توضیحات

پروژه شبیه سازی تیر بتن مسلح با میلگردهای طولی و خاموت در نرم افزار دایانا (DIANA)

بتن:

بتن در مفهوم وسیع به هر ماده یا ترکیبی که از یک ماده چسبنده با خاصیت سیمانی شدن تشکیل شده باشد، اطلاق می باشد. به بیان دقیقتر، بتن ماده بسیار سخت و سنگ مانندی است که از ترکیب مقدار معینی سیمان، شن، ماسه، آب و هوا به دست می آید. چسبندگی بین مولفه های مذکور، حاصل فعل و انفعال شیمیایی بین سیمان و آب(هیدراسیون) می باشد. توده اصلی بتن، سنگدانه های ریز و درشت(ماسه و شن) می باشد. با انتخاب تناسب سایز مختلف از مصالح تشکیل دهنده بتن، طیف وسیعی از مقاومت های استفاده از بتن مسلح نیز حاصل کشف و اختراع ناگهانی یک نفر نیست و به تدریج به شکلی که امروزه وجود دارد تبدیل شده است. سازه هایی که با استفاده از ملات کاه گل ساخته شده اند، نمونه ساده و قدیمی سازههای مسلح امروزی می باشد که به خاطر مقاومت کشش کم و آبرفتگی نسبتا بالای گل، برای جلوگیری از ترک خوردگی، مقداری کاه به آن اضافه می کردند تا الیاف کاه بتوانند نیروی کششی بوجود آمده از گل را تحمل کنند و ترک های آبرفتگی و کششی گل را کاهش دهد بتن مسلح نتیجه تلاش، آزمایش و تجربه تعدادی از مهندسان و معماران قرن نوزدهم میلادی می باشد. در سال ۱۸۴۸ میلادی، لمبوت با ساختن یک قایق پارویی که با شبکه ای از میله های آهنی مربع مستطیل شکل مسلح شده بود، اولین سازه بتن آرمه را به صورتی که امروزه می شناسیم به وجود آورد. تا اوایل قرن بیستم هیچ روش تئوریک که مورد قبول همگان، برای طراحی قطعات بتن مسلح باشد وجود نداشت، اما در قرن بیستم با پیشرفت تحقیقات تحولی اساسی در شناخت و بررسی رفتار بتن مسلح به وجود آمد. پس از گذشت مدتی از پیدایش بتن مسلح بشر قادر به تولید فولادی با تنش تسلیم حدودا ۴ برابر فولادهای معمولی با هزینه نسبتا پایین شد. به طور مشابه امکان تولید بتن هایی با مقاومت فشاری ۲ یا ۳ برابر بتن های معمولی نیز به وجود آمد. مسلح کردن بتن با فولادی که مقاوم سازی شدن آن بالا است، از لحاظ مهندسی مشکلاتی دارد زیرا با بالارفتن تنش در فولاد کرنش آن افزایش یافته و از آنجا که کرنش بتن و فولاد با هم برابرند کرنش بتن نیز افزایش یافته و ترک های بزرگی در بتن پدید می آید. این امر موجب نفوذ رطوبت و خوردگی میلگردها می شود و از طرف دیگر استفاده از فولادهای پر مقاومت، شکل پذیری سازه را کاهش داده و آن را دچار شکست ترد می کند. برای استفاده از بتن و فولاد بر مقاومت در ترکیب با یکدیگر راه حل مخصوصی ابداع گردید که به بتن پیش تنیده مرسوم شد. در این روش قبل از بتن ریزی فولاد تا نزدیکی حد جاری شدن کشیده می شود. پس از بتن ریزی و گرفتن بتن، عامل کشش در فولاد حذف شده نیروی کششی فولاد به صورت عامل ایجاد فشار در بتن ظاهر می شود. به این ترتیب همه نقاط بتن قبل از بارگذاری تحت تنش های فشاری قرار می گیرند. بنابراین چنانچه عضو تحت تنش قرار گیرد، تا مرحله ای که تنش فشاری موجود، تنش کششی حاصل از تنش را خنثی کنند، عضو مورد نظر بدون ترک خوردگی می تواند باربری داشته باشد و میزان تغییر شکل های خنثی نیز به مراتب کاسته می شود. از مزایای آن می توان به موارد زیر اشاره نمود:

سازگاری بسیار مطلوب بتن با طبیعت و نیز تداوم مقاومت و بهره دهی آن در محیط های مختلف
داشتن حالت خمیری در هنگام مصرف و قابلیت شکل گیری در قالب دلخواه و به دنبال آن سازگاری با معماری
مقاومت خوب در مقابل آتش سوزی و عوامل جوی، که از این جهت بتن به عنوان محافظی برای فولاد در سازه به شمار می رود.
مقاومت فشاری خوب
در دسترس بودن مصالح آن.

در مقابل این مزایا بزرگترین عیب بتن، ضعف بتن در کشش است. مقاومت کششی بتن های معمولی حدوداً بین 15% تا ۱0% مقاومت فشاری آنها می باشد. این امر موجب می شود که بتن در اعضایی که تحت کشش و یا خمش قرار گیرند، عملکرد مطلوبی از خود نشان ندهد. از این رو برای بالابردن تاب کششی اعضای بتنی، آنها را با میلگرد مسلح می کنند. هدف اصلی استفاده از میلگرد در بتن، واگذاری نیروهای کششی به وجود آمده در بتن به میلگردها می باشد. به این ترتیب نیروهای کششی پس از ترک خوردگی اندک ناشی از تنش های کششی در بتن، به میلگردها وارد می شوند و از پیشرفت ترک خوردگی در بتن و انهدام المان جلوگیری به عمل می آید.

سازه های بتن آرمه:

در سال های اخیر تقویت و تعمیر سازه های ضعیف و خسارت دیده در دنیا، به دلایل مختلف از جمله دلایل اقتصادی متداول شده است. سازه ها به علل گوناگون از جمله: نیروهای زلزله ، باد آتش سوزی، و یا بارگذاری های بیش از اندازه می توانند آسیب ببینند. در بین انواع ساختمان های متداول در ایران، اجرای ساختمان های بتن آرمه متداول گشته است. زیرا عقیده بر این است که فولاد با خواص شکل پذیری زیاد و نسبت بالای مقاومت به وزن آن همراه با بتن که دارای مشخصات فشاری عالی می باشد، سازه مرکبی را تشکیل می دهد که اگر طراحی و اجرای چنین سازه ای با دقت صورت گیرد، ظرفیت و مقاومت خوبی را در برابر نیروهای اتفاقی مثل نیروی زلزله را دارد. متأسفانه بدلایل مختلف در اکثر این ساختمان ها مسئله شکل پذیری رعایت نشده و به مقاومت در برابر زلزله توجه خاصی مبذول نگشته است. از طرفی باتوجه به اینکه کشور ایران در منطقه زلزله خیز قرار دارد، تقویت ساختمان های موجود در برابر زلزله، از کارهای لازم و ضروری بوده که عدم توجه به آن ممکن است در آینده خسارات جانی و مالی فراوان و جبران ناپذیری را به همراه داشته باشد. بنابراین، مقاوم سازی اعضای اصلی ساختمان ها و سازه های مختلف دیگر یکی از راه حل های مقابله با زلزله و خسارات ناشی از آن است. مقاوم سازی به روش های گوناگون و با درنظرگرفتن پارامترهای مختلفی انجام می گیرد که هر روش مزایا و محدودیت هایی دارد. اهمیت استفاده از بتن در حال حاضر در سازه های مختلف بر هیچ کسی پوشیده نمی باشد و با کمی دقت می توان تنوع موارد استفاده از این فرآورده را به راحتی دریافت. مصرف روزافزون بتن در کارهای مختلف عمرانی به علت دارابودن خواص مناسب و دوام کافی به همراه شناخت بیشتر مصالح تشکیل دهنده آن و تکنولوژی ساخت و مسائل دیگری در این راستا، استفاده از آن را بیش از پیش محقق می سازد. به علت نقاط ضعف و قوتی که بتن به تنهایی دارا می باشد، برای استفادة بهتر از این فرآورده نیاز به همراه نمودن مصالح دیگری با آن احساس می گردد تا بتوان در شرایط مختلف رفتار مناسبتری را از آن طلب نمود. یکی از این مصالح فولاد می باشد که در حالت متداول بصورت، میلگرد در قطعه های بتنی هم اکنون در سازه های مختلف بکار می رود. به علت تنوع و همچنین وسعت کاربرد اینگونه سازه ها هرگونه تحقیقی پیرامون تغییر وضعیت فولاد مصرفی قابل تأمل است و از اهمیت برخوردار می باشد.

روش های مقاوم سازی:

اصطلاحات علمی مثل نگهداری، مرمت، مقاوم سازی و تعریض متناوبا استفاده می شوند که ممکن است سبب برداشت نامناسب شوند، از این رو ذیلا تعریف هر کدام آورده می شود:

الف – نگهداری: عبارت است از بازدید یک سازه و حفظ اصلیت آن در حد استانداردهای لازم.

ب – مرمت: اصلاح سازه خسارت دیده جهت بازگرداندن بخش با تمامی قابلیتهای سرویس دهی، ظرفیت باربری و در صورت لزوم دوام سازه.

ج – مقاوم سازی : یعنی اصلاح سازه ای که لزوما خسارت ندیده به منظور افزایش ظرفیت باربری با پایداری نسبت به وضعیت اولیه.

د – تعویض : اگر عمر ذاتی اعضای سازه از عمر سرویس مورد نظر برای کل سازه کوتاهتر باشد باید عمل تعویض اعضاء صورت پذیرد.

روش های معمول مقاوم سازی:

هدف اولیه مقاوم سازی سازه افزایش ظرفیت تحمل بار متناسب با شرایط قبلی است. روش هایی که به طور موفقیت آمیز در طی سالیان اخیر مورد استفاده قرار گرفته اند به شرح ذیل می باشند:

افزایش دال
بتن پاشی توأم با آرماتور اضافی.
استفاده از صفحه فولادی.
پیش تنیدگی خارجی.
کابل ها و صفحات الیاف مرکب.
ملات سیمی.
مقاوم سازی با اعمال تغییرشکل.

مزیت روش های مختلف مقاوم سازی:

مزیت انواع روش ها به عوامل زیادی بستگی دارد از جمله:

بررسی شرایط و تشخیص مسئله
نیازهای مقاوم سازی .
حالت هنری طرح، جزئیات و ساختمان
دسترسی به مصالح مورد نیاز
دسترسی به اشخاص ماهر و موقعیت سازه در نواحی جغرافیایی و منطقه.
شرایط غالب آب و هوایی.
دسترسی
مقیاس زمانی
سرمایه
کاربری سازه.
اعتبار روش در مطالعات شبیه حالت موردنیاز.

رفتار تیر بتن مسلح تحت خمش:

در تیرهای بتنی(غیرمسلح) به علت مقاومت کششی ناچیز، زودتر از آنکه بتن ناحیة فشاری به مقاومت نهایی خود برسد خرابی رخ می دهد. به همین علت است که در تیر های بتنی فولاد مسلح کننده در ناحیه کششی قرار داده می شود. این فولاد باید تا حد امکان در نزدیکی تارهای خارجی کششی قرار داده شوند. در تیرهایی که از آرماتور بعنوان فولاد مسلح کننده استفاده می شود فقط چند سانتی متر بتن بعنوان محافظت از زنگ زدگی در زیر آرماتور قرار می گیرد و در تیرهایی که از ورق استفاده شده است. از ضد زنگ و رنگ برای جلوگیری از زنگ زدگی استفاده می گردد و ورق در خارجی ترین تارهای کششی قرار گرفته است. در چنین تیرهایی که به نام تیرهای بتن مسلح خوانده می شود کشش ناشی از خمش توسط فولاد مسلح کننده و فشار ناشی از خمش توسط بتن ناحیه فشاری تحمل می گردد. البته چنین عملی وقتی امکان پذیر خواهد بود که بین بتن و فولاد چسبندگی وجود داشته باشد و فولاد در داخل بتن نلغزد که به علت طبیعت فولاد و بتن و همچنین تمهیداتی که در این زمینه بعمل آمده است چنین عملی پس از گرفتن بتن تأمین می شود.

نرم افزار المان محدود دایانا( DIANA):

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 بالقوهی 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 تحیلیلی 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.

روند کلی یک آنالیز اجزاء محدودی:

پیچیدگی هندسی، رفتار پیچیده ماده، شرایط مرزی و نیز بارگذاری های متنوع موجود در سازه، واقعیت رسیدن به حل دقیق را با دشواری های فراوان روبرو ساخته است. استفاده از حل های تقریبی با دقت قابل قبول که در زمان محدود به دست می آید، گشایشی عظیم در حل این مسائل به شمار می رود. روش اجزای محدود یکی از بهترین انتخاب ها در این زمینه است. این روش، یک راه حل عددی برای رسیدن به حل تقریبی در بسیاری از مسائل فیزیکی و مهندسی است که رفتار حاکم بر آنها به کمک یک (و یا چند دستگاه از معادلات دیفرانسیل بیان میشود. به طورکلی یک تحلیل اجزاء محدود شامل سه مرحله پیش پردازش، حل(انجام تحلیل) و پس پردازش به صورت زیر می باشد:

۱) مرحله پیش پردازش شامل ترسیم هندسه، عملیات مش بندی و شبکه بندی المان ها، مشخص کردن شرایط مرزی (بارگذاری و قیود)، تعیین و اختصاص مدل های ساختاری به المان های مورد نظر، انتخاب نوع (تحلیل استاتیکی یا دینامیکی، دو بعدی یا سه بعدی)، نوع و روش های حل مانند (سکانت، نیوتن رافسون و …) می باشد. همچنین انتخاب پارامترهای بررسی نتایج (مانند تنش، کرنش، جابجایی و در بخش پس پردازش در این مرحله تعیین می شوند.

۲) مرحله حل، عضو مدل سازی شده به همراه مشخصاتی که جهت تحلیل در قسمت پیش پردازش تعیین و اختصاص داده شده توسط نرم افزار تحت آنالیز قرار می گیرد.

۳) در مرحله پس پردازش نتایج منتخب تحلیل مدل ایجاد شده در فضای گرافیکی متفاوت ارائه و قابل دسترسی می باشد. در این قسمت بایستی از منطقی بودن پاسخها با کنترل نتایج اطمینان حاصل شود. در صورت منطقی بودن نتایج، پاسخ قابل گزارش بوده، در غیر این صورت بایستی مرحله اول مورد بازبینی و اصلاح قرار گیرد و این روند تا حصول یک نتیجه منطقی تکرار شود.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی تیر بتن مسلح با میلگردهای طولی و خاموت در نرم افزار دایانا (DIANA) انجام شده است. تیر بتن مسلح شامل آرماتورهای طولی و عرضی در نرم افزار المان محدود دایانا مدلسازی و براساس تطابق منحنی بار-تغییرمکان حاصل از نتایج آزمایشگاهی و نتایج المان محدود صحت سنجی صورت پذیرفته است.