انتخاب صفحه

فهرست مطالب
فصل اول- کلیات

مقدمه
معماران و مهندسان، همواره در پی یافتن راه حل‌های جدید برای حل مسئله¬ی فضاهای محصور بوده‌اند. با صنعتی شدن و توسعه¬ی دنیای مدرن، تقاضا برای استفاده از سازه‌های با دهانه‌های بزرگ افزایش یافت. تا اواسط قرن هجدهم، مصالح اصلی در دسترس برای معماران و مهندسان، سنگ، چوب و آجر بود. سنگ و آجر، در برابر فشار، مقاوم، ولی در برابر کشش ضعیف بودند؛ به همین دلیل برای سازه‌های سه¬بعدی مثل گنبدها و طاق‌ها مناسب بودند. با وقوع انقلاب صنعتی، گسترش تولید آهن و سپس فولاد، امکان تولید مصالح با مقاومت زیاد، ساخت ساختمان‌های با ارتفاع بیشتر و دهانه‌های وسیع¬تر فراهم شد. همزمان، تقاضا جهت سازه‌های با دهانه¬ی وسیع برای پل¬ها، ایستگاه‌ها، ساختمان انبارها و کارخانه‌ها افزایش یافت. در ابتدا مجموعه‌ای از خرپاهای متنوع شکل گرفت و در مراحل بعد، سازه‌های مشبک فضایی سه¬بعدی به وجود آمدند. بسیاری از فرم‌های سازه‌ای بویژه اغلب شبکه‌های فضایی از مدول‌هایی تشکیل شده‌اند. نظریه¬ی ساخت ساختمان‌های مدولار تقریباً ۱۵۰ سال قبل، با طراحی، ساخت و نصب قاب‌های فلزی کریستال پالاس در «هاید پارک» لندن شکل عملی یافت و در دهه¬های 50 و 60 میلادی، سیستم¬های مشبک فضایی در تمام دنیا مورد استفاده قرار گرفت.
سازه¬های فضاکار گروهی از سازه¬ها هستند که دارای رفتار مسلط سه¬بعدی بوده و برعکس،
سازه¬های مسطح نظیر خرپاهای صفحه¬ای، مجموعه بافتار، بارهای خارجی، نیروهای داخلی، تغییر مکان¬های سازه¬ای در فضای سه¬بعدی تعریف می¬شوند و در عمل، سازه¬های فضاکار به گروه خاصی از سازه¬ها گفته می¬شود که شامل گنبدها، چلیک¬ها، دکل¬ها، شبکه¬های کابلی، سیستم¬های پاشامی، سازه¬های تاشو و کش¬بست¬ها هستند [1].
1-2- تعریف مسئله و بیان اصل تحقیق
سازه¬های فضاکار کش¬بستی نوع جدیدی از سازه¬های فضاکار هستند که در سال¬های اخیر مورد توجه طراحان قرار گرفته است. این سازه¬ها از جهان هنر وارد علم مهندسی سازه شده¬اند. در تعریف این سازه¬ها باید گفت که یک سیستم کش¬بستی متشکل است از هر مجموعه¬ی دلخواهی از اعضای کششی که به یک بافتار کش¬بستی اعضای فشاری متصل شده باشد. منظور از بافتار کش¬بستی، بافتاری است که بتوان آن را توسط برخی مجموعه¬ی اعضای کششی داخلی پایدار نمود. اگر برای پایدارسازی این بافتار هیچ عضو کششی مورد نیاز نباشد، در آن ¬صورت این بافتار یک بافتار کش-بستی نخواهد بود [2]. سیستم¬های کش¬بستی دارای دو مشخصه¬ی مهم هستند؛ نخست این¬که فرم-یابی¬های آنها دارای حالت خودتنش است و دوم این¬که ممکن است اندازه¬ی تغییر مکان¬ها بزرگ باشد، حتی اگر اندازه¬ی تغییر شکل¬ها کوچک باشد. بنابراین در بررسی رفتار این سازه¬ها در نظر گرفتن اثرات غیرخطی الزامی است [3].
یکی از مسائل مهم، بحث خودتنیدگی و تأثیر آن بر پایداری اینگونه از سازه¬هاست. خودتنیدگی، تنش¬های اولیه¬ای است که به محض مونتاژ کردن عناصر در سیستم ایجاد می¬شود [4]. خودتنیدگی با کوتاه کردن کابل¬ها و یا طویل کردن میله¬ها از یک هندسه¬ی بدون تنش ایجاد می¬شود [5]. بدیهی است که خودتنیدگی اولیه که به سیستم اعمال می شود، نمی¬تواند هر مقداری باشد، بلکه باید
به¬گونه¬ای باشدکه تعادل بافتار حفظ شود. این مسئله مدت¬هاست که محققین برای آن روش¬هایی ارائه نموده¬اند و سبب باز شدن مبحثی تحت عنوان فرم¬یابی سازه¬های کش¬بستی شده¬اند. در این روش¬ها مجهولات ممکن است به دو صورت باشند؛ یکی خودتنیدگی و دیگری هندسه¬ی سازه. در این تحقیق، فرض شده که هندسه¬ی سازه مشخص است و تأثیر حالت¬های مختلف خودتنیدگی در رفتار پایداری استاتیکی سازه¬های کش¬بستی مورد بررسی قرارمی¬گیرد. تحلیل¬هایی که در این پایان-نامه انجام
می¬شود، در دو بخش تحلیل ایستایی خرابی و تحلیل مسیر جایگزین استاتیکی با در نظر گرفتن تأثیر الگوهای خودتنش خواهد بود.

1-3- ضرورت و هدف انجام تحقیق
از زمان معرفی سازه¬های کش¬بستی توسط Snelson ,Fuller و Emmerich به سال 1948، سازه-های کش¬بستی موضوعی جذاب و جالب توجه برای محققان بوده است. توانایی این سازه¬ها برای حفظ حالت تعادل خود بدون حضور نیروهای خارجی (خاصیت پیش¬تنیدگی )، خاصیت انعطاف-پذیری و نیز وزن کم این سازه¬ها، انگیزه¬ای برای مطالعه¬ی بیشتر دانشمندان و مهندسان در زمینه¬ی سازه¬های کش¬بستی بوده است [6].
در ابتدای ابداع این سیستم¬ها، حتی برخی از مخترعین این سیستم¬ها نیز چندان به کاربرد سازه¬ای آن خوش¬بین نبودند. اما امروزه و با گذشت حدود نیم ¬قرن، پروژه¬های بزرگ با استفاده از این سیستم¬ها نظیر سالن دوچرخه¬سواری جهان در سوئیس، اسکله¬ی ابری در Yverdon، پل Kuripla در استرالیا و… اجرا شده است. تا جایی که محققان، این سیستم¬ها را سیستم¬های سازه¬ای آینده می¬دانند.
سازه¬های فضاکار کش¬بستی به¬خاطر تعداد نسبتاً کمِ اعضای فشاری به ¬صورت سازه¬های سبک
می¬باشند. همچنین این سازه¬ها قابلیت تاشوندگی دارند. تاشوندگی ضمن کاهش حجم سیستم¬های کش¬بستی انبار کردن و انتقال این سیستم¬ها را آسان می¬سازد. سیستم¬های کش¬بستی به¬خاطر مزیت¬های قابل توجهی که دارند، در سال¬های اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده¬اند و لذا لزوم گسترش تحقیق در زمینه¬ی رفتار پایداری این سازه¬ها احساس می¬شود.

1-1- مقدمه……………………………………………………………………………. 2
1-2- تعریف مسئله و بیان اصل تحقیق…………………………………………….. 3
1-3- ضرورت و هدف انجام تحقیق………………………………………………….. 3
4-1- ساختار پایان¬نامه…………………………………………………………….. 4

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل دوم- سازه¬های فضاکار کش¬بستی

این فصل شامل پنج بخش می¬باشد. در بخش اول، تعریف مختصری از سازه¬های فضاکار و انواع مختلف آن ارائه می¬شود. در بخش دوم، تعاریف، تاریخچه و مزایای این سازه¬ها بیان می¬گردد. در بخش سوم مفاهیم مرتبط با این سازه¬ها از جمله مکانیزم، خودتنش و فرم¬یابی این سازه¬ها تعریف می¬گردد. در بخش چهارم، در ابتدا به تقسیم¬بندی بافتارهای کش¬بستی مختلف پرداخته شده و خصوصیات بافتارهای کش¬بستی مدولار و غیرمدولار ارائه می¬شود و در نهایت، نمونه¬های اجرا شده از این سازه¬ها معرفی می¬گردند.

2-2- سازه¬های فضاکار
عبارت سازه¬های فضاکار اشاره به سیستم¬های سازه¬ای دارد که هر سه بعد را در بر¬ می¬گیرد. این عبارت، در مقابل سازه¬های مسطح مانند خرپای مسطح که بیش از دو بعد را در بر نمی¬گیرد، قرار دارد. در سازه¬های مسطح، بارهای خارجی به همراه نیروهای داخلی، همگی در یک صفحه¬ی واحد اثر
می¬کنند و خود سازه نیز چه در حالت اولیه و چه در حالت تغییر شکل یافته، در این صفحه قرار دارد. در حالی که در سازه¬های فضاکار، ترکیب بافتار، بارهای خارجی، نیروهای داخلی و جابه¬جایی سازه¬ای، همه در ورای یک صفحه قرار می¬گیرند. سازه¬های فضاکار را می¬توان به سه گروه زیر تقسیم¬بندی کرد:
1- سازه¬های فضاکار پیوسته که شامل عناصر میله¬ای مجزا می¬باشند.
2- سازه¬های فضاکار پیوسته که شامل اجزایی مانند: دال¬ها، پوسته¬ها و پاشامی¬ها می¬باشند.
3- سازه¬های فضاکار دوگانه که شامل ترکیبی از بخش¬های مجزا و پیوسته می¬باشند.

2-3- سازه¬های کش¬بستی
2-3-1 – تاریخچه و تعاریف ارائه شده
اینکه اولین بار چه کسی سازه¬های کش¬بستی را مطرح کرد، خود موضوعی چالش¬برانگیز است، Snelson در سال 1948 اولین نمونه¬ی خود را که از قطعات x شکل از جنس چوب و نایلون ساخته شده بود، ارائه کرد (شکل 2-1). هنرمند روسی Viatcheslav Koleichuk ادعا کرد که ایده¬ی سیستم¬های کش¬بستی، اولین بار توسط Karl Ioganson در سال 1921مطرح شده است و اولین نمونه¬ی کش¬بستی را مطابق شکل 2-2، متشکل از سه عضو فشاری و نه کابل، ساخته است، این مدل به دلیل عدم پیش¬تنیدگی که جز یکی از ویژگی¬های اصلی سیستم¬های کش¬بستی است، به -عنوان یک سیستم کش¬بستی تلقی نمی¬شود. از طرفی دیگر، می¬توان Fuller را به¬عنوان اولین کسی که این سازه¬ها را از نقطه نظر مهندسی مورد بررسی قرار داد، نام برد. تعاریف مختلفی برای سیستم¬های کش¬بستی ارائه شده است؛ که در اینجا به چند مورد مهم اشاره می¬شود:
طبق تعریف Fuller، کلمه کش¬بستی بیانگر ادغام مجموعه¬ای از اعضای کششی است و سازه کش¬بستی به صورت ترکیبی از عناصر پیوسته¬ی کششی و عناصر ناپیوسته¬ی فشاری تعریف
می¬شود [9]. Emmerich، این سیستم¬ها را به ¬صورت سازه¬های خودتنیده متشکل از میله¬ها و کابل¬ها می¬داند که میله¬ها به صورت منفرد در یک مجموعه¬ی پیوسته از کابل¬ها قرار می¬گیرند [10].

نمونه¬هایی از کلاس¬های مختلف یک سیستم کش¬بستی¬

نمونه¬هایی از کلاس¬های مختلف یک سیستم کش¬بستی¬

2-1- مقدمه………………………………………………………………………. 7
2-2- سازه¬های فضاکار ………………………………………………………..7
2-3- سازه¬های کش¬بستی……………………………………………….. 8
2-3-1 – تاریخچه و تعاریف ارائه شده………………………………………… 8
2-3-2- مزایای سازه¬های کش¬بستی………………………………….. 10
2-3-3- معایب سازه¬های کش¬بستی………………………………….. 11
2-4- مکانیزم، خودتنش و فرم¬یابی……………………………………….. 11
2-4-1- خودتنیدگی و پیش¬تنیدگی……………………………………….. 12
2-4-2- فرم¬یابی……………………………………………………………… 12
2-4-2-1- انواع روش¬های فرم¬یابی سازه¬های کش¬بستی……….. 12
2-4-2-2- رهاسازی دینامیکی………………………………………………. 13
2-4-2-3- دانسیته نیرو………………………………………………………. 13
2-4-3- تعیین حالت¬های خودتنش در بافتارهای کش¬بستی………… 14
2-4-4- مکانیزم در بافتارهای کش¬بستی…………………………………. 16
2-4-4-1- تعیین مکانیزم¬های بافتارهای کش¬بستی…………………… 16
2-4-4-2- تشخیص مکانیزم¬های بی¬نهایت کوچک مرتبه اول از مکانیزم¬های مرتبه بالاتر در سازه¬های کش¬بستی……………………………………………………… 17
2-4-4-3- برطرف کردن مکانیزم¬های بی¬نهایت کوچک…………………. 18
2-5- تقسیم بندی بافتارهای کش¬بستی…………………………………. 19
2-5-1- بافتارهای کش¬بستی مدولار نوع 1……………………………….. 20
2-5-1-1- سیمپکلس¬های مدولار کش¬بستی نوع 1 …………………….20
2-5-1-2- بافتارهای کش¬بستی مدولار نوع 1 شامل دستک¬های ناپیوسته ……………………………………………………………………………………..21
2-5-1-3- بافتارهای کش¬بستی مدولار نوع 1 شامل دستک¬های پیوسته…………………………………………………………………………… 22
2-5-2- بافتارهای کش¬بستی مدولار نوع 2………………………………… 23
2-5-2-1- انواع سیمپلکس¬های بافتارهای کش¬بستی مدولار نوع ……. 23.
2-5-2-2- بافتارهای کش¬بستی مدولار نوع 2 متشکل از دستک¬های ناپیوسته……………………………………………………………………………. 27
2-5-2-3- بافتارهای کش¬بستی مدولار نوع 2 شامل دستک¬های پیوسته 29
2-5-3- بافتارهای کش¬بستی غیرمدولار ………………………………………32
2-5-3-1- عملکرد سازه¬ای بافتارهای کش¬بستی غیرمدولار……………… .32
2-5-3-2- پهنابند V و پیوند دهنده¬های اولیه در بافتارهای کش¬بستی غیرمدولار……………………………………………………………………………. 33
2-5-4- بافتارهای شبکه¬ی کش¬بستی غیرمدولار………………………….. 34
2-6- نمونه¬های اجرا شده¬ی سازه¬های کش¬بستی…………………… 36
2-7- نتیجه¬گیری…………………………………………………………………… 38

فصل سوم- مروری بر مطالعات استاتیکی و دینامیکی انجام یافته بر روی سازه¬های کش¬بستی

مطالعات انجام یافته بر روی سازه¬های کش¬بستی را می¬توان به دو بخش مطالعات استاتیکی و دینامیکی تقسیم نمود. لذا در این فصل، ابتدا مرور مختصری بر مطالعات استاتیکی از جمله مطالعات تعیین مکانیزم، فرم¬یابی، خودتنش و مطالعات تحت اثر بار خارجی پرداخته شده و چند نمونه از مطالعات مهم استاتیکی انجام شده در ارتباط با این سازه¬ها مورد بررسی قرار گرفته ¬است و در ادامه، مطالعات دینامیکی و مباحث مرتبط با آن ارائه شده است.

3-2- مطالعات استاتیکی
با وجود این¬که تحلیل¬های استاتیکی در مورد سیستم¬های کش¬بستی به حد قابل قبولی رسیده است، با این¬حال سؤالاتی در مورد این سیستم¬ها قابل طرح است، اینکه چرا این سیستم¬ها خودمتعادل هستند؟ چگونه می¬شود آنها را ساخت؟ و اخیراً این¬که چگونه می¬شود که این سیستم¬ها را کنترل کرد؟ مطالعات استاتیکی را می¬توان به دو بخش مطالعات فرم¬یابی، مکانیزم، خودتنش و مطالعات تحت اثر بار خارجی تقسیم نمود که در زیر به برخی از این مطالعات اشاره شده است:

3-2-1- مطالعات فرم¬یابی، خودتنش و مکانیزم
گام اول در طراحی سازه¬های کش¬بستی پیدا کردن یک بافتار متعادل خودتنیده می¬باشد که به آن فرم¬یابی گفته می¬شود. روش¬های فرم¬یابی به دو دسته¬ی عمده¬ی سینماتیکی و استاتیکی تقسیم-بندی
می¬شوند [4, 13]. در جدول 3-1، به معرفی انواع روش¬های فرم¬یابی به طور خلاصه پرداخته شده است:

از میان روش¬های ارائه شده، دو روش رهاسازی دینامیکی و دانسیته نیرو به ¬طور گسترده¬ای به منظور فرم¬یابی سازه¬های کش¬بستی مورد استفاده قرار گرفته است. هر چند که در سال¬های اخیر روش¬های دیگری برای فرم¬یابی این سازه¬ها پیشنهاد شده است. Zhang و همکارانش [33] از یک روش دومرحله¬ای برای فرم¬یابی سازه¬های کش¬بستی استفاده نمودند. در این روش ابتدا مجموعه نیروهای محوری سازگار با سازه مفروض مشخص شدند و سپس مختصات گره¬ها تحت شرایط تعادل سازه شناسایی شدند. Masic و همکارانش [34] از روش توسعه یافته دانسیته نیرو که در آن شکل قیود به طور واضحی مشخص شده بود، برای فرم¬یابی این سازه¬ها استفاده کردند. Tran و Lee [38] یک روش پیشرفته را تنها بر اساس توپولوژی و نوع اعضا برای فرم¬یابی پیشنهاد دادند. همچنین Seunghye و Jaehong [39] از یک روش براساس ترکیب دانسیته نیرو و الگوریتم ژنتیک برای فرم¬یابی سازه¬های کش¬بستی استفاده نمودند.
در اوایل دهه¬ی ۱۹۷۰ میلادی، Grunbaum و Shephard [40] یک مجموعه از روابط در مورد سیستم¬های کش¬بستی را ارائه کردند. Fuller از منشورهای منظم کش¬بستی (از قبیل tetrahedrons, octahedron و…) برای ساخت گنبدهای ژئودزیک کش¬بستی و ارائه¬ی مفهوم کش-بستی بهره برد. Pugh در کتاب خود تحت عنوان An introduction to tensegrity یک دسته¬بندی هندسی برای واحدهای اولیه¬ی تشکیل¬دهنده¬ی بافتارهای کش¬بستی ارائه کرد [12].
کارهای اولیه توسط Fuller [9]، Emmerich [41]، Pugh [12] عمدتاً بر اساس ملاحظات هندسی و روش¬های ابتکاری استوار بود، اما بدون هرگونه معیار تعادل که منجر به ایجاد بافتارهای کش¬بستی ناپایدار می¬شد. Roth و Whiteley [42] برخی از مفاهیم شناخته ¬شده در مورد
سیستم¬های کش¬بستی از قبیل سختی و مکانیزم¬های بی¬نهایت کوچک در ارتباط با این سیستم¬ها را توسعه دادند و همچنین بر روی ارتباط بین این مفاهیم با سیستم¬های کش¬بستی مطالعه کردند.
Connelly بر روی سختی بافتارهای کش¬بستی مطالعه کرد و در تحقیق خود، روش انرژی را پیشنهاد داد که منجر به بازتعریف مفهوم سختی در بافتارهای کش¬بستی گردید [43].
Motro بر روی بافتارهای کش¬بستی کروی کار کرد و الگوریتمی برای طراحی این قبیل از بافتارهای کش¬بستی پیشنهاد نمود [44].
بافتارهای کش¬بستی با توجه به موقعیت گره¬ها و تنش در اعضا، از نظر استاتیکی و سینماتیکی نامعین هستند؛ به این معنی که چندین حالت خودتنش و مکانیزم برای یک بافتار کش¬بستی وجود دارد، چرا که سختی بافتار کش¬بستی مشروط به پایداری مکانیزم¬های بی¬نهایت کوچک از طریق حالات خودتنش می¬باشد. Calladine این موضوع را مورد مطالعه قرار داد و ثابت نمود که برخی از مونتاژها از یک بافتار کش¬بستی دارای چندین حالات خودتنش هستند که برخی از این حالات ممکن است از مکانیزم در بافتار کش¬بستی جلوگیری کند [45]. Pellegrino [46, 47]، Calladine و Pellegrino [48] یک روش جبری (عددی) را به منظور پیدا کردن تعداد مکانیزم¬ها در بافتارهای متعادل کش¬بستی توسعه دادند. همچنین آنها یک زیرمجموعه از مکانیزم¬های حالات خودتنش و نیروهای عملی و غیرعملی را در سیستم¬های کش¬بستی شناسایی کردند و نیز یک روش شناسایی برای از طرفی دیگر، kenner [27] و Tarnai [52] یک راهکار تحلیلی برای مسئله¬ی پیش¬تنش ارائه کردند. بعدا Tarnai یک روش هندسی که تنها می¬توانست برای بافتارها با تقارن بالا استفاده شود، ارائه کرد. Vassartو همکارانش [53] مکانیزم¬های مرتبه اول و بالاتر را مشخص کردند و روشی بر اساس ملاحضات هندسی ارائه دادند. در ادامه، Sultan و همکارانش[54] راه حل¬های عددی را برای برخی از سازه¬های خاص ارائه نموند. Guest [55] نیز مقایسه¬ی بین فرمول¬بندی¬های مختلف موجود در تحلیل پیش¬تنش این سیستم¬ها را ارائه نمود. Sanchez [56]یک روش فرمول¬بندی شده برای تعیین تعداد حالات خودتنش در بافتار¬های کش¬بستی مدولار متشکل از مدول¬های هرمی¬ شکل را ارائه داد. Averseng و Crosnier [57] یک روش برای تنظیم کردن کل مجموعه نیروهای محوری بر اساس تغییرات واحد طول در سازه کش¬بستی به منظور کاهش کابل¬های فعال ارائه نمودند. Quirant [58] یک راه حل قابل قبول برای دسته¬بندی کردن حالات خودتنش و مکانیزم¬ها به منظور شناسایی حالات خودتنش سازگار و مکانیزم¬های یک¬طرفه در سازه¬های کش¬بستی پیشنهاد داد.

بافتار کش¬بستی مورد مطالعه

بافتار کش¬بستی مورد مطالعه

3-1- مقدمه………………………………………………………………………. 40
3-2- مطالعات استاتیکی……………………………………………………….. 40
3-2-1- مطالعات فرم¬یابی، خودتنش و مکانیزم…………………………….. 40
3-2-2- مطالعات استاتیکی تحت اثر بار خارجی……………………………… 43
3-2-3- نقش توزیع¬های مختلف خودتنش در طراحی بافتارهای کش¬بستی 44
3-2-4- مطالعه¬ی عددی و آزمایشگاهی طراحی خودتنش سیستم¬های کش¬بستی………………………………………………………………………. 46
3-2-5- مطالعات استاتیکی تحت اثر بار خارجی………………………………. 47
3-2-5- مطالعه¬ی مربوط به رفتار پایداری شبکه¬های کش¬بستی دو لایه…………………………………………………………………………………… 50
3-2-6- تأثیر تدریجی حذف اعضا بر روی رفتار پایداری بافتارهای کش¬بستی 52
3-3- مطالعات دینامیکی……………………………………………………………. 54
3-3-1- تحلیل دینامیکی……………………………………………………………. 54
3-3-2- کنترل شکل سازه¬های کش¬بستی………………………………….. 58
3-3-3- کنترل سازه¬های کش¬بستی…………………………………………. 61
3-3-4- اثر گسیختگی یک کابل در یک سازه¬ی کش¬بستی………………… 62
3-3-5- مطالعه تحلیل مسیر جایگزین دینامیکی بر روی بافتارهای کش¬بستی 64
3-3-6- تأثیر بارگذاری¬های استاتیکی و هارمونیکی بر روی رفتار دینامیکی سازه¬های کش¬بستی………………………………………………………………………….. 65
3-3-7- رفتار دینامیکی و کنترل ارتعاش یک سازه¬ی کش¬بستی………….. 67
3-3-8- مطالعه¬ی عددی و آزمایشگاهی بر روی رفتار ناپایداری سیستم¬های کش¬بستی بر اثر گسیختگی کابل¬ها و کمانش دستک¬ها………………………………. 71
3-4- نتیجه¬گیری………………………………………………………………… 72

فصل چهارم- مدلسازی عناصر محدود

در استخراج رفتار واقعی سازه¬های فضاکار کش¬بستی، بایستی به نتایج مطالعه آزمایشگاهی مراجعه کرد، چرا که در آزمایشگاه می¬توان رفتار واقعی سازه را به درستی مدل¬سازی نمود؛ اما به دلیل
هزینه¬بر بودن روش¬های آزمایشگاهی، برای تحلیل رفتار این سازه¬ها از مدل¬سازی به روش عناصر محدود استفاده می¬شود. این فصل شامل دو قسمت می¬باشد؛ در قسمت اول، اجزای مدل¬سازی عناصر محدود ارائه می¬شود که شامل تاشه¬پردازی فرمکسی ، نوع تحلیل، روش غیرخطی Riks، مدل¬سازی اعضای کابلی و مدل¬سازی دستک¬ها می¬باشد. در قسمت دوم نیز با انجام تحلیل¬های غیرخطی توسط نرم¬افزار ABAQUS و مقایسه¬ی آن با نتایج آزمایشگاهی، صحت مدل¬سازی عناصر محدود مورد بررسی و ارزیابی قرار می¬گیرد.

4-2- اجزای مدل¬سازی عناصر محدود
4-2-1- تاشه¬پردازی فرمکسی
جبر فرمکسی یک سیستم ریاضی است که ابزار مناسب کار با نظریه¬ها برای بیان و پردازش بافتارهای سازه¬ها را فراهم می¬کند. شاخه¬ای از جبر فرمکسی که بافتار هندسی را ایجاد می¬کند، «تاشه¬پردازی فرمکسی» نامیده می¬شود که زبان برنامه¬نویسی Formian ابزاری مناسب برای استفاده از مفاهیم تاشه¬پردازی فرمکسی می¬باشد. بافتارهای سازه¬های فضاکار کش¬بستی، پیچیدگی هندسی¬ زیادی دارند؛ بنابراین استفاده از برنامه¬نویسی Formian برای تاشه¬پردازی هندسی این سازه¬ها اجتناب¬ناپذیر می¬باشد [105]. در این مطالعه، انواع مختلف بافتارهای کش¬بستی با برنامه Formian ایجاد شده و توسط نرم¬افزار Auto Cad Mechanical desktop به محیط نرم¬افزار ABAQUS وارد شده¬اند.
4-2-2- نوع تحلیل
در سازه¬های کش¬بستی، سه عامل تغییر حالت عناصر کابلی، غیرخطی¬های هندسی و غیرخطی¬های مصالح باعث رفتار غیرخطی می¬شوند [106]. عناصر کابلی، نوعی رفتار غیرخطی را به نمایش می¬گذارند که وابسته به حالت است، چرا که این عناصر دارای دو حالت شل و سفت می باشند. در
سازه¬های کش¬بستی عوامل زیر باعث رفتار غیرخطی هندسی می¬شوند:
● کوتاه¬شدگی طول اعضا تحت نیروهای محوری
● تغییر طول اعضا به ¬خاطر خمیدگی (برای این حالت ناکاملی هندسی تأثیر به سزایی دارد)
● در این سازه¬ها اندازه تغییر مکان¬ها ممکن است، بزرگ باشد؛ حتی اگر تغییر شکل¬ها کوچک باشند.
● همچنین در این سازه¬ها به دلیل اعمال پیش¬تنیدگی، سخت¬شدگی تنش رخ می¬دهد. در نتیجه سختی(K) به ¬صورت تابعی از تغییر مکان (u) می¬باشد.
همچنین رفتار مشخصه¬ی اعضای کابلی و روابط تنش محوری-کرنش محوری دستک¬ها به ¬صورت غیرخطی می¬باشد. بنابراین مجموعه عوامل گفته¬ شده، باعث می¬شود که برای بررسی رفتار ناپایداری استاتیکی سازه¬های کش¬بستی، عمدتاً از تحلیل¬های غیر خطی هندسی و مصالح استفاده شود.

4-2-3- روش Riks
در تحلیل¬های غیرخطی یکی از روش¬های مورد استفاده، روش نیوتن-رافسون می¬باشد. این روش از یک فرآیند تکراری برای حل معادلات غیرخطی استفاده می¬کند این فرآیند با تحلیل نموی گام به گام انجام می¬شود؛ یعنی بردار بار نهایی {F^a} با اعمال بار به ¬صورت افزایشی و انجام تکرارهای نیوتن-رافسون در هر گام به دست می¬آید (شکل 4-1).
4-1- مقدمه………………………………………………………………………… 72
4-2- اجزای مدلسازی عناصر محدود……………………………………………. 72
4-2-1- تاشه¬پردازی فرمکسی………………………………………………… 72
4-2-2- نوع تحلیل…………………………………………………………………. 73
4-2-3- روش Riks ا………………………………………………………………..73
4-2-4- مدلسازی کابل¬ها و دستک¬ها……………………………………… 79
4-2-5- مدلسازی غیرخطی مصالح…………………………………………… 79
4-2-5-1- مدلسازی پلاستیسیته برای کابل¬ها……………………………. 79
4-2- 5-2- مدلسازی پلاستیسیته برای دستک¬ها……………………….. 79
4-3- صحت مدلسازی عناصر محدود………………………………………. 80
4-4- نتیجه¬گیری…………………………………………………………….. 83

فصل پنجم- تحلیل¬های ناپایداری استاتیکی بر اثر تغییر در توزیع خودتنش بر روی بافتارهای

کش¬بستی…………………………………………………………….. 85
5-1- مقدمه……………………………………………………………… 85
5-2- بافتارهای مورد مطالعه…………………………………………… 85
5-2-1- شرایط مرزی…………………………………………………… 90
5-2-2- خصوصیات مصالح و عناصر…………………………………… 90
5-3- طراحی خودتنش………………………………………………… 92
5-4- توزیع¬های خودتنش……………………………………………. 94
5-5- طراحی بافتارهای کش¬بستی……………………………….. 96
5-6- تحلیل خرابی……………………………………………………… 97
5-7- نتایج تحلیل¬های ناپایداری استاتیکی بر روی بافتار1 تحت توزیع¬های مختلف خودتنش ………………………………………………………………………….98
5-7-1- شرایط تکیه¬گاهی C1 ا…………………………………..98
5-7-2- شرایط تکیه¬گاهی C2 ا………………………………..102
5-7-3- مقایسه¬ی شرایط تکیه¬گاهی C1 با C2 ا………….106
5-8- نتایج تحلیل¬های ناپایداری استاتیکی بر روی بافتار 2 تحت توزیع¬های مختلف خودتنش…………………………………………………………. 107
5-8-1- شرایط تکیه¬گاهی C1 ا…………………………………107
5-8-2- شرایط تکیه¬گاهی C2 ا………………………………..111
5-8-3- شرایط تکیه¬گاهی C3 ا……………………………….115
5-8-4- مقایسه¬ی بین شرایط تکیه¬گاهی C1، C2 و C3 ا118
5-9- نتایج تحلیل¬های ناپایداری استاتیکی بر روی بافتار3 تحت توزیع¬های مختلف خودتنش …………………………………………………………………..120
5-9-1- شرایط تکیه¬گاهی C1 ا……………………………..120
5-9-2- شرایط تکیه¬گاهی C2ا…………………………….. 125
5-9-3- شرایط تکیه¬گاهی C3 ا……………………………..128
5-9-4- مقایسه¬ی شرایط تکیه¬گاهی C1، C2 و C3 ا…..132
5-10- تحلیل مسیر جایگزین………………………………… 134
5-10-1- تحلیل مسیر جایگزین بافتار ا……………………… 134
5-10-1-1- شرایط تکیه¬گاهی C1 ا………………………..135
5-10-1-2- شرایط تکیه¬گاهی C2 ا………………………..141
5-10-2- تحلیل مسیر جایگزین بافتار 2 …………………….147
5-10-2-1- شرایط تکیه¬گاهی C1 ا…………………………148
5-10-2-2- شرایط تکیه¬گاهی C2 ا………………………..155
5-10-3- تحلیل مسیر جایگزین بافتار 3 ا…………………….163
5-10-3-1- شرایط تکیه¬گاهی C1 ا………………………..165
5-10-3-2- شرایط تکیه¬گاهی C2 ا………………………..174
5-11- نتیجه¬گیری………………………………………… 182
5-11-1- نتایج حاصل از تحلیل ناپایداری استاتیکی…… 182
5-11-2- نتایج حاصل از تحلیل مسیر جایگزین…………. 186

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فصل ششم – نتیجه¬گیری و پیشنهادات

علی¬رغم مطالعات استاتیکی و دینامیکی زیادی که بر روی سازه¬های کش¬بستی صورت گرفته اما تأثیر توزیع¬های مختلف خودتنش بر روی پایداری استاتیکی این سازه¬ها مورد مطالعه قرار نگرفته است. از طرفی دیگر، توزیع¬های خودتنش، تأثیر بسزایی در سختی سازه¬های کش¬بستی دارد که خود پارامتر مهمی در پایداری این سازه¬ها می¬باشد. بایستی توجه داشت که میانگین تراز خودتنش و صلبیت یا انعطاف پذیری بافتارهای کش¬بستی نقش مهمی در سختی اولیه و شل¬شدگی عناصر کابلی دارد. همچنین در این سیستم¬ها، طراحی خودتنش باید به¬ گونه¬ای انجام شود که سختی یکطرفه عناصر کابلی تأمین شود. لذا در این مطالعه، تأثیر توزیع¬های خودتنش بر روی رفتار پایداری بافتار¬های تخت کش¬بستی به ازای شرایط مرزی مختلف، مورد بررسی قرار گرفت. بافتارهای مورد مطالعه به صورت زیر می¬باشند:
● بافتار1: این بافتار، از یک شبکه¬ی دولایه¬ی صلب مربعی ¬شکل 5×5، شامل دستک¬های ناپیوسته با آرایش هندسی منظم که نوع اتصال آن به صورت رأس و لبه می¬باشد، تشکیل شده است. همچنین از نظر هندسی دارای ارتفاع 5/1 متر، طول دهانه 10 متر بوده و شامل 260 عضو کششی(کابل) و 100 عضو فشاری(دستک) می¬باشد.
● بافتار2: این بافتار، از یک شبکه¬ی دولایه¬ی انعطاف¬پذیر مربعی ¬شکل 6×6، شامل دستک¬های ناپیوسته¬ با آرایش هندسی نامنظم که نوع اتصال آن به¬صورت رأس و لبه می¬باشد، تشکیل شده است. همچنین از نظر هندسی دارای ارتفاع 5/1 متر، طول دهانه 12 متر و شامل 288 کابل و 144 دستک می¬باشد.
● بافتار3: این بافتار، از یک شبکه¬ی دولایه¬ی صلب مربعی ¬شکل 6×6، شامل دستک¬های پیوسته با آرایش هندسی منظم که نوع اتصال آن به¬صورت لب به لب می¬باشد، تشکیل شده است. از نظر هندسی، دارای ارتفاع 5/1 متر، طول دهانه 12 متر و شامل 312 کابل و 144 دستک می¬باشد.
همچنین شرایط مرزی در نظر گرفته شده شامل سه نوع از شرایط تکیه¬گاهی می¬باشد که در بافتارهای 1 و 2، تکیه¬گاه¬ها در لبه¬های کناری لایه پایینی بافتار قرار گرفته¬اند، در حالی که در بافتار 3، این قیود در لایه¬ی بالایی قرار دارند. این شرایط تکیه¬گاهی به صورت زیر می¬باشند:
– شرایط تکیه¬گاهی C1 : در این نوع از شرایط تکیه¬گاهی، تکیه¬گاه¬ها در کناره¬های بافتارها و در سه جهت X، Y و Z مقید شده¬اند.
– شرایط تکیه¬گاهی ¬C2: در این نوع از شرایط تکیه¬گاهی، گره¬های گوشه در سه جهت X، Y و Z اما بقیه¬ی گره¬های لبه¬ها تنها در جهت Z مقید شده¬اند.
– شرایط تکیه گاهی C3¬: در این نوع از شرایط تکیه¬گاهی، گره¬ها در کناره¬های بافتار به ¬صورت یک در میان به ترتیب در سه جهت X، Y و Z و در جهت Z مقید شده¬اند.
در این مطالعه، تحلیل¬های ناپایداری استاتیکی در بافتار1 تحت شرایط تکیه¬گاهی C1 و C2 و در بافتارهای 2 و 3 تحت هر سه نوع از شرایط تکیه¬گاهی، مورد بررسی و ارزیابی قرارگرفته¬اند. همچنین تحلیل¬های مسیر جایگزین در هر سه بافتار، تنها تحت شرایط تکیه¬گاهی C1 و C2 انجام گرفته است. این تحلیل ها با لحاظ کردن شرایط غیرخطی هندسی و مصالح و با استفاده روش Riks انجام گرفته¬اند.
در این مطالعه، قبل از انجام تحلیل¬های خرابی، ابتدا طراحی توزیع¬های خودتنش به منظور بدست آوردن یک حالت خودتنش سازگار کلی با استفاده از روابط تعادل مربوط به بافتارهای کش-بستی و یکی از روش¬های برنامه¬ریزی خطی (سیمپلکس) با کمک نرم افزار MATLAB انجام شد و پس از آن، بافتارهای کش¬بستی، تحت بارهای سرویس و نهایی طراحی شدند. توزیع های خودتنش در نظر گرفته شده در این مطالعه به صورت سه نوع توزیع خودتنش می¬باشد که در زیر معرفی می¬شوند:
1- توزیع یکنواخت که در آن مقادیر تراز خودتنش تمامی دستک¬ها به اندازه¬ی 50% ظرفیت کمانشی آن¬ها می¬باشد.

6-1- مقدمه……………………………………………………………………….. 192
6-2- نتایج تحلیل ناپایداری استاتیکی به ازای توزیع¬های مختلف خودتنش 194
6-3- نتایج تحلیل مسیر جایگزین به ازای توزیع¬های مختلف خودتنش…… 198
6-4- موضوعات پیشنهادی برای مطالعات آتی ……………………………….201
منابع……………………………………………………………………………..202

 

Abstract
Tensegrity systems are a new type of space frame structures, which have attracted engineers’ attention due to their light weight, deployability, easy tunability, redundancy, scalability, and high degree of static indeterminacy. A tensegrity system consists of any arbitrary set of tensile members which are connected to a tensegrity structure of compressed members, and a tensegrity structure is a structure that can be stabilized by means of some internal tensile members. There have been many analysis of static instability carried out on tenesgrity structures, which have considered various parameters related to the static analysis of these structures, but the effects of different self-stressed distributions on the static stability of these structures have not been studied. Since the stability of these structures is based on the initial self-stress of the members, it is of great significance to study the effects of different self-stress distributions on static instability of these structures.
In the current thesis, after defining tensegrity structures and describing their various structures, the static and dynamic studies carried out on them are reviewed. In order to study static stability behavior of different tensegrity structures under different distributions of self-stress, and to perform alternate path analysis in different boundary conditions, the non-linear analysis is carried out using finite element modeling on these structures. To this end, after finite element modeling being approved, Riks method is employed to draw non-linear equilibrium paths of the structure. Eventually, the effect of different self-stress distributions in static instability analysis, and the effect of losing a member in alternate path analysis on failure mechanism, load carrying capacity, and rigidity have been researched. This study indicates that designing a self-stress model in these structures can have an effective role in load carrying capacity, rigidity, cable slack threshold, and the type of failure mechanism



بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

خرید فایل word

قیمت35000تومان

.