بخشی از مقاله
چکیده
درصورتیکه ظرفیت باربری خاک برای استفاده از پیهای سطحی مناسب نباشد،معمولاً از شمعها استفاده میگردد. شمعها در اکثر موارد علاوه بر بارهای قائم، تحت بارهای جانبی و لنگرهای خمشی نیز قرار میگیرند. معمولاً از اثر بارهای جانبی در طراحی و ساخت شمعها به دلیل کوچک بودن در مقابل بارهای قائم صرفنظر میشود اما در برخی موارد تحلیل شمعها تحت بارهای جانبی الزامی بوده و باید با استفاده از روشهای مناسب اثر بار جانبی بر شمع لحاظ گردد. شمعهای مورداستفاده در پایه پلها، توربینهای بادی، اسکلهها، سکوهای دریایی و ... تحت بارهای جانبینسبتاً بزرگی قرار میگیرند و در طراحی شمعهای این سازهها، اثر بار جانبی غالب بر طراحی میباشد.
با توجه به پیشرفت روشهای عددی و استفاده از نرمافزارهای سهبعدی، امکان مدلسازی عددی شمع و محیط خاکی بهصورت دقیقتر امکانپذیر شده است. در این تحقیق رفتار شمعهای بالهدار منفرد در خاک ماسهای بهصورت سهبعدی با استفاده از نرم-افزار اجزای محدود آباکوس - ABAQUS - موردبررسی قرارگرفته است. همچنین عملکرد شمعهای بالهدار با شمعهای بدون باله مقایسه شده است. نتایج بهدستآمده برای شمعهای بالهدار نشان میدهد که استفاده از بالهها منجر به افزایش چشمگیر ظرفیت باربری جانبی شمعها نسبت به شمعهای معمولی بدون باله میشود.
-1 مقدمه
یکی از روشهایی که برای پیسازی بر روی خاکهای سست و همچنین انتقال بارهای سازهای به اعماق زمین مورداستفاده قرار میگیرد، استفاده از شمع یا شالودهی عمیق است. شمعها عناصر لاغر و ستونی هستند که بهصورت قائم یا مایل در زمین قرارگرفته و بارها را از سطح زمین به اعماق زمین که سختتر و محکمتر هستند انتقال میدهند. شمعها در حالت کلی تحت بارهای قائم، جانبی ولنگرهای خمشی قرار میگیرند.
کاربرد اصلی شمعها در تحمل بارهای قائم هست ولی اگر مقدار بارهای جانبی قابلتوجه باشد باید اثر بارهای جانبی بر روش شمعها بهصورت جداگانه بررسیشده و همچنین تأثیر این بارها بر روی ظرفیت باربری قائم شمعها نیز لحاظ گردد. بارهای جانبی میتوانند ناشی از فشار زمین، نیروی امواج دریا، پهلو گرفتن کشتیها در اسکله، نیروی ناشی از باد، نیروی زلزله، نیروهای ناشی از ترافیک و ... باشند.
کودوتو [1] نشان داد برای افزایش ظرفیت باربری جانبی تک شمع میتوان طول شمع، قطر شمع و ممان اینرسی مقطع شمع را افزایش داد همچنین برای گروه شمع میتوان با کاهش فاصلهی شمعها، افزایش تعداد شمعها در گروه و ... ظرفیت باربری جانبی را افزایش داد. برای افزایش ظرفیت باربری تک شمع میتوان بالههایی به شمعها اضافه نمود که اولین بار توسط لی وگیلبرت توصیه شده است.
شمعهای باله دار شمعهایی دارای چهار عدد باله هستند که با زاویه 90 درجه به آنها جوش دادهشدهاند. نمایی از شمع باله دار در شکل 1 نشان دادهشده است. بیشترین جابجایی جانبی و لنگر خمشی در شمعهای تحت بار جانبیعموماً در قسمت بالای شمعها اتفاق میافتد به همین دلیل این بالهها در قسمت فوقانی شمع مورداستفاده قرار می-گیرند. یکی از دلایلی که این بالهها موجب افزایش ظرفیت باربری جانبی شمعها میشود این است که این بالهها موجب افزایش ممان اینرسی مقطع شمعها میشود.
لوتنجر [3] با انجام آزمایشهای میدانی بروی شمعهای پنلهای خورشیدی تأثیر محل بالهها را در افزایش ظرفیت باربری جانبی موردبررسی قرارداد.
ریرت و نیومن[4] با انجام آزمایشهای میدانی بر روی شمعهای بالهدار، تأثیر بالهها را در افزایش ظرفیت باربری جانبی شمعهای تیرهای خطوط انتقال برق مورد ارزیابی قراردادند.
پنگ همکاران[5] با انجام آزمایشهای آزمایشگاهی بر بروی شمعهای بالهدار با نسبت ابعاد بالههای متفاوت، تأثیر بالهها را در افزایش ظرفیت باربری جانبی شمعها مورد مطالعه قراردادند. در تحقیق پیشرو با استفاده از نرمافزار مدلسازی عددی ABAQUS، رفتار شمعهای بالهدار با مدلسازی سهبعدی مورد بررسی قرارگرفته و همچنین تأثیر ابعاد و اندازهی بالهها در افزایش ظرفیت باربری جانبی شمعها بررسی شده است.
شکل :1 نمایی از شمع باله دار
-2مدل سازی وتحلیل عددی به روش اجزای محدود
1؛-2 نحوه مدلسازی عددی
در تحقیق حاضر، مدلسازی عددی با استفاده از نرمافزار اجزای محدود - ABAQUS - صورت گرفته است. ABAQUS نرمافزاری برای تحلیلهای المان محدود هست که برای بررسی رفتارهای فیزیکی غیرخطی طراحیشده است و دارای گستره وسیعی از مدلهای مواد میباشد. این نرمافزار بهطور گستردهای در صنایع مهندسی، پزشکی و ساخت کالاهای صنعتی مورداستفاده قرار میگیرد. همچنین این بسته نرمافزاری به خاطر قابلیت گسترده در مدلسازی مواد مختلف و نیز توانائی سفارشی کردن آن بهوسیله برنامهنویسی، در محیطهای تحقیقاتی دانشگاهی بسیار محبوبیت دارد. مدلسازی بهصورت سهبعدی انجامشده است. نمایی از محیط مش بندی محیط خاک و شمع در شکل 2 نشان داده شده است.
شکل محیط خاک در ماژول Part نرمافزار برای بالا بردن سهولت و دقت مش بندی بهصورت استوانهای در نظر گرفتهشده است. ارتفاع شکل استوانهای، 1 متر و شعاع مقطع استوانه 0.5 متر در نظر گرفتهشده است. برای مش بندی محیط خاک از المان C3D8R - المان 6 وجهی 8 گرهی در فضای سهبعدی - و برای مش بندی شمع از المان Shell استفادهشده است. شرایط مرزی بهگونهای تعریفشده است که محیط خاک در مرز انتهایی خود در هر سه جهت X و Y و Z مقید باشد یعنی به عبارت دیگر فرض بر این بوده است که محیط خاک در مرز انتهایی خود بر روی بستر سنگی بسیار محکم قرارگرفته است.
در مرزهای جانبی مدل، تغییر شکل در راستای عمود بر سطح یعنی در جهات X وY مقید گردیده است. در مرز فوقانی مدل تغییر شکلها در هر سه جهت بدون قید تعریفشدهاند. اندرکنش بین خاک و شمع نوع تماس از نوع Penalty در نظر گرفتهشده است که در مرحله ابتدای تحلیل فرض میشود که خاک و شمع در تماس کامل با یکدیگر قرار داشته و در مرحله بارگذاری خاک و شمع، تماس از نوع اصطکاکی فرض میشود.
شکل -2 نحوه مش بندی محیط شمع و خاک
2؛-2 صحت سنجی مدلسازی عددی
برای ارزیابی صحت مدلسازی عددی و برای اطمینان از درستی نتایج خروجی توسط نرم افزار ABAQUS، نتایج مدلسازی آزمایشگاهی پنگ و همکاران [5] با نتایج خروجی از نرم افزار مقایسه شده است. مشخصات مصالح در نظر گرفته شده برای مصالح خاک و شمع به ترتیب در جداول - 1 - و - 2 - آورده شده است. برای خاک رفتار الاستیک خطی-پلاستیک کامل در نظر گرفته شده است. مدل رفتاری برای مصالح خاک موهر-کولمب و برای مصالح شمع و بالهها که از نوع فولاد است الاستیک خطی فرض شده است.
جدول -1 مشخصات مصالح خاک
