استفاده از خاک به‌عنوان اصلیترین مصالح در اکثر پروژههای عمرانی غیر قابل انکار است. توسعه چشمگیر در ایجاد فرودگاه‌ها، تونل‌ها و فضاهای زیرزمینی، احداث اسکله‌های عظیم، بزرگراه‌ها، احداث سدها و سازههای مربوط به آن ها، شبکه‌های عظیم آبیاری و زهکشی و غیره، نیاز به مصالح ساختمانی را افزایش داده است. بر این اساس امروزه استفاده از مصالح جایگزین که از نظر مهندسی کیفیتی بالاتر از مصالح مورد استفاده در گذشته را داشته و همچنین از نظر اقتصادی نیز مقرون به‌صرفه باشد، مورد توجه زیادی قرار گرفته است. از جمله مهمترین و پرهزینه‌ترین مصالحی که در پروژههای مختلف عمرانی مورد استفاده قرار میگیرد، خاک است. توجه به این نکته که خاک نمی‌تواند تمام خصوصیات ژئوتکنیکی مورد نیاز برای پروژه‌ها را در بر داشته باشد، اهمیت استفاده از روشهای گوناگون برای بهبود و تثبیت خاک را روشن می‌سازد [14].
خاک را میتوان تجمعی از ذرات جامد تولید شده به‌وسیله تجزیه مکانیکی و شیمیایی سنگ‌ها معرفی کرد. آگاهی از مشخصات فیزیکی ترکیبات خاک، برای درک عملکرد آن در حین عملیات ساختمانی ضروری است [2].
خاک‌ها توده‌هایی از ذرات کانی هستند که همراه با هوا یا آب موجود در فضاهای خالی، سیستم‌های سه‌فازی را تشکیل میدهد. خاک‌ها بخش وسیعی از سطح زمین را پوشانده‌اند و به گستردگی و فراوانی به‌صورت مصالح ساختمانی و زیرسازی مورد استفاده قرار میگیرند [11].
خاک‌های رسی، دامنه وسیعی از کانی‌های گوناگون را شامل می‌شود. این خاک‌ها شامل نسبت‌های متفاوتی از انواع کانی‌های رسی، عمدتاً شامل کائولینیت، ایلیت، کانی‌های چند‌گانه و مونت‌موریلونیت است. کانی‌های غیر رسی موجود در این خاک‌ها عمدتاً کوارتز، مواد آلی و اکسیدهای کلوئیدی است. مقدار کمی از کانی رسی معین، شاید بتواند تغییرات فیزیکی-شیمیایی زیادی در خاک ایجاد کند [95].
خاک‌های رسی از هوازدگی شیمیایی سنگ‌ها تشکیل میشوند. نظر به تفاوت نحوه تشکیل خاک رس با دیگر انواع خاک‌ها از قبیل شن و ماسه و لای، که از هوازدگی فیزیکی سنگ مادر تشکیل شده‌اند، خاک‌های رسی از ویژگی‌های منحصر به‌فردی برخوردارند. بشر از دیرباز با خاک‌های رسی و مشکلات آن آشناست [10].
خاک‌های رسی از نظر ظرفیت باربری و نشست، همواره در گروه خاک‌های مسأله‌دار هستند و معمولاً سازه‌هایی که بر روی این نوع خاک‌ها بنا میشوند، باید تمهیدات ویژه‌ای در مورد آن ها در نظر گرفته شود. به‌طور کلی روشهای مختلفی برای اصلاح خواص اینگونه خاک‌ها ارائه شده است تا بتوان با اعمال این روشها خصوصیات این نوع خاک‌ها را اصلاح نمود و به حد مطلوب رساند. یکی از این روشها جهت اصلاح اینگونه خاک‌ها، به‌منظور افزایش ظرفیت باربری و کاهش تورم آن ها، تثبیت است. با توجه به گستردگی خاک‌های ریزدانه و اجبار در اجرای
بسیاری از پروژه‌ها بر روی اینگونه خاک‌ها، اهمیت تثبیت خاک‌های ریزدانه، به‌ویژه خاک‌های رسی، روشن می‌شود [78].
خاک‌های رسی اغلب دارای مشکلاتی نظیر ضعف مقاومتی، تورم‌پذیری، ترک خوردن هنگام از دست دادن آب، نشست زیاد تحت سربار و حتی وزن خود، جذب رطوبت زیاد، چسبندگی زیاد هنگام کار با ماشین‌آلات ساختمانی، دوام کم در مقابل عوامل جوی نظیر دوره های تر و خشک شدگی و یا یخ زدن و آب شدن است. خاک رس آب میمکد، منبسط می شود، خشک می شود و ترک میخورد [10].
تثبیت خاک برای بهبود خواص مهندسی خاک‌های نامرغوب، در احداث سازههای مهندسی عمران مثل راه‌ها، فرودگاه‌ها، خاکریزها، سدها و پی‌های کم عمق به‌کار می‌رود. نوع تثبیت انتخابی در هر پروژه، بستگی به ماهیت سازه و خواص ژئوتکنیکی و فیزیکی- شیمیایی خاک‌های مورد نظر دارد [27].
بنابراین شناخت کلی راجع به خاک رس و همچنین تثبیت آن، امر مهمی است که در این فصل کلیاتی در این مورد به‌اختصار ذکر شده است.
2-2- کانی های رس
1-2-2- ترکیب و ساختمان کانی‌های رس
کانی‌های رس مرکب از سیلیکات‌های مرکب آلومینیوم، منیزیم و آهن هستند. دو واحد کریستالی
بنیادی کانی‌های رس عبارتند از: 1) چهاروجهی سیلیسیم-اکسیژن و 2) هشت وجهی آلومینیوم یا منیزیم. واحدهای چهار وجهی سیلیسیم-اکسیژن از چهار اتم اکسیژن در اطراف یک اتم سیلسیم تشکیل شده است. از ترکیب واحدهای چهاروجهی، صفحه سیلیس تشکیل می‌شود. سه اتم اکسیژن واقع در قاعده هر چهار وجهی با چهار وجهی مجاور مشترک است. هر اتم سیلیسیم با ظرفیت مثبت 4 با چهار اتم اکسیژن با کل ظرفیت منفی 8 مرتبط شده است. از طرفی هر اتم اکسیژن در قاعده چهاروجهی به دو اتم سیلیسیم اتصال پیدا کرده است این امر موجب می‌شود که یک بار با ظرفیت منفی هر اتم اکسیژن بالایی هر چهاروجهی نامتعادل باقی بماند. ترکیب واحدهای هشتوجهی آلومینیوم، یک صفحه گیبسیت را تشکیل میدهد. اگر اتم‌های اصلی فلزی در واحدهای هشتوجهی منیزیم باشد، این صفحه‌ها بهنام صفحه بروسیت نامیده میشوند [12]. در اشکال 2-1 و 2-2 ورقه چهاروجهی سیلیکا و هشتوجهی آلومینا نشان داده شده است.
مهمترین کانی‌های رسی عبارتند از :
کائولینیت[1]
ایلیت[2]
مونت‌موریلونیت[3]
در کنار سه کانی معروف مذکور، سایر کانی‌های رس که معمولاً یافت میشوند عبارتند از: کلریت[4]، هالوسیت[5]، ورمیکولیت[6] و آتاپولگیت[7].
2-2-2- کائولینیت
نام کائولینیت از لغت چینی kauling به معنی رشته کوه مرتفع یا تیغه کوه گرفته شده و نام تپه‌ای در چین است [95]. کائولینیت دارای لایه های متناوب ورقههای سیلیکا-گیبسیت است که به آن ساختار 1:1 گفته می‌شود. هر لایه در حدود 2/7 انگستروم ضخامت دارد. این لایه ها توسط پیوندهای هیدروژنی به‌یکدیگر مربوط شده‌اند. کائولینیت مانند صفحات کوچکی دیده میشوند که بعد جانبی از 1000 تا 20000 انگستروم و ضخامت آن ها از 100 تا 1000 آنگستروم است. مساحت سطح ذرات کائولینیت در واحد جرم در حدود 15 مترمربع بر گرم است [12]. یک پولک کائولینیت از 70 تا 100 لایه پایه تشکیل شده که اندازه پولک آن 1/0 تا 4 میکرومتر و ضخامت آن 05/0 تا 2 میکرومتر است. در کائولینیت پیوندهای هیدروژنی قوی برقرار است که سبب کاهش بار منفی میگردد و از آنجا که جدایی لایه‌ها در کائولینیت صورت نمی‌گیرد، کاتیون‌های متعادل کننده، باید قاعدتاً در سطح خارجی ذره جذب شوند. در کائولینیت به دلیل پیوندهای هیدروژنی قوی، pH،[1] CEC و SSA[2] خاک دارای کمترین مقدار در بین کانی‌های رسی است [95]. در شکل‌های 2-3 تا 2-5 ساختمان اتمی کانی‌های رسی نمایش داده شده است.
[1] – Cation Exchangeable Capacity
[2] – Specific Surface Area
1 – Kaolinite
2 – Illite
3 – Montmorillonite
4 – Chlorite
5 – Halloysite
6 – Vermiculite
7 – Attapulgite
– Basic Oxigen Steel Slag
:
در سال‌های‌‌کنونی، بهره‌جویی از ماده‌ی مرکب در ساخت و تقویت سازهها بسیار گسترش یافته است. ساختار این ماده به گونه‌ای میباشد که امکان شکل‌گیری ترک در میان لایه‌ها وجود دارد. بر اثر افزایش بار، این ترک‌ها رشد می‌نمایند و سبب افت شدید در استحکام و سختی سازه میشوند. بهکارگیری شیوه‌های عددی در این زمینه و دستیابی به پاسخ‌ها، درتخمین رفتار ترک، نقش مهمی دارد. شروع و گسترش شکست میان لایه‌ای در ماده‌ی مرکب را با فن‌های عددی انجام می‌دهند. در این روش، جزء‌های چسبنده را به همراه نمودار رفتاری ویژگی‌های ماده به کار می‌برند و رشد ترک را بررسی می‌کنند. خاطر نشان می‌سازد، یک نمودار رفتاری ماده‌ی مناسب در بهبود پاسخ‌ها اثرگذار است. ازاین رو، یک جزء پیشنهاد میگردد و در نمونه‌های عددی به کار می‌رود و ویژگی‌های آن ارزیابی می‌شود. درستی پاسخ‌ها در شکست میان لایه‌ای ماده‌ی مرکب با شیوه‌ی عددی راست آزمایی خواهد شد. نمونه‌های عددی آشکار می‌کنند که جزء چسبنده‌ی پیشنهادی با شمار تحلیل کم، پاسخهای با دقت خوب را به دست میدهد.
فصل یکم: آغاز سخن
1-1- پیشگفتار
یکی از دلیل‌های مهم شکست و فروپاشی سازهها، وجود ترک‌های نخستین و گسترش آنها است. این ترک‌ها، بیشتر ناشی از عامل‌های گوناگون، و از آن میان، خطا در فرایند ساخت سازه، بارهای بهره‌برداری و مانند این‌ها میباشند. وجود ترک‌ها در شکل و اندازه‌های گوناگون، رفتارهای متفاوتی را در سازه پدید می‌آورد. پاره‌ای از این ترك‌ها بر کارکرد سازه اثر نمی‌گذارند، در حالی که برخی دیگر گسترش پیدا می‌کنند و به شکست ناگهانی آن می‌انجامند. تاکنون هزینه‌های بسیاری به دلیل شکست‌های ناشی از ترک پرداخت شده است. با انتخاب راه‌کار مناسب میتوان هزینه‌ها را به مقدار زیاد کاهش داد. از سوی دیگر، برآورد دقیق میزان خرابی و عمر سازه، در سازهها با قابلیت اعتماد زیاد مورد نیاز است. بر پایه‌ی اهمیت هدف‌های ساخت، حساسیت خطرها و آسیب‌‌های ناشی از خرابی سازه، پیش‌بینی محل رخداد ترک و راستای گسترش آن از نکته‌های مهم در طرح و تحلیل سازهها به شمار می‌رود.
در سال‌های اخیر، بهره‌جویی از مصالح نوین در ساخت و تقویت سازهها بسیار چشمگیر بوده است. شناخت دقیق رفتار ماده‌ی مرکب، به یک طرح بهینه رهنمون می‌شود. افزون بر برتری‌های بسیار، برخی کاستی‌ها نیز در الگوسازی رفتار این ماده وجود دارد. از آن میان، میتوان چگونگی شکست و گسترش ترک را نام برد. باید دانست، تحلیل شکست سازهها تنها در موردهای اندکی به صورت صریح امکان‌پذیر میباشد. از این رو، روشهای عددی جایگاه ویژه‌ای در بررسی زمینه‌های ترک و شکست پیدا کرده‌اند. تاكنون دامنه‌ی گسترده‌ای از روشهای عددی برای حل مساله‌ی شکست به‌کارگرفته شده‌اند. در این پژوهش، به بررسی عددی شکست میان لایه‌ای در ماده‌ی مرکب پرداخته می‌شود.
2-1- الگوهای رشد ترک
در بررسی پدیده‌ی شکست و گسترش ترک، تحلیلگر با فرایندهای پیچیده‌ی رفتاری ماده روبرو است. این فرایندها را میتوان در سه گام رفتاری تقسیم بندی کرد: نخست ایجاد سوراخ‌ها و ترک‌های مویین در چندین نقطه از جسم، سپس رشد سوراخ‌ها و سر انجام، اندرکنش و به هم پیوستن آن ها. این کارها به شکل‌گیری ترک‌های درشت می انجامد. سپس، رشد و گسترش ترک‌ها سازه را خراب می‌کنند[G1].
با کمک یک روش عددی كارآمد، همراه با یک الگوی رفتاری مناسب که اثر ترک را در ماده شبیه‌سازی می‌کند، میتوان پدیده شکست در ماده را بررسی کرد. ساده‌ترین الگوی مورد استفاده در تحلیل شکست، الگوی کشسان خطی میباشد. بر این پایه، رفتار ماده در لبه‌ی ترک را کشسان و خطی می‌پندارند. هر چند این پنداشت به نتیجه‌های غیرواقعی، همچون تنش بی‌پایان در لبه‌ی ترک می انجامد، ولی در بسیاری از پژوهش‌ها کاربرد زیادی داشته است[s1]. باوجود این، برای واقعی‌تر کردن پیش‌بینی رفتار شکست، الگوهای گوناگونی نیز در دسترسند. از میان آن ها، دو الگوی رفتاری چسبنده و خرابی توجه بیشتری را به خود جلب کرده‌اند. در راه‌کار چسبنده، اثر ترک تنها در یک منطقه‌ی مشخص شبیه‌سازی می‌شود. این فن به دلیل سادگی کاربرد در برنامه‌های روش جزء‌های محدود، بسیار مورد توجه است[B2]. در روش خرابی با معرفی عامل خرابی در یک محیط پیوسته، اثر ترک بر بخشی از دامنه وارد می‌شود. اثر رویارویی میزان خرابی و تاثیر رفتار ماده، بخش اصلی این شیوه خرابی میباشد[K1].
3-1- ترک در ماده مرکب
ماده‌ی مرکب از دو یا چند ماده شکل میگیرند. هدف آن است که کارایی و ویژگی‌های ماده‌ی مرکب، از ویژگی‌های هر یک از آن ها به تنهایی، برتر باشد. با انتخاب شمار دلخواه و جهت‌گیری مناسب تارها در زمینه، امکان پخش تنش و تغییر مسیر بار فراهم می‌شود. از سویی، ساختار لایه‌ای ماده‌ی مرکب به گونه‌ای است که شکل‌گیری ترک در بین لایه‌ها قرار میگیرد. این ترک‌ها می‌توانند بر اثر بار رشد کنند و
سبب افت شدید در استحکام و سختی سازه شوند. پیدایش ترک‌های میان لایه‌ای می‌تواند ناشی از کاستی نخستین ماده، تنشهای لبه‌ی آزاد، ضربه و مانند این‌ها باشد. تخمین پیدایش ترک و چگونگی گسترش آن با بهره‌جویی از شیوه‌های عددی و آزمایشگاهی فراهم است. با توجه به صرف هزینه و زمان بسیار برای انجام آزمایشهای پیچیده، تحلیل‌های عددی برتری دارند.
در شبیه‌سازی عددی، در بخشی از ماده جدایی لایه را به شکل ترک می‌پندارند. برای گره‌ها در آن بخش معیار رشد ترک بررسی می‌شود. درگره‌هایی که در آن ها معیار رشد ترک برقرار گردد، ترک قدری به جلو رانده و فرایند تکرار می‌شود. این شیوه، تا آن جا ادامه می‌یابدکه نما‌ی ترک، پس از برقرار کردن شرط‌های رشد در تمامی گره‌های روی آن، به‌دست آید.
در این پژوهش، دو راه‌کار عددی الگوسازی ترک و گسترش آن درماده‌ی مرکب بررسی می‌شود. نخست، با بهره‌جویی از جزء‌های چهارگرهی و انتخاب مقدار رهایی کارمایه‌ی کرنشی، برای معیار رشد ترک، شبیه‌سازی ترک و گسترش آن انجام می‌پذیرد. در شیوه‌ی دوم، از جزء‌های چسبنده استفاده خواهد شد. رفتار ترک با کمک رابطه‌سازی تابع چسبنده معرفی می‌شود. با انتخاب تابع بهینه برای جزء چسبنده‌ی پیشنهادی، میتوان به رفتاری بسیار نزدیک به واقعیت دست یافت. درستی پاسخهای تحلیل به کمک جزء پیشنهادی، با فن نخست ارزیابی میگردد. دقت پاسخ‌ها در کمینه‌ی شمار تحلیل‌ها نشان میدهد که جزء چسبنده‌ی پیشنهادی در الگوسازی شکست میان لایه‌ای ماده‌ی مرکب شایسته کار می کند.
4-1- ساماندهی پایان نامه
این پایان‌نامه هفت فصل دارد. آنچه آمد، فصل آغازین این نوشته و پیش درآمدی بر موضوع پژوهش بود. فصل دوم، به شرح الگوهای رفتاری گوناگون در شبیه‌سازی ترک و گسترش آن می‌پردازد. شکل‌گیری و چگونگی رشد ترک میان لایه‌ای در ماده‌ی مرکب در فصل سوم بررسی خواهد شد. در فصل چهارم، شبیه‌سازی ترک و رشد آن در ماده‌ی مرکب بیان می‌شود. در آن جا، مقدار رهایی کارمایه‌ی کرنشی برای معیار رشد ترک و نیز شیوه‌های گوناگون یافتن آن معرفی می‌گردند. در سال‌های اخیر، برای دستیابی به رفتاری نزدیک‌تر به واقعیت، در شبیه‌سازی ترک میان لایه‌ای و گسترش آن در ماده‌ی مرکب، از جزء‌های چسبنده بهره‌جویی میگیرد. در فصل پنجم، جزء چسبنده و رابطه‌سازی آن در روش جزء‌های محدود و همچنین معیار رشد ترك می‌آید. این پژوهش، با بهره جستن از رابطه‌های حاکم بر رفتار جزء چسبنده، به بررسی مناسب‌ترین تابع در تخمین رفتار ترک میان لایه‌ای در ماده‌ی مرکب می‌پردازد. بهبود رفتاری سازه با جزء چسبنده‌ی پیشنهادی نتیجه‌ی کار میباشد. به سخن دیگر، بهره‌جویی از این جزء، در دستیابی به پاسخهای دقیق‌تر موثر است. در فصل ششم، با بهکارگیری جزء پیشنهادی در نمونه‌های سنگ نشانه، درستی راه‌کار نویسنده آشکارمی‌شود. سرانجام، پیشنهادهایی برای پژوهشهای آیندگان در فصل پایانی خواهد آمد.
فصل دوم: الگوهای رشد ترک
2-1- پیشگفتار
الگوهای گوناگونی را برپایه‌ی رفتار ترک میتوان به کار برد. انتخاب هر شیوه بر چگونگی رفتار متغیرهای ترک اثرگذار است. سه فن اصلی برای این کار وجود دارد: رفتاری کشسان خطی، ترک چسبنده و الگوی خرابی. در ادامه‌ی این فصل به شرح هریک از این‌ها پرداخته می‌شود.
2-2- رفتارکشسان خطی
برای نخستین بار این الگو برای بررسی رفتار سازههای دارای ترک به کار رفت. در این شیوه، ماده‌ی ترک دار را دارای رفتار خطی و کشسان پنداشتند. گریفیس و اینگلیس نخستین پژوهشهای تحلیلی را در دهه 1920 در زمینه‌ی ساده‌سازی ترک انجام دادند [G1,I1]. آن ها به مقدارهای تکینگی تنش در لبه‌ی ترک دست یافتند. پس از آن، روش جزء‌های محدود برای بررسی این گونه رفتار‌ها به کار گرفته شد. در این راستا، چن نشان داد که تابع‌های شکل چند‌جمله‌ای در جزء‌ها نمی‌توانند رفتار تکین را الگوسازی کنند[C1]. راه حل های گوناگونی برای حل این مشکل پیشنهاد شد که کارآمدترین آن ها بهره‌جویی از جزء‌های تکین یک چهارم نقطه بود. این پنداشت توسط هنشل و شاو و همچنین بارسوم ارائه شد[H1,B1]. در جزء‌های تکین گره‌های میانی لبه‌ی ترک در فاصله‌ی یک چهارم طول جزء از لبه‌ی ترک قرار میگیرند. با این کار میتوان رفتار تکین لبه‌ی ترک را الگوسازی کرد. باید دانست، جزء‌های پیشنهادی رفتار تکینگی را تنها در پاره‌ای از راستا‌ها ایجاد می‌كردند. مانو با بهبود جزء‌ها این رفتار را در همه‌ی راستا‌ها گسترش داد[M1].
در رفتارکشسان خطی، میدان تنش تکین پیرامون نوک ترک را میتوان به شکل موثری بر پایه‌ی ضریب شدت تنش نوشت. از این رو، یافتن این عامل از روی نتیجه‌ی راه‌کار عددی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. تاکنون، پژوهشگران روشهای گوناگونی برای به دست آوردن ضریب شدت تنش با بهره گرفتن از پاسخهای عددی پیشنهاد کردند. یکی از نخستین و ساده‌ترین این فن‌‌ها، راه‌کار همبستگی جابه‌جایی‌ها است. در این شیوه از پاسخ تحلیلی جابه‌جایی اطراف ترک برای تعیین ضریب شدت تنش استفاده می‌شود. شیه این روش را برای استفاده در جزء‌های تکین گسترش داد[S1]. راه‌حل دیگری که توسط پارکس پیشنهاد شد، روش گسترش مجازی ترک نام دارد، که بر پایه‌ی کارمایه میباشد[P1]. در این فن از مفهوم تغییر رهایی کارمایه برای یافتن ضریب شدت تنش استفاده می‌کنند.
برای دستیابی به پاسخهای دقیق‌تر از راه‌کار تابع‌اولیه‌گیری جی بهره‌جویی شده است. تابع اولیه‌گیری جی توسط رایس در محدوده‌ی کشسان معرفی شد، ولی در بررسی رفتار غیر خطی نیز به شکل ابزاری بسیار مفیدی به كار می رود[R1]. این راه‌حل، در حالت کشسان خطی مشابه تغییر رهایی کارمایه است و در تعیین ضریب شدت تنش کاربرد دارد. برآورد مستقیم این تابع اولیه‌گیری، به سبب عبور اجباری نوارهای هم تنش از نقطه‌های گوس، پاسخ را به شبکه وابسته می‌کند. از این رو، نیکیشکوف و آتلوری این شیوه را به کمک تابع‌های وزنی به یک تابع اولیه‌گیری مشابه حجمی تبدیل کردند تا دستیابی به آن ساده‌تر شود[N1].
در تمامی روشهای بررسی ترک، تولید شبکه‌ای که بتواند خود را با رشد ترک هماهنگ کند، همواره مورد توجه بوده است. از جمله‌ی این شیوه‌‌ها میتوان به شبکه‌سازی دوباره در محدوده‌ی اطراف ترک، استفاده از الگوریتم جبهه‌ی پیش‌رونده برای تشکیل شبکه‌ی جدید و مانند این‌ها را نام برد. ضعفی که در راه حل های پیشنهادی به چشم میخورد این است که همه‌ی آن ها شامل یک گام میانی برای بهبود شبکه میباشند. پونگ تانا پانیچ یک روش برای بازسازی کامل شبکه پیشنهاد کرد که در آن از شبکه‌سازی وفقی و فن مثلث بندی دیلانی بهره گرفته می‌شود[P2].
پژوهشهای آزمایشگاهی گوناگونی نیز برای تعیین مسیر ترک در حالت‌های دو وجهی و سه وجهی انجام شده است. معیارهای نخستین بیشتر بر پایه‌ی نتیجه‌های تجربی بود. از یک دیدگاه کلی، میتوان آن ها را به دو دسته طبقه‌بندی کرد. دسته‌ی یکم معیارهای موضعی در منطقه‌ی نوک ترک است. از معروف‌ترین آن ها میتوان به بیشینه‌ی تنش محیطی، که توسط سیه و اردوقان پیشنهاد شد، اشاره کرد[E1]. در نقطه‌ی روبرو، روشهای غیر‌موضعی هستند که در آن ها از پخش کارمایه در سرتاسر بخش ترک خورده استفاده می‌شود. هیوسین و همکاران معیار بیشینه‌ی تغییر رهایی کارمایه‌ی کرنشی را پیشنهاد کردند[H2]. در تمامی راه‌کارها تنها اثر جمله‌های تکین مرتبه‌ی یکم تنش در تعیین راستای ترک پنداشته می‌شود. همه‌ی این پاسخ‌ها بسیار به هم نزدیک می باشند.
1-1- پیشگفتار
برای اتصال دو قطعه، روشهای مختلفی وجود دارد. مهمترین این روشها استفاده از جوش، پیچ و پرچ است. در این میان استفاده از جوش در ساختمانسازی بسیار رایج است. قدمت استفاده از جوش در ساخت اسکلتهای فولادی شاید به 100 سال برسد. طی این سالها، پیشرفتهای قابل‌توجهی در شناخت جوش و توسعه فنآوری مربوط به آن صورت گرفته است.
مهمترین دلایل استفاده از جوش را میتوان به طور خلاصه به صورت زیر بیان نمود:
1- برای اتصال دو قطعه به هم محدودیتی در ضخامت وجود ندارد.
2- سرعت بالای تولید.
3- استحکام بالا (ساختار یکپارچه).
4- اقتصادی بودن اتصال.
5- انعطافپذیری در طراحی جوش (تنوع فرایندهای جوشکاری و قابلیت انجام شدن دستی یا خودکار).
اما با در نظر گرفتن این مزایا فرایند جوشکاری دارای معایب زیر است:
1- اتصال دایمی بوده و امکان جداسازی قطعات وجود ندارد.
2- نیاز به بازرسی.
3- نیاز به مهارت در روشهای دستی و تجهیزات گرانقیمت در روشهای خودکار.
اما مهمترین عیب در یک قطعه جوشکاری شده، تولید تنش و تغییر شکل پسماند[1] در قطعه است. در عملیات جوشكاری، بعد از مرحله سرد شدن جسم، تنش‌هایی در آن باقی می‌ماند كه به آن ها تنشهای پسماند می‌گویند. این تنشها و همچنین تغییر شکل‌های ناخواسته ناشی از جوشكاری، مهمترین عواملی هستند كه باعث ضعیف شدن اتصالات جوش و ناكارایی آن ها در تحمل طولانی مدت بارها، شده‌اند. از این رو، مهندسین علاقمند به دانش كاملی از توزیع تنشهای پسماند در سرتاسر جوش، روشهای تغییر دادن آن و نیز انتخاب روند جوشكاری مناسب كه بتواند تنشهای پسماند را به حداقل ممكن كاهش دهد، هستند ]1[.
روشهای تجربی اندازه‌گیری تنشهای پسماند جوشكاری علاوه بر گرانقیمت بودن در بعضی از موارد مستلزم عملیات سوراخ‌کاری و یا مقطع زنی در قطعه جوش داده‌شده بوده و فقط مقدار تنش را در سوراخ‌های ایجادشده و یا در بلوک‌های جداشده به دست می‌دهند. پیشرفت روشهای تجربی نامخرب اگرچه توانست تا حدودی این کاستی‌ها را جبران كند، ولی نمی‌تواند جوابگوی تمامی مشكلات باشد. به همین دلیل نیاز بیشتری به روشهای تحلیلی احساس می‌شود.
با وجود این معضلات، جوشکاری هنوز به عنوان بهترین روش اتصال قطعات مورد استفاده قرار میگیرد. از همین رو، در زمینه رفتار جوش در موارد گوناگون مطالعه شده و استانداردهای مناسبی ارائه گردیده است و از این استانداردها به طور جدی در طراحی و اجرای اتصالات جوش استفاده می شود و میتوان از مشکلات به وجود آمده در قطعات جوشکاری شده پیشگیری نمود.
2-1- مبانی جوشکاری
1-2-1- تعریف جوش
بر اساس استاندارد ANSI/AWS A3.0-89 که مشتمل بر تعریفها و عبارتهای استاندارد جوشکاری است، جوشکاری عبارت است از یک فرایند اتصالدهی که یک ماده یکپارچه را به وسیله حرارتدهی تا دمای جوش، با اعمال فشار و یا بدون آن و با بهره گرفتن از ماده پرکننده و یا بدون استفاده از آن، تولید می کند.
یک قطعه جوشکاری شده شامل 3 ناحیه فلز پایه، فلز جوش و ناحیه متأثر از حرارت بوده که در شکل 1-1 نشان داده شده است.
2-2-1- انواع اتصالات جوشی
در شکل 1-2 انواع اتصالات جوشی نشان داده شده است. این اتصالات عبارتند از:
الف– اتصال لب به لب.
ب– اتصال پوششی (روی‌هم).
پ– اتصال گوشه.
ت– اتصال سپری.
ث– اتصال پیشانی.
3-2-1- انواع جوش
انواع اتصالات را میتوان به روشهای متفاوتی جوشکاری نمود. در شکل 1-3 انواع جوش نشان داده شده است که عبارت‌اند از:
الف– جوش شیاری [1].
ب– جوش گوشه[2].
پ– جوش کام.
ث– جوش انگشتانه.
دو نوع جوش شیاری از نوع لببهلب[3] و جوش گوشه پر کاربردترین جوشها میباشند. کاربرد جوش کام و انگشتانه به موارد خاص محدود می شود.
4-2-1- جوش شیاری
برای اتصال دو لبه به صورت لببهلب از جوش شیاری استفاده می شود. در صفحات نازک (ضخامت کمتر از 3 میلی‌متر) احتیاجی به آماده سازی لبهها نیست؛ اما در صفحات ضخیم برای نفوذ کامل جوش احتیاج به آماده سازی لبههای قطعه کار است. جوش شیاری می تواند به دو صورت یک طرفه و دو طرفه انجام شود. در شکل 1-4 انواع آماده سازی لبه نشان داده شده است.
3-1- جوشکاری قوس الکتریکی با الکترود روکش‌دار
در این روش گرمای مورد نیاز برای جوشکاری از قوس الکتریکی به وجود آمده بین الکترود و قطعه کار حاصل می شود. نوک الکترود، حوضچهی جوش مذاب، قوس و موضع جوش بر روی قطعه کار توسط گاز محافظ حاصل از تجزیه و احتراق پوشش الکترود محافظت می شود؛ اما محافظت حاصل از این گاز، نسبت به روشهای GTAW و GMAW به خاطر عدم جریان مناسب گاز محافظ، کامل نبوده و محافظت اضافی از حوضچهی مذاب توسط سربارهی مذاب انجام می شود.
تجهیزات مورد استفاده در این روش منبع تغذیه، انبر جوشکاری، کابلهای اتصال و الکترود است. الکترودهای مورد استفاده در این روش دارای ترکیبهای شیمیایی بسیار متفاوت از مغزهی فولادی و همچنین انواع بسیار متنوعی از نظر وزن و جنس روکش میباشند. ضخامت قطعه، وضعیت جوشکاری و نوع اتصال، تعیین‌کننده قطر الکترود میباشند. فرم کلی نامگذاری الکترودها به صورت EXX(X)XX است. حرف E نشان‌دهنده‌ی الکترود است، دو (یا سه) رقم اول نشان‌دهنده‌ی حداقل استحکام کششی فلز جوش بر حسب ksi (کیلوپوند بر اینچمربع)، رقم بعدی نشان‌دهنده‌ی وضعیت جوشکاری است، رقم 1 مناسب برای جوشکاری در تمام وضعیتها، 2 برای جوشکاری در وضعیتهای تخت و افقی و 4 برای کلیه حالتها به جز عمودی سر بالا است. رقم آخر به جنس پوشش و قابلیت بهکارگیری آن بستگی دارد، همچنین نوع جریان قابل‌استفاده را مشخص می کند. تجهیزات مورد استفاده در این روش در شکل 1-5 نشان داده شده است ]2[.
4-1- ساماندهی پایان نامه
در این پایان نامه به فرایند جوشکاری، تنشهای پسماند ناشی از جوشکاری و بررسی اثر تنشهای پسماند در صفحات دارای بازشو و سختکننده پرداخته می شود. فصل اول به معرفی جوش، اتصالات جوشی و روشهای جوشکاری اختصاص دارد. در فصل دوم، نحوه استخراج معادلات حاکم بر رفتار حرارتی و مکانیکی جوش و علل شکل گیری تنشها و تغییرشکلهای پسماند در فرایند جوشکاری تشریح میگردد. در فصل سوم، پیشینه تحقیق در مورد جوشکاری، تنشها و تغییرشکلهای پسماند ناشی از آن مورد بررسی قرار میگیرد. در فصل چهارم، چگونگی مدلسازی فرایند جوشکاری، راستیآزمایی و نحوه استخراج تنشهای پسماند با بهره گرفتن از نرمافزار ANSYS شرح داده می شود. در فصل پنجم، ابتدا به تنشهای پسماند ناشی از جوشکاری در صفحات دارای بازشو پرداخته می شود و در ادامه، اثر تنشهای پسماند بر رفتار این صفحات مورد تحلیل و بررسی قرار میگیرد. در فصل ششم به تنشهای پسماند ناشی از جوشکاری در صفحات دارای سختکننده پرداخته می شود. در فصل هفتم، نتیجه گیری و پیشنهاد برای پژوهشهای آینده آورده می شود.
فصل دوم: تحلیل حرارتی و مكانیكی جوش
1-2- پیشگفتار
برای مدلسازی یک جوش دو روش وجود دارد. اولین روش، كوپل مستقیم است كه در آن برای مدل كردن جوش از یک جزء که توانایی تحلیل حرارتی و مكانیكی را به صورت توأم دارد، استفاده می شود. روش دوم روش غیر كوپل است که در آن دو تحلیل جداگانه صورت می‌پذیرد. ابتدا یک مدل حرارتی ایجاد شده و یک تحلیل انتقال حرارت انجام می‌شود. چون گرمایش در فرایند جوشكاری موقتی است و محل و مقدار این گرما با توجه به زمان تغییر می‌کند، لذا این تحلیل حرارتی باید یک تحلیل گذرا باشد و چون مقادیر داده‌های مسئله با توجه به تغییرات حرارتی در قطعه تغییر می‌کنند، لذا تحلیل حرارتی مذكور یک تحلیل ناخطی است. از این تحلیل، تاریخچه دمایی تعیین میگردد. مدل دوم كه از نتایج تاریخچه دمایی به دست آمده از تحلیل اول به عنوان بار حرارتی استفاده می‌کند، یک تحلیل مكانیكی است كه تنشهای پسماند و تغییرشکلهای ناشی از جوش را به دست میدهد.
در این فصل به مبانی تحلیل حرارتی و مکانیکی پرداخته می‌شود.
2 Groove weld
3 Fillet weld
4 Butt weld
1 Residual
و معرفی
1-1- پیشگفتار
با توجه به اهمیت انرژیهای فسیلی در دنیای امروز و نقشآفرینی این نوع انرژی در تمام مناسبات جهان، مساله استخراج آن یكی از موضوعات مهم تكنولوژی روز دنیا می باشد.همچنین پایان پذیری منابع فسیلی و محدود بودن ذخایر آن، باعث توجه به ذخایری شده است كه تاكنون بهره برداری از آنها صرفه اقتصادی نداشته است. یكی از مهمترین این ذخایر، ذخایر انرژی مدفون در كف دریاهاست. لذا دانشمندان در طول قرن گذشته روشهایی را جهت استخراج از كف دریاها ارائه داده اند. حركت علمی كه در این راستا در غرب آغاز شده است اكنون دارای تاریخچهای بیش از یک قرن است و با توجه به موقعیت حساس كشور ما در این برهه زمانی و برخورداری از منابع غنی انرژی های فسیلی در دریاهای شمال و جنوب كشور، كسب این تكنولوژی به یكی از رئوس برنامه علمی كشور تبدیل شده است. نكته قابل توجه در این باره، لزوم استفاده از روش های اقتصادی و سیستم های بهینه استخراج می باشد كه در دنیای رقابتی امروز امری اجتناب ناپذیر مینماید.
جهت استخراج نفت و گاز از كف دریاها، كاربردی ترین روش شناخته شده، استفاده از سكو است. این نوع سازه طی عمر هفت دههای خود تحولات بسیاری را در سیستم سازهای و قابلیت بهره برداری از سر گذرانده است.در ابتدا این نوع سازه در آبهای كم عمق و به صورت خرپایی ساده مورد استفاده قرار گرفت و طی زمان، تكامل سازه در راستای استفاده در آبهای عمیق و كاهش هزینه های ساخت مورد توجه قرار گرفت. به علت افزایش بسیار زیاد هزینه احداث سكوهای ثابت با افزایش عمق، نوع جدیدی از سكوهای دریایی با نام سكوی نیمه شناور مطرح شد كه دارای مزایای اقتصادی و كاربردی قابل توجهای می باشد. سیر تكامل كلی سكوها و به خصوص نوع خاصی از آنها را (سكوی نیمه شناور خرپایی) به صورت كامل در فصل یک شرح خواهیم داد.
سکوی نیمه شناور خرپایی نوع خاصی از سکوهای نیمه شناور است که دارای شش درجه آزادی میباشد: حرکت افقی طولی (surge)، حرکت افقی عرضی (sway)، حرکت قائم (heave)، که به ترتیب جابجایی در امتداد محورهای x و y و z بوده و چرخش طول این محورها به ترتیب، غلتش عرضی (roll)، غلتش طولی(pitch) و چرخش در صفحه افقی (yaw) نامیده می شود.
با توجه به مقدمات بالا، در این پروژه سعی شده است اصول آنالیز یک سكوی نیمه شناور خرپایی مورد بررسی قرار گیرد و با شناسایی و مقایسه تئوری های موجود جهت محاسبه ی بارهای وارد بر سازه، برداشت جامعی از چگونگی آنالیز یک سكوی نیمه شناور خرپایی ارائه شود. در این راستا از تئوری های موریسون و دیفركشن خطی جهت محاسبهی نیروی موج و از تئوری موج ایری برای توضیح طبیعت دریا استفاده شده است كه در فصل های ابتدایی توضیح كلی آنها خواهد آمد. نتایج محاسباتی پروژه با یک مدل تست نیز معتبر سازی شده است و در پایان شاهد بحث در نتایج و مقایسه آنها خواهیم بود.
1-2- روش تحقیق
در این تحقیق ابتدا نیروهای وارد بر سكوی نیمه شناور خرپایی ناشی از موج، توسط تئوری های موریسون و دیفركشن خطی برای درجات آزادی غیر وابستهی surge ، heave و pitch به دست می‌آید. سپس با بهره گرفتن از حل معادله حركت دینامیكی سكوی نیمه شناور
خرپایی در درجات آزادی heave و pitch ، پاسخ سازه به موج با دامنه واحد[1](RAO) به نیروها در این درجات به دست می‌آید.این نتایج با نتایج به دست آمده از مدل تست و با یكدیگر مقایسه خواهند شد. همچنین طیف پاسخ سازه مورد نظر با بهره گرفتن از طیف های انرژی P-M و JONSWAP در درجات آزادی ذكر شده به دست می‌آید و مقایسه می‌شود.
1-3- پیشینه تحقیق
افراد زیادی رفتار هیدرودینامیكی یک سیلندر شناور عمودی را مطالعه كردهاند. هاوس (1990) یک سیلندر را در بازه kc كوچكتر از 0.01 بررسی كرد. بررسی های او نشان میداد كه نیروی درگ به صورت خطی با سرعت نسبت دارد و ضریب درگ نیز فوقالعاده كوچك بود. چاكرابارتی و هانا (1990) در بررسیهایی كه بر روی سیلندری با KC كمی بیستر از 0.01 انجام دادند، به نتایج مشابهی رسیدند. در آزمایشات آنها حركت نوسانی آزاد سیلندر در جهت عمودی در خلال یک آزمایش (Decay test) مورد بررسی قرار گرفت.
هاوس و یوتس (1994) یک سیلندر عمودی را درون یک جریان قرار دادند و نشان دادند كه جریان میرایی سیلندر را در kc های مشابه افزایش میدهد.
درگ هیدرودینامیک یک سیلندر از دو مولفه تشكیل شده است: درگ ناشی از اصطكاك و درگ ناشی از شكل. (تیاگاراجان و تروش 1994)
درگ ناشی از اصطكاك به علت نیروی ویسكوزیته سیال روی سیلندر می باشد در حالیكه درگ ناشی از شكل بر اثر جدا شدن جریان در لبه پایینی سیلندر بر اثر حركت heave ایجاد می‌شود. در kc های بسیار پایین، درگ در وحله اول از نوع اصطكاكی است كه به صورت خطی با سرعت تغییر میكند. همچنین درگ ناشی از شكل یک نسبت درجه دوم با سرعت دارد. آزمایشات هاوس و چاكرابارتی و هانا نشان داد كه درگ اصطكاكی قسمت كوچكی از درگ هیدرودینامیک بر روی سیلندر را تشكیل میدهد.
تیاگاراجان و راج آزمایشهایی با رنج kc بزرگتر از 1 انجام دادند كه در آنها درگ ناچیز و همینطور غیر خطی بود.در تمام این حالات دمپینگ ناشی از درگ كه در اثر حركت سیلندر ایجاد میشد بسیار كوچك می باشد.
توا و تیاگاراجان (2003) یک دیسك با kc بالای 0.75 را تست كردند و دمپینگ درگ بیشتری را یافتند.
هی(2003) نتایج عددی و آزمایشگاهی ارائه داده است كه به بررسی حركت heave صفحههای نازك استوانهای پرداخته و مقادیر دمپینگ را نشان داده است. این مطالعات به حركتهای كوچك اصلی محدود شده‌اند و برای سكوی پایه كششی به صورت موردی انجام شده است.
اطلاعات جرم اضافی بر اثر نوسان صفحات افقی در راستای عمود بر صفحه در این متون در دسترس نیست.آزمایشهایی روی سكوی نیمه شناور خرپایی با صفحات افقی انجام شده و بعضی گزارشها تهیه شده‌اند كه در مورد كارآیی صفحات افقی در سكوی نیمه شناور خرپایی بحث میكنند.(مگی و همكاران 2003)
سكوی نیمه شناور خرپایی (TPS) یک سازه جدید شناور است كه از ادغام مزایای سكوهای نیمه شناور پانتونی و خرپا و پرهیز از بعضی اشكالات سكوهای پانتونی ایجاد شده است. سكوی پانتونی نیمه شناور از چهار ستون شناور تشكیل شده است كه در قسمت پایین خود به پانتون های كف كه پایداری سازه را كنترل میكنند متصل میشوند. عرشه نیز در بالای ستونها قرار میگیرد. این سازه در مكانهای دور از ساحل جهت حفاری و تولید به كار می‌رود. مزایای آن شامل فضای عرشه زیاد و همینطور بار قابل تحمل بالا میباشد. در یک طراحی روتین، ستونها عمیق و پانتونها نیز دارای حجم زیاد میباشند. مركز جرم اعضا پایین تر از مركز شناوری آنها قرار میگیرد (حدود 4 تا 12 فوت). این طراحی باعث كنترل دوره تناوب حركات roll و pitch سازه می‌شود.
برای یک سكوی نیمه شناور پانتونی، تغییر مكان كلی بزرگ است و دور كردن پریود طبیعی سازه از پریود موج غالب كار مشكلی میباشد. در واقع چون دمپینگ كوچك است و به صورت شدیدی تناوبی، بنابراین برای سكوی نیمه شناور پانتونی نوسان در جهت heave زیاد است و توسط میرایی نیز كنترل نمیشود. به عبارت دیگر، میرایی ناشی از جریان منتشر شونده، به صورت موثری در طراحی سكوی نمیه شناور پانتونی برای حركت heave استفاده نشده است.
TPS (سرینیواسان 2004) جرم اضافی ناشی از صفحات افقی كه در پایین ستونهای خرپایی استفاده شده‌اند را به كار میگیرد و بنا بر این از جریان منتشر شونده حول این صفحات استفاده میكند.
1-4- خلاصه کار انجام شده
هنگام طراحی یک سازه دور از ساحل، یكی از اولین و مهمترین مراحل، انتخاب روش محاسبه نیروهای موثر بر سازه میباشد.یكی از روشهای محاسبه نیرو استفاده از تئوری دیفركشن موج است. استفاده از فرمول تجربی موریسون (موریسون و همكاران 1950) اغلب یک روش معمول برای به دست آوردن نیروهای وارد بر سازههای دور از ساحل است.فرمول موریسون اثرات ناشی از برگشت امواج از سطح مغروق سازه را در نظر نمی‌گیرد و ضرایب نیرو برای اعمال این آثار به كار میروند. نیروی موریسون می‌تواند یک روش بسیار موثر برای آنالیز سازههای كوچك باشد.زیرا اثرات ناشی از برگشت موج ناچیز است، اما تئوری دیفركشن برای سازههای بزرگ قابل استفاده تر است. یک جدول كمی برای تشخیص سازه های كوچك و بزرگ توسط چاكرابارتی ارائه شده است(1987).
در این تحقیق از هر دو این روشها برای محاسبهی نیروها استفاده شده است.تصویر كلی سازه TPS در شكل نمایش داده شده است.حركات این سازه در جهات Heave و Pitch به دو روش موج خطی و موج تصادفی آنالیز شده است(با بهره گرفتن از فرمول موریسون و تئوری دیفركشن خطی). سپس این نتایج با نتایج به دست آمده از مدل تست مقایسه شده‌اند. مدل تست طی مقالهای توسط آقای سرینیواسان در سال 2005 تشریح شده است.
سازه حاضر برای امواج خطی در بازه تناوب 7-22 ثانیه آنالیز شده است.در مرحله محاسباتی پاسخ یكه سازه (RAO) برای نیروهای surge ، heave و pitch به دست آمده است و هم چنین پاسخ یكه حركت سازهها در جهات heave و pitch نیز به دست آمده است. طیف JONSWAP برای موجهای تصادفی نیز برای تحلیل سازه تحت اثر امواج تصادفی استفاده شده است.
Response Amplitude Operation-[1]
وقوع بارگذارىهاى ناگهانى و ویژه نظیر باد و زلزله، آسیبهاى مختلفى را در سازهها ایجاد مىنماید و رخداد چنین خسارات و نواقصى در سازه سبب تغییر مشخصات و رفتار سازه مىگردد. همچنین گذشت زمان و شرایط محیطى نیز سبب فرسایش و زوال مصالح سازهها و در نتیجه تغییر مشخصات آنها مىگردد. موارد مذكور سبب شده است تا شناسایى خصوصیات سیستم، تشخیص آسیب موجود در آن (شدت، نوع، زمان و محل آسیب) و پایش سلامت سازه[1] به یكى از مسائل مهم در علوم مهندسى، از جمله مهندسى عمران بدل گردد.
به بیان دیگر بررسی رفتار سازههای مهم نظیر پلها، سدها تحت بارهای عادی و یا بارهای خاص مانند زلزله برای مهندسین ممکن گردیده که موجب تشخیص آسیب در سازهها به عنوان زیر مجموعه ای در این بحث شده است. در این راستا با در اختیار داشتن پاسخهای سازه قبل و پس از آسیب میتوان شدت، نوع و محل آسیب را بدست آورد.
از آنجا كه آسیب ایجاد شده در سازه تاثیر مستقیمى بر خصوصیات و مشخصات سازه مىگذارد، سلامت سازه به نوع، شدت و محل آسیب ایجاد شده در آن وابسته بوده و به همین سبب توانایى تشخیص آسیب ایجاد شده در سیستمهاى مختلف سازهای از جمله ساختمانها یكى از موضوعات مهم و قابل توجه به شمار مىرود. منظور از آسیب، ایجاد هرگونه تغییر در خصوصات سیستم بوده به گونهاى كه رفتار آن نسبت به وضعیت اولیه تغییر نماید. این تعریف در سازهها، به تغییرات خصوصیات مصالح یا هندسه سازه كه كارایی سازه در حال و آینده را مختل مىسازد، محدود میگردد. با نظر به آنچه كه اشاره گردید، مباحث شناسایی خصوصیات سیستم، تشخیص آسیب ایجاد شده و پایش سلامت سازهها بصورت وابسته بوده و گاهی بطور همزمان مورد توجه قرار میگیرند.
از آن جا كه كشور ما در یكى از مناطق لرزهخیز جهان قرارگرفته است، علاوه بر سایر آسیبها بیشترین آسیبی كه در سازهها رخ میدهد در اثر زلزله مىباشد. اگرچه این آسیبها ممكن است چندان واضح نباشد كه قابلیت شناسایی توسط بازدیدهاى میدانى را داشته باشد، اما مىتواند تغییراتى در خصوصیات سازه ایجاد نماید كه سبب كاهش سطح عملكردى سازه موجود در زلزلههاى بعدى گردیده و حتى اسباب تخریب كلى سازه در زلزلههاى آینده را فراهم آورد. لازم به ذکر است که عدم شناسایی به موقع آسیب موجب از حیز انتفاع افتادن سازه و تحمیل هزینه اقتصادی به لحاظ ساخت مجدد سازه خواهد شد. در خصوص سازههای خاص و شریانهای حیاتی علاوه بر مشکلات اقتصادی، معضلات اجتماعی و یا حتی سیاسی را نیز می تواند در بر داشته باشد. برای روشن شدن اهمیت پایش سلامت سازه میتوان آن را با آزمایشات تشخیصی پزشکی برای حصول اطمینان از سلامت انسان قیاس نمود.
در گذشته از روشهاى گوناگونى به منظور بررسى سلامت سازهها استفاده شده است كه عموماً شامل مشاهدات میدانى و آزمایشهای محدود شامل آزمایشهاى مخرب و غیرمخرب بوده اند. اما پیش شرط لازم براى انجام چنین آزمایشهایی حدس محدوده آسیب ایجاد شده سازهها و در دسترس بودن آن مىباشد كه بنابراین نتایج ناشى از آنها كاملاً وابسته به حدس درست محل احتمالی آسیب هستند. علاوه بر این، انجام این آزمایشها نیاز به ابزارهایى دارد كه این امر سبب افزایش هزینههاى انجام آنها مىگردد. بنابراین تعداد آزمایشهاى انجام شده جهت بررسى سازه مىبایست به حداقل مقدار لازم كاهش داده شوند. از سوى دیگر، مهارت كاربر نیز در دقت نتایج بدست آمده، نقش مستقیم داشته و سبب ضعف بیشتر این آزمایشها در تشخیص آسیب و شناسایی مشخصات سازه مىگردد. همچنین به دلیل کیفى بودن نتایج بدست آمده، این آزمایشها نمىتوانند تخمینى از تغییرات به وقوع پیوسته در خصوصات دینامیكى سازه آسیب دیده، بدست دهند.
با پیشرفت علم، با بهره گیری از اطلاعات استاتیکی ثبت شده در سازهها و تغییرات آن به تعیین خواص سازه با اینگونه ثبتها قدم برداشته شد. همچنین پس از آنكه دانشمندان به سمت استفاده از داده هاى ارتعاشى براى پیداكردن خواص دینامیكى سازهها پیش رفتند، با انجام آزمایشهاى ارتعاشات محیطى و یا تحریكات اجبارى تا حدود زیادى موفق به دست آوردن خواص دینامیکى سازهها گردیدند و بدین ترتیب پس از وقوع پدیدههای طبیعی همچون زلزله با این روشها خواص دینامیكى سازه را محاسبه كرده و از مقایسه نتایج آنها با نتایج بدست
آمده از آزمایشهاى صورت گرفته قبل از زلزله به میزان آسیبى كه در سازه اتفاق افتاده بود، پى مىبردند. البته با بهره گرفتن از این روشها تنها تا حدودى امكان بررسی وضعیت سازه قبل و بعد از یک حادثه، مثلأ زلزله، قابل اندازه گیرى بود و هنوز امكان دستیابى به چگونگى تغییرات خواص سازه در طول رخداد زلزله ممكن نبود، امرى كه جهت حفظ سلامت سازه در حین زلزله بسیار حیاتى است. همچنین استفاده از آزمایشهای ارتعاشات اجبارى و محیطى هزینههاى زیادى را نیز طلب مىكردند كه با این وجود از آن جا كه تحریک اعمال شده در این آزمایشها در مقایسه با تحریكات زلزله بسیار كوچک مىباشند، لذا تصویر واضحى از تغییرات ایجاد شده در مشخصات سازه پس از زلزله بدست نخواهند داد.
بنابراین هدف از این پژوهش آن است كه با پیشنهاد رویکردی جهت شناسایى خصوصیات سازه، با بکارگیری الگوریتمهای تکاملی روشی برای تشخیص محل و شدت آسیبهاى رخداده بر پایه اطلاعات (داده های) استاتیکی یا دینامیکی ارائه گردد.
بنابراین دو روش پیشنهادی با بهره گرفتن از داده های استاتیکی و دینامیکی سازه هایی به شکل پلهای با قدمت بیشتر موجود انتخاب گردید. اشکال انتخابی شامل پل تیر شکل، چهار شکل متفاوت پل خرپایی و پل قوسی میباشند. در نهایت روند تشخیص آسیب با تشکیل تابع هدف و بهینه سازی آن توسط چهار الگوریتم متفاوت( برای اطمینان به تابع هدف انتخابی و کاهش اثرات نوع الگوریتم) انجام گردید.
2-1- پایش سلامت سازه ها
اگر مراحل ثبت داده ها به صورت دائم و یا دوره ای صحیح صورت گیرد نشانگر عملکرد سازه است. پایش سلامت سازه به سه حالت زیر صورت می پذیرد.
1- کوتاه مدت
2- میان مدت
3- بلند مدت
البته تمام این موارد می تواند در کل سازه و یا به صورت محلی صورت پذیرد.
مهندسان سازه مدت طولانى است كه تلاش كردهاند تا با بهره گرفتن از داده هاى موجود و ابزارهای مناسب، آسیب را در سازهها شناسایى كنند.
پایش سلامت در سازه ها با جواب به سوالات زیر توص‍یف می شود:
1ـ آیا آسیب در سازه وجود دارد؟
2ـ موقعیت آسیب در سازه کجاست؟
3ـ نوع آسیب موجود چ‍یست ؟
4ـ شدت آسیب چقدر است؟
بعد از شناسایی آسیب، سازه باید با درنظر گرفتن وضعیت موجود مورد تحلیل قرار گیرد و میزان کارایی سازه سنج‍یده شود و در صورت لزوم نسبت به تعم‍یر و تقویت سازه اقدام شود.
3-1- آسیب در پل ها
آسیب یكى از لغات بحث برانگیز در زمینه پایش سلامت سازهها مىباشد. به طور كلى «آسیب»؛ ایجاد تغییر دائم در مشخصات سازه از جمله سختى، مقاومت، خصوصیات دینامیكى و یا كاهش سطح عملكرد سازه نسبت به حالت اولیه آن مىباشد.
براى پلها آسیب می تواند مربوط به جابجایى نسبى بین عرشه و کوله و تغییر رفتار اعضاى سازهاى مىباشد. براى تشخیص آسیب روشهاى مختلفى ارائه شده است كه از بین آنها تغییرات در خصوصیات مودى نظیر فركانسهای مودى و اشكال مودى و همچنین به روزرسانی ماتریسهاى مشخصه سازه (ماتریس جرم، سختى و میرایی) و تغییرات در خصوصیات ماتریس سختی را مىتوان نام برد. در تمامى روشهاى تشخیص آسیب نیاز است كه ابتدا خصوصیات سازه (فضاى فیزیكى، فضاى مودی، فضاى پاسخ) پیش از آسیب شناخته شود، سپس در گام بعدى با بهره گرفتن از داده هاى بدست آمده از پاسخ سازه، مشخصات جدید شناسایى شده و با بررسى تغییرات این مشخصات تشخیص آسیب انجام گردد.
پاسخ لرزهاى سازه وابسته به مشخصات دینامیكى سازه و تحریک زلزله مىباشد، لذا پاسخ سازه با تغییر در مشخصات دینامیكى سازه، تغییر خواهد كرد. از آنجا كه تغییر در مشخصات دینامیكى سازه نتیجه تغییر در سختى، میرایی و سایر ویژگىهاى سازه (كه در صورت ماندگار بودن این تغییرات از آنها به عنوان آسیب یاد مىشود) مىباشد، بنابراین مىتوان نتیجه گرفت كه ایجاد تغییر در پاسخ لرزهاى سازه مىتواند به دلیل رخداد آسیب در سازه باشد. البته نباید فراموش نمود كه تغییرات ایجاد شده در پاسخ لرزهاى سازه ممكن است علاوه بر رخداد آسیبهاى ماندگار در سازه، مربوط به رفتار غیرخطى خاك و یا غیرخطى شدن سازه باشد، كه باید به طریقى اثرات این عوامل درنظر گرفته شده و تغییراتى كه در پاسخ به سبب این آسیبها ایجاد مىگردد از این عوامل مجزا گردد.
از آن جا كه رخداد آسیب در سازه سبب ایجاد تغییر ماندگار در فركانس سازه مىشود، بنابراین بررسى فركانسهاى طبیعى و سایر خواص مودى سازه در حین ارتعاشات محیطی ابزار مفیدى براى تشخیص آسیب مىباشد. حال با توجه به اینکه در بسیارى از مناطق لرزهخیز جهان زلزله از اصلیترین چالشها در طراحى سازهها مىباشد و عمده خسارات وارد بر سازهها علاوه بر سایر عوامل محیطی ناشى از این پدیده طبیعى است، بهره گیری از این موضوع می تواند مفید باشد. با بررسى فركانسها و سایر مشخصات مودى سازه در حین زلزله، تعیین مكان و مقدار آسیب در سازه ممكن خواهد شد.
لازم به ذکر است در روشهای مبتنی بر داده های استاتیکی با اطلاعات بسیار کمی میتوان آسیب را در سازه با دقت قابل قبولی تشخیص داد لذا اینگونه روشها مورد توجه مهندسان قرار گرفته است. به طور مثال در روشهای استاتیکی با داشتن تغییرمکان یا کرنش، شناسایی آسیب در سازه میسر است. در تحلیل استاتیکی تغییرات در ماتریس سختی می تواند نشان دهنده رخداد آسیب در سازه باشد.
[1] Structural Health Monitoring(SHM)
