ساده سازی، مدل سازی، شبیه سازی

دانلود پایان نامه ارشد

افزایش در ممان های مربوطۀ اعمالی می باشد، که برای نسبت های بزرگتر عرض کف به عمق، دارای مقدار بیشتر می باشد و همچنین با توجه به شکل (3-20)، ثابت کردند که هرچقدر عمق کانال افزایش یابد، متناسب با آن ممان خمشی نیز افزایش می یابد و همچنین، ممان خمشی در انتهای مرحله ساخت هیچ تهدیدی برای پوشش نخواهد داشت و هرچقدر شیب دیواره بیشتر باشد، ممان های خمشی بیشتری بر روی آن به وجود می آیند. بحرانی ترین شرایط کاری مستقیماً به ابعاد کانال مربوط می شوند. طبق شکل (3-20)، برای Z=1، ممان های خمشی برای حالت ظرفیت کامل تا عمق 3/8 متر بزرگتر می باشد، و همینطور در حالت نفوذ معکوس برای عمق های بیشتر از 4 متر. این در نتیجۀ فشار بالابرندۀ حاصل از عمق افزایــش یافته و عرض کف کانال می باشد. برای Z=1/5 ، بحـــرانی ترین شرایط مربوط است به حالت ظرفیـــت کامل برای عمق های تا 2/25 متر، در حالیکه برای کانال های عمیق تر، حالت نفوذ معکوس با توجه به ممان های خمشیِ افزایش یافته27، دارای بحرانی ترین شرایط می باشد. بعلاوه، برای Z=2، وضعیت بالا در عمق 2/2 متر اتفاق می افتد. بمنظور کاهش اندازه ممان های خمشی، اتصالات انبساطی-انقباضی، بایستی در محل ها طوری قرار داده شوند که علاوه بر وظیفه معمول آنها، قادر به کاهش ممان های خمشی نیز باشند. ثابت شد که، برای کانالهای با عمق کمتر از 4 متر، خطر گسیختگی پوشش می تواند از طریق ایجاد یک اتصال طولی در عمق معادل با یک سوم عمق کلی کانال از بستر، به حداقل برسد. برای کانالهای عمیق تر، علاوه بر این اتصالات، سایر اتصالات نیز باید در جایی که صفحه های بتنی تحتانی و کناری به هم می رسند و در خط مرکزی بستر ایجاد شوند. در این مدل سازی مقادیر مدول الاستیسیته و نسبت پواسون به ترتیب برابر با Kpa2000 و 0/2 می باشند. تخصیص سایر مقادیر به این پارامترها نشان داد که تغییرات آنها هیچ اثر قابل توجهی را بر روی ممان های خمشی نداشته و بنابراین، قطع نظر از نوع خاک، نتایج بررسی برای تمام انواع خاک معتبر می باشد. وجود فاصله خالی میان پوشش بتنی و بستر خاک بعلت سکون و اشباع خاک پس از پر نمودن کانال، که خود در نتیجۀ تراکم کم و یا چگالی طبیعی کم می باشد، در این مطالعه در نظر گرفته نشده است. این فاصله خالی اغلب بوسیله خارج نمودن مواد با کیفیت ، در حین شرایط فروکش سریع، بیشتر می شود.

3-4- جمع بندی مقالات:
پس از بررسی و مطالعة مقالات مربوطه، بخوبی مشخص می شود که اکثر محققین در مورد علل تخریب فیزیکی کانال ناشی از شرایط بهره برداری و کاهش سریع سطح آب، افزایش لنگر خمشی در پوشش بتنی، نحوة کاهش لنگر خمشی موجود، تأثیر پارامترهای مختلف مانند مدول الاستیسیته بر روند تغییرات لنگر، تأثیر خاک های متورم شونده در شرایط بهره برداری و نقش آن در تخریب پرداخته اند که این روند تحقیقاتی تا حدود زیادی هم منجر به ارائه راهکارهای مناسب از جمله: در نظر گرفتن تنش مؤثر برای حالت کاهش سریع سطح آب به عنوان یک تحلیل کاربردی، روش های تعمیر کانال در زمان بهره برداری، مشخص کردن تأثیر شرایط بهره برداری و یا کاهش سریع سطح آب بر روی شیب های جانبی، پوشش و ضریب اطمینان، ساخت پوشش به صورت درز دار و قرار دادن درزها در ایده آل ترین نقاط برای کاهش حداکثریه لنگر خمشی، شد. یکی از نکات اصلی که به عنوان خلاء تحقیقاتی اصلی به چشم می خورد، عدم بررسی اولیة هندسة پایدار کانال تحت شرایط ساخت و بهره برداری می باشد. بطور کل این فرایند می بایست قبل از ساخت و در هنگام طراحی به عنوان اصلی ترین مرحله در نظر گرفته شود، چراکه می توان با مشخص کردن تأثیر پارامترهای مختلف هندسه برروی پایداری و یافتن هندسه اولیة ایمن، خیلی از مشکلات ثانویه را برطرف کرد. در این حین شرایط ساخت و بهره برداری هم باید بصورت مجزا مورد بررسی قرار بگیرند.

4-1- مقدمه:
مدلسازی عددی یک ابزار تحلیل است و نباید جای تئوری حاکم مسئله و قضاوت مهندسی را بگیرد. این مدلسازی فهم طراح را از مکانیزم رفتاری مسئله با ارائه تصویر فیزیکی، به جای دادن ارقام خام و بیان کیفی از مسئله بالا می برد. مسائل ژئوتکنیک جزء مسائل با اطلاعات محدود هستند، در این حد که با کاهش یا افزایش اشتباه یکی از پارامترهای حاکم بر مسئله، نتایج حاصله بکلی دستخوش تغییر می شوند. در مسائل ژئوتکنیک برای مدلسازی نرم افزارهای متعددی مورد استفاده قرار می گیرند که از آن جمله می توان به PLAXIS، GEO STUDIO،FLAC وABAQUS اشاره کرد. در این پژوهش با توجه به عنوان پایان نامه از دو نرم افزاز PLAXIS و GEO STUDIO استفاده شده که در این بخش هر کدام به اختصار شرح داده می شوند. پس از آن صحت سنجی انجام پذیرفته و ارائه شده است.

4-2- معرفی نرم افزارها:
در این مرحله با معرفی پنجره های اصلی، گزینه ها و زیر گزینه های موجود در این پنجره ها برای هر دو نرم افزار PLAXIS و GEO STUDIO ، گام به گام مراحل مورد نیاز برای ساخت مدل ایده آل طی می شود. این مراحل برای نرم افزار PLAXIS عبارتست از:
1- معرفی کلی نرم افزار 2- گرافیک هندسة ورودی 3- محاسبات 4- خروجی ها 5- منحنی ها
و برای نرم افزار GEO STUDIO عبارتست از:
1- معرفی کلی نرم افزار 2- گرافیک هندسة ورودی 3- معرفی راه حل های محاسبة ضریب اطمینان 4- مراحل حل برای تعیین ضریب اطمینان

4-2-1- معرفی نرم افزار PLAXIS :
در زمينه تحليل تنش كرنش با روش المان محدود برنامه‌هاي جامع و كلي زيادي مانند ANSYS و غيره وجود دارد. بنا به اظهار تهيه كنندگان، اين برنامه‌ها بازه بسيار بزرگي از مسائل را تحت پوشش قرار مي‌دهند. در زمينه مسائل ژئوتكنيكي نيز با توجه به شرايط رفتاري خاص و منحصر به فرد خاك (مصالح داراي رفتار چند فازي، فشار آب حفره‌اي اضافي، تحكيم و…) و سنگ اين امر به وقوع پيوسته و برنامه‌هاي تخصصي نسبتاً زيادي تدوين شده است كه اغلب آنها براي كاربردهاي خاص طراحي شده‌اند (مانند سپري‌ها، تونل‌ها، مسائل جريان آب در خاك، سدها، کانال های انتقال آب و …) و بعضي نيز براي مسائل كلي ژئوتكنيكي نوشته شده‌اند. يكي از نرم‌افزارهايي كه شكل عمومي دارد، PLAXISاست و با توجه به پيشرفت‌هايي كه در زمينه عددي ايجاد مي‌شود، درحال توسعه و به روز شدن مداوم است. نرم افزارهای المان محدود پیشرفته و از جمله PLAXIS برای تحلیل تغییر شکل ها و پایداری سازه ها و شیب ها در پروژه های مهندسی ژئوتکنیک بسیار کارامد می باشند. نرم افزار2D PLAXIS، در شبیه سازی مسائلی که ساده سازی دو بعدی و فرض پیوستگی در آنها صدق می کند کاربرد دارد. این نرم افزار قابلیت تحلیل مسائل در محیط خاکی و محیط معدل سنگی (به شدت درزه دار) را دارد. از جمله قابلیت های اصلی آن می توان به تحلیل پایداری استاتیکی و دینامیکی شیب ها، تکیه گاه و بدنه سد ها و تونل ها، برهم کنش سازه و خاک، تحلیل هیدرولیک، تحکیم و هیدرومکانیک در مسائل ژئوتکنیک اشاره کرد. طبیعت اغلب مسائل مهندسی سه بعدی است (تنش کرنش و جابجایی ها در هر سه جهت تغیر می کند). با توجه به پیچیدگی روابط و مشکل بودن فرمول نویس در سه بُعد، یکسری فرض های ساده سازی تعریف و ارائه می شود.

الف) تنش صفحه ای …………….. Plain stress
ب) کرنش صفحه ای …………….. Plain strain
ج) تقارن محوری ……………….. Axisymmetry

شرایط کرنش صفحه ای در مهندسی ژئوتکنیک از اهمیت ویژه ای برخوردار است. مسائل مختلفی از جمله مقاطع خاکریزها و شیب ها، سدهای خاکی و دیوارهای حائل و …. را می توان با فرض کرنش صفحه ای (ε_z=γ_xz=γ_yz=0) تقریب زد که در آن: ( 〖:ε〗_z کرنش نرمال در راستایz )، (〖:γ〗_xz کرنش برشی در جهت x و عمود بر راستای z) و (〖:γ〗_yz کرنش برشی در جهت y و عمود بر راستایz ). کانال های انتقال آب را نیز به دلیل طویل بودن در راستای بُعد z و ناچیز بودن اندازه در راستای دو بُعد دیگر x,y نسبت به بُعد z، می توان از فرض کرنش صفحه ای مدل کرد. شکل (4-1) بخوبی فرض کرنش صفحه ای را برای کانال های انتقال آب مشخـص می کند[14].

شکل (4-1): کرنش صفحه ای[14]

این نرم افزار بر اساس روش اجزاء محدود پایه گذاری شده و در هر مسئله ماتریس زیر را تشکیل داده و با تقسیم مدل به اجزاء کوچکتر به نام المان، این ماتریس را برای هر المان محاسبه و با جایگذاری در ماتریس کلی اقدام به حل می کند:
[F] ماتریس بار (بارهای وارده داخلی و خارجی)
[F]=[K]×[D] (1-4)

که در آن:
[K] ماتریس سختی مدل
[D] ماتریس جابجای (مجهولات)

هسته اصلي برنامه از چهار بخش تشكيل مي‌شود:
1- ورودي: معرفی هندسه، شرایط مرزی، تعریف خواص مصالح، مش بندی
2- محاسبه: تغییرات در مدل، اعمال بارگذاری، حفاری و برآورد ضریب ایمنی و …
3- خروجي: بررسی تغییرات پارامترهای خروجی
4- منحني‌ها: تعیین گراف از تغییرات پارامترها

4-2-1-1- گرافيك هندسه ورودي مدل:
وارد كردن لايه‌هاي خاك، سازه‌ها، مراحل ساخت، بارگذاري و شرايط مرزي براساس يك مرحلة بسيار راحت انجام مي‌گيرد. پنجره‌ي اصلي ورودي برنامه در شكل (4-2) همراه با معرفي بخش‌هاي که در این مدلسازی مورد استفاده قرار گرفته اند، بصورت مختصر آورده شده است.
1- در مرحله اول برای ساخت و تکمیل هندسه مدل و ساختارهای مصنوعی در پروژه های ژئوتکنیک از: رسم خط، المان پلیت، مفصل و فنرهای دورانی، المان ژئوگرید، المان فصل مشترک، مهار گره به گره، مهار با انتهای ثابت و تونل می توان استفاده کرد.
2- مرحله دوم شامل اعمال شرایط مرزی و بارگذاری می باشد. به عنوان تکنیک سریع در اعمال شرایط مرزی مدل از گزینة Standard Fixity برای مدل های نزدیک به سطح زمین می توان استفاده کرد. مرزهای قائم در جهت X به صورت غلطکی(U_X) ثابت شده و تنها اجازه جابجایی در جهت عمود را دارند. مرزهای افقی نیز که کمترین مقدار Y را دارند (مرز کف مدل)، در هر دو جهت ثابت می شوند (U_X=U_Y=0). همچنین برای ثابت کردن درجه آزادی چرخش یک المان پلیت که تا مرز امتداد یافته است، از گزینةFixities Rotationاستفاده می شود.
3- مرحله سوم، اعمال بارگذاری به صورت تعریف جابجایی گسترده و یا تعریف بار می باشد. توزیع جابجایی را می توان به صورت تغییرات خطی یا ثابت در یک امتداد افقی، قائم و یا مایل زیر خط هندسی و در فضای داخلی مدل اعمال کرد. بار گسترده با واحد (KN/m^2)، و یا نقطه ای را با واحد (KN/m)، به صورت توزیع خطی و یا ثابت روی خط هندسی و در فضای بیرون مدل می توان اعمال کرد. البته در مدل سازی این پروژه از این مرحله بدلیل نبود بار استفاده نشده است.
4- مرحله چهارم، در اصل نرم‌افزار PLAXIS براي تحلیل مدل‌ها براساس پارامترهاي مؤثر طراحي شده است. برای هر یک از مصالح بکار رفته در مدل، یک مدل رفتاری Constitutive Model باید در نظر گرفته شود. مدل های رفتاری موجود در این نرم افزار برای بررسی رفتار خاک عبارتند از[14] :
*- مدل الاستیک خطی……..……………. Linear Elastic
*- مدل موهر-کولمب……..………….. Mohr-Coulomb
*- مدل سنگ درزه دار………….. Jointed Rock Model
*- مدل خاک سفت شونده…… Hardening Soil Model
*- مدل خزشی خاک نرم……. Soft Soil Creep Model
*- مدل خاک نرم شونده……………….. Soft Soil Model
در این پروژه برای مدلسازی رفتار خاک از مدل رفتاری موهر-کلمب استفاده شده است، به همین دلیل تنها به معرفی این مدل پرداخته خواهد شد.
*- مدل موهر-کلمب كاملاً پلاستيك (MC) :
پلاستيسيته به معناي غيرقابل برگشت بودن كرنش مي‌باشد. در يك مدل كاملاً پلاستيك يك سطح گسيختگي ثابت تعريف مي‌شود. سطحي كه كاملاً براساس پارامترهاي مدل به دست مي‌آيد نه متأثر از كرنش پلاستيك. در شكل (4-3) وضعيت رفتار الاستيك – كاملاً پلاستيك نشان داده شده است. مدل موهركولمب به پنج پارامتر ورودي نياز دارد. كه براي اغلب مهندسين ژئوتكنيك آشناست و از آزمايشات

پایان نامه
Previous Entries آب زیر زمینی، داده های ورودی، هیدرولیک Next Entries آب زیر زمینی، مطالعه موردی، مدل سازی