بررسی روش های تحلیل سازه در طراحی عملکردی و چالش‌های مدلسازی آن (آپدیت 1404)

با مطالعه این مقاله چه می آموزیم؟

• 1. انواع روش‌های تحلیل سازه بر اساس نشریه 360 و ASCE41-17
  • 1.1. روش تحلیل استاتیکی خطی (Linear Static Procedure)
    • 1.1.1. کاربرد روش استاتیکی خطی
    • 2.1.1. شرایط استفاده از روش استاتیکی خطی در تحلیل‌های عملکردی
    • 3.1.1. مزایا و معایب استفاده از تحلیل استاتیکی خطی
    • 4.1.1. روند گام‌به‌گام انجام تحلیل استاتیکی خطی جهت ارزیابی عملکرد سازه‌ها
  • 2.1. تفاوت‌های میان مدل‌سازی ساده‌شده (خطی) و مدل‌سازی پیشرفته (غیرخطی) در پروژه‌های سازه‌ای
  • 3.1. روش تحلیل دینامیکی خطی (Linear Dynamic Procedure)
    • 1.3.1. شرایط استفاده از روش تحلیل دینامیکی خطی
    • 2.3.1. مزایا و معایب استفاده از تحلیل دینامیکی خطی
    • 3.3.1. روند گام‌به‌گام انجام تحلیل دینامیکی خطی
  • 4.1. روش تحلیل استاتیکی غیرخطی (Nonlinear Static Procedure)
    • 1.4.1. انواع روش‌های تحلیل استاتیکی غیرخطی
    • 2.4.1. انواع مدل‌سازی در تحلیل پوش آور
    • 3.4.1. محاسبه سختی و مقاومت در روش‌های غیرخطی
    • 4.4.1. چه زمان میتوان از تحلیل استاتیکی غیرخطی استفاده کرد؟
    • 5.4.1. مزایا و معایب روش استاتیکی غیرخطی
    • 6.4.1. مقایسه تحلیل استاتیکی غیرخطی با تحلیل دینامیکی غیرخطی
  • 5.1. معرفی تحلیل دینامیکی افزایشی (IDA) و مقایسه آن با تحلیل‌های مرسوم
  • 6.1. روش تحلیل دینامیکی غیرخطی (Nonlinear Dynamic Procedure)
    • 1.6.1. چالش‌های انجام تحلیل دینامیکی غیرخطی
    • 2.6.1. معیارهای انتخاب شتاب‌نگاشت برای تحلیل دینامیکی غیرخطی
  • 7.1. منابع عدم قطعیت و راهکارهای کاهش آن در طراحی سازه‌ها
• 2. چالش‌های مدل‌سازی در طراحی عملکردی
  • 1.2. تفاوت مدل‌سازی سازه‌های فولادی، بتنی و ترکیبی در پروژه‌های خاص
  • 2.2. مقدمه‌ای بر اهمیت دقت مدل‌سازی و تاثیر آن بر نتایج تحلیل
  • 3.2. استفاده از مدل دوبعدی بجای سه‌بعدی
  • 4.2. مدل‌سازی خاک و در نظر اندرکنش خاک و سازه
  • 5.2. مدل‌سازی میانقاب‌ها در طراحی و تحلیل عملکردی سازه‌ها
  • 6.2. ترکیب تحلیل عددی و داده‌های واقعی برای راستی‌آزمایی مدل
  • 7.2. نقش سناریوسازی در مدیریت ریسک‌های مدل‌سازی سازه‌ای
  • 8.2. شاخص‌ها و معیارهای کنترل صحت و دقت مدل‌سازی در طراحی عملکردی
• 3. پرسش و پاسخ
• 4. نتیجه گیری
• 5. منابع

1. انواع روش­ های تحلیل سازه بر اساس نشریه 360 و ASCE41-17

در نشریه 360 و همچنین ASCE41-17، چهار روش اصلی برای تحلیل سازه­ ها در طراحی عملکردی ارائه ‌شده است. این روش­ ها عبارت‌اند از:

همچنین در آیین­ نامه ASCE41-17 روش دیگری نیز معرفی شده است که این روش مبتنی بر آزمایش است و مناسب حالاتی است که طراحی و کنترل عملکردی سازه موردنظر در قالب چهار روش ذکرشده در این بخش نگنجد (به‌ عنوان‌ مثال سازه دارای سیستم سازه­ای باشد که در آیین ­نامه درمورد آن چیزی ذکر نشده است)، درنتیجه معیار­های پذیرش و رفتار مصالح در آزمایشگاه مشخص‌شده و پس از تأیید یک گروه از کارشناسان متخصص قابل‌استفاده خواهد بود. در ادامه این مقاله به معرفی مختصری از هر یک از این روش ­ها، بررسی مزایا و معایب آن‌ها، موارد استفاده هر یک از این روش ­ها و بیان روند گام‌به‌گام انجام آن‌ها خواهیم پرداخت.

1.1.  روش تحلیل استاتیکی خطی (Linear Static Procedure)

اولین روشی که در این مقاله مورد بررسی قرار می­گیرد روش استاتیکی خطی است. این روش ازنظر مبنا با روش استاتیکی خطی ذکرشده در استاندارد 2800 شباهت­ هایی دارد، اما روند آن با طراحی تجویزی ذکرشده در این استاندارد کاملاً متفاوت است.

فرضیات اساسی در این روش عبارت‌اند از:

روش تحلیل استاتیکی خطی

مقدار برش پایه در این روش چنان انتخاب ‌شده است که حداکثر تغییر شکل سازه با آنچه در زلزله سطح خطر موردنظر پیش­بینی می­شود، مطابقت داشته باشد. چنانچه تحت اثر بار واردشده، سازه به‌طور خطی رفتار کند، نیرو­های به‌دست‌آمده برای اعضای سازه نیز نزدیک به مقادیر پیش‌بینی‌شده هنگام زلزله خواهد بود؛ ولی اگر سازه رفتار غیرخطی داشته باشد؛ نیرو­های محاسبه‌ شده از این طریق بیش از مقادیر حد جاری شدن مصالح خواهند شد. به همین جهت هنگام بررسی معیار­های پذیرش، نتایج حاصل از تحلیل خطی برای سازه­ هایی که هنگام زلزله رفتار غیرخطی دارند، اصلاح می­شود. پاسخ سازه در زلزله سطح خطر موردنظر (مثلاً شتاب متناظر با زلزله‌ای که احتمال فراگذشت شتاب آن 10% در 50 سال باشد) که از تحلیل به دست آمده، در ضرایبی ضرب می­شود تا حداکثر تغییر شکل سازه با آنچه در زلزله پیش­ بینی می­ شود، مطابقت داشته باشد.

به همین علت نیرو­های داخلی در سازه­ های شکل­ پذیر که در هنگام زلزله رفتار غیر­خطی خواهند داشت بزرگ‌تر از نیرو­های قابل­ تحمل در سازه برآورد می­شوند؛ و درنتیجه هنگام بررسی معیار­های پذیرش، نتایج حاصل از تحلیل خطی برای سازه­هایی که هنگام زلزله رفتار خطی دارند، اصلاح می­شود. با توجه به توضیحات فوق درمی­ یابیم که در روش­ تحلیل استاتیکی خطی که در نشریه 360 آمده است، در روند تحلیل تکرار مراحل تحلیل (iteration) انجام داده و پاسخ‌ها را اصلاح می‌کنیم اما در روشی که در آیین‌نامه 2800 مطرح شده سازه تنها یک‌بار بررسی می‌شد.یک تفاوت روش استاتیکی خطی برای طراحی عملکردی با روش استاتیکی خطی طراحی تجویزی، عدم نیاز به استفاده از ضریب رفتار (R) در فرایند طراحی و کنترل سازه است؛ بنابراین مقدار برش پایه و درنتیجه نیروهای داخلی اعضا مقادیر بزرگی خواهند داشت.

