Geotechnical Finite Element Analysis – A Practical Guide (Andrew Lees)

امروزه مدلسازی عددی و استفاده از نرم افزارهای اجزای محدود (Finite Element) از رایج ترین روش های شناخت پدیده ها در ژئوتکنیک است. کتاب تجزیه و تحلیل اجزای محدود در ژئوتکنیک یکی از بهترین و کاربردی ترین مراجع درس روش عددی در مهندسی ژئوتکنیک می باشد و برای افرادی که در زمینه های مدلسازی عددی فعالیت دارند یا علاقه دارند در این زمینه شروع به فعالیت کنند نیز در برگیرنده نکات مهمی است. مطالعه فصل دوم این کتاب که درباره نحوه انتخاب مدل رفتاری مناسب در مدلسازی عددی است اکیدا توصیه می شود. کتاب آنالیز المان محدود در ژئوتکنیک از نظر نرم افزاری خنثی بوده و نویسنده سعی کرده تا از نرم افزار خاصی طرفداری نکند. علاوه براین خواننده نیاز است که با مفاهیم مکانیک خاک، مکانیک سنگ و ژئوتکنیک آشنا باشد. دراین کتاب نویسنده به جای توضیح مسائل متنوع و پیچیده موجود، به توضیح سه مثال جامع که دربرگیرنده بسیاری از نکات در زمینه آنالیز روش اجزای محدود می باشد پرداخته است.

فصل اول

بخش های موجود در این فصل، مراحل انجام شده و تصمیم‌گیری هایی را که باید در هنگام تنظیم مدل تحلیل اجزای محدود ژئوتکنیکی (FE) اتخاذ شود، تشریح می‌ کند. در بخش های ابتدایی خواننده با اهداف مدلسازی عددی، مجموعه اطلاعاتی که باید جمع آوری شود و اینکه چه نرم افزارهایی بهتر است برای اهداف مختلف استفاده شود ذکر شده است. در بخش دوم این فصل از کتاب آنالیز روش المان محدود در ژئوتکنیک به مبانی مربوط به هندسه پرداخته شده است چرا که تصمیم گیری اینکه از مدل های دو بعدی یا سه بعدی استفاده شود در مدلسازی و نتایج آن تاثیرگذار است. در بخش سوم به نکات مربوط به مش بندی در مدل ها و انتخاب اندازه مش ها اشاره شده است. در بخش چهارم مراحل موجود در فرآیند تحلیل در اجزای محدود (المان محدود) پرداخته شده است. در دو بخش پایانی نیز برخی پرسش های موثر در انتخاب مدل های رفتاری و شرایط سطح آب زیرزمینی و زهکشی نیز بیان شده است.

فصل دوم

در این فصل از کتاب تحلیل اجزای محدود در ژئوتکنیک خواننده با چگونگی نحوه انتخاب مدل های رفتاری آشنا شده است. در این فصل ابتدا توضیح داده شده است که مدل رفتاری چیست و انتخاب مناسب آن چه تاثیری در روند پروژه دارد. در ادامه مهندسین با خصوصیاتی از خاک که در تبیین مدل رفتاری اثرگذار است آشنا می شوند. اما بخش عمده ی این فصل به توضیح مدل های رفتاری رایج در خاک و سنگ اخصاص یافته است و مفاهیم و فرضیات آن ها نظیر سطوح گسیختگی در مدل ها شرح داده شده است. از جمله مدل های رفتاری خاک ها در این فصل می توان به مدل الاستیسیته خطی، الاستیسیته خطی غیر همسان، مدل پلاستیسیته کامل و مدل های پلاستیک سخت شونده اشاره نمود. در مورد سنگ نیز مدل رفتاری موهر-کولمب، مدل هوک براون، مدل LEPP  نیز بررسی شده است. در پایان نیز اشاره ای مختصر به دامنه کاربرد مدل های رفتاری مختلف در خاک ها شده است.

فصل سوم

برای مدلسازی پدیده های مختلف همواره به تعیین دقیق مشخصات (پارامترهای) مختلفی از خاک نیاز است. برخی از این پارامترها از انجام آزمایش های مختلف بر روی نمونه خاک در آزمایشگاه به دست می آید حال آنکه برای تعیین برخی دیگر نیاز به انجام آزمایش های برجا در محل پروژه می باشد. در این فصل از کتاب به مراحل شناسایی ژئوتکنیکی و مشخصات مورد نیاز برای مدلسازی اشاره شده است. در ادامه با توجه به اهمیت نمونه گیری، روش های نمونه گیری در خاک و سنگ شرح داده شده است. در بخش پایانی فصل نیز برخی از آزمون های رایج آزمایشگاهی و آزمون های برجا شرح داده شده است.

فصل چهارم

در مدلسازی های روش اجزای محدود در پدیده های ژئوتکنیکی، ذرات آب و دانه های جامد خاک به صورت جداگانه مدل نمی شوند بنابراین ضروری است تا تاثیر سطح آب در مدلسازی ها مورد مطالعه  قرار گرفته است. در این فصل به نحوه تحلیل شرایط زهکشی شده و زهکشی نشده در اجزای محدود اشاره شده است.

فصل پنجم

از المان های مختلفی برای مدلسازی سازه های ژئوتکنیکی در نرم افزارهای المان محدود استفاده می شود. در بخش اول این فصل سعی شده است تا خواننده تا حد قابل قبولی با برخی از این المان ها آشنا شود. در ادامه بخش، نکاتی در زمینه دامنه کاربرد مدل های پیوسته و مدل های ناپیوسته ذکر شده است. به دلیل سهولت استفاده و تمایل به محافظه کاری بیشتر در برخی از مشکلات ناشی از  اندرکنش خاک و سازه، از عناصر ناپیوسته بیشتر از عناصر پیوسته استفاده می شود. با این حال، استفاده از عناصر غیر پیوسته تنها زمانی توجیه دارد که بدانیم با استفاده از این عناصر مدلسازی از دقت کافی برخوردار است. در بخش های دیگری از این فصل توضیحاتی در زمینه نحوه مدلسازی اندرکنش خاک و سازه در سازه های مختلف ژئوتکنیکی داده شده است. در ادامه نویسنده در بخش عمده ای از فصل به تبیین نکاتی ارزشمند در زمینه مدلسازی سازه های رایج ژئوتکنیکی نظیر دیوارهای وزنی همراه با سیستم انکراژ، شمع ها، دیوارهای خاک مسلح، ژئوسنتتیک ها و استرات ها پرداخته است. اما در بخش های بعدی فصل، نویسنده به مصالح سازه ای به کار رفته در مدل ها و نکات مربوط به مدلسازی آن ها می پردازد.

فصل ششم

این فصل از کتاب تجزیه و تحلیل اجزای محدود در ژئوتکنیک به استفاده از معیار های طراحی در نرم افزارهای المان محدود پرداخته شده است. در این فصل تنها مفاهیم معیارهای حالت حدی برای انجام کنترل های طراحی استفاده شده است، زیرا این معیارها به طور گسترده ای توسط اکثر آیین نامه های ژئوتکنیکی استفاده می شود.

فصل هفتم

در بسیاری از رشته ها وقتی از المان محدود برای مدلسازی یک پدیده فیزیکی که بعضا از پیچیدگی خاصی برخوردار است استفاده می شود، این مدلسازی می تواند بارها و بارها مورد استفاده قرارگیرد و نیاز به اعتبارسنجی مجدد ندارد. اما در مورد خاک این موضوع صدق نمی کند. این باعث می شود مدلسازی هر پدیده ژئوتکنیکی منحصر به فرد باشد. عدم اعتبارسنجی مدل ها ممکن است سبب ایجاد خروجی های نادرست از نرم افزار شود و این امر تصمیمانت نادرست در زمینه طراحی را با خود به دنبال خواهد داشت. اگر خطاها بیش از حد بدبینانه باشد می تواند منجر به هزینه های غیرضروری و تاخیرهای مرتبط و در نتیجه یک  طراحی غیراقتصادی شود. اما اگر خطاها بیش از حد خوش بینانه باشد می تواند به سرویس دهی سازه موجود آسیب زده و حاشیه امنیت را کاهش دهد. موضوع این فصل از کتاب در واقع اعتبارسنجی آنالیزهای صورت گرفته به کمک نرم افزارهای المان محدود می باشد.

فصل هشتم

در این فصل نویسنده از سه مثال بهره گرفته است تا به نوعی بسیاری از مطالب بیان شده در فصول قبل را به خواننده به شکلی گویا و به کمک نرم افزار توضیح دهد. مثال‌ها برای نشان دادن فرآیند تصمیم‌گیری، تعیین پارامتر و اعتبارسنجی خروجی‌ها همانطور که در فصل‌های قبل توضیح داده شد، به طور واضح و بدون پرداختن به جزئیات مرتبط با پروژه های واقعی، نسبتاً ساده نگه داشته شده اند. مثال اول این فصل مدلسازی یک پی گسترده با شمع های کاهنده نشست است. مثال دوم به مدلسازی یک گود و نکات مربوط به آن پرداخته شده است. مثال آخر این فصل نیز در زمینه خاکریزها و نکات مربوط به آن می باشد.