مدل سازی کاربردی با استفاده از نرم افزار OpenSees

در این کتاب می‌خوانید:

• کلیاتی در مورد برنامه OpenSees، محاسن، روش استفاده
• شناخت زبان برنامه‌نویسی Tcl
• شناخت دستورات مدل‌سازی در برنامه OpenSees شامل دستورات ایجاد، انواع مواد، مقاطع، المان‌ها، بارگذاری، پارامترهای آنالیز و غیره
• آشنایی با انواع خروجی‌های برنامه OpenSees و نحوه مدیریت آن‌ها
• مثال‌های ساختمانی شامل مدل‌های دو و سه‌بعدی با انواع حالت‌های مختلف مدل و انواع آنالیز شامل استاتیکی خطی، پوش-آور، دینامیکی خطی، دینامیکی غیر خطی، استاتیکی دوره‌ای و غیره
• مثال‌های غیر ساختمانی شامل نحوه مدل‌سازی آنالیزهای مختلف سیستم‌های کنترل سازه مانند میراگر اصطکاکی و ویسکوز، سازه‌های خاص مانند پل، سکوی دریایی، خرپا، نحوه مدل‌سازی دیوار پرکننده، اتصال تیر-ستون، حلقه، پوسته
• مثال‌های ژئوتکنیکی شامل مدل دو و سه‌ بعدی خاک، اندرکنش شمع با خاک، آزمایش سنترفیوژ، تحکیم، آنالیز تنش مؤثر و کل ستون خاک، آنالیز دینامیکی شیب، دیوار سپری طره‌ای، ستون خاک تحت تحریک زلزله، بلوک خاک تحت پوش-آور
• نکات خاص و کاربردی مدل‌سازی با برنامه، روندهای کاربردی برای انواع مدل‌سازی، چند نمونه از نتایج صحت‌سنجی برنامه

محاسن برنامه OpenSees:

• قوی‌ترین نرم‌افزار تحلیل‌های غیرخطی
• رایگان، منبع باز، در دسترس بودن و مناسب برای ارائه مقالات
• دارای محیط قوی و پویا برای رسیدگی به مشکلات مدل‌سازی و آنالیز
• دارای قدرت و سرعت بالای آنالیز در حوزه رفتار غیرخطی سازه‌های مختلف و مباحث ژئوتکنیکی
• حجم کم نرم‌افزار و خروجی‌های آن در مقایسه با سایر نرم‌افزارها
• قابلیت‌های بالای مدل‌سازی و آرشیو کاملی از مواد و المان‌ها و انواع پارامترهای مدل‌سازی مانند مقاطع، المان‌ها
• قابلیت ساخت انواع مدل خطی و غیرخطی، ژئوتکنیکی و غیره
• قابلیت روز آمدکردن برای اهداف خاص
• سادگی کدنویسی در مقایسه با سایر برنامه‌های کدنویسی
• سرعت پردازش بالا و اشغال حجم کمی از حافظه موقت کامپیوتر
• پشتیبانی از نرم‌افزار در سایت تحت نظر اساتید و برنامه‌نویسان و سایر کاربران و پاسخگویی به موارد مطرح شده از طرف کاربران

کتاب حاضر حاوی یک CD شامل نرم‌افزارها و فایل‌های مربوط به مثال‌های مطرح شده در کتاب است.

مقدمه

در دنیای پرهیاهوی امروزه، هر روز و هر روز شاهد مطالعه و پژوهش در زمینه‌های مختلف هستیم. برای امر پژوهش علاوه بر پایه علمی و همت بالا، نیاز به یک سری ابزارها است. یکی از این ابزارها که به خصوص در میان جامعه مهندسی بسیار کاربرد دارد، یک نرم‌افزار مناسب برای بررسی مدل‌های مختلف برای اثبات صحت فرضیات است.

 امروزه نرم‌افزارها و کدهای بسیاری برای امر پژوهش وجود دارد. یکی از این نرم‌افزارها که امروزه کاربرد بسیار یافته است و به وفور در تحقیقات علمی از آن استفاده می‌شود، نرم‌افزار OpenSees است. این برنامه شامل مجموعه‌ای از مواد، مقاطع، المان‌ها و ابزارهای قدرتمند آنالیز برای شبیه‌سازی عددی سیستم‌های غیرخطی است. با استفاده از این برنامه می‌توان انواع مدل‌های خطی و غیرخطی، ژئوتکنیکی و غیره را ساخت. این برنامه قابلیت انجام انواع مختلف آنالیز از جمله استاتیکی پوش‌آور، استاتیکی دوره‌ای، دینامیکی تاریخچه-زمانی خطی و غیرخطی و غیره را داراست.

 از قابلیت‌های متمایز برنامه می‌توان به مواردی مانند قابلیت تحریک چندنقطه‌ای سازه، مقاطع فیبر، قابلیت مدل سازی دقیق اندرکنش خاک-شمع-سازه، آرشیو کامل مواد، قابلیت انجام انواع آنالیز به صورت متوالی و ذخیره خروجی‌های هر آنالیز در فایل های مجزا، قابلیت نوشتن کد مجزا (مانند عبارت شرطی و غیره) در داخل کد مدل و غیره اشاره کرد.

 مواردی از مزایای برنامه به شرح ذیل است:

•  رایگان بودن و عدم مشکلات حقوقی احتمالی در چاپ مقالات
•  دقت بسیار بالای نتایج، زمان بسیار کم آنالیز و قابلیت تغییر زمان آنالیز و دقت نتایج
•  دسترسی آسان و قابلیت نصب و اجرای ساده
•  پژوهش-محور بودن برنامه در مقایسه با قابلیت های تجاری بالای آن، به طوری‌که بسیاری از تحقیقات با استفاده از این برنامه انجام شده و بسیاری از مقالات معتبر در این مورد به چاپ رسیده است.
•  حجم بسیار کم مدل و نتایج حاصل از آنالیز که باعث سهولت انتقال فایل‌ها (به فرض از طریق ایمیل)، راحتی مدیریت نتایج و مزایای دیگر می شود.
•  به روز بودن برنامه و توسعه آن برای مقاصد جدید
•  دسترسی آسان به منابع پاسخگویی سوالات پیرامون برنامه، چه در داخل و چه در خارج کشور
•  قوی ترین برنامه مدل سازی ماکرو
•  قابلیت روزآمدکردن برای اهداف خاص
•  سادگی کدنویسی در مقایسه با سایر برنامه‌های کدنویسی
•  سرعت پردازش بالا و اشغال حجم کمی از حافظه موقت کامپیوتر
•  پشتیبانی از نرم‌افزار در سایت تحت نظر اساتید و برنامه‌نویسان و سایر کاربران و پاسخ‌گویی به موارد مطرح شده از طرف کاربران
•  قابلیت‌های بسیار بالای مدل‌سازی، به طوری که طیف وسیعی از رفتارهای سازه‌ای و غیره را می‌توان با استفاده از این برنامه مدل کرد.

 بدون شک برای کارهای تحقیقاتی و پژوهشی مختلف در زمینه مهندسی عمران و حتی رشته‌های مهندسی دیگر می‌توان از قابلیت‌های بالای این برنامه استفاده کرد. این برنامه با استفاده از مجموعه کامل و در حال توسعه مواد و مقاطع و المان‌های موجود، قادر است انواع شبیه‌سازی‌های ماکرو و میکرو را انجام دهد.

 یکی از قابلیت‌های مناسب برنامه،‌ که در برنامه های دیگر کمتر دیده می‌شود،‌ قابلیت انواع آنالیزهای متنوع در بازه های زمانی مختلف است. با استفاده از قابلیت‌های نوشتاری برنامه می‌توان هرگونه آنالیز را انجام داد. به فرض با استفاده از برنامه می‌توان یک نیروی خاص را به یک سازه اعمال کرده، سپس با حذف نیروی مورد نظر، ارتعاش آزاد سازه را مورد بررسی قرار داد. به عنوان مثالی دیگر می‌توان مواردی مانند اعمال نیروی پیش کشیدگی و غیره را به سادگی انجام داد. با استفاده از قابلیت حذف در برنامه، می توان ماده، المان، بار، و یا موارد دیگر را از مدل حذف کرد. به طور مثال در بحث کوبیدن شمع های سپری، که بعد از کوبیدن شمع یک طرف دیوار خاکبرداری می شود، می‌توان با استفاده از قابلیت‌های برنامه، المان‌های خاک یک طرف دیوار را حذف کرده و روند آنالیز را در پیش گرفت.

 به دلیل خاصیت متنی بودن ورودی سازه و قابلیت نوشتن انواع کد و عبارات شرطی و حلقه و غیره می توان موارد متنوعی را انجام داد. به طور مثال می توان یک متن ورودی نوشت که در زمان‌های مختلف پریود سازه را ارائه کند و به عبارت دیگر، تاریخچه پریود سازه را به دست آورد. این مورد می تواند برای مطالعات شاخص خرابی کاربرد داشته باشد.

 یکی از قابلیت‌های بسیار خوب برنامه قابلیت لینک شدن آن با برنامه MATLAB است. با استفاده از این قابلیت می توان آنالیزهای پارامتری و تکراری مانند آنالیزهای تاریخچه پاسخ غیرخطی (برای رسم منحنی IDA) را به سادگی هرچه تمام‌تر انجام داد. با استفاده از این قابلیت، در برنامه MATLAB متنی را می‌توان نوشت که ورودی‌های مورد نیاز OpenSees‌ را به آن بدهد، خروجی‌های آنالیز را از آن بگیرد و با استفاده از قابلیت‌های ریاضی، موارد مورد نظر را لحاظ کند. در یکی از مثال‌های کتاب به این مورد پرداخته شده است.

 کتاب حاضر در ابتدا به بیان کلیات برنامه و مشخصات و محاسن آن می پردازد. در ادامه دستورات مربوط به مدل سازی بدنه مساله بیان می‌شود. موارد مربوط به بارگذاری مدل و ثبت خروجی‌های مورد نظر و معرفی پارامترهای آنالیز، موارد دیگری است که در ادامه معرفی می‌شود. نهایتاً در سه فصل جداگانه به تشریح مثال‌های متعدد پرداخته می شود. با استفاده از این مثال‌ها، روند به کارگیری دستورات بهتر مشخص می شود. مثال‌های کتاب شامل مثال‌های مربوط به سازه‌های ساختمانی، سازه‌های غیرساختمانی و ژئوتکنیکی می‌شود.

 در کتاب حاضر سعی شده است از فرمت‌های مشخصی استفاده شود تا مطالعه آن ساده‌تر شود. به عنوان مثال فرمت اصلی دستورات ورودی در داخل کادر با سایه قرار گرفته است.

 برای راحتی بیش‌تر، مجموعه آموزشی حاضر، علاوه بر کتاب آموزشی، شامل یک عدد CD حاوی برنامه OpenSees و برنامه های مرتبط دیگر و همین طور مثال‌های عنوان شده در کتاب نیز است. هر یک از مثال‌های کتاب شامل یک یا چندین متن ورودی است که در پوشه مخصوص به آن مثال در داخل CD ارائه شده است. استفاده‌کننده از کتاب به سادگی می‌تواند پس از مراجعه به کتاب و مطالعه توضیحات مربوط به هر یک از مثال‌ها به پوشه مربوط به آن مثال مراجعه کرده و به متن مثال دسترسی داشته باشد و آن را مطالعه کرده، اجرا کند و یا برای مدل‌های دیگر به کار گیرد.

 استاد ارجمند، آقای دکتر محمدرضا تابش پور (عضو هیات علمی دانشگاه صنعتی شریف) در تهیه کتاب و در ترجمه لغات، راهنمایی‌های ارزشمندی را ارائه کرده‌اند، از ایشان کمال تشکر را دارم.

 در نهایت آرزو دارم، که خواننده محترم کتاب بهره کامل را از آن برده و به نحو مناسبی بتواند از آن استفاده کند. پیشاپیش از کاستی‌های احتمالی کتاب پوزش خواسته و پذیرای پیشنهادات و انتقادات خوانندگان محترم کتاب، هستم.

یونس کماچی

فهرست مطالب

فصل ۱ مقدمه و کلیات

۱.۱ مقدمه

۲.۱ OpenSees چیست؟

۳.۱ محاسن برنامه

۴.۱ دانلود OpenSees

۵.۱ اجرای OpenSees

۶.۱ روش نوشتن

۷.۱ مفسر OpenSees

۸.۱ تعریف واحدها و ثابت ها

۹.۱ تولید دستورات Matlab

۱۰.۱ تعریف روند Tcl

۱۱.۱ خواندن فایل‌های خارجی

فصل ۲ آشنایی با برنامه Tcl 11

۱.۲ مقدمه

۲.۲ قواعد نوشتن

۳.۲ علامت های مورد استفاده برای نوشتن

۴.۲ دستورات Tcl

۵.۲ اپراتورها

۶.۲ توابع ریاضی

۷.۲ برنامه Tcleditor

فصل ۳ دستورات مدل‌سازی

۱.۳ مقدمه

۲.۳ روند مدل سازی

۳.۳ مفسر OpenSees

۴.۳ روش نوشتن

۵.۳ دستور ساخت مدل

۶.۳ دستور ساخت

۷.۳ دستور گره

۸.۳ دستور جرم

۹.۳ گزینه قیدها (constraints)

۱۰.۳ دستور ماده یک-بعدی

۱۱.۳ مواد چندبعدی

۱۲.۳ دستور انتقال هندسی

۱۳.۳ دستور مقطع

۱۴.۳ دستور المان

۱۵.۳ دستور block

۱۶.۳ دستور block3D

۱۷.۳ دستورات مختلف

۱۸.۳ دستور save

۱۹.۳ دستور Restore

۲۰.۳ دستور مدل اصطکاکی (FrictionModel Command)

فصل ۴ بارگذاری و خروجی

۱.۴ مقدمه

۲.۴ سری‌های زمانی (Time Series)

۳.۴ دستور بارگذاری (pattern Command)

۴.۴ دستورات خروجی برنامه

فصل ۵ دستورات آنالیز

۱.۵ مقدمه

۲.۵ گزینه‌های آنالیز

۳.۵ قیدها

۴.۵ شمارنده (Numberer)

۵.۵ سیستم (System)

۵.۶ تست (test)

۵.۷ الگوریتم (Algorithm)

۵.۸ تجمیع کننده (Integrator)

۵.۹ آنالیز

۵.۱۰ آنالیز

۵.۱۱ دستور eigen

۵.۱۲ دستور ریلی (rayleigh)

۵.۱۳ تعیین پریودهای ارتعاش سازه

۵.۱۴ یافتن شکل های مودی یک سازه

۵.۱۵ پارامترهای آنالیز برای روش های مختلف آنالیز سازه

فصل ۶ مثال‌های ساختمانی

۶.۱ مقدمه

۶.۲ قاب پرتال

۶.۳ ستون طره‌ای الاستیک دوبعدی

۶.۴ قاب پرتال الاستیک

۵.۶ ستون طره‌ای با متغیرها

۶.۶ آنالیز مقادیر ویژه یک قاب دوطبقه یک دهانه

۷.۶ آنالیز استاتیکی

۸.۶ ستون طره‌ای یک درجه آزادی

۹.۶ ستون طره‌ای غیرخطی: مقطع غیرالاستیک یک بعدی

۱۰.۶ قاب پرتال غیرخطی

۱۱.۶ قاب پرتال غیرخطی

۱۲.۶ ستون طره ای با واحدها

۱۳.۶ آنالیز پوش-آور قاب بتنی دوبعدی

۱۴.۶ قاب دو بعدی عمومی، سه طبقه، سه دهانه، مقطع بتن مسلح و مقطع فولادی W

۱۵.۶ قاب دو بعدی عمومی، N طبقه، N دهانه، مقطع بتن مسلح و مقطع فولادی W

۱۶.۶ قاب سه بعدی، سه طبقه، سه دهانه در جهت X، سه دهانه در جهت Z، مقطع بتن مسلح و مقطع فولادی W

۱۷.۶ قاب سه بعدی فولادی با مقطع W به صورت فیبری

۱۸.۶ قاب سه بعدی ساده

۱۹.۶ قاب سه بعدی عمومی  N طبقه، N دهانه در جهت X، N دهانه در جهت Z، مقطع بتن مسلح و مقطع فولادی W

۲۰.۶ آنالیز پوش-آور یک قاب دوبعدی

۲۱.۶ آنالیز پوش-آور قاب خمشی دوطبقه با پلاستیسیته متمرکز و گسترده

۲۲.۶ قاب دوطبقه با پلاستیسیته گسترده

۲۳.۶ قاب خمشی دو طبقه با پلاستیسیته متمرکز، چشمه اتصال (Panel Zones) و RBS

۲۴.۶ قاب بتنی دوبعدی تحت تحریک زلزله پایه

۲۵.۶ قاب بتنی سه بعدی تحت تحریک زلزله پایه

فصل ۷ مثال‌های غیرساختمانی

۱.۷ مقدمه

۲.۷ خرپای دوبعدی

۳.۷ آنالیز خرپا

۴.۷ ساخت و آنالیز مقطع

۵.۷ آنالیز چرخه‌ای یک عضو فشاری (مدل سازی رفتار پس‌کمانشی و پس‌جاری‌شدگی)

۶.۷ آنالیز پوش-آور یک قاب با اتصال K

۷.۷ آنالیز لنگر-انحنای یک مقطع یک بعدی بتنی دوبعدی فیبری

۸.۷ مدل تیر با استفاده از المان های block2D

۹.۷ آنالیز دینامیکی پوسته

۱۰.۷ ماده الاستوپلاستیک گپ

۱۱.۷ ماده نفوذ کرنش

۱۲.۷ ماده ISOLATOR2SPRING

۱۳.۷ ماده خستگی

۱۴.۷ مدل ماده pinching4

۱۵.۷ ماده با حالت حدی

۱۶.۷ تیر دو سر مفصل مدل شده با دو المان ابعادی صلب

۱۷.۷ مدل طره سه بعدی با استفاده از المان block3D

۱۸.۷ مدل سازی میراگر اصطکاکی

۱۹.۷ المان تماسی با طول صفر NTS2D

۲۰.۷ آنالیز پوش-آور اتصال با نفوذ کرنش

۲۱.۷ دیوار پرکننده و حذف دیوار

۲۲.۷ مدل المان اتصال تیر-ستون

۲۳.۷ حلقه

۲۴.۷ میراگر ویسکوز

۲۵.۷ مدل یک سکوی دریایی با در نظر گرفتن اندرکنش شمع-خاک-سازه و اندرکنش با سیال

۲۶.۷ مدل یک سکوی دریایی با در نظر گرفتن اندرکنش شمع-خاک-سازه و اندرکنش با سیال و مجهز به میراگر اصطکاکی

۲۷.۷ پل

۲۸.۷ رسم منحنی IDA برای یک سازه

فصل ۸ مثال‌های ژئوتکنیکی

۱.۸ مقدمه

۲.۸ مدل دوبعدی خاک رس

۳.۸ مدل سه بعدی خاک رس

۴.۸ اندرکنش شمع با خاک

۵.۸ فونداسیون شمعی با بارجانبی

۶.۸ مدل‌سازی آزمایش سنترفیوژ

۷.۸ تحکیم یک بعدی

۸.۸ آنالیز پاسخ تنش مؤثر سایت یک ستون از لایه‌های خاک

۹.۸ آنالیز پاسخ تنش کل سایت یک ستون از لایه‌های خاک

۱۰.۸ آنالیز تنش مؤثر دینامیکی یک شیب

۱۱.۸ انواع مسئله GiD برای تولید فایل ورودی آنالیز شیب دوبعدی

۱۲.۸ خاک برداری نگه داشته شده به وسیله دیوار سپری طره‌ای

۱۳.۸ ستون خاک دوبعدی تحت تحریک زلزله پایه

۱۴.۸ بلوک سه بعدی خاک تحت پوش‌آور استاتیکی

فصل ۹ روندها، نکات و صحت سنجی

۱.۹ مقدمه

۲.۹ روندها

۳.۹ نکات مفید

۴.۹ چند مثال از صحت‌سنجی برنامه OpenSees

واژه‌نامه

فهرست الفبایی