تحلیل دینامیکی

admin · مدیر کل سایت

تحلیل دینامیکی

با تشکر ویژه از دوست عزیز با نام کاربری rainbow که این مطلب را برای ما ارسال کردند:

روش تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی :

روش تحلیل دینامیکی ( محاسبه لحظه به لحظه بازتابهای ساختمان تحت تاثیر شتاب نگاشت های واقعی زلزله ) را می توان در مورد کلیه ساختمانها به کار برد . به طور کلی برای ساختمانهای کاملاً منظم و یا ساختمانهایی که در ارتفاع منظم هستند در صورتیکه از این روش استفاده شود می توان آنرا در دو امتداد متعامد ساختمان به طور جداگانه ای انجام داد ولی چنانچه ساختمان در پلان به حدی نامنظم باشد که نوسان آن در بعضی و یا تمام مدها عمدتاً به طور توام در دو امتداد متعامد انجام پذیرد یعنی ساختمان مدهای نوسانی داشته باشد که در آن مدها حرکت در یک امتداد توام با حرکت در امتداد عمود بر آن باشد برای ملحوظ نمودن اثرات این حرکات توام ساختمان باید بوسیله روش تحلیل دینامیکی و با استفاده از یک مدل سه بعدی محاسبه شود . در این روش بازتابهای سازه در هر مقطع زمانی در مدت وقوع زلزله با تاثیر دادن شتابهای ناشی از حرکت زمین (شتاب نگاشت) در تراز پایه ساختمان و انجام محاسبات دینامیکی مربوطه تعیین می گردد. این روش را می توان در تحلیل خطی الاستیک و یا تحلیل غیر خطی سازه های مورد استفاده قرار داد. مقایسه بین نتایج تحلیل الاستیک سازه با استفاده از طیف طرح استاندارد و یا طیف طرح ویژه ساختگاه یا آنچه از تحلیل تاریخچه زمانی خطی به دست می آید الزامی بوده و دلائل احتمالی بین آنها باید طی یک گزارش فنی جامع توجیه گردد.

طیف عکس العمل :

پیدا کردن تمام تاریخچه تغییر مکان ها و نیروها در اثر ارتعاشات زلزله با استفاده از معادلات دینامیکی کار پر زحمت و پر هزینه ای می باشد. برای بسیاری از سازه ها کافی است که فقط جواب ماکزیمم ها را ارزیابی کنیم.

طیف های طرح :

منحنی های ثبت شده شتاب زمین در حین وقوع زلزله های مختلف و طیف هایی که از آنها بدست می آیند اساس یک روش منطقی را برای طرح زلزله ای سازه ها فراهم می کنند. با وجود اینکه طیف های مختلف با یکدیگر اختلاف دارند در هر منطقه ای می توان بعضی خصوصیات مشترک در آنها پیدا کرد. با استفاده از خصوصیات مشترک و صاف کردن منحنی ها می توان برای هر منطقه ای طیف های طرح را رسم نمود که طراح سازه بتواند از آنها برای طرح سازه های مقاوم در مقابل زلزله استفاده کنند. این منحنی ها اساس تحلیل زلزله ای سازه ها به روش طیفی یا شبه دینامیکی را تشکیل می دهند.

هاوزنر بر اساس منحنی های شتاب ثبت شده در چهار تا از بزرگترین زلزله ها ی امریکا منحنی های ایده آل و صاف شده را برای طیف های تغییر مکان سرعت و شتاب رسم نموده است .

شکل منحنی های مزبور با حرکات زمین در جاهای دیگر ممکن است سازگاری نداشته باشد بلکه برای هر منطقه ای این منحنی ها شکل خاصی خواهند داشت. معمولاً این منحنی ها را برای مقدار معینی از شتاب ماکزیمم زمین (شتاب در T=0 ) میزان و مقیاس می کنند.

تحلیل سازه ها به روش شبه دینامیکی یا طیفی :

روش دینامیکی برای تعیین تغییر مکانها و نیروهای ناشی از زلزله در سازها پر زحمت و وقت گیر است و معمولاً باید به وسیله حسابگرهای الکترونیک صورت گیرد . اگر مابه جای تمام تاریخچه تغییر مکان فقط مقادیر ماکزیمم ناشی از مودهای مختلف را در بگیریم تحلیل دینامیکی سازه ها به مقدار قابل ملاحظه ای ساده می شود.

مقدار ماکزیمم Yn از انتگرال دوهامل بدست می آید.

چون ماکزیمم های مودهای مختلف در کی زمان اتفاق نمی افتد و همچنین لزوماً علامت یکسان ندارند نمی توان مقادیر ماکزیمم ها را با یکدیگر جمع نمود. بهترین کاری که در یک تحلیل شبه دینامیکی یا طیفی می توان انجام داد این است که جوابهای ماکزیمم بدست آمده از مودهای مختلف را بر اساس تئوری احتمالات ترکیب نود. فرمولهای تقریبی مختلفی برای ترکییب کردن ماکزیمم ها بکار می رود که متداولترین آنها فرمول جذر مجموع مربعات می باشد.

بیشتر انرژی ناشی از زلزله در چند مود اول جذب می شود. از این رو برای سازه های با درجات آزادی خیلی زیاد معمولاً کافی است که 3 تا 6 مد اول با یکدیگر ترکیب شود و بدین ترتیب در محاسبات صرفه جویی قابل ملاحظه ای نمود.
روشهای تحلیل دینامیکی
در این روشها نیروی جانبی زلزله با استفاده از بازتاب دینامیکی که سازه در جریان حرکت زمین ناشی از زلزله از خود نشان می دهد تعیین میگردد. این روشها شامل روش تحلیل طیفی و روش تحلیل تاریخچه زمانی است. کاربرد هر یک از این دو روش در ساختمانهای مشمول این مقررات اختیاری است. اثرات حرکت زمین به یکی از صورتهای طیف بازتاب شتاب و تاریخچه زمانی تغییرات شتاب مشخص می شود. طیف بازتاب شتاب برای این زلزله طیف طرح نامیده می شود. در این آیین نامه برای طیف طرح استاندارد و یا از طیف طرح ویژه ساختگاه مطابق ضوابط خاص خود استفاده نمود. استفاده از هر یک از طیفها برای کلیه ساختمانها اختیاری است. تنها در مورد استفاده از طیف طرح ویژه ساختگاه باید توجه داشت که مقدار آن نباید کمتر از دو سوم مقدار نظیر در طیف طرح استاندارد باشد.

الف : طیف طرح استاندارد

این طیف از حاصلضرب مقادیر ضریب بازتاب ساختمان در پارامترهای نسبت شتاب مبنا، ضرایب اهمیت ساختمان و عکس ضریب رفتار بدست می آید.

این طیف با فرض نسبت میرائی 5 درصد تعیین شده است.

ب : طیف طرح ویژه ساختگاه

این طیف با توجه به ویژگیهای زمین شناسی، تکتونیکی، لرزه شناسی، میزان ریسک و مشخصات خاک در لایه های مختلف ساختگاه و با در نظر گرفتن نسبت میرائی 5 درصد تعیین می شود . در صورتیکه نوع ساختمان و سطح زلزله مورد نظر منظور نمودن میرائی متفاوتی را ایجاب نماید می توان آن را مبنای تهیه طیف قرار داد . مقادیر محاسبه شده این طیف باید در ضریب اهمیت ساختمان و عکس ضریب رفتار ساختمان ضرب گردد. مقادیر طیف حاصل نباید از 3/2 مقادیر نظیر طیف طرح استاندارد کمتر باشد.

پ : تاریخچه زمانی تغییرات شتاب ( شتاب نگاشت )

شتاب نگاشت باید حد امکان نمایانگر حرکت واقعی زمین در محل احداث بنا در هنگام زلزله باشد . بدین منظور باید حداقل سه شتابنگاشت با ویژگیهای زیر در تحلیل مورد استفاده قرار گیرد

در صورتیکه شتاب نگاشت ها مربوط به زلزله های واقعی اتفاق افتاده در منطق دیگر باشند باید حتی المقدور سعی شود ویژگیهای زمین شناسی، تکتونیکی، لرزه شناسی و به خصوص مشخصات لایه های خاک در محل شتاب نگار با محل ساختمان مورد نظر مشابهت داشته باشند.

مدت زمان حرکت شدید در شتاب نگاشتها باید زمانی حداقل برابر 10 ثانیه و یا 3 برابر زمان تناوب اصلی سازه مورد نظر هرکدام بیشتر است باشد.

شتاب نگاشتهای انتخاب شده باید به مقیاس در آیند. به مقیاس در آوردن باید به گونه ای باشد که طیف بدست آمده از هر از شتاب نگاشتها با نسبت میرایی 5 درصد در محدوده زمان تناوبی ثانیه با طیفی که مطابق ضوابط قسمتهای (الف) یا (ب) بالا به دست می آید تقریباً مطابقت نماید . m شامل شماره کلیه مدهایی است که با میزان حداقل 10 درصد در جرم موثر سازه مشارکت دارند.

در به مقیاس درآوردن شتاب نگاشتها باید اثر نسبت شتاب مبنا، ضریب اهمیت ساختمان و عکس ضریب رفتار (در صورتیکه سازه با روش الاستیک خطی تحلیل می شود) منظور شوند.

به مقیاس درآوردن شتاب نگاشت در صورت غیر خطی بودن روش تحلیل باید با استفاده از روشهای تحقیقاتی قابل قبول انجام گیرد.

روش تحلیل دینامیکی طیفی با استفاده از آنالیز مدها :

در این روش تحلیل دینامیک با فرض رفتار الاستیک خطی سازه و با استفاده از حداکثر بازتاب کلیه مدهای نوسانی سازه که در بازتاب کل سازه اثر قابل توجهی دارند انجام می گیرد.

حداکثر بازتاب در هر مد با توجه به زمان تناوب آن مد از طیف طرح به دست می آید و بازتاب کلی سازه از ترکیب آماری بازتابهای حداکثر هر مد تخمین زده می شود .

الف : تعداد مدهای نوسان

در هریک از دو امتداد متعامد ساختمان باید حداقل سه مد اول نوسان یا تمام مدهای نوسان با زمان تناوب بیشتر از 4 درصد ثانیه یا تمام مدهای نوسان که مجموع جرمهای موثر ساختمان در آنها بیشتر از 90 درصد جرم کل سازه است هر کدام که تعدادشان بیشتر است در نظر گرفته شود.

ب : ترکیب اثرات مدها
ايران يكي از كشورهاي زلزله خيز دنيا است. هر ساله بدليل وجود گسلهاي متعدد ، دهها زلزله بزرگ و كوچك اتفاق مي افتد .

تنها در قرن بيستم، ايران شاهد ۲۰ زلزله بزرگ بوده است.

گسل ها همان ترك هاي عمقي پوسته زمين هستند كه در دو طرف صفحه هايي كه در خلاف جهت يكديگر ميباشند ايجاد شده

و هرچند مدت، نيروي مابين آنها بر نيروي اصطكاك غلبه كرده و موجب شكستگي ناگهاني محل تماس آنها و ايجاد زلزله مي شوند.

احتمال وقوع زلزله هاي شديد در اطراف خطوط گسل بيشتر از هر جاي ديگر است.
خطر وقوع زلزله شديد در تمام نقاط ايران يكي نيست به همين علت وزارت مسكن با تقسيم ايران به چهار پهنه از نظر خطر نسبي زلزله ، ضرايب متفاوتي را معرفي كرده است. مهندسان در محاسبه ساختمان بايد براساس اين ضرايب ، ساختمان را براي مقابله با نيروي زلزله محاسبه شده مقاوم نمايند. نقشه زير اين چهار پهنه را مشخص كرده است. رنگهاي تيره تر نشانده خطر نسبي بالاتر است. اين نقشه در آيين نامه موسوم به 2800 (مرجع محاسبه نيروي زلزله براي محاسبان ساختمان) ارائه شده است.

ديده ميشود كه شهرهاي بزرگي مانند شيراز، تبريز، كرمان، جيرفت و سبزوار نيز با گسل هاي متعدد در معرض زلزله قرار دارند. در حاليكه خطر زلزله در شهرهايي مانند اصفهان و اراك كمتر است.

برخي محققان و پژوهشگران اظهار مي دارند كه رعايت موارد مقاوم سازي در ساخت وساز تنها در ۱۰ تا ۱۵ درصد ساختمان هاي تهران رعايت شده است و پيش بيني مي شود كه در زلزله ۷ تا ۸ ريشتري اكثر ساختمان ها به خصوص سازه هاي با بافت فرسوده شهر فرو ريزد.

تهران نيز بعلت وجود گسلهاي متعدد در معرض خطر زلزله خيزي شديد قرار دارد.مهمترين آنها عبارتند از :
1- گسل شمال تهران به طول بيش از 60 كيلومتر كه از شرق دره لشگرك و سوهانك شروع شده و تا فرحزاد و حصارك و از آنجا به سوي غرب تهران تا آبادي كاظم آباد امتداد دارد. اين گسل در مسير خود، نياوران، تجريش، زعفرانيه، الهيه و فرمانيه را در بر مي گيرد.

2-گسل شمال ري ( گسل جنوب تهران) با طول 16.5 كيلومتر نيز كه پيش بيني مي شود خطرناك ترين گسل كشور در صورت وقوع زلزله است از جاده خاوران شروع و با گذر از دولت آباد و حركت روي جاده كمربندي تهران در حد نصاب كوره هاي آجرپزي چهاردانگه پايان مي يابد. همچنين گسل جنوب ري در محدوده قلعه نو با طول تقريبي 18.5 كيلومتر.
3- گسل شرق تهران نيز با گذر از سرخه حصار و بزرگراه شهيد بابايي تا مجيديه و سيدخندان كشيده شده است.

4- گسل مشا - فشم با طول تقريبي ۴۰۰ كيلومتر از جنوب غربي شاهرود در شرق تا آبيك در غرب.

حريم پيشنهادي براي احداث ساختمان ها در اطراف گسل هاي فشاري ۱۰۰۰ تا ۳۰۰۰ متر و براي سازه هاي مهم تا ۸۰۰۰ متراست .

در تصوير ارائه شده، مناطقي که به رنگ زرد در اين نقشه مشخص شده مرز گسيختگي گسلهاست. در اين منطقه هيچ ساختماني با هر ضريب ايمني سالم نميماند. منطقه بعدي که به رنگ آبي مشخص شده به دليل اينکه در جوار منطقه گسست قرار دارد ويراني بسيار شديدي خواهد داشت.

اگر در تهران، اصول شهر سازي رعايت مي گرديد، تمام مناطق زرد و آبي بايد تبديل به پارک ميشد. اينجا مکانهايی هستند که بيشترين برج سازيها در آن انجام گرفته و ميگيرد.

ساخت وساز بي رويه و بدون نظارت دستگاه هايي مانند شهرداري ها، وزارت مسكن و شهرسازي و نظام مهندسي كشور در پايتخت ، درحالي در چند ساله اخير از ديد بسياري از مسئولان مورد بي اعتنايي قرار گرفته است كه بسياري از ساخت وسازها و برج ها بر روي گسل هاي تهران احداث شده است.

شهردار تهران تعلل در تهيه اين طرح را متوجه وزارت مسكن و شهرسازي مي داند .از سوي ديگر استانداري تهران نيز عملكرد شهرداري تهران را در نظارت بر اعمال قوانين شهرسازي ضعيف اعلام مي كند.

در هر صورت ، كليه نهاد ها و سازمانها و ارگانهاي مربوطه با وجود آگاهي ، شايد بر اساس ضرورت و يا منافع بساز و بفروشي، از اين موضوع بدون توجه عبور كرده اند.

پس از اينكه محل مناسبي بدور از گسل جهت احداث انتخاب شد نوبت به طراحي معماري و سازه است.
حداکثر بازتابهای دینامیکی سازه از قبیل نیروهای داخلی اعضا، تغییر مکانها، نیروهای طبقات، برشهای طبقات و عکس العمل پایه در هر مد را باید با روشهای آماری شناخته شده مانن روش جذر مجموع مربعات و یا روش ترکیب مربعی کامل تعیین نمود. ترکیب اثرات حداکثر مدها در ساختمانهای نامنظم در پلان و یا در مواردی که زمانهای تناوب دو یا چند مد سازه با یکدیگر نزدیک باشند، باید صرفاَ با روشهایی که اندرکنش مدهای ارتعاشی را در نظر می گیرد مانند روش ترکیب مربعی کامل انجام شود.
کجا باید ساخت؟

ايران يكي از كشورهاي زلزله خيز دنيا است. هر ساله بدليل وجود گسلهاي متعدد ، دهها زلزله بزرگ و كوچك اتفاق مي افتد .

تنها در قرن بيستم، ايران شاهد ۲۰ زلزله بزرگ بوده است.

گسل ها همان ترك هاي عمقي پوسته زمين هستند كه در دو طرف صفحه هايي كه در خلاف جهت يكديگر ميباشند ايجاد شده

و هرچند مدت، نيروي مابين آنها بر نيروي اصطكاك غلبه كرده و موجب شكستگي ناگهاني محل تماس آنها و ايجاد زلزله مي شوند.

احتمال وقوع زلزله هاي شديد در اطراف خطوط گسل بيشتر از هر جاي ديگر است.
خطر وقوع زلزله شديد در تمام نقاط ايران يكي نيست به همين علت وزارت مسكن با تقسيم ايران به چهار پهنه از نظر خطر نسبي زلزله ، ضرايب متفاوتي را معرفي كرده است. مهندسان در محاسبه ساختمان بايد براساس اين ضرايب ، ساختمان را براي مقابله با نيروي زلزله محاسبه شده مقاوم نمايند. نقشه زير اين چهار پهنه را مشخص كرده است. رنگهاي تيره تر نشانده خطر نسبي بالاتر است. اين نقشه در آيين نامه موسوم به 2800 (مرجع محاسبه نيروي زلزله براي محاسبان ساختمان) ارائه شده است.

ديده ميشود كه شهرهاي بزرگي مانند شيراز، تبريز، كرمان، جيرفت و سبزوار نيز با گسل هاي متعدد در معرض زلزله قرار دارند. در حاليكه خطر زلزله در شهرهايي مانند اصفهان و اراك كمتر است.

برخي محققان و پژوهشگران اظهار مي دارند كه رعايت موارد مقاوم سازي در ساخت وساز تنها در ۱۰ تا ۱۵ درصد ساختمان هاي تهران رعايت شده است و پيش بيني مي شود كه در زلزله ۷ تا ۸ ريشتري اكثر ساختمان ها به خصوص سازه هاي با بافت فرسوده شهر فرو ريزد.

تهران نيز بعلت وجود گسلهاي متعدد در معرض خطر زلزله خيزي شديد قرار دارد.مهمترين آنها عبارتند از :
1- گسل شمال تهران به طول بيش از 60 كيلومتر كه از شرق دره لشگرك و سوهانك شروع شده و تا فرحزاد و حصارك و از آنجا به سوي غرب تهران تا آبادي كاظم آباد امتداد دارد. اين گسل در مسير خود، نياوران، تجريش، زعفرانيه، الهيه و فرمانيه را در بر مي گيرد.

2-گسل شمال ري ( گسل جنوب تهران) با طول 16.5 كيلومتر نيز كه پيش بيني مي شود خطرناك ترين گسل كشور در صورت وقوع زلزله است از جاده خاوران شروع و با گذر از دولت آباد و حركت روي جاده كمربندي تهران در حد نصاب كوره هاي آجرپزي چهاردانگه پايان مي يابد. همچنين گسل جنوب ري در محدوده قلعه نو با طول تقريبي 18.5 كيلومتر.
3- گسل شرق تهران نيز با گذر از سرخه حصار و بزرگراه شهيد بابايي تا مجيديه و سيدخندان كشيده شده است.

4- گسل مشا - فشم با طول تقريبي ۴۰۰ كيلومتر از جنوب غربي شاهرود در شرق تا آبيك در غرب.

حريم پيشنهادي براي احداث ساختمان ها در اطراف گسل هاي فشاري ۱۰۰۰ تا ۳۰۰۰ متر و براي سازه هاي مهم تا ۸۰۰۰ متراست .

در تصوير ارائه شده، مناطقي که به رنگ زرد در اين نقشه مشخص شده مرز گسيختگي گسلهاست. در اين منطقه هيچ ساختماني با هر ضريب ايمني سالم نميماند. منطقه بعدي که به رنگ آبي مشخص شده به دليل اينکه در جوار منطقه گسست قرار دارد ويراني بسيار شديدي خواهد داشت.

اگر در تهران، اصول شهر سازي رعايت مي گرديد، تمام مناطق زرد و آبي بايد تبديل به پارک ميشد. اينجا مکانهايی هستند که بيشترين برج سازيها در آن انجام گرفته و ميگيرد.

ساخت وساز بي رويه و بدون نظارت دستگاه هايي مانند شهرداري ها، وزارت مسكن و شهرسازي و نظام مهندسي كشور در پايتخت ، درحالي در چند ساله اخير از ديد بسياري از مسئولان مورد بي اعتنايي قرار گرفته است كه بسياري از ساخت وسازها و برج ها بر روي گسل هاي تهران احداث شده است.

شهردار تهران تعلل در تهيه اين طرح را متوجه وزارت مسكن و شهرسازي مي داند .از سوي ديگر استانداري تهران نيز عملكرد شهرداري تهران را در نظارت بر اعمال قوانين شهرسازي ضعيف اعلام مي كند.

در هر صورت ، كليه نهاد ها و سازمانها و ارگانهاي مربوطه با وجود آگاهي ، شايد بر اساس ضرورت و يا منافع بساز و بفروشي، از اين موضوع بدون توجه عبور كرده اند.

پس از اينكه محل مناسبي بدور از گسل جهت احداث انتخاب شد نوبت به طراحي معماري و سازه است.