مقاله تحلیلی: طراحی عضو در نرم افزارهای آنالیز المان محدود

اخیراً سؤال جالبی را از طریق ایمیل دریافت کردم. تاکنون چندین بار می‌خواستم این مسئله را مطرح کنم لذا اینجا فرصت بسیار خوبی برای این کار است!

آیا در آباکوس ما می‌توانیم ظرفیت یک عضو سازه‌ای را کنترل کنیم؟ آیا عضو می‌تواند بارهایی مانند برش، خمش، پیچش، بار محوری و غیره را تحمل کند یا خیر؟

این مسئله ساده به نظر می‌رسد اما من افراد زیادی را دیده‌ام که زمان زیادی را صرف این موضوع می‌کنند! بگذارید در ابتدا با این موضوع که درواقع چگونه می‌توان یک عضو سازه‌ای را طراحی کرد، آغاز کنیم.

طراحی و ظرفیت عضو طبق آیین‌نامه

واضح است طراحی اعضای سازه‌ای بخش بسیار مهمی از مهندسی سازه است. دلیل این است که اکثر سازه‌ها از اعضا و صفحات مختلفی تشکیل‌شده می‌شوند. در طول سال‌های متمادی تعداد زیادی از آیین‌نامه‌های مختلف که راهنمای طراحی عضو هستند، تدوین شده‌اند. البته این آیین‌نامه‌ها معمولاً از هر کشوری به کشور دیگر متفاوت است. بدین معنی که ANSI/AISC 360 در ایالات‌متحده یا EN 1993-1-1 در اتحادیه اروپا (در حال حاضر تقریباً تمامی اروپا این آیین‌نامه را استفاده می‌کند) استفاده می‌شوند.

 هرچه ما بیشتر و بیشتر درباره سازه‌ها می‌آموزیم، آن آیین‌نامه‌ها بیشتر و بیشتر پیچیده می‌شوند. آیین‌نامه‌ها مجموعه‌ای از معادلات ریاضی در اختیار می‌گذارند که با استفاده از آن‌ها می‌توان ظرفیت عضو موردنظر را صحت سنجی کرد. معمولاً درصورتی‌که نیروهای داخلی و ویژگی‌های مقطع عرضی عضو مورد تحلیل را بدانید، می‌توانید همه محاسبات را به‌صورت دستی انجام دهید. مسئله مهم دیگر درباره آیین‌نامه‌ها این است که منحنی‌های کمانش آزمایش محور را برای بسیاری از مسائل نیز در اختیار می‌گذارند.

 این یعنی زمانی که شما یک ستون را در برابر کمانش تحت‌فشار محاسبه می‌کنید، آیین‌نامه نقص‌های "قابل‌قبول" را برای مسئله فرض خواهد کرد. این موضوع عامل مهمی است. شما نمی‌توانید یک ساختمان "بدون نقص" بسازید. تمامی اشتباهات، خروج از محورهای تصادفی و غیره ممکن است ظرفیت کمانشی یا کمانش پیچشی جانبی را به‌طور قابل‌توجهی کاهش دهند. آیین‌نامه‌ها این موضوعات را بر اساس تحقیقات گسترده و تجربه مهندسی به‌حساب می‌آورند.

به‌طور مشابه شما نمی‌توانید همه‌چیز را با یک "لنگر خمشی ساده که بر مدول مقطع تقسیم شده است" طراحی کنید. در بسیاری از اعضا (مانند تیرهای بتنی) قوانین پیچیده زیادی وجود دارند که امکان پیش‌بینی صحیح ظرفیت عضو را فراهم می‌کنند.

جمع‌بندی

• طراحی عضو معمولاً مطابق با آیین‌نامه‌ها انجام می‌شود.
• آیین‌نامه‌ها از یک کشور به کشور دیگر متفاوت هستند اما تعداد کمی (مانند ANSI و EN 1993) وجود دارند که در سرتاسر جهان شناخته شده‌اند.
• آیین‌نامه‌ها قوانینی را برای طراحی عضو در اختیار می‌گذارند که نقایص و رفتارهای پیچیده عضو را در نظر می‌گیرند.
• برای محاسبه یک عضو شما باید نیروهای داخلی و ویژگی‌های هندسی این عضو را بدانید. وقتی این موارد را بدانید می‌توانید بقیه محاسبات را مطابق با یک فرآیند مناسب آیین‌نامه‌ای به‌صورت دستی انجام دهید.
• مشکلات پیچیده‌تری مانند پایداری قاب‌ها و اندرکنش بین اعضای مختلف سازه‌ای نیز در آیین‌نامه‌ها شرح داده می‌شوند. این مشکلات معمولاً تا حد زیادی می‌توانند بر روی طراحی اعضای تکی تأثیر بگذارند.

