بهرام نوایی نیا
-
شبکه های دولایه ی ساخته شده با سیستم پیونده ی گویسان که دسته ی مهمی از سازه های فضاکار هستند، ازجمله سازه های رایج و پرکاربرد برای اجرای سقف ها می باشند. شناسایی مشخصات دینامیکی این سازه ها برای تکمیل فرآیند پایش سلامت سازه ای، به روزرسانی مدل اجزای محدود و تشخیص آسیب ضروری است. محدودیت های روش شناسایی ورودی-خروجی باعث شده که در سازه های مهندسی از روش خروجی-تنها استفاده شود. در این کار، مدل فیزیکی یک شبکه ی دولایه در آزمایشگاه ساخته شد. با انجام آزمایش مودال خروجی-تنها و با استفاده از دو روش حوزه ی بسامد تجزیه در حوزه ی بسامد تعمیم یافته (EFDD) و تجزیه در حوزه ی بسامد با برازش منحنی (CFDD) و نیز دو روش حوزه ی زمان شناسایی زیرفضای تصادفی با داده ی خام (SSI-DD) و شناسایی زیرفضای تصادفی با کوواریانس داده ها (SSI-Cov)، پارامترهای مودال این شبکه ی دولایه تعیین شدند. برای تحریک شبکه از دو نوع بارگذاری تحریک مستقیم و تحریک غیرمستقیم استفاده شد. به منظور بررسی دقت پارامترهای شناسایی شده، یک آزمایش مودال ورودی-خروجی نیز بر روی شبکه انجام و نتایج حاصله به عنوان مبنا گزیده شدند. نتایج نشان داده که دقت پارامترهای شناسایی شده با بارگذاری مستقیم بالاتر از نتایج مشابه با بارگذاری غیرمستقیم بوده است. بیشترین اختلاف نتایج بسامد های طبیعی شبکه ی دولایه با نتایج مبنا مربوط به مود دوم شبکه و برابر 07/2 % بوده است. میانگین خطای نسبی پارامترهای شناسایی شده نشان داده که روش های حوزه ی زمان، نسبت میرایی را با خطای کمتری تخمین زدند؛ درحالی که روش های حوزه ی بسامد، بسامد های طبیعی و شکل های مودی را با دقت بالاتری شناسایی نمودند.
کلید واژگان: شبکه ی دولایه، پیونده ی گویسان، شناسایی سازه ای، آزمایش مودال خروجی-تنها، روش های حوزه ی زمان، روش های حوزه ی بسامدHigh stiffness to weight ratio, ease and speed of handling, as well as having favorable architectural appearance cause that, double layer grids with ball joint system are widely used to cover large spans. A double-layer grid has a complex behavior due to a large number of elements and a particular type of joints; hence, structural identification of this type of structure is an important issue, which refers to the determination of natural frequencies, mode shapes, and damping ratios. These results are necessary to complete the structural health monitoring, finite element model updating and damage detection. Due to the limitations of input-output methods, modal parameters of civil engineering structures such as bridges, dams, tall buildings, and double layer grids are determined mainly by output-only modal identification. In output-only methods, the vibration parameters are determined based on the information acquired only from the structure’s output. In this work, physical model of a ball jointed double-layer grid with dimensions of 2.8 m at 2.8 m, which is supported on four steel pipes in four corners was made in the laboratory. The grid consists of 32 members connected together with 13 balls, each having ten threaded holes at different angles. each member consists of a middle pipe and connecting parts including conical piece, sleeve and high strength bolt at both ends of the pipe. The middle pipe has the nominal length, diameter and thickness of 120 cm, 7.64 cm and 0.35 cm, respectively. The horizontal center to center distance of adjacent balls in each layer of the grid is 1.414 m and the total height of the structure includes the column length (1.3 m) and the distance between the top and bottom layers (1 m), which is equal to 2.3 m in total. The approximate weight of the structure is 3532 N. All the members and the balls used in the grid are identical. After all the members of the grid have been assembled, the bolt at each joint is tightened in a series of steps by twisting the corresponding sleeve. Exciting the grid, its acceleration response was measured. The modal parameters were obtained using four output-only modal identification techniques; namely enhanced frequency decomposition (EFDD), curve-fit frequency domain decomposition (CFDD), data-driven stochastic subspace identification (SSI-DD) and covariance-driven stochastic subspace identification (SSI-Cov). Two types of excitations were used in output-only modal tests, namely direct and indirect excitations. Since the modal parameters obtained via input-output modal analysis have less uncertainty compared to the output-only modal analysis techniques, an input-output modal test was also performed and the results are considered as reference values. It deduced that parameters identified in the direct excitation, were more accurate compared to indirect excitation. The results showed that the natural frequencies and mode shapes of the double-layer grid were estimated with a high accuracy via the four methods. The greatest relative difference between the natural frequencies belonged to the second mode and equaled 2.07%. The dispersion of estimated damping was much higher compared to natural frequencies and mode shapes. The results indicated that identified damping in the direct excitation was lower than indirect one. Among the 4 methods, SSI-Cov had the least error in damping estimation of the double-layer grid. The values of estimated modal damping ratios were relatively low (fraction of 1%). The mean relative error of the identified parameters showed that the time-domain methods estimated the damping ratios with less error; While the frequency-domain methods identified natural frequencies and mode shapes with higher accuracy.
Keywords: Double-Layer Grid, Structural Identification, OMA, Time-Domain Methods, Frequency-Domain Methods -
در این پژوهش رفتار مخازن بتنی زمینی مکعبی مجهز به جداساز پایه هسته سربی، تحت تحریک هم زمان مولفه های انتقالی و دورانی زلزله های حوزه دور از گسل با استفاده از تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی با احتساب اندرکنش آب و سازه مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور ابتدا مولفه دورانی سه زلزله حوزه دور با استفاده هم زمان از تیوری انتشار امواج و روابط تیوری الاستیسیته با کدنویسی در نرم افزار متلب تولید شد. سپس مخازن در دو حجم 500 و 1000 مترمکعب در سه حالت خالی، نیمه پر و پر در نرم افزار اجزای محدود انسیس مدل سازی و از تعداد مناسبی جداساز در تراز کف استفاده گردید. در مدل سازی اجزای محدود جداساز، مدلی متشکل از المان های یک بعدی پیشنهاد و استفاده شده که رفتار هیسترزیس آن معادل رفتار مدل سه بعدی جداساز لاستیکی هسته سربی می باشد. نتایج پژوهش نشان می دهد اثر کاهشی یا افزایشی مولفه دورانی زلزله بر پاسخ لرزه ای مخازن زمینی در حالت پر و نیمه پر کمتر از 10% بوده و در حالت کلی می توان از اثر آن بر پاسخ لرزه ای مخازن مکعبی زمینی صرف نظر نمود. همچنین به کارگیری جداساز در این نوع مخازن سبب افزایش پاسخ مخازن در کلیه حالت های مورد بررسی شده است. به طوری که نیروی برش پایه تا 4 برابر و تنش بلندشدگی بین 8 الی 23 برابر افزایش یافته که این اثر را می توان به افزایش دوره تناوب مخازن زمینی از محدوده ابتدایی طیف پاسخ به ناحیه شتاب ثابت طیف به دلیل حضور جداساز نسبت داد.کلید واژگان: مخزن مکعبی زمینی، مولفه دورانی، جداساز پایه، اندرکنش آب و سازه، تحلیل غیرخطیIn this research, the behavior of concrete rectangular ground tanks equipped with lead-rubber base isolators has been investigated under the simultaneous excitation of transitional and rotational components of earthquakes, using nonlinear time history analysis including water-structure interaction. For this purpose, first, the rotational component of three earthquakes was generated using the wave propagation and classic elasticity theories simultaneously. Then, the tanks equipped with appropriate number of base isolators were modeled in two volumes of 500 and 1000 m3 and three states of water level. In modeling the finite elements of the isolators, a model consisting of one-dimensional elements is proposed; whose hysteresis behavior is equivalent to the behavior of the three-dimensional model of the isolators.The results of the research show that the decreasing or increasing effect of the rotational component of the earthquake on the seismic response of these tanks in the full and half-full state is less than 10%, and in general, its effect on the seismic response of the rectangular ground tanks can be ignored. Also, the presence of isolators in these types of tanks has increased the response of the tanks in all states. So that the base shear force has increased up to 4 times and the normal stress has increased between 8 and 23 times, which can be attributed to the increase in the period of ground tanks from the initial range of the response spectrum to the constant acceleration region of the spectrum due to the presence of the base isolators.Keywords: concrete rectangular ground tank, rotational component, base isolator, water-structure interaction, Nonlinear Dynamic Analysis
-
یکی از موثرترین روش های حل مسایل سه بعدی کشسانی، استفاده از توابع پتانسیل تغییرمکان است. در پژوهش حاضر، به معرفی توابع پتانسیل تغییرمکان برای حل مسایل ترموالاستودینامیک در محیط همسانگرد جانبی با مصالح مدرج تابعی پرداخته شده است. بدین منظور، ابتدا معادلات سینماتیک سه بعدی و ترمودینامیک برای مصالح مدرج تابعی در محیط همسانگرد جانبی شده است، سپس با استفاده از روشی نظام مند در نحوه ی جداسازی معادلات، توابع پتانسیل تغییرمکان برای حل مسایل ترموالاستودینامیک در محیط مذکور به دست آمده است، که قابل استفاده در حل مسایل تیرها، صفحات، پوسته ها و محیط های بی نهایت و نیمه بی نهایت است. توابع پتانسیل حاصل، شامل دو تابع اسکالر F و X است، که به ترتیب معادلات دیفرانسیل جزیی مرتبه های شش و دو هستند.
در ادامه، برای راستی آزمایی پژوهش حاضر، میدان تغییرمکان حرارت بر حسب توابع پتانسیل برای حالت خاص محیط همسانگرد مدرج تابعی ارایه شده است.کلید واژگان: مصالح مدرج تابعی، مصالح همسانگرد جانبی، توابع پتانسیل تغییرمکان، حل دقیق، مسائل ترموالاستودینامیکFunctionally graded materials are the novel class of advanced composite structures with variable properties in one or more directions. The mechanical properties of Functionally Graded Materials (FGM) such as Poisson’s ratio, Young’s modulus of elasticity, material density and shear modulus of elasticity undergo changes gradually and continuously between two surfaces in a predetermined manner. FGM structures are often made of a combination of ceramics and metals in which the metal component provides strength and fracture resistance while ceramic component provides thermal resistance. Due to desirable properties, FGM materials are used in various fields of engineering such as optics, electronics, space vehicles, shipbuilding, mechanical, biomechanical and other engineering structures subjected to high thermal and residual stresses. Therefore, the analytical study of thermoelastodynamic problems is of great importance for the functionally graded media. The use of potential functions to analyze three-dimensional elastic problems is one of the most effective methods. This method facilitates solving three-dimensional elastic problems by uncoupling the set of governing differential equations or at least simplifying them. In the present study, the displacement potential functions for solving thermoelastodynamic problems in the transversely isotropic media with functionally graded materials are introduced. For this purpose, first, the three-dimensional kinematic and thermodynamic equations for the functionally graded materials in the transversely isotropic materials are written and then using a systematic method to separate the equations, the displacement potential functions to solve thermoelastodynamic problems are obtained, which can be used further to solve problems of beams, plates, shells, and infinite and semi-infinite media. The obtained potential functions include two scalar functions F and χ; the scalar function F satisfies the sixth-order partial differential equation while the χ-scalar function satisfies the second-order partial differential equation. In addition, in the present study, the thermal potential functions for the specific state of the isotropic functional graded media are presented.
Keywords: functional graded materials, transversely isotropic materials, Displacement potential functions, exact solution, thermoelastodynamic -
میرایی غیرمحلی در مدل سازی نیروهای تماسی بستر ویسکوالاستیک و نیروهای پیرامونی میراگرهای شبکه ای متصل به یکدیگر در سیستم های بزرگ مقیاس کارآمد است. دقت نتایج عددی نیز با در نظر گرفتن میرایی غیرمحلی در تیرهایی که به صورت یک بعدی تحلیل می شوند، بهبود می یابد. در تحقیقات بسیاری، از میرایی ویسکوز برای مدل سازی میرایی، استفاده می شود در حالی که مدل های متاثر از چند پارامتر تطابق بهتری با نتایج آزمایشگاهی نشان می دهند. در مقاله حاضر، میرایی خارجی تیر رایلی با در نظرگرفتن وابستگی نیروی استهلاکی به تاریخچه زمانی حرکت و اثرپذیری از اندرکنش های نقاط پیرامونی، به صورت انتگرال های همگشت مورد مطالعه قرار می گیرد. بدین منظور، معادله حاکم بر ارتعاش آزاد محیط پیوسته پس از اعمال تبدیل لاپلاس، با اتکا بر روش گالرکین به یک سیستم گسسته تبدیل می شود. پس از آن، شکل مود سازه نامیرای متناظر به دلیل اقناع شرایط مرزی نیرویی و هندسی به عنوان بهترین تابع قیاسی در بسط پاسخ آزمایشی معادله دیفرانسیل انتگرالی حرکت به کار می رود. به منظور متناهی شدن انتگرال مانده وزنی و برقراری شرط پیوستگی ، معادله حاکم به شکل ضعیف نوشته می شود. با معرفی ماتریس های سختی، جرم، جرم دورانی و میرایی خارجی نسبت به مختصات تعیم یافته که همان مجهولات پاسخ آزمایشی هستند و برابر صفر قرار دادن دترمینان ماتریس سختی دینامیکی، مقدارهای ویژه به صورت مختلط و حقیقی به دست می آیند که به ترتیب نشاندهنده مودهای الاستیک و مودهای غیرویسکوز در سیستم های پایدار هستند. برای تعیین بردارهای ویژه نیز ابتدا روش حذفی گوس و فضای پوچ ماتریس معرفی می شود. در ادامه، روش بسط سری نیومن برای سیستم های متاثر از اینرسی دورانی مورد بررسی قرار می گیرد. در پایان، پاسخ تیر رایلی به صورت عددی با نتایج تحلیل تیر اویلر-برنولی مقایسه شده است که در تیرهای بسیار نازک انطباق خوبی دارد، اما با تغییر ضخامت و افزایش اثر اینرسی دورانی، اختلاف پاسخ ها نمایان می شود.
کلید واژگان: میرایی ویسکوالاستیک غیرمحلی، بسط سری نیومن، روش گالرکین، معادله دیفرانسیل انتگرالی، فضای پوچ ماتریسWhile studying large-scale systems, non-local damping definition can beneficially model contact shear and long-range forces resulting from adjacent and non-adjacent elements in the set of interconnected dampers, damping patches and foundations which are modeled as non-local domains. If two or three dimensional systems are considered one dimensional (e.g. analyzing three dimensional beams based on Euler-Bernoulli, Rayleigh or Timoshenko Theories which simplifies the behavior of structures), the concept of non-local damping models arises to improve the accuracy of numerical results. Even though defining dissipative forces which are dependent on more parameters and quantities helpfully boost the validity of results compared to experimental cases in labs and three dimensional numerical analysis done by software, many researchers have widely employed viscous damping model to demonstrate damped behavior of the structures in the sake of simplicity. Actually viscous damping does not model accurately the dissipative behavior of real systems and practical structures often demonstrate some kind of viscoelasticity while vibration. In the recent study, external damping force at any point in the domain is influenced by the past history of velocity and long-range interactions through convolution integral over proper kernel functions. As a consequence of applying Laplace transformation and using Galerkin method, the integro-partial differential equation of Rayleigh beam as a distributed parameter system turns to an ordinary differential equation governing a discrete system with finite degrees of freedom. Galerkin method is established based on error minimization of assumed mode method and despite Rayleigh and Rayleigh-Ritz methods can suitably analyze nonconservative systems including damped beams. Corresponding undamped mode shapes of Rayleigh beam which satisfy essential boundary conditions are chosen as the best admissible functions to expand the trial response of equation of motion. In order to get continuous functions and finite weighted residual integral, the equation is presented in the weak form. Afterwards stiffness, damping and two types of mass matrices are determined with respect to generalized coordinates. To get scaled mode shapes the mass change method is considered to evaluate scaling factor, then the results are mass normalized. By equating dynamic stiffness matrix to zero and solving the resulting algebraic equation, complex and real eigenvalues are obtained which are respectively elastic and non-viscous modes in stable systems. It’s noteworthy to announce that contrasted with the viscously damped systems the degree of algebraic equation in the case of viscoelastic non-locally damped Rayleigh beam would generally be more than 2N (which N stands for total degrees of freedom). Accordingly eigenvectors are found based on Gaussian elimination method and null space of the dynamic stiffness matrix. Additionally, Neumann series expansion is developed to determine eigenvectors of vibrating systems effected by inertia. Finally, numerical results of Rayleigh and Euler-Bernoulli beams are compared. Very thin Rayleigh beams are verified and show great accuracy but when the thickness increases and inertial effect becomes bold, results of Rayleigh and Euler-Bernoulli beams are not matched anymore. Furthermore it’s understood from the graphs and tables that when the characteristic parameter of nonlocality and relaxation constant increase and tend to infinity, the nonlocal and non-viscous effects decline.
Keywords: Nonlocal viscoelastic damping, Neumann series expansion, Galerkin method, Integro-partial differential equation, Null space of the matrix -
کامپوزیت های سیمانی با الیاف پلی وینیل الکل (ECC-PVA) ، دسته ای از کامپوزیت های سیمانی ست که علاوه بر مقاومت کششی و شکل پذیری بالا، عرض ترک تحت کنترل است. رفتار کرنش- سخت شونده کامپوزیت ها، تحت اثر بارهای کششی و خمشی و بروز ترک خوردگی متعدد به جای ترک های عمیق و متمرکز، از مزایای مهم آن ها محسوب می شود، که منجر به استفاده روزافزون از آن شده است. در این مقاله، هشت نمونه تیر بتنیECC (چهار نمونه با الیاف 2% و چهار نمونه با 1.5% الیاف PVA) مورد آزمایش قرار گرفته است و نمودارهای بار- جابه جایی، بار- بازشدگی دهانه و بازشدگی دهانه ترک-جابه جایی ترک بدست آورده شده است. برای تعیین میزان بازشدگی دهانه ترک از 4 عدد جابه جایی سنج (LVDT) در اطراف ترک اولیه ای که در تیر ایجاد شده بود، استفاده شد. با افزایش جابه جایی اعمال شده توسط دستگاه استاندارد با ظرفیت 500kN میزان بازشدگی ترک اولیه افزایش پیدا می کرد که این میزان توسط جابه جایی سنج ها به ثبت رسید. سپس در انتها با میانگین گیری از میزان بازشدگی ثبت شده توسط جابه جایی سنج ها میزان بازشدگی نهایی دهانه ترک به دست آمد. نتایج نشان می دهد، نمونه هایECC با الیاف 2% دارای ظرفیت باربری کمتر و جابه جایی بیشتر است و دهانه بازشدگی و شکل پذیری بیشتری نسبت به نمونه ECC با الیاف 1.5% دارند. همچنین افزایش درصد میزان الیاف PVA باعث افزایش ظرفیت خمشی تیرها به میزان 10 درصد شد.
کلید واژگان: کامپوزیت های سیمانی، الیاف پلی وینیل الکلPVA، ترک خوردگی، تیرهای بتنی، ظرفیت خمشیEngineered cementitious composites with polyvinyl alcohol fibers (ECC-PVA) are a group of cementitious composites, which not only provide high ductility and tensile strength but also control the crack width. The strain-hardening behavior under tensile and flexural loads and the formation of multiple shallow cracks instead of deep and concentrated cracks are among the main advantages of these composites, leading to their widespread application. In this paper, eight ECC concrete beam specimens, including four specimens containing 2% and the other four containing 1.5% PVA fibers, were tested and their load-displacement and load-crack mouse opening displacement curves were obtained. To determine the crack mouth opening displacement, four LVDTs were mounted around initial crack formed in the beam. As the displacement applied using the standard testing machine with a 500kN capacity increased, which were recorded using the LVDTs. Afterward, by averaging the recorded opening displacement recorded using LVDTs, the final crack mouth opening displacement was obtained. The results indicated that the ECC specimens with 2% PVA fibers had lower load-carrying capacity, and greater displacement, crack mouth opening displacement, and ductility values compared with the ECC specimens with 1.5% PVA fibers. Moreover, increasing the PVA fiber percentage elevated the flexural capacity of the beams by 10%.
Keywords: Engineered cementitious composites, Polyvinyl alcohol (PVA) fibers, Cracking, Concrete Beams, Flexural capacity -
در نوشتار حاضر، روش تحلیلی ساده و موثر براساس تابع پتانسیل جابه جایی به منظور حل مسایل استاتیکی سه بعدی پوسته ی استوانه یی ضخیم و چندلایه با مصالح کشسان خطی ایزوتروپ جانبی ارایه شده است. شرایط مرزی انتهایی پوسته از نوع تکیه گاه ساده انتخاب شده و پوسته تحت بارگذاری شعاعی متقارن محوری در سطوح داخلی و خارجی خود قرار گرفته است. معادلات کشسانی سه بعدی به کمک تابع پتانسیل تغییرمکان ساده سازی شده و معادله ی دیفرانسیل جزیی مرتبه ی چهار بر حسب تابع پتانسیل را به وجود آورده اند. معادله ی حاکم به دست آمده به کمک روش جداسازی متغیرها و با ارضاء دقیق شرایط مرزی در دو انتها، تنش در سطوح داخلی و خارجی استوانه و نیز پیوستگی تنش و جابه جایی در فصل مشترک لایه ها حل و پس از تعیین تابع پتانسیل، کلیه ی تنش ها و جابه جایی ها در هر نقطه از استوانه قابل محاسبه است. مقایسه ی نتایج با دیگر نتایج تحلیلی موجود، توافق بسیار خوب نتایج برای نسبت های ابعادی مختلف را نشان داده است. سپس تحلیل پارامتری صورت پذیرفته و اثر جنس، ضخامت و تعداد لایه ها بررسی شده است.
کلید واژگان: تابع پتانسیل جابه جایی، حل تحلیلی، مصالح ایزوتروپ جانبی، پوسته ی استوانه یی چندلایهThis work considers an effective analytical method based on Displacement Potential Function (DPF) for solving 3-D thick and multi-layered transversely isotropic linearly elastic cylindrical shells (non-homogeneous in radial direction) with simply-supported end boundary conditions. Axisymmetric radial loads are applied on the inner and outer faces of the cylindrical shell. Three-dimensional elasticity equations are simplified using displacement potential function result in one single linear partial differential equation of fourth order as governing differential equation in term of displacement potential function. The governing equation is solved via the separation of variable method with exact satisfaction of two end boundary conditions including stress and displacement boundary conditions, stresses on the inner and outer surfaces of the shell, and the continuity conditions of the displacement and tractions on the interfacial surfaces of the multi-layered cylindrical shell. After determining displacement potential function, all other functions such as stresses and displacements can be obtained at each point of the examined shell. Comparison of the results with existing analytical results show excellent agreement at different thickness ratios and aspect ratios of the shells. Some practical problems are solved for one-layered and three-layered cylindrical shells. For this purpose, three types of materials are defined for a one-layered cylindrical shell such as composite material (Graphite epoxy), metallic substance (e.g. Zinc), and isotropic material (Aluminum). Also two combinations of materials are considered for three-layered cylindrical shell so that the inner and outer layers of the shell are made of transversely isotropic material (Graphite epoxy), while the middle layer of the isotropic material is made of aluminum and foam. The values of the non-dimensional functions containing stress and displacement components are calculated for these problems to demonstrate the effect of thickness ratio and anisotropy of the shell on the distribution of the stresses and displacements.
Keywords: displacement potential function, Analytical solution, Transversely isotropic material, Multi-layered cylindrical shell -
واکنش قلیایی سنگدانه ها نوعی فرایند شیمیایی مخرب و وابسته به زمان است که بین یون های قلیایی موجود در سیمان و مواد معدنی موجود در انواع مشخصی از سنگدانه ها که دارای سیلیس واکنش پذیر یا کربنات می باشند رخ می دهد. این واکنش سبب ایجاد نوعی ژل در بتن می گردد که تمایل به جذب آب داشته و در صورت جذب رطوبت از محیط اطراف بصورت غیریکنواخت منبسط می شود. این انبساط غیریکنواخت سبب وقوع تنش های کششی بزرگتر از مقاومت کششی بتن و در نتیجه ترک خوردگی آن می شود. با وقوع چنین ترک هایی، بسیاری از پارامترهای رفتار مکانیکی بتن نظیر مقاومت فشاری، مقاومت کششی و مدول الاستیسیته تغییر کرده و در نتیجه ی آن ، پایداری و قابلیت سرویس دهی سازه به طور جدی تحت تاثیر قرار می گیرند. برای شبیه سازی رفتار سازه ها در برابر این واکنش ها، یکی از مهمترین محاسبات، توزیع جهتی صحیح انبساط حجمی ناشی از این واکنش ها می باشد، که بر پیش بینی تنش ها و کرنش های موجود در سازه اثر قابل توجهی دارد. در پژوهش حاضر، با استفاده از قابلیت سابروتین نویسی در نرم افزار اجزای محدود آباکوس، یک مدل ریاضی برای شبیه سازی انبساط مرتبط با واکنش های قلیایی سنگدانه ها و خسارت ناشی از آن در المان ها و اعضای بتن مسلح توسعه داده شد. مدل مورد اشاره با توجه به وضعیت تنش در بتن در هر گام زمانی تحلیل، کرنش آزاد حجمی را بصورت غیرهمسانگرد در بتن توزیع می کند. به منظور صحت سنجی مدل توسعه داده شده، نتایج حاصل از آن تحت شرایط مختلف آرماتورگذاری و بارگذاری با توجه به نتایج آزمایشگاهی مورد سنجش قرار گرفت. مقایسه با نتایج آزمایشگاهی نشان می دهد که مدل عددی توسعه داده شده قادر است با دقت مناسب توزیع جهتی انبساط غیرهمسانگرد ناشی از واکنش قلیایی سنگدانه ها را در بتن مسلح و غیرمسلح شبیه سازی کند. نتایج حاصل از مدل اجزای محدود همچنین حاکی از آن است که اصلاح مشخصات مکانیکی بتن طی شبیه سازی، تاثیر اندکی بر توزیع جهتی انبساط دارد. بعلاوه مشاهده شد که مدل مورد استفاده تسلیم آرماتورها را در انبساط کلی متناظر با کرنش تسلیم فولاد (حدود 2/0 درصد) نشان می دهد که پیرو آن تغییرات تنش الگوی متفاوتی را دنبال می نماید. چارچوب عددی معرفی شده در این مقاله می تواند به نحو موثری در مدل سازی سازه های تحت اثر واکنش های قلیایی سنگدانه ها مورد استفاده قرار گرفته و به منظور تعیین تنش ها و خسارات ناشی از پیشرفت این واکنش استفاده شود.
کلید واژگان: واکنش قلیایی سنگدانه ها، انبساط، بتن مسلح، روش اجزای محدودAlkali-Aggregate Reaction (AAR) is a type of destructive and time-dependent chemical process in concrete that occurs between alkali ions in the cement and reactive minerals in certain types of aggregates. First recognized in 1930s, AAR is divided into two major categories of Alkali-Silica Reaction (ASR) and Alkali-Carbonate Reaction (ACR), both of which produce an expansive gel in the concrete which expands as a result of water absorption. The expansion of the AAR gel exerts significant internal pressure in the concrete, which may lead to internal and external cracks. With the occurrence of such cracks, many parameters affecting the stiffness and strength of the structure, such as compressive strength, tensile strength, and modulus of elasticity are diminished. As a result, the safety and serviceability of the structure may be seriously impacted. While advances in concrete materials science have led to means to prevent AAR in new construction, numerous existing structures worldwide, such as dams, power plants, and bridges, are affected by these reactions, the replacement of which may be impractical, or in some cases, impossible. As a result, it is crucial to simulate the behavior of such structures for reliable estimation of their safety and providing rehabilitation measures as necessary. One of the major indicators of AAR is the anisotropic expansion it generates inside the concrete member, which changes drastically based on the boundary conditions and internal and external restraint imposed on the expansions. As a result, the prediction of the anisotropic expansions is of utmost importance in successful simulation of AAR-affected reinforced concrete structures. This paper presents a practical simulation methodology for estimating the directional distribution of AAR expansions. The methodology makes use of the user subroutine capability in the finite element software Abaqus. A mathematical model is used to simulation AAR-related expansion based on the stress tensor, whereas concrete damage is simulated using the concrete damage plasticity model. The model is used to simulate a variety of AAR-affected reinforced and plain concrete cube and beam specimens for which the directional expansion data have been reported in the literature. Comparison between numerical and experimental results shows that the proposed methodology is capable of reliably simulating the AAR-induced expansions and the interaction between AAR expansions and the ensuing damage for a variety of reinforcement configurations. The model showed that the yield strength of reinforcing bars plays a major role in the directional distribution of expansion. However, changes in the mechanical properties of concrete were found to be inconsequential in the distribution of the expansions. Moreover, changes in distance between reinforcing bars and the reinforcement ratio in each direction were observed to affect the accuracy of the model. However, the model was found to be successful in reasonably capturing the trends in all case studies investigated. The results of this study are of great value to the simulation of AAR-affected reinforced concrete structures.
Keywords: Alkali-Aggregate Reaction, Expansion, Reinforced concrete, Finite Element Method -
هدف از پژوهش حاضر، معرفی توابع پتانسیل تغییرمکان جدید با استفاده از تیوری غیرکلاسیک گرادیان کرنش غیرمحلی برای حل مسایل الاستودینامیک در محیط همسانگرد جانبی همگن است. بدین منظور ابتدا معادلات حرکت سه بعدی برای محیط همسانگرد جانبی همگن با استفاده از تیوری وابسته به ابعاد گرادیان کرنش غیرمحلی محاسبه شده است. سپس با استفاده از یک روش سیستماتیک، توابع پتانسیل تغییرمکان کامل برای حل مسایل الاستودینامیک در محیط همسانگرد جانبی همگن ارایه شده است. توابع پتانسیل مذکور برای مستقل سازی معادلات حرکت حاکم تیوری گرادیان کرنش غیرمحلی برای محیط همسانگرد جانبی به کار می روند. توابع پتانسیل به دست آمده شامل دو تابع اسکالر هستند، که دو معادله ی دیفرانسیل جزیی مرتبه ی 8 و 4 را ارضا می کنند. به علاوه، توابع پتانسیل برای دو تیوری گرادیان کرنش و تیوری غیرمحلی ارینگن نیز به طور جداگانه ارایه شده است. در نهایت نیز روابط توابع پتانسیل برای حالت ساده شده ی محیط همسانگرد ارایه شده است.
کلید واژگان: محیط همسانگرد جانبی، توابع پتانسیل تغییرمکان، تئوری گرادیان کرنش غیرمحلی، مسائل الاستودینامیکToday nanotechnology has become important in many fields, including industry, medicine, engineering, aerospace, national security and electronics. As the dimensions of the structures decrease, the effects of size play a crucial role in properties of the media. Mechanical properties, electrical conductivity, thermal properties and other known chemical and physical properties are some examples that differ on nanoscales. Classical continuum mechanics are impotent to cover the effects of dimensions of the constituents of the media on nanoscales. Hence, several non-classical continuum theories, including non-local elasticity theory, strain gradient theory, and non-local strain gradient theory, have been developed by researchers to explain size-dependent mechanical behavior on a nanoscale. In this research, governing equations in terms of displacement potential functions based on nonlocal strain gradient theory are introduced for elastodynamic problems in homogeneous Transversely isotropic media. To this end, the three-dimensional equations of motion of the homogeneous Transversely isotropic media are first calculated using the nonlocal strain gradient theory. Then, using a systematic method, a set of complete displacement potential functions will be presented to solve elastodynamic problems in these media. By use of potential functions, the governing equations of motion will be decoupled. The proposed potentials include two scalar functions. One of them satisfies an 8th-order partial differential equation and 4th-order PDE is governed on the other. These potential functions are obtained in the form of a combination of wave operators, non-local parameter, and characteristic length, which are functionally and physically meaningful. These potential functions are obtained in the form of a combination of wave operators, non-local parameter, and characteristic length, which are functionally and physically meaningful. In addition, potential functions for limiting cases namely strain gradient theory and Eringen nonlocal elasticity theory are presented, separately. Also, by neglecting non-local parameters and characteristic length, the solution is degenerated to the Eskandari-Ghadi solution for classical theory of elasticity. Moreover, a new set of potential functions is presented to solve the elastodynamics of nonlocal strain gradient theory for the simpler case of isotropic materials.
Keywords: Displacement potential functions, elastodynamic problems, nonlocal strain gradient theory, Transversely isotropic media -
در پژوهش حاضر، رفتار مخازن بتنی هوایی دارای شافت مرکزی و جداساز پایه ی لاستیکی هسته ی سربی، تحت تحریک همزمان مولفه های انتقالی و دورانی زلزله های حوزه های نزدیک و دور از گسل با استفاده از تحلیل تاریخچه ی زمانی غیرخطی با احتساب اندرکنش آب و مخزن بررسی شده و نتایج نشان داده است که وجود جداساز پایه در تمامی حالت های بررسی شده سبب کاهش حدود 40 تا 60 درصدی برش پایه و 60 تا 90 درصدی تنش بلندشدگی می شود. با افزایش حجم مخزن، اثر کاهنده ی جداساز در تنش بلندشدگی مخازن کاهش می یابد، در حالی که عملکرد جداساز لرزه یی در کاهش برش پایه ی مخازن هوایی با افزایش حجم مخزن بهبود خواهد یافت. همچنین، افزایش شتاب زاویه یی مولفه ی دورانی زلزله های حوزه ی نزدیک، سبب تضعیف حدود 20 تا 30 درصدی اثر کاهشی جداساز پایه در پاسخ لرزه یی مخازن می شود. بنابراین، عدم اعمال مولفه ی دورانی زلزله در تحلیل مخازن واقع در نواحی نزدیک گسل که پتانسیل مولفه ی دورانی زلزله ها قابل توجه است، موجب بزرگ نمایی اثر کاهشی جداساز پایه در نتایج می شود.
کلید واژگان: مخازن بتنی هوایی، اندرکنش آب و سازه، جداساز لاستیکی هسته ی سربی، زلزله های حوزه های نزدیک و دور از گسل، مولفه های انتقالی و دورانی زلزلهWater storage tanks are one of the vital and essential arteries whose immediate operational performance after an earthquake is of special importance and interruptions in their operation can indirectly increase the damage and losses caused by earthquakes. Due to the significant effect of earthquakes on structures located in the vicinity of faults and, also, the unknown effect of the simultaneous transitional and rotational components of these earthquakes, present study investigated the behavior of concrete elevated tanks with central shaft and lead rubber bearing base isolation, under simultaneous excitation of translational and rotational components of near- and far-field earthquakes using nonlinear time history analysis. Base shear force and normal stress of tanks were determined considering dynamic interaction of water and tank. The corresponding rotational component of each translational pair of accelerograms was generated using the classic formulation of the theory of elasticity and wave propagation simultaneously, taking into account the frequency-dependency of wave velocity. To model the base isolator in the present study, an equivalent simplified link and combination model, based on 3D model of reference [32], has been suggested and its performance accuracy has been evaluated. The results of dynamic analysis show that the presence of the base isolator in all the studied conditions causes a reduction of about in base shear and in normal stress of the elevated tanks. Increasing the tank volume will reduce the decreasing effect of the isolator on the normal stress of tanks, but will improve the performance of the seismic isolator in reducing the base shear. Also, increasing the angular acceleration of rotational component of near-field earthquakes weakens by about the decreasing effect of the base isolator on the seismic response of elevated-tanks. Thus, neglecting rotational component of the earthquakes in analysis of tanks located near the faults will magnify the decreasing effect of the base isolator on seismic demands and the poor design of structure. Therefore, use of the isolator to reduce the seismic response in these areas will not be economically justified.
Keywords: Concrete elevated tanks, Fluid-Structure Interaction, Lead rubber bearing base isolation, Far, near field earthquakes, Translational, rotational components of earthquake -
در پژوهش حاضر، به ارایه ی روشی برای حل دقیق ارتعاش آزاد صفحات مستطیلی ضخیم همسانگرد عرضی بر بستر پاسترناک پرداخته شده است. بدین منظور، معادلات حاکم بر حسب توابع پتانسیل تغییرمکان بیان و به روش جداسازی متغیرها و با اعمال دقیق شرایط مرزی، حل و بسامد زاویه یی صفحه تعیین شده است. به منظور بررسی صحت محاسبات، نتایج حاصل از پژوهش حاضر، ابتدا برای حالت خاص صفحه ی همسانگرد و سپس همسانگرد عرضی با دیگر منابع مقایسه و سپس تحلیل پارامتریک جهت تعیین بسامدهای بی بعد ارایه شده است. نتایج نشان دادند که افزایش ضریب بستر همراه با افزایش بسامد بی بعد بوده است، تا جایی که با افزایش سختی بستر از یک مقدار مشخص برای هر مود و ابعاد صفحه، تغییری در بسامد بدون بعد رخ نداده است. همچنین با افزایش ضخامت، همواره بسامد افزایش نیافته است، که بسته به سختی های بستر و صفحه، بسامد می تواند کاهش یابد. علاوه بر این، نتایج نشان دادند که تاثیر مدول برشی در بسامد، بیشتر از مدول کشسانی و ضریب پواسون بوده است.
کلید واژگان: ارتعاش آزاد، صفحات مستطیلی ضخیم، همسانگرد عرضی، بستر ارتجاعی پاسترناک، توابع پتانسیل تغییرمکانIn this research, an exact solution for free vibration analysis of thick transversely isotropic simply supported rectangular plates on the Pasternak foundation was proposed using the displacement potential function method. By means of the proposed displacement potential functions for dynamic problems by Eskandari-Ghadi, the differential governing equations in terms of displacements were converted into two linear partial differential equations of second and forth order. These differential equations were solved based on the separation of variables method and satisfying exact boundary conditions. In order to validate the results, the obtained results were compared with other available analytical works for isotropic and transversely isotropic plates, and it indicated remarkable agreement. Having no simplifying assumptions for the strain or stress distribution in the plate thickness, the obtained results in this paper were applicable to any arbitrary plate thickness with no limitation on its thickness ratio such as thin, moderately thick, and thick plates. Thus, the obtained results of the present work can be used as a benchmark solution for other analytical and numerical studies. To investigate the effect of various parameters on the vibrational plate response, the precise non-dimensional frequencies were obtained in different range of thickness ratios, aspect ratios, elastic foundation coefficients, and mechanical characteristics of plates. It was observed that with increasing thickness ratio and aspect ratio of the plate, the non-dimensional natural frequencies of plate decreased and increased, respectively. In addition, comparative results of isotropic and transversely isotropic plates showed that shear modulus in transverse direction would have significant influence on the vibrational behavior of rectangular plates. It was shown that when the value of the thickness ratio increased, the sensitivity of non-dimensional frequency response to values of foundation stiffness coefficients decreased. In addition, it can be conducted that the effect of the shearing layer of elastic foundation coefficient value increased by increasing the thickness ratios of plates.
Keywords: Free Vibration, Transversely Isotropic, Thick Rectangular Plates, Pasternak Foundation, Displacement Potential Functions -
شناسایی سازه ای از روش های خروجی-تنها با استفاده از داده های خروجی سازه انجام می شود. این داده ها معمولا شامل پاسخ سازه به همراه مقداری نویز است. موفقیت روش های خروجی-تنها در تعیین پارامترهای ارتعاشی یک سازه، به نسبت سیگنال به نویز داده های خروجی وابسته است. در این مقاله پارامترهای ارتعاشی (فرکانس های طبیعی و شکل های مودی) یک تیر یک سر گیردار با استفاده از داده های خروجی ای که نسبت های سیگنال به نویز مختلفی دارند، بدست آمده است. پارامترهای ارتعاشی این تیر با استفاده از روش آنالیز مودال تعیین شده و به عنوان مشخصات ارتعاشی مبنای آن تیر در نظر گرفته شد. ورودی مناسبی به این تیر اعمال شده و سیگنال شتاب نقاط مختلف آن بدست آمد. برای ایجاد داده های نویزی، نویزهایی با توان های مختلف نسبت به توان سیگنال ها تولید شده و به آنها اضافه گردید. پارامترهای ارتعاشی این تیر به کمک دو روش خروجی-تنهای جستار قله و شناسایی زیرفضای تصادفی شناسایی شدند. پارامترهای ارتعاشی شناسایی شده با استفاده از این داده های آلوده به نویز با نسبت های سیگنال به نویز بزرگتر یا مساوی 25، مطابقت خوبی با مشخصات ارتعاشی مبنای تیر یک سر گیردار دارند. در محدوده نسبت سیگنال به نویز 0.25 تا 25 پارامترهای ارتعاشی مربوط به مود اول این تیر قابل شناسایی نبودند، ولی پارامترهای ارتعاشی مربوط به مودهای بالاتر شناسایی شدند.
کلید واژگان: شناسایی سازه ای، روش خروجی تنها، تیر یکسر گیردار، نسبت سیگنال به نویز، جستار قله، شناسایی زیرفضای تصادفیOutput-only structural identification is conducted by output data of the structure. These data usually include structural response together with some noise. Success of output-only methods in determining the vibration parameters of a structure depends on the signal to noise ratio (SNR) of the output data. In this paper, the vibration parameters (Natural frequency and Mode shape) of a contilever beam have been obtained using output data which have different signal to noise ratios. The vibration parameters of the beam were determined using modal analysis of finite element model and considered as reference parameters. Then, appropriate input was applied to the beam and the acceleration signal was obtained. To generate noisy data, noise with different powers compared to signal powers were added to acceleration signal. The modal parameters of the beam were obtained using two output-only methods, Peak Picking (PP) and Stochastic Subspace Identification (SSI). The vibration parameters having signal-to-noise ratios greater than 25 (lower noise level) for all considered modes were identified properly. At a signal-to-noise ratio of 0.25 to 25 (higher noise level), it was not possible to identify the modal parameters of the first mode of the beam, but the parameters of the higher modes were identified with good accuracy.
Keywords: Structural identification, Output-only method, Contilever beam, Signal to noise ratio Peak picking, Stochastic subspace identification -
مقاله حاضر به بررسی و مقایسه گسترش ترک در سدهای بتنی وزنی با استفاده از دو مدل المان محدود توسعه یافته و پلاستیک خسارت می پردازد. مدل اول بر مبنای استفاده از روش المان محدود توسعه یافته با درنظر گرفتن معیار مکانیک شکست خطی بدون لحاظ کردن اثر نرم شوندگی کرنش در نوک ترک و مدل دوم بر پایه ی رفتار غیرخطی بتن در ناحیه نرم شوندگی کرنش و پارامتر خسارت متناظر با آن می باشد. بر اساس فرمول بندی بدست آمده بر مبنای این دو مدل پروفیل گسترش ترک با دو مدل رفتاری در نمونه های مختلف صحت سنجی شده است. سپس، گسترش ترک در سد وزنی کوینا تحت زلزله ی 1962 کوینا با در نظر گرفتن اندرکنش سد و مخزن مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد با توجه به اینکه بتن سد رفتار نیمه تردی از خود نشان می دهد، پروفیل ترک در دو مدل تا حدی متفاوت می باشد. اما بدلیل محدود بودن ناحیه پلاستیک نوک ترک در قیاس با ابعاد سد بتنی وزنی، خطای حاصل از حذف قسمت نرم شوندگی کرنش بر پروفیل ترک قابل چشم پوشی است.
کلید واژگان: مدل المان محدود توسعه یافته، مدل پلاستیک خسارت بتن، سدهای بتنی وزنی، مکانیک شکست خطی، اندرکنش سد و مخزنThe present paper investigates and compares the crack propagation in concrete gravity dams using two models of linear fracture mechanics and plasticity damage concrete. The first model is based on linear concrete behavior using the extended finite element method without considering the effect of strain softening on the crack tip while the second model is based on the nonlinear concrete behavior and the strain softening in tension with damage parameter. According to two different algorithms and based on two models, several benchmark examples are reviewed and the results compared with those reported in the literature. Then, path of the crack growth in Koyna gravity dam due to a seismic excitation of Koyna earthquake in 1962 has been performed by considering the dam-reservoir interaction. The results show that due to low compressive stresses during analysis of concrete gravity dams, consideration of compressive nonlinear behavior has no effect on crack initiation and almost is the same for two models. However because of crack opening and closing with tapping the crack faces together in extended finite element model, the compressive stress will be more than the allowable stress of concrete. Crack initiation at downstream and upstream face occurred at angle of 90 and zero degrees respectively, which in both models, the numerical results are in agreement with the experimental model. The crack in the extended finite element model grows faster such that the crest block of dam in this model is separated from the dam body, earlier than the concrete plastic damage model. Also the values of dam crest displacement and hydrodynamic pressure in the reservoir in extended finite element model with linear elastic fracture mechanic are more than the other model, which can be attributed to the linear and nonlinear behavior of concrete in extended finite element and concrete plastic damage model respectively. In the extended finite element model, due to using linear fracture mechanic, the maximum principal stress in the cracked elements reaches the values greater than the maximum tensile strength, but in the concrete plastic damage model as soon as the stress reaches a tension limit value, elements are damaged and the stress is reduced. In both models, the crack located at the slope change area, propagates with the downward slope from downstream dam face and connects to the crack at upstream face which is growth horizontally. Because of laboratory sample dimension and boundary condition of dam-reservoir compared with actual manner, neither of two crack profiles covered the experimental model, accurately. But it is shown that the crack profiles in the extended finite element model are more consistent with experimental results. Finally, the results show that the crack profile are slightly different in the two models because of quasi brittle behavior of the dam concrete, which can be attributed to the small fracture process zone of the crack tip in comparison with the dimension of the concrete gravity dams such that by removing strain softness part, the error in the amount of additional computation can be neglected.
Keywords: Extended finite element method, Concrete gravity dam, Linear fracture mechanic, Concrete plastic damage, Dam reservoir interaction -
هدف این پژوهش بررسی رفتار جت های با شناوری مثبت پساب شهری در پیکره های آبی ساکن و لایه بندی نشده، با شبیه سازی آن در آزمایشگاه به کمک سامانه اسکن سه بعدی لیزری 3D-LIF و مدل سازی عددی پدیده با نرم افزار FLOW-3D می باشد. شبیه سازی آزمایشگاهی، برای سه جت تخلیه با اعداد فرود 10، 15 و 20 انجام گرفت و با نتایج مدل عددی و نتایج عددی قبلی مقایسه گردید. مسیر حرکت جت، تغییرات غلظت، موقعیت و میزان ترقیق نقطه برخورد نیز تعیین گردید. در مدل عددی از دو مدل آشفتگی K-Ɛ و RNG به منظور ارزیابی صحت مدل عددی در شبیه سازی استفاده شد، که نتایج مدل K-Ɛ به نتایج آزمایشگاهی نزدیک تر بوده و قادر به مدل سازی دقیق تر مسیر حرکت جت نسبت به مدل RNG می باشد. در بررسی با اعداد فرود متفاوت، نتایج در Fr=20 برای همه حالات تجربی و عددی تقریبا یکسان و نشان دهنده افزایش دقت نتایج در مدل عددی با افزایش دبی و عدد فرود و تطابق بهتر با مدل تجربی می باشد.
کلید واژگان: شبیه سازی عددی، شناوری مثبت، 3D-LIF، FLOW-3DThe purpose of this paper is to investigate the behavior of positive buoyancy jets of urban wastewater in stationary and non-stratified water bodies using the investigation of the laboratory data acquired by a 3D-LIF laser 3D scanning system and numerical modeling results from the simulation by FLOW-3D software. Laboratory simulation was performed for three discharge jets with Froude numbers 10, 15, and 20, and compared with the results of the numerical model and the previous numerical results. The trajectory of the jet, concentration variations, the position of the impact point, and the rate of dilution at the impact point was determined. In the numerical model, both K-Ɛ and RNG turbulence models were used to evaluate the accuracy of the numerical simulation where the K-Ɛ results were closer to laboratory results and are capable of accurately modeling the jet trajectory than the RNG model. By different Froud numbers, the results at Fr = 20 are almost the same for all experimental and numerical states and indicating that by increasing the discharge and Froud number, the accuracy of the results in the numerical model increases and present closer results to the experimental model.
Keywords: Numerical Simulation, positive buoyancy, 3D-LIF, FLOW-3D -
در این مقاله به بررسی ویژگی های هیدرولیکی جریان عبوری از درون یک سیستم مرکب کالورت دایره ای-سرریز به صورت آزمایشگاهی برای 12 مدل پرداخته شد. منحنی دبی اشل برای مدل های مختلف ارائه شد. نتایج نشان داد که به ازای یک هد مشخص دبی سازه ترکیبی بیشتر از مجموع دبی کالورت و دبی سرریز بود. همچنین، ضریب دبی برای سازه ترکیبی بین 25/0 تا 73/0، برای سرریز بین 25/0 تا 63/0 و برای کالورت 33/0 تا 77/0 تغییر می کرد. پارامتر بدون بعد (هد به قطر) بیشترین تاثیر را بر روی ضریب دبی داشته است. علاوه براین، معادلات رگرسیونی برای تخمین ضریب دبی ارائه شدند.
کلید واژگان: آنالیز ابعادی، اندازه گیری دبی جریان، رگرسیون خطی، معادله دبی، منحنی دبی-اشلIn this research, the hydraulic characteristics of flow through circular culverts and over broad crested weir are experimentally investigated for 12 models. Stage discharge rating curve was presented for each model. The results show that for a specific head, the discharge of combined structure is greater than the summation of discharge of weir and culvert. Also, the discharge coefficient for the combined structure is varying from 0.25 to 0.73 and for the weir is varying from 0.25 to 0.63 and for the culvert is varying from 0.33 to 0.77. The dimensionless parameter H/D (head to diameter) has the greater influence on discharge coefficient. In addition, regression equations are presented for estimation of discharge coefficient.
Keywords: Dimensional Analysis, Discharge Equation, Flow discharge measurement, Linear regression, Stage discharge rating curve -
برخورد جریان با پایه های روی سرریز باعث شکل گیری امواج دم خروسی و توسعه امواج عرضی در طول سیستم تخلیه سیلاب می شود. ازاین رو دستیابی به اطلاعات مربوط به ارتفاع و محل تشکیل این امواج در طراحی دیواره های سرریز بسیار پرکاربرد می باشد. از طرفی در بسیاری از طرح ها برای کاهش هزینه های اجرا ازجمله هزینه های حفاری و بتن ریزی سعی می شود تا شوت به صورت همگرا طراحی گردد و این همگرایی در بسیاری از مواقع موجب به وجود آمدن جریان های عرضی شده که باعث افزایش عمق آب می گردد. بنابراین تحقیق و بررسی در مورد تاثیر زوایای همگرایی سرریز بر عمق و محل تشکیل امواج ضروری به نظر می رسد. در این تحقیق، از نرم افزار Flow3D برای مدل سازی سه بعدی سرریز سد خیرآباد و بررسی تاثیر همگرایی دیواره های شوت بر شکل گیری و توسعه امواج عرضی استفاده شده است. نتایج به دست آمده نشان داد که با افزایش دبی ورودی سرریز و همچنین زاویه همگرایی سرریز، ارتفاع این امواج افزایش می یابد و در برخی موارد به ازای یک دبی ثابت ارتفاع موج به بیش از دو برابر عمق متوسط جریان در مقطع موردبررسی خواهد رسید. نتایج شبیه سازی به ازای یک همگرایی معین نشان داد با افزایش دبی نسبت بیشینه ارتفاع موج به عمق متوسط جریان در همان نقطه، کمتر خواهد شد. به عبارت دیگر در دبی های پایین تر موج عرضی بلندتری نسبت به عمق متوسط تشکیل خواهد شد. همچنین نتایج تحقیق نشان داد با افزایش زاویه همگرایی شوت، علیرغم افزایش ارتفاع امواج شکل گرفته، محل شکل گیری امواج با حداکثر ارتفاع به سمت بالادست شوت منتقل می شود.کلید واژگان: شبیه سازی عددی سیستم تخلیه سیلاب، همگرایی شوت، سد خیرآباد، امواج عرضی، امواج دم خروسی، Flow-3DIntroduction Flow contact with the spillway piers causes rooster tail waves which could continue along the flood evacuation system. Therefore, the information about the height and location of these waves would be useful for the design of the spillway chute walls. On the other hand, the engineers try to design the converging chutes to reduce the excavation costs, and this convergence in many cases would increase the transverse flow depth. According to the literature, three kinds of waves could be formed in the spillway and chute system. The first wave is formed just after the spillway piers and called as rooster tail waves. The Flow passing through the two sides of a pier collide each other at a near distance after the pier and forming the first wave. The second wave is formed at the middle axis of the chute and could be considered as the result of the interaction of the first waves and the channel convergence. The third wave is formed due to the collision of the mentioned waves with the channel walls. Investigating the effect of the chute convergence on the depth and location of transverse waves is critical and necessary and could present suitable information about the three waves. In this paper, the numerical simulation of the Khair Abad dam flood evacuation system is performed for investigating the effects of chute convergence on the formation of the transverse waves along the chute. Methodology In this Research, the FLOW-3D is used for simulation of the effects chute convergence on transverse wave formation. The Khair Abad dam flood evacuation system laboratory tests results were used for verification of the numerical simulation. The present simulations considered four convergence angles of the chute, including 0, 3, 5 and 7 °. Also, the simulation was performed using three discharge rates consist of 3000, 7000 and 9000 m3 / s. The convergence angle of the Khairabad Dam spillway is approximately 5 degrees and the convergence angles were changed during the chute until the chute width reached from 66 m to 40 m. The chute width is kept constant after the convergence. Results and discussion The model validation was performed using the laboratory data of the Kheirabad Dam spillway Model developed by the Iran Water Research Institute. Since the size and number of the cells in the model affect the accuracy of the results and computational cost, this study concentrates in finding the optimum value of dimensions and number of cells for the simulation domain. This procedure could result in acceptable accuracy and suitable computational cost. The results of the verification showed that the smaller grid size and the greater number of cells, result in the higher correlation of the numerical results and the laboratory data. Hence, based on the above-mentioned method and available computational device, the best size and number of the cells were selected for simulating the effect of chute convergence on the three waves height. Simulation results show that the height of the first wave increases with increases in the flow discharge, and the spillway convergence has not a significant effect on the first wave height. Also, the second wave height is increased by the increase in flow discharge. It should be mentioned, the second wave doesn't appear when there is no convergence in the chute, but with increasing the convergence angle the wave height increases and the maximum wave height will move to upstream stations of the chute. In other words, with the increase of the angle of convergence of the chute, the location of the second wave formation will be closer to the spillway crest and its height will increase. The simulation results demonstrated that the increase in the flow discharge could lead to an increase of third waves heights. Also, the results show that the third waves could not be formed when the channel convergence angle is equal to zero, and increase of convergence angle could result in an increase of the third wave height. Also, the increase in the angle of convergence of the chute results in transport of the location of the third wave formation into upstream stations. In other words, the third waves will form closer to the spillway axis by an increase in convergence angle. Numerical simulation results show that the height of the third wave which formed beside the wall can be more than twice the average flow depth at the same point. This fact should be considerate in the design of the chute with convergence. The results also showed that increasing the flow discharge will cause to increase of the wave height, but it led to the decrease of the ratio of the third wave height to the average flow depth. This means that increasing the discharge has less effect on increasing the transverse wave height. Conclusion Simulation results show that the height of transverse waves increases by increasing the discharge. But the ratio of the maximum height of the waves to the average depth of the same station will reduce by the increase of the discharge. Also, Results show that, by increasing the chute’s convergence angle, the height of the transverse waves will increase and the location of the primary transverse waves will transmit to upstream locations of the chute.Keywords: Numerical Simulation of Spillway, Chute Convergence, Kheir-Abad Dam, Transverse Waves, Flow-3D, Rooster tail waves
-
نشریه مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه تبریز، سال چهل و نهم شماره 3 (پیاپی 96، پاییز 1398)، صص 53 -64در این پژوهش، حل دقیق خمش صفحات ضخیم همسانگرد جانبی واقع بر بستر الاستیک دو پارامتری با استفاده از توابع پتانسیل تغییر مکان ارائه می شود. برای این منظور با استفاده از معادلات سه بعدی الاستیسیته، دستگاه معادلات حاصل از شش معادله کرنش- جابه جایی، شش معادله ساختاری و سه معادله تعادل در هم ادغام و بر حسب تغییرمکان ها بیان شده است. سپس با استفاده از توابع پتانسیل جابه جایی، پانزده معادله به دو معادله دیفرانسیل پاره ای مرتبه دو و چهار مستقل از یکدیگر بر حسب دو تابع پتانسیل تغییر مکان تبدیل گردیدند. حل معادلات حاکم به روش جداسازی متغیرها و اعمال دقیق شرایط مرزی صورت پذیرفته و بر اساس آن پاسخ تغییرمکان ها، تنش ها، برش ها و نیز لنگرها در صفحه بر روی بستر دوپارمتری به دست آمدند. نتایج در حالت خاص برای صفحه نازک همسانگرد و صفحه نسبتا ضخیم همسانگرد با جواب های موجود مقایسه گردیدند که نشان دهنده صحت و درستی نتایج می باشند. در ادامه رفتار خمشی چهار ماده همسانگرد جانبی منیزیم، اپوکسی گرافیت، اپوکسی شیشه ای، الیاف کربنی و نیز و فولاد به عنوان یک ماده همسانگرد کامل با یکدیگر مقایسه شد. نتایج حاکی از آن است که منیزیم و الیاف کربنی به ترتیب بیش ترین و کم ترین میزان تغییرات تغییرمکان را در مقابل افزایش ضخامت از خود نشان می دهند.کلید واژگان: صفحات ضخیم مستطیلی، همسانگرد جانبی، بستر الاستیک دو پارامتری، تابع پتانسیل تغییر مکان، الیاف کربنیJournal of Civil and Environmental Engineering University of Tabriz, Volume:49 Issue: 3, 2019, PP 53 -64The analysis of plates on elastic foundation has a wide range of applications in various fields of engineering, such as civil, mechanical, aerospace, nuclear and marine engineering. Due to soil behavior is dependent on numerous factors, providing full and comprehensive model for foundation is very complicated. Therefore, in order to express properties of the substrate are used the simpler models based on the elastic properties. The simplest of those models, which was presented by winkler in 1867, assumes that the soil medium containing a system of independent spring (Liew et al, 1996). To increase the accuracy of modeling two-parameter models arose that the effect of shear stresses in the substrate is also included. In these models a new parameter is proposed to establish a mechanical connection between the independent springs. An approximate solution for the bending of moderately thick rectangular plates using numerical differential quadrature method was proposed by Han and Liew (1997). Teo and Liew (2002), presented a solution for analysis of shear deformable rectangular plates on Pasternak foundations by using differential cubature method. Displacement potential functions (DPF) method is one of the effective and efficient techniques that can be used to solve elasticity problems. The most advantage of DPF method is that the system of differential equations is uncoupled or at least simplified. This method has been used for 3D analysis of plates by a number of researchers such as Nematzadeh et al (2010) and Moslemi et al (2016) for the bending and buckling solution, respectively.Keywords: thick rectangular plate, transversely isotropic, two-parameter elastic foundation, potential functions
-
در پژوهش حاضر، نتایج تحلیل لرزه یی غیرخطی سدهای بتنی وزنی با احتساب اندرکنش سد و مخزن با استفاده از مفاهیم مکانیک شکست، به منظور مقایسه ی مدل سازی ترک در جسم سد به دو روش ترک اندود چرخشی و غیرچرخشی چندجهته ی عمود ارائه شده است. سیستم سد مخزن به روش لاگرانژی مدل سازی و تحلیل به روش اجزاء محدود صورت گرفته و پاسخ های تغییر مکان تاج سد و نیز تنش در جسم سد پاین فلت تحت شتاب زلزله ی تفت ارائه شده است. از روش انتگرال زمانی بوساک برای حل معادلات دینامیکی حرکت استفاده و تحلیل غیرخطی به روش نیوتن رافسون اصلاح شده انجام شده است. نتایج به دست آمده نشان می دهند که هر دو روش مدل سازی ترک اندود، ضمن اینکه تا حدی وابسته به پارامترهای مدل سازی ترک است، در بسیاری از نقاط آسیب دیده ی جسم سد به طور مناسبی بر هم منطبق هستند. همچنین هر دو الگوی ترک ثابت و چرخان در تعداد نقاط ترک خورده و نیز مسیر رشد ترک، اختلاف اندکی با هم دارند.
کلید واژگان: سد بتنی وزنی، تحلیل دینامیکی غیرخطی، ترک اندود چرخشی، ترک اندود چند جهته ی ثابتSeismic evaluation of concrete dams due to some considerations is very important. The effects of fluid-structure-foundation interaction, nonlinear behavior of dam material due to crack, and earthquake loading are some of these considerations and should be considered in modeling and analysis of the system.The nonlinear seismic response of concrete gravity dams is presented when the effect of the dam-reservoir interaction is included using Lagrangian-Lagrangian approach of the finite element method. Nonlinear fracture mechanics, based on the smeared crack concepts, is used to study the cracking profile and response of the dam. In this study, a comparative study between the coaxial rotating crack model and orthogonal multi-fixed smeared crack models is carried out. Based on the presented formulation, Pine Flat concrete gravity dam is analyzed and its crest response and stresses within the dam body are founded. Bosak's time integration and corrected Newton-Raphson method are used for solving nonlinear dynamic equations.Results show that the two crack approaches have negligible difference in terms of the number of cracked gauss points and the crack profile. Tensile principal stresses based on fixed crack concept are greater than those of the rotating crack concept, but for compressive principal stresses the results are vice versa. The differences are due to unloading-reloading path and shear retention factor, but crack propagating path remains the same. Displacements of dam crest in nonlinear cases are greater than those of linear ones and show the same result in two crack models. This phenomenon depended on internal damping of system in both linear and nonlinear cases. Permanent displacement of dam crest based on fixed crack concept is greater than that of the rotating crack concept, and this phenomenon depends on cracking intensity of dam body. Results show that the fixed crack concept have better convergence than that of the rotating crack concept and the number of iterations in the time steps are low.
Keywords: C?O?N?C?R?E?T?E G?R?A?V?I?T?Y D?A?M, N?O?N?L?I?N?E?A?R D?Y?N?A?M?I?C A?N?A?L?Y?S?I?S, R?O?T?A?T?I?N?G S?M?E?A?R?E?D C?R?A?C?K, N?O?N-R?O?T?A?T?I?N?G M?U?L?T?I?D?I?R?E?C?T?I?O?N?A?L S?M?E?A?R?E?D C?R?A?C?K -
در این تحقیق حل بسته اندرکنش سد و مخزن بااحتساب اثر ویسکوزیته سیال مخزن و جذب انرژی توسط رسوبات کف مخزن تحت بارهای هارمونیک ارائه می گردد. بدین منظور معادلات حاکم بر محیط مخزن و سد در محدوده فرکانس حل و باتغییر پارامترهای مختلف، پاسخ فشار هیدرودینامیکی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که درنظر گرفتن لزجت سیال باعث پیچیده تر شدن روابط میشود؛ پاسخ ها به مقدار لزجت، میزان ضریب جذب کف مخزن، پریود تحریک و نیز پریود طبیعی سیستم سد-مخزن وابسته است؛ باافزایش مدول الاستیسیته سد، تغییرمکان تاج سد و فشار هیدرودینامیک مخزن کاهش می یابد.کلید واژگان: حل بسته، ویسکوزیته سیال، سدهای بتنی وزنی، فشار هیدرودینامیک، اندرکنش سد و مخزنThis paper concentrates on the presentation of a closed form solution of dam-reservoir interaction considering reservoir viscosity and bottom absorption under harmonic excitations. For this purpose, the governing equations of dam-reservoir are solved in the frequency domain and using the obtained frequency response function, the effects of different parameters are considered on dam or hydrodynamic pressure response. The results show that consideration of reservoir viscosity creates an imaginary term and the responses depend on values of viscosity, bottom absorption, exited period and dam-reservoir period.Keywords: Closed form Solution, Fluid Viscosity, Concrete Gravity Dam, Hydrodynamic Pressure, Dam Reservoir Interaction
-
در این نوشتار، حل دقیق ارتعاش آزاد تیر مستطیلی همگن و ایزوتروپ بر بستر ارتجاعی دو پارامتری در صفحه تحتانی ارائه شده است. مدل دو پارامتری پاسترناک به منظور مدلسازی اندرکنش تیر با بستر در سطح تماس انتخاب شده است. معادلات بر اساس تئوری دوبعدی ارتجاعی فرمولبندی شده و با استفاده از تابع پتانسیل تغییرمکان معادلات حاکم به یک معادله مرتبه چهار کاهش و توسط روش جداسازی متغیرها و اعمال دقیق شرایط مرزی حل شده است. روش ارائه شده در این پژوهش بدون فرضیات سادهکننده و برخلاف تئوری های متداول تیر، محدودیتی در انتخاب ضخامت نداشته و برای نسبت های مختلف ضخامت به طول تیر دارای اعتبار است. به منظور اعتبارسنجی، نتایج بهدستآمده از این پژوهش با سایر کارهای تحلیلی مقایسه شده است. نتایج نشان میدهد که افزایش ضرایب بستر با افزایش بسامد طبیعی تیر همراه است که شدت آن با افزایش نسبت ضخامت به طول و در مقادیر بزرگتر از 0.2 و در مودهای بالای ارتعاشی دارای کاهش قابل ملاحظه ای است.کلید واژگان: بسامد طبیعی، ارتعاش آزاد، تیر عمیق، بستر ارتجاعی، توابع پتانسیلThe beam theory is used in the analysis and design of a wide range of structures, from buildings to bridges to the load-bearing bones of the human body. Beams resting on elastic foundation have wide application in many branches of engineering problems namely geotechnics, road, railroad and marine engineering and bio-mechanics. The foundation is very often a rather complex medium; e.g., a rubberlike fuel binder, snow, or granular soil. The key issue in the analysis is modelling the contact between the structural elements and the elastic bed. Since of interest here is the response of the foundation at the contact area and not the stresses or displacements inside the foundation material, In most cases the contact is presented by replacing the elastic foundation with simple models, usually spring elements. The most frequently used foundation model in the analysis of beam on elastic foundation problems is the Winkler foundation model. In the Winkler model, the elastic bed is modeled as uniformly distributed, mutually independent, and linear elastic vertical springs which produce distributed reactions in the direction of the deflection of the beam. However since the model does not take into account either continuity or cohesion of the bed, it may be considered as a rather crude representation of the elastic foundation. In order to find a physically close and mathematically simple foundation model, Pasternak proposed a so-called two-parameter foundation model with shear interactions. The first foundation parameter is the same as the Winkler foundation model and the second one is the stiffness of the shearing layer in the Pasternak foundation model.
Dynamic analysis is an important part of structural investigation and the results of free vibration analysis are useful in this context. Vibration problems of beams on elastic foundation occupy an important place in many fields of structural and foundation engineering.With the increase of thickness, existence of simplifying hypotheses in beam theories such as the ignorance of rotational inertial and transverse shear deformation in classic theory, application of determination coefficient in first-order shear theory and expression of one or few unknown functions based on other functions in higher-order shear theories is accompanied by reduction in accuracy of these theories. This represents the necessity of precise and analytical solutions for beam problems with the least number of simplifying hypotheses and for different thicknesses.
In the present study, the analytical solution for the problem of free vibration of homogeneous prismatic simply supported beam with rectangular solid sections and desired thickness resting on Pasternak elastic foundation is provided for completely isotropic behaviors under two-dimensional theory of elasticity and functions of displacement potentials. Characteristic equations of natural vibration are defined by solving one partial differential equations of fourth order through separation of variables and application of boundary conditions. The major characteristics of present study are lack of limitation of thickness and its validity for beams of low, medium and large thickness. To verify, the results of present study were compared with those of other studies. The results show that increases of foundation parameters is associated with an increased natural frequency, The intensity by increasing the ratio of thickness to length and in values larger than 0.2 and in the higher modes of vibration is reduced considerably.Keywords: natural frequency, Free vibration, Deep Beam, Elastic Foundation, Potential Functions -
یکی از عوامل تاثیرگذار در پیش بینی رفتار سدهای بتنی که کمتر مورد توجه قرار گرفته، وجود ریزگسل ها در بستر سدها و تاثیر حرکت آن بر سدها می باشد که منجر به رفتار غیرخطی و پیچیده تر شدن تحلیل سیستم سد-پی-مخزن می شود. هدف این تحقیق، تحلیل غیرخطی سدهای بتنی وزنی با احتساب تغییرمکان ناشی از حرکت نرمال ریزگسل ها در پی سد می باشد. بدین منظور سیستم سد-پی-مخزن به روش لاگرانژی مدل سازی و تحلیل به روش المان محدود صورت پذیرفته که در آن برای مدل سازی ترک در سد و پی بر مبنای مکانیک شکست غیرخطی از مدل ترک اندود چرخان استفاده گردیده است. برای مدل سازی حرکت ریزگسل از روش گره های مجزا و دو روش دیگر متکی بر المان تماسی شامل روش میان لایه و تکتونیکی، استفاده و تاثیر موقعیت و زاویه قرارگیری آن مورد بررسی قرار گرفته است. به منظور بررسی نتایج، پاسخ های تغییرمکان تاج سد و نیز پروفیل ترک خوردگی در جسم یک سد بتنی وزنی به عنوان نمونه ارائه گردیده است. نتایج نشان می دهد که حتی تغییرمکان کم ریزگسل ها سبب ایجاد ترک در بدنه ی سد شده و می تواند پایداری و ایمنی سدهای بتنی را تا حدود زیادی به مخاطره اندازد. علاوه بر این روش میان لایه نسبت به دو روش دیگر مناسب تر بوده و ضعف روش گره های مجزا در مدل سازی ناپیوستگی پی را برطرف نموده و همچنین نسبت به روش تکتونیکی مکانیسم واقع بینانه تری از اعمال حرکت ریزگسل در پی را ارائه می دهد.کلید واژگان: تحلیل غیرخطی، سد بتنی وزنی، حرکت نرمال گسل، مدل ترک اندودThe importance of the seismic behavior of concrete gravity dams in their safety evaluation and stability is inevitable. Many factors affect the prediction of the behavior of concrete dams such as dam-foundation-reservoir interaction, dam and foundation cracking and also displacement due to fault movement that could causes nonlinear behavior. The aim of this study is nonlinear analysis of concrete gravity dams, including displacement caused by normal fault movement in the dam foundation. For this purpose, dam-foundation-reservoir system is modeled using Lagrangian method and analysis of system is done by finite element method. The coordinate smeared crack model based on the nonlinear fracture mechanics is used for crack modeling in the dam body and foundation. Using two separate method including split node technique and contact element, the fault movement are modeled and the position and angle of fault has been studied. To verify the results, dam crest displacement and crack profile in the body of a concrete gravity dam is presented as an example. The results show that low fault movement causes the cracks in the dam body and could be jeopardizes the stability and safety of concrete dam.Keywords: Nonlinear analysis, Concrete gravity dam, Normal fault motion Smeared crack model
-
تحلیل دینامیکی سدهای بتنی وزنی تحت حرکات غیریکنواخت انتقالی و دورانی زلزله با احتساب اندرکنش سد و مخزنهدف این تحقیق ارائه فرمول بندی مناسب به منظور بررسی حرکات غیریکنواخت انتقالی و اثر همزمان آن با مولفه دورانی حرکت زمین بر پاسخ دینامیکی سدهای بتنی وزنی با احتساب اندرکنش سد و مخزن به روش اجزا محدود می باشد. بدین منظور حرکات غیریکنواخت زمین با در نظر گرفتن تاخیر زمانی حرکت امواج در کف سد و مخزن تولید می شوند. مولفه دورانی حرکت زمین نیز با استفاده از مولفه های انتقالی و نیز روابط کلاسیک تئوری الاستیسیته و تئوری انتشار امواج به صورت تابعی از فرکانس تعیین و سپس با اعمال همزمان مولفه های انتقالی غیریکنواخت و دورانی به روش های مناسب، پاسخ دینامیکی مدل اجزا محدود سیستم سد- مخزن با استفاده از روش نیومارک و با درنظرگیری تغییرمکان به عنوان متغیر در گره های شبکه اجزا محدود کل سیستم که به روش لاگرانژی-لاگرانژی معروف می باشد به دست می آید. نتایج به دست آمده نشان می دهد که مولفه گهواره ای همراه با حتی مقادیر بسیار کم تاخیر زمانی مولفه های انتقالی می تواند بر پاسخ دینامیکی خطی سدهای بتنی وزنی تحت شرایط خاص، بسته به تراز آب مخزن و نیز محتوای فرکانسی حرکت زمین، تاثیرگذار باشد.کلید واژگان: حرکات غیریکنواخت انتقالی، مولفه دورانی حرکت زمین، اندرکنش سد و مخزن، روش لاگرانژی، لاگرانژیDynamic Analysis of Concrete Gravity Dams due to Nonuniform Translation and Rotational Components of Earthquake Considering Reservoir interactionThe main purpose of this paper is presentation of proper finite element formulation for dynamic analysis of concrete gravity dams under nonuniform translational and rotational components of earthquake considering dam- reservoir interaction. Time delay of travelling waves is considered to generate the nonuniform ground motion and the rocking component of earthquake has been obtained using the corresponding translational components based on classical elasticity and elastic wave propagation theories in term of wave frequency functions. The translation and rocking components of ground motion are applied to support points of dam-reservoir bottom and analyses have done using finite element method base on Lagrangian-Lagrangian approach. Results show that the rocking component and time delay of travelling translation waves can be effect considerably on linear dynamic response of concrete gravity dams in some cases.Keywords: Nonuniform Translation of Ground Motion, Rocking Component, Dam, Reservoir Interaction, Lagrangian Method
-
طراحی عرشه ی پل ها به منظور حفظ مقاومت، دوام و پایایی در طول عمر مفید آن ها از چالش های فراروی مهندسان سازه به حساب می آید. برای فائق شدن بر این چالش ها راه حل های مختلفی ارائه گردیده است که یکی از آن ها استفاده از سیستم ترکیبی متشکل از مصالح متداول نظیر بتن و فولاد به همراه صفحات FRP می باشد که تحت عنوان عرشه های کامپوزیتی نیز شناخته می شود. از آن جایی که این عرشه ها نسبتا جدید است عملکرد آن ها برای حالت های مختلف کاملا شناخته شده نمی باشد. تحقیق حاضر به بررسی عرشه ی کامپوزیتی متشکل از هسته ی فولادی و صفحات GFRP اختصاص یافته است. عرشه ی مورد بررسی شامل لایه های فوقانی و تحتانی از جنس GFRP و چندین جعبه ی سلولی فولادی در مرکز است. با استفاده از روش اجزای محدود و تحلیل استاتیکی غیرخطی رفتار این عرشه ها مورد ارزیابی قرار گرفته است در وهله ی اول با نتایج آزمایشگاهی موجود مقایسه و پس از اطمینان از صحت مدل سازی عرشه ی کامپوزیتی، تغییر پارامترهای مختلف نظیر ابعاد هندسی، شکل هسته ی فولادی و خواص مکانیکی مصالح صورت پذیرفته است. نتایج نشان می دهد که الگوی گسیختگی عرشه ی مورد مطالعه به دلیل تسلیم هسته ی فولادی، نسبت به عرشه های ساخته شده از FRP مطلوب تر است و با افزایش ضخامت و تغییر هندسه ی هسته ی فولادی، می توان ظرفیت باربری عرشه را افزایش داد. هم چنین افزایش مدول الاستیسیته ی لایه ی Grid که بیشترین ضخامت را در بین لایه های GFRP دارد، سبب افزایش ظرفیت باربری عرشه می گردد.
کلید واژگان: عرشه کامپوزیتی، FRP، هسته فولادی، سیستم شبکه ای، روش اجزاء محدودDesign of bridge deck with long-term strength، durability and permanence is a significant interest for engineers. One applicable solution to this challenge could be via using hybrid system consisting of conventional materials such as concrete and steel with FRP plates which is also known as composite deck. Since these deck are relatively new so their performance is not completely known. The present study is dedicated to composite deck consists of a steel core and GFRP plates. This composite sandwich bridge deck system is composed of wrapped hybrid core of GFRP grid and multiple steel box cells with upper and lower GFRP facings. The structural performance of deck was evaluated by nonlinear finite element method and numerical results have been compared with available experimental results where possible. After ensuring the validity of numerical modeling of composite deck، parametric studies such as change in geometry، steel core shape and mechanical properties of materials have been done. It was found that failure mode of the proposed hybrid deck was more favorable because of the yielding of the steel tube when compared with that of absolute GFRP decks. Increasing the thickness and changing the steel core geometry can improve the ultimate load capacity of the deck. The grid layer has the maximum thickness among the GFRP layers and therefore ultimate load capacity of the deck enhanced by increase the elastic modulus of grid layer.
Keywords: Composite bridge decks, FRP, Steel core, Grid system, Finite element method -
سیستم عرشه ی اگزودرمیک از جدیدترین عرشه های پل با شبکه بندی فولادی است، که در طی دهه ی گذشته در پروژه های گوناگون به کار گرفته شده و ویژگی بارز آن کاهش قابل ملاحظه ی وزن سازه نسبت به عرشه های بتن آرمه ی معادل و همچنین افزایش سرعت اجرا با استفاده از عرشه های پیش ساخته ی اگزودرمیک است. در این مطالعه، بسامد ارتعاشی و نیز درصد میرائی عرشه ی مرکب اگزودرمیک پل با برش گیرهای پرفوبوند به طور آزمایشگاهی تعیین شده اند. بدین منظور، با تحریک یک نقطه از سازه و اندازه گیری مقادیر شتاب و نیرو و تکرار آزمایش در چند مرحله، مقادیر بسامد طبیعی و درصد میرائی با استفاده از تابع پاسخ بسامدی و روش های پیک پیکینگ و برازش دایره ی نایکوئیست تعیین شده اند، که مطابقت مناسبی با مدل سازی به روش اجزاء محدود داشته اند. همچنین نتایج آزمایشگاهی نشان می دهند که در بین مودهای مختلف، مود اول غالب است.
کلید واژگان: پل، پرفوبوند، میرایی، بسامد طبیعیRegarding the increasing demand for rapidly constructed bridges with lower dead load and cost, various types of structural system have been proposed for bridge decks. Due to the high tensile strength of steel and the remarkable compression strength of concrete at lower cost, steel-concrete composites are most commonly used in construction. In these composites, the concrete section can also enhance the fire resistance of the steel section. A convenient performance for steel-concrete composite structures can be achieved, provided the relative displacement of concrete and steel sections at their interface be prevented or, at least, reduced. Chemical adhesions, or bonds, interface friction and mechanical interlocking, do not provide sufficient resistance to heavy shear forces. Hence, to assure the shear transfer, various types of mechanical connector between the steel and the concrete, such as channels, reinforcing steel, headed shear studs and welded structural steel elements, have been considered. Exodermic deck systems are newly developed composite steel grid deck systems that have been used in various projects during the past decade. An eminent feature of this system is the considerable reduction in structural weight in ordinary einforced concrete decks, and the reduction in construction time using the precast exodermic decks. The increase in the use of this system for deck bridges has made it necessary to identify its behavior; especially its dynamic behavior. In this research, natural frequencies, damping ratio and some physical properties, such as stiffness and effective mass, for exodermic deck bridges with alternatively perforated shear connectors, were determined experimentally. Towards this aim, by exciting a point on the structure and measuring input force and output acceleration, and then repeating it in more steps, the values of natural frequencies and damping ratios were determined. This was undertaken using the frequency response function (FRF), by employing peak picking and Nyquist circle fit methods, which suitably matched the finite element method. Also the experimental results show that the first mode is the most effective.
-
نشریه مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه تبریز، سال چهل و چهارم شماره 3 (پیاپی 76، پاییز 1393)، صص 98 -110هدف از این تحقیق، بررسی پاسخ دینامیکی سدهای بتنی وزنی با در نظر گرفتن اثر همزمان مولفه های همبسته انتقالی و دورانی شتاب زمین در طی زلزله در حالت دو بعدی و با احتساب اندرکنش سیستم سد- پی- مخزن می باشد. برای این منظور، مولفه های دورانی حرکت زمین با استفاده از مولفه های انتقالی و نیز روابط کلاسیک تئوری الاستیسیته و تئوری انتشار امواج و با در نظر گرفتن سرعت امواج وابسته به فرکانس تولید و به روش مناسب به مدل اجزاء محدود سیستم اعمال و پاسخ دینامیکی آن به روش نیومارک و استفاده از تغییر مکان به عنوان متغیر مجهول در گره های شبکه اجزاء محدود کل سیستم که به روش لاگرانژی-لاگرانژی معروف می باشد، به دست می آید. بر اساس فرمول بندی مطرح شده حساسیت پاسخ سد با تغییر مدول الاستیسیته پی، تراز آب مخزن و نیز ضریب جذب کف مخزن تحت شتاب نگاشت های مختلف با احتساب اثر مولفه دورانی زلزله مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهند که بسته به محتوای فرکانسی و طیف توان مولفه دورانی زلزله، تاثیر آن بر پاسخ سد می تواند کم یا زیاد باشد. در هر حال در مواردی که تاثیر مولفه دورانی بر پاسخ سد قابل توجه باشد، با افزایش سختی پی سد و افزایش ضریب جذب کف، اثر مولفه دورانی کاهش می یابد. علاوه بر این با افزایش تراز آب مخزن، اثر مولفه دورانی زلزله بر پاسخ تاج سد افزایش می یابد ضمن این که تغییرات کیفی قابل توجهی نیز در تاریخچه زمانی پاسخ مشاهده می شود.
کلید واژگان: مولفه های همبسته انتقالی و دورانی زمین، سیستم سد، پی، مخزن، اندرکنش سازه و سیالJournal of Civil and Environmental Engineering University of Tabriz, Volume:44 Issue: 3, 2015, PP 98 -110IntroductionThe kinematics of any point in a medium is ideally expressed in terms of three translational and three rotational components. Observations of earthquake events have shown that many structural failures and damage are associated to rotational components of ground motions. Newmark [1] was perhaps the first to establish a relationship between the torsional and translational components of a ground motion based on constant velocity of wave propagation assumption. Lee and Liang [2] have used wave propagation and classical elasticity theories based on constant wave velocity to develop the algorithms for generating rotational motion from the corresponding available translational motions and Hong-Nan Li et al. [3] proposed an improved approach based on frequency dependent wave velocity to generate the rotational components. Kalani Sarokolayi et al. [4] have used this method and they have verified their results using recorded rotational components. Recently the effect of rotational component on dynamic analysis of dam- reservoir system without foundation effect is considered by authors in their previous research [5]; but the effects of rotational components have not been considered in dynamic analysis of dam-reservoir-foundation systems in previous researches. The fluid- structure interaction is also an important subject to dynamic analysis of dams. The Lagrangian approach which were proposed by Hamdi [6] and completed by Wilson and Khalvati [7], have been used by many researchers such as [7-9]. In addition the reservoir bottom absorption effects in earthquake response of concrete gravity dams have been also investigated by some researchers such as Fenves and Chopra [10].MethodologyThe main purpose of this research is the evaluation of dynamic response of concrete gravity dams considering three correlated translational and rotational components of ground motion and dam-reservoir-foundation interaction using finite element method. For this purpose, the rotational component of ground motion is obtained using translational components and relation of classical elasticity between rotation and wave propagation theories considering frequency dependent wave velocity. Then, these rotational and translational components are applied in finite element model and the dynamic response of system are calculated using Newmark method and Lagrangian- Lagrangian approach based on displacement unknown in both solid and fluid domains. In addition, with the change of elasticity modulus of foundation, earthquake acceleration, water elevation and absorption coefficient of reservoir bottom, the sensitivity of response with respect to these parameters are evaluated.Results And DiscussionThe horizontal displacement of dam crest for dam-reservoir (D-R) and dam-reservoir-foundation (D-R-F) systems subjected to two translational components, 2C, and two translational added by their correlated rotationalcomponents, 3C, are obtained and the ratio of response due to 3C and 2C which is named as Normalized response, are presented in Table 1. The effects of absorption coefficients on Normalized response of system are also shown in Table 2 and the effects of water elevation on dam crest response subjected to 3C are shown in Fig. 2.ConclusionsResults showed that the effects of rotational components of ground motion on the dynamic response of concrete gravity dams can be low or high depending on their frequency range and power spectrum. In cases which the rotational effect is high, the dam response to rotational component of earthquake will be decreased with the increase of the foundation elasticity modulus and reservoir bottom absorption coefficients. In addition with the increase of water elevation, the rotational effect will increase and the response time history also will change.Keywords: Correlated translational, rotational components, Dam, reservoir, foundation system, Fluid, structure interaction -
هدف این پژوهش، ارائه ی فرمول بندی مناسب به منظور بررسی اثر هم زمان مولفه های انتقالی و دورانی حرکت زمین در پاسخ سدهای بتنی وزنی با احتساب اندرکنش سد و مخزن به روش اجزاء محدود است. بدین منظور، مولفه های دورانی حرکت زمین با استفاده از مولفه های انتقالی آن با درنظرگرفتن سرعت امواج وابسته به بسامد تولید می شوند. سپس این مولفه ها به روش های مناسب به مدل اجزاء محدود سیستم سد مخزن اعمال و پاسخ دینامیکی آن با استفاده از روش نیومارک و با درنظرگیری تغییرمکان به عنوان متغیر مجهول در گره های شبکه ی اجزاء محدود کل سیستم که به روش لاگرانژی لاگرانژی معروف است، به دست می آید. نتایج به دست آمده نشان می دهد که با توجه به بیشینه ی مقدار مولفه های دورانی و نیز طیف محتوای بسامدی آنها، ممکن است به طور قابل توجهی، تحت شرایط خاص موثر باشند.
کلید واژگان: مولفه های دورانی حرکت زمین، سرعت امواج وابسته به بسامد، اندرکنش سد و مخزن، روش لاگرانژی، لاگرانژیRotational components of ground motion including rocking and torsional components have been eccentrically ignored for a long time, first, because the rotational effects were thought to be small for structures and, second, due to their small amplitude, they cannot be measured using standard seismic devices. Recently it has been shown that the rotational component of ground motion can have noticeable effects on the dynamic response of structures, and many structural failures and the damage caused by earthquakes can be linked to differential and rotational ground motion. The main purpose of this paper is presentation of a proper formulation for dynamic analysis of concrete gravity dams under the correlated translational and rotational components of ground motion due to earthquakes. The rocking component of earthquake acceleration has been obtained using the corresponding available translational components, based on transversely isotropic elastic wave propagation in 2-D space and the classical elasticity theorem between rotational and translational motions. Using the mentioned approach, it becomes possible to consider frequency dependent wave velocities and the incident wave angle of the earthquake to generate the rotational components of ground motion. For this purpose, two translational components of different earthquake accelerations have been adopted to generate their relative rotational components, based on SV and SH wave incidence. The results are compared with other work and show very good agreement. Using translational and obtained rotational components of ground motion, a dynamic analysis of the Pine Flat dam has been performed for six earthquake accelerations. Analyses have been done using the finite element method, considering dam-reservoir interaction. The dam and reservoir are modeled using a Lagrangian approach, and different water levels of the reservoir are considered. The material behavior of the dam and reservoir is considered to be elastic, linear, isotropic and homogeneous, and, also, the foundation is assumed to be rigid. Results are shown that depend on maximum rocking components and their frequency content. Content, these components can be effective on the linear dynamic response of concrete gravity dams and cannot be negligible in some cases.
Keywords: Rotational Components Of Earthquake, Frequency Dependent Wave Velocity, Dam, Reservoir Interaction, Lagrangian, Lagrangian Approach
- در این صفحه نام مورد نظر در اسامی نویسندگان مقالات جستجو میشود. ممکن است نتایج شامل مطالب نویسندگان هم نام و حتی در رشتههای مختلف باشد.
- همه مقالات ترجمه فارسی یا انگلیسی ندارند پس ممکن است مقالاتی باشند که نام نویسنده مورد نظر شما به صورت معادل فارسی یا انگلیسی آن درج شده باشد. در صفحه جستجوی پیشرفته میتوانید همزمان نام فارسی و انگلیسی نویسنده را درج نمایید.
- در صورتی که میخواهید جستجو را با شرایط متفاوت تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مطالب نشریات مراجعه کنید.