ارائه روشی کارآمد برای ساخت ساختمان از سوی محققان دانشگاه صنعتی امیرکبیر

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، این تحقیق به عنوان رساله مقطع دکتری یزدان حیاتی و تحت راهنمایی و سرپرستی اساتید دانشگاه صنعتی امیرکبیر آقایان ابوالفضل اسلامی و غلامرضا هوایی در دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست و با همکاری مرکز تحقیقات سازه و زلزله دانشگاه صنعتی امیرکبیر انجام شده است.

یزدان حیاتی دانش آموخته مقطع دکتری رشته مهندسی عمران دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه صنعتی امیرکبیر و مجری طرح «تعیین توابع امپدانس دینامیکی پی‌ها مبتنی بر مدل ترموالاستیک خاک جهت تحلیل اندرکنش خاک-سازه با روش زیرسازه و FEM» گفت: هدف از اجرای این پروژه، ارایه یک روش و مدل کارآمد برای انجام تحلیل‌های سه بعدیِ دینامیکی اندرکنش خاک و سازه با استفاده از تکنیک زیرسازه و روش محبوب اجزای محدود (FEM) تحت اثر نیرو‌ها و لنگر‌های خارجی و امواج لرزه‌ای بوده است که در مهندسی سازه و زلزله بسیار پرکاربرد است.

وی افزود: به طور کلی به دلیل ماهیتِ بدون مرز و ابعاد بی نهایت خاک زیر فونداسیون، انجام تحلیل‌های اندرکنش خاک و سازه با استفاده از روش‌های معمول بسیار پیچیده و پرهزینه است و نیازمند حافظه‌های کامپیوتری بسیار زیادی است.

حیاتی با بیان اینکه در این پروژه، ابتدا با استفاده از مفاهیم روش زیرسازه، محیط نامتناهی خاک زیر فونداسیون حذف شده است، گفت: دو اثر این محیط که یکی ماتریس امپدانس فونداسیون و دیگری بردار نیروی درایوینگ (بردار نیروی ناشی از امواج لرزه ای) هستند، به فونداسیون و سازه فوقانی آن اعمال شده اند.

محقق دانشگاه صنعتی امیرکبیر افزود: به همین منظور در این رساله یک مدل شبیه سازی سه بعدی و کارآمد پیشنهاد و ارایه شده است که در آن، محیط نامتناهی خاک زیر فونداسیون توسط مجموعه‌ای از کمک-فنر‌ها که شامل فنر‌ها و میراگر‌های ویسکوز هستند، جایگزین شد.

به گفته حیاتی، این سیستم کمک-فنر به نقاط خاصی از فونداسیون متصل شده است تا بتواند سختی و میرایی خاک را در جهت‌های مختلف شبیه سازی و تامین کند.

وی خاطر نشان کرد: ضریب سختی فنر‌ها و ضریب میرایی میراگر‌های ویسکوز بصورت توابعی وابسته به فرکانس تحریکات (بارگذاری یا امواج زلزله) با استفاده از مفهوم توابع امپدانس فونداسیون برای مود‌های ارتعاشی مختلف سازه شامل ارتعاشات افقی، قایم، گهواره‌ای و پیچشی محاسبه شد.

وی افزود: با استفاده از این مدل پیشنهاد شده که موسوم به مدل سازه-فنر-میراگر (Superstructure-Spring-Dashpot model) است، محیط خاک که دارای ابعاد بی نهایت بوده حذف و به جای آن یک سیستم کمک-فنر به فونداسیون متصل شد. به این واسطه سختی و میرایی خاک را می‌توان شبیه سازی کرد.

وی اضافه کرد: همچنین بردار نیروی درایوینگ نیز به مرکز فونداسیون اعمال شد تا بتوانیم اثرات امواج زلزله برخوردی به فونداسیون را شبیه سازی کنیم. با استفاده از این تکنیک، عملا محیط خاک حذف شده است و دیگر نیازی به گسسته سازی محیط بی نهایت خاک توسط روش اجزای محدود نیست و فقط سازه و فونداسیون را که دارای ابعاد محدودی هستند توسط روش اجزای محدود (FEM) گسسته سازی کردیم.

به گفته وی، نتایج نشان داد این روش باعث کاهش چشمگیر عملیات و هزینه‌های محاسباتی می‌شود.

دانش آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر گفت: همچنین در این تحقیق از یک روش جدید و پیشرفته اجزای محدود موسوم به CUF-FEM که بر پایه روش فرمولبندی یکپارچه کررا (Carrera Unified Formulation) است استفاده کردیم که این روش از المان‌های یک بعدی تیر برای مدلسازی سازه‌های سه بعدی استفاده می‌کند و باعث کاهش هرچه بیشتر هزینه‌های محاسباتی نسبت به روش‌های اجزای محدود کلاسیک سه بعدی می‌شود.

به گفته حیاتی، این تحقیق رویکرد جدید و مفیدی برای انجام تحلیل‌های سه بعدی اندرکنش خاک- سازه با نگاه به کاهش عملیات و هزینه‌های محاسباتی ایجاد کرده که در مهندسی سازه و زلزله دارای اهمیت ویژه‌ای است.

وی تاکید کرد: به طور کلی در این تحقیق به اهداف مورد نظر رسیده ایم و مدل سازه-فنر-میراگر (SSD) ارایه شده بسیار ساده و کارآمد بوده و در عین حال برای هر سیستم دلخواه سه بعدی خاک-فونداسیون-سازه (با فرض صلب بودن فونداسیون) قابل کاربرد خواهد بود.

وی با بیان اینکه این تحقیق در زمینه ارتقای مرز‌های دانش در زمینه مهندسی سازه و زلزله دارای اهمیت است، گفت: در بعد اقتصادی نیز می‌توان نرم افزار‌های مناسب جهت تحلیل و طراحی مهندسی را با تکیه بر این روش و مدل پیشنهاد شده تولید کرد و در اختیار جامعه مهندسین قرار داد تا به کمک آن بتوان انجام تحلیل‌های اندرکنش خاک و سازه سه بعدی را برای سازه‌های مختلف به مرحله اجرا درآورد و از نتایج لحاظ کردن اندرکنش خاک و سازه استفاده کرد.

حیاتی با اشاره به مزیت‌های رقابتی طرح گفت: ساده و کارآمد و در عین حال قابل کاربرد برای انواع سیستم‌های خاک-فونداسیون-سازه سه بعدی، کاهش چشمگیر هزینه‌ها و عملیات محاسباتی در مقایسه با روش‌های مرسوم و معمول از ویژگی‌های این طرح به شمار می‌رود.

وی ادامه داد: همچنین از نتایج این تحقیق می‌توان در کاربرد‌های مهندسی استفاده کرد و می‌توان این روش و مدل را به سایر علوم مهندسی مانند اندرکنش سازه-سیال نیز گسترش داد که در سد سازی و سازه‌های هیدرولیکی کاربرد دارد.

حیاتی عنوان کرد که نتایج این تحقیق در قالب چهار مقاله علمی پژوهشی در مجلات معتبر بین المللی با نمایه JCR به چاپ رسیده است.