کلیات تئوری پایداری سازه ها

کلیات تئوری پایداری سازه ها

اسلاید 1: كريم عابديStability Theory of Structuresتئوری پایداری سازه ها

اسلاید 2: فصل اول کلیات (مقدمه – مبانی)

اسلاید 3: فصل اول :کلیات (مقدمه – مبانی)١- فلسفه و چرایی مبحث پایداری سازه هاخط سیر سازه ها از٢٠٠سال پیش تا کنون :Light and Thin StructuresHeavy and Thick Structuresعلل این خط سیر: استفاده از مصالح با مقاومت بالا ضرورت اقتصادی بودن سازه ها نیاز به سیستم های پیچیده و ظریف سازه ای پیشرفت روش های طراحی و ابداع روشهای نوین ارتقای سطح تکنولوژی ساخت پیشرفت تکنیک های بهینه سازی ابداع مصالح نوین↓

اسلاید 4: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)Light and Thinشدن سازه ها عواقب زیر را در پی خواهد داشت: در معرض صدمات فیزیکی قرار گرفتن، دشواری ساخت و نیاز به تخصص های بالاتر، نیاز به تخصص بالاتر و پیچیده تر تحلیل و طراحی سازه ها.(Specialized Design Capacity)یکی از تخصص های بالا و پیچیده در تحلیل و طراحی سازه ها، آشنایی با مباحث پایداری سازه ها می باشد.

اسلاید 5: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)اکنون رفتار تجربی سه سازه ساده را در نظر می گیریم :الف - یک لوله کوتاه جدار کلفت (Very Squat Tube- Short Thick Tube) (از مصالح شکل پذیر ساخته شده است و تحت اثر بار گسترده یکنواخت فشاری قرار دارد) خرابی اگر اتفاق افتد، می تواند در یک تغییرشکل محوری بسیار بزرگتر از حد تناسب (Limit Proportionality) در نقطه a اتفاق افتد . برای طراحی معمولاً جهت جلوگیری از وقوع پلاستیسیته، بار P در نقطه a نمایشگر حد بالای بارگذاری خواهد بود. بنابراین یک تحلیل خطی (Linear Analysis) برای طراحی کافی خواهد بود . نوع تغییرشکل لوله از نوع باد کردن (Bulging)خواهد بود.

اسلاید 6: فصل اول: کلیات (مقدمه – مبانی)ب - لوله بلند جدار کلفت (Longer Thick Tube)( از مصالح شکل پذیر ساخته شده و تحت اثر بار محوری فشاری گسترده یکنواخت قرار دارد) برای طراحی معمولاً نقطه وقوع پلاستیسیته در نقطه b نمایشگر حد بالای بارگذاری خواهد بود. بنابراین یک تحلیل خطی در طراحی کارایی ندارد و به یک تحلیل غیرخطی الاستیک Nonlinear Analysis) (Elasticنیازاست، که فقط غیرخطی هندسی معمولی را در بر دارد. تغییرشکل از نوع خمشی جانبی (Bowing Sideway) خواهد بود. وقوع پلاستیسیته در نقطه b در نهایت منجر به خرابی در نقطه c میگردد.

اسلاید 7: مبانی پایداری سازه هاBuckling is used to denote the dynamic process in which a structure moves from an unstable to another possibly distant stable state(Longer Thin Tube) پ- لوله بلند جدار نازک( از مصالح شکل پذیر ساخته شده و تحت اثر بار محوری فشاری گسترده یکنواخت قرار دارد)تغییر شکل از نوع کمانش (Buckling)خواهد بود . (توجه شود که اساساً کمانش یک پدیده دینامیکی است)

اسلاید 8: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)برای طراحی معمولاً جهت جلوگیری از وقوع کمانش، نقطه وقوع کمانش در a نمایشگر حد بالای بارگذاری خواهد بود. ولی یک تحلیل خطی، توانایی تشخیص این نقطه را ندارد. بنابراین به یک تحلیل غیرخطی عمومی که شامل غیرخطی های هندسی و مصالح باشد، برای پیش بینی رفتار دقیق مورد نیاز است ( به همراه یک روش کنترل تغییرمکان، به عنوان مثال روش Arc-Length Method ) و در موارد خاص می تواند این تحلیل، یک تحلیل دینامیکی باشد.

اسلاید 9: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)برخی مثال های پدیده ناپایداری در زیر ارائه می شود :الف - کمانش یک ستون در یک قاب

اسلاید 10: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)

اسلاید 11: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)ب - انتشار کمانش در یک خط لوله زیر آب

اسلاید 12: 13

اسلاید 13: 14

اسلاید 14: 15

اسلاید 15: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)پ – کمانش یک پوستهت - کمانش یک برج خنک کننده

اسلاید 16: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)ث – خرابی ساختمان Ronan Point

اسلاید 17: BRNOBUCHARESTفصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)ج - خرابی سالن نمایشگاهی در بخارست (Exposition Hall in Bucharest)

اسلاید 18: Before collapseAfter collapseفصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)COLLAPSE OF EXPOSITION HALL, Bucharest, 1963

اسلاید 19: local bucklingsnap - throughفصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)

اسلاید 20: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)چ - کمانش ریل راه آهن (Sun Kink)

اسلاید 21: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)Dynamic Buckling of Bridge

اسلاید 22: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)این پدیده با تحلیل های معمول خطی قابل ارزیابی نیست.وقوع این پدیده به طور قابل توجهی در ظرفیت باربری سازه (Load- Carrying Capacity) اثر می گذارد، که باید در طراحی اصولی این سازه ها در نظر گرفته شود.پدیده ای بنام پدیده ناپایداری اتفاق می افتد که باید در طراحی این سازه حتماً در نظر گرفته شود.(High Strength - Slender - Lightweight)بنابراین در سازه های لاغر سبک وزن با مقاومت بالا

اسلاید 23: یک نکته مهم:تبیین تفاوت ناپایداری هندسی و ناپایداری سازه ای

اسلاید 24: ٢- تاریخچه تحقیقات در پدیده ناپایداریفصل اول: کلیات (مقدمه – مبانی)Newton (1727-1642)←1686میک سیستم پایدار به طور مجانب بود، مورد بررسی و مطالعه قرارداد.←نوسان میرای پاندول را که بیانگرEuler (1783-1707)1744مبار فشاری مورد مطالعه قرار داد ( اولین مسأ له دوشاخگی Bifurcation).←بافتار تعادل یک ستون الاستیک را تحت اثر←مکانیک مبتنی بر قضایای انرژی را ارائه نمودکه منجر به اصل مینیمم انرژی پتانسیل کلی شد که شرط کافی برای پایداری یک سیستم می باشد. Lagrange (1813-1736) ← ← ← Hamilton (1865- 1805)مکانیک تحلیلی را توسعه دادرا در بررسی پایداری سیستم ها مورد بررسی قرار داد.←معادلات از مرتبه اول

اسلاید 25: فصل اول: کلیات (مقدمه – مبانی)Poincare (پدر تئوری دوشاخگی) (1912- 1854)←تئوری عمومی دوشاخگی را ارائه داد.به طور کاملا ً تفصیلیLiapunov (1918-1857)و توابع تعمیم یافته انرژی را معرفی کرد.←مبانی ریاضی تعاریف پایه ای پایداری را ارائه دادAndronov1937مفهوم هندسی پایداری سازه ای را بیان نمود.←←Koiter1945نظریه غیرخطی دوشاخگی را برای سیستم های الاستیکBudiansky (1960) و همکارانش←←←پیوسته به خصوص پوسته ها ارائه نموددر دانشگاه هاروارد از دیدگاه نوینی نظریه Koiter را بسط دادند. Tompson و همکارانش در اواخر دهه 1960و اوایل 1970، نظریه غیرخطی دوشاخگی را با استفاده از مختصات تعمیم یافته برای سیستم های گسسته یا گسسته سازی شده به کار بردند.

اسلاید 26: فصل اول: کلیات (مقدمه – مبانی)Croll and Walker ← در اوایل 1970، روش های عددی نظیر تفاضلات محدود و عناصرمحدود را برای حل مسائل واقعی در پرتو نظریه غیرخطی دوشاخگی ارائه شده توسط Tompson وهمکارانش به کار بردند.

اسلاید 27: ٣- تعاریف پایداری و ناپایداری در سازه هافصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)پایداری و ناپایداری پدیده هایی هستند که همراه با سیستم های فیزیکی بوده و مربوط به حالت آن سیستم هستند . پایداری حالت سیستمپایداری سیستمپارامترهای داخلی سیستم،شرایط محیطی (خارجی) سیستم.حالت یک سیستم به دو عامل بستگی دارد:حالت یک سیستم در هر لحظه از زمان، پایدار (Stable) نامیده می شود اگر تغییرات نسبتا ً کوچک (Relatively Small Changes) در پارامترهای داخلی سیستم و یا در شرایط محیطی آن، موجب تغییرات نسبتا ً کوچک در حالت موجود آن سیستم شود. (Proportional Changes)

اسلاید 28: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)حالت یک سیستم در هر لحظه از زمان، ناپایدار (Unstable) نامیده می شود اگرتغییرات نسبتا ً کوچک در پارامترهای داخلی سیستم و یا در شرایط محیطی آن، موجب تغییرات نسبتا ًبزرگ (Lrage Change) در حالت موجود آن سیستم شود.(Non-Proportional Changes) حالت سیستم در سازه ها ← حالت تعادل سیستم سازه ای (Equilibrium State) حالت تعادل یک سیستم سازه ای برای توصیف بافتار سازه(Configuration) و شرایط محیطی آن که شرایط تعادل و سازگاری را ارضا می کنند، به کار می رود.داخلی سیستم سازه ای (مشخصات هندسی و مکانیکی سازه) پارامترهای بافتارسازه:شرایط محیطی: شرایط بارگذاری نیرویی و تغییرمکانی

اسلاید 29: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)حالت تعادل پایدار یک سیستم سازه ای :(Stable Equilibrium State)حالت تعادل یک سیستم سازه ای پایدار نامیده می شود، اگر اختلال های کوچک (Small Perturbation – Small Disturbance) در آن حالت، که از تغییرات کوچک در بارگذاری یا اختلال های کوچک در پارامترهای داخلی سیستم سازه ای از جمله تغییرات در هندسه سیستم سازه ای و یا در شرایط مرزی آن ناشی می شود، موجب اختلال های کوچک در حالت تعادل موجود سیستم شود.(Unstable Equilibrium State) حالت تعادل ناپایدار یک سیستم سازه ای:حالت تعادل یک سیستم سازه ای ناپایدار نامیده می شود، اگر اختلال های کوچک در آن حالت، که از تغییرات کوچک در بارگذاری یا اختلال های کوچک در پارامترهای داخلی سیستم سازه ای از جمله تغییرات در هندسه سیستم سازه ای و یا در شرایط مرزی آن ناشی می شود، موجب اختلال های بزرگ در حالت تعادل موجود سیستم شود، به گونه ای که در سیستم به هم خوردگی (Upseting) پیش آید.

اسلاید 30: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)Stableحالت تعادل پایدارUnstableGlobal Instabilityحالت تعادل ناپایدارNeutralحالت تعادل خنثی٤- نمایش سمبولیک پدیده های پایداری و ناپایداریLocal Instabilityناپایداری محلی

اسلاید 31: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی) 5- روش های بررسی پایداری سازه ها ( و معیارهای حاصل از این روش ها )الف) روش تعادل ایستایی (Static Equilibrum Method)برای نشان دادن این روش، یک بازوی صلب ( مفصل در B ) را در نظر می گیریم به گونه ای که وزنه به انتهای بالای A و وزنه به انتهای پایین C متصل شده اند .

اسلاید 32: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)جواب های ممکن برای ارضای معادله تعادل عبارتند از:حالت تعادل این مدل زمانی رخ می دهد که با فرض یک بافتار تغییر مکانی اختیاری ، لنگر برایند صفر باشد، به عبارت دیگر با فرض باید داشته باشیم : مکان های هندسی این حالات ممکن تعادل که مسیرهای تعادل نامیده می شود، در شکل روبرو نشان داده شده است:

اسلاید 33: فصل اول :کلیات (مقدمه – مبانی)برای بررسی پایداری این حالات تعادل، باید یک اختلال تغییر مکانی کوچک ( نظیر ) به سیستم اعمال کنیم و طبیعت لنگر برایند حاصل را مورد بررسی قرار دهیم:در این حالت لنگر برایند عبارت است از:با فرض و خواهیم داشت :اگر این حالت تعادل را در روی هر یک از مسیر های تعادل بررسی کنیم ( به عبارت دیگر : )، در این صورت لنگر خارج از توازن حاصل (out of Balance Moment) عبارت خواهد بود از :

اسلاید 34: فصل اول :کلیات (مقدمه – مبانی)در حالات خاص این لنگر به صورت زیر در می آید:تعادل ناپايدارتعادل خنثيتعادل پايدارتعادل ناپايدارتعادل خنثيتعادل پايدارحالت بحرانی (Critical States)

اسلاید 35: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)بنابراین معیار استخراج شده از روش تعادل عبارت است از:اگر نيروهاي استاتيكي عمل كننده بر روي يك سيستم، بعد از يك تغييرمكان كوچك در حول حالت تعادل، در جهتي باشند كه موجب شوند سيستم به حالت تعادل اوليه خود بازگردد، موقعيت اوليه را يك حالت تعادل پايدار مي ناميم.اگر نيروهاي استاتيكي عمل كننده بر روي يك سيستم، بعد از يك تغيير مكان كوچك در حول حالت تعادل، در جهتي باشند كه موجب شوند سيستم از حالت تعادل اوليه خود دور شده و آشفته شود، در اين صورت موقعيت اوليه را يك حالت تعادل ناپايدار مي ناميم.

اسلاید 36: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)ب - روش انرژي:روش انرژي بر پايه دو اصل موضوع استوار است :1- مقدار ماناي (Stationary Value)تابعك انرژي پتانسيل كلي، نسبت به يك متغير يا چند متغير حالت، شرط لازم و كافي براي تعادل يك مسير است:2- مینیمم نسبی تابعک انرژی پتانسیل کلی(Total Potential Energy Functional ) نسبت به يك متغير حالت ( یا چند متغير حالت)، شرط لازم و كافي براي پایداری یک حالت تعادل است. به عبارت دیگر، مشتق دوم تابعك انرژي پتانسيل كلي يك سيستم نسبت به يك متغير حالت ( یا چند متغير حالت)، پايداري يا ناپايداري حالات تعادل آن سيستم را مشخص مي كند.= انرژی کرنشی سیستم= پتانسیل بارها

اسلاید 37: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)حالت تعادل پایدار→تابعک انرژی پتانسیل کلی مینیمم است→حالت تعادل ناپایدار→تابعک انرژی پتانسیل کلی ماکزیمم است→ →حالت تعادل بحرانیپایدارناپایدار خنثی

اسلاید 38: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)برای نمایش کاربرد روش انرژی، مدل قبلی را مجدداً در نظر می گیریم:تابعک انرژی پتانسیل کلی به صورت زیر می باشد:

اسلاید 39: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی) طبق اصل موضوع اول، حالت یک سیستم می تواند در حال تعادل باشد، اگر و فقط اگر مشتق اول تابعک انرژی پتانسیل کلی نسبت به یک متغیر حالت مساوی صفر باشد (مانابودن انرژی پتانسیل کلی):این معادله همان معادله ای است که با استفاده از روش تعادل به دست آمده بود. طبق اصل موضوع دوم، بررسی پایداری حالات یک سیستم با استفاده از ارزیابی مشتق دوم تابعک انرژی پتانسیل نسبت به یک متغیر حالت امکان پذیر است: مسیر های تعادل :

اسلاید 40: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)ناپايدارخنثيپايدارناپايدارخنثيپايداربحرانی

اسلاید 41: پایدارناپایدار پایدارپایدارناپایدار فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)برای بررسی پایداری این حالت بحرانی، باید مشتقات از مرتبه بالاتر تابعک را مورد ارزیابی قرار دهیم:

اسلاید 42: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)معيار استخراج شده از روش انرژي: اگر لازمه ايجاد يك اختلال كوچك در حالت تعادل يك سيستم، افزايش انرژي پتانسيل كلي باشد، درآن صورت آن حالت تعادل، پايدار است. اگر لازمه ايجاد يك اختلال كوچك در حالت تعادل يك سيستم، كاهش انرژي پتانسيل كلي (آزاد شدن انرژي) باشد، درآن صورت آن حالت تعادل، ناپايدار است.

اسلاید 43: فصل اول :کلیات (مقدمه – مبانی)پ - روش تعادل دینامیکی:برای نشان دادن این روش، همان بازوی صلب را در نظر می گیریم ولی فرض می کنیم که وزن های و همراه با جرم های و می باشند و در یک لحظه زمانی تحت اثر تغییر مکان زاویه ای کوچک و سرعت زاویه ای کوچک و شتاب زاویه ای کوچک قرار می گیرد.اکنون علاوه بر نیروهای وزن و نیروهای اینرسی مربوط به جرم - - و جرم - - درمعادلات تعادل وارد می شوند:

اسلاید 44: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی) با فرض و با بررسی معادله مذکور در روی هر یک از مسیرهای تعادل، معادله فوق به صورت زیر در می آید:که در آن داریم:بسته به علامت ، جواب معادله بالا به صورت زیر می باشد:

اسلاید 45: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)اگر شرایط اولیه را به صورت زیر در نظر بگیریم: ( در زمان t = 0)در این صورت جواب های زیر را خواهیم داشت :

اسلاید 46: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)اگر را بر حسب زمان t رسم کنیم، نمودارهای زیر را خواهیم داشت:مشاهده می کنیم که طبیعت پاسخ فیزیکی وابسته به علامت 2 α است و 2 α نیز وابسته به (1-p) است در حالت p =0، پاسخ سیستم به یک اختلال خارجی، یک نوسان با فرکانس بسیار بالا می باشد.(α2>>0) با افزایش p (یعنی افزایش W1)، فرکانس نوسان شروع به کاهش می کند و در نهایت در p =1 به فرکانس صفر می رسد.(α2=0) در حالت p >1، پاسخ سیستم به گونه ای است که با یک اختلال کوچک با افزایش زمان، دامنه و سرعت به شدت افزایش پیدا می کند.(α2<0)

اسلاید 47: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)معیار استخراج شده از روش تعادل دینامیکی عبارت است از: اگر کلیه فرکانس های سیستم برای ارتعاشات کوچک حول یک حالت تعادل، حقیقی (real)و مثبت باشند، در این صورت حالت مذکور یک حالت تعادل پایدار است. اگر حداقل یک فرکانس ارتعاش کوچک حول یک حالت تعادل، موهومی (Imaginary) باشد، در این صورت حالت مذکور یک حالت تعادل ناپایدار است . اگر حداقل یک فرکانس ارتعاش کوچک حول یک حالت تعادل، صفر(zero) باشد، در این صورت حالت مذکور یک حالت بحرانی است . ضرورت بحثی در مورد سختی سازه و رابطه آن با فرکانس سازه(ω=[k/m]1/2)

اسلاید 48: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی)یک ارتباط مفهومی بین معیارهای حاصل از روش انرژی و روش تعادل دینامیکی از طریق تصور رفتار یک گوی کوچک که از حالت تعادل خود تغییر مکان یافته است در یک سطح پتانسیل حاصل می شود . به عنوان مثال برای مسیرتعادل با معادله ، تابعک پتانسیل کلی به ازای مقادیر مختلف به طور شماتیک در شکل زیر نشان داده شده است :

اسلاید 49: فصل اول : کلیات (مقدمه – مبانی) برای حالت p «1 و α2»0، گوی با فرکانس بزرگ تری حول حالت تعادل نوسان خواهد کرد و در اثر عامل میرایی به تعادل اولیه خود باز خواهد گشت (فرکانس بالا).( پتانسیل کلی = مینیمم کاملا مشهود) برای حالت p <1 و α2>0، گوی با فرکانس کوچک تری حول حالت تعادل نوسان خواهد کرد و در اثر عامل میرایی به تعادل اولیه خود باز خواهد گشت (فرکانس پایین). ( پتانسیل کلی = مینیمم نسبتا مشهود) برای حالت p =1 و α2=0، گوی در موقعیت تغییر شکل یافته باقی خواهد ماند، (فرکانس صفر).( پتانسیل کلی = نه مینیمم ، نه ماکزیمم) برای حالت p >1 و α2<0، گوی با سرعت فزاینده از حالت تعادل اولیه خود به سمت حالت تعادل دورتری حرکت خواهد نمود (فرکانس موهومی).( پتانسیل کلی = ماکزیمم مشهود)