حل کامپیوتری (عددی) رفتار هیسترزیس ستون های I شکل و ستون های بست دار

بخشی از فهرست مطالب پروژه حل کامپیوتری (عددی) رفتار هیسترزیس ستون های I شکل و ستون های بست دار

فصل اول
خلاصه
مقدمه
رفتار خمیری ( پلاستیک)
۱-۱- مقدمه     
۱-۲- آزمایشهای مبنائی
۱-۲-۱- آزمایش کشش
۱-۲-۲- نمودار تنش حقیقی- کرنش حقیقی
۱-۲-۴- اثرات نرخ کرنش و دما
۱-۲-۵- اثر فشار هیدرواستاتیک عدم قابلیت تراکم
۱-۲-۶- فرضی نمودن نمودارهای تنش و کرنش مدلهای
 دینامیکی و سینماتیکی
۱-۲-۷- معادلات فرضی برای منحنی‌های تنش و کرنش
۱-۳- معیار برای تسلیم
۱-۳-۱-مقدمه
 1-3-2- مثالهائی از معیارهای تسلیم.
۱-۳-۳- سطح تسلیم – فضای تنش‌ها یک وسترگارد
۱-۳-۴- پارامتر تنش لود – اثبات عملی معیارهای تسلیم
۱-۳-۵- سطوح تسلیم ثانوی- بارگزاری و باربرداری
فصل دوم
خلاصه ای از نرم افزار ABAQUS
۲-۲- آشنایی با نرم افزار ABAQUS
۲-۲-۱-مقدمه:
۲-۲-۳- Abaqus/ CAE
۲-۲-۴- ایجاد یک مدل آنالیز ساده
۲-۲-۵- بررسی انواع مسائل غیر خطی در نرم افزار ABAQUS
۲-۲-۶- تحلیل غیرخطی در ABAQUS
فصل سوم
رفتار هیسترزیس ستونهایI  شکل
۳-۱-اصول فلسفه طراحی لرزاه ای
۳-۱-۱- مقدمه:
۳-۱-۲- تحقیقات قبلی بر روی تیر ستونهای فولادی
۳-۱-۳- مشخصه هائی که بر شکل پذیری تیر ستون موثرند
۳-۲- طراحی ستونهای نمونه:
۳-۲-۱-توصیفات عمومی
ا۳-۲-۲- شکل پذیری مورد نیاز در ستونها
۳-۲-۳- مقادیر  که توسط گروه تحقیقاتی NZNSEE پیشنهاد میگردد
۳-۲-۴- محدودیت لاغری بال و جان که بوسیله NZNSEE پیشنهاد میگردد.
۳-۲-۵- محدودیت لاغری بال و جان که توسط LRFD،AISC پیشنهاد میگردد.
۳-۲-۶- جزئیات مقاطع ستونها
۳-۳- فرآیند آزمایش
۳-۳-۱ نیرو و تغییر مکان
۳-۳-۲- آزمایش ستونها
۳-۴- مشاهدات آزمایشگاهی و نتایج تجربی
۳-۴-۱-مقدمه
۳-۴-۲- مشاهدات پژوهش
۳-۴-۳- عملکرد ستون نمونه اول
۳-۴-۴-عملکرد ستون دوم
۳-۴-۵- عملکرد ستون شماره سوم
۳-۴-۶- عملکرد ستون شماره چهارم
۳-۴-۷- عملکرد ستون شماره پنجم
۳-۴-۸- عملکرد ستون ششم
۳-۴-۹- عملکرد ستون هفتم
۳-۵- بحث در مورد نتایج آزمایشگاهی
۳-۵-۱- جنبه های مباحثه در مورد نمونه های آزمایشگاهی و نتایج آنها
فصل چهارم
رفتارهیسترزیس ستون بست دار
۴-۱ تیرستونهای مشبک تحت بارهای متناوب
۴-۱-۱ مقدمه
 4-1-2 نمونه های آزمایش
۴-۱-۳ عضو مشبک بست دار مرسوم
 4-1-4 ستونهای مشبک با مقطع های دوبل ناودانی اصلاح شده
 4-1-6 ستاپ آزمایش و تاریخچه بارگذاری
۴-۱-۷ تاریخچه بارگذاری به صورت تعییرمکان
 4-2 رفتار کلی نمونه ها
۴-۲-۱ نمونه DC1C
۴-۲-۲ نمونه DC1M
 4-2-3 نمونه DC2M
۴-۲-۴ نمونه DC1MB
۴-۲-۵ نمونه DC2MB
۴-۳ نتایج آزمایش
۴-۳-۱ پاسخ نیروی جانبی – تغییر مکان جانبی
۴-۴- مقایسه رفتار هیسترزیس نمونه ستون I شکل سوم با ستون بست دار معادل آن   
فصل پنجم
نتیجه گیری

