تحليل مدل سازي ميان‌مقياس و كلان‌مقياس شبكه تارهاي نوساني پانتوگرافيك با كاربرد در ضربه‌گيرهاي بزرگراهي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

عمران

كارشناسي ارشد

ايمني راه‌ها و كاهش خسارات ناشي از برخورد وسايل نقليه از مهم‌ترين چالش‌هاي مهندسي عمران در حوزه حمل‌ونقل است. در اين راستا، استفاده از فرامواد مكانيكي(موادي مهندسي‌شده كه خواص غيرمتعارفشان از معماري ريزساختار هندسي ناشي مي‌شود نه تركيب شيميايي) با معماري‌هاي نوين، افق‌هاي تازه‌اي را براي طراحي سامانه‌هاي استهلاك انرژي فراهم ساخته است. شبكه‌هاي پانتوگرافيك (ساختارهاي مهندسي‌شده‌اي متشكل از تارها و لولاها) با ويژگي تغييرشكل‌هاي بزرگ و بازگشت‌پذير ، تنظيم‌پذيري صلبيت و ظرفيت بالاي استهلاك انرژي، به‌عنوان گزينه‌اي نوآورانه براي طراحي ضربه‌گيرهاي بزرگراهي مطرح شده‌اند. با اين حال، توصيف دقيق رفتار مكانيكي اين شبكه‌ها مستلزم بهره‌گيري از رويكردهاي چندمقياسي است؛ زيرا مدل‌هاي ميان‌مقياس، هرچند از دقت بالايي برخوردارند، بسيار پرهزينه و سنگين هستند و مدل‌هاي كلان‌مقياس با وجود كارآمدي محاسباتي، در نمايش جزئيات فيزيكي ناتوان‌اند. اين پژوهش با رويكردي چندمقياسي به تحليل شبكه‌هاي پانتوگرافيك با معماري نوساني و بررسي قابليت آن‌ها در طراحي سامانه‌هاي ضربه‌گير بزرگراهي پرداخته است. چالش اصلي، تعادل ميان دقت بالاي مدل‌هاي ميان‌مقياس و كارايي مدل‌هاي كلان‌مقياس است. براي رفع اين چالش، دو چهارجوب مدل‌سازي مستقل توسعه داده شد: نخست، يك مدل ميان‌مقياس سه‌بعدي با دقت بالا كه هر تار شبكه را بر پايه المان تير تيموشنكو شبيه‌سازي مي‌كند؛ و دوم، يك مدل كلان‌مقياس دوبعدي كارآمد كه شبكه را به‌مثابه محيطي پيوسته و بر اساس نظريه پيشرفته الاستيسيته گراديان دوم توصيف مي‌نمايد. اين دو مدل تحت چهار سناريوي بارگذاري شامل كشش مورب، فشار مورب، برش و پيچش، مورد مقايسه قرار گرفتند. نوآوري كليدي پژوهش، استفاده از تحليل تفكيكي انرژي كرنشي به مؤلفه‌هاي كششي (Ψₑ)، برشي (Ψₛ) و خمشي (Ψ_b) است كه به‌عنوان ابزاري تشخيصي براي تبيين ريشه‌هاي فيزيكي اختلاف ميان دو مدل به‌كار گرفته شد. نتايج نشان داد كه در بارگذاري پيچشي كه موجب تغييرشكل يكنواخت و گسترده در كل شبكه مي‌شود ، دو مدل همخواني چشمگيري دارند. اما در بارگذاري‌هايي كه به ناپايداري‌هاي موضعي و كمانش منجر مي‌شوند، تفاوت قابل‌توجهي مشاهده گرديد. مدل كلان‌مقياس در بازنمايي پديده كمانش سه‌بعدي و تبيين سازوكارهاي ناشي از قفل‌شدگي هندسي (يعني محدود شدن تغييرشكل‌ها در اثر درهم‌تنيدگي و محدوديت‌هاي هندسي شبكه) ناتوان بود و اعتبار آن تنها در شرايط خاصي تأييد شد. در بخش كاربردي، شبيه‌سازي برخورد بر اساس استاندارد ارزيابي ايمني سخت‌افزار راه‌ها (MASH) نشان داد كه ضربه‌گير پانتوگرافيك با كاهش حدود 56 درصدي شتاب اوج، افزايش 38 درصدي استهلاك انرژي نسبت به مانع بتني نيوجرسي، و دستيابي به شاخص ايمني سرنشين (ASI) برابر با 85/0، عملكرد برتري را ارائه مي‌دهد.اين تحقيق با ارائه چهارجوب محاسباتي معتبر، توان بالقوه شبكه‌هاي پانتوگرافيك را در طراحي نسل نوين سامانه‌هاي ايمني راه نشان داده و زمينه‌ساز توسعه رويكردهاي نوين در ارتقاي پايداري و ايمني بزرگراه‌ها است.

235410

راه و ترابري

مهندسي عمران

دانشگاه صنعتي اصفهان