توضیحات

پروژه شبیه سازی دیوار مصالح بنایی در نرم افزار آباکوس(ABAQUS)

 

ساختمان های بنایی در کشور ما به دلایل متعدد از اهمیت بسزایی برخوردار هستند. از سوی دیگر تحقیقات در این زمینه در سطح بین المللی روز به روز محدودتر می گردد. باتوجه به این نکات وظیفه تحقیق و تدوین در این زمینه به محققین داخلی باز می گردد. در کشور ما نه تنها ساختمان های بنایی دارای آئین نامه های اولیه بوده، بلکه استفاده از مصالح بنایی در اجزای غیر سازه ای نیز بسیار معمول می باشد. یکی از موارد مطرح در ساختمان های بنایی و نیز ساختمان های دارای پرکننده های بنایی، رفتار درون صفحه ای دیوارهای میانقاب در بارگذاری جانبی این سازه ها می باشد. بسیاری از مهندسین طراح وجود مصالح بنایی میانقاب را در محاسبات سازه ای وارد نمی نمایند که موجب عملکرد متفاوت مدل فیزیکی و مدل ریاضی سازه می شود. معمولاً در طراحی ساختمان های بنایی بدلیل ساده سازی های انجام گرفته (اهمیت کم این ساختمان های کوچک) رفتار پیچیده این دیوارها در نظر گرفته نمی شود. علاوه بر نیاز به رفتارشناسی این دیوارها در عملکردهای فعلی این نوع شناخت زمینه لازم برای بهبود شرایط رفتاری دیوارها مانند نحوه اتصال دیوار به قاب پیرامونی و یا مسلح کردن دیوارها را بوجود می آورد. هدف این پروژه شناخت رفتار دیوار میانقاب در سازه هایی با ساختار بنایی است.

ساختمان های بنایی:

به مصالحی همانند آجر، بلوک سیمانی و غیره مصالح بنایی گفته می شود و به ساختمان هایی که با استفاده از این مصالح بنا گردد ساختمان های بنایی می گویند. در کشورمان طیف وسیعی از ساختمان های مورد استفاده از نوع مصالح بنایی بوده که در ابعاد و تعداد طبقات مختلف اجرا شده و در حال اجرا است. ساختمان های بنایی به دو نوع ساختمان های بنایی غیر مسلح و ساختمان های بنایی مسلح تقسیم می شوند.

ساختمان های بنایی غیرمسلح:

به ساختمان هایی اطلاق می شود که با استفاده از مصالح بنایی و بدون به کاربردن هیچگونه عناصر مسلح کننده همچون آرماتور مسلح کننده، چوب و یا سایر مصالح بنا گردد. این گونه از ساختمان ها در برابر بارهای قائم ناشی از وزن و بار زنده مقاومت خوبی دارند. با توجه به اینکه مصالح بنایی در برابر کششی ضعیف عمل می کنند و نیز در برابر بارهای وارده رفتار ترد از خود نشان می دهند، در برابر بارهای جانبی ناشی از زلزله یا باد عملکرد ضعیفی را دارند.

ساختمان های بنایی مسلح:

از خصوصیات بارز مصالح بنایی تردبودن، شکنندگی و عدم تغییر قابل توجه در هنگام بارگذاری و درنتیجه ایجاد ترک و گسترش آن می باشد. همچنین عملکرد ضعیف ساختمان های بنایی غیرمسلح در برابر بارهای جانبی(خصوصاً ناشی از بروز زمین لرزه ها) باعث شده است که همواره مهندسان ساختمان به دنبال بهبود مقاومت این نوع ساختمان ها بوده به طوری که حتی بتوان در ارتفاع زیاد نیز از مصالح بنایی برای احداث بناها بهره جست. در شرایط مزبور باتوجه به شرایط و ویژگی های مناسب فولاد از لحاظ مقاومت فشاری، کششی، برشی و خمشی بالا و نیز شکل پذیری بسیار زیاد آن می توان انتظار رفتار مناسب تری را از مصالح بنایی در کنار این ماده را داشت.

مزایای سازه های بنایی:

هزینه:

• چنانچه سازه های بنایی به صورت فنی و مناسب ساخته شوند، هزینه اجرای آنها از دیگر الگوهای ساختمانی به مراتب کمتر می باشد.
• زمان لازم برای اجرای ساختمان های بنایی با مصالح بنایی نسبت به دیگر مصالح کمتر است و همین امر باعث کاهش هزینه کلی ساختمان می گردد.
• مواردی مانند عایق های صوتی، حرارتی و مقابله با آتش سوزی خود به خود با توجه به ضوابط و مقررات ساختمانی سازه های بنایی و اینکه توسط خود مصالح تامین می گردد باعث اقتصادی کردن این سازه ها می شود.
• هزینه تعمیرات ساختمان های با مصالح بنایی معمولا حداقل است.

سرعت اجرا:

یکی از مهم ترین مزایای سازه های بنایی سرعت در اجرای آنها می باشد، ولی این موضوع به علت پاره ای ذهنیات نظیر اینکه سازه های پیش ساخته در هر تعداد طبقه مورد نظر در کوتاهترین زمان ممکن ساخته می شوند تا حدودی مخدوش گردیده است. البته با صرفنظر کردن از ساخت اعضاء معمولاً یک قاب در مدت زمان کمتری برپا می گردد ولی در عین حال بایستی توجه داشت که در طول مدت اجرا امکان هیچگونه فعالیت دیگری مقدور نیست درحالیکه در سازه های بنایی امکان انجام عملیات همزمان چند کار به جهت تسریع در انجام عملیات و صرفه جویی در زمان وجود دارد. یک دیوار با مصالح بنایی را می توان در یک روز ساخت تا بلافاصله نسبت به اجرای سقف روی آن اقدام نمود در حالیکه عملیات اجرای یک ستون بتن آرمه مستلزم آرماتورگذاری، قالب بندی، بتن ریزی، نگهداری و جمع کردن قالب می باشد که معمولاً برای این کار بیش از یک هفته وقت نیاز می باشد.

زیبایی:

جنبه زیبایی یک ساختمان ترکیب پیچیده ای از فاکتورهای مختلف نظیر فرم، جرم، اندازه، میزان برآمدگی، رنگ و غیره اجزا می باشد. مصالح ساختمانی در مقیاس های دلخواه و در رنگ و تار و پودهای مختلف به وفور ساخته می شود و به علت کوچک بودن ابعاد بلوک ها می تواند در ساختن تعداد بسیار زیادی از سازه ها نظیر دیوارها، ستون ها و دودکش ها در اشکال و اندازه های مختلف مورد استفاده قرار گیرند.

دوام:

دوام مصالح بنایی از جمله ویژگی های خاص آنها می باشد. تعداد بسیار زیاد سازه های مهندسی گواه این قضیه می باشد. البته در صورتی که سازه های بنایی درست طراحی شده و با مصالح مناسب ساخته شده و به خوبی نیز نگهداری شوند می توان انتظار قدمتی بیش از زمان مورد نظر را داشت.

عایق صوتی و حرارتی:

اکثر ناراحتی های صوتی به علت انتشار امواج صوتی صورت می گیرد و بهترین راه کاهش آنها، ضخیم تر کردن دیوارها می باشد تا زمانی که کمترین صدا از آنها منتقل می شود. این خود یک امتیاز برای سازه های بنایی محسوب می شود. از طرفی مزایای استفاده از این سازه ها سال ها قبل شناخته شده است.

مقاومت در برابر آتش سوزی و آسیب های تصادفی:

مصالح بنایی غیر قابل احتراق اند و ضمن اینکه نمی سوزند از توسعه آتش سوزی نیز جلوگیری می کنند. آتش سوزی های بزرگ در ساختمانهای بنایی معمولا خطراتی را در بر خواهد داشت ولی هرگز نظیر سازه های فلزی یا بتنی تغییر شکل نمی دهد. همچنین با توجه به بررسی های به عمل آمده پس از جنگ جهانی دوم مشخص گردید که میزان خسارت وارده به سازه های بنایی به مراتب کمتر از سازه های فلزی و بتنی بوده است.

زمینه ترکیب با مصالح دیگر:

مهم ترین خاصیت سازه های با مصالح بنایی مقاومت زیاد در مقابل فشار می باشد ولی این خاصیت به منزله عدم استفاده از آنها در جاهائی که خمش یا کشش در مقطع وجود دارد نیست. در اکثر موارد استفاده از خاصیت پیش فشردگی در دیوار مانع از ایجاد کشش قابل توجه در مقطع می گردد و درمواقعی که این امکان وجود ندارد می توان با استفاده از فولادهای پیش کشیده نسبت به حل مشکل اقدام نمود.

قابلیت دسترسی به مصالح:

آنچه مسلم است مصالح مورد نیاز مانند آجر و یا دیگر مصالح بنایی در اکثر مناطق به وفور یافت می شود و در بسیاری از مناطق دسترسی آسان و از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه است.

مشاهده عیوب حین کار:

یک مزیت دیگر سازه های بنایی و مصالح بنایی مشاهدة عیوب آنها در حین کار می باشد درحالیکه در سازه های بتنی عیوب پس از برداشتن قالب مشخص می شود.

معایب ساختمان های مصالح بنایی:

برخی از معایب سازه های بنایی عبارتند از

افزایش سطح مورد نیاز در مقایسه با فولاد و بتن:

گرچه می توان از مصالح بنایی در جاهایی که در معرض خطرات بزرگ هستند، استفاده نمود ولیکن عملاً به جهت پایین بودن مقاومت فشاری آنها در قیاس با فولاد و بتن نیاز به سطح بیشتری می باشد، بنابراین برای یک بار گذاری مشخص در صورت استفاده از مصالح بنایی به سطح مقطع عرضی بزرگتری نیاز هست. پس در محل هایی که محدودیت سطح مقطع وجود دارد، این موضوع باعث عدم پذیرش مصالح بنایی می گردد.

بازشوهای بزرگ:

معمولاً در جاهایی که نیاز به بازشوهای بزرگ می باشد و نیاز به یک زیر نمای مستحکم می باشد، تیرهای بتنی یا فلزی با حداقل هزینه نسبت به مصالح بنایی عمل می کنند، آنها می توانند به روش عمل مرکب با دیگر مصالح بنایی ترکیب شوند، در این گونه موارد فولاد و بتن به عنوان دو گزینه مناسب عمل خواهند نمود.

تردبودن مصالح:

از معایب دیگر این سازه های سنگینی مصالح، ترد بودن مصالح و تنزل مقاومت بر اثر تکرار بار شدید می باشد و همچنین وابستگی زیاد مقاومت مصالح که وابسته به کیفیت ساخت می باشد از موارد دیگر معایب می باشد.

ایجاد ترک و جدا شدن دیوارها از یکدیگر:

بدلیل عدم انسجام ساختمان های مصالح بنایی و اتصال ناکافی در محل تلاقی دو دیوار با یکدیگر ترک ایجاد شده و دیوارها از یکدیگر جدا می شوند.

خواص سازه ای و دینامیکی ساختمان های آجری:

پیچیدگی رفتار سازهای آجری مانع از آن بوده است که روش های جامعی برای تحلیل خواص مکانیکی و سازه ای آنها به وجود آید، در حالی که برای تحلیل سازه های فولادی در نیمه دوم قرن نوزدهم و بتنی در قرن حاضر نظریه ها و روش های مبسوطی پدید آمده بود. رفتار ناهمسانگرد، ناهمگن، غیر خطی و وجود ترک های فراوان از یک سو، و صفحه ای بودن اجزای سازه های آجری از سوی دیگر پیچیدگی خاصی را ایجاد کرده است که غالبا جز با روش های اجزاء محدود نمی توان از وضعیت تنش ها اطلاعاتی به دست آورد. از طرفی به دلیل همین پیچیدگی ها، نمی توان مدل های کوچک شده ساختمان های آجری را مورد آزمایش قرار داد، زیرا مصالح مصرفی (آجر و ملات) و مقاومت و سختی آنها را نمی توان مدل سازی کرد. خوشبختانه وجود دستگاههای آزمایش مدرن و با ظرفیت بالا نظیر میز لرزان، جک های دو طرفه و محرک های دینامیکی در دهه های اخیر این امکان را پدید آورده است که بتوان ساختمان های آجری و اجزای آنها، نظیر دیوارهای برشی با اندازه واقعی آزمایش کرد و مقاومت، سختی، حالت های شکست و سایر اطلاعات سازه ای را به دست آورد

مدل سازی تحلیلی دیوارهای بنایی:

مصالح بنایی موادی هستند که به دلیل وجود اتصالات ملات که صفحه ضعف این مصالح به شمار می آید خصوصیات متفاوتی در جهات مختلف خواهند داشت. روش های مختلف مدل سازی مصالح بنایی را میتوان به صورت زیر دسته بندی کرد:

1- مدل سازی میکرو: در این روش آجر و ملات واقع بین آجرها توسط المان های پیوسته و اتصال بین ملات و آجر به وسیله المان های ناپیوسته مدل می شود. در این روش چگالی، مدول الاستیسیته، نسبت پواسون و خصوصیات غیرارتجاعی آجر و ملات در محاسبات لحاظ می گردد. سطح تماس بین آجر و ملات به صورت یک سطح تماس دارای پتانسیل لغزش و ایجاد ترک با در نظر گرفتن یک سختی اولیه جهت جلوگیری از نفوذ در محیط پیوسته مدل می شود.

۲-مدل سازی ماکرو: در این روش آجر، ملات و سطح تماس اجر و ملات توسط یک محیط پیوسته با خصوصیاتی معادل مجموع مواد به کار رفته، مدل می شود. در این روش بین ملات و آجر تفاوتی قائل نشده و کل ماده به صورت یک محیط پیوسته ایزوتروپیک مدل می شود.

در رویکرد ماکرو تفاوت میان واحدها و اتصالات ملات با در نظر گرفتن یک حالت میانگین، نادیده گرفته شده و از تکنیک های همگن سازی استفاده می شود ولی مدلسازی میکرو یک رویکرد محاسباتی متمرکز است و در آن تأثیر عوامل بسیار زیادی لحاظ می شود. از آنجایی که ساختار مصالح توسط قطعات جدایی که به وسیله اتصالات به هم وصل می شوند مدل خواهد شد، این اتصالات به کمک المان های کامل مدل می شوند، بنابراین می توان ملاحظاتی از قبیل شروع شکست، گسترش ترک و لغزش در سطوح مختلف درون دیوار را ملاحظه کرد.

به دلیل این که هرکدام از روش های میکرو یا ماکرو، سطوح مختلفی از مصالح بنایی را به خود اختصاص می دهند، نمی توان یکی از روش ها را بر دیگری ترجیح داد. جهت شناخت رفتار موضعی مصالح بنایی استفاده از مدلسازی میکرو ضروری به نظر می رسد. این روش برای بررسی جزییات سازه ای و نیز برای مدل سازی سیستم های سازهای جدید که شامل بلوک های آجری می باشند و نیز در مواردی که بازشوهای در و پنجره سبب ایجاد ستون هایی در اطراف بازشو می شوند، مناسب است. مدل سازی ماکرو به دلیل کاهش زمان و حافظه مورد نیاز کمتر، از لحاظ عملی مناسب تر است ولی به دلیل ناتوانی در تحلیل جزییات تنش و در بر گیری انواع مکانیسم های شکست، برای تحلیل ساختار مصالح بزرگ استفاده می گردد.

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.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی دیوار مصالح بنایی در نرم افزار آباکوس انجام شده است.

مراحل شبیه سازی:

برای اجرای شبیه سازی یک فرآیند، نرم افزار آباکوس واحدهای جداگانه ای در اختیار کاربر قرار می دهد، بطوریکه کاربر با استفاده از این واحدها قادر به اجرای سه مرحله ذکر شده در بخش پیشین برای حل یک مساله اجزای محدود می باشد. مراحل شبیه سازی اجزای محدود توسط نرم افزار آباکوس به ترتیب شامل مراحل زیر می باشد:

١- ایجاد مدل هندسی(ماژول Part)

۲- تعیین خصوصیات ماده(ماژول Property)

3- مونتاژ قطعات(ماژول Assembly)

۴- گام های تحلیل(ماژول Step)

۵- تعیین تماس بین سطوح(ماژول Interaction)

۶- شرایط مرزی و بارگذاری(ماژول Load)

۷- المان بندی (ماژول Mesh)

۸- تحلیل فرآیند و گرفتن خروجی از نرم افزار(ماژول Job و Visualization)

مدل سازی دیوار بنایی:

 

مش بندی:

 

نمونه نتایج شبیه سازی: