فصل سوم
مدلسازی با نرم افزار PLAXIS
۳-۱ مدل سازی با بهره گرفتن از نرم افزار اجزای محدودی PLAXIS
امروزه با گسترش علم عمرانی و پروژه های عمرانی و نیاز به ایجاد انواع ابنیه در شرایط ژئوتکنیکی متفاوت سبب شده تا مهندسان در رشته هایی همچون مهندسی ژئوتکنیک و زمین شناسی و غیره هر چه بیشتر با برنامه هایی در این زمینه آشنا شوند و از آنها به طور وسیعی استفاده نمایند. از جمله این نرم افزارها برنامه پلکسیس می باشد. سابقه تولید این برنامه به سال ۱۹۸۷ در دانشگاه دلف بر می گردد. هدف اولیه از ایجاد چنین برنامه ای امکان مدل سازی دو بعدی خاکریز احداث شده بر روی بستر نرم در زمین های کم ارتفاع کشور هلند بوده است به تدریج و با گسترش روز افزون پروژه ها و ایجاد نیاز به استفاده از این قبیل برنامه ها، در سال ۱۹۹۸ اولین نسخه تحت ویندوز این برنامه به بازار آمد. این برنامه با مشارکت بیش از سی شرکت اروپایی تحت عنوان کنسرسیوم CUR مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته و صحت عملکرد آن با این بررسی ها مشخص گردیده است.
۳-۱-۱ معرفی نرم افزار
نرم افزار پلکسیس برنامه ای در محیط دو بعدی جهت مدلسازی سازه های ژئوتکنیکی و تحلیل پایداری و تغییر شکل آنها به روش اجزاء محدود می باشد. در حال حاضر برنامه های متعددی که بر پایه روش اجزاء محدود قادر به تحلیل مسئله می باشند وجود دارند اما دلیل استفاده از برنامه پلکسیس در مطالعات ژئوتکنیکی، قابلیت های ویژه این برنامه به لحاظ در نظر گرفتن شرایط خاص مربوط به مسائل ژئوتکنیکی از قبیل مسلح کننده، مهار، سپر، زهکش، اندر کنش اجزاء سازه ای و خاک می باشد. محیط گرافیکی ساده و در دسترس موجب سهولت در استفاده از این برنامه برای مدل سازی سازه های پیچیده می باشد. این برنامه قابلیت در نظر گرفتن شرایط بارگذاری متفاوت، شرایط مرزی جریان متفاوت و مدل های رفتاری مختلف برای مصالح ژئوتکنیکی و در نظر گرفتن عناصر سازه ای در ترکیب با خاک و اندر کنش بین آنها همچنین انواع متفاوتی از روش های تحلیل را شامل می شود که هر یک از آنها برای مسئله ای خاص کاربرد دارد. پلکسیس قابلیت تحلیل دو بعدی تنش- کرنش و پایداری سازه های ژئوتکنیکی در شرایط مختلف را شامل می شود. برنامه مورد استفاده در این تحقیق نسخه ۲/۸ این نرم افزار می باشد که نسبت به نسخ قبلی تفاوت هایی را شامل می شود که عبارتند از گزینه های جدید برای مدل سازی، روند محاسبات آسانتر و خروجی های متنوع برای انواع پارامترهای مختلف. این برنامه شامل زیر مجموعه ای از برنامه های فرعی می باشد که در ذیل به آنها اشاره شده است.
( اینجا فقط تکه ای از متن پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )
ورودی (Input):
این مرحله اولین گام در فرایند مدل سازی می باشد. با بهره گرفتن از ابزارهای موجود، مدل هندسی در محیط دو بعدی برنامه ساخته می شود. پنجره اصلی برنامه در شکل (۳-۱) نشان داده شده است.
شکل ۳-۱ : ورودی نرم افزار
این مرحله شامل قسمتهای مختلفی در مدل سازی می باشد که به آنها اشاره می شود.
رسم هندسه
قبل از ایجاد مدل اجزاء محدود می بایست هندسه آن ایجاد گردد این کار با بهره گرفتن از ابزارهای موجود در محیط گرافیکی برنامه به راحتی امکان پذیر می باشد. مدلهای قابل بررسی در این برنامه در دو حالت کرنش مسطح و تقارن محوری قابل مدل سازی می باشند که هر یک در مورد خاصی کاربرد دارد. بطور مثال در مدل نمودن سد و خاکریز می توان از مدل کرنش مسطح به دلیل صرف نظر کردن کرنشها و تغییر مکانها در راستای عمود بر صفحه استفاده نمود. در ایجاد هندسه مدل از ابزارهای متنوعی جهت ایجاد ومدل های مختلف استفاده می شود که به برخی از آنها اشاره می گردد.
صفحات
صفحات یکی از اجزای سازه ای می باشند که در مدل سازی سازه های لاغر در زمین، پوسته، و پوشش بتن پاشی دیوار حائل بکار می روند و مهمترین پارامتر در تعریف آنها صلبیت خمشی و مقاومت محوری آنها می باشد. پس از انجام تحلیل در صورت نیاز می توان نیروهای ایجاد شده در هر کدام از انواع صفحات را در برنامه خروجی با دو بار کلیک کردن روی المان مورد نظر مشاهده نمود.
ژئوگریدها
ژئوگریدها سازه هایی نازک می باشند که دارای مقاومت محوری خوبی در تحمل نیروهای محوری کششی هستند. از این المانها در مدل سازی سازه های خاک مسلح استفاده می شود. المانها مرتبط با این عناصر دارای دو درجه آزادی انتقالی در هر گره بوده به طوری که در صورت انتخاب المانهای ۱۵ گرهی برای مصالح خاکی هر المان ژئوگرید به وسیله ۵ گره و در حالیکه المانهای ۶ گرهی انتخاب شوند هر المان ژئوگرید به وسیله ۳ گره تعریف می شود.
المان سطح مشترک
المان سطح مشترک در لحاظ نمودن اندر کنش خاک- سازه مورد استفاده قرار می گیرد. هر سطح مشترک به صورت یک ضخامت مجازی بیان می شود و هر چقدر این ضخامت بیشتر باشد تغییر شکلهای الاستیک بیشتری تولید می گردد. در تعریف المان سطح مشترک از پارامتر R به عنوان ضریب کاهش مقاومت استفاده می شود. این پارامتر مقاومت سطح مشترک را به مقاومت خاک مربوط می سازد.
بارگذاری مدل و شرایط مرزی
انواع بارهای اعمالی و شرایط مرزی در برنامه پلکسیس به شرح زیر می باشند:
تغییر مکانهای مقرر شده، گیرداری استاندارد، بارهای گسترده، بارهای نقطه ای، گیرداری دورانی، زهکش و چاه ها می باشند. هر کدام از این موارد در یک حالت مورد نظر می باشد بطور مثال گیرداری دورانی برای گیردار نمودن درجه آزادی صفحه حول محور z بکار می رود.
مدل سازی رفتار مصالح
برنامه پلکسیس شامل مدلهای مختلفی برای شبیه سازی رفتار خاک و سنگ می باشد که به برخی از آنها اشاره می شود.
الف) مدل الاستیک خطی:
این مدل بیانگر قانون هوک الاستیک بوده و شامل دو پارامتر مدول الاستیسیته و ضرایب پواسون می باشد.
ب) مدل موهر- کولمب:
مدل الاستو پلاستیک کامل شامل پنج پارامتر بوده و از پرکاربردترین مدلها در بیان رفتار خاک در شرایط مختلف بارگذاری می باشد.
ج) مدل سنگ درزدار:
در این این مدل حالت تنش کرنش الاستو پلاستیک غیر ایزوتروپ بوده بطوریکه برش پلاستیک در برخی جهات رخ می دهد و بیشتر در مدلسازی خاکهای لایه لایه و سنگهای درزه دار بکار می رود.
المان بندی مدل
پس از اتمام مراحل ساخت هندسه و تعریف مشخصات مصالح و اختصاص آنها به مدل مرحله المان بندی نمودن آغاز می شود. در این نرم افزار بسته به حالت مدل می توان از المانهای با درجات ریزی مختلف استفاده نمود. نوع اصلی المان در مش بندی المان مثلثی ۱۵ گرهی و یا المان مثلثی ۶ گرهی می باشد. در صورت استفاده از المان ۱۵ گرهی نتایج حاصل در نقاط بیشتری محاسبه گردیده و در نتیجه دقت عملیات را افزایش می دهد.
محاسبات
پس از ایجاد مدل المان محدود فاز بعدی انجام محاسبات می باشد. همانطور که در قبل بیان شد برنامه پلکسیس دارای امکان انجام انواع محاسبات می باشد که از آن جمله می توان به آنالیز پلاستیک، آنالیز تحکیم، آنالیز ایمنی و آنالیز دینامیکی اشاره نمود. در انجام محاسبات برنامه پلکسیس این قابلیت را دارا می باشد تا همانند پروژه های واقعی که کارها در چند مرحله انجام می شود مدل مورد نظر را به چندین فاز مستقل تقسیم نماید و در هر مرحله محاسبه مربوطه را انجام دهد در این قسمت به برخی از این محاسبات اشاره می شود.
شکل ۳-۲ : محاسبات نرم افزار
محاسبات پلاستیک
محاسبات پلاستیک برای در نظر گرفتن تغییر شکلهای الاستو پلاستیک که تغییرات فشار آب حفره‌ای در آن لحاظ نمی شود بکار می رود. ماتریس سختی در این محاسبات در صورت استفاده نکردن از به روز رسانی مش بندی براساس مدل تغییر نیافته اولیه ساخته می شود این حالت در اغلب تحلیل های ژئوتکنیکی کاربرد دارد. نکته دیگر در این نوع از محاسبه این است که اثر زمان در محاسبات وارد نمی شود که در نتیجه آن در مدلسازی مسائلی که زمان در آن نقش مهمی ایفا می کند کاربرد ندارد و می بایست از نوع دیگری از محاسبه استفاده نمود. در تعریف این مرحله از محاسبات مدل مورد نظر می بایست با توجه به نحوه ساخت به فازهای کوچکتری تقسیم شود و در هر مرحله یک فاز فعال شده تا تحلیل روی آن انجام شود و در انتهای کل سازه مورد تحلیل قرار گیرد و نتایج مشخص گردد.
تحلیل تحکیم
در بررسی مدلهای شامل خاک ریزدانه به همراه تراز آب زیرزمینی مسئله تحکیم و زائل شدن اضافه فشار آب حفره ای از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد. این روند پس از تحلیل پلاستیک زهکشی نشده و بدون بارگذاری اضافی انجام می شود. در ضمن انجام تحلیل تحکیم محدودیت هایی مثل عدم امکان انجام تحلیل حین ساخت می باشد.
تحلیل ایمنی
تحلیل ایمنی با کاهش دادن پارامترهای مقاومتی خاک انجام می گردد. تحلیل ایمنی را می توان بعد از هر فاز محاسبه انجام داد اما این تحلیل را نمی توان به عنوان ورودی برای مرحله جدید محاسبات تعریف نمود چرا که در پایان این مرحله حالت گسیختگی اتفاق می افتد. پس از انجام این تحلیل در برنامه خروجی امکان مشاهده ضریب اطمینان وجود دارد.
تحلیل دینامیکی
به منظور بررسی تأثیرات بارگذاری دینامیکی بر سازه های ژئوتکنیکی می بایست از تحلیل دینامیکی مدل مورد نظر استفاده نمود. برای انجام تحلیل دینامیکی ابتدا مدلی شامل تمام پارامترهای لازم از سازه مورد نظر ایجاد شده، سپس مدل تحت بارگذاری لرزه ای قرار می گیرد نحوه اعمال بارگذاری دینامیکی در پلکسیس به دو صورت بارهای متمرکز و جابجایی مقرر شده می باشد. استفاده از بار متمرکز در مدل نمودن بارهای ضربه ای مثل اثر ضربه چکش شمع کوب و یا ارتعاش ناشی از اجسام مرتعش روی بستر خاک استفاده می شود در مدل نمودن اثر زلزله در این برنامه از حالت جابجایی مقرر شده که در مرز پایین مدل اعمال می شود استفاده می گردد. پس از انجام مدل سازی، در مسائل مربوط به زلزله ، بارگذاری از طریق فعال سازی بار دینامیکی در برنامه محاسبات به مدل اعمال می شود که خود در دو حالت بار هارمونیک و یا مقادیر شتاب – زمان زلزله می باشد. در مرحله بعد معرفی فازهای محاسبات می باشد که در آن کل هندسه مدل انتخاب شده و سپس از طریق قسمت ضرایب بارگذاری، بار زلزله به مدل معرفی می شود و مدل آماده تحلیل می باشد.
خروجی
در این قسمت کاربر با بهره گرفتن از گزینه های موجود و نوع تحلیل انجام شده قادر به بررسی نتایج تحلیل در حالتهای مختلف می باشد. به عنوان مثال پس از اتمام تحلیل پلاستیک کاربر می تواند نحوه توزیع تنشهای موثر و کل، توزیع کرنشهای نرمال و برشی، تغییر مکانهای قائم و افقی در نقاطی که از قبل تعیین شده را بررسی نماید و همچنین پس از تحلیل ایمنی با انتخاب گزینه نمو افزایشی (Total Increments) گوه های گسیختگی نشان داده می شوند.
شکل ۳-۳ : خروجی نرم افزار
نمودار
پس از اتمام مراحل حل مسئله و مشخص شدن نتایج نوبت به ارائه منحنی برای انواع نیازها می باشد. با انتخاب این آیتم از خروجی برنامه پنجره ای جدید باز شده و در آن از کاربر در مورد نوع پارامتر مورد نظر و نحوه نمایش آن سئوال می شود که بر حسب نوع تحلیل انجام شده خروجی های مختلفی در این قسمت قابل بیان می باشند. به عنوان مثال پس از انجام تحلیل ایمنی با انتخاب پارامتر Msf بر حسب مراحل حل مقدار ضریب اطمینان بر حسب تعداد دفعات حل رسم می گردد.
شکل ۳-۴: نمودار نرم افزار
