توضیحات

پروژه شبیه سازی ستون بتنی تقویت شده با آرماتورهای فولادی و محصورشده با الیاف پلیمری کربنی(CFRP) تحت بار محوری در نرم افزار آباکوس (ABAQUS)

 

محصورسازی بتن:

خرابی های بوجود آمده در سازه ها در زمان وقوع زلزله در سالیان گذشته، نیاز مبرم به تقویت اجزای ساختمان را نشان می دهد. ستون های بتنی به عنوان مهمترین عضو یک ساختمان مقاوم در مقابل بارهای محوری و جانبی سازه های بتن مسلح محسوب می شوند، به همین دلیل تقویت ستون های بتن مسلح در مقابل این گونه بارها نقش کلیدی را در تقویت تمام ساختمان ایفا می کند. متداول ترین روش تقویت ستون های بتن مسلح با الیاف پلیمری، محصورکردن ستون با الیاف پلیمری می باشد. محصورکنندگی در ستون های بتن مسلح تاثیر بالایی در افزایش ظرفیت این ستون ها دارد. درواقع محصورکردن ستون با الیاف پلیمری، شکل پذیری و مقاومت ستون بتنی را بالا می برد و همچنین از کمانش زودرس میلگردهای طولی جلوگیری می کند. مقاوم سازی با الیاف پلیمری کربنی در ناحیه پای گیردار ستون بسیار موثرتر از مقاوم سازی کل ستون است. همچنین استفاده از الیاف پلیمری کربنی به صورت دورپیچ کامل تاثیر بسیار بالاتری نسبت به استفاده از الیاف کربنی به صورت نواری دارد.

باتوجه به روش های جدید ساخت سازه های بتنی و همچنین خواص قابل توجه بتن استفاده از سازه های بتن مسلح در ساختمان سازی روند رو به رشدی داشته است. علت این امر را می توان به مقاومت فشاری مناسب بتن و همچنین مقاومت کششی بالای آرماتورهای فولادی دانست. خواصی مانند چسبندگی مناسب بتن به فولاد که تغییر شکل یکنواخت را در اثر بارگذاری منجر می شود، همچنین نزدیک بودن ضریب انبساط حرارتی بتن و فولاد به یکدیگر که تنش های حرارتی را کاهش می دهد منجر استفاده بیشتر از سازه های بتن مسلح در ساختمان سازی شده است. ساختمان های بتن مسلح به عنوان بخش عمده ای از سازه ها اگر با محاسبات با دقت بالا و روابط شکل پذیری اجرا و طراحی بشوند، سازه های مقاومی می باشند. متاسفانه کیفیت ساخت و ساز در بسیاری سازه ها نامناسب است. کیفیت پایین بتن، آرماتوربندی بد، اجرای نامناسب بتن و استفاده از مصالح غیراستاندارد از مهمترین مسائل این ساختمان ها است. اخیراً بهسازی لرزه ای و مقاوم سازی رشد روزافزونی یافته است و باتوجه به این که اکثر سازه های موجود دارای بافتی غیر استاندارد و فرسوده می باشند، بررسی مقاوم سازی در اعضای فشاری، اتصالات تیر به ستون و … که از مهم ترین اجزای ساختمان است، بسیار حائز اهمیت است. باتوجه به اینکه مقاوم سازی با الیاف پلیمری دارای مزیت هایی همچون راحتی بکارگیری، در دسترس بودن، اقتصادی بودن و ویژگی های دیگر صفحات پلیمری، باعث شده است که در بین دست اندرکاران ساخت و ساز بیش از هر ماده دیگری گزینه مطلوب به جهت مقاوم سازی باشد. در این پروژه سعی می شود تا رفتار ستون های واقع تحت بارهای محوری مورد بررسی قرار گیرد. در این راستا، از روش اجزای محدود استفاده می شود. سازه های بتن مسلح به دلایل متفاوتی دچار آسیب می شوند و نیاز به ترمیم، مقاوم سازی و یا بهسازی دارند.آسیب ها از دو بعد سازه و ماده قابل بحث می باشند. آسیب ماده در ساختمان های بتن آرمه در مواردی مانند خوردگی فولاد و یا خرابی و فساد بتن طرح می شوند که به وسیله روش های مخصوصی و مصالح تعمیراتی مثل انواع دوغاب و … قابل اصلاح است. الیاف پلیمری کربن(CFRP) را می توان برای تقویت، ترمیم و یا بهسازی ساختمان های بتن آرمه که از لحاظ سازهای مورد آسیب قرار گرفته اند با نصب کردن بر روی سطوح انواع تیرها و دال ها، دیوارهای حمال، ستون ها، فونداسیون و شناژها و در ساختمان های تجاری، ادارای و مسکونی، ساختمان های صنعتی، تکیه گاههای ماشین آلات و.. به کار برد. در این پروژه سعی می شود با مطالعه عددی برای ستون های تقویت نشده و ستون های تقویت شده بوسیله نرم افزار المان محدود آباکوس به بررسی نحوه و مقدار مقاوم سازی بر روی ستون های بتن مسلح تحت اثر بارگذاری محوری پرداخته شود. باتوجه به زمان بر بودن انجام مطالعات آزمایشگاهی که در اغلب مطالعات گذشتگان از روش مطالعه آزمایشگاهی استفاده گردیده است، روش اجزاء محدود جایگزین مناسبی برای مطالعات آزمایشگاهی محسوب می شود و مورد استفاده قرار گیرد.

الیاف FRP:

کامپوزیت ها تشکیل شده از بخش های الیاف و فیبر است که با رزین هایی از جنس پلیمر احاطه شده اند. الیاف FRP به روش پلی اکریلونیتریل ساخته شده اند و پروفیل ها و میلگردها به روش پالتروژن تولید می شوند که در این روش الیاف پلیمری پس از مخلوط شدن با رزین و پس از عبور کردن از یک قالب در کنار همدیگر قرار می گیرند صفحات پلیمری را بوجود می آورند. FRPهای مورد استفاده در انواع سازه ها به شکل صفحات FRP، میلگردهای FRP، مش های FRP و پروفیل های FRPوجود دارد. از الیاف FRP برای مقاوم سازی ساختمان ها استفاده می گردد. چهار نوع الیاف پلیمری الیاف شیشه، کربن، بازالت و آرامید وجود دارند. از FRP در تقویت قسمت های مختلف ساختمان مانند تیرها، ستون ها، اتصالات، دال ها و انواع سقف ها، دیوارهای برشی بتن مسلح، دیوارهای مصالح بنایی، عرشه و پایه پل ها و … استفاده می گردد. تکنیک تقویت ستون های بتن مسلح با استفاده از الیاف پلیمری کربن به طور گسترده ای به جای دورپیچ کردن با فولاد مورد استفاده قرار گرفته است.

در مقایسه با استفاده از آرماتورهای عرضی چه به صورت تنگ و یا دورپیچ، تکنیک مقاوم سازی با الیاف پلیمری کربن قابلیت این را دارد که محصورشدگی را به صورت پیوسته برای تمام مقطع عرضی ستون تامین کنند. همچنین الیاف پلیمری کربن دارای خواصی مانند نسبت زیاد مقاومت به وزن و مقاومت بالا در برابر خوردگی و خنثی بودن الکترو مغناطیسی هستند به طوریکه می توان در تقویت با بهسازی مقاطع بتن مسلح به طور مطلوبی از این الیاف بهره گرفت. FRP می تواند در تیرها و دال های بتنی به عنوان جایگزین تمام یا بخشی از میلگرد کششی مورد نیاز بکار رود.

موارد نیاز سازه های بتنی به ترمیم:

سازه های بتنی ممکن است به دلایل مختلفی دچار آسیب شده و نیاز به مرمت، تقویت و یا بهسازی داشته باشند. این آسیب ها از دو بعد ماده و سازه مطرح می باشند. آسیب ماده در سازه های بتنی در مواردی همچون خوردگی فولاد و یا فساد و خرابی بتن مطرح می شود که با استفاده از روش های مخصوص به خود و مواد تعمیراتی مانند انواع دوغاب و … قابل ترمیم می باشند.

نیروی زلزله:

باتوجه به اینکه کشور ما در منطقه ای زلزله خیز واقع است و این امکان وجود دارد که در طراحی بسیاری از سازه ها که در سال های گذشته انجام گرفته، نیروی زلزله به درستی در نظر گرفته نشده باشد لذا تعداد زیادی از سازه ها نیاز به تقویت و مقاوم سازی در برابر نیروی زلزله دارند. تقویت سازه برای مقابله با ارتعاشات و نیروهای وارده در اثر زلزله با روش های مختلف و جدید از مباحث نسبتا تازه در مباحث علمی است.

تغییر کاربری سازه:

در بسیاری از موارد ممکن است بحث تغییر کاربری یک سازه از مسکونی به اداری یا تجاری و … مطرح باشد، با فرض آنکه سازه در مرحله طراحی خود به درستی طراحی شده و تمام نکات از جمله انواع بارها به خصوص بار زلزله در نظر گرفته شده باشد سازه با کاربری جدید تحت بارگذاری های جدیدی قرار می گیرد که در مرحله طراحی اولیه مطرح نبوده اند. بنابر این در بحث تغییر کاربری سازه ها نیز موضوع تقویت و ترمیم سازه های بتنی مطرح می شود.

عدم رعایت ضوابط اجرایی:

در صورت طراحی مناسب و درست سازه، این امکان وجود دارد که سازه در مرحله اجرا به درستی و همانگونه که محاسبه و طراحی شده، اجرا نشود و اشکالات متعددی همچون عدم آرماتور بندی درست، عدم کاربرد میلگرد با سایز و تعداد مناسب، عدم رعایت طول مهارهای لازم برای میلگرد، عدم اجرای درست اتصالات، استفاده از سیمان نامناسب، عدم استعمال سیمان به مقدار کافی و عمل آوری نامناسب بتن و … در مرحله اجرا پدید آید. جهت استفاده مناسب و ایمن از چنین سازه ای که در مرحله ساخت دچار اشکال شده است، بحث ترمیم و تقویت سازه و اهمیت آن مطرح می گردد.

تغییرات آئین نامه های بارگذاری و ضرایب آنها:

در مواردی ممکن است به علت یافته های جدید علمی بخش هایی از آیین نامه ها و ضرایب بارگذاری تغییر نماید. سازه هایی که بر اساس آیین نامه های قبلی طراحی شده اند می بایست خود را با شرایط آیین نامه جدید هماهنگ نمایند که جهت این هماهنگی ممکن است در مواردی به تقویت و ترمیم سازه نیاز باشد.

خوردگی:

به علت اینکه بخش وسیعی از کشور ما مخصوصا جنوب کشور دارای شرایط محیطی خاص خود و خورندگی شدید می باشد، بسیاری از سازه های این مناطق نیاز به ترمیم و یا بهسازی خواهند داشت.

نگهداری و حفظ بناهای قدیمی:

از آنجایی که کشور ما دارای قدمت بسیار طولانی با بناهای پر ارزش به جا مانده از زمان های بسیار قدیم می باشد، نگهداری و حفظ این بنا ها مستلزم تقویت، ترمیم و بهسازی است.

روشهای مرسوم مرمت و ترمیم سازه های بتنی:

روش های متعددی جهت مرمت و ترمیم سازه های بتنی وجود دارد که از آنها می توان به چند مورد معمول به اختصار اشاره نمود:

– دور پیچ کردن با فولاد

– افزایش سطح مقطع با بتن ریزی و اضافه کردن آرماتور

– تقویت با فولاد

– تزریق اپوکسی

– بخیه زدن

– پیش تنیدگی خارجی

– استفاده از FRP ها.

دورپیچ کردن با فولاد (زره پوش فولادی):

در این روش از ورق فولادی نازک جهت پوشش ستون ها استفاده می شود. پوشش ستون ها به صورت کامل بوده و دور تا دور ستون توسط ورق های فولادی که ضخامتی بین 4 تا 8 میلیمتر دارند پوشیده می شود. این ورق ها بطور پیوسته به یکدیگر جوش داده می شوند. پوشش استوانه ای شکل حاصل بر روی بتن در مهار تنش های محیطی ستون عملکرد مناسبی از خود نشان داده است. در صورت مستطیل بودن ستون می توان دو ورق L شکل و یا چهار تسمه فولادی قائم را به یکدیگر (توسط چهار نبشی) جوش داد. در این روش شکل پذیری و مقاومت محوری ستون به طور موضعی افزایش می یابد. فضای خالی بین بتن و پوشش فولادی توسط پر کننده هایی نظیر دوغاب سیمان منبسط شونده و یا بتن اشغال می گردد. این روش ابعاد سازه را تغییر نمی دهد ولی وزن سازه با استفاده از ورق های فولادی افزایش قابل ملاحظه ای می یابد.

افزایش سطح مقطع با بتن ریزی و اضافه کردن آرماتور:

از این روش نیز برای ستون هایی که دچار آسیب دیدگی شده باشند استفاده می شود. این روش ظرفیت باربری ستون را افزایش داده و در عین حال می تواند مرمت عضو را نیز شامل گردد. استفاده از این روش بر حسب موقعیت ستون و فضاهای قابل دسترسی اطراف ستون می تواند در یک، دو، سه و یا هر چهار طرف ستون انجام گیرد. مسلح کننده بتن در این روش میتواند پروفیل، ورق فولادی و یا آرماتور باشد. با این روش مقاومت محوری و برشی ستون افزایش می یابد ولی مقاومت خمشی ستون به علت عدم عبور مسلح کننده ها از سقف افزایش نمی یابد. در صورت تقویت نمودن ستون بین طبقات ممکن است کل سازه رفتار نامناسبی از خود نشان دهد و کمکی در برابر زلزله ننماید. از این رو توصیه می شود دیوار برشی هم در این گونه مواقع به سیستم اضافه شود و یا آرماتور های طولی تقویتی از میان سوراخ های ایجاد شده در دال سقف عبور نموده و در محل اتصال تیر به ستون بتن ریزی گردد.

تزریق اپوکسی:

عمل تزریق جهت مرمت تیرهای با ترک جزئی به کار میرود. در صورت تمیز بودن سطوح تماس بتن می توان با تزریق رزین های اپوکسی با روانی بالا مقاومت برشی -کششی سازه را بهبود بخشید. چون ترک در اثر تنش های کششی پدید می آید چنانچه این تنش ها پس از تعمیر ترک باز هم بوجود آیند ترک مجددا ایجاد خواهد شد. چنانچه برطرف کردن این تنش ها غیر ممکن باشد توصیه می شود که در طول سطح ترک یک برش به عنوان درز انقباض یا جابجایی استفاده شود.

بخیه زدن:

در آماده سازی بتن برای بخیه زدن اولین گام بر طرف نمودن بتن فاسد و پوسیده است. از سیمان پرتلند یا رزین های معمولی می توان برای عمل بخیه زدن استفاده کرد.

پیش تنیدگی خارجی:

این تکنیک، روشی برای تقویت برشی تیرها است. در این روش سیم های پیش تنیدگی در خارج عضو قرار می گیرند. استفاده از پیش تنیدگی خارجی در تیر منجر به سیستم سازه ای جدیدی می شود که رفتار آن با تیر اولیه متفاوت می باشد. گسیختگی پس از این نوع تقویت معمولا از نوع برشی است و به علت ناگهانی بودن آن نامطلوب می باشد.

انواع الیاف FRP:

مهمترین انواع الیاف که در صنعت مورد استفاده قرار میگیرند عبارتند از :

– الیاف کربن Carbon Fiber Rinforced polymer) CFRP )

– الیاف شیشه Glass Fiber Rinforced polymer) GFRP )

– الیاف آرامید Aramid Fiber Rinforced polymer ) AFRP )

این الیاف دارای مقاومت کششی بسیار بالایی بوده و رفتار تنش-کرنش آنها بصورت خطی می باشد. همانگونه که اشاره شد الیاف تا لحظه گسیختگی رفتار خطی داشته که این نوع رفتار دو عیب عمده دارد:

الف – اعضای تقویت شده با الیاف شکل پذیری کمتری دارند، اما در صورتی که برای محصورشدگی عضو بکار روند(مثل ستون) مقاومت و شکل پذیری را افزایش می دهند.

ب- باز توزیع تنش ها به علت کمبود شکل پذیری محدود است.

الیاف کربن:

الیاف کربن خود دارای انواع مختلفی می باشند. به طورکلی می توان گفت که کربن عنصری با دانسیته ( gr/cm3 ) 2.27 است و اشکال مختلف بلوری دارد. در حال حاضر شرکت های مختلفی در جهان این الیاف را تولید می کنند به نحوی که میزان تولید جهانی آن بیش از ton/year 20000 در سال است. علیرغم حجم بالای استفاده از این الیاف قیمت آن نسبت به سایر انواع الیاف زیاد می باشد.

از مزایای الیاف کربن می توان موارد زیر را نام برد

– مقاومت بسیار بالای کششی

– وزن بسیار ناچیز

– استحکام بالای خستگی

– ضریب انبساط حرارتی بسیار پایین

– مقاومت بالا در مقابل خوردگی

– شکل پذیری بسیار مناسب.

 

و از معایب این الیاف می توان از موارد زیر نام برد:

– ترد بودن در شکست

– هدایت الکتریکی

– کرنش کم در شکست

– قیمت بالا

– حساسیت نسبت به برخورد با اجسام.

یکی از موارد مهمی که باعث عدم استفاده الیاف کربن به میزان سایر انواع الیاف در ایران شده است، مورد آخر یعنی قیمت بالای این الیاف است. با وجود مقاومت بسیار بالای کششی این الیاف، قیمت بالای آنها فاکتوری منفی جهت عدم استفاده روز افزون الیاف کربن در کشور شده است. الیاف کربن تحت تاثیر رطوبت هوا، حلال ها، بازها و اسیدهای ضعیف در دمای محیط قرار نمی گیرند. با توجه به شکننده بودن کامپوزیت ها، استفاده از الیاف با کرنش زیاد در هنگام شکست بسیار حائز اهمیت است که الیاف کربن فاقد این خاصیت می باشند. البته بهینه کردن فرآیند تولید در طول دهه های گذشته منجر به بهبود فراوان در استحکام و در کرنش شکست الیاف کربن شده است. همانطور که گفته شد در حال حاضر گونه های مختلفی از الیاف کربن در بازارهای جهانی وجود دارد.

 

در مورد یک رویداد لرزه ای، جذب انرژی مجازی که توسط یک هسته بتنی محصور شده می شود به خوبی می تواند زندگی ها را نجات دهد. برعکس، یک ستون بتنی محصورشده به شیوه ای شکننده رفتار می کند که منجر به شکست های ناگهانی و فاجعه بار می شود. هنگامی که بتن پیچیده شده با FRP در معرض بار فشاری محوری قرار می گیرد، هسته بتنی به صورت جانبی منبسط می شود. این انبساط با پوشش FRP مقاومت می کند. بنابراین هستة بتنی به حالت تنش فشاری سه بعدی تغییر می کند. در این حالت، عملکرد هسته بتنی به طور قابل توجهی تحت تأثیر فشار محصورشدگی قرار می گیرد.

شکل الیاف کربن.

 

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.

المان های سه بعدی در نرم افزار ABAQUS:

کتابخانه المان های سه بعدی ABAQUS استادارد شامل المان هایی با درونیابی مرتبه اول (خطی) و المانهایی با درونیابی مرتبه دوم در دو یا سه بعد با استفاده از انتگرال گیری کامل یا کاهش یافته است. مثلث و چهار ضلعی در دو بعد در دسترس هستند: چهار وجهی، گوه های مثلثی و شش وجی ها (بلوک) در سه بعدی در دسترس هستند. همچنین امکان استفاده از المان های مثلثی و چهار وجهی اصلاح شده مرتبه دوم نیز وجود دارد. به علاوه المان هایی با مود ترکیبی در ABAQUS قابل استفاده است. با انتخاب نوع المان مثلاً در مدلسازی های سه بعدی بیش از بیست انتخاب برای المان وجود دارد. با در نظر گرفتن تعداد المانهای قابل استفاده، واضح است که دقت مدل سازی به شدت به نوع المانی که استفاده کرده ایم وابسته است.

المان توپر(Solid):

این المان یکی از مهم ترین المان های قابل استفاده در نرم افزار ABAQUS می باشد. المان های سالید(solid) در ABAQUS می توانند برای تحلیل های خطی یا غیرخطی پیچیده با وجود تماس، پلاستیسیته و یا تغییر شکل های بزرگ در مسائل از جمله تحلیل های تنش، انتقال حرارت، آکوستیک، ترمودینامیکی، نفوذپذیری جریان سیال در یک محیط، پیزوالکتریک، الکترومغناطیس و ترموالکتریکی بکارگرفته شود. برای مشاهده یک تنش سه بعدی از المان های Solid در ABAQUS استفاده می شود. این المان ها در فضای سه بعدی و دو بعدی موجود هستند. در فضای سه بعدی مسئله تحلیل تنش به صورت کامل بوده و شکل المان ها می تواند چهار، پنج و یا شش وجهی باشد. در فضای دوبعدی مسئله به صورت تنش صفحه ای یا کرنش صفحه ای می باشد و شکل المان ها می تواند به صورت سه یا چهار ضلعی باشد. نکته قابل ذکر این است که درجات آزادی گره های المان های Solid فقط از نوع درجه آزادی انتقالی می باشند. اگر تابع شکل از درجه یک انتخاب شود تنش در کل المان یکنواخت به دست می آید و چنانچه تابع شکل از درجه دو انتخاب شود، تنش به صورت خطی در المان تغییر خواهد نمود.

المان های خرپایی(Truss):

با توجه به زمان زیاد تحلیل مدل های سه بعدی، مدلهای دو بعدی می تواند در کاربری مناسب خودش بسیار دقیق و مقرون به صرفه باشد. به عنوان مثال، تیری با مقطع قوطی را در نظر بگیرید که برای مدل سازی این تیر نیازمند به استفاده از هزاران المان Solid هستیم. المان های Truss (Bar) یا المانهای Bram (Frame) می توانند برای هندسه مذکور دقیقا نتایج تنش و تغییرمکان را با تعداد کمتری از معادلات حل نمایند. این روش علاوه بر کاهش تعداد المان ها و زمان تحلیل جوابی مناسب و دقیق به دست می دهد.

المان های خرپایی یکی از المان های سازهای معمول قابل استفاده در نرم افزار ABAQUS می باشد. المان خرپایی عضوی است دو نیرویی که نیروها فقط در گره های آن اعمال می شود و این گرهها تنها دارای درجه آزادی انتقالی هستند. این المان ها فقط دارای مقاومت محوری می باشند. در این المان ها فقط گره ها نیرو را انتقال می دهند و لذا المان های خرپایی مقاومت برشی و خمشی از خود نشان نمی دهند. در واقع المانهای خرپایی اعضای سازه ای هستند که فقط نیروی محوری را انتقال داده و ممان و برش را انتقال نمی دهند. این المان ها در حالت دو بعدی و سه بعدی قابل استفاده هستند. المان های خرپایی در حالت دو بعدی در مدل های متقارن محوری به منظور نمایش پیچ ها و اتصالات و نیز در مدل سازی خرپاها در صفحه استفاده می شوند. از المان های خرپایی سه بعدی برای مدل سازی خرپاهای فضایی و یا کابل های پیش تنیده در بتن مسلح یا لوله های انتقال نفت و گاز که بحث اندر کنش سیال و سازه در آنها مطرح نیست می توان استفاده کرد. برای لوله هایی که در خشکی استفاده می شود استفاده از این المان ها توصیه می شود. در حالت دو بعدی دو درجه آزادی انتقالی برای این المان ها در نظر گرفته می شود و در حالت سه بعدی سه درجه آزادی انتقالی برای این المان ها در نظر گرفته می شود.

در این المان ها محدودیتی در طول المان وجود ندارد. با توجه به توضیحات بالا از این المانها برای مدلسازی اعضا سازهای که تحت نیروهای محوری کششی یا فشاری هستند استفاده میشود. به عنوان مثال خرپاهایی که در ساختمان ها با سازه های صنعتی استفاده می شود از این قبیل اعضا هستند. در این المان ها تنش در طول عضو متغیر است اما در سطح مقطع عضو تنش ثابت فرض می شود. پس برای تعریف المان های خرپایی علاوه بر تعریف مورداستفاده باید سطح مقطع را نیز به عضو مورد نظر خرپایی اختصاص دهیم.

المان های پوسته ای(shell):

در حالتیکه یکی از ابعاد مدل (ضخامت آن) در برابر دو بعد دیگر بسیار کوچکتر باشد و تنش ها در جهت ضخامت مدل قابل صرف نظر باشد، از المان پوسته ای برای مدلسازی استفاده می شود. سازه ای مانند یک مخزن فشار که ضخامت آن کمتر از یک دهم ابعاد دیگر است را می توان با استفاده از المان های پوسته ای مدلسازی کرد. یک المان غشاء پوسته ای که تنها تحت بارها و تغییر مکان های درون صفحه ای قرار می گیرد، با یک المان پوسته ای صفحه ای تخت تحت بارهای انتقالی و ممان های درون صفحه ای قرار می گیرد از آن جهت متفاوت است که، یک Shell تحت هرکدام از بارهای درون صفحه، بارهای انتقالی حاصل از نیروهای درون صفحه، ممان و نیروهای برشی انتقالی قرار می گیرد. سطح یک Shell می تواند به صورت منحنی مانند کروی یا مخروطی هیپربولیک باشد، همچنین به صورت یک مخروط یا استوانه یا تخت باشد.

بخش های Abaqus:

نرم افزار ABAQUS/CAE به محیط های ده گانه ای تقسیم شده است. این محیط ها عبارتند از :

محیط Part: در این محیط کار مدلسازی هندسی قطعات انجام می گیرد.

محیط Property: در این محیط کار تعریف خصوصیات مواد مورد تحلیل، تعریف پروفیل سطح مقطع، نسبت دادن خواص تعریف شده به قطعات و … انجام می گیرد.

محیط Assembly: در این محیط کار مونتاژ قطعات مختلف در صورت وجود در یک تحلیل انجام می گیرد. درواقع موقعیت هندسی قطعات را کاربر تعیین می کند.

محیط Step: در این محیط گام های حل مساله انتخاب می شوند. در اینجا است که کاربر نوع حلگر را نیز مشخص می کند.

محیط Interaction: در این محیط خاصیت فیزیکی تماس بین سطوح تعیین می شود.

محیط Load: در این محیط بارگذاری و شرایط مرزی تعیین می گردد.

محیط Mesh: در این محیط کار آلمان بندی مدل انجام می شود.

محیط Job: در این محیط با تعریف یک job کاربر شروع حل مسئله را به پردازشگر اعلام می کند.

محیط Visualization: در این محیط کاربر نتایج حل را مشاهده می کند.

 

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی ستون بتن مسلح تحت اثر بارگذاری بارگذاری محوری و مقاوم سازی آن با آرماتورهای فولادی و الیاف پلیمری کربنی(CFRP) در نرم افزار آباکوس انجام شده است.

مدلسازی:

مش بندی:

 

نمونه نتایج شبیه سازی: