1-تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی (TIME-HISTORY)

در این روش سازه تحت بارگذاري تاریخچه زمانی شتاب زلزله قرار می گیرد و سازه به طور کامل تحلیل و پاسخ به صورت تاریخچه زمانی تعیین می گردد. در آنالیز تاریخچه زمانی، آثار مودهاي بالاتر و تغییرات در الگوي بار اینرسی به علت نرم شدگی سازه در خلال زلزله به طور خودکار در نظر گرفته می شود. در این روش به طور مستقیم تغییر مکان کلی حداکثر که توسط یک شتاب نگاشت مشخص به سازه اعمال می شود، تعیین شده و احتیاجی به تخمین زدن این پارامتر بر پایه روابط تجربی – تئوریک نمیباشد. این آنالیز به تغییراتی نظیر تغییر خصوصیات شتاب نگاشت و رفتار سخت شدگی غیرخطی المان هاي مورد استفاده بسیار حساس می باشد.

از همین روي بحث مقیاس کردن شتاب نگاشتها و روش انجام این کار تاثیر مستقیمی در نتایج تحلیل میگذارد. به همین علت براي کاهش پراکندگی نتایج و برآورد صحیح نیازهاي لرزهاي لازم است آنالیز تاریخچه زمانی متعددي انجام شود. معمولا آئین نامه هاي ساختمان مقرر میدارند که در صورت استفاده از 3 رکورد بیشینه پاسخ ها و در صورت استفاده از 7 رکورد، مقدار میانگین نتایج ملاك عمل قرار گیرند. انجام این تحلیل براي سازه هاي خاص مانند سازه هاي نامنظم و ساختمان هاي بلند و سازه هاي با اهمیت اجباري می باشد. ضمن اینکه این تحلیل در کارهاي تحقیقاتی، تحلیل دینامیکی افزایشی، رسم منحنی هاي شکنندگی و … بکار میرود

خلاصه روند انجام تحلیل تاریخچه زمانی :

1. انتخاب کردن شتاب نگاشت ها : مطابق استاندارد 2800، شتاب نگاشت هایی که در تعیین اثر حرکت زمین مورد استفاده قرار می گیرند باید تا حد امکان نمایان گر حرکت واقعی زمین درمحل احداث بنا، در هنگام وقوع زلزله، باشند.
2. مقیاس سازي شتاب نگاشتها : جهت مقیاس سازي رکورد زلزله ها روشهاي مختلفی ارائه شده است :

الف) استفاده از اندیس لرزه اي مناسب، روش مستقیم:

در این روش، کلیه نگاشتهاي زلزله به صورتی مقیاس میگردند که همگی داراي یک اندیس مشخص برابر گردند .براي این منظور اندیس هاي متفاوتی در سالیان گذشته ارائه شده است که پارامتر هایی نظیر پیشینه شتاب (PGA)، پیشینه سرعت (PGV) از جمله مهمترین آن ها به شمار میرود.

ب) همپایه سازي طیفی:

این روش به عنوان راهکاري جهت استفاده از شتاب نگاشت هاي زلزله در تحلیل هاي طیفی و تاریخچه زمانی متداول است و در آیین نامه 2800 (ویرایش سوم) نیز از آن استفاده شده است ، در این روش سعی می گردد تا طیف حاصل از نگاشت زلزله در یک محدوده پریودي مشخص از طیف طرح معادل آن کمتر نباشد.

ج) تولید شتاب نگاشت منطبق بر طیف هدف:

یکی دیگر از روشهاي مقیاس سازي نگاشت هاي زلزله ، استفاده از نگاشت هایی است که همگی در یک طیف هدف که عموما طیف ایده ال استفاده شده در مرحله طراحی است ، منطبق گردیده. شاید بتوان این روش را به نوعی تعمیم یافته روش همپایه سازي طیفی نامید.

د) روش مقیاس سازي Fema 440:

این روش به گونه اي انجام می شود که تغییر مکان حداکثر مرکز جرم بام با تغییر مکان هدف تعیین شده از آنالیز بار افزون مساوي گردد. در این روش حداکثر تغییر مکان ناشی از زلزله به روش آنالیز دینامیکی غیرخطی در تراز بام مشخص می شود و تغییر مکان هدف سازه نیز با استفاده از روشهاي آنالیز استاتیکی غیرخطی و روشهاي ارایه شده در آیین نامه هاي مربوطه انجام میگردد

3. تعریف شتاب نگاشت هاي مقیاس شده در نرم افزار و ساخت load caseهاي مربوطه

نکته : تحلیل تاریخچه زمانی در نرم افزار هاي محاسباتی به دو روش مودال و انتگرال گیري مستقیم صورت می پذیرد.

فواید:

• دقیق ترین روش محاسبه و بررسی رفتار سازه طرح شده براي یک زلزله یا زلزله هاي خاص
• مناسب براي بررسی رفتار و تحلیل سدها ، سازه هاي غیر خطی و …

نقاط ضعف:

• براي طراحی اولیه سازه مناسب نیست زیرا براي تحلیل سازه نیازمند به مدل سازه و خواص آن می باشد.
• چون تمامی زلزله ها ویژگی هاي یکسان ندارند، طرح یک سازه براي یک زلزله خاص مبناي صحیحی ندارد و
  لذا روش براي طراحی قابل اعتماد نیست ، چون پاسخ براي هر زلزله فرق می کند.
• پرهزینه و وقت گیر

2-تحلیل دینامیکی طیفی (RESPONSE SPECTRUM)

همانگونه که میدانیم، تحلیل دینامیکی با فرض رفتار الاستیک خطی سازه و با استفاده از حداکثر بازتاب کلیه مدهاي نوسانی سازه که در بازتاب کل سازه اثر قابل توجهی دارند انجام می گیرد. تعداد مودهاي ارتعاش در تحلیل طیفی باید چنان انتخاب شود که جمع درصد مشارکت جرم موثر براي هر امتداد تحریک زلزله در مودهاي انتخاب شده حداقل %90 باشد. به علاوه در هر امتداد، حداقل باید سه مود اول نوسان و حداقل تمام مودهایی که داراي زمان تناوب بیش از 0/4 ثانیه هستند در نظر گرفته شوند.

در روش تحلیل دینامیکی خطی نیروها و تغییرشکلهاي ناشی از زلزله با استفاده از روابط تعادل دینامیکی حاکم بر مدل ارتجاعی سازه تعیین می شود. از آنجا که در این روش مشخصات دینامیکی سازه در تحلیل وارد می گردد، نتایج حاصل دقیق تر از روش تحلیل استاتیکی خطی است اما به هر حال رفتار غیرخطی مصالح در مدل منظور نمی شود. این روش با استفاده از چند مود ارتعاشی سازه و تعریف ویژگی هاي زلزله به صورت طیف طرح و نهایتا ترکیب پاسخ مربوط به مودهاي ارتعاشی انجام می گیرد.

طیف آیین نامه 2800

فواید:

• قابل اعتماد براي طراحی چون بستگی به یک زلزله خاص ندارد.
• روش مناسب با دقت خوب براي تحلیل رفتار الاستیک خطی.
• آسان و کم هزینه

نقاط ضعف:

• براي طراحی اولیه سازه مناسب نیست زیرا مدل سازه و خواص آن در مراحل اولیه طرح مشخص نمی باشد و بنابراین براي بررسی سازه طرح شده مناسب است.

3-تحلیل استاتیکی معادل

در این روش با فرض اینکه سازه رفتار صلب دارد، نیروي ناشی از شتاب زلزله در ارتفاع سازه بدون در نظر گرفتن شکل و خواص هر طبقه توزیع می گردد روش توزیع نیروي جانبی در بند 2-4-9 آیین نامه 2800 ذکر شده است. در روش تحلیل استاتیکی خطی کل نیروي جانبی ناشی از زلزله به صورت ضریبی از جرم ساختمان محاسبه می شود. این ضریب، همان شتاب طیفی ارتجاعی است.

اگر نیروي جانبی بدست آمده از این طریق به سازه اعمال شود و رفتار سازه ارتجاعی خطی فرض شود، تغییرشکل هاي حاصل، با آنچه که در زلزله طرح انتظار می رود برابر خواهد بود. به طورکلی روشهاي تحلیل استاتیکی هنگامی مناسب هستند که پاسخ سازه هنگام زلزله عمدتا ناشی از ارتعاش در مود اول باشد یا به عبارت دیگر اثر
مودهاي بالاتر قابل توجه نباشد. هنگامی اثر مودهاي بالاتر از مود اول قابل توجه نیست که ساختمان کوتاه و منظم باشد لذا براي ساختمانهاي بلند و ساختمانهاي نامنظم لازم است از روشهاي تحلیل دینامیکی استفاده شود.

فواید:

• آسان و بسیار کم هزینه.
• مدل دینامیک سازه لازم نیست.
• مناسب براي ساختمانهاي منظم با ارتفاع کمتر از 50 متر از تراز پایه.
• مناسب برا ي ساختمانهاي منظم کمتر از 5 طبقه یا 18 متر ارتفاع.

نقاط ضعف:

• دقت کم، چون مقادیر سختی، جرم و … در نظر گرفته نمی شود.
• رفتار دقیق سازه محاسبه نشده است و پاسخ بزرگتر از پاسخ واقعی است.
• بهینه نبودن روش

4-تحلیل استاتیکی غیرخطی

منظور از تحلیل غیرخطی، تحلیل سازه با در نظر گرفتن رفتار غیرخطی اجزاء آن به دلیل رفتار غیرخطی مصالح و ترك خوردگی میباشد. مطالعات اخیر نشان میدهد که منطقی ترین روش ارزیابی و مقاومسازي لرزه اي سازه هاي موجود و طراحی سازه هاي جدید، روشهاي تحلیل غیرخطی میباشند. هدف از کاربرد این روشها پیشبینی رفتار سازه در زلزله هاي آینده میباشد. اهمیت این روشها با توسعه مهندسی بر پایه عملکرد به عنوان روشی براي طراحی و ارزیابی لرزه اي افزایش یافت.

آنالیز پوش آور یک تحلیل استاتیکی غیرخطی تحت اثر بارهاي جانبی فزاینده است. هدف از تحلیل استاتیکی غیرخطی فزاینده، برآورد رفتار مورد انتظار یک سیستم سازه اي به کمک تخمین مقاومت و تغییر شکل مورد نیاز، به وسیله انجام یک تحلیل استاتیکی غیرخطی با در نظر گرفتن زلزله هاي طراحی و پس از آن مقایسه مقادیر مورد نیاز با ظرفیت هاي موجود در سطح رفتاري یا عملکردي مورد نظر است. این برآورد بر اساس شناسایی پارامترهاي مهم رفتاري شامل تغییر مکان جانبی، تغییرشکل هاي نسبی اعضاء و اتصالات و… خواهد بود.

روش هاي تحلیلی که در طراحی بر اساس عملکرد و بهسازي لرزه اي سازه ها مطرح می شوند، عمدتا بر مبناي آنالیز استاتیکی غیرخطی می باشند. دلیل استفاده از این نوع آنالیز، سرعت بالاي انجام آن، سادگی تفسیر نتایج و دقت قابل قبول آن میباشد. این در حالی است که تحلیل هاي پیچیده بجز در موارد خیلی خاص و یا با فرض وجود اطلاعات کافی براي نشان دادن رفتار صحیح سیکلی بار، تغییر شکل اعضاي سازه اي از نظر اقتصادي توجیه پذیر نمی باشد. این روش به صورت یک سري تحلیل گام به گام می باشد. در هر گام از این تحلیل، کاهش سختی اعضاء در اثر ایجاد مفاصل پلاستیک بر اثر بارگذاري بر تحلیل گام بعدي در نظر گرفته می شود.

در این روش بار جانبی ناشی از زلزله با یک الگوي بار مشخص، استاتیک و به تدریج به صورت فزاینده به سازه اعمال می شود تا آنجا که تغییر مکان نقطه کنترل (مرکز جرم طبقه بام) تحت بار جانبی به مقدار مشخصی که تغییر مکان هدف نامیده می شود، برسد و یا اینکه سازه فرو بریزد. سپس تغییر شکل ها و نیروهاي ایجاد شده در اعضاء با معیارهاي پذیرش آنها در سطوح عملکردي مختلف مقایسه و سطح عملکرد سازه و اجزاي سازه اي تعیین می شود. در واقع تغییر مکان هدف نشان دهنده تقاضاي تغییر مکانی زلزله مورد انتظار می باشد.

منحنی پوش آور و سطوح عملکرد سازه

از سال 1995 تاکنون آیین نامه ها و دستورالعمل هاي بسیاري در زمینه طراحی بر اساس عملکرد و مقاومسازي سازه ها ارائه گردیده شده است. آیین نامه هایی نظیر FEMA-273، FEMA-356، FEMA-440، ATC-40 و ASCE-06. در همین راستا در کشور ما نیز نشریه 360، تحت عنوان دستورالعمل بهسازي لرزهاي ساختمانهاي موجود ارائه شده است که بخش زیادي از آن منطبق بر آیین نامه FEMA-356 میباشد.

توزیع بار جانبی

براساس FEMA-356 و دستورالعمل بهسازي لرزهاي توزیع بار جانبی روي مدل سازه باید تا حدامکان شبیه به آنچه که هنگام زلزله رخ خواهد داد باشد و حالت هاي بحرانی تغییرشکل و نیروهاي داخلی را در اعضا ایجاد نماید. به همین جهت باید حداقل دو نوع توزیع بار جانبی به شرح زیر، بر روي سازه اعمال شود.

1. توزیع نوع اول

به عنوان توزیع نوع اول باید بار جانبی به یکی از سه روش معرفی شده محاسبه و برمدل سازه اعمال شود. براي سازه هایی که داراي زمان تناوب اصلی بزرگ تر از یک ثانیه هستند فقط می توان از روش سوم این نوع توزیع بار استفاده نمود. همانطوری که می دانیم به دلیل ارتفاع بلند مدل ساختمان هاي انتخابی دوره تناوب تمامی آنها بالاي 1 ثانیه میباشد که باید از روش سوم این قسمت که در زیر آورده شده استفاده نماییم.

• توزیع متناسب با نیروهاي جانبی حاصل از تحلیل دینامیکی خطی طیفی، براي این منظور تعداد مودهاي ارتعاشی مورد بررسی باید چنان انتخاب شود که حداقل %90 جرم سازه در تحلیل مشارکت کند.

2. توزیع نوع دوم

به عنوان توزیع نوع دوم باید بارجانبی به یکی از دو روش زیر محاسبه و بر مدل سازه اعمال شود.

• توزیع یکنواخت که در آن بار جانبی متناسب با وزن هر طبقه محاسبه می شود.
• توزیع متغیر که در آن توزیع بارجانبی برحسب وضعیت رفتارغیرخطی مدل سازه در هر گام افزایش بار با استفاده از یک روش معتبر تغییر داده می شود.

نکته: براي سازه هاي بلند و یا نامتقارن پیچشی از روشهاي جدیدتر پوش آور از قبیل روش N2 روش پوش آور بهنگام شونده و پوش آور مودال براي تخمین صحیح تر از رفتار آنها در برابر نیروي زلزله استفاده می گردد.

5-تحلیل مودال

تحلیل مودال براي بدست آوردن مدهاي ارتعاشی سازه بکار می رود. مدهاي ارتعاشی بدست آمده از تحلیل مودال براي فهم صحیح رفتار سازه مفید میباشند. همچنین از مدهاي بدست آمده از آنالیز مودال در تحلیلهاي تاریخچه زمانی مودال و تحلیل شبه دینامیکی طیف پاسخ استفاده میگردد. هنگام تنظیم پارامترهاي تحلیل مودال در نرم افزار دو نوع حالت تحلیل مودال جهت انتخاب وجود دارد:

1. تحلیل بردارهاي ویژه: مدهاي ارتعاشی و فرکانس هاي سازه را در حالت ارتعاش آزاد و بدون میرایی بدست می آورد. این مدهاي طبیعی دیدي سریع از رفتار سازه در اختیار طراح قرار می دهند.
2. تحلیل بردارهاي ریتز: مدهاي ارتعاشی تحریک شده با یک بارگذاري خاص را می یابد. بردارهاي ریتز براي استفاده در روش مودال تحلیل تاریخچه زمانی و تحلیل طیف پاسخ پایه اي بهتر از بردارهاي ویژه ایجاد می کنند.

نتیجه:

روش تحلیل دینامیک طیفی منطقی ترین و مناسب ترین روش براي تحلیل و طراحی به نظر می رسد زیرا هم محاسبات قابل اعتماد و هم روش آسان و کم هزینه است.