می توان به Perform 3D، ETABS، SAP2000 اشاره کرد که با استفاده از این نرم افزارها می توان سازه های بنایی را به صورت قاب معادل مدل سازی نمود. در در دسته دوم می توان بهANSYS، ABAQUS، DIANA، ATENA و غیره اشاره کرد اما باتوجه به موجودبودن نسخه اصلی نرم افزارDIANA و همچنین قابلیت بالای مدلسازی سازه های بنایی نسبت به بقیه نرم افزارها، از این نرم افزار جهت مدلسازی استفاده شده است. این نرم افزار بخشی از قابلیت های خود را به طور ویژه به مدلسازی و تحلیل سازه های بنایی اختصاص داده است. اگرچه پایه و اساس نرم افزارهای المان محدودی یکی است، اما تفاوت در تنوع مدل های ساختاری موجود در آنها جهت شبیه سازی مدل هدف وجه متمایز آنها به شمار می آید. از آنجا که کاربرد نرم افزار چند منظوره و قدرتمند DIANA  مختص طیف وسیعی از مسائل در مهندسی عمران نظیر سازه، ژئوتکنیک، تونل و حوزه زلزله بوده، لذا ساختار، تنوع مدل های رفتاری مصالح و درواقع اهداف این نرم افزار برخلاف نرم افزارهای المان محدود دیگر، براساس مهندسی عمران توسعه یافته است و به طور خاص جهت کاربردهای سازه ای(مخصوصاً در مدل های بتنی و بنایی)، انتخاب مناسب تری می باشد. عملکرد قابل اعتماد و بی نظیر این نرم افزار سال هاست که در بسیاری از پروژه های برجسته در سراسر دنیا توجه پژوهشگران و مهندسین را به خود جلب کرده است. از قابلیت های بالقوه این نرم افزار نظیر طیف گسترده ای از مدل های مواد و المان ها و همچنین عملگرهای تحلیلی متناسب با آخرین و پیشرفته ترین تکنیک های تحلیلی المان محدود می توان نام برد. این نرم افزار همچنین مجهز به حلگرهای متعدد به منظور بهینه سازی روند حل انواع مسائل پیچیده خطی و غیر خطی با نتایج دقیق و محاسبات سریع می باشد. با در نظرگرفتن محاسن فوق، به منظور مدلسازی عددی در این تحقیق از نرم افزار اجزاء محدود DIANA  که به خوبی قابلیت مدل سازی دقیق و پیچیده ی اعضای سازه ای را دارد، استفاده شده است.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی تیر بتنی پیش تنیده با درنظرگرفتن اثر خزش در نرم افزار دایانا (DIANA) انجام شده است. تیر بتنی پیش تنیده براساس مشخصات هندسی و مصالح مدل آزمایشگاهی توسط نرم افزار المان محدود دایانا (DIANA) مدلسازی شده است.

مدلسازی تیر بتنی پیش تنیده:

مش بندی:

نمونه نتایج شبیه سازی: