توضیحات

پروژه شبیه سازی رشد ترک در لوله فولادی به روش المان محدود توسعه یافته (XFEM) در نرم افزار آباکوس(ABAQUS)

ترک در سازه:

تا قبل از سال ۱۹۶۰ استفاده از بتن های با مقاومت حدود ۲۰-۱۰ مگاپاسکال و میلگردهای با مقاومت تسلیم 230-280 مگاپاسکال و به کاربردن روش محافظه کارانه تنش های مجاز، سبب طراحی مقاطع سخت با تغییرشکل های کوچک گردید. لذا نگرانی زیادی در ارتباط با کنترل تغییر شکل آنها وجود نداشت. امروزه استفاده از بتن و میلگردهای با مقاومت ۲۰-۶۰ و ۴۰۰ مگاپاسکال و به کار بردن روش مقاومت نهایی امکان استفاده از مقاطع کوچکتر را ممکن ساخته است. اعضای لاغر مشکلات بیشتری تحت بارهای سرویس دارند. یکی از بزرگترین این مشکلات ایجاد ترک می باشد. که در صورت گسترش، خسارات جبران ناپذیری را ایجاد می نماید. در یک دسته بندی ترک در سازه به دو دسته ترک سازه ای و غیرسازه ای تقسیم بندی می شود. معمولاً ترک های با عرض و عمق کم، ترکهای غیرسازه ای هستند و از اهمیت زیادی به لحاظ تخریب ساختمان و خطرات جانی برخوردار نیستند ولی ترک هایی با عرض 1.5 تا 2 میلی متر و عمق 1.5 تا 2 سانتیمتر ترک های سازه ای محسوب می شوند که به لحاظ اهمیت، می بایست به طور خاص مورد توجه قرار گیرد. این دسته از ترک ها، بعضا موجب تخریب و آسیب های مالی و جانی جبران ناپذیر می شود. از جمله مهم ترین عوامل ایجاد ترک در سازه عبارت اند از:

ترک خوردگی ناشی بارگذاری
ترک خوردگی ناشی از خستگی
تنش های حرارتی
سرعت عمل آوری
خطاهای طراحی و اجرا
ترک خوردگی ناشی از جمع شدگی
ترک خوردگی ناشی از نشست.
طرح اختلاط نامناسب بتن
عملکرد سازهای ضعیف
طرح اختلاط نامناسب بتن.

در مواردی که هر یک از عوامل فوق موجب ایجاد ترک های سازه ای شوند، عضو ترک خورده می بایست یا تخریب و از نو بازسازی شود و یا اینکه با روش های خاص ترمیم شود. برخی از مهم ترین روش های ترمیم ترک عبارت اند از:

تزریق رزین اپوکسی
بخیه زدن
افزدون میلگرد محاسباتی
حفاری و اتصال
پر کردن با گروت
استفاده از ورق های تقویتی FRP

ترک های خمشی:

این نوع ترک ها زمانی که مقاومت خمشی مقطع بتن پایین بوده و تار کششی بیشترین عرض را داشته و به سمت تارهای دیگر همگرا شده به تنهایی یا گروهی اتفاق می افتند. این ترکها در سلامت سازه اثرات بسیار منفی دارند و معمولا در ناحیه ای رخ می دهند که برش ناچیز بوده و خمش نقش اصلی را ایفا می نماید. نمونه ای از این نوع ترک در وسط یک تیر دوسر ساده مطابق شکل زیر ارائه می شود.

شکل نمونه ای از ترک خمشی در تیر بتن آرمه.

ترک های خمشی – برشی:

این نوع ترک ها با ترک خوردگی خمشی شروع شده، اما کمی بعد زاویه ی رشد آنها تغییر کرده و مایل می شوند و معمولا عمود بر تنش های اصلی گسترش می یابند. تنش های برشی و خمشی نقش اصلی را در گسترش این نوع ترک ها ایفا می کنند. نمونه ای از این نوع ترک در یک تیر دوسر ساده مطابق شکل زیر ارائه می شود.

ترک های ثانویه

این نوع ترک ها موازی فولاد طولی رخ می دهند و نتیجه عمل جدایش فولاد و میلگرد است؛ که تنش های برشی را در طول ترک منتقل می کند.

شکل نمونه ای از ترک خمشی – برشی و ترک ثانویه در تیر بتن آرمه.

ترک های برشی:

این نوع از ترکها زمانی که مقاومت برشی مقطع بتن پایین بوده و در ناحیه ای با برش ماکزیمم در منطقهی جان تیر مطابق شکل زیر ایجاد می شوند. این نوع ترک ها به ندرت در تیرهای غیر پیش تنیده به وقوع می پیوندند.

شکل نمونه ای از ترک برشی در تیر بتن آرمه.

ترک های پیچشی:

ترک پیچشی در مقاطع با مقاومت پیچشی پایین که عرض یکنواختی دارد، در فرم مارپیچ و به تنهایی رخ می دهد.

ترک های مربوط به لغزش اتصالات میلگردها:

به دلیل انقطاع سریع میلگردها زمانی که مرز کافی در اتصالات وجود نداشته باشد، اتفاق می افتد.

ترک های کششی:

این نوع از ترک ها به دلیل نبود آرماتور بندی کافی در مقطع تحت کشش و پایین بودن کیفیت بتن اتفاق می افتد.

ترک های ستون:

ترک های ستون به دلیل خوردگی آرماتورها و عدم طراحی مقطع ستون برای خمش اتفاق می افتد. این ترکها به صورت اریب و به دلیل در نظر نگرفتن نیروهای جانبی و پایین بودن مقاومت در تحمل بار محوری به وجود می آیند.

ترک های خوردگی:

این نوع از ترک ها به دلیل خوردگی آرماتورها، عدم پوشش کافی و کیفیت پایین بتن اتفاق می افتد.

روش المان محدود توسعه ‌یافته(XFEM):

امروزه روش المان محدود توسعه ‌یافته(XFEM) به عنوان یک روش کارآمد و بهروز در زمینه پیش‌بینی مسیر رشد ترک شناخته می‌شود. از مزیت‌های روش المان محدود توسعه ‌یافته(XFEM) می‌توان به مواردی از جمله عدم نیاز به تاثیر هندسه ترک در مش‌‌بندی مدل، عدم نیاز به مش‌بندی مجدد مدل در محدوده وقوع ترک و امکان مدل‌سازی ترک با غنی‌سازی درجات آزادی المان با تعریف توابع جابه‌جایی ویژه اشاره کرد. همچنین نتایج به‌دست آمده از این روش، بهبود دقت و نرخ همگرایی را نسبت به سایر روش ها نشان می‌دهد. به علاوه، به دلیل عدم نیاز به مش ‌بندی مجدد سطوح ناپیوستگی‌ ها در این روش، زمان محاسباتی و خطاهای رایج در روش‌های مرسوم المان محدود کاهش می‌یابد.

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.