وقت آن رسیده که بپرسید FEA در کجا کمک‌کننده است. آیا توجه کردید که من گفتم شما باید نیروهای داخلی المان موردنظر را محاسبه کنید؟ در مسائل ساده، شما به‌سادگی این کار را به‌صورت دستی انجام می‌دهید... اما در سازه‌هایی مانند مثال زیر هزاران المان در خرپا وجود دارد. در این حالت محاسبه دستی نیروهای داخلی امکان‌پذیر است... اما واقعاً نمی‌خواهید که این کار را انجام دهید!

 ساخت یک مدل FEA بسیار سریع‌تر و تا حدودی دقیق‌تر (با فرض اینکه بدانید چه‌کار می‌کنید) است. در این حالت با تحلیل مدل تمامی نیروهای داخلی در هر عضو را در اختیار شما خواهد گذاشت. معمولاً تمامی خواص هندسی مقاطع عرضی را نیز به دست می‌آورید.

ازنظر افزایش قابل‌توجه سرعت فرآیند، این کار کمک بزرگی می‌کند! همچنین تغییر شکل‌ها را نیز به دست می‌آورید (که در شکل بسیار بهتر به نظر می‌رسد) لذا می‌توانید کنترل کنید که آیا تغییر شکل مدل شما قابل‌قبول است یا خیر. درنهایت نتایج می‌توانند به‌صورت زیر در نظر گرفته شوند:

 FEA همه‌چیز نیست

اینکه FEA طراحی را انجام می‌دهد عالی است اما موضوعی وجود دارد که من قبلاً نگفتم. می‌دانید که بعد از محاسبات FEA همچنان چندین هزار المان دارید که باید با توجه به کنترل‌های آیین‌نامه‌ای صحت سنجی شوند. این صحت سنجی را می‌توان با محاسبات دستی انجام داد، حتی می‌توانید برنامه‌ای را بنویسید که برای شما این کار را انجام دهد. هرانتخابی کرده باشید، همچنان کارهای زیادی وجود دارد که باید انجام دهید. اینجاست که موضوعات خسته‌کننده می‌شوند.

 به‌طور خلاصه، من نرم‌افزار FEA را به دو دسته تقسیم‌بندی می‌کنم:

• نرم‌افزار پیشرفته FEA. این نرم‌افزاری است که احتمالاً در مورد آن فکر خواهید کرد. برنامه‌هایی مانند Ansys، Abaqus، Nastran (که در اینجا از آن استفاده کرده‌ام) و غیره. معمولاً امکانات این بسته‌های نرم‌افزاری بسیار زیاد است و شما می‌توانید مشکلات پیچیده بسیاری را با آن‌ها حل کنید؛ اما در این نرم‌افزارها "آیین‌نامه‌ها" نیز پیاده‌سازی نشده‌اند. این بدان معنی است که نرم‌افزار کنترل‌های آیین‌نامه‌ای را "برای شما" انجام نخواهد داد. شما باید این کار را بعداً به‌صورت دستی انجام دهید یا از فرآیندهای محاسباتی پیشرفته‌تر استفاده کنید.
• نرم‌افزار FEA ویژه مهندسی عمران". درصورتی‌که شما مهندس عمران نباشید، ممکن است این کلمه را قبلاً نشنیده باشید. آن‌ها برنامه‌هایی هستند مانند RFEM (که من واقعاً آن را دوست دارم و در اینجا استفاده کرده‌ام)، SAP2000، Autodesk Robot و بسیاری از نرم‌افزارهای دیگر.

 این برنامه‌ها به مهندسی عمران اختصاص یافته‌اند. برخی از آن‌ها تنها برای المان‌های تیر و برخی دیگر برای صفحات و اجسام توپر نیز مجاز به استفاده هستند. شرایط موردنظر هرچه که باشد، این نرم‌افزارها مطمئناً ظرفیت‌های نرم‌افزار پیشرفته FEA را ندارند. شما در حال حاضر می‌توانید آنالیز غیرخطی را تقریباً در تمامی آن‌ها انجام دهید، اما آنالیز پس از شرایط بحرانی کم‌وبیش غیرممکن است. البته محدودیت‌های بسیار دیگری مانند عدم کنترل مطلوب مش بندی و غیره وجود دارد. بااین‌حال، مزیت‌های بسیار بزرگی دارند: این برنامه‌ها به‌صورت خودکار کنترل‌های آیین‌نامه‌ای زیادی را برای شما انجام خواهند داد لذا شما را از کار بسیار زیاد نجات می‌دهند.

طراحی تیرها در هردو نوع برنامه، جنبه‌های مثبت و منفی دارد. بگذارید این جنبه‌ها را به‌صورت مختصر توضیح دهیم!

طراحی عضو با نرم‌افزار FEA "مهندسی عمران"

من با نرم‌افزار مهندسی عمران بحث را آغاز می‌کنم چون توضیح آن ساده‌تر است.

 نتیجه طراحی که به دست خواهید آورد به‌صورت درصد است (درصد نسبت ظرفیت حداکثر استفاده‌شده). بدین معنی که اگر تیر در %50 ظرفیت باشد، می‌توانید آن را بیشتر بارگذاری کنید- چراکه همچنان %50 ظرفیت آن استفاده نشده است.

باید به خاطر داشته باشید که همه‌چیز در این نرم‌افزار FEA نیست. مطمئناً FEA راه‌حل استاتیکی، تیره‌ای داخلی، تغییرشکل‌ها و غیره را در اختیار می‌گذارد؛ اما "درصدها" و هر کنترل آیین‌نامه‌ای که انجام می‌شود هیچ ربطی به FEA ندارد.

نکات مثبت:

• کار را برای شما انجام می‌دهد!
• در خروجی گرفتن از داده‌ها امکان اشتباه کمتری وجود دارد.
• سریع‌تر است!

نکات منفی:

• به‌اندازه "نرم‌افزار FEA پیشرفته" امکانات تحلیلی زیادی را در اختیار نمی‌گذارد.
• معمولاً محاسبات آیین‌نامه‌ای نیاز به فرضیات زیادی دارند. این فرضیات باید در نرم‌افزار وارد شوند، اما غالباً کاربران از آن آگاه نیستند. این فرضیات ممکن است باعث طراحی اشتباه شوند.

طراحی عضو با نرم‌افزار FEA "پیشرفته"

 این نرم‌افزار مقداری پیچیده‌تر است. البته می‌توانید فقط محاسبات استاتیکی را انجام دهید. سپس نتایج را استخراج‌کنید (برنامه‌نویسی در اینجا مفید خواهد بود) و به‌سادگی کنترل‌های آیین‌نامه‌ای را درجایی دیگر انجام دهید. البته صفحات اکسل به نظر می‌رسد که انتخاب بسیار خوبی باشند.

بااین‌حال این کار همچنان به‌صورت دستی انجام می‌شود لذا افراد تلاش می‌کنند این فرآیند را بیشتر "به‌صورت خودکار" درآورند. متأسفانه در نرم‌افزار FEA پیشرفته، امکانات بسیار زیادی وجود ندارد. گاهی اوقات شما مجبور خواهید بود تیرها را به‌صورت مجموعه‌ای از صفحات مدل‌سازی کنید تا بتوانید برخی از اثرات مانند کمانش پیچشی جانبی را در نظر بگیرید.

البته، به‌سادگی می‌توانید طراحی تنش را انجام دهید. ازنظر تئوری هر نرم‌افزاری می‌تواند تنش را در یک عضو بر اساس مقطع عرضی آن محاسبه کند. متأسفانه در این روش شمار زیادی از المان‌ها به‌حساب آورده نمی‌شوند (درصورتی‌که وجود طراحی عضو بتنی)، لذا من نسبت به این روش بسیار با دقت عمل خواهم کرد.

نکات مثبت:

• گزینه‌های محاسباتی پیشرفته‌تر
• کنترل بهتر حل‌کننده با پارامترهای مختلف

نکات منفی:

• کار اضافی نسبتاً زیادی برای طراحی ظرفیت انجام می‌شود.

منبع

نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.