لینک جزییات بیشتر و دانلود این پایان نامه :

 

پایان نامه ارشد: ارزیابی عملکرد مهاربند کمانش ناپذیر و تعیین پارامترهای عملکرد لرزه ای مورد استفاده استاندارد 2800 ایران

3-1- معرفی نرم افزار opensees

opensees (Open System for Earthquake Engineering Simulation) یک نرم افزار شیءگرا  برای کاربردهای شبیه سازی در مهندسی زلزله با استفاده از روش های اجزا محدود است. نرم­افزار opensees  توسط اعضای دانشگاه کالیفرنیا (PEER center) تهیه و پخش شده است و به صورت رایگان قابل دانلود می­باشد. هدف ازتهیه نرم­افزار opensees پیشبرد هر چه بیشتر تحقیقات در زمینه مهندسی زلزله می­باشد [35].

این نرم افزار توسط زبان برنامه نویسی شیءگرای C++ توسعه داده شده است، همچنین از زبانTCL  (Tool Command Language) نیز برای واردکردن دستورات و پروسیجرها توسط کاربراستفاده شده است. مهمترین ویژگی opensees  کدباز بودن آن است که از این طریق کاربر می­تواند به اصل سیستم نرم­­افزاری دسترسی داشته باشد. ازطریق تایپ دستورات که به زبان TCL نوشته شده­اند، کاربر می­تواند هندسه مدل، بارگذاری، ساختار کمی مواد استفاده شده، روش آنالیز و… را تعریف کند. TCL یک زبان اسکریپتی بر مبنای رشته است که دارای ویژگی های زیر می باشد:

• متغیرها و جایگزینی مقادیر آن ها
• انجام محاسبات ریاضی
• استفاده از ساختارهای شرطی(if , while, for, foreach)
• استفاده از زیربرنامه ها(Procedures )
• ساخت فایل و عملیات بر روی فایل ها

برای استفاده بهینه از زبان برنامه نویسی TCL، باید این زبان با روش اجزا محدود همگرا شود که طبقه­بندی زیر پس از این همگرا شدن به دست خواهد آمد:

• مدلسازی (Modeling) : تعریف گره ها، المان ها ، بارگذاری ها ، مواد و قیود.
• آنالیز (Analysis) : مشخص کردن روش آنالیز
• تعیین خروجی ها (Output specification) : انتخاب خروجی ها برای نمایش پس از آنالیز

در  openseesواحد خاصی برای تعریف اعداد وجود ندارد، واحد را از اول یک مقدار تعیین می کنیم و مقادیر را بر حسب واحد انتخابی وارد کرده و در انتها تمامی نتایج برنامه بر اساس واحدهای داده شده ارائه  می شود.

3-2- امکانات نرم افزار  opensees

نرم افزار ذکر شده دارای یک آرشیو کامل از انواع رفتارهای خطی و غیرخطی درخصوص تعریف مصالح، المان های فولادی و بتنی و تعریف المان­های مختلف درخصوص مدل سازی  می­باشد. بجز عناصری که در آرشیو موجود می­باشد، کاربر می­تواند بصورت اختیاری نیز نوعی از مواد و مصالح و المان ها را برای مدلسازی خود تعریف کند.

نرم افزار opensees قادر به تحلیل انواع مدل های خطی و غیرخطی سازه ای و ژئوتکنیکی می باشد. تحلیل ها بصورت انواع تحلیل­های استاتیکی و دینامیکی در حالت خطی و غیر خطی انجام می­شود .

• تحلیل استاتیکی غیر خطی (static pushover Analysis)
• تحلیل استاتیکی سیکلی (static reversed-cyclic Analysis)
• تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی (Dynamic time-series Analysis)
• تحلیل مدل سازی تحریک یکنواخت پایه (Uniform-support Exitation)
• تحلیل مدل سازی تحریک چند تایی پایه (Multi support Exitation)

در حالت کلی به عنوان یک معرفی کلی می­توان گفت که تحلیل استاتیکی به فرم ku=R بدون ماتریس جرم و میرایی مطرح می­شود و حل این مسأله خود به تنهایی تحلیل استاتیکی را انجام می­دهد.

آنالیزهای وابسته به زمان به دو صورت مطرح می­شوند، نوع اول آنالیز وابسته به زمان باگام ثابت است و نوع دوم آنالیز وابسته به زمان با گام زمانی متغیر است. نرم افزار opensees قادر  به مدلسازی انواع قسمت های یک المان سازه ای می­باشد. می­توان گفت نرم­افزار فوق تمام قسمت­های یک قالب سازه از هر نوعی با هر مصالحی را مدل می­کند. میلگردهای موجود در سطح مقطع یک عنصر، بتن اطراف میلگردها با پوشش حداقل و حداکثر، خستگی در المان ها تحت اثر هر نوع بارگذاری، رفتار هیسترزیسی بصورت منحنی نیرو-  تغییرمکان، گسیختگی برشی، گسیختگی محوری، کاهش مقاومت و نزول سختی تحت اثر بارهای سیکلی، اندرکنش خاک و سازه و … از جمله مسائلی هستند که نرم­افزار قادر به مدل کردن و تحلیل آنها می­باشد.

3-3- مدلسازی رفتار غیر خطی اعضای بتن مسلح

بطور کلی مدلسازی ریاضی سیستمهای سازه­ای به دو گروه زیر طبقه بندی می­شوند:

الف) مدلسازی میکرو

ب) مدلسازی ماکرو

مدلسازی میکرو براساس مشخصات مکانیکی مصالح و روش اجزا محدود استوار است که برای محیطهای پیوسته از نوع دو یا سه بعدی مانند صفحات، سدها، خاک و… مناسب است. در مدلسازی ماکرو، رفتار ناحیه نسبتاً بزرگی از سازه مانند تیر، ستون، دیوار و … به صورت کلی در نظر گرفته می­شود. نحوه مدلسازی یک تیر با دو روش میکرو و ماکرو در شکل (3-1) مقایسه شده است [35].

روشهای مدلسازی میکرو اساساً به این علت برای تحلیل غیرخطی یک سیستم سازه­ای نامناسب شناخته می­شوند که نیاز به مدلسازی پیچیده و محاسبات پر حجم دارند. علاوه براین، مدلسازی پارامترهای مهم نظیر اندر کنش میکروسکوپی بین فولاد و بتن، اثرات متقابل خمش و برش بطور همزمان و همچنین لغزش آرماتورها در یک مدل میکرو بسیار دشوار است. بعلاوه، برای ساده کردن الگوریتم­های عددی لازم است رابطه تنش – کنش نوسانی مصالح بطور تقریبی بیان شوند. بنابراین، هرگونه پیشرفت در جهت بهبود مدلسازی میکرو بدون ارزیابی اطمینان و اعتبار نتایج آنها ارزش عملی ناچیزی دارد.

روشهای مدلسازی ماکرو در مقایسه با مدلسازی میکرو هم به لحاظ هزینه محاسبات و هم به لحاظ سهولت مدلسازی یک راه حل عملی برای تحلیل غیرخطی سیستم­های سازه­ای محسوب می­شود. در این روشها، برای هر الگوی رفتاری یک مدل ریاضی معادل قابل ارائه است. قابلیت­های مدلهای ماکرو به لحاظ ارائه الگوی رفتاری ساده، آنها را برای مدلسازی رفتار غیرخطی اعضای بتن مسلح ایده آل نموده است. در واقع، بخش عمده مدلهای تحلیلی موجود برای سازه­های بتن مسلح براساس مدلسازیهای ماکرو استوار هستند.

 

 

مدل ماکرو

مدل میکرو

 

 

شکل 3-1- مقایسه مدل سازی ماکرو ومیکرو برای یک تیر [35]

3-4- انواع المان های اجزای محدود در نرم افزار openSees

نرم افزار opensees انواع المان را در آرشیو خود پوشش می­دهد. از جمله­ی آنها المان چرخایی، المان تیر-ستون الاستیک، المان تیر-ستون غیر الاستیک، المان چرخایی دورانی، المان تیر با مفصل داخلی، المان­های جداساز پایه، المان با طول صفر و سختی بی نهایت، المان­های چهارگرهی تا بیست گرهی اجزا محدود در حالت دو بعدی وسه بعدی، المان­های شل(Shell) و پلیت(Plate) ، المان اتصال تیر وستون، المان مدلسازی خاک.

برای مدل کردن رفتار غیرخطی المان­های تیر- ستون در ساختار opensees سه المان پیش بینی شده است. یک المان تغییرمکانی (displacement based element) با پلاستیسیته گسترده (distributed plasticity) در طول عضو و المان نیرویی که یکی با پلاستیسیته گسترده ودیگری با پلاستیسیته متمرکز(concentrated plasticity) در طول عضو می­باشد.

پاسخ در هر سطح مقطع از انتگرال­گیری پاسخ مدل رفتار چرخه­ای مصالح در آن سطح مقطع بدست می­آید، خاصیت پلاستیسیته گسترده در طول عضو موجب می­شود تا امکان وقوع تغییرشکل­های غیرارتجاعی در تمامی سطوح و طول عضو ممکن بوده که باعث محاسبه دقیق کرنش درتمامی المان می­گردد. مطالعات نشان داده است که استفاده از چنین المان­های مبتنی برتوابع درون­یابی نیرویی برای مدل­های غیرخطی مناسب تر می­باشد. صرف نظر از هندسه المان و مدل رفتار چرخه­ای مصالح المان چنین توابع درون­یابی­ای قادر به ارائه جواب دقیق معادله حاکم می­باشد. انتگرال­گیری درطول این المان براساس قاعده مربعات Gauss-Lobatto می­باشد. قاعده مربعات انتگرال­گیری عددی است که با ارزیابی مقدار تابع در نقاطی خاص واختصاص ضرایب مناسب به هر یک از مقادیر برای به کمینه رساندن مقادیر خطا با بکارگیری کمینه تعداد نقاط مقدار انتگرال به دست می­آید.

3-5- معرفی مصالح فولادی موجود در opensees

دو نوع مصالح فلزی در کتابخانه opensees موجود می­باشد. یکی مصالح فولادی دوخطی یک محوره با سخت شدگی سیستماتیک وبا تعریف اختیاری ازسخت شدگی ایزوتروپیک تحت عنوان steel01 و مصالح فولادی بر اساس مدل جیفر-مینگوتو و پینتو (Giuffre-Menegotto-Pinto) با سخت شدگی کرنشی ایزوتروپیک تحت عنوان steel02 قابل دسترس می­باشد. شکل­های (3-2) و (3-3) پارامترهای منحنی پوشsteel01 و steel02 را نشان می­دهند. برای مدلسازی بادبندها از ماده steel01 و برای میلگردها از steel02 استفاده شده است.[35]

شکل 3-2- پارامترهای منحنی پوش  steel01 [35]

شکل 3-3- پارامترهای منحنی پوش steel02 [35]

شکل­های (3-4) و (3-5) و (3-6) رفتار هیسترسیسsteel01 و شکل­های (3-7) و (3-8) و (3-9) رفتار هیسترسیسsteel02 را نشان می­دهند.

شکل 3-4- رفتار هیسترسیس   steel01 بدون سخت شدگی ایزوتروپیک [35]

 

شکل 3-5- رفتار هیسترسیس steel01 با سخت شدگی ایزوتروپیک در فشار [35]

شکل 3-6- رفتار هیسترسیس steel01 با سخت شدگی ایزوتروپیک در کشش [35]

شکل 3-7- رفتار هیسترسیس  steel02  بدون سخت شدگی ایزوتروپیک [35]

 

شکل 3-8- رفتار هیسترسیس steel02 با سخت شدگی ایزوتروپیک درفشار[35]

شکل 3-9- رفتار هیسترسیس  steel02 با سخت شدگی ایزوتروپیک در کشش[35]

3-6- معرفی مصالح بتنی موجود در opensees

در این قسمت به دو نوع از مصالح بتنی موجود در کتابخانه opensees اشاره می­شود. یکی مصالح بتنی تک محوره کنت-اسکات-پارک (Kent-Scott-Park) با سختی باربرداری و بارگذاری مجدد خطی براساس کارسان-جیرسا(karsan-Jirsa) و بدون سختی کششی تحت عنوان concrete01 و مصالح بتن تک محوره با مقاومت کششی و نرمی خطی تحت عنوان concrete02 تعریف شده است. شکل­های (3-10) و (3-11) پارامترهای مصالح concrete01 و concrete02 و شکل­های (3-12) و (3-13) رابطه تنش-کرنش هیسترسیس این دو ماده را نشان می دهند. در شکل (3-14) مقایسه بین دو رفتار هیسترسیس آورده شده است.

شکل 3-10- پارامترهای مصالح   concrete01 [35]

شکل 3-11- رابطه تنش – کرنش هیسترسیس concrete01   [35]

شکل 3-12- پارامترهای مصالح concrete02   [35]

 

شکل 3-13- رابطه تنش – کرنش هیسترسیس concrete02   [35]

شکل 3-14- مقایسه رفتار هیسترسیس concrete02  و concrete01   [35]

3-7- نحوه مدل سازی اعضای سازه ای

در این قسمت نحوه استفاده از المان­های کتابخانه ای opensees برای مدل کردن تیرها ، ستون ها، بادبندها، دیوارهای برشی و همچنین مقطع اختصاص داده شده به آنها، شرح داده می شود.

3-7-1-  تعریف مقاطع اعضا

برای ایجاد شکل سطح مقطع مورد نظر از مقاطع رشته­ای (Fier Sectionb) استفاده شده است. این روش توانایی ساخت مقاطع مختلف را فراهم می­آورد و این امکان را برای نرم­افزار فراهم می­کند تابتواند مقادیر متفاوت نیرو و تغییرشکل نقاط مختلف سطح مقطع را بر اساس هندسه مقطع، رفتار چرخه­ای مفروض برای مصالح و چگونگی پخش کرنش در طول عضو را به دست آورد. در این روش شکل سطح مقطع با تقسیم به چند شکل هندسی متداول تشکیل و هریک از این قسمت­ها نیز به تعداد رشته­های مطلوب تقسیم می­گردد. نمونه­ای از مقاطع رشته ای در شکل (3-15) آورده شده است.