توضیحات
پروژه شبیه سازی و آنالیز استاتیکی تاریخچه زمانی دیوار میانقاب مصالح بنایی در نرم افزار سایزمواستراکت (SeismoStruct)
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 سازه های بنایی:
افزایش سطح مورد نیاز در مقایسه به سازه های بتنی و فلزی:
گرچه از مصالح بنایی می توان در جاهایی که در معرض خطرات بزرگ هستند استفاده نمود ولی عملاً به جهت پایین بودن مقاومت فشاری آنها در مقایسه با بتن و فولاد نیاز به سطح بیشتری می باشد، بنابراین برای یک بارگذاری مشخص در صورت استفاده از مصالح بنایی به سطح مقطع بزرگتری نیاز هست. 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 یا دیگر مصالح بنایی ترکیب شوند، در این گونه موارد بتن و فولاد 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.
میانقاب:
از موارد کاربردی مصالح بنایی که امروزه به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند، استفاده به عنوان میانقاب در سازه های اسکلت فلزی و بتنی می باشد. میانقاب ها در صنعت ساختمان سازی به دو نوع سازهای و غیر سازه ای تقسیم می شوند. میانقاب های مصالح بنایی به دلیل عملکرد معماری و یا عملکرد سازه ای مورد استفاده قرار می گیرد. قاب های ساختمانی در نواحی پیرامونی و میانی ساختمان، با دیوارهای مصالح بنایی به عنوان جداکننده یا عایق صوتی و حرارتی پر می شوند که سبب ایجاد تفاوت رفتار اینگونه قاب ها با قاب های خالی می شود. به این نوع دیوارها، میانقاب و به سازوکار تشکیل شده از قاب و میانقاب، قاب مرکب یا قاب میان پر گویند. میانقاب ها به ویژه هنگام وقوع زلزله های متوسط و شدید، با قاب محیطی خود برخورد می کنند. و اندرکنش ایجاد شده بین آنها باعث تغییر رفتار قاب بتنی می شود. درحالیکه میانقاب ها سختی و مقاومت سازه را افزایش می دهند از شکل پذیری ذاتی قاب می کاهد.
میانقاب، دیوار با مصالح بنایی است که پرکننده دهانه قاب می باشد که به عنوان جداساز به کار می رود. عامل اصلی در جداسازی عملکرد داخلی فضاهای ساختمان، میانقاب می باشد. اگر در دهانه قاب، میانقاب وجود نداشته باشد قاب حاصل را قاب ساده می نامیم ولی اگر در دهانه قاب میانقاب وجود داشته باشد قاب حاصل را قاب مرکب یا قاب میان پر می نامیم. اگرچه با وجود تیرها و ستون های فولادی یا بتنی برای تحمل وزن یک ساختمان وظیفه دیوارها صرفا حفاظت ساختمان در مقابل شرایط جوی و حرارت و مقاومت در برابر آتش سوزی است. وظیفه اصلی دیوارها، جداسازی معماری و حفاظت ساختمان در مقابل شرایط جوی و محیطی است ولی علاوه بر ایفاکردن نقش اصلی توسط میانقاب، نقش دیگری را نیز بطور ضمنی ایفا می کند که قبلا از آن انتظار نمی رفت. میانقاب بخاطر داشتن مقاومت و سختی، بر سختی سازه اثر می گذارد و نیروی جانبی را نیز جذب می کند و بر میرایی سازه نیز تاثیر می گذارد. با پیشرفت تکنولوژی جنس و کاربرد میانقاب ها تغییر می کند. میانقاب هایی با جنس نئوپان یا فیبر یا بتن یا آلومینیوم و یا شیشه ساخته و استفاده می شوند. در حال حاضر در بیشتر موارد از میانقاب آجری (ترکیبی از ملات و آجر) و بتنی (بلوک های بتنی و ملات) استفاده می شود. امروزه میانقاب های آجری نقش مهمی در فرآیند ساخت و ساز ساختمان ها برعهده دارند و کاربرد آنها در بیشتر نقاط جهان امری رایج است. به طور مثال، شکل زیر تصویری از یک قاب بتنی احداث شده همراه با میانقاب آجری را نشان می دهد. بنابر آنچه پیشتر بیان گردید، به علت کثرت کاربرد قاب های سازه ای همراه با میانقاب آجری در اقصی نقاط جهان، تحقیق بر روی نحوه ی عملکرد، کارایی و نقاط ضعف و قوت این نوع سازه ها دارای اهمیت خواهد بود.
معرفی نرم افزار سایزمواستراکت( SeismoStruct):
روش کنونی طراحی سازه ها، برمبنای طراحی به روش مقاومت است که شامل تخمین برش پایه در سازه و توزیع آن در ارتفاع و تعیین مقاومت مورد نیاز اجزای سازه ای در برابر این بار می باشد. صرفنظر از کاستی هایی که در این روش وجود دارد، بیان رفتار اجزای سازه ای از طریق تک پارامتر مقاومت مقاومت تسلیم یا مقاومت طراحی بسته به روش طراحی در بسیاری موارد منطقی به نظر نمی رسد. تعیین ظرفیت ها بر این اساس، رفتار واقعی سازه را مشخص نمی کند. زیرا رفتار سازه، ترکیب به هم آمیخته و در هم تنیده اجزای آن است و اجزای سازه هر کدام بسته به کارایی موردنظر و جنس خود دارای ویژگی های رفتاری متفاوتی هستند(رفتار هیسترزیس، مقاومت، شکل پذیری، خستگی و …). بدین ترتیب، یافتن روشی هماهنگ با این خصوصیات ضروری می باشد، همانگونه که مدنظر قراردادن پارامترهای بیان کننده عملکرد و قابلیت سازه اهمیت بسزایی دارد. جهت درنظر گرفتن پارامترهای مذکور نیاز به انجام تحلیل های غیرخطی می باشد. نرم افزار SeismoStruct قابلیت مدلسازی نیروهای استاتیکی و دینامیکی و قابلیت انجام آنالیزهای استاتیکی غیر خطی(Pushover) و دینامیکی غیر خطی(IDA) را دارد. همچنین بارگذاری استاتیکی به صورت نیرو کنترلی و تغییرمکان کنترلی و بارگذاری دینامیکی به صورت شتاب و یا تغییرمکان را داشته و قابلیت انجام آنالیز های مقادیر ویژه را داراست. همچنین این نرم افزار قابلیت در نظرگرفتن خواص غیر خطی هندسی و غیر خطی بودن مصالح، هر دو را بطور هم زمان دارا می باشد و قادر به مدل کردن مصالح مانند بتن و فولاد با عملکرد توام هست که می توان در مقاطع فولادی، بتن آرمه یا مقاطع مرکب بکار برد.
محیط و قابلیت های نرم افزار Seismostruct:
این نرم افزار المان محدود (SeismoStruct) جهت انجام انواع آنالیزهای استاتیکی و دینامیکی غیرخطی می باشد. نرم افزار مذکور دارای محیط گرافیکی ساده و مطلوبی است که قابلیت نشان دادن رفتار سازه ها را با در نظر گرفتن خواص غیر خطی هندسی مصالح، تحت اثر بارهای دینامیکی و استاتیکی را دارد. این نرم افزار شامل سه قسمت اصلی است:
قسمت اول Pre-Processor بوده که برای مدل سازی سازه و تعریف مصالح بکار می رود.
قسمت دوم Processor بوده که آنالیز سازه را انجام می دهد.
قسمت سوم Post-Processor بوده که شامل ارائه نتایج و خروجی هاست.
نرم افزار SeismoStruct قابلیت مدل سازی تمامی مصالح موجود در مقطع و طول المان را به صورت غیرخطی دارد. این قابلیت هنگام یافتن پاسخ سازه تحت زلزله، بسیار مهم می باشد.
این نرم افزار رفتار مقطع المان ها را با فایبربندی(fiber) ، مدل می کند. فایبرها دارای خواص رابطه تنش -کرنش تک محوری بوده با یکدیگر مرتبط بوده و در یک مقطع به صورت کرنش سطح مرتبطند و معمولاً حدود ۱۵۰-۱۰۰ فایبر در هر مقطع تشکیل می شود و نیازی به معرفی رفتار هیسترزیس المان ها نمی باشد، یا آنالیز ممان- انحنا بر روی اعضا انجام شود بلکه به صورت مستقیم اندرکنش نیروی محوری و لنگر خمشی از تعادل تنش- کرنش مقاطع در طول افزایش انحناء در جهات مختلف، بدست می آید.
قسمت Pre-Processor:
قبل از انجام یک پروژه جدید با نرم افزار SeismoStruct بهتر است از همان ابتدا نوع آنالیز مورد نظر انتخاب شود. ۷ نوع آنالیز در این نرم افزار موجود است:
۱- آنالیز مقادیر ویژه
۲- آنالیز استاتیکی (بدون تغییر بار)
۳- آنالیز بارافزون
۴- آنالیز بارافزون بهنگام شونده
۵- آنالیز تاریخچه زمانی استاتیکی
۶-آنالیز تاریخچه زمانی دینامیکی
۷- آنالیز دینامیکی افزایشی (IDA)
برای انتخاب نوع آنالیز می توان از قسمت Pre-Processor اقدام نمود. در این قسمت پس از انتخاب نوع آنالیز موردنظر می توان موارد زیر را نیز در مدل خود مشخص کرد:
1-مصالح
۲-مقاطع
-معرفی انواع المان ها (المان الاستیک، غیرالاستیک، غیرالاستیک با مفصل پلاستیک، پرکننده، خرپا، Link، …)
1-هندسه سازه
۲-تکیه گاه ها
۳-قیود
۴-بارها (بارهای دائمی، افزایشی، تاریخچه زمانی استاتیکی، تاریخچه زمانی دینامیکی، انفجاری).
۵-انتخاب نوع شاخص کنترل عملکرد سازه
۶-انتخاب خروجی های مورد نظر
قسمت Processor :
پس از اتمام مدلسازی، باید مدل را آنالیز نماییم. آنالیز مدل در قسمت Processor انجام می شود.
قسمت Post-Processor:
پس از انجام آنالیز برای مشاهده نتایج از این قسمت استفاده می کنیم، که این نتایج را می توان هم بصورت گرافیکی و یا جدولی مشاهده کرد و کلیه نتایج قابل انتقال به سایر نرم افزارها مانند Excel ,Word می باشند.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی و آنالیز استاتیکی تاریخچه زمانی دیوار میانقاب مصالح بنایی در نرم افزار SeismoStruct انجام شده است.
مدلسازی میانقاب در SeismoStruct:
نمونه نتایج شبیه سازی:
