در مدلسازی سازهها باید به موارد زیر توجه داشت:
1) مدل سازی تنها یک شبیه سازی یا بهتر بگوئیم تلاشی برای شبیه سازی سازه واقعی میباشد.
2) فرآیند شبیه سازی بسته به نوع واکنش مورد نظر متفاوت بوده و میتواند بسیار متفاوت باشد.
3) فرآیند شبیه سازی بستگی مستقیمی به نوع بارگذاری و شرایط مرزی سازهی مورد نظر دارد.
سه مورد فوق به همراه تکنیکهای مدلسازی ریاضی که جزو امکانات نرم افزار مورد استفاده هستند میبایست در فضای تقریب یا فضای دقت پیاده سازی شوند. باید توجه داشت که سازه واقعی دارای بینهایت درجه آزادی میباشد. به دلیل محدودیتهای نرم افزاری، سخت افزاری و یا هزینه های اجرا (زمان و غیره) معمولاً ترجیح دارد که سازه با حداقل تعداد ممکن درجات آزادی بررسی شود. در این صورت خروجی نرم افزارهای تحلیل توأم با خطاهایی ناشی از این امر خواهد بود. در عین حال دقت مورد نیاز در مهندسی کاربردی با مهندسی پژوهشی متفاوت بوده و بسته به حساسیت واکنشهای مورد نظر دقت تحلیل و در نتیجه درجات آزادی مورد نظر تعیین میشوند.
اینکه دقت یک تحلیل به خصوص سازه ای چقدر باید باشد، یک مطلب کاملاً تخصصی و دور از حوصله این نوشتار است. توصیه میشود کاربران محترم (خوانندگان محترم) در این رابطه از افراد با تجربه کمک بگیرند.
تکنیکهای مدلسازی شامل روشهای استاندارد و کمکی مدلسازی سازه ای در نرم افزارهای شاخصی نظیر STAAD.Pro، SAP2000 و ETABS میباشند. معمولاً افرادی که با نرم افزارهای ترسیمی برداری نظیر اتوکد در فضای سه بعدی کارکرده اند، با این تکنیکها آشنا هستند. محیط ارائه شده برای ترسیم هندسی سازه در نرم افزارهای STAAD.Pro، SAP2000 و ETABS مانند محیط اتوکد میباشد. این محیط در حقیقت یک فضای مجازی سه بعدی است که کاربر میتواند در این فضا با استفاده از سه عنصر اولیه نقطه، خط و صفحه، کالبدسازه ای موردنظر خود را ترسیم نماید. علاوه بر ترسیم مستقیم این عناصر میتوان با استفاده از دستورات کمکی نظیر Move ، Replicate با جابجایی و کپی از عناصر اولیه به ترکیبات پیچیده تر نیز دست یافت.
امکانات ارائه شده در برنامههای ذکر شده نظیر برنامه اتوکد میباشد با این تفاوت که در برنامه اتوکد میتوان دستورات ترسیم و غیره را از طریق نوار دستورات (Command Line) نیز وارد نمود و حال آنکه این برنامه ها تنها از طریق جعبه ابزار(Toolbar) های به خصوصی قابل دسترسی هستند. (به استثنای برنامهی STAAD.Pro که به کمک برنامهی از پیش تعیین شدهی STAAD Editor امکان واردکردن مستقیم دستورات ترسیم، بارگذاری، تحلیل و پس پردازش سازه را به راحتی مهیا نموده است).
استفاده از امکاناتی نظیر واردکردن مستقیم دستورات از طریق صفحه کلید (Keyboard) میتواند سرعت و تسلط کاربر ماهر را چندین برابر کند. از اینرو انتظار میرود این امکان در نسخه های آتی این نرم افزارها گنجانیده شود. استفاده مفید و موثر از دستورات کمکی یاد شده در فوق برای ترسیم هندسی سازه، مستلزم تمرین و مهارت کاربر در تجزیه سازة پیچیده به اجزاء ساده تر میباشد. در این راه کاربر میبایست تجزیه را به اندازه کافی انجام دهد تا در کمترین زمان ممکن به حجم کلی سازه دست یابد.
معمولاً در سازه های متداول نظیر ساختمانهای مسکونی، برجها، پلها، تونلها و یا حتی در سازه های پیچیده تر نظیر برجهای خنککن و سازه های صنعتی تشابه به برخی از اجزاء به صورت تشابه مستقیم و یا تشابه معکوس وجود دارد.
به عنوان مثال در ساختمانهای مسکونی معمولی، طبقات مختلف به لحاظ سازه ای و معماری ممکن است مشابه یکدیگر باشند. به عنوان مثالی دیگر میتوان به سازه های قرینهی محوری نظیر سیلوها، برج خنک کننده و غیره اشاره داشت. اینگونه سازه ها با ترسیم اولیه مسیر هادی و سپس چرخاندن آن به حول محور دوران پدید میآیند.
کاربران حرفه ای نرم افزارهای تحلیل و طراحی اغلب تمایل دارند تا از امکانات وسیعی که در دیگر
نرم افزارها ارائه شده است نیز بهره بگیرند. به عنوان مثال بعضی از کاربران تمایل دارند تا از نرم افزارهای محاسباتی نظیر MathCAD و یا از
نرم افزارهای صفحه گسترده نظیر Excel برای تولید مختصات گره ها و یا توالی المانها استفاده نمایند. استفاده از امکانات محاسباتی اینگونه نرم افزارها میتواند کمک شایانی در تولید اطلاعات سازه های پارامتریک نماید.
طراحان برنامه های STAAD.Pro، SAP2000 و ETABS با علم به این موضوع امکانی را در این برنامه ها پیش بینی کرده اند که بتوان اطلاعات کلی هندسهی سازه نظیر گره ها و المانها را با کپی(Copy) و برچسب ((Paste ساده بین محیط این برنامه ها و محیط Excel رد و بدل نمود.
یکی دیگر از امکاناتی که در نسخه های اولیه این برنامهها گنجانده شده است امکان واردکردن فایلهای با فرمت DXF است. فرمت DXF مخفف (Drawing Interchange Format) یا فرمت تبادل ترسیمات در سیستم اتوکد است. فایلهای با این فرمت را میتوان در دیگر برنامه ها نیز به کار گرفت و یا اینکه توسط دیگر برنامه های کمکی اتوکد تولید نمود.
از آنجاییکه این فایلها با فرمت نوشتاری ASCII - American Standard Code for Information Interchange تولید میشوند، استفاده از آن بسیار ساده بوده و از اینروست که برنامه های جانبی اتوکد و یا دیگر سیستمهایی که به نوعی تبادل اطلاعات میکنند، اغلب از این فرمت استفاده مینمایند. فایلهای با این فرمت کلیة اطلاعات ترسیمات انجام شده در اتوکد را دارا میباشد و در حقیقت معادل مستقیم فایلهای استاندارد اتوکد با فرمت DWG هستند.
توانایی ترسیمات سه بعدی در نرم افزار اتوکد بسیار وسیع و کامل است و میتواند در مدلسازی سازه های پیچیده بسیار موثر واقع گردد. از اینرو قویاً توصیه میگردد تا با تمرین فراوان و کسب مهارت و تسلط برروی این نرم افزار و نحوة ورود و خروج اطلاعات به برنامه های تحلیل سازه، توانایی مدلسازی خود را افزایش دهید.
از دیگر روشهای تولید هندسی سازه، برنامه نویسی مستقیم میباشد. با این روش میتوان فایل حاوی اطلاعات هندسی سازه های پارامتریک را به فرمت Excel یا DXF و یا هر فرمت مناسب دیگری تولید نمود. البته با وجود امکانات برنامه ریزی بسیار ساده ای که در نرم افزارهای محاسباتی و یا صفحه گسترده ارائه شده است، معمولاً کمتر پیش می آید که امروزه مهندسان تمایل به برنامه ریزی مستقیم از خود نشان دهند ولی با این وجود این روش کماکان در موارد خاص کارآیی خود را خواهد داشت.
روشهایی که در بالا توضیح داده شدند، تنها روشهای ترسیم هندسی معادلِ ریاضی یا شبیه سازی شده از سازهی واقعی هستند.
گاهی اوقات در سازهی حقیقی شرایطی وجود دارد که این معادلسازی را قدری دشوار میکند، به عنوان مثال میتوان به موارد زیر اشاره داشت:
1- تیرهای عمیق و یا عریض:
در این صورت علاوه بر اینکه فرض استفاده از المان خطی با بعد صفر تا حدودی زیر سؤال میرود، سؤالی که پیش میآید آن است که تراز مشترک تیرهای واقع در یک طبقه کجا باید انتخاب شود و اینکه اثر این خروج از محوریت چه مقدار است و در چه شرایطی قابل اغماض میباشد و در چه شرایطی و چگونه میتوان آنرا برآورد نمود؟
2- اثر گره ها:
فصل مشترک اتصال بین تیرها و ستونهای متقاطع با یکدیگر را گره مینامیم. در اغلب برنامه های کامپیوتری که برای مدلسازی المانهای نظیر تیرها و ستونها، از المانهای خطی استفاده میشود، گره به یک نقطه بدون بعد بدل میشود.
اینکه اثرات تغییر شکلهای داخلی گره و یا جاری شدگیها و ترک خوردنها تا چه حد باعث دور شدن گره از یک گرهی ایده آل (که فرض میشود هیچ تغییر شکل نسبی در آن اتفاق نمیافتد) میشود، بحث مهمی است که در حد حوصله این نوشتار نیست ولیکن باید به خاطر داشت که تحت شرایطی این فرض دیگر صحیح نبوده و ممکن است پاسخها را کم ارزش نماید.
3- احجام توپر نظیر دالها، فونداسیونها و دیوارها:
در خصوص مدلسازی این قبیل اجزا سازه ای نکاتی چند را باید در نظر داشت:
3-1) معادله رفتاری مناسب برای این جزء چیست؟ همانطور که میدانیم این معادله رفتاری به سه صورت غشایی، خمشی و پوستهای (حاصل جمع غشایی و خمشی) در این برنامه ها معرفی شده است. انتخاب صحیح معادله رفتاری بسیار مهم بوده و هرگاه این انتخاب به درستی صورت نگیرد منجر به بی اعتباری پاسخهای دریافت شده میگردد.
3-2) کفایت مش بندی - در مدلسازی به روش اجزاء محدود، روش تجزیه یک محیط پیوسته نامحدود با توزیع تنش و کرنش پیچیده و نامشخص به یک سری المانهای محدود، به کمک توابع رفتاری مشخص و توزیع تنش و کرنش قابل پیش بینی در سطح المان انجام میگیرد.
درست مانند آنکه بخواهیم یک منحنی پیچیده و نامعلوم را با سری خطوط راست تقریب بزنیم. در این صورت به لحاظ ریاضی میتوان گفت که هر چقدر این تقسیم بندی بیشتر انجام شود، به جواب واقعی نزدیکتر میشویم.
در عمل محدودیتهای دیگری نیز وجود دارند که تعداد المانهای سازه ای را محدود میکنند، از آن جمله میتوان به افزایش خطای عددی و در بعضی اوقات ناپایداری عددی سازه و به زمان انجام تحلیل و محدودیتهای نرم افزاری و سخت افزاری و مهمتر از همه به هزینه های تحلیل اشاره کرد. در عین حال همانطور که پیشتر در بحث فضای دقت گفته شد، دقت میبایست متناسب با نوع کاربرد تنظیم شود چه درغیر اینصورت منجر به تلف شدن سرمایه خواهد گردید.
باید بخاطر داشت که تعداد بهینه المانها آن حداقلی است که بتواندپاسخهای مورد نظر را در حوزه دقت مورد نیاز در زمان مناسب و متناسب با امکانات موجود فراهم نماید. انتخاب این تعداد از طرفی بستگی به نوع بارگذاری، شرایط تکیه گاهی و نوع تحلیل نیز داشته و دستورالعمل کلی برای آن وجود ندارد و میبایست به تجربه و از طریق آزمایش تعیین گردد.
در بخشهای آینده مثالهایی از المانبندی و خطاهای ایجاد شده ارائه خواهد گردید.
منبع : irancivilcenter.com