در مقابل، ظرفیت مقاومتی اجزای سازه با استفاده از ضریبی به نامه m نسبت به مقادیر پیشنهادی آیین‌نامه افزایش می‌یابند؛ بنابراین عملاً سازه دست بالا نخواهد بود. ضریب m برای هر عضو سازه‌ای و هر نوع کنش (برش، خمش و نیروی محوری) متفاوت بوده و عدد ثابتی نیست.یک اشکال اصلی در روش‌های طراحی تجویزی مبتنی بر R این است که تمام کنش‌های سازه با یک ضریب ثابت R در تمام طبقات صرف‌نظر از نوع جز سازه‌ای، محل قرارگیری آن و نوع رفتار آن کاهش داده می‌شود که اساساً منطقی نیست؛ بنابراین در روش استاتیکی خطی عملکردی، این ضعف بسیار بزرگ از روش‌های تجویزی برطرف شده است.در ابتدا می­خواهیم توضیح دهیم که در چه مواقعی و در چه ساختمان ­هایی می ­توان از این روش استفاده کرد.

1.1.1. کاربرد روش استاتیکی خطی

نکته‌ی بسیار مهم در رابطه با روش استاتیکی خطی این است که در طراحی‌های عملکردی فقط برای ارزیابی عملکرد و بهسازی سازه­ های موجود کاربرد دارد و استفاده از این روش برای طراحی سازه­ های جدید مجاز نمی ­باشد. مطابق ضوابط ویرایش چهارم استاندارد 2800، برای طراحی سازه‌ های جدید به روش‌های غیر عملکردی (روش تجویزی)، استفاده از روش استاتیکی خطی مجاز است؛ اما درصورتی‌که بخواهیم طراحی عملکردی انجام دهیم باید حتماً روش استاتیکی یا دینامیکی به‌صورت غیرخطی انجام شود. همچنین اگر بخواهیم از این روش در ساختمان­ هایی که در آن‌ها از سیستم­ های جداساز لرزه ­ای یا جاذب انرژی استفاده شده است استفاده کنیم، باید محدودیت­ های بیشتری را منظور کنیم.

2.1.1. شرایط استفاده از روش استاتیکی خطی در تحلیل‌های عملکردی

مطابق با بخش 1.1.3.7 و 2.1.3.7 استاندارد ASCE41-17 و همچنین بخش 3-3-1-1 نشریه 360، استفاده از روش تحلیل استاتیکی خطی هنگامی مجاز است که ساختمان دارای شرایط زیر ازنظر ارتفاع و نظم سازه­ای باشد. این شرایط عبارت‌اند از:

شکل 1- شکل متناظر با بند 2 بخش 2.1.1

شکل 2- شکل متناظر با بند 3 بخش 2.1.1

در این بخش بیان کردن تفاوت­ های اعضای اصلی و غیر اصلی خالی از لطف نیست. در یک دسته­ بندی عمومی اجزای موجود در یک ساختمان به اجزای سازه­ای و غیر سازه‌ای تقسیم می­شوند. اجزای سازه­ای که در سختی جانبی و یا توزیع نیرو­ها در سازه مؤثرند و یا در اثر تغییر مکان جانبی سازه تحت تأثیر نیرو قرار می­گیرند، خود به دو گروه اصلی و غیر اصلی تقسیم می­شوند.

در آیین ­نامه­ های مختلف تعابیر گوناگون از المان ­ها و مؤلفه‌ های اصلی و غیر اصلی ارائه شده است که تا حد زیادی مشابه به هم می­ باشند و صرفاً اندکی در جزئیات تفاوت دارند. تعبیر ASCE41-17 که یکی از به‌روزترین مراجع در زمینه بهسازی، مقاوم‌ سازی و طراحی عملکردی می­ باشد به شرح زیر است:

برای توضیحات بیشتر درمورد این موضوع و همچنین مدل‌سازی سازه­ ها در طراحی عملکردی می­ توانید به صفحه بررسی مدل‌سازی اولیه سازه‌ در طراحی عملکردی ، مقاوم‌سازی و بهسازی لرزه‌ای ساختمان سبز سازه مراجعه کنید.

در صورت عدم برقراری شرط ” بزرگ‌ترین نسبت نیرو به ظرفیت (DCR) برای هر تلاش تغییر­شکل­ کنترل تحت اثر ترکیبات بار معرفی‌شده در نشریه (نظیر نیروی محوری، لنگر خمشی و نیروی برشی بدون لحاظ اثرات اندرکنشی) در هر عضو اصلی از 2 کمتر باشد. “، لازم است شروط زیر به‌طور هم‌ زمان برآورده شود.

قطع سیستم باربر جانبی در صفحه و خارج از صفحه وجود نداشته باشد (یا به‌عبارت‌دیگر در پلان و در ارتفاع)

استثنا: در داخل صفحه می­ توان به‌اندازه یک چشمه انقطاع در سیستم باربر جانبی داشت مشروط بر اینکه انتقال نیروی افقی به‌طور ایمن توسط یک عضو انتقال­ دهنده بار افقی تأمین گردد.

شکل 3- نمونه از قطع در سیستم جانبی الف) در صفحه (ارتفاع) ب) خارج از صفحه (پلان)

ساختمان ازنظر پیچش یکی از شرایط زیر را دارا باشد:

الف- نسبت نیرو به ظرفیت برای تلاش­ های بحرانی در اثر پیچش در هر عضو از طبقه بیش از 1.5 برابر همان نسبت در عضو واقع‌ شده در سمت مقابل آن نسبت به مرکز پیچش باشد.

ب- ساختمان با حداکثر ارتفاع 30 متر یا 8 طبقه از تراز پایه، حداکثر تغییر مکان جانبی نسبی در هر طبقه و در هر راستا کمتر از 1.2 برابر تغییر مکان متوسط نسبی آن طبقه باشد.

ساختمان ازنظر مقاومت طبقات یکی از شرایط زیر را دارا باشد:

الف- مقدار شاخص متوسط وزنی برشی طبقه (DCR) برای هر طبقه بیش از 1.25 این شاخص در یک طبقه بالاتر یا پایین ­تر آن نباشد. برای ساختمان­ های با دیافراگم نرم شاخص متوسط وزنی برشی طبقه (DCR) برای هر محور قاب باید جداگانه بررسی شود.

V_i = نیرو­های محاسبه‌شده در عضو i که در باربری جانبی طبقه موردنظر مشارکت دارد و از تحلیل ارتجاعی تحت ترکیب بار­های لرزه ­ای به دست می ­آید.

DCR_i = نسبت نیرو به ظرفیت برای تلاش بحرانی در عضو i تحت ترکیب بار­های لرزه ­ای.

n = تعداد کل اعضای طبقه موردنظر

ب- در ساختمان ­های با حداکثر ارتفاع 30 متر یا 8 طبقه از تراز پایه، مقاومت جانبی هیچ طبقه ­ای کمتر از 80% مقاومت جانبی طبقه روی خود نباشد. مقاومت هر طبقه برابر با مجموع مقاومت جانبی کلیه اجزای مقاومی است که برش طبقه را در جهت موردنظر تحمل می­کند.

3.1.1. مزایا و معایب استفاده از تحلیل استاتیکی خطی

▪️معایب:

▪️مزایا:

4.1.1. روند گام‌به‌گام انجام تحلیل استاتیکی خطی جهت ارزیابی عملکرد سازه­ ها

روند انجام تحلیل استاتیکی خطی جهت ارزیابی عملکرد سازه­ ها در 9 گام قابل انجام است. این گام­ ها عبارت‌اند از:

1. 2. تفاوت‌های میان مدل‌سازی ساده‌شده (خطی) و مدل‌سازی پیشرفته (غیرخطی) در پروژه‌های سازه‌ای

در طراحی عملکردی سازه‌ها، انتخاب روش مدل‌سازی از اهمیت بالایی برخوردار است و به‌شدت بر دقت نتایج تحلیل تأثیر می‌گذارد. به‌طور کلی، مدل‌سازی خطی (ساده‌شده) و مدل‌سازی غیرخطی (پیشرفته) دارای تفاوت‌های اساسی در مفروضات، دقت، کاربردها و پیچیدگی‌های اجرایی هستند که در ادامه به مهم‌ترین آن‌ها اشاره می‌شود:

▪️مفروضات رفتاری مصالح و سازه

در مدل‌سازی خطی فرض می‌شود که مصالح و کل سازه در محدوده الاستیک باقی می‌مانند و پاسخ سازه متناسب با بار وارده است. در حالی‌که در مدل‌سازی غیرخطی، رفتار غیرالاستیک اعضا لحاظ شده و اثرات تغییر شکل‌های دائمی، تسلیم مصالح و مفاصل پلاستیک وارد تحلیل می‌شود.

▪️کاربرد و محدودیت‌ها

روش‌های خطی (تحلیل استاتیکی یا دینامیکی خطی) تنها برای ارزیابی و بهسازی لرزه‌ای سازه‌های موجود قابل‌استفاده‌اند و برای طراحی سازه‌های جدید کافی نیستند. اما مدل‌سازی غیرخطی (چه استاتیکی و چه دینامیکی) هم برای تحلیل و هم برای طراحی عملکردی سازه‌های جدید و موجود قابل استفاده است.

▪️دقت نتایج و میزان تقریب

تحلیل‌های خطی دارای تقریب زیاد و محافظه‌کارانه هستند و در بسیاری از موارد نمی‌توانند پاسخ دقیق اجزای سازه را در برابر بارهای شدید زلزله نشان دهند. در مقابل، تحلیل‌های غیرخطی پاسخ دقیق‌تری ارائه می‌دهند و امکان مشاهده رفتار واقعی سازه در برابر زلزله را فراهم می‌کنند.

▪️پیچیدگی و حجم محاسبات

مدل‌سازی خطی به دلیل سادگی، سرعت بالا و نیاز کمتر به تخصص، معمولاً در پروژه‌های عادی ترجیح داده می‌شود؛ درحالی‌که مدل‌سازی غیرخطی نیازمند دانش تخصصی، شناخت دقیق از رفتار مصالح و نرم‌افزارهای تحلیل پیشرفته و همچنین توان پردازشی بالا است.

▪️امکان بررسی پدیده‌های خاص

در مدل‌سازی غیرخطی می‌توان پدیده‌هایی مانند مفاصل پلاستیک، اندرکنش خاک و سازه، رفتار هیسترتیک اعضا، اثرات سیکلی و کاهش سختی پس از تسلیم را لحاظ کرد، درحالی‌که این موارد در مدل‌سازی خطی یا نادیده گرفته می‌شوند یا با ضریب‌های تقریبی لحاظ می‌گردند.

▪️کاربرد در ارزیابی معیارهای پذیرش آیین‌نامه‌ای

در تحلیل‌های خطی برای سازه‌هایی که رفتار غیرخطی دارند، نتایج تحلیل باید با ضرایب خاصی اصلاح شوند؛ اما در تحلیل‌های غیرخطی مستقیماً معیارهای پذیرش براساس رفتار واقعی بررسی می‌شود.

3.1. روش تحلیل دینامیکی خطی (Linear Dynamic Procedure)

در این روش، تحلیل دینامیکی با فرض رفتار خطی سازه و با استفاده از حداکثر پاسخ کلیه مدهای نوسانی سازه که در بازتاب کل سازه اثر قابل‌توجهی دارند، انجام می‌گیرد. حداکثر پاسخ در هر مد با توجه به زمان تناوب آن مد از طیف طرح استاندارد یا طیف طرح ویژه ساختگاه به دست می‌آید. سپس پاسخ کلی سازه از ترکیب آماری پاسخ‌های حداکثر هر مد تخمین زده می‌شود. درواقع می‌توان گفت روش تحلیل استاتیکی معادل نوع خاصی از روش طیفی است که تنها مد اولِ سازه را بررسی می­کند و از مشارکت مدهای دیگر صرف‌نظر می­شود.

این روش بسیار مشابه روش تحلیل دینامیکی طیفی در طراحی سازه‌های جدید مطابق آیین‌نامه‌های طراحی لرزه‌ای ازجمله استاندارد 2800 بوده، با این تفاوت مهم که طیف پاسخ از طریق ضریب R (ضریب رفتار) کاهش داده نمی‌شود و نیروهای بزرگی در سازه ایجاد خواهد شد. بااین‌وجود، ظرفیت اعضای سازه‌ای چندین برابر ظرفیت مقاومتی آن‌ها لحاظ می‌شود؛ بنابراین عملاً سازه دست بالا نخواهد شد.

به تحلیل دینامیکی طیفی، تحلیل طیفی آنالیز مودال هم گفته می‌شود. این روش درواقع یک روش استاتیکی می‌باشد، با این تفاوت که تأثیر مودهای بالاتر هم در پاسخ نهایی سازه مدنظر قرار می‌گیرد؛ ازاین‌رو به این روش، شبه دینامیکی هم گفته می‌شود.

1.3.1. شرایط استفاده از روش تحلیل دینامیکی خطی

موارد کاربرد تحلیل دینامیکی خطی همانند تحلیل استاتیکی خطی است. در بخش 2.1.1 این مقاله شروط استفاده از تحلیل استاتیکی خطی بیان شد؛ بنابراین، اگر 5 شرط اولیه تأمین نشد، می­توان از روش دینامیکی خطی استفاده نمود؛ اما در هر شرایطی برای استفاده از روش استاتیکی خطی یا دینامیکی خطی (به‌طورکلی روش‌های خطی) الزاماً باید شرط 6 یا به‌طور هم‌زمان شروط 7، 8 و 9 تأمین شود.

2.3.1. مزایا و معایب استفاده از تحلیل دینامیکی خطی

مزایا و معایب این روش همانند روش استاتیکی خطی می­ باشد اما این تحلیل نسبت به روش استاتیکی خطی نتایج واقع‌بینانه‌ تری را ارائه می­کند. این تفاوت ازآنجا ناشی می­شود که در تحلیل استاتیکی خطی تنها مود اول سازه در نظر گرفته می ­شود اما در تحلیل دینامیکی خطی اثرات مود­های بالاتر نیز در نظر گرفته می­ شود که باعث افزایش دقت این تحلیل می­شود. علاوه بر این در تحلیل دینامیکی طیفی، از جرم و سختی سازه برای محاسبه دوره تناوب و توزیع نیرو­ها در سازه استفاده می­شود، درحالی‌که در روش استاتیکی خطی از معادلات تجربی برای محاسبه دوره تناوب و فرمولی که تنها به وزن و ارتفاع سازه وابسته است برای توزیع نیرو­ها استفاده می­شود. درصورتی‌که برای تحلیل سازه­ای از روش استاتیکی خطی استفاده کردیم و عضو یا اعضایی از آن سازه جوابگوی تلاش ­های وارده نبود، می­ توان سازه را به روش دینامیکی خطی هم تحلیل کرده و معمولاً در این حالت مشاهده می­ شود که تلاش اعضا کاهش قابل‌توجهی خواهند داشت.

3.3.1. روند گام‌به‌گام انجام تحلیل دینامیکی خطی

روند انجام تحلیل استاتیکی خطی جهت ارزیابی عملکرد سازه­ ها در 8 گام قابل انجام است. این گام­ ها عبارت‌اند از:

4.1. روش تحلیل استاتیکی غیرخطی (Nonlinear Static Procedure)

تحلیل استاتیکی غیرخطی یا pushover یکی از پرکاربردترین روش ­های تحلیل در طراحی عملکردی می­ باشد. در این روش سازه تحت بارگذاری ثقلی و یک الگوی بار جانبی قرار می­ گیرد که این بار جانبی با رفتار الاستیک و غیرالاستیک اعضا، به صورت پله‌ای افزایش می ­یابد تا به یک حد نهایی برسد. همان‌طور که در شکل زیر مشاهده می ­شود، اعضا تا حد تسلیم (نقطه 2) رفتاری الاستیک دارند و پس‌ از آن وارد محدوده تغییرشکل ­های غیر­خطی می­شوند. برخلاف دیگر تحلیل­ ها، در تحلیل پوش آور به‌جای اعمال نیروی ثابت، در هر مرحله‌ی بارگذاری یک جابجاییِ ثابت به سازه وارد می­شود تا سازه به جابجایی موردنظر برسد، این جابجایی در آیین ­نامه به‌عنوان «جابجایی هدف» تعریف‌ شده است و معمولاً این جابجایی در مرکز ثقل بام (نقطه کنترل) بررسی می­ شود.

تغییر مکان هدف درواقع حداکثر جابجایی تخمینی نقطه کنترل سازه تحت اثر زلزله‌ای با شدتی معادل سطح زلزله مفروض در طراحی عملکردی است. مزیت اصلی این روش این است که منحنی ظرفیت کل سازه را به ما ارائه می­کند. منحنی ظرفیت درواقع منحنی برش پایه کل در مقابل جابجایی نقطه کنترل ساختمان است. درنتیجه با داشتن این منحنی، می ­توان رفتار سازه را از مقادیر کم جابجایی جانبی و حالت ارتجاعی گرفته تا مقادیر زیاد جابجایی (در حد تغییر مکان هدف و حتی فراتر از آن) و حالت غیر ارتجاعی موردبررسی قرار داد.

لازمه به دست آوردن چنین منحنی‌ای از رفتار سازه، تعریف و اختصاص مفاصل رفتار غیرخطی اجزا از طریق تعریف و اختصاص مفاصل پلاستیک به آن‌ها است و ظرفیت و معیار پذیرش این مفاصل بر اساس آیین­ نامه تعیین می شود. این مفاصل بر اساس رابطه­ ی نیرو-تغییرشکل قطعات که به‌صورت روابطی غیرخطی بیان می­شود، مدل­سازی می­شود. برای به دست آوردن اطلاعات بیشتر درمورد منحنی ظرفیت سازه می­توانید به بخش منحنی ظرفیت سبز­سازه مراجعه کنید.

شکل 4- نواحی مختلف منحنی ظرفیت یکی از المان‌های سازه

1.4.1. انواع روش ­های تحلیل استاتیکی غیرخطی

تحلیل پوش‌آور انواع مختلفی دارد اما در رایج ­ترین نوع آن‌که در آیین ­نامه­ ها نیز این روش به‌عنوان روش مجاز تحلیل و طراحی عملکردی معرفی‌شده است، توزیع نیرو و جابجایی هدف در سازه با مود اول سازه کنترل می ­شود و شکل مؤدی سازه پس از تسلیم سازه تغییری نخواهد داشت. به این نوع از تحلیل، تحلیل پوش آور مونوتونیک گفته می­شود. می دانیم که در واقعیت چنین فرضی صحیح نیست و پس از تسلیم سازه و بروز رفتار غیرخطی در اعضای آن شکل مؤدی تغییر می ­کند. بدین منظور نوع دیگری از تحلیل پوش آور وجود دارد که تحلیل پوش آور سیکلیک نام دارد و پس از هر بار تحلیل، شکل مؤدی سازه بر اساس غیرخطی شدن اعضای سازه تغییر می­ کند. البته همان‌طور که گفتیم این روش هنوز وارد آیین­ نامه­ ها نشده است و کاربرد آن بیشتر در فضای آکادمیک می­ باشد. درنتیجه استفاده از تحلیل پوش آور مونوتونیک برای ساