بخشی از مقاله
تجزیه و تحلیل تنشهاي حرارتی در سدهاي بتن غلتکی با روش المان محدود و شبکههاي عصبی
چکیده
تحلیل حرارتی سدهاي بتن غلتکی در طراحی و ساخت این سدها نقش بسیار مهمی دارد. کنترل تنش هاي- حرارتی در زمان ساخت سد باعث افزایش بهرهوري این نوع سدها به هنگام آبگیري و زمان بروز بارهاي لرزه اي از جمله زلزله میشود. ارائه روش براي پیش بینی تنش ها و کنش هاي حرارتی این نوع سدها همواره مورد توجه محققین و طراحان بوده است. براي انجام تحقیق از برنامه ABAQUS که بر مبناي المان محدود عمل میکند، استفاده شده است. براي اعتبارسنجی آنالیز حرارتی- مکانیکی، شبیه سازي حرارتی سد کینتا مورد استفاده قرار گرفته است و نتایج عددي با نتایج ترموکوپل هاي جاگذاري شده در سد مقایسه شده است. نتایج اعتبارسنجی نشان میدهد که تطابق مناسبی میان اطلاعات عددي و آزمایشگاهی موجود است P_Value) برابر .( 0,976 در این میان نتایج آماري اختلاف معنی داري را بین دو نمونه نشان نمیدهد. براي ایجاد رابطه غیرخطی در بین نتایج عددي، روش شبکه عصبی مورد استفاده قرار گرفته است. براي این عمل با بررسی مدل هاي مختلف با تعداد نرونهاي میانی متفاوت و با توجه به شاخصهاي ارزیابی مدل مناسبترین تعداد لایهها، ساختار بهینه مدل از نظر تعداد نرونهاي میانی و مشخصات شبکه و توابع فعالیت آن انتخاب شده است. با بررسی نتایج شبکه عصبی با نتایج آزمایشگاهی تطابق بسیار مناسبی ما بین مدل غیرخطی شبکه عصبی و نتایج مشاهده میشود.
کلمات کلیدي: تنشهاي حرارتی، سد بتن غلتکی، شبکههاي عصبی مصنوعی، برنامه المان محدود ABAQUS،
آنالیز حرارتی
مقدمه
استفاده از بتن غلتکی میتواند سرعت عملیات ساخت سدهاي بتنی را به نحو چشمگیري افزایش دهد. از سوي دیگر عدم امکان استفاده از سیستمهاي پس سرد کن بتن و محدود بودن تعداد درزهاي عرضی در این نوع سدها باعث شده تا بررسی مسائل حرارتی و پروفیلهاي زمانی دماي بتن بدنه سد از پارامترهاي مهم در طراحی و برنامهریزي اجرایی این نوع سدها به شمار آید . [ 2 ]
در این راستا از روشهاي مختلفی از قبیل ساخت مدل، روشهاي تحلیلی و گرافیکی و روشهاي عددي استفاده شده است. امروزه روشهاي محاسباتی عددي- ریاضی به عنوان جدیدترین و مناسبترین روش براي انجام این محاسبات شناخته شده است.
هینکس و کوپلی روشی براي پیشبینی دماها و تنشهاي حرارتی در سدهاي بتن غلتکی ارایه دادهانداز. در این روش نرم افزارهاي عمومی در زمینه المان محدود غیرخطی استفاده شده است . [ 3 ] در مطالعه موردي یک سد در سال 1966 این واقعیت را نمایان ساخت که روش عددي اجزاء محدود به کار گرفته شده در تحلیل تنشهاي موجود در بدنه این نوع سدها، نتایج قابل قبول و نزدیک به واقعیت و با ضریب اطمینان بالا را نسبت به نتایج کسب شده از بررسیهاي فیزیکی حاصل میکنند .[ 4 ] در سال1992 تترو و شرایدر در یک مطالعه موردي روشی تجربی را براي محاسبه گام به گام به دست آوردن خصوصیات تركهاي حرارتی، از جمله محل و پهنا به روش عددي در سدهاي بتن غلتکی ارائه دادند [19]
. در سال 1992 بارت و همکاران در مطالعه موردي دیگري بر اساس روشی تحلیلی به برآورد اثر حرارت در تولید گرما در سد بتن غلتکی پرداخته و روش عددي اجزاء محدود را براي رسیدن به این مقصود انتخاب کردند .[ 5 ]
در مطالعه موردي دیگري در سال 1994 کارسون و سورنسن با استفاده از روش اجزاء محدود به بررسی معادلات انتقال حرارت در سدهاي بتن غلتکی پرداخته و به همگرایی خوبی بین نتایج عددي به دست آمده از برنامه کامپیوتري و اندازهگیريهاي حقیقی صورت گرفته، در نتایج کاري ارائه کردند .[ 5 ] در سال 2001 چن و همکاران به تحلیل تنشهاي حرارتی در سد بتن غلتکی به روش اجزاي محدود سه بعدي پرداختند و به این مهم دست یافتند که افزودن پوزولان در بتن مصرفی، باعث کاهش 15تا50 درصدي تركهاي ناشی از هیدراتاسیون سیمان میشود .[ 6 ] در سال 2003 ملکاوي و همکاران به تحلیل حرارتی سد بتن غلتکی مجیب در کشور اردن، به روش اجزاي محدود دو بعدي و سه بعدي پرداخته و براي شبیهسازي مراحل ساخت سد از برنامه عددي Ansys کمک گرفتند .[ 7 ]
در مطالعه موردي دیگر آقایان رواندا و همکاران در سال 2005 به بررسی تركهاي حرارتی در سد لابرنادو در هنگام ساخت پرداختهاند و در روش غیرخطی توسعه یافته تحلیل ساختاري به کمک روش اجزاي محدود به این دست یافتند که در تحلیل مکانیکی، در صورتی که وزن کل سد در نظر گرفته شود تنشهاي سهمحوري به دستصورتیمیآید و در که بار حرارتی نیز بدان اضافه شود این امر باعث آشکار شدن تنش کششی بسیار زیاد در پی سد و سطوح بالادست و پاییندست میشود .[ 8 ] در یک مطالعه عددي دیگر در سال 2005 باروس و همکاران به تحلیل عددي و گسترش کاربرد برنامه کامپیوتري در آنالیز حرارتی در احجام بزرگ بتنی و با تأکید ویژه بر روي سدهاي بتن غلتکی پرداختند و به این مهم دست یافتند که در این نوع سدها برنامه زمانبندي ساخت، تأثیر بسزایی در مدت تولید حرارت بتن و دامنه تنش دارد که می تواند تركهاي حرارتی متنوعی را تولید کند .[ 9 ] در سال 2006 نورزایی و همکاران به تحلیل حرارتی سد بتن غلتکی وزنی کینتا1 پرداختند که یکی از اولین سدهاي بتن غلتکی کشور مالزي به روششمار میرود و به کمک عددي اجزاي محدود دو بعدي به بررسی توزیع حرارت پرداخته و به نتایج بسیار مشابهی با حرارتسنجهاي کارگذاشتهشده در بدنه سد دست یافتند .[ 1 ]
در این تحقیق براي ایجاد رابطه غیرخطی در بین نتایج عددي حاصل از آنالیز غیر کوپل حرارتی و مکانیکی در برنامه المان محدود ABAQUS از روش شبکه عصبی استفاده شده است و رابطه کلی میان خروجی و ورودي مبتنی بر شبکه عصبی مصنوعی با ساختار پرسپترون چند لایه و الگوریتم پس انتشار خطا، به دست آمده است.
آنالیز عددي
روش حل
در انجام آنالیز تنشهاي حرارتی در سد RCC ابتدا آنالیز تولید و اتلاف حرارت در میان سد انجام میگیرد. جهت شبیهسازي توالی ساخت از تکنیک مرگ و تولد (شکل(1، استفاده میشود و بعد یا به طور همزمانازآنالیز سازهاي سد طریق تبدیل تغییرات درجه حرارت به نیروهاي نقطهاي معادل و اضافه کردن بار وزن به آن انجام میشود .[ 10 ]
شکل -1 تکنیک مرگ و تولد المĤنها مطابق با برنامه زمانبندي بتنریزي:
( a تولید مش، ( b فعالسازي پی سنگی، ( c پیدایش اولین لایه، ( d پیدایش دیگر لایهها
قابل ذکر است که پروسه ساخت به صورت یک روند گام به گام مدل شده و هر گام بتنریزي لایه جدید را ارائه میدهد.
فرضیه بارزي در این آنالیز در نظر گرفته شده است که آنالیزهاي تنش و حرارت به صورت غیرهمزمان بوده و تغییر مکانهاي سازهاي در نتایج آنالیز حرارتی تاثیرگذار نیستند. در این آنالیز، میدان توزیع حرارت وابسته به زمان به عنوان قسمتی از بارهاي مکانیکی و شرایط مرزي در آنالیز تنش وارد میشود .[ 11 ]
در این تحقیق آنالیز غیرخطی و غیر کوپل حرارتی- مکانیکی ( NISA) به کمک برنامه المان محدود ABAQUS
انجام گرفته است.
اعتبار سنجی
نتایج مدل عددي با ترموکوپلهاي قرار گرفته در بدنه سد بتن غلتکی کینتا که اولین سد بتن غلتکی در مالزي است (مرجع شماره (1 مقایسه میشود. بیشترین ارتفاع سد 78 متر بوده و طول تاج آن 700 متر است. کل بدنه سد به 27 مرحله بتنریزي تقسیم شده که در این تحقیق 10 مرحله آن مدل میشود. بنابراین کل ارتفاع مدل شده 30 متر است.
خصوصیات مصالح براي RCC و پی در جدول 1 نشان داده شده است.
اشکال 2 و 3 نمونهاي از نتایج آنالیز حرارتی و مکانیکی سد را نشان میدهند. از آنجایی که اتلاف حرارت در بتن از
مرکز لایه به سمت رویهها به آهستگی انجام میگیرد ولی نقاط نزدیک رویه سریعا با دماي محیط هم دما میشوند، گرادیان حرارتی در نقاط نزدیک رویه بالا بوده و بنابراین تنشهاي کششی بزرگی در نزدیکی رویهها اتفاقو میافتد میتوان گفت نقاط نزدیک رویه به شدت مستعد تركخوردگی هستند.
شکل :2 توزیع تنش اصلی ماکزیمم در پایان بتنریزي لایه دهم شکل :3 توزیع حرارتی بعد از یک ماه از زمان بتنریزي لایه دهم
در شکل 4 مکان ترمکوپلهاي به کار رفته در اعتبارسنجی نشان داده شده است. شکلهاي 5 و 6 دو نمونه از نتایج حاصل از آنالیز حرارتی دو بعدي برنامه ABAQUS و ترموکوپلهاي واقع در بدنه سد (مرجع شماره (1 را نشان میدهند. نتایج اعتبارسنجی نشان میدهد که تطابق مناسبی مابین نتایج عددي و آزمایشگاهی موجود است. نتایج آزمون T ، با استفادهافزاراز نرم، مقدارSPSS مقدار Value برابرP_ را 0,976 نشان میدهد.
