فهرست مطالب
چکیده ب
مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………………….ز
.
معادلات تعادل در محیط‏های ایزوتروپ جانبی 1
1-1-مقدمه 2
1-2-بیان مسأله و معادلات حاکم 5
1-3-توابع پتانسیل 9
1-4-شرایط مرزی 13
.
توابع گرین در حالت کلی……………………………………………………………………………………………………………………….25
2-1-مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………………26
2-2-حالت … 27
2-3-تبدیل دستگاه مختصات قطبی به دستگاه مختصات دکارتی و انتقال محورها 30
..
ماتریس سختی شالوده صلب مستطیلی با بهره گرفتن از توابع گرین……………………………………………………………………..33
3-1-مقدمه 34
3-2- بیان مسأله ومعادلات حاکم در حالت شالوده صلب مستطیلی……………………………………………………………….34
3-2-1-توابع شکل مورد استفاده 38
3-2-1-1-توابع شکل المان های لبه ای 8 گره ای 39
3-2-1-2-توابع شکل المان های میانی 8 گره ای 41
3-2-1-3-توابع شکل المان های گوشه 8 گره ای 41
3-2-1-4-فلوچارت برنامه نویسی برای تحلیل مسأله 44

نتایج عددی 47

نتیجه‏گیری و پیشنهادات 77
5-1-مقدمه و نتیجه گیری 78
5-2-پیشنهادات 79
فهرست مراجع 80
 
فهرست شكل‌ها
شکل 1- 1- شكل شماتیک ساختمان، شالوده و زمین زیر آنها 4
شکل 1- 2- شكل شماتیک مدل اجزاء محدود ساختمان، شالوده و زمین زیر آنها 4
شکل 1- 3- شكل شماتیک مدل اجزاء محدود ساختمان و شالوده و توابع امپدانس معادل خاك 5
شکل 1- 4- نیم فضای لایه‏ای متشكل از لایه‏ها با رفتار ایزوتروپ جانبی 6
شکل 1- 5 – نیم‏‏‏‏‏ فضای‏ ایزوتروپ جانبی لایه ای‏ تحت اثر نیروی دلخواه در سطح … …..13
شکل 1- 6-خواص هندسی لایه ام 17
شکل 2- 1- نیم فضای همگن با رفتار ایزوتروپ جانبی تحت نیروی متمرکز دلخواه استاتیکی 27
شکل 2- 2-تبدیل مختصات از دستگاه استوانه ای‏ به دستگاه مختصات دکارتی و انتقال محورها 30
شکل 3- 1– صفحه صلب تحت تغییر مکان صلب در امتداد 36
شکل 3- 2- صفحه صلب تحت تغییر مکان صلب در امتداد 36
شکل 3- 3- صفحه صلب تحت خمش 37
شکل 3- 4 -نحوه المان بندی تنش‏ها‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏در زیر پی صلب 38
شکل 3-5- توابع شکل المان‏های‏ لبه 8 گرهی 40
شکل 3-6- توابع شکل المان‏های‏ میانی 8 گرهی . 42
شکل 3- 7- توابع شکل المان‏های‏ گوشه 8 گرهی 43
شکل 3- 8 -تابع .. 44
شکل 4- 1- تغییر مکان در و بر حسب عمق ناشی از نیروی یکنواخت قائم با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مستطیلی به طول و عرض 53
شکل 4- 2- تغییر مکان در و بر حسب عمق ناشی از نیروی یکنواخت قائم با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مربعی به اضلاع 54
شکل 4- 3- تغییر مکان در و بر حسب عمق ناشی از نیروی یکنواخت افقی با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مستطیلی به طول و عرض 55
شکل 4- 4- تغییر مکان در و بر حسب عمق ناشی از نیروی یکنواخت افقی با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مربعی به اضلاع     56
شکل 4- 5 – تغییر مکان در و بر حسب فاصله افقی ناشی از نیروی یکنواخت قائم با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مستطیلی به طول وعرض    …..57
شکل 4- 6- تغییر مکان در و بر حسب فاصله افقی ناشی از نیروی یکنواخت قائم با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مربعی به اضلاع     58
شکل 4- 7- تغییر مکان در و بر حسب فاصله افقی ناشی از نیروی یکنواخت افقی با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مستطیلی به طول وعرض    59
شکل 4- 8- تغییر مکان در و بر حسب فاصله افقی ناشی از نیروی یکنواخت افقی با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مربعی به اضلاع     60
شکل 4- 9- تنش در و بر حسب عمق ناشی از نیروی یکنواخت قائم با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مستطیلی به طول وعرض    61
شکل 4- 10- تنش در و بر حسب عمق ناشی از نیروی یکنواخت قائم با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مربعی به اضلاع     62
شکل 4- 11- تنش در و بر حسب عمق ناشی از نیروی یکنواخت افقی با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مستطیلی به طول وعرض    63
شکل 4- 12 – تنش در و بر حسب عمق ناشی از نیروی یکنواخت افقی با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مربعی به اضلاع     64
شکل 4-13- تنش در و بر حسب فاصله افقی ناشی از نیروی یکنواخت قائم با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مستطیلی به طول وعرض    65
شکل 4-14- تنش در و بر حسب فاصله افقی ناشی از نیروی یکنواخت قائم با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مربعی به اضلاع   66
شکل 4- 15 – تنش در و بر حسب فاصله افقی ناشی از نیروی یکنواخت افقی با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مستطیلی به طول وعرض . 67
شکل 4- 16 – تنش در و بر حسب فاصله افقی ناشی از نیروی یکنواخت افقی با شدت واحد در حالت استاتیکی وارد بر سطح مربعی به اضلاع     68
شکل 4- 17- تنش سه بعدی در سطح نسبت به ناشی از تغییر مکان افقی ثابت یک صفحه صلب مربعی به ضلع برای در حالت استاتیکی 69
شکل 4- 18- تنش سه بعدی در سطح نسبت به ناشی از تغییر مکان افقی ثابت یک صفحه صلب مربعی به ضلع برای در حالت استاتیکی 70
شکل 4- 19- تنش سه بعدی در سطح نسبت به ناشی از تغییر مکان افقی ثابت یک صفحه صلب مربعی به ضلع برای در حالت استاتیکی 71
شکل 4- 20- تنش سه بعدی در سطح نسبت به ناشی از تغییر مکان افقی ثابت یک صفحه صلب مربعی به ضلع برای در حالت استاتیکی 72
شکل 4- 21- تنش سه بعدی در سطح نسبت به ناشی از تغییر مکان قائم ثابت یک صفحه صلب مربعی به ضلع برای در حالت استاتیکی 73
شکل 4- 22- تنش سه بعدی در سطح نسبت به ناشی از تغییر مکان قائم ثابت یک صفحه صلب مربعی به ضلع برای در حالت استاتیکی 74
شکل 4- 23- تنش سه بعدی در سطح نسبت به ناشی از تغییر مکان قائم ثابت یک صفحه صلب مربعی به ضلع برای در حالت استاتیکی 75
شکل 4- 24- تنش سه بعدی در سطح نسبت به ناشی از تغییر مکان قائم ثابت یک صفحه صلب مربعی به ضلع برای در حالت استاتیکی 76
 
فهرست جدول‌ها
جدول 4- 1- ضرایب ارتجاعی مصالح انتخاب شده 49
جدول 4- 2- نحوه قرارگیری مصالح مختلف برای تعیین جواب عددی 50
جدول 4- 3- سختی یک صفحه مربعی به طول و عرض در محیط های متفاوت 52

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

مقدمه

در این پایان ‌نامه ابتدا پاسخ محیط نیم‏‏‏‏‏ بینهایت لایه ای‏ با رفتار ایزوتروپ جانبی تحت اثر نیروی متمرکز سطحی دلخواه در حالت استاتیکی در محدوده‏‏‏‏ی‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ خطی- ارتجاعی به دست ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏آید. سپس ماتریس سختی پی صلب مستطیلی مستقر بر محیط مذکور در حالت استاتیکی تعیین می‌شود. برای‏ حل، ابتدا معادلات تعادل در فصل اول در دستگاه مختصات استوانه‌ای‏ برای‏ هر‏‏‏‏یک از لایه‏ها نوشته شده و سپس با بهره گرفتن از روابط تنش-كرنش و كرنش- تغییرمكان، معادلات برحسب تغییرمكان‌ها ‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏نوشته می‌شوند. این معادلات به صورت دستگاه معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏باشند. به منظور مجزاسازی آن‏ها، از دو تابع پتانسیل اسكالر در هر لایه استفاده ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏شود. معادلات حاکم بر توابع پتانسیل، معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی از مرتبه 4 و 2 ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏باشند. برای‏ حل معادلات حاکم بر توابع پتانسیل در هر لایه با توجه به شرط منظم بودن از تبدیل انتگرالی هنكل نسبت به مختصه شعاعی و تبدیل فوریه بر حسب مختصه آزیموتی استفاده كرده و جواب در حالت كلی برای‏ كلیه لایه‌ها ‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ تعمیم داده می‏شود.
در ادامه، شرایط مرزی در سطح آزاد نیم‏‏‏‏‏ فضا و شرایط پیوستگی بین لایه‌ها‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ نوشته شده و با بهره گرفتن از شرایط پیوستگی، معادلات ارتباطی بین ضرایب مجهول توابع پتانسیل لایه‏ها ‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏که خود ناشی از انتگرال گیری می باشند، بدست ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏آیند. با برقراری رابطه بازگشتی بین ضرایب لایه‏ها‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏، کلیه ضرایب به جز ضرایب نیم‏‏‏‏‏ فضای‏ تحتانی حذف شده و ضرایب نیم‏‏‏‏‏ فضای‏ تحتانی به کمک شرایط مرزی در سطح آزاد تعیین ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏شوند و از آن بقیه ثابت‌ها‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ با بهره گرفتن از ارتباط بین لایه‌ها‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ (شرایط پیوستگی) بدست ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏آیند. سپس، با بهره گرفتن از روابط تنش- تابع پتانسیل و تغییر مكان- تابع پتانسیل، تنش‌ها ‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏و تغییرمکان‌ها‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ در فضای‏ هنكل به دست آمده و با كمك تبدیل معكوس هنكل و سری فوریه، تنش‌ها‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ و تغییر مكان‌ها‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ در فضای‏ واقعی به دست می‏آیند.
در فصل دوم با تغییر دستگاه مختصات از استوانه‌ای‏ به دکارتی، توابع گرین تغییر‌مکان و تنش در دستگاه مختصات دکارتی به‌دست آمده و با انتقال دستگاه مختصات از مبداء به‏‏‏‏ یک نقطه سطحی دلخواه، توابع تغییرمکان و تنش برای‏ بارگذاری خارج از مبداء مختصات بدست می‌آیند. بدین ترتیب توابع گرین برای‏ بار دلخواه تعیین می‌شوند. با بهره گرفتن از توابع گرین تغییرمکان و تنش، این توابع برای‏ نیروی موثر بر‏‏‏‏ یک سطح مربع مستطیل تعیین می‌شوند.
در فصل سوم با نوشتن معادلات به فرمت اجزاء محدود و استفاده از المانی جدید به نام المان گرادیانی پویا، تنش تماسی قائم و افقی در هر گره مربوط به شالوده چنان تعیین می‌شوند که شرط تغییرمکان صلب و‏‏‏‏ یا دوران صلب در هر نقطه از صفحه را ارضاء نماید. دستگاه معادلات حاکم بر تنش تماسی قائم و افقی به صورت عددی حل می‌شود. با بهره گرفتن از تنش‏های‏ تماسی نیروهای‏ کل تماسی و گشتاور خمشی کل در محل تماس شالوده و نیم‏‏‏‏‏ فضای‏ لایه ای‏ به دست ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏آید. ماتریس تبدیل بردار تغییر مکان‏ها ‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏و دوران صلب به نیروهای‏ افقی، قائم و گشتاور خمشی را ماتریس سختی نیم‏‏‏‏‏ فضا برای‏ شالوده ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏نامیم. این ماتریس با برقراری ارتباط اخیرالذکر بدست ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏آید. ماتریس سختی ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏تواند جایگزین خاك زیر شالوده شده و به افزایش دقت در آنالیز سازه‏های‏ سنگین مستقر بر محیط‏های‏ ایزوتروپ جانبی لایه ای‏  کمک کند.

 

 
 

فصل اول

 

معادلات تعادل
در محیط‏های‏ ایزوتروپ جانبی لایه ای

 

 

 

1-1- مقدمه

تحلیل استاتیکی و دینامیکی سازه‏های‏ سنگین مستقر بر زمین (شکل 1-1) نیاز به فهم چگونگی انتقال نیرو از سازه به خاک و جنبه‏های‏ مختلف آن را دارد، چه در غیر این صورت نتایج تحلیل سازه ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏تواند با دقت کم همراه باشد. در این موارد، همواره برای‏ داشتن طرح مطمئن نیاز به ساده سازی‌های‏ محافظه کارانه و در نتیجه غیراقتصادی می‌باشد. یکی از راه‌های‏ در نظر گرفتن اندرکنش خاک و سازه، المان‌بندی محیط زمین زیر ساختمان به روش اجزاء ‌محدود (شکل 1-2) می‌باشد. تحلیل سازه به همراه محیط زیرین مطابق این روش اولاً بسیار پرهزینه بوده و ثانیاً به علت عدم توانایی المان‌بندی زمین تا بی‌نهایت ممکن است از دقت مناسب برخوردار نباشد. بسیاری از مصالح در طبیعت و نیز ساخته‏های‏ مصنوعی رفتار ایزوتروپ جانبی دارند. از آنجمله می توان به رفتار اعضای‏ مستقیماً برگرفته از تنه درختان، محیط خاكی زیر ساختمانها ‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏و صفحات چند لایه نام برد .اهمیت بررسی پاسخ این مصالح از دیر باز مورد توجه بوده بطوری كه میشل در سال 1900 میلادی به بررسی یک نیم فضای ایزوتروپ جانبی تحت نیروهای سطحی دلخواه پرداخته است [19] . لخنیتسكی در سال 1940 محیط ایزوتروپ جانبی را در حالت متقارن محوری و بدون پیچش در نظر گرفته و معادلات درگیر حاكم بر مسئله را با معرفی یک تابع پتانسیل به صورت مجزا و قابل حل درآورده است [17] . نواكی تابع پتانسیل لخنیتسكی را مجدداًٌ به دست آورده و ادعا كرده است كه این جواب محدود به مسائل متقارن نیست [20] . هو محیط ایزوتروپ جانبی را در حالت كلی مورد توجه قرار داده و تابع پتانسیل لخنیسكی را برای‏ حالت کلی تکمیل کرده است [15]. این تابع هم اكنون در ادبیات مكانیک محیط پیوسته با رفتار ایزوتروپ جانبی به نام تابع لخنیسکی- هو- نواكی مشهور است. بررسی محیط با رفتار ایزوتروپ جانبی به وسیله دیگران همچون ونگ و ونگ [29] ، ایوبنکس و استرنبرگ [14] ، الیوت [7] و پن وچو [24] نیز در حالت استاتیکی بررسی شده است. این محیط در حالت دینامیکی توسط اسکندری قادی [8] ، رحیمیان و همکاران [25] و دیگران مورد توجه قرار گرفته است.
در واقعیت خواص محیط زیر شالوده بر حسب عمق ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏تواند تغییر کند. در نتیجه به منظور واقعی‌تر کردن تحلیل فوق‌الذکر، در این پایان نامه محیط ایزوتروپ جانبی به عنوان محیط مبنا در نظر گرفته شده و اجتماع لایه ای‏ محیط‏های‏ ایزوتروپ جانبی با خواص متفاوت تحت اثر تغییر مکان صلب صفحه مستطیلی مورد تحلیل قرار ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏گیرد. با این بررسی تنش‏های‏ تماسی بین شالوده مستطیلی و نیم‏‏‏‏‏ فضای‏ لایه ای‏ ناشی از تغییر مکان‏‏‏‏ یا دوران صلب شالوده به دست آیند. تنش تماسی در لبه‏های‏ شالوده صلب رفتاری تکین از خود نشان ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏دهد و درک این مفهوم به طراحی سازه‏های‏ سنگین و آنالیز نشیمن آن بسیار کمک ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏کند. به علاوه، با تعیین نیروهای‏ تماسی کل بین شالوده و نیم‏‏‏‏‏ فضا بردار مجموع نیروها ‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏و گشتاورهای‏ تماسی بدست ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏آیند. مجموعه تغییر مکان‏ها ‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏و دوران صلب شالوده نیز‏‏‏‏ یک بردار با همان بُعد بردار نیروها‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ تشکیل ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏دهد. ماتریس تبدیل بردار تغییر مکان به بردار نیروها‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ را ماتریس سختی و معکوس این ماتریس،‏‏‏‏ یعنی ماتریس تبدیل بردار نیروها ‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏به بردار تغییر مکان را ماتریس نر‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏نامند. درایه‏های‏ ماتریس سختی پارامترهای‏ متمرکز جایگزین محیط لایه ای‏ ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏باشند. این پارامترها‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ که همان سختی فنرهای‏ معرف محیط لایه ای‏ ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏باشند (شکل 1- 3)، اثر محیط لایه ای‏ روی شالوده و در نتیجه سازه روی شالوده را مدلسازی ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏کنند. این پارامترها‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ در متون مرتبط فنر وینکلر نیز نام دارند.
شکل 1- 1- شكل شماتیک ساختمان، شالوده و زمین زیر آنها
 
شکل 1- 2- شكل شماتیک مدل اجزاء محدود ساختمان، شالوده و زمین زیر آنها
 
شکل 1- 3- شكل شماتیک مدل اجزاء محدود ساختمان و شالوده و سختی معادل خاك
 
 
 
 
1-2- بیان مساله و معادلات حاکم
یک محیط نیمه متناهی ارتجاعی شامل لایه موازی با خصوصیات مصالح مختلف كه همگی دارای‏ رفتار ایزوتروپ جانبی می‌باشند در دستگاه مختصات استوانه‌ای چنان در نظر گرفته می‌شود که محور عمود بر صفحه ایزوتروپی تما‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏لایه‌ها ‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏بوده و جهت مثبت محور به سمت داخل نیم فضا ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏باشد (شكل 1-4).
شکل 1- 4- نیم فضای لایه‏ای متشكل از لایه‏ها‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏ با رفتار ایزوتروپ جانبی
در این‌صورت معادلات تعادل بر حسب تنش‌ها ‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏برای یک لایه عمو‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏در غیاب نیروهای‏ حجمی ‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏به صورت زیر نوشته می‌شوند[1] [17] :
(1-1)
که در آن با مؤلفه های‏ تانسور تنش[2] ‏می‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏‏باشند.
رابطه کرنش- تنش در مصالح ایزوتروپ جانبی برای‏ یک لایه عمو‏می بصورت زیر است [17] :
(1-2)
که در آن داریم:
(1-3)
اگر معرف مدول یانگ در صفحه ایزوتروپی، مدول یانگ عمود بر صفحه ایزوتروپی، ضریب پواسون در صفحه ایزوتروپی (جمع شدگی در امتداد دلخواه در صفحه ایزوتروپی به علت کشش عمود بر امتداد قبلی در همین صفحه)، ضریب پواسون عمود بر صفحه ایزوتروپی (جمع شدگی عمود بر صفحه ایزوتروپی به علت کشش در این صفحه)، مدول برشی در صفحه ایزوتروپی و مدول برشی در صفحات عمود بر صفحه ایزوتروپی باشد، خواهیم داشت:
(1-4)
با بهره گرفتن از رابطه (1-2)، رابطه تنش- کرنش به صورت زیر درمی‌آید:
(1-5)
ضرایب با بر حسب به صورت زیر هستند:
(1-6)
که در آن:

ثبت زمان

تعیین محل

تعیین شدت

هشدار(آلارم)

اعمال فعالیت در صورت قطع مانیتورینگ

تعیین طول عمر باقیمانده (جلوگیری از بارگذاری اضافه)

تشخیص نوع تعمیر (تعمیر خودکار)

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
شکل ‏1‑1: تشكیلات سیستم مانیتورینگ سلامت سازه. [69]
در شكل(1-1) ساختار سیستم SHM به تصویر کشیده شد(بخش(1-2-3)). این سیستم مربوط به تابع مانیتورینگ سراسری سازه[6] می‌باشد. انواع پدیده‌های فیزیکی در بحث مانیتورینگ باید مطالعه شوند در ذیل ارائه شده‌اند.
الف) نوع پدیده فیزیكی مربوط به آسیب كه توسط حسگرها مانیتوره شده است.
ب) نوع پدیده فیزیكی كه بوسیله حسگرها برای تولید، دریافت، ارسال و ذخیره‌سازی سیگنال(معمولا الكتریكی) در زیر سیستم‌ها استفاده می‌شود. چند نوع حسگر مشابه كه داده‌ها را همزمان برای یک سیستم ارسال می‌كنند، یک شبكه حسگری[7] را تشکیل داده كه در نهایت داده‌های آنها با دیگر حسگرها ادغام شده و حسگرهای دیگر نیز با بهره گرفتن از سیستم مانیتورینگ وظیفه نظارت بر شرایط محیطی را انجام می‌دهند. سیگنال‌های تحویل داده شده بوسیله زیر سیستم یكپارچه مانیتورینگ ثبت شده و توسط كنترلر استفاده می‌شوند. در نهایت کلیه این عوامل منجر به ایجاد یک سیستم تشخیص عیب کامل سازه‌ای می‌شوند. [6,14,15]

1-2       آشنایی با انواع آسیب‌

هدف اصلی این پروژه ارائه روش‌هایی نوین برای کشف آسیب‌های سازه‌ای می‌باشد. در ابتدا مفاهیم پایه‌ای آسیب ارائه می‌شود.

1-2-1     مفاهیم پایه‌ای آسیب

نزدیک به سه دهه است که تلاش‌های فراوانی برای کشف آسیب صورت گرفته است. در ده سال گذشته با ورود سیستم‌های مانیتورینگ سلامت سازه‌ای رشد چشمگیری در تکنولوژی کشف آسیب صورت گرفته است. تاکنون تعریف‌های گوناگونی از آسیب ارائه شده است. در این جا سعی بر این است که ساده‌ترین و جامع‌ترین تعریف آسیب ارائه شود. آسیب تغییر در خواص هندسی یا خواص ماده شامل تغییر در شرایط مرزی، اتصالات و… می‌باشد که تاثیر نامطلوبی بر عملکرد سازه می‌گذارد. به بیان دیگر آسیب، تغییر در عملکرد مطلوب سازه می‌باشد. مفهوم آسیب زمانی که با شرایط حالت سالم(بدون آسیب) مقایسه شود، معنا پیدا می‌کند. بدلیل اینکه این پروژه بر روی آسیب‌های مکانیکی و سازه‌ای تمرکز دارد، آسیب به تغییر در خواص هندسی و خواص ماده محدود می‌شود.[15]
شروع همه آسیب‌ها از سطح ماده است. البته ذکر این نکته ضروری است که آسیب لزوما به معنای از دست رفتن عملکرد کل سیستم نمی‌باشد اما اگر آسیب در مراحل اولیه کشف نشود، عملکرد کل سیستم کوتاه شده و در نهایت سیستم بین می‌رود(شکست کل سازه). امروزه تلاش پیشرفته‌ترین تکنولوژی‌های کشف آسیب این است که آسیب را در همان مراحل اولیه شناسایی کنند. در ادامه انواع آسیب و دلایل بروز آنها شرح داده می‌شود.

1-2-2     عوامل وقوع آسیب در صنایع هوافضا و عمران

 

1. خوردگی[8]: بیشتر در سازه‌های فلزی و بتنی رخ می‌دهد.
2. ارتعاشات: در سازه بال هواپیما و پل‌ها.
3. ضربه: این آسیب در سازه‌های کامپوزیتی چشمگیر است.
4. فرود دشوار[9]: در سازه‌های هوایی رایج است.
5. بارگذاری بیش از حد[10]: بیشتر در سازه‌های هوایی، عمرانی و دریایی رایج است.
6. تصادف[11].
7. سقوط[12].
8. تورق[13]: در سازه‌های کامپوزیتی رواج دارد.

1-2-3     طبقه‌بندی آسیب‌های سازه‌ای

 

1. کلاس1: آسیب‌هایی ناچیز[14]: آسیب سطحی و ناچیز بوده تا حدی که می‌توان از آن صرفنظر کرد. آسیب‌هایی مانند فرورفتگی[15] روی سطح خارجی سازه هواپیما از این دست می‌باشند. این نوع آسیب‌ها اگر در هواپیما رخ دهند، هواپیما می‌تواند به پرواز خود ادامه دهد(اصطلاحا نیاز نیست هواپیما گراند شود).
2. کلاس2: آسیب‌های قابل تعمیر[16]: این نوع آسیب‌ها در انواع سازه‌ رایج بوده و در صورتی‌که به سرعت کشف شوند، مشکل ساز نبوده ولی اگر به آنها بی توجهی شود، پییشرفت کرده و سبب از کار افتادن آن ناحیه(قطعه) می‌شوند. آسیب‌هایی از قبیل سوراخ[17] و ترک[18] از این قبیل می‌باشند. در صورت بروز این آسیبها در صنایع هوایی از پرواز هواپیما جلوگیری شده(اصطلاحا هواپیما گراند می‌شود) و بعد از رفع آسیب و تایید واحد کنترل کیفیت[19] هواپیما صلاحیت پرواز را پیدا می‌کند.
3. کلاس3: تعویض: قطعه آسیب دیده از رده خارج است[20] و قابل تعمیر نبوده و باید تعویض شود.

انواع آسیب سازه‌ای:

• خوردگی.
• ترک.
• تورق.
• حفره.
• سوراخ.
• ناپیوستگی اتصالات[21].
• انحراف از موقعیت.
• شل شدگی یا تزلزل اتصالات.
• خروج از مرکزیت.
• تغییر خواص ماده.

سیستم مانیتورینگ سلامت سازه توانایی کشف آسیب در مراحل اولیه و جلوگیری از رشد آسیب(جلوگیری از بارگذاری اضافی در ناحیه آسیب دیده)،

 ترمیم خودکار آسیب(با بهره گرفتن از مواد و حسگرهای هوشمند)، جلوگیری از تجمع آسیب و نمایان کردن عمر باقیمانده ناحیه یا قطعه آسیب دیده را دارد(شکل(1-1)).[14]

1-2-4     الگوریتم‌ کشف آسیب توسط سیستم مانتیتورینگ سلامت

 

1. تشخیص آسیب.
2. ثبت زمان وقوع آسیب.
3. تعیین محل آسیب.
4. تعیین شدت آسیب(بررسی کیفیت آسیب).
5. اعمال اجرایی(نظیر نوع اخطار).
6. تعیین طول عمر باقیمانده قطعه آسیب دیده و کل سازه.
7. تشخیص نوع تعمیر

شناسایی و تشخیص آسیب بوسیله تجمیع چهار مرحله زیر انجام می‌شود.

1. مانیتورینگ شرایط(CM)[22]: مشابه تکنولوژی مانیتورینگ سلامت سازه است ولی بیشتر در تعیین مکان آسیب استفاده می‌شود.
2. روش ارزیابی غیر‌مخرب(NDE)[23]: بعد از اینکه آسیب وارد شد بصورت خارج از شبکه[24] و موضعی انجام می‌شود و از آن برای تعیین خسارت نیز استفاده می‌شود.[52]
3. کنترل فرایند آماری(SPC)[25]: متشکل از شبکه حسگری بوده که برای مانیتوره کردن تغییرات فرایند استفاده می‌شود.
4. پیش‌بینی آسیب(DP)[26]: برای پیش‌بینی عمر مفید باقیمانده آسیب استفاده شده و به سه فاکتور قبل نیز وابسته می‌باشد[48].

سیستم‌های مانیتورینگ دو نوع تكنیک بازرسی سراسری و محلی(در فصل بعد بطور کامل توصیف می‌شوند) را پیشنهاد می‌كنند. تكنیك‌های سراسری برای بازرسی‌ها و مناطق نسبتا بزرگ و بحرانی بوده و با هدف مكان‌یابی آسیب مورد استفاده قرار می‌گیرند.[57]
اپراتورهای هوایی می‌خواهند حداقل عملكردی مشابه سیستم‌های رایج و حتی بهتر از آن‌ ها داشته باشند. تكنیك‌های بازرسی محلی با هدف كشف آسیب‌های ویژه به طور طبیعی بر روی روش‌های جهانی بازرسی تمركز كرده‌اند.
تكنیك‌های دینامیكی به منظور اینكه از انتشار آسیب در صورت وقوع آن جلوگیری كنند، باید بطور مداوم فعال باشند. اپراتورهای هوایی فقط سیستم‌هایی از مانیتورینگ سلامت را كه حجم كار و زمان تعمیر و نگه‌داری را افزایش نمی‌دهند، اختیار می‌كنند[65].

1-3       مقدمه ای بر مواد مرکب

 

1-3-1     مقدمه

در این بخش توضیحات مختصری درباب تکنولوژی مواد مرکب ارائه می‌شود. مواد مرکب بیانگر ترکیب حداقل دو ماده متفاوت در مقیاس ماکروسکوپی جهت حصول ماده جدید می‌باشند. با ظهور مواد مرکب, توسعه چشمگیری در صنایع هوایی، دریایی، عمرانی، پزشکی و… ایجاد شده است، بگونه‌ای که امروزه در بیشتر علوم مهندسی و پزشکی کاربرد فراوانی دارند[70].
رفتار مکانیکی مواد مرکب: مواد مرکب معمولا ناهمگن بوده و از طرف دیگر خصوصیات آنها ایزوتروپ نیز نمی‌باشد، به عبارت دیگر ارتوتروپ و یا در حالت کلی انیزوتروپ می‌باشند.

1-3-2     سازه‌های كامپوزیتی

تلاش برای بدست مواد ممتاز، فرایندهای ابتكاری و اصلاح ایمنی از مهمترین اهداف همه سازنده‌های هواپیما و سازه‌های عمرانی می‌باشد. هدف نهایی ارضا كردن نیازهای مشتری(خطوط هوایی و کاربران نهایی)، كمینه‌سازی هزینه‌ها و افزایش ایمنی در طول عمر سازه می‌باشد[60,70]. همچنین كامپوزیت‌ها اشكالات ذاتی نظیر آسیب‌پذیری ناشی از ضربه، تورق و دسترسی مشكل به اجزاء آن در طی عملیات تعمیر و نگه‌داری دارند. [14,60]
ایرباس A380 نمونه بارزی از تمركز این صنعت بر استفاده از تكنولوژی مواد مرکب و سیستم‌های جدید و می‌باشد. نوآوری در افزایش استفاده از الیاف كربن تقویت شده با پلاستیك‌ها(CFRP[27]) در ساخت سازه‌های اصلی و اولیه برای بخش پرفشار باكهلد و مركز جعبه بال و استفاده از الیاف لایه‌های آلومینیوم شیشه(GLARE) در بدنه تحت فشار, گوشه‌های از آن می‌باشد[2,51,67]. ایرباس380(A380F) با بهره‌گیری از مواد كامپوزیت 50 درصد بار بیشتر(نسبت به خانواده مشابه ایرباس) را جابجا می‌کند و مصرف سوخت بر تن آن نسبت به نزدیكترین رقیب خود، 18درصد كمتر می‌باشد(بیش از 25 درصد از سازه‌ایرباس380 از مواد كامپوزیت تشكیل شده است). [1,52]
B787 نیز از بهترین نمونه‌های هواپیماهای تجاری می‌باشد كه بیش از 50 درصد سازه آن از كامپوزیت تشكیل شده است. سازه اولیه شامل بدنه و بال آن نیز از مواد كامپوزیت ساخته شده است(شكل(1-2)) [7]. نتایج استفاده از مواد مرکب در این هواپیما، صرفه‌جویی در وزن، عملكرد ممتاز و صرفه‌جویی در زمان و هزینه تعمیر و نگه‌داری می‌باشد. سازندگان این وسیله تخمین زده‌اند كه در طی تنها 8 سال اول عمر هواپیما نزدیک به 8 میلیون دلار صرفه‌جویی شود.[7]
شکل ‏1‑2:مواد مورد استفاده در ساخت بوئینگ 787.[7]
 
دستیابی به عملکرد بالاتر، تولید ارزان‌تر، عمر طولانی‌تر و هواپیمایی مساعد با محیط، چالش بزرگی می‌باشد، كه صنعت برای روبرویی با آن و بهره‌گیری از مواد كامپوزیتی پیشرفته و فرایندهای ساخت ابتكاری ذاتی این راه را انتخاب كرده است. به هرحال باید متقاعد شد كه صرفه‌جویی در هزینه‌، وزن، زمان و تعمیر و نگه‌داری ناشی از مواد كامپوزیتی، هزینه‌های ایمنی و یكپارچه‌سازی حسگرها را جبران می‌كند. آسیب وارده اغلب در لایه‌های كامپوزیتی واقع شده که تكنیك‌های غیر‌مخرب برای كشف آسیب نیازهای متفاوت و پیچیده‌ای دارند. افزایش استفاده از مواد مركب در سازه‌های اصلی هواپیماها منجر به تعبیه سیستم‌های SHM به جای استفاده از روش‌های سنتی تست‌های غیر‌مخرب در طی زمان‌های تعمیر و نگه‌داری شده است.[65]
[1] Structural Health Monitoring
[2] Condition Based Maintenance
[3] Time Based Maintenance
 
[4] بعد از سپری شدن تعداد ساعات پروازی هر بخشی كه توسط سازنده معین می شود, نیاز به تعمیر یا تعویض پیدا می كند. كلیه كارها توسط سازنده مشخص شده است.
[5] NDE: Nondestructive Evaluation.
[6] Structural Integrity Monitoring
[7] Sensor Network
[8] Corrosion
[9] Hard Landing
[10] Excessive Load
[11] Collision
[12] Crash
[13]ِ Delaminate
[14] Negligible
[15] Dent
[16] Repairable
[17] Hole
[18] Crack
[19] QC: Qualification Control
[20] Scrap
[21]Debonding
[22] Condition Monitoring
[23] Non Destructure Evaluation
[24] Offline
[25] Statistical Process Control
[26] Damage Prognosis
[27] Carbon Fiber Reinforced Plastic
فهرست مطالب
1   مقدمه‌ای بر مانیتورینگ سلامت سازه 1
1-1   مقدمه 1
1-1-1    مفهوم مانیتورینگ سلامت سازه 1
1-1-2    مقدمه‌ای بر مانیتورینگ سلامت سازه 2
1-2   آشنایی با انواع آسیب‌ 4
1-2-1    مفاهیم پایه‌ای آسیب 4
1-2-2    عوامل وقوع آسیب در صنایع هوافضا و  عمران 5
1-2-3    طبقه‌بندی آسیب‌های  سازه‌ای 5
1-2-4    الگوریتم‌ کشف آسیب توسط سیستم مانتیتورینگ سلامت 7
1-3   مقدمه ای بر مواد مرکب 8
1-3-1    مقدمه 8
1-3-2    سازه‌های كامپوزیتی 8
1-4   انگیزه ایجاد مانیتورینگ سلامت سازه 10
1-4-1    ساختار سنتی تعمیر و نگه‌داری 11
1-4-2    تغییرات موثر در ساختار تعمیر و نگه‌داری 12
1-5   مانیتورینگ سلامت سازه‌ها و الهام از محیط زیست 14
1-6   مانیتورینگ سلامت سازه‌ها روشی برای ساخت مواد و سازه‌های هوشمند 17
1-6-1    مقدمه 17
1-7   تست‌های غیر‌مخرب 18
1-7-1    مقدمه 18
1-7-2    تكنیك‌های SHM ،NDE 20
1-8   تکنیک‌های مانیتورینگ سلامت سازه 21
1-8-1    انواع تکنیک‌های موجود 21
1-9   حسگرهای رایج در مانیتورینگ سلامت سازه‌ 23
1-9-1    مقدمه 23
1-9-2    تنوع حسگرها SHM بر اساس نوع سازه 24
1-9-3    انواع حسگرهای مانیتورینگ سلامت سازه‌ها 25
1-9-4    مانیتورینگ خلا نسبی 26
1-10   مدیریت سلامت 27
1-10-1   نیازمندی‌های كاربران نهایی 28
1-11   نتیجه‌گیری و جمع‌بندی 28
2   عملکرد مانیتورینگ سلامت سازه 30
2-1   مفاهیم پایه‌ای، نیازها و فواید 30
2-1-1    مقدمه 30
2-1-2    مفاهیم پایه ای 31
2-1-3    فواید و نیازهای مانیتورینگ 33
2-1-4    مانیتورینگ دائمی طول عمر 34
2-2   فرایندهای مانیتورینگ سلامت سازه 35
2-2-1    عملیات مركزی 35
2-3   نتیجه‌گیری و جمع‌بندی 39
3   حسگرهای فیبرنوری 40
3-1   مقدمه‌ای بر حسگرهای فیبرنوری 40
3-2   تكنولوژی حس فیبرنوری 43
3-2-1    حسگرهای تداخل‌سنج SOFO 44
3-2-2    حسگرهای تداخل‌سنجی فابری پروت 46
3-2-3    حسگرهای FBG 48
3-2-4    حسگرهای پراكندگی رامان و بریلویین توزیع شده 48
3-3   بسته‌بندی حسگر 50
3-4   كابل‌های سیستم حس توزیع شده 54
3-4-1    مقدمه 54
3-4-2    كابل حس درجه‌حرارت 55
3-4-3     نوار حس كرنش اسمارتیپ 56
3-4-4    حس درجه‌حرارت و كرنش تركیب شده: پروفایل هوشمند 58
3-5   نتیجه‌گیری و جمع‌بندی 58
4   حسگرهای تغییرشکل فیبرنوری, تفسیر و اندازه‌گیری 60
4-1   مولفه‌های کرنش و تکامل زمانی کرنش 60
4-1-1    مفاهیم پایه ای 60
4-1-2    کرنش سازه‌ای 64
4-1-3    کرنش حرارتی 67
4-1-4    خزش 68
4-1-5    افت حجمی 70
4-1-6    زمان و اندازه‌گیری مرجع 71
4-2   اندازه‌گیری و طول گیج حسگر 72
4-2-1    مقدمه 72
4-2-2    حسگر اندازه‌گیری تغییر شکل 73
4-2-3    مانیتورینگ سازه‌ای یکپارچه: مفاهیم پایه‌ای 75
4-2-4    حسگرهای اندازه‌گیری در مواد همگن, حداکثر طول گیج 77
4-2-5    حسگر اندازه‌گیری در مواد ناهمگن: حداقل طول گیج 92
4-2-6    معیار تعیین طول گیج حسگر 97
4-2-7    ارزیابی و اعتبارسنجی معیار تعیین طول گیج 99
4-3   تفسیر اندازه‌گیری کرنش 100
4-3-1    مقدمه 100
4-3-2    منابع خطا و کشف شرایط غیر معمول سازه‌ای 101
4-3-3    تعیین مولفه‌های کرنش و تنش برای اندازه‌گیری کرنش کل 106
4-4   نتیجه‌گیری و جمع‌بندی 111
5   نتیجه‌گیری و جمع‌بندی 114
5-1   نتیجه‌گیری 114
5-2   دستآوردها 116
5-3   پیشنهاداتی برای پروژه‌های آتی 116
فهرست مراجع………………………………………………………………………………………………….117
 
 
فهرست شکل‌ها
شکل ‏1‑1: تشكیلات سیستم مانیتورینگ سلامت سازه. 3
شکل ‏1‑2:مواد مورد استفاده در ساخت بوئینگ 787. 10
شکل ‏1‑3: مزایای سیستم SHM برای كاربران نهایی. 13
شکل ‏1‑4:طرح شماتیكی از پوست انسان كه نمایانگر تنوع حسگرها و عملگرها و سازه كاملا هوشمند آن می‌باشد 16
شکل ‏1‑5: مقایسه بین سیستم عصبی انسان و ساختار SHM. 16
شکل ‏1‑6 : سیر تکامل مواد.. 17
شکل ‏1‑7:  اجزای اصلی سیستم SHM. 20
شکل ‏1‑8: انواع حسگرهای مورد استفاده سیستم مانیتورینگ: مقایسه بین مهندسی هوافضا و مهندسی عمران 24
شکل ‏1‑9: حسگرهای مورد استفاده در ایرباس320. 26
شکل ‏1‑10: حسگرهای سطح CVM. 26
شکل ‏1‑11: سیستم مدیریت سلامت سازه هواپیما. 28
شکل ‏2‑1: مقایسه بین فرایند مانیتورینگ و سیستم رفع عیب بدن انسان. 33
شکل ‏2‑2: روش‌های جمع‌ آوری داده. 38
شکل ‏2‑3: روش‌های نگه‌داری داده و دستیابی به داده. 39
شکل ‏3‑1: طبقه‌بندی تكنولوژی‌های حس فیبرنوری. 44
شکل ‏3‑2: ستاپ سیستم حسگر تداخل‌سنج SOFO. 45
شکل ‏3‑3: واحد قرائت SOFO پرتابل و نصب پایدار. 46
شکل ‏3‑4: قواعد اصلی حسگرهای فابری پروت. 47
شکل ‏3‑5: تفكیک كننده برای تداخل های فابری پروت برای كانال‌های چندتایی و گره ها. 47
شکل ‏3‑6: حسگرهای چندگانه FBG. 48
شکل ‏3‑7: مولفه‌های پراكندگی نوری در فیبرهای نوری. 50
شکل ‏3‑8: بسته‌بندی حسگر برای نصب در محفظه بوسیله اتصال جوش. 51
شکل ‏3‑9: نمونه‌ای از مقطع عرضی نوار هوشمند. 52
شکل ‏3‑10: تداخل‌سنج SOFO. 53
شکل ‏3‑11: حسگر درجه‌حرارت FBG. 53
شکل ‏3‑12:شتاب‌سنج‌ تك محوره فیبرنوری در ترکیب با  FBG. 54
شکل ‏3‑13: حسگرهایی برای كرنش، فشار و درجه‌حرارت. 54
شکل ‏3‑14: طراحی كابل حس درجه‌حرارت نامتناهی  و متناهی. 56
شکل ‏3‑15: تصویر برش عرضی نوار حس هوشمند. 57
شکل ‏3‑16: مقطع عرضی پروفایل هوشمند و ساده 57
شکل ‏4‑1:مفهوم کرنش متوسط در جسم تغییرشکل یافته. 61
شکل ‏4‑2: مفهوم کرنش برشی متوسط در شکل تغییرشکل یافته. 62
شکل ‏4‑3: روابط تنش کرنش ترم کوتاه بین مواد الاستیک پلاستیک .الف)خطی.ب)غیرخطی. 64
شکل ‏4‑4: توزیع کرنش در سطح مقطع تیر. 65
شکل ‏4‑5: نمایش رایج‌ترین بارگذاری، متناظر با توزیع نیروهای عمودی 67
شکل ‏4‑6: شماتیکی از حسگر گیج بلند نصب شده در ماده 73
شکل ‏4‑7: مقایسه حسگرهای گیج کوتاه و بلند در المان بتن. 76
شکل ‏4‑8: مقایسه توزیع کرنش حقیقی و کرنش میانگین اندازه‌گیری شده بوسیله حسگر گیج بلند در حالت کلی 79
شکل ‏4‑9: مقایسه توزیع کرنش حقیقی و کرنش میانگین اندازه‌گیری شده بوسیله حسگر گیج بلند در حالت توزیع خطی یا ثابت کرنش 80
شکل ‏4‑10: مقایسه توزیع کرنش حقیقی و کرنش میانگین اندازه‌گیری شده بوسیله حسگر گیج بلند در حالت کلی توزیع شکسته خطی کرنش 84
شکل ‏4‑11: مقایسه توزیع کرنش حقیقی و کرنش میانگین اندازه‌گیری شده بوسیله حسگر گیج بلند در حالت کلی توزیع سهموی کرنش 87
شکل ‏4‑12: آنالیز خطای اندازه‌گیری در توزیع ناپیوسته کرنش و وجود انحراف در طول گیج حسگر 90
شکل ‏4‑13: موقعیت حسگرها در المان تحت کشش بتن آرمه‌ای 94
شکل ‏4‑14: معیار تعیین طول گیج حسگرهای فیبرنوری بر اساس نوع ماده سازنده و استراتژی مانیتورینگ 98

 
فصل اول : کلیات
1-1. مقدمه…………………………………… ..1
1-2. معرفی سازه‌های فضاکار…………………….. ..2
1-3. انواع سازه‌های فضاکار…………………….. ..2
1-3-1. سازه‌ی فضاكار تخت یک لایه ………………… ..2
1-3-2. سازه‌ی فضاكار تخت دو لایه ………………… ..3
1-3-3. سازه‌ی فضاكار چلیک………………………. ..4
1-3-4. سازه‌ی فضاكار گنبد………………………. ..4
1-4. اتصالات در گنبدها………………………….. . 5
1-5. اهداف و گستره……………………………. . 6
فصل دوم : بر ادبیات تحقیق
2-1. مقدمه…………………………………… ..1
فصل سوم : تاشه‌پردازی گنبد‌های تک لایه‌ی دیامتیک فرازش‌یافته
3-1. مدل‌سازی و تاشه‌پردازی گنبدها……………….. 14
3-1-1. کلیات………………………………… 14
3-1-2. تعریف تاشه‌پردازی ……………………… 14
3-1-3. یكانه، تژ، لاد و فرمكس…………………….. 15
3-1-4. توابع فرمکسی………………………….. 15
3-1-5 . برماره‌ی گنبدها……………………….. 16
3-2. تاشه‌پردازی گنبد دیامتیک………………….. 16
3-2-1. کلیات………………………………… 17
3-2-2. برماره‌ی دیامتیک ………………………. 18
3-2-3. توابع استفاده شده در تاشه‌پردازی گنبد دیامتیک     19
3-2-4. بافتار ولایه‌بندی گنبدهای دیامتیک ……….. 21
3-3‌. فرازش و بهینه‌سازی در سازه‌های فضاکار………. 22
3-3-1‌. کلیات………………………………… 22
3-3-2. تعریف فرازش…………………………… 22
3-3-3. تاشه‌پردازی فرازش………………………. 23
3-3-4. توابع استفاده شده در تاشه‌پردازی گنبد دیامتیک فرازش‌یافته   23
 

 

 

عنوان

صفحه

فصل چهارم : مدل‌سازی و معرفی گنبدهای مورد مطالعه
4-1. کلیات…………………………………… 25
4-2‌. گروه 1 : گنبدهای تک لایه‌ی دیامتیک ساده با نسبت‌های مختلف خیز به دهانه……………………………………….. 25
4-3. گروه 2 : گنبدهای تک لایه‌ی دیامتیک فرازش‌یافته با نسبت‌های مختلف هندسی در گنبد پایه ………………………….. 27
4-4. گروه 3 : گنبدهای دیامتیک تک لایه‌ی فرازش‌یافته با خیز ثابت و دهانه‌ی متغییر در فرازش چلیکی………………….. 28
4-5 . گروه 4 : گنبدهای دیامتیک تک لایه‌ی فرازش‌یافته با دهانه‌ی ثابت و خیز متغییر در فرازش چلیکی ……………………. 29
4-6‌. مقاطع استفاده شده در گنبدها………………. 30
فصل پنجم : بهینه‌یابی گنبدهای تک لایه‌ی دیامتیک فرازش‌یافته تحت بارگذاری ثقلی
5-1. بارگذاری ثقلی…………………………… 32
5-1-1. کلیات………………………………… 32
5-1-2. بارهای مرده ………………………….. 32
5-1-3. بارهای ناشی از برف و عوامل مؤثر بر آن…… 32
5-2. بارگذاری ثقلی در گنبدهای دیامتیک تک لایه‌ی فرازش‌یافته    38
5-2-1. بارهای مرده…………………………… 38
5-2-2. بارهای ناشی از برف…………………….. 38
5-3. بارگذاری حرارتی ………………………… 41
5-4. ترکیبات بارگذاری در آنالیز و طراحی گنبدها تحت بارهای ثقلی   45
5-5. تحلیل و طراحی گنبدها تحت بارهای ثقلی …….. 46
5-5-1. روش آنالیز و فرضیات……………………. 47
5-5-2. بررسی رفتار وزنی گنبدها در گروه‌های تعریف شده     47
5- 6 . نتیجه‌گیری…………………………….. 50
فصل ششم: بررسی رفتار لرزه‌ای گنبدهای تک لایه‌ی دیامتیک فرازش‌یافته

• 6-1-1. کلیات………………………………… 52
• 6-1-2. آنالیز غیر خطی تاریخچه‌ زمانی …………. 52
• 6-1-3. مشخصات مفصل‌های پلاستیک …………………. 53
• 6-2. پارامترهای انتخاب شتاب نگاشت……………… 53
• 6-2-1. مشخصات زمین‌شناسی، تكتونیكی و لرزه‎ای اصفهان. 54
• 6-2-2. انتخاب شتاب ‌نگاشت……………………… 55
• 6-2-3. مقیاس كردن شتاب ‌نگاشت‎ها………………… 59

 

 

عنوان

صفحه

• 6-2-4. طیف طرح استاندارد……………………… 60
• 6-3. بررسی زمان تناوب و شکل مدی گنبدها………… 60
• 6-3-2.گنبدهای گروه 1 ………………………… 60
• 6-3-2.گنبدهای گروه 2 ………………………… 61
• 6-3-3.گنبدهای گروه 3…………………………. 63
• 6-3-4.گنبدهای گروه 4…………………………. 64

6-4. مد مؤثر………………………………… 65
6-4-1. گنبدهای گروه 1………………………… 65
6-4-2. گنبدهای گروه 2………………………… 68
6-4-3. گنبدهای گروه 3………………………… 71
6-4-4. گنبدهای گروه 4………………………… 73
6-5. ناپایداری در گنبدها……………………… 76
6-5-1. بررسی ناپایداری در سازه‌های فضاكار به روش الاستیک و الاستوپلاستیک……………………………………………. 76
6-5-2. تغییرمکان‌های جانبی گنبدها………………. 78

 

6-‌6. بررسی رفتار وزنی گنبدها………………….. 82
6-7. نتیجه‌گیری………………………………. 85
فصل هفتم : بررسی رفتار گنبدهای تک لایه‌ی دیامتیک فرازش‌یافته تحت بارباد

• 7-1.کلیات……………………………………. 87
• 7-2. تعاریف………………………………….. 87
• 7-3. روش‌های محاسبه‌ی بارهای باد………………… 88
• 7-4. تعیین فشار باد……………………………. 89

7-4-1. فشار متناظر با سرعت مبنا، q…………….. 89
7-4-2. ضریب بادگیری، Ce ………………………. 89
7-4-3. ضریب تندباد، Cg………………………… 91
7-4-4. ضریب فشار بیرونی، Cp……………………. 91

• 7-5. فشار خالص ناشی از باد………………………. 91
• 7-6. نیروی ناشی از باد بر اجزای گنبد…………… 91
• 7-7. بارگذاری گنبدهای مورد مطالعه……………… 91

7-7-1. گنبدهای گروه 1 (گنبدهای بدون فرازش) ……. 91
7-7-2. گنبدهای گروه 2 و3 و4 (گنبدهای فرازش‌یافته).. 92

• 7-8. بررسی رفتار وزنی گنبدها تحت بارگذاری باد….. .99

 
 

 

 

عنوان

صفحه

• 7-9. نتیجه‌گیری………………………………. 101

فصل هشتم : نتیجه‌گیری

• 8-1. کلیات…………………………………… ..103

8-2. نتایج…………………………………… 104
8-3. پیشنهادات………………………………. 104
مراجع……………………………………….. 105
پیوست1………………………………………. 109
 
فهرست شكل‌ها

 

 

عنوان

صفحه

 
شکل 1- 1 نمونه‌هایی از شبکه‌های تخت تک لایه………. .3
شکل 1- 2 نمونه‌هایی از شبکه‌های تخت دو لایه………. .4
شکل 1- 3 نمونه‌هایی از چلیک‌……………………. .4
شکل 1- 4 نمونه‌هایی از گنبد به ترتیب از راست گنبد لملا، گنبد اشودلر و گنبد دنده‌ای………………………………….. .5
شکل 1- 5 نمونه‌هایی از گنبد به ترتیب از راست گنبد پیازی، گنبد اسکالپ و گنبد دیامتیک………………………………. .5
شکل 1- 6 گنبد دیامتیک تک لایه‌ی فرازش‌یافته………. ..7
شکل3- 1 نمونه‌ای از یک عبارت فرمکسی…………….. 15
شکل3- 2 تاشه‌ی گنبد و یک مقطع عمودی از آن………. 16
شکل3- 3 مؤلفه‌های برماره‌ی کروی برای تاشه‌پردازی گنبد 17
شکل3- 4 نمونه‌ای از گنبد دیامتیک……………….. 17
شکل3- 5 ساختار قاچ گنبدها. (a) گنبد دیامتیک بدون مشکل تراکم اعضا در رأس و (b) گنبد لملا با داشتن مشکل تراکم اعضا در رأس 18
شکل3- 6 گنبدهای دنده‌ای (ردیف بالا) و اشودلر (ردیف پایین) که اعضای مجاور رأس آنها مورد قطع کلی و یا هرس قرار گرفته‌اند.     18
شکل3- 7 خطوط شبکه در برماره‌ی دیامتیک…………… 19
شکل3- 8 کاربرد توابع فرمکسی در تاشه‌پردازی گنبدهای دیامتیک   20
شکل3- 9 چند نمونه از توابع فرمکسی مورد استفاده در تاشه‌پردازی گنبدهای دیامتیک……………………………………… 20
شکل3- 10 کاربرد توابع فرمکسی در تاشه‌پردازی گنبدهای دیامتیک با بافت لانه زنبوری و تاشه‌ی ایجاد شده توسط آنها ……….. 21
شکل3- 11 نمونه‌ای از بافت مثلی در گنبد دیامتیک (به وجود آمدن خطوط مرزی در نواحی مرزی قاچ‌ها)‌…………………….. 22
شکل3- 12 نمونه‌هایی از انواع فرازش در شبکه‌های تخت.. 23
شکل3- 13 مراحل ابتدایی فرازش کروی……………… 23
شکل3- 14 تابع استفاده شده در فرازش چلیک‌گونه……. 24
شکل3- 15 مراحل اولیه‌ی فرازش چلیک‌گونه…………… 24
شکل4- 1 نسبت‌های هندسی در گنبدها……………….. 26
شکل4- 2 گنبدهای دیامتیک تک‌لایه بدون ایجاد فرازش با نسبت‌های خیز به دهانه به ترتیب از چپ 1/0 و2/0 و3/0 و 4/0 و 5/0…. 26
شکل4- 3 تاشه‌های مربوط به گنبدهای گروه 2……….. 27
شکل4- 4 تاشه‌های مربوط به گنبدهای گروه 3………. 28

 

 

عنوان

صفحه

 
شکل4- 5 تاشه‌های مربوط به گنبدهای گروه4………… 30
شکل 5- 1 ضریب CS برای سقف‌های گنبدی و دندانه‌ای شکل در بارگذاری متقارن و نامتقارن ………………………………… 34
شکل 5- 2 مقادیر بارگذاری بار برف بصورت متقارن و نامتقارن درآیین‌نامه‌ی  AISC 7-05برای زوایای کمتر از°‌30 در قوس‌ها 35
شکل 5- 3 مقادیر بارگذاری بار برف بصورت متقارن و نامتقارن درآیین‌نامه‌ی  AISC 7-05برای زوایای بین °30 تا °‌70 در قوس‌ها   35
شکل 5- 4 مقادیر بارگذاری بار برف بصورت متقارن و نامتقارن درآیین‌نامه‌ی  AISC 7-05برای زوایای بیشتر از °‌70 در قوس‌ها    36
شکل 5- 5 نمودارهای مربوط به تعیین ضریب Cs …….. 37
شکل 5- 6 جدول مربوط به تعیین ضریب Ce…………… 37
شکل 5- 7 جدول مربوط به تعیین ضریب Ct…………… 37
شکل 5- 8 جدول مربوط به تعیین ضریب I……………. 38
شکل 5- 9 تعیین زاویه‌ی α درگنبد SS.DD.003 …………. 39
شکل 5- 10 بارگذاری بار برف برای گنبدSS.DD.003 بر اساس آیین‌نامه‌ی سازهای فضاکار ایران………………………………… 40
شکل 5- 11 بارگذاری بار برف برای گنبدSS.DD.003 بر اساس آیین‌نامه‌ی AISC 7-05. ……………………………………………. 41
شکل 5- 12 نمونه‌ای از گنبدهای گروه 1 تحت بارگذاری متقارن 42
شکل 5- 13 نمونه‌ای از گنبدهای گروه 2 تحت بارگذاری متقارن 43
شکل 5- 14 نمونه‌ای از گنبدهای گروه 3 تحت بارگذاری متقارن 43
شکل 5- 15 نمونه‌ای از گنبدهای گروه 4 تحت بارگذاری متقارن 44
شکل 5- 16 نمونه‌ای از گنبدهای گروه 1 تحت بارگذاری نامتقارن   44
شکل 5- 17 نمونه‌ای از گنبدهای گروه 2 تحت بارگذاری نامتقارن   45
شکل 5- 18 نمونه‌ای از گنبدهای گروه 3 تحت بارگذاری نامتقارن   45
شکل 5- 19 نمونه‌ای از گنبدهای گروه 4 تحت بارگذاری نامتقارن   46
شکل 5- 20 رفتار وزنی گنبدهای گروه 1……………. 48
شکل 5- 21 تغییرات وزنی گنبدها در نسبت‌های خیز به دهانه‌ی مختلف     48
شکل 5- 22 رفتار وزنی گنبد‌های گروه 2……………. 49
شکل 5- 23 رفتار وزنی گنبدهای گروه 3……………. 49
شکل 5- 24 رفتار وزنی گنبدهای گروه 4 …………… 50
شکل 5- 25 رفتار وزنی گروه‌های مختلف گنبدها تحت بارگذاری بار برف   51
شکل 6- 1 منحنی نیرو-تغییرشکل (دوران)…………… 53
شکل 6- 2 گسل‌های شناخته شده تا شعاع 100 كیلومتری اصفهان. 54

 

 

عنوان

صفحه

 

• شکل 6- 3 زلزله‎های رخ داده تا شعاع 200 كیلومتری شهر اصفهان 55
• شکل 6- 4 بزرگای زمین لرزه‎ها نسبت به سال وقوع در گستره‌ی شهر اصفهان 55

شکل 6- 5 مؤلفه‌های افقی و قائم (به ترتیب از بالا) زلزله San Fernando    56
شکل 6- 6 مؤلفه‌های افقی و قائم (به ترتیب از بالا) زلزله Whittier Narrows  57
شکل 6- 7 مؤلفه‌های افقی و قائم (به ترتیب از بالا) زلزله Northridge    57
شکل 6- 8 طیف ترکیبی پاسخ مؤلفه‌های افقی زلزله Northridge    58
شکل 6- 9 طیف ترکیبی پاسخ مؤلفه‌های افقی زلزله San Fernando  58
شکل 6- 10 طیف ترکیبی پاسخ مؤلفه‌های افقی زلزله Whittier Narrows 59
شکل 6- 11 طیف طرح استاندارد…………………… 60
شکل 6- 12 مد اول مدل‌های گنبدی گروه 1…………… 61
شکل 6- 13 مد اول مدل‌های گنبدی گروه 2…………. 62
شکل 6- 14 مد اول مدل‌های گنبدی گروه 3…………….. 63
شکل 6- 15 مد اول مدل‌های گنبدی گروه 4…………… 64
شکل 6- 16 مقادیر مشارکت جرمی گنبد SS.DD.001……….. 66
شکل 6- 17 مقادیر مشارکت جرمی گنبد SS.DD.002……….. 66
شکل 6- 18 مقادیر مشارکت جرمی گنبد SS.DD.003……….. 67
شکل 6- 19 مقادیر مشارکت جرمی گنبد SS.DD.004……….. 67
شکل 6- 20 مقادیر مشارکت جرمی گنبد SS.DD.005……….. 68
شکل 6- 21 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PP.DD.001……….. 68
شکل 6- 22 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PP.DD.002……….. 69
شکل 6- 23 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PP.DD.003……….. 69
شکل 6- 24 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PP.DD.004……….. 70
شکل 6- 25 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PP.DD.005……….. 70
شکل 6- 26 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PS.DD.001……….. 71
شکل 6- 27 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PS.DD.002……….. 71
شکل 6- 28 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PS.DD.003……….. 72
شکل 6- 29 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PS.DD.004……….. 72
شکل 6- 30 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PS.DD.005……….. 73
شکل 6- 31 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PH.DD.001………. 73
شکل 6- 32 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PH.DD.002………. 74
شکل 6- 33 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PH.DD.003………. 74

 

 

عنوان

صفحه

 
شکل 6- 34 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PH.DD.004………. 75
شکل 6- 35 مقادیر مشارکت جرمی گنبد PH.DD.005………. 75
شکل 6- 36 مودهای ناپایداری در سازه‌های فضاکار……. 76
شکل 6- 37 فروجهش محلی و کلی در سازه‌های گنبدی…… 77
شکل 6- 38 محل قرارگیری نقاط در ارتفاع گنبدها قبل از ایجاد فرازش  78
شکل 6- 39 محل قرارگیری نقاط در ارتفاع گنبدهای فرازش‌یافته   79
شکل 6- 40 تغییرمکان‌های گنبدهای گروه 1…………. 79
شکل 6- 41 تغییرمکان‌های گنبدهای گروه 2…………. 80
شکل 6- 42 تغییرمکان‌های گنبدهای گروه 3…………. 81
شکل 6- 43 تغییرمکان‌های گنبدهای گروه 4………… 81
شکل 6- 44 تغییرات وزن گنبدهای گروه 1 تحت بارگذاری‌های مختلف  82
شکل 6- 45 تغییرات وزن گنبدهای گروه 2 تحت بارگذاری‌های مختلف  83
شکل 6- 46 تغییرات وزن گنبدهای گروه 3 تحت بارگذاری‌های‌مختلف   84
شکل 6- 47 تغییرات وزن گنبدهای گروه 4 تحت بارگذاری‌های مختلف  85
شکل 6- 48 رفتار گروه‌های مختلف گنبدها تحت بارگذاری زلزله 86
شکل 7- 1. مقادیر Cp، ضریب فشار خارجی و گنبد دیامتیک تک لایه تحت کنش‌های ناشی از باد…………………………… 90
شکل 7- 2 نمونه‌ای از سطح مؤثر باد در نقاط مختلف…. 91
شکل 7- 3 نقاط مختلف بارگذاری گنبدهای گروه 1……. 92
شکل 7- 4 گنبدهای گروه 2………………………. 93
شکل 7- 5 گنبدهای گروه 3………………………. 93
شکل 7- 6 گنبدهای گروه 4………………………. 93
شکل 7- 7 حداکثر ضریب خارجی CpCg در دیوار‌های تک…… 93
شکل 7- 8 حداکثر ضریب خارجی CpCg در سقف‌های با شیب کمتر از°‌7    94
شکل 7- 9 حداکثر ضریب خارجی CpCg در سقف‌های با شیب°‌7 و بیشتر از°‌7     95
شکل 7- 10 حداکثر ضریب خارجی CpCg در سقف‌های پله‌ای…. 95
شکل 7- 11 حداکثر ضریب خارجی CpCg در سقف‌های دندانه‌ای. 96
شکل 7- 12 حداکثر ضریب خارجی CpCg در گنبدهای فرازش‌یافته   97
شکل 7- 13 مشخصه‌ های مکانی گنبد PP.DD.03…………… 98
شکل 7- 14 رفتار وزنی گنبدهای گروه 1 تحت بارگذاری‌های مختلف   99
شکل 7- 15 رفتار وزنی گنبدهای گروه 2 تحت بارگذاری‌های مختلف   100
شکل 7- 16 رفتار وزنی گنبدهای گروه 3 تحت بارگذاری‌های مختلف   100

 

 

عنوان

صفحه

 
شکل 7- 17 رفتار وزنی گنبدهای گروه 4 تحت بارگذاری‌های مختلف   101
شکل 7- 18 رفتار گروه‌های مختلف گنبدها تحت بارگذاری باد 102
 
 
 
 
 
 
 
فهرست جداول

 

 

عنوان

صفحه

 
جدول4- 1 نامگذاری و مشخصات هندسی گنبدهای گروه 1… 27
جدول4- 2 نامگذاری و مشخصات هندسی گنبدهای پایه و فرازش ایجاد شده در گنبدهای گروه 2………………………………. 28
جدول4- 3 نامگذاری و مشخصات هندسی گنبدهای پایه و فرازش ایجاد شده در گنبدهای گروه 3………………………………. 29
جدول4- 4 نامگذاری و مشخصات هندسی گنبدهای پایه و فرازش ایجاد شده در گنبدهای گروه 4………………………………. 29

• جدول4-5 مقاطع و مشخصات هندسی پروفیل‌های استفاده شده در گنبدها 30
• جدول 6-1 مشخصات زلزله‎های انتخاب شده……………. 56
• جدول 6-2 تناوب پایه‌ی گنبدهای گروه 1……………. 61

جدول 6-3 تناوب پایه‌ی گنبدهای گروه 2……………. 62

• جدول 6-4 تناوب پایه‌ی گنبدهای گروه 3…………… 64
• جدول 6-5 تناوب پایه‌ی گنبدهای گروه 4…………… 65

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 
فصل اول
کلیات
 
 
 
 
 
 
 

• . مقدمه

علم مهندسی سازه که بر مبنای تحلیل و طراحی، به ساخت انواع سازه‌ها براساس ملزومات خود می‌پردازد همواره در پی توسعه و گسترش حیطه‌ی کاری خود بوده و هست که پیشرفت روز افزون طراحی و ساخت انواع سازه‌ها گواهی آشکار بر این موضوع می‌باشد و همچنین پر واضح است که در اغلب موارد در هر ساخت و سازی استفاده از حداقل مصالح و نیز افزایش سرعت و کاهش هزینه‌های اجرا مهمترین مسئله‌ای است که کارفرمایان و طراحان با آن مواجه هستند که با افزایش ابعاد و اهمیت سازه بررسی این پارامترها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار می‌شوند. در نتیجه مطالعه‌ی کلیه‌ی پارامترهای مؤثر بر این موضوع که اصطلاحاً به آن بهینه‌یابی گفته می‌شود از اهمیت و جایگاه ویژه‌ای برخوردار است. مرحله‌ی اول از هر عمل بهینه‌ کردن، طرح یک ایده‌ی اولیه می‌باشد. یافتن یک ایده‌ی بهینه‌سازی مستلزم مطالعه و بررسی شرایط حاکم بر مسئله و یافتن راهکارهایی جهت رسیدن به اهداف بهینه‌سازی می‌باشد. استفاده از سازه‌های فضاکار[1] از نوع تخت به جای استفاده از ستون‌های میانی بسیار قوی در پوشش دهانه‌های بزرگ یک ایده‌ی بهینه‌سازی جهت کاهش هزینه‌ها بوده است. در مرحله‌ی بعد تبدیل این شبکه‌ها[2] به انواع چلیک‌ها[3] و مجدداً تبدیل چلیک‌ها به انواع گنبدها[4] از دیگر ایده‌های بهینه‌سازی در این زمینه بوده است. در این تحقیق در راستای ادامه‌ی این روند بهینه‌سازی از عمل فرازش در گنبدها استفاده شده است.
 
 
 

• . معرفی سازه‌های فضاکار

به سازه‌ای كه اصولاً رفتار سه بعدی داشته باشد، به طوری كه به هیچ ترتیبی نتوان رفتار كلی آن را با بهره گرفتن از یک یا چند مجموعه‌ی مستقل دو بعدی تقریب زد، سازه‌ی فضا‌كار گفته می‌شود. این تعریف یک تعریف كلی است اما در عمل این واژه به گروه خاصی از سازه‌ها كه شامل انواع شبكه‌ها، چلیك‌ها، گنبدها، برج‌ها[6]و… اتلاق می‌شود. سازه‌های فضاکار عمدتاً دارای فرم بدیع مستوی یا منحنی در فضا بوده و با واحدهای حتی‌المقدور یکسان در الگویی تکرار شونده احداث می‌شوند [1]. از مهمترین ویژگی‌های این سازه‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• دهانه: سیستم سازه‌ی فضاكار قادر به پوشاندن دهانه‌های بزرگ با حداقل مواد مصرفی می‌باشد )فولاد مصرفی در سازه‌ی فضاكار دو سوم سازه‌های متداول دیگر می‌باشد(.
• سرعت نصب: به علت پیش‌ساخته بودن قطعات، سرعت عملیات مونتاژ و نصب بسیار بالا و اقتصادی می‌باشد.
• وزن كم و قابلیت جابجایی: سازه‌ی فضاكار دارای وزن كم بوده و قابلیت جابجایی با دست را دارا می‌باشد.
• انعطاف‌پذیری در طراحی: سازه‌ی فضاكار قابلیت افزایش و كاهش سطح را دارا بوده و امكان جابجایی ستون‌ها بدون اینكه خطری برای سازه‌ی فضاكار ایجاد گردد میسر می‌باشد.
• مقاومت در برابر نیروهای دینامیكی: سازه‌ی فضاكار مقاومت بالاتری در برابر بارهای دینامیكی همچون زلزله، انفجار و بار باد در مقایسه با سازه‌های متداول دیگر از خود نشان می‌دهد.
• ظاهر زیبا: سازه‌ی فضاكار از نظر نمای ظاهری بسیار زیبا بوده و نیازی به استفاده از سقف كاذب در این سازه نیست.
• ایمنی سازه: سختی زیاد سازه تغییر شكل سازه را پایین می‌آورد.
• جدایی‌ناپذیر بودن فرم سازه از معماری.
• ایجاد فصل مشترکی برای بهره‌گیری معماران پیشرو از قابلیت‌های مهندسان سازه مسلح به دانش نوین.
• امکان احداث سازه‌ها با کاربرد چند منظوره.
• اجزا و زیرمجموعه‌های ساده اغلب در خور پیش‌سازی و تولید انبوه می‌باشند و در ابعاد و اشکال استاندارد اختیار می‌گردند.
• با بهره گرفتن ازقابلیت باربری در سه بعد، امکان کاهش وزن فراهم می‌آید. از این‌رو سازه‌های فضاکار مشبک، اسکلتی معمولاً سبک و صلب می‌باشند.
• سازه‌های فضاکار قابلیت‌ها و امکانات عمده‌ای را در اختیار مهندسان و معماران برای تلفیق اصول زیباشناختی و نوآوری‌ها با جنبه‌های رفتاری، عملکردی، کاربری و سرویس‌دهی سازه قرار می‌دهند.
• اتصالات تیپ و کاملاً یکسان در این سازه‌ها به نوبه‌ی خود کمک شایانی به افزایش سرعت نصب و اجرا می‌کند.

 

• . انواع سازه‌های فضاکار

       1-3-1. سازه‌ی فضاكار تخت یک لایه
شبکه‌ی تک لایه از مجموعه‌ای از اعضایی تشکیل شده که محورهایشان در یک صفحه قرار دارند و به صورت صلب به هم متصل شده‌اند. نمونه‌هایی از این شبکه‌ها در شکل 1-1 نشان داده شده است.
شکل 1- 1 نمونه‌هایی از شبکه‌های تخت تک لایه[2]
 
1-3-2. سازه‌ی فضاكار تخت دو لایه
شبکه‌ی دولایه از زیر مجموعه‌های ذیل تشکیل شده است:

• یک لایه‌ی بالایی با اعضای متصل به هم.
• یک لایه‌ی پایینی با اعضای متصل به هم .
• اعضای جان که لایه‌ی بالایی و پایینی را به هم متصل می‌‌کنند.

شبکه‌های دولایه اغلب در حالت افقی طرح و اجرا می‌شوند ولی می‌توان آنها را با هر درجه‌ی تمایلی نسبت به سطح افقی نیز طرح و اجرا نمود. نمونه‌هایی از شبکه‌های تخت دولایه در شکل 1-2 نشان داده شده است.
شکل 1- 2 نمونه‌هایی از شبکه‌های تخت دو لایه[2]
 
همچنین از دیگر شبکه‌ها می‌توان به شبکه‌های چند لایه اشاره کرد. شبکه‌های چندلایه دارای بیش از دولایه می‌باشند. این شبکه‌ها از نظر ساختاری مانند شبکه‌های دولایه می‌باشند و لایه‌های این شبکه‌ها نیز توسط اعضای جان به یکدیگر متصل شده‌اند. همچنین ممکن است شبکه‌ای در قسمت‌هایی دارای دولایه بوده و در قسمت‌های دیگر از بیش از دولایه تشکیل شده باشد.
 
1-3-3. سازه‌ی فضاكار چلیک
به شبكه‌ای یک یا چند لایه كه در یک جهت دارای انحنا باشد، چلیک اتلاق می‌شود. این سازه برای پوشش سطوح مستطیلی دالان مانند استفاده شده و بعضاً فاقد ستون می‌باشد و روی لبه‌های چلیک كه به تكیه گاه متصل است، قرار می‌‌گیرد. برخی از نمونه‌های چلیک در شكل 1-3 نشان داده شده است.
 
شکل 1- 3 نمونه‌هایی از چلیک‌[2]
 
1-3-4. سازه‌ی فضاكار گنبد
گنبد شبکه‌ای یک یا چند لایه است كه در چند جهت دارای انحنا می‌باشد. سطح یک گنبد می‌تواند بخشی از یک سطح منفرد كروی یا سهموی بوده یا وصله‌ای از چندین سطح متفاوت باشد. برخی از انواع گنبدهای معمول یک ‌لایه شامل گنبدهای لملا[9]، اشودلر[10] و دنده‌ای[11] در شكل 1-4 و گنبدهای پیازی[12]، اسکالپ[13] و دیامتیک[14] در شکل 1-5 نشان داده شده است. در این تحقیق از گنبدها‌ی دیامتیک تک لایه استفاده شده است.
شکل 1- 4 نمونه‌هایی از گنبد به ترتیب از راست گنبد لملا‌، گنبد اشودلر و گنبد دنده‌ای [2]
شکل 1- 5 نمونه‌هایی از گنبد به ترتیب از راست گنبد پیازی‌، گنبد اسکالپ و گنبد دیامتیک [2]
 

• . اتصالات در گنبدها

سازه‌های فضاکار از نظر نوع ساختار و اتصالات به دسته‌ های زیادی تقسیم می‌شوند که در زیر به برخی از آنها اشاره شده است:

• سیستم انگلیسی Space Deck
• سیستم آلمانی Mero Deck
• سیستم لوزی شکل Diamond Deck
• سیستم اس دی سی SDC Deck
• سیستم تک پیچ Single Bolts
• سیستم هشت نقطه‌ای Octatube Nodes
• Unibat Unitrust

در این تحقیق تمامی اتصالات صلب انتخاب شده‌اند و برای چنین اتصالی از سیستم SDC Deck که نمونه‌هایی از آن در شکل 1-7 نشان داده شده است استفاده می‌شود.
شکل 1- 6 نمونه‌هایی از اتصال SDC [1]
 

• . اهداف و گستره

از آنجا که هر یک از فرم‌های سازه‌های فضاکار تحت کنش‌های مختلف که از انواع آن می‌توان به کنش‌های دینامیکی چون زلزله و باد و همچنین کنش‌های استاتیکی مانند وزن سازه و بار برف اشاره کرد رفتار خاصی دارند و هیچیک از فرم‌ها رفتار مشابهی با سایر فرم‌ها ندارند، هر یک از آنها نیازمند رفتارشناسی خاص خود با توجه به ویژگی‌های منحصر به خود می‌باشند. در این بین فرم‌های تکمیل یافته‌ی سازه‌های فضاکار مانند گنبدهای فرازش‌یافته از جایگاه ویژه‌ای برخوردارند. فرازش در حقیقت تابعی است که انواع سازه‌های فضاکار را در جهت اهداف مختلف که در این تحقیق بهینه‌کردن وزن سازه است ترکیب می‌کند و سازه‌ای به وجود می‌آورد که ترکیبی از سازه‌های پیشین خود با رفتاری کاملاً متفاوت می‌باشد. گنبدهای فرازش‌یافته گنبدهای شبکه‌ای معمولی هستند که عمل فرازش در آنها باعث تغییر رفتار سازه ای آنها شده است.
هدف اصلی در این تحقیق رفتارشناسی چهار گروه از گنبدهای تک لایه‌ی دیامتیک با بهره گرفتن از آیین‌نامه‌های سازه‌های فضاکار ایران ‌[1]، AISC-7‌ [3]، آیین‌نامه‌ی طراحی ساختمان در برابر زلزله، استاندارد 2800‌ [4] و FEMA- 356‌[5] و همچنین مبحث ششم مقررات ملی ساختمان [6] به منظور تعیین هندسه بهینه است. نمونه‌ای از این گنبدها در شکل 1-7 ترسیم شده است.
Spaceframe Structure
[2] Grids
[3] Barrel Vaults
[4] Domes

مهندسی و عمران شهر تهران)

تکه هایی از متن به عنوان نمونه :

چکیده

تحقیقات نشان داده است که اکثر مواد‌غذایی پروبیوتیکی حتی زمانی که در دماهای پایین نگهداری می‌شوند تعداد پروبیوتیک‌های آن‌ ها کم می‌شود و این امر باعث می­ شود تعداد آنها در زمان مصرف کمتر از حد لازم باشند (CFU/g107). روش­های مختلفی برای افزایش مقاومت باکتری­ های حساس پروبیوتیک پیشنهاد شده که از آن جمله می‌توان به ریز‌پوشانی اشاره کرد. در تحقیق حاضر، سلول­های سویه­ی بومی لاکتوباسیلوس پلانتاروم A7 که یک پروبیوتیک شناخته شده است، توسط صمغ فارسی و به روش امولسیون دوگانه پوشش داده شد و در بستر ماست اضافه شد. خصوصیات ظاهری این ریزپوشینه­ها توسط میکروسکوپ نوری مورد بررسی قرارداده شد. میزان بقاء این باکتری به دو صورت آزاد و پوشش داده شده با صمغ فارسی در بستر ماست و به صورت جداگانه در مدت 21 روز نگهداری در دمای 4 درجه سانتی ­گراد بررسی شد. طی این مدت تغییرات pH واسیدیته نمونه­ها، خواص حسی، ویسکوزیته و سفتی نمونه­­های  ماست حاوی سلول‌های پوشش داده شده و آزاد نیز مورد بررسی قرار گرفت. در انتهای دوره­ نگهداری مشخص شد که اثر ریزپوشانی بر زنده مانی باکتری­ ها معنی­دار بوده است (05/0p<). در نمونه­ حاوی میکروب ریزپوشانی شده با صمغ فارسی طی 21 روز انبارمانی در یخچال تنها 8/0 سیکل لگاریتمی از تعداد میکروب وارد شده کاهش پیدا کرده بود و تعداد هنوز بیشتر از CFU/g107 بود. در شرایط شبیه­سازی شده گوارش نیز اختلاف معناداری بین سلول ریزپوشینه و آزاد وجود داشت. pH و اسیدیته تمامی نمونه­ها تغییر معنی‌داری در روزهای اولیه داشت. میزان  ویسکوزیته در طول زمان نگهداری کاهش پیدا کرد و در همین مدت زمان، سفتی بافت افزایش پیدا کرد. خواص حسی نمونه ماست حاوی پروبیوتیک ریزپوشانی­شده دارای اختلاف معنی‌داری با نمونه شاهد بود. به طور کلی نتایج این پژوهش، روش امولسیون دوگانه و صمغ فارسی را پوشش دهنده­ مناسبی برای باکتری پروبیوتیک لاکتوباسیلوس پلانتاروم A7 در بستر ماست معرفی کرد و مشخص شد که این روش می ­تواند از جمله راهکارهایی برای افزایش بقاء این باکتری در نظر گرفته شود.

 

کلمات کلیدی: لاکتوباسیلوس پلانتاروم A7، پروبیوتیک،‌ ریزپوشانی، امولسیون دوگانه، صمغ فارسی، ماست، محیط شبیه­سازی شده گوارشی

 

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                صفحه

فصل اول: مقدمه و كلیات

1-1- مقدمه و اهمیت موضوع. 2

1-2- تعریف مسئله. 4

1-3- اهداف… 5

1-4- فرضیات… 5

 

فصل دوم: بررسی منابع

2-1- غذاهای فراسودمند. 8

2-2- فراورده های غذایی فراسودمند حاوی میکروب‌های پروبیوتیک… 8

2-3- ماست پروبیوتیک… 9

2-4- پروبیوتیک‌ها 10

2-4-1- معیار انتخاب میکروارگانیسم به عنوان پروبیوتیک… 11

2-4-2- اثرات سودمند پروبیوتیک‌ها 12

2-5- گونه‌های شناخته شده پروبیوتیک‌ها 14

. 15

. 15

2-6- فرایند ریزپوشانی.. 16

2-6-1- ریزپوشانی پروبیوتیک‌ها 19

2-6-2- ساختمان ریزپوشینه. 20

2-6-3- انواع روش‌های ریزپوشانی.. 21

2-6-4- استفاده از روش امولسیون به منظور ریزپوشانی پروبیوتیک‌ها 23

2-6-5- کاربرد امولسیون‌های چند گانه در توسعه مواد غذایی سالم. 25

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                صفحه

 

2-6-6- کاربرد امولسیون دوگانه در ریزپوشانی میکروارگانیسم‌ها 26

2-6-7- سورفاکتانت‌ها 27

2-7- مواد مصرفی برای ریزپوشینه‌دار کردن. 29

2-7-1- صمغ‌های ژلان و زانتان. 29

2-7-2- ژلاتین.. 30

2-7-3- نشاسته. 30

2-7-4- کاراگینان. 30

2-7-5- سلولز استات فتالات… 31

2-7-6- کیتوزان. 31

2-7-8- آلژینات… 31

2-7-9- صمغ فارسی.. 32

بر تحقیقات انجام شده در زمینه ارزیابی بقاء باکتری‌های پروبیوتیک ریزپوشینه شده  طی نگهداری در ماست   34

بر تحقیقات انجام شده در زمینه ارزیابی میزان بقاء باکتری‌های پروبیوتیک ریزپوشانی شده نسبت به شرایط شبیه‌سازی شده گوارشی.. 35

2-10- هدف از انجام پژوهش…. 37

 

فصل سوم: مواد و روش‌ها

3-1- معرفی تجهیزات، موادو میکروارگانیسم‌های مورد استفاده 40

3-1-1- تجهیزات مورد استفاده 40

3-1-2- مواد شیمیایی.. 41

 

3-1-3- میکروارگانیسم مورد استفاده 43

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                صفحه

 

3-2- عملیات میکربی.. 44

3-2-1- فعال سازی و نگهداری باکتری پروبیوتیک… 44

. 45

3-3- آنالیز شیمیایی شیرخشک بدون چربی  و صمغ فارسی.. 46

3-3-1- اندازه‌گیری خاکستر. 46

3-3-2- اندازه‌گیری رطوبت و ماده خشک… 46

3-3-3- اندازه‌گیری چربی.. 47

3-3-3-1- روش سوسكله. 47

3-3-3-2- روش ژربر. 47

3-3-4- اندازه‌گیری پروتئین و ازت کل.. 47

3-3-5- اندازه‌گیری اسیدیته برحسب اسید لاكتیك… 48

3-5- رسم منحنی رشد. 48

3-6- تهیه سوسپانسیون فعال سلولی جهت ریزپوشانی.. 49

3-7- فرایندهای ریزپوشانی.. 49

3-8- آنالیز رهایش سلول‌ها از ریزپوشینه‌ها 50

3-9- محاسبه‌ی بازده فرایند ریزپوشانی.. 50

3-10- بررسی مورفولوژی ریزپوشینه‌ها توسط میکروسکوپ  نوری.. 51

3-11- تهیه‌ی ماست پروبیوتیک و ارزیابی خصوصیات میکروبیولوژیکی، فیزیکی و حسی نمونه‌های ماست   51

3-11-1- تهیه ماست پروبیوتیک… 51

3-11-2- آزمون‌های انجام شده بر روی ماست… 53

3-11-3- ارزیابی میزان بقا پروبیوتیک‌ها درطول دوره نگهداری ماست… 54

 

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                صفحه

 

3-12- بررسی میزان بقاء سلول‌های آزاد و ریزپوشینه شده در محیط شبیه‌سازی شده گوارشی.. 54

3-13- آماده‌سازی عصاره‌های شبیه‌سازی شده گوارشی.. 55

3-14- ارزیابی پایداری سلول‌های آزاد و ریزپوشینه شده در شرایط شبیه‌سازی شده گوارشی.. 55

3-15- ارزیابی حسی.. 55

3-16- آنالیز آماری داده‌ها 56

 

فصل چهارم: نتایج و بحث

4-1- آزمون‌های بیوشیمیایی.. 58

4-2- آزمون‌ها و بررسی‌های شیمیایی.. 62

4-2-1- شیرخشک… 62

4-2-2- صمغ فارسی.. 63

. 64

4-4- فرایندهای ریزپوشانی و پوشش‌دهی.. 65

4-4-1- شکل ریزپوشینه‌های تولید شده 65

در طی دوران نگهداری در دمای 4 درجه سانتی گراد  66

در ماست در طول نگهداری   67

در ماست، قبل و بعد از افزودن به ماست در شرایط شبیه‌سازی شده گوارشی.. 70

4-8- ارزیابی آزمون های شیمیایی ماست طی زمان نگهداری.. 74

4-8-1- تغییرات pH.. 74

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                صفحه

 

4-8-2- تغییرات اسیدیته بر حسب اسیدلاکتیک در نمونه‌های ماست… 75

4-9- ارزیابی آزمون‌های فیزیکی و کیفی  ماست طی زمان نگهداری.. 77

4-9-1- تغییرات گرانروی.. 77

4-9-2- تغییرات سفتی و نفوذ ناپذیری بافت ماست… 78

4-10- ارزیابی خصوصیات حسی ماست… 79

 

فصل پنجم: نتیجه‌گیری

5-1- جمع بندی نتایج کلی.. 82

5-2- پیشنهادات… 83

 

منابع. 86

 

 

 

فهرست جدول‌ها

عنوان                                                                                                                 صفحه

 

جدول 2-1- تعاریف مختلف ارائه شده پروبیوتیک در گذر زمان. 13

جدول 2-2- باکتری‌های لاکتیک اسید پروبیوتیک… 15

جدول 2-3- انواع روش‌های ریزپوشانی.. 22

جدول 3-1- اجزای سازندهی محیط کشت MRS  مایع. 42

جدول 3-2- جدول نظرسنجی خصوصیات حسی نمونه‌های ماست… 56

. 59

. 60

. 61

جدول 4-4- نتایج آزمون‌های بیوشیمیایی مشخصات ظاهری پرگنه سویه‌های آغازگرها 61

جدول 4-5- نتایج آزمون‌های شیمیایی شیرخشک… 62

جدول 4-6- نتایج آزمون‌های شیمیایی صمغ فارسی.. 63

جدول 4-7- نتایج آزمون های شیمیایی نمونه‌های ماست… 63

  برروی بقای سلول‌ها در زمان نگهداری در دمای 4 درجه در مدت 21 روز  66

در ماست طی دوران نگهداری در مدت 21 روز  67

قبل و بعد از قرارگرفتن در شرایط اسیدی (hr24) 71

قبل و بعد از قرارگرفتن در شرایط صفراوی (hr24) 71

جدول 4-12- تغییرات pH نمونه‌های ماست در مدت زمان انبارمانی.. 74

 

 

فهرست جدول‌ها

عنوان                                                                                                                 صفحه

 

جدول 4-13- تغییرات اسیدیته بر حسب اسیدلاکتیک نمونه‌های ماست در مدت زمان انبارمانی.. 76

جدول 4-14- ویسکوزیته ظاهری (سانتیپوز) نمونه‌های ماست در مدت زمان انبارمانی.. 77

جدول 4-15- سفتی (گرم) لخته ماست در مدت زمان انبارمانی.. 78

جدول 4-16- مقایسه میانگین خواص ارگانولپتیک نمونه‌های ماست… 79

 

فهرست شكل‌ها

عنوان                                                                                                                 صفحه

 

شکل 2-1- جزیئات ساختاری ریزپوشینه­ها 21

شکل 2-2- تصویر شماتیک از ساختار امولسیون دوگانه. 23

شکل 2-3- ساختمان آلژینات… 32

شکل 3-1- فرایند تولید ماست… 52

در محیط کشت MRS. 64

شکل 4-2- تصویر حاصل از میکروسکوپ نوری (400×) ریزپوشینه­های تولیدی توسط امولسیون دوگانه  65

 

 

1-1- مقدمه و اهمیت موضوع

نقش ترکیبات فعال رژیم غذایی در تغذیه انسان، یکی از مهم­ترین مسائل مورد توجه و تحقیق در زمینه علم تغذیه است. یافته­ های پژوهشی در مورد این موضوع، پیامدهای گسترده­ای برای مصرف‌کنندگان، مسئولان بهداشتی، متخصصان تغذیه و هم­چنین تولیدکنندگان، فرایندکنندگان و توزیع­کنندگان موادغذایی داشته است. شواهد علمی جدید در مورد فواید و خطرات مرتبط با جنبه­ های منحصر به فرد ترکیبات رژیم­غذایی، به طور مداوم در حال ظهور و  پیشرفت می­باشند. اثرات بالقوه مواد مغذی و اجزای دیگر در رژیم­غذایی، منجر به تحقق ایده تولید مواد غذایی با ویژگی­های خاصی شده است که فراتر از برآوردن نیازهای اساسی تغذیه­ای، بر عملکرد بدن نیز مؤثر باشند. این عامل توجیه­کننده­ علاقه­ زیاد مردم به غذاهای فراسودمند[1] است (بورگاین و همکاران، 2006).

موادغذایی که به طور رضایت­بخشی باعث بهبود وضعیت سلامت و یا کاهش خطر ابتلا به بیماری­ها، می­شوند را غذاهای فراسودمند می نامند. این محصولات در حال حاضر، بازار رو به رشدی داشته و یکی از زمینه ­های اصلی فعالیت در تولید محصولات جدید است. از آن­جایی که مصرف‌کنندگان بیش از پیش به دنبال غذاهای سالم با ارزش­ بالاتری هستند، محصولات موفق­تر آنهایی هستند که می­توانند ادعا کنند دارای  فواید سلامتی­بخش بیشتری هستند. از آنجا که اثرات مفید مواد غذایی تابعی از ترکیبات فعال در رژیم غذایی (اجزای فراسودمندا) می­باشد، طراحی و توسعه این غذاها نیاز به روش­هایی برای تعریف و بهینه­سازی حضور آنها دارد،  چه با افزایش سهم ترکیبات اولیه با اثرات مفید و چه با محدود کردن ترکیباتی که دارای پیامدهای منفی برای سلامتی هستند.

از گذشته غذا نه تنها به عنوان عامل تامین­کننده انرِژی بدن انسان بوده است بلکه به عنوان عاملی برای افزایش سلامت مصرف ­کننده نیز، مورد استفاده قرار می­گرفته است. بنابراین، امروزه تحقیقات علم تغذیه، در مواردی از جمله دریافت بهینه مواد مغذی، شناسایی اجزای با کیفیت در ترکیبات موادغذایی و توسعه غذاهایی جدید با عملکرد جدید که همان نقش ترکیبات غذایی در پیشگیری از بیماری­ها با تعدیل سیستم­های فیزیولوژیکی است، توسعه یافته است.

اولین تعریف غذاهای فراسودمند را به بقراط نسبت می­ دهند با شعار غذا را داروی خود کنید (ریاض. م، 1999). بعد از آن اولین بار در سال 1980،  ژاپن  غذاهایی را که با هدف ارتقاء سلامت مصرف ­کننده تولید و فراوری می‌شد، فراسودمند نامید (شاه و همکاران، 2000). امروزه غذاهای فراسودمند به صورت زیر تعریف می­شوند، محصولات غذایی که علاوه بر ارزش تغذیه­ای معمول، مزایای خاص دیگری هم برای سلامتی دارند و یا غذاهایی که حاوی سطوحی از ترکیبات زیست فعال می­باشند که به ارزش غذایی معمول محصول اضافه می­ کنند (نازار و همکاران، 2009).

این روزها مردم علاقه به مصرف غذاهای سالم­تر، بدون تغییر اساسی در رژیم غذایی خود دارند. این بی­علاقگی مصرف­ کنندگان نسبت به تغییر عادات غذایی پیشنهاد می­دهد که بازار بالقوه­ای برای غذاهایی وجود دارد که ارزش تغذیه­ای آنها عوض شده است، ولی خواص حسی آنها تغییر نکرده است (ریاض و همکاران، ‌1999). علاوه بر این علاقه مردم به مصرف غذاها و یا مکمل­های غذایی که به بهبود میکروفلور روده کمک می­ کند، بیشتر شده است (ساندوال و همکاران، 2010). در این میان غذاهای پروبیوتیک مهم­ترین غذاهای ارتقاء دهنده سلامت مصرف ­کننده می­باشند و در سال­های اخیر آگاهی مردم نسبت به اینکه مصرف پروبیوتیک­ها اثرات مفیدی بر سلامتی دارد، افزایش یافته است (چمپاجن و همکاران، 2007). استفاده از پروبیوتیک­ها در غذاهای فراسودمند و صنایع دارویی رشد زیادی داشته است، به طوری­که 65 درصد از بازار غذاهای فراسودمند را به خود اختصاص داده‌اند (آگوست، 2006). موادغذایی نسبت به داروها حامل بهتری برای پروبیوتیک­ها محسوب می­شوند زیرا مصرف­ کنندگان تمایل بیشتری به مصرف غذاهای سودمند نسبت به داروها دارند و غذای پروبیوتیک ارزش غذایی بیشتری نسبت به داروی حاوی پروبیوتیک دارد.

باکتری­ های پروبیوتیک به این صورت تعریف می­شوند؛ میکروارگانیسم­های زنده­ی غیر بیماریزایی، که وقتی به مقدار کافی مصرف شوند اثرات مفیدی بر سلامت میزبان (که می ­تواند انسان یا دام باشد) خواهند داشت (دلا پورتا و همکاران، 2012؛ پیکوت و همکاران، 2000). امروزه محصولات پروبیوتیکی از قبیل سویا، آب­پرتقال، محصولاتی بر پایه­ غلات و حتی شکلات پروبیوتیک در بازار عرضه می­شوند (رودگرز. س، 2011).

عواملی موجب کاهش زنده­مانی پروبیوتیک­ها در موادغذایی می­باشند مثل pH نامطلوب، دما، پتانسیل اکسیداسیون – ­احیا و تولید هیدروژن پراکسید (چاواری و همکاران، 2010؛ آلان و همکاران، 2010)، در نتیجه در بسیاری از محصولات به هنگام مصرف تعداد باکتری به اندازه مطلوب باقی نمانده است. هم­چنین اسید معده و قلیای روده هم در زنده­مانی باکتری­ ها موثر است (کاپلا و همکاران، 2007). روش­های مختلفی برای افزایش مقاومت باکتری­ های پروبیوتیک حساس پیشنهاد شده از جمله آنها می­توان به انتخاب سویه­های مقاوم به اسید معده، استفاده از بسته­بندی غیر­قابل­نفوذ به اکسیژن یا استفاده از موادی که اکسیژن را مصرف می­ کنند مثل آسکوربیک اسید، ایجاد سازش با استرس، دو مرحله­ ای کردن تخمیر (اگر محصول تخمیری است)، الحاق باکتری به ریزمغذی­ها مثل اسیدهای آمینه و پپتید­ها و ریزپوشانی اشاره کرد (آلان و همکاران، 2010).

ریزپوشانی[2] فرایندی است که سلول­ها در شبکه ریزپوشینه یا در یک غشا قرار می­گیرند. یک ریزپوشینه شامل غشایی نفوذ ناپذیر یا نیمه نفوذپذیر، کروی، نازک و محکم است که اطراف هسته­ی مایع/جامد را پوشانده است که قطر آن بین یک میلی­متر تا چند میکرون متغیر است. پلیمر­های غذایی مثل آلژینات، کیتوزان، کربوکسی متیل سلولز، کاراگینان، ژلاتین و صمغ­ها از جمله صمغ فارسی و صمغ عربی به طور عمده و با روش­های مختلف در ریزپوشانی استفاده می­شوند. چون جمعیت سلول­ها طی فرایند ریزپوشانی تحت تاثیر قرار می­گیرد، ضروری است که اطمینان حاصل شود که تکنیک ریزپوشانی تاثیر منفی بر جمعیت سلولی ندارد.

یک روش جایگزین برای حفاظت از باکتری­ های پروبیوتیک وارد کردن آنها به امولسیون آب در روغن در آب است. امولسیون دوگانه احتمالا محافظ مناسبی برای باکتری­ ها هنگام عبور آنها از محیط معده است و به عنوان کپسولی زیستی[3] برای ریزپوشانی باکتری­ ها برای مصارف صنعتی در صنعت لبنیات استفاده می­ شود (گنزالس و همکاران).

[1] Functional food

1 Encapsulation

[3] biocapsule

ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل و با فرمت ورد موجود اس