توضیحات

پروژه شبیه سازی رفتار فشاری ستون لوله فولادی پرشده با هسته بتنی با مقطع دایره ای (CFST) در نرم افزار آباکوس (ABAQUS)

مقاطع مرکب فولاد-بتن(CFST):

استفاده از مصالح فولاد و بتن در طراحی سازه ها به صورت مجزا از دیرباز مورد توجه مهندسان بوده است. خواص منحصر به فردی که هریک از مصالح دارا می باشد، باعث شده است تا در یک مقایسه کلی نتوان سازه های فولادی را به سازه های بتنی یا بالعکس برتری داد. مزایایی همچون سبک بودن وزن سازه، امکان ایجاد اتصالات ساده، امکان تقویت ساده ی اجزای سازه پس از بهره برداری، شکل پذیری و ظرفیت کششی مناسب از جمله مزایای سازه های فولادی هستند. از سوی دیگر، شکل دهی ساده با تغییر موقعیت قالب های مقاومت فشاری مناسب، عدم کمانش اعضا تحت بارهای فشاری، قیمت ارزان نسبت به سایر مصالح و مقاومت مناسب تر در برابر آتش سوزی و خوردگی را می توان از جمله مزایای سازه های بتن آرمه دانست. با این وجود، استفاده از فولاد در ساختن ستون ها، به خصوص در سازه های بلند، غیر اقتصادی است. همچنین سازه های بلند با ستون های فولادی، معمولا دارای تغییر شکل های جانبی نسبتا بزرگ بوده و در مقابل آتش سوزی مقاومت پایینی دارند.استفاده از بتن آرمه در ستون های ساختمان های بلند، در طبقات پایین، فضای بیشتری را اشغال نموده و دارای وزن نسبتا بیش تری است و به علت ترد و شکننده بودن بتن، سازه حاصل دارای شکل پذیری کم تری بوده و در بارهای لرزه ای، افت مقاومت در سازه به وجود می آید. با ترکیب هوشمندانه این دو مصالح می توان به یک سیستم مؤثر و کارآمدتری نسبت به استفاده ی مجزا از آنها دست یافت. برهمین اساس از حدود سال ۱۹۰۰ میلادی استفاده همزمان از مصالح بتنی و فولادی در ساخت سازه ها مدنظر مهندسان قرارگرفت. هدف اصلی این کار، استفاده از مزایای هر دو مصالح و پوشش معایب آنها بود.این سیستم را با عباراتی چون مقاطع مرکب یا مختلط فولاد – بتن معرفی می کنند. امروزه مقاطع مرکب به صورت موفقیت آمیزی در ستون ها، تیرها و دال های با دهانه های متوسط و بزرگ در ساختمان ها و همچنین در پایه و تیرهای پل ها مورد استفاده قرار می گیرند. یکی از موارد استفاده از مقاطع مرکب، کاربرد آن در ستون ها می باشد که به علت همکاری توأم و مناسب بتن و فولاد در بسیاری از سیستم های سازه ای در سراسر جهان در حال افزایش است. این ستون ها با مقاطع مختلفی ساخته می شوند که از این رو، دارای تنوع ساختاری می باشند. ستون های مرکب از لحاظ محل قرارگیری فولاد و بتن به سه گروه کلی جداره فولادی پر شده با بتن، مقاطع فولادی مدفون در بتن و مقاطع جزئی محصور شده تقسیم بندی می شوند. ستون های فولادی پر شده با بتن(CFST) یا Concrete Filled Steel Tube در حال حاضر دارای رواج بیشتری می باشند. این مقاطع که نمونه هایی از آن در شکل فوق نشان داده شده است، ستون هایی هستند که در آنها مقطع فولادی توخالی دایره، مربع، مستطیل و یا چندضلعی با بتن تنها و یا به همراه میله گرد و یا پروفیل فولادی پر می شوند.

مزایای ستون های مرکب:

از زمان های گذشته ستون های مرکب CFST همواره مورد توجه بوده اند زیرا از مزایای بسیاری برخوردار می باشند. در سیستم های قابی که از ستون های لوله ای پر شده از بتن و تیرهای فولادی با مقطع فشرده استفاده می شود، فوایدی از نقطه نظر ساختاری مطرح می شود. این سیستم ها عملکرد سازه ای مناسبی را تحت تقاضای مقاومتی بالا از خود نشان می دهند چون مقاومت بالای اعضا و شکل پذیری مورد انتظار را تأمین می کنند. لوله های فولادی پر شده از بتن، در سازه های با ارتفاعات متفاوت و در نقاطی با خطر لرزه خیزی زیاد مورد استفاده قرار می گیرند و کاربرد وسیعی در ستون ها و تیرستون های سازه ها دارند.

شکل انواع ستون های مرکب با مقاطع مختلف.

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 رفتار فشاری ستون بتنی مرکب محصورشده با لوله فولادی(CFST) با مقطع دایروی در نرم افزار آباکوس (ABAQUS) انجام شده است. ستون مرکب CFST دارای مقطع دایروی با نرم افزار اجزای محدود آباکوس شبیه سازی گردید.

باتوجه به زمانبر و پر هزینه بودن مطالعات آزمایشگاهی سازه های ستون مرکب، استفاده از روش های عددی جایگزین مناسبی به منظور پیش بینی رفتار این نوع سازه ها می باشد. روش اجزای محدود در مقایسه با روشهای آزمایشگاهی دارای مزیت های دیگری از جمله دسترسی به مجهولات بیشتر در تنش ها، تغییر شکل ها و منحنی های مورد نیاز می باشد. همچنین برتری روش اجزای محدود نسبت به روش های دیگر عددی آن است که تغییر پارامترها در این روش محدودیت های بسیار کمتری دارد. لذا می توان تاثیر پارامترهای مختلف را بر روی سازه مورد بررسی قرار داد. البته این بدان معنا نیست که صرفا با روش اجزای محدود می توان به جواب های قطعی دست یافت ولی می توان این روش و روش آزمایشگاهی را مکمل هم دانست. در این پروژه به منظور مدلسازی رفتار ستون CFST با مقطع دایره ای از نرم افزار المان محدود آباکوس استفاده شده است. آباکوس قابلیت های گسترده ای را برای شبیه سازی در کاربردهای خطی و غیرخطی فراهم می کند. مسایلی که دارای اجزای متعدد و مصالح مختلف هستند را می توان با تعریف هندسه هر جز و اختصاص دادن مصالح تشکیل دهنده آن و سپس تعریف اندرکنش بین این اجزا شبیه سازی کرد. در تحلیل های غیرخطی آباکوس به صورت خودکار نمو بار و دامنه تغییرات همگرایی مناسب را انتخاب و به طور پیوسته در طول تحلیل این پارامترها را تنظیم می کند تا از بدست آمدن نتایج دقیق اطمینان حاصل شود. به علت قابلیت های بالای نرم افزار آباکوس نسبت به سایر نرم افزارهای اجزای محدود در این پژوهش از نرم افزار فوق برای انجام شبیه سازی ها استفاده گردیده 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 پلاستیک آسیب دیده بتن(CDP):

مدل پلاستیسیته آسیب برای اولین بار به صورت کاربردی توسط لوبلینر در سال ۱۹۹۸ ارائه گردید. مدل لوبلینر که به مدل بارسلونا معروف است توانست تمام حالت های آسیب را توسط یک متغیر اسکالر بنام آسیب بر اساس انرژی شکست بیان کند. اما این مدل قادر به نشان دادن رفتار بتن در حالت چرخه ای نبود. زیرا که در بارگذاری تناوبی نمی توان آسیب کششی و آسیب فشاری را با یک کمیت اسکالر بیان کرد. فنوز و لی با توسعه مدل بارسلونا برای حالت چرخه ای به کمک دو پارامتر آسیب فشاری و کششی مدل کاملتری ارائه دادند. همه مدل های پلاستیسیته ی آسیبی که بعد از این تاریخ پیشنهاد شد بر پایه مدل لوبلینر در حالت استاتیکی و مدل فنوز لی در حالت تناوبی می باشد. در مکانیسم آسیب فرض بر این است که کاهش سختی در اثر ایجاد و گسترش ترک ها به وجود می آید. در این مدل کاهش سختی با پارامتری به نام آسیب (d) اندازه گیری و مشخص می شود. تعیین رفتار غیرخطی بتن مهمترین مرحله در مدلسازی عددی سازه های بتن آرمه می باشد. در نرم افزار المان محدود آباکوس، رفتار غیرخطی مصالح ترد را می توان به سه روش مدل ترک اندود، مدل شکست ترد و مدل خسارت پلاستیک بتن تعریف کرد. هر یک از این مدل ها دارای مزایایی می باشند که می توانند برحسب نیاز مورد استفاده قرار گیرند. مدل خسارت پلاستیک بتن تنها مدلی است که در هر دو تحلیل استاتیکی و دینامیکی قابل استفاده است. تنها مدلی که تا حدود بسیاری مسئله مدل کردن بتن را در برنامه آباکوس حل می کند مدل پلاستیسیته پلاستیک آسیب دیده بتن(Concrete Damaged Plasticity) برای انواع بارگذاری می باشد که توانایی بررسی بتن مسلح تحت انواع بارگذاری را دارد و می تواند رفتار بتن از کشش به فشار و همچنین از فشار به کشش را مورد ارزیابی قرار دهد.

مدل سازی ستون بتنی و لوله فولادی:

مش بندی:

نمونه نتایج شبیه سازی: