بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به پیچیدگیهای مدلسازی و تحلیل غیرخطی سازههای بتن مسلح و همچنین سختی در صحت سنجی نتایج حاصل از تحلیل که در بسیاری از موارد میتواند وقتگیر باشد، استفاده از تحلیل افزایشی الاستوپلاستیک به روش مفصل به مفصل را میتوان به عنوان ابزاری برای تخمین رفتار غیرخطی سازهها بهکار برد. اهمیت این موضوع به طور خاص، در مورد آموزش و درک صحیح رفتار غیرخطی سازههای بتن مسلح و یا فولادی به دانشجویان تحصیلات تکمیلی و همچنین درک نحوه خرابی سازهها و توالی تشکیل مفاصل خمیری که در نهایت منجر به خرابی سازه میشود میتواند مورد استفاده قرار گیرد.
در این پژوهش، رفتار غیرخطی یک قاب دو بعدی بتن مسلح نمونه به روش تحلیل افزایشی الاستوپلاستیک مفصل به مفصل مورد بررسی قرار گرفته و نتایج با استفاده از نرمافزار تحلیل غیرخطی Opensees صحت سنجی گردیده است. همچنین نحوه صحیح مدلسازی سازه مورد مطالعه نیز مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج بهدست آمده نشاندهنده دقت بالای تحلیل افزایشی الاستوپلاستیک به روش مفصل به مفصل میباشد. همچنین با توجه به انجام تحلیلهای الاستیک در هر مرحله از ایجاد مفاصل خمیری در سازه، سرعت انجام تحلیلها قابل قبول بوده و برای مقاصد آموزشی،مخصوصاً برای دانشجویانی که با تحلیل سازهها در محدوده رفتار خطی مصالح آشنایی دارند و همچنین صحت سنجی نتایج حاصل از تحلیلهای غیرخطی میتواند مناسب باشد.
-1 مقدمه
استفاده از تحلیلهای پیچیده نظیر تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی برای سازهای دارای درجات آزادی زیاد عملاً قابل استفاده برای مقاصد روزمره طراحی سازهها نیست. در بین متدولوژیهایی که در آییننامههای ساختمانی به آن پرداخته شده است میتوان تحلیل استاتیکی غیرخطی فزاینده را نام برد .[1]این روش تحلیل، یک انتخاب نسبتاً ساده برای تخمین کارایی غیرخطی سازه ها میباشد. همچنین تحلیل استاتیکی غیرخطی فزاینده به عنوان یکی از روشهای مورد قبول برای تخمین تاریچهای از رابطه نیرو-تغییرمکان سازه میتواند مورد استفاده قرار گیرد. استفاده از این تحلیل در سازههای بزرگتر، نیازمند استفاده از نرمافزارهای سریعتر و رایانههای قویتر بوده و از طرف دیگر و مهم تر از آنها صحت سنجی نتایج میباشد.
در این پژوهش، تحلیل افزایشی الاستوپلاستیک به روش مفصل به مفصل به عنوان ابزاری برای تخمین اولیه از توالی خمیری شدن اعضا، ظرفیت شکلپذیری سازه و برآوردی از مقاومت جانبی سازه معرفی شده است. این روش در مراجع [2] و [3] به طور کامل توضیح داده شده است ولی بر اساس بررسی که انجام شد کاربرد این روش در مورد سازههای بتن مسلح، مورد بررسی قرار نگرفته است. در این پژوهش، استفاده از تحلیل افزایشی الاستوپلاستیک به روش مفصل به مفصل برای یک سازه بتن مسلح دو بعدی نمونه توضیح داده شده و نتایج آن با نتایج حاصل از برنامه تحلیل غیرخطی Opensees مقایسه شده است. به نحوه مدلسازی مفاصل پلاستیک و تعیین لنگرهای پلاستیک بر اساس منحنیهای لنگر-انحنای مقاطع بتن مسلح نیز اشاره گردیده است.
-2 تحلیل افزایشی الاستوپلاستیک - روش مفصل به مفصل
تحلیل الاستوپلاستیک افزایشی، تاریخچهای از رابطه نیرو- تغییرمکان سازه تا رسیدن به مرحله خرابی را ارائه میدهد. لازم به ذکر است این روش بر اساس ایده تشکیل مفصل پلاستیک و با اعمال بار نسبی افزایشی بنا شده است. این بار نسبی افزایشی در حالتی که بارگذاری وارده به سازه به یک ضریب بار ضرب شده است اعمال میشود. این ضریب بار در این تحقیق با نشان داده شده است. این روش تحلیل شامل تعدادی تحلیل الاستیک بوده که هر کدام نشان دهنده یک مرحله از شکلگیری مفصل پلاستیک در سازه میباشند.
پس از هر تحلیل الاستیک، نتایج یا به صورت دستی و یا با استفاده از نرم افزارهای صفحه گسترده مورد بررسی قرار میگیرند تا محل تشکیل مفصل پلاستیک و ضریب بار متناظر با آن تعیین گردد. از مزایای این روش، قابلیت استفاده از آن با در نظر گرفتن اندرکنش نیروهای مختلف در تشکیل مفاصل خمیری و در مقاطع مختلف سازه میباشد.[2] همانطور که اشاره شد تحلیل الاستوپلاستیک افزایشی شامل یک سری تحلیل الاستیک در محدوده رفتار خطی مصالح میباشد که بهطور افزایشی انجام یافته تا در هر مرحله، مفاصل خمیری شکل گرفته و سازه به مرحله خرابی برسد. این روش به همراه استفاده از صفحات گسترده، میتواند برای تحلیل الاستوپلاستیک سازههای بزرگتر و پیچیدهتر نیز بهکار رود. در یک سطح بارگذاری که توسط بردار بار خارجی F به سازه اعمال میشود اگر ضریب بار متناظر با آن که موجب تشکیل مفصل خمیری میشود برابر 1 باشد.
ظرفیت لنگر خمیری باقیمانده برای کلیه مقاطع جهت پیشبینی شکلگیری مفصل خمیری بعدی مورد استفاده قرار میگیرد. لازم به ذکر است مقطعی که تسلیم شده است به صورت مفصل در سازه مدلسازی میشود. با توجه به مطالب پیشین، تشکیل مفصل یا مفاصل خمیری در هر مرحله، در محلی رخ میدهد که کمترین ضریب بار برای مقاطع سازه بهدست میآید. این روش نیاز به حدس زدن محل مفاصل خمیری را از بین برده و با توجه به اینکه روش محاسبات مربوط به تعیین ضریب بار و محل مفصل خمیری در تمام مراحل یکسان است، استفاده از نرمافزارهای صفحه گسترده را مقدور میسازد.
لازم به ذکر است با توجه به اینکه تحلیل مورد استفاده در این روش، تحلیل خطی است، در سازههای کوچک، از روشهای دستی تحلیل سازهها و برای سازههای بزرگتر و پیچیدهتر میتوان از نرمافزارهای تجاری یا غیرتجاری موجود برای برآورد نیروهای داخلی اعضا و تغییر مکان گرهها استفاده کرد. در حالت استفاده از نرمافزار برای تحلیل سازهها، مکانیزم خرابی زمانی ایجاد میشود که دترمینان ماتریس سختی سازه برابر صفر شود. در حالتی که تعیین دترمینان ماتریسی سختی سازه دشوار باشد مکانیزم خرابی را میتوان زمانی در نظر گرفت که جابجاییهای بزرگتر از حد معمول، در سازه محاسبه شوند.
-3 مطالعه موردی - قاب دو بعدی بتن مسلح
در شکل - 1 - قاب دو بعدی بتن مسلح نشان داده شده است. برای تحلیل خمیری قاب به روش گره به گره با فرض اینکه بارها با ضریب افزایش یابند و جهت تعیین مقدار ضریب بار نهایی خرابی و مکانیزم خرابی، از ابعاد مقاطع و مشخصات مصالح نشان داده شده در جدول - - 1 استفاده شده است. جهت استفاده از روش گره به گره و یا هر روش تحلیل غیرخطی دیگر نیاز به داشتن اطلاعات مربوط به رفتار غیرخطی مصالح و مقاطع نیز میباشد .
در مورد سازه مورد مطالعه در این تحقیق، با فرض مقاومت فشاری 25 مگاپاسکال برای بتن و مقاومت تسلیم 380 مگاپاسکال برای میلگردها، مقدار لنگر پلاستیک تیرها با استفاده از نرمافزارهای تحلیل سازهها و یا با استفاده از جداول و نمودارهای موجود در مرجع [4] به راحتی قابل محاسبه است. در این مطالعه موردی، با فرض درصد آرماتور کششی برابر 2 درصد و آرماتور فشاری برابر 1/5 درصد و چشم پوشی از نیروی محوری تیرها، مقدار لنگر پلاستیک تیر حدود 600 کیلونیوتن-متر بهدست آمد.