خلاصه

هفت نمونه ستون I شکل و سه نمونه ستون مشبک با بست موازی در آزمایشگاه تحت بارهای فشاری و تغییر مکان جانبی قرار گرفته که نتایج بصورت عکس و دیاگرام نیرو – تغییر مکان  (منحنی های هیسترزیس) موجود است. سپس با علم به نتایج آزمایشگاهی هفت ستون I شکل با همانند سازی شرایط آزمایش اعم از تکیه‌گاهها، نوع مواد و بارگذاری و اتصال اجزاء تشکیل دهنده آنها با کمک از نرم افزار المان محدود ABAQUS نتایج مطلوبی بدست آمد و نتایج آن نیز بصورت دیاگرام نیرو تغییر مکان (منحنی‌های هیسترزیس) قابل مقایسه با نتایج آزمایشگاهی به تصویر کشیده شده است .
همچنین همانند سازی بین نمونه شماره سه از ستونهای I شکل که ایجاد مفصل پلاستیک کامل در انتهای تست از آن مشاهده گردید ومقطع معادل ستون بست دار آن که از لحاظ سطح مقطع ، ممان اینرسی تاریخچه بارگذاری و شرایط نگهداری در هر دو جهت بامقطع ناودانی کاملاً همسان است انجام شد به نظر می رسد مقطع با ستون بست دار هم از لحاظ باربرری و شکل پذیری از مقطع I شکل معادل ضعیف تر است.
رفتار هیسترزیس نسبت به لاغری جان از لاغری بال حساس تر بوده و افزایش ضخامت جان رفتار هیسترزیس بهتری به ما ارائه می دهد.

 پیشگفتار

نظر به اینکه اقتصادی بودن هر پروژه، رکن اساسی طرح بوده لذا مهندسین محاسب و طراح در محاسبات سازه‌ها و دستگاه‌های مکانیکی به بحث و تحلیل مسائل در حالت خمیری (پلاستیک) می‌پردازند و همچنین در سازه‌ها با توجه به بارهای رفت و برگشتی زلزله سازه ها باید بتوانند انرژی زیادی هدر دهند (جذب کنند) یا به عبارت دیگر باید سازه ها شکل پذیر باشند تا در اثر بارگذاری دینامیکی ، سازه گسیخته نشود. به نظر می رسد که این دو مهم بدون استفاده از کامپیوتر تقریباً غیرممکن است با توجه به نوع ساختار وسایل مکانیکی می توان پس از ساخت آنها را تحت تست آزمایشگاهی قرار داد ولی در مورد سازه ها این مطلب کاملاً صادق نیست لذا نرم‌افزارهای معتبر می توانند پیش بینی قابل قبولی به ما بدهند هدف این پروژه تطبیق نتایج آزمایشگاهی با نتایج نرم افزار به روش المان های محدود و مقایسه رفتار هیسترزیس ستونهای با مقطع I شکل و ستونهای بست دار معادل است. اینگونه به نظر می رسد که ساخت اجرای ستونهای بست دار نسبت به ستون با مقطع I شکل اقتصادی است . ولی با توجه به مقایسه میزان جذب انرژی ستون‌های I شکل و بست دار که از مطالعه رفتار هیسترزیس این دو نوع ستون فولادی به دست می‌آید می توان از زاویه دیگری بر اقتصادی بودن مقاطع بست دار هنگام زلزله نگاه کرد.

۱-۱- مقدمه
علم مربوط به مطالعه و بحث و تحقیق درباره خاصیت خمیری اجسام (پلاستیسیته) را می‌توان بدو قسمت متمایز از یکدیگر بترتیب زیر تقسیم کرد:
۱-    حالتی که کرنشهای خمیری در حدود یا نزدیک کرنشهای ارتجاعی میباشد و بهمین علت میگویند که جسم در حالت ارتجاعی خمیری یا الاستوپلاستیک قرار دارد.
۲-    حالتی کرنشهای خمیری با مقایسه کرنشهای ارتجاعی خیلی بزرگ بوده و در نتیجه میتوان از گرنشهای ارتجاعی در مقابل کرنشهای خمیری صرفنظر کرد.
حالت اول بیشتر برای مهندسین محاسب و طراح در انجام محاسبات ساختمانهای فلزی و سازه‌ها، موشکها، ماشنیها، دستگاههای مکانیکی و نظایر آنها بکار میرود و بحث و تجزیه و تحلیل مسائل مربوط بحالت ارتجاعی خمیری بدون استفاده از کامپیوتر امکان‌پذیر نیست و از سالهای ۱۹۶۰ ببعد شروع به حل این مسائل با استفاده از کامپیوتر گردید.
حالت دوم بطور کلی برای مهندسین تولید جهت طرح ماشینها و دستگاههای نورد، کشیدن سیمها و حدیده‌کاری، چکش‌کاری، تزریق فلزات، فرم دادن قطعات و ایجاد تغییر شکل دائمی در آنها قابل استفاده است.
تاریخ علم حالت خمیری از سال ۱۸۶۴ که ترسکا  (TRESCA)  نتایج کارهای خودش را درباره سنبه زنی و حدیده کاری و تزریق منتشر کرد شروع می‌شود. او در این موقع با آزمایشهائی که انجام داد مبنای تسلیم را بوسیله فرمول نشان داد. چند سال بعد با استفاده از نتایج ترسکا، سنت و نانت (SAINT-VENANT) ولوی (LEVY)پایه‌های تئوری جدید حالت خمیری را بیان کردند. برای ۷۵ سال بعدی پیشرفت خیلی کند و ناهموار بود، گر چه کمک مهمی توسط فن میسز و هنکی (HENCKY) ، پراند تل (PRANDTL )و سایرین شد، تقریباً فقط از سال ۱۹۴۵ بود که نظریه یک شکلی پدیدار گشت. از آن موقع کوششهای متمرکزی بوسیله بسیاری از پژوهندگان انجام گرفت که با سرعت زیادی به پیش میرود. خلاصه تاریخچه پژوهشگران بوسیله هیل (HILL) و وسترگارد (WESTERGAARD) بنحو شایسته‌ای بیان شده است.
نظریه‌های خمیری به دو دسته تقسیم میشوند: نظریه‌های فیزیکی و نظریه‌های ریاضی. نظریه‌های فیزیکی در پی آنستکه علت جاری شدن خمیری فلزات را در یابد. وقتیکه مصالح از نقطه نظر میکروسکپی دیده شود، کوشش این است که معلوم گردد برسراتمها- کریستالها و دانه‌های مصالحی که در حالت جریان خمیری می‌باشد چه می‌آید. نظریه‌های ریاضی از طرف دیگردر طبیعت بصورت حادثه منطقی به موضوع توجه کرده سعی میکند که آنرا فرمول بندی نموده و در حالت بزرگ و مرئی بشکل قابل استفاده در آورد بدون اینکه بطور عمیق به مبناهای فیزیکی توجه داشته باشد. امید احتمالی البته این است که بالاخره‌ ایندو  نظریه یکی شده و حالت و وضع مصالح را در حالت خمیری تعیین نموده و مبنائی برای استفاده هر عملی به مهندسین بدهد. در این بخش  بیشتر روی فرضیه‌های ریاضی اقدام شده است طوریکه این فرضیه‌ها از نوع فیزیکی کاملاً متمایز است. فرضیه‌های فیزیکی توسط فیزیکدانها مخصوص فیزیکدانهای حالت جامد مورد بحث و مطالعه واقع می‌شود.
بحث درباره حالت جریان خمیری در فلزات بصورت زیر از طریق درک مستقیم انجام می‌شود: هرگاه نواری از فولاد در نظر گرفته شود که یک طرف آن درگیره‌ای ثابت شده و بطرف دیگرش نیروی خمشی وارد آید، طرف آزاد خم میگردد. اگر مقدار نیروی وارده زیاد نباشد وقتی نیرو برداشته شود انتهای آزاد نوار بحالت اولیه برگشت خواهد یافت طوریکه هیچگونه تغییر شکل محسوس در نوار باقی نمی‌ماند. هرگاه نیروی وارد به انتهای آزاد بزرگ باشد پس از برداشت نیرو دیگر جسم بحالت اول بر نمی‌گردد ومقداری از تغییر شکل در آن بطور دائم خواهد ماند و گفته می‌شود که تغییر شکل خمیری در جسم ایجاد گردیده است. منظور ما این نیست که معلوم کنیم چرا تغییر شکل خمیری در جسم تولید شده است بلکه می‌خواهیم تعیین کنیم که از نظر عوامل وارد بجسم مانند تنشها- کرنشها- و بارها چه پدیده‌هائی در جسم بوجود آمده است.
بطور خلاصه، حالت خمیری عبارتست از خاصیت اجسام سخت وقتی که تحت اثر بارهای خارجی تغییر شکل دائمی در آنها ایجاد شود، حالت ارتجاعی یا الاستیسیته عبارتست از خاصیت جسم سخت که تغییر شکل حاصله در آنها با برداشتن بار از بین رفته و بشکل اول برگشت پیدا کند. در حقیقت تعریف اجسام ارتجاعی کاملاً تصوری می‌باشد زیرا اجسام طبیعی پس از برداشت نیروهای وارده کم و پیش مقداری از تغییر شکل را در خود نگه‌میدارد و لو میزان نیروی موثر آنها کم باشد.
برای چنین اجسام ارتجاعی مقدار تغییر شکل تولید شده بقدری کم است که در اثر بارهای کوچک قابل اندازه‌گیری نیست. بنابراین نظریه پلاستیسیته در حالاتی بکار برده می‌شود که بارهای وارد جسم بمقداری باشد که تغییر شکلهای دائمی حاصله در جسم قابل‌ اندازه‌گیری باشد.
 نظریه حالت خمیری اجسام را میتوان به دو قسمت تقسیم کرد. در یک قسمت عملیات تغییر فرم دادن فلزات مانند چکش‌کاری- حدیده‌کاری- تزریق- نورد‌کاری و غیره بررسی می‌شود که در آنها تغییر شکلهای خمیری (پلاستیکی) به مقدار زیاد مشاهده می‌شود.برای این نوع مسائل می‌توان از کرنشهای ارتجاعی صرف‌نظر کرد و فلز را می‌توان خمیری کامل فرض نمود. در قسمت دیگر دسته‌ای از مسائل قرار می‌گیرد که مقدار کرنشهای خمیری در مقابل کرنشهای ارتجاعی کوچک است این قسمت یا نوع دوم از کرنشها برای طراحان ماشینها و محاسبان سازه‌ها در درجه اول اهمیت است. با توجه فراوانی که اخیراً روی تقلیل وزن هواپیما- موشکها- کشتی‌های فضائی و نظایر آنها بکار میرود دیگر طراحان این دستگاهها نمی‌توانند ضرائب اطمینان را در سطح بالا در نظر بگیرند و میباید که حداکثر نسبت بار به وزن را در محاسبات بدست آورند. این نوع محاسبه مطمئناً در ناحیه پلاستیک انجام خواهد شد. حتی در موارد استعمال ساده صنعتی رقابت شدیدی روی کاربرد مصالح و بازده بالاتر وجود دارد.
۱-۲- آزمایشهای مبنائی
در این بخش نتایج بعضی آزمایشهای مبنا روی فلزات نشان داده شده است منحنی تنش- کرنش در مورد کشش که اساس تئوری پلاستیسیته می‌باشد بطور تفصیل آمده است. اثر بارگزاری معکوس- نرخ کرنش، دما و فشار هیدرواستاتیک بطور خلاصه بحث شده است. منحنی‌های تصویری تنش- کرنش و نمونه‌های متعدی از مصالح و عمل آنها در آزمایشها شرح داده شده است.
۱-۲-۱- آزمایش کشش
ساده ترین و عمومی ترین آزمایشها که مهمترین آنها نیز می‌باشد، آزمایش کشش ساده است. یک نمونه استوانه‌ای شکل که در شکل ۱-۱ نشان داده شده است در داخل ماشین قرار داده می‌شود، بار بتدریج اضافه می‌شود، تغییرات میزان بار وارده در مقابل تغییر طول علامت گزارش شده روی نمونه و کم شدن قطر آن یادداشت می‌شود. نوع عمومی نمودار تنش در مقابل کرنش در شکل ۲-۱ نشان داده شده است.
تنش اسمی که عبارت از بار وارده بر سطح مقطع اولیه نمونه است در مقابل کرنش قراردادی که همان کرنش مهندسی نامیده می‌شود رسم شده است. کرنش مهندسی (قراردادی) عبارتست از مقدار اضافه طول تقسیم بر طول اولیه علامت گزاری شده در روی نمونه تنش اسمی را میتوان بوسیله رابطه زیر نشان داد.
(۱-۱)                                                                                             
و کرنش مهندسی (قراردادی) توسط رابطه زیر نشان داده می‌شود:
(۲-۱)                                                                                            
در شروع ملاحظه می‌شود که رابطه بین تنش و کرنش خطی است. این قسمت خطی تا نقطه A ادامه می‌یابد که به حد تناسب معروف است. در این ناحیه است که تئوری خطی ارتجاعی با استفاده قانون هوک معتبر است.

بخشی از فهرست مطالب پروژه حل کامپیوتری (عددی) رفتار هیسترزیس ستون های I شکل و ستون های بست دار
فهرست منابع فارسی
۱- مجتبی ازهری، سید رسول میرقادری، اردیبهشت ۱۳۸۴، طراحی سازه های فولادی .
۲- شاپور طاحونی، چاپ هشتم، طراحی سازه های فولادی
۳- شعبانعلی پوردار، تیر ۱۳۸۰ مقاومت مصالح پیشرفته.
۴- کلاوس یورگن باته.، ۱۳۸۵ ، روش های عناصر محدود ترجمه  کریم عابدی.
۵- الکساندر مندلسون، ۱۳۵۷، پلاستیسه یا حالت خمیری اجسام، ترجمه نورالدین شهابی

فهرست منابع لاتین
۱ Mitani , J., Makino , M. and Matsui, C., “Empirical Formula for Plastic Rotation capacity of steel Beam-Columns with H-Shaped Cross Section”, Proc. Pacific Structural Steel Conference, Vol. 2, pp.283-382, Auckland, 1986.
۲  Popov, E.P., Bertero, V.V. and Chandramoulli , S., “Hysteretic Behaviour of Steel Columns” , Report No. UCB/EERC 75-11, Earthquake Engineering Research Centre , College of Eng., Univ. of California, Berkeley, Cal. (1975).
۳  Popov, E.D. and Pinkney, R.B., “Reliability of Steel Beam-to-Column Connections Under Cyclic Loading” , Proc. 4th WCEE, 1969, Santiago , Chile, B-3 , pp.15-30.
۴   Lukey, A.F. and Adams, P.F., “Rotation Capacity of Beam Under Moment Gradient” , Proc. ASCE, Vol. 95, No. ST6, June 1969, pp.1173-1188.
۵  Climenhaga , J.J. and Johnson, R.P., “Moment-Rotation Curves for Locally Buckling Beams, Proc. ASCE, Vol. 98, No. ST6, June 1972, pp.1239-1254.
۶  Vann, W.P., Thompson , L.E., Whally, L.E. and Ozier , L.D., “Cyclic Behaviour of Rolled Steel Members” , Proc. 5th WCEE , Vol. 1, Rome, 1973.
۷   Mitani, I., Makino , M. and Matsui , C., “Influence of Local Buckling on Cyclic Behaviour of Steel Beam-Columns”, Proc. 6th World Conf. on Earthquake Eng., New Delhi , India , Vol.3, 1977, pp.3175-3780.
۸  Butterworth , J.W. and Spring, K.C.F., “Column Design” , Section D-NZNSEE Study Group for the Seismic Design of Steel Structures; Bull NZNSEE, Vol. 18, No. 4, December 1985, pp.344-350.
۹  MacRae , G.A., Walpole , W.R. and Carr, A.J., “Inelastic I-Shaped Beam-Columns in Earthquake-Resistant Structures”, Proc. Pacific Structural Steel Conference , Brisbane, May 1989.
۱۰  Specification for Structural Steel Buildings-Load and Resistance Factor Design, American Institute of Steel Construction, September 1,1986.
۱۱ MacRae, G.A. and Carr, A.J. , “Capacity Design of Steel Moment Resisting Frames” , Proc. Pacific Conference on Earthquake Engineering , New Zealand, 5-8 August 1987, pp.47-69.
۱۲  Clifton, G.C., 1987. “Seismic Design procedures for Ductile Structural Steel Moment Resisting and Eccentrically Braced Frames”, Proc. Pacific Conference on Earthquake Engineering, Wairakei , New Zealand, Vol. 2, p.25.
۱۳  Lay, M.G., “Flange Local Buckling in Wide-Flange Shapes”. Journal of the Structural Division, ASCE, ST6, Dec. 1965, pp.95-116.
۱۴  Bertero, V.V. and Popov, E.P. , “Effects of Large Alternating Strains on Steel  Beams” , Journal of the Structural Division, ASCE, Vol. 91, ST1, Feb. 1965.
۱۵  Carpenter, L.D. and Lu, L.W., “Behaviour of Steel Frames Subjected to Repeated and Reversed Loads” , International Association for Bridge and Structural Engineering. Eighth Congress , New York, Sept. 9-14, 1968, pp.647-656.
۱۶ Lu, L.W., “Inelastic Buckling of Steel Frames” , Journal of the Structural Division , ASCE, St6, Dec. 1965.