مهندسی عمران شریف
سال:1398 | دوره:35-2 | شماره:1/1 |تعداد مقالات:14

در نوشتار حاضر، فرمول بندی عددی کاملی برای تحلیل غیرخطی سازه های مستوی با مصالح ابرکشسان ارائه و مسائل المان محدود با استفاده از فرمول بندی لاگرانژ کامل تحلیل شده است. فرمول بندی ارائه شده برای کرنش های بزرگ و مواد غیرخطی ابرکشسان قابل استفاده است. همچنین فرمول بندی مذکور برای تحلیل مدل های المان محدود چهارضلعی توسعه داده شده است که نسبت به المان های 4 گره یی ایزوپارامتریک کمتر به مش بندی اعوجاجی حساس است و فاقد مشکل قفل شدگی برشی ایجادشده از طریق مش بندی نامنظم هندسی است. به منظور گسترش مزایای روش مختصات ناحیه ی چهارضلعی (QACM) در کاربردهای غیرخطی، از فرمول بندی لاگرانژی کامل المان (HY4Q) استفاده شده است. دو مثال عددی ارائه شده و تأثیر المان HY4Q در سادگی، کارایی و رفتار مناسب روش، برای تحلیل های غیرخطی مصالح ابرکشسان به طور قابل ملاحظه یی مشهود است.

روش های متداول که برای طراحی سپری های فولادی به عنوان سازه ی نگهبان استفاده می شوند، عمدتاً مبتنی بر تعادل نیروهای وارده و روابط پیشنهادی هستند که آثار وجود لایه های مختلف خاک را در عمق در نظر نمی گیرد. در پژوهش حاضر، یک گودبرداری عمیق با استفاده از سپری های فولادی تعریف و مدل سازی شده و با استفاده از روش اجزاء محدود و روش متداول طراحی، تحلیل صورت گرفته است. عمق گود به 3 لایه ی رسی تقسیم شده است. یکی از سه لایه ی مذکور، لایه ی سست رسی است که موقعیت آن در لایه ی بالا، وسط و پایین در مدل ها به طور جداگانه تغییر می کند. نتایج حاصل از تحلیل عددی با نتایج تحلیل تئوری مقایسه شده و نتایج نشان داده است که روش متداول نسبت به روش عددی، نیروی مهارهای نزدیک به کف گود را 15 تا 70 درصد کمتر به دست می دهد. همچنین وجود لایه ی سست در عمق گودبرداری، بیشینه ی لنگر خمشی وارد بر سازه ی نگهبان را افزایش می دهد که در روش تئوری معمول مشاهده نمی شود.

در پژوهش حاضر، شروع و گسترش خرابی سازه به علت برخورد وسیله ی نقلیه با یکی از ستون های گوشه به صورت دینامیکی مدل سازی و بررسی شده است. به این منظور، یک قاب خمشی سه بعدی 4 طبقه ی فولادی با شکل پذیری متوسط با استفاده از نرم افزار ETABS تحت بارگذاری متعارف مرده، زنده و زلزله طراحی شد و سپس در نرم افزار آباکوس تحت بارگذاری ضربه یی قرار گرفت. با درنظر گرفتن صحت سنجی های لازم، انجام آنالیز دینامیکی غیرخطی، اثر ضربه ی ناشی از برخورد وسیله ی نقلیه با جرم و سرعت های مختلف شبیه سازی شد. نتایج نشان داد جرم و سرعت، تأثیر به سزایی در خرابی ساختمان دارند و هنگام برخورد، فقط ستون ضربه دیده آسیب نمی بیند، بلکه تمامی اعضاء سازه تحت تأثیر بار دینامیکی مذکور قرار می گیرند و تعداد قابل توجهی از آن ها وارد ناحیه ی خمیری می شوند و از استانداردهای آیین نامه خارج می شوند. در نتیجه، حذف فقط یک ستون و اعمال بارگذاری استاتیکی به سازه، دقت خوبی از تخریب پیش رونده به دست نمی دهد.

در هر سازه ی عمرانی ممکن است در اثر بارگذاری حدی، مانند زلزله و بادهای شدید، آسیب های سازه یی ایجاد شود که این آسیب ها می توانند منجر به شکست های سازه یی فاجعه بار شوند. این در حالی است که اهمیت ارزیابی ایمنی در سازه هایی نظیر سدهای بتنی بزرگ که حضور آسیب در آن ها علاوه بر ایجاد خسارت های اقتصادی، ایمنی ساکنان پایین دست سدها را نیز به خطر می اندازد، بیش از پیش اهمیت می یابد. رویکرد کنترلی سازه، پایش سلامت سازه نامیده شده است. یکی از روش های جدید و مفید برای تشخیص آسیب در فرایند پایش سلامت سازه، روش تبدیل موجک است. در پژوهش حاضر، به منظور کارآمدی روش ارائه شده برای تشخیص موقعیت آسیب در سدهای بتنی وزنی، نتایج حاصل از تحلیل های استاتیکی و مودال سد بتنی وزنی کوینا، تحت تبدیل موجک قرار گرفته و موقعیت آسیب های فرضی در نظر گرفته شده در سد، شناسایی شده اند. براساس نتایج به دست آمده، مشاهده شد که در فرایند شناسایی آسیب بر روی داده های استاتیکی، عواملی همچون نزدیکی ترک به موقعیت نقاط نمونه بردای در میزان ضرایب موجک تأثیر گذار است.

تسلیح خاک، روشی مؤثر جهت افزایش مقاومت برکنش لوله های مدفون است. در نوشتار حاضر، از المان مسلح کننده ی جدیدی که شامل تعدادی صفحات مهاری است و به ژئوگرید معمولی متصل می شود جهت تسلیح خاک استفاده شده است. سیستم مذکور که موجب افزایش مقاومت بیرون کشیدگی ژئوگرید می شود، مهار شبکه نامیده می شود. یک مطالعه ی آزمایشگاهی و عددی جهت بررسی مقاومت برکنش خطوط لوله ی مدفون در ماسه ی مسلح شده با سیستم مهار شبکه انجام شده است. نتایج حاصل از روش PIV نشان می دهند که به علت گسترده تر شدن گوه ی گسیختگی خاک، استفاده از سیستم مهار شبکه، مقاومت برکنش لوله ی مدفون را به طور قابل ملاحظه یی افزایش می دهد. به طوری که استفاده از سیستم مذکور موجب افزایش مقاومت برکنش لوله به میزان 2٫ 5 برابر حالت استفاده از ژئوگرید معمولی و 4 برابر حالت بدون مسلح کننده می شود. جهت مقایسه با نتایج آزمایشگاهی و تکمیل مطالعات از نرم افزار D3FLAC استفاده و درنهایت مشخص شد که نتایج آزمایشگاهی و عددی مطابقت خوبی با هم دارند.

در سال های اخیر، استفاده از دیوار برشی فولادی به دلیل مقاومت، سختی، شکل پذیری، و ظرفیت اتلاف انرژی بالا در بهسازی سازه های موجود مورد توجه قرار گرفته است. در نوشتار حاضر، روش های مختلف اتصال دیوار برشی فولادی با ورق نازک به قاب بتن آرمه بررسی شده است. براساس نتایج مدل سازی، مقایسه ی مقادیر شکل پذیری، سختی کشسان، ظرفیت اتلاف انرژی، و ظرفیت باربری نمونه ها با اتصال های مختلف، افزایش چشمگیر مقادیر ذکرشده را نسبت به قاب بتنی اولیه نشان داد. افزایش ضخامت ورق های اتصال و استفاده از نبشی در گوشه های ستون برای بهبود عملکرد اتصال، افزایش قابل ملاحظه یی در مقاومت ایجاد نکرد و باعث غیراقتصادی شدن اتصال شد. مقدار ضریب رفتار و ضریب اضافه مقاومت برای سیستم قاب بتن آرمه ی ویژه با دیوار برشی فولادی نازک، به ترتیب برابر 8٫ 37 و 2 برآورد شد که با مقادیر پیشنهادی آیین نامه ی 10− 7ASCE، برای سیستم دوگانه ی قاب خمشی فولادی ویژه و دیوار برشی فولادی قابل مقایسه است.

سیستم های مرکزگرا با برکنش کنترل شده، توانایی کاهش آسیب های سازه یی ماندگار را در زمان وقوع زلزله های شدید دارند. هدف نوشتار حاضر، تخمین بیشینه ی جابه جایی غیرکشسان سیستم های مرکزگرا با روش خطی سازی معادل است. بدین منظور، پاسخ دقیق و تخمینی تغییرمکان غیرخطی سیستم های یک درجه آزادی مرکزگرا به ترتیب با روش های تحلیل تاریخچه ی زمانی و خطی سازی معادل محاسبه شده است. از آنجا که دقت روش خطی سازی معادل به نحوه ی تعریف پارامترهای مدل سازی، شامل: نسبت میرایی معادل و سختی مؤثر سیستم معادل وابسته است، ابتدا سیستم های معادل با سختی سکانت و میرایی فرضی جاکوبسن تحلیل می شوند. نتایج تحلیل آماری حاکی از آن است که میرایی جاکوبسن، پارامتری مناسب برای خطی سازی سیستم مرکزگرا نیست و منجر به تخمین دست پایین بیشینه ی جابه جایی می شود. از این رو، برای افزایش دقت مدل پیشنهادی، میرایی بهینه با کمینه سازی خطای بین تقاضاهای جابه جایی دقیق و تقریبی محاسبه و سپس رابطه یی جدید برای نسبت میرایی سیستم های مرکزگرا با روش بهینه سازی الگوریتم ژنتیک پیشنهاد شده است. ارزیابی روال خطی سازی پیشنهادی نشان می دهد که مدل مذکور، کارایی مناسبی در تخمین جابه جایی غیرکشسان سیستم های مرکزگرا دارد.

با توجه بیشتر به برآورد میزان فولاد مصرفی، قبل از شروع طراحی و براساس مشخصات کلیدی طرح، طراح و کارفرما می توانند دید مناسبی نسبت به مقدار فولادی مصرفی کسب کنند. در پژوهش حاضر، با استفاده از روش شبکه ی عصبی مصنوعی نسبت به برآورد میزان وزن سازه های فولادی با سیستم قاب خمشی اقدام شده است. در این راستا، پس از آموزش شبکه و ارزیابی دقت روش، متأثر از: تغییر پارامترهای ارتفاع طبقه، نسبت طول به دهانه، نوع مقطع ستون و تعداد طبقات، وزن سازه برآورد و اطلاعات مذکور در قالب روابط و منحنی های کاربردی بیان شده است. نتایج نشان می دهند که استفاده از مقاطع BOX به جای مقاطع H شکل، باعث صرفه جویی 10 درصدی در وزن سازه خواهد شد. همچنین افزایش نسبت طول دهانه به ارتفاع طبقه از 1 به 1٫ 5، باعث افزایش 5 درصدی و افزایش این نسبت از 1 به 2، باعث افزایش 20 درصدی میزان فولاد مصرفی خواهد شد.

سواحل خلیج فارس در جنوب ایران از ماسه های کربناته پوشیده شده است. مهم ترین ویژگی رفتاری ماسه های کربناته، خردشدگی ذرات آن تحت برش است که منجر به کاهش مقاومت برشی می شود و در رفتار تنش کرنش خاک تأثیر می گذارد. از سوی دیگر، با توجه به حجم بالای حمل و نقل در مناطق مذکور، معضل انباشته شدن لاستیک های فرسوده و پیامدهای زیست محیطی آن، یکی از نگرانی های جدی است. استفاده از ضایعات لاستیکی مخلوط با خاک به عنوان مصالح پرکننده ی پشت دیوارهای حائل می تواند راهکاری مناسب برای کاهش معضلات زیست محیطی ناشی از انباشته شدن لاستیک های فرسوده باشد. در مطالعه ی حاضر، آزمایش های سه محوری تحکیم یافته و زهکشی شده روی مخلوط ماسه ی کربناته و خرده لاستیک با 0، 10، 15، 20 و 30 درصد حجمی کل مخلوط با تراکم های نسبی 30 و 60 درصد و در فشارهای همه جانبه ی 100، 350 و 600 کیلوپاسکال انجام و مقاومت برشی و میزان خردشدگی مخلوط ماسه ی کربناته و خرده لاستیک ارزیابی شده است.

تغییرشکل های تابع زمان مصالح، در پل های اجراشده به روش طره یی متعادل، موجب آسیب دیدگی پل ها می شود. استفاده از بتن سبک، با کاهش قابل ملاحظه ی نیروهای ثقلی، امکان اجرای دهانه های بزرگ تر را فراهم می کند، اما به علت عدم شناخت رفتار تابع زمانی مصالح، کمتر استفاده می شود. در مطالعه ی حاضر، با استفاده از روش اجزاء محدود، پس از صحت سنجی مدل سازی با نتایج داده برداری یک پل طره یی، یک مدل پل بتن سبک طره یی متعادل با دهانه ی 74 متری انتخاب شد و اثر خزش و جمع شدگی بتن سبک و وادادگی فولاد، در دوره ی زمانی 30 سال، در عملکرد پل مطالعه شد. سه نوع بتن سبک 60LC، 40LC و 25LC و دو نوع فولاد با وادادگی نرمال و کم، در مدل سازی ها در نظر گرفته شده است. مطالعات نشان می دهد که 70− 80 درصد تغییرشکل های تابع زمان پل در 3 سال اول بهره برداری رخ می دهند. سهم عوامل تابع زمان (خزش جمع شدگی وادادگی)، در افت وسط دهانه، در طول عمر پل به خصوص 3 سال اول، در بتن های سبک با مقاومت های متفاوت یکسان است.

در هر سازه ی عمرانی ممکن است در اثر بارگذاری حدی، مانند زلزله و بادهای شدید، آسیب های سازه یی ایجاد شود که این آسیب ها می توانند منجر به شکست های سازه یی فاجعه بار شوند. این در حالی است که اهمیت ارزیابی ایمنی در سازه هایی نظیر سدهای بتنی بزرگ که حضور آسیب در آن ها علاوه بر ایجاد خسارت های اقتصادی، ایمنی ساکنان پایین دست سدها را نیز به خطر می اندازد، بیش از پیش اهمیت می یابد. رویکرد کنترلی سازه، پایش سلامت سازه نامیده شده است. یکی از روش های جدید و مفید برای تشخیص آسیب در فرایند پایش سلامت سازه، روش تبدیل موجک است. در پژوهش حاضر، به منظور کارآمدی روش ارائه شده برای تشخیص موقعیت آسیب در سدهای بتنی وزنی، نتایج حاصل از تحلیل های استاتیکی و مودال سد بتنی وزنی کوینا، تحت تبدیل موجک قرار گرفته و موقعیت آسیب های فرضی در نظر گرفته شده در سد، شناسایی شده اند. براساس نتایج به دست آمده، مشاهده شد که در فرایند شناسایی آسیب بر روی داده های استاتیکی، عواملی همچون نزدیکی ترک به موقعیت نقاط نمونه بردای در میزان ضرایب موجک تأثیر گذار است.

طبق آمار حدود یک سوم علت خرابی سدهای خاکی، فرسایش داخلی بوده است. شکست هیدرولیکی و فرسایش داخلی، دو پدیده ی وابسته به یکدیگر هستند. شکست هیدرولیکی موجب ایجاد ترک و توسعه ی آن می شود. عبور آب از داخل ترک های ایجادشده باعث شسته شدن مصالح و وقوع فرسایش داخلی می شود. یکی از روش های مطالعه ی شکست هیدرولیکی، استفاده از مفاهیم مکانیک شکست است. طاقت شکست، یکی از پارامترهای مهم در مکانیک شکست است که با روش های آزمایشگاهی مانند استاندارد ASTM E399 قابل تعیین است. سد بیدواز، یک سد خاکی سنگریزه یی با هسته ی رسی مایل است. حدود 7٫ 5 سال بعد از شروع اولین آبگیری، فروافتادگی در رویه ی سد مشاهده شد. پدیده ی شکست هیدرولیکی به عنوان یکی از علل اصلی شروع فرسایش داخلی در سد بیدواز مطرح بوده است. در نوشتار حاضر، با کمک روش ارائه شده در دستورالعمل استاندارد 399ASTM E، پارامترهای مکانیک شکست خاک هسته ی سد بیدواز و معیار شکست هیدرولیکی برای خاک مذکور ارائه شده است.

امروزه صنعت تولید سیمان، آثار مخربی در محیط زیست ایجاد کرده است لذا در پژوهش حاضر، به منظور بهبود مقاومت فشاری خاک ماسه یی، به جای سیمان از ژئوپلیمر سرباره ی مس با دو نوع محلول فعال ساز قلیایی استفاده شده است. در نوشتار حاضر، مواردی همچون تأثیر پارامترهای اندازه ی ذرات سرباره ی مس، تأثیر استفاده از میکروسیلیس به عنوان افزودنی به ماده ی خام ژئوپلیمر در مقاومت فشاری و مقایسه ی مقاومت فشاری خاک تثبیت شده با ژئوپلیمر و سیمان بررسی شده است. همچنین به منظور بررسی ریزساختار نمونه های خاک تثبیت شده، آنالیز XRD و SEM انجام شده است. نتایج پژوهش حاضر نشان می دهد که استفاده از ذرات ریزتر سرباره ی مس، باعث افزایش مقاومت فشاری بیشتری می شود و با افزودن میکروسیلیس به ماده ی خام ژئوپلیمر، مقاومت فشاری به میزان قابل توجهی افزایش می یابد. در بعضی از درصدهای ژئوپلیمر، نمونه های خاک تثبیت شده ترک می خورند که از آهک هیدراته به منظور کنترل ترک استفاده شده است.

در نوشتار حاضر، فرمول بندی عددی کاملی برای تحلیل غیرخطی سازه های مستوی با مصالح ابرکشسان ارائه و مسائل المان محدود با استفاده از فرمول بندی لاگرانژ کامل تحلیل شده است. فرمول بندی ارائه شده برای کرنش های بزرگ و مواد غیرخطی ابرکشسان قابل استفاده است. همچنین فرمول بندی مذکور برای تحلیل مدل های المان محدود چهارضلعی توسعه داده شده است که نسبت به المان های 4 گره یی ایزوپارامتریک کمتر به مش بندی اعوجاجی حساس است و فاقد مشکل قفل شدگی برشی ایجادشده از طریق مش بندی نامنظم هندسی است. به منظور گسترش مزایای روش مختصات ناحیه ی چهارضلعی (QACM) در کاربردهای غیرخطی، از فرمول بندی لاگرانژی کامل المان (HY4Q) استفاده شده است. دو مثال عددی ارائه شده و تأثیر المان HY4Q در سادگی، کارایی و رفتار مناسب روش، برای تحلیل های غیرخطی مصالح ابرکشسان به طور قابل ملاحظه یی مشهود است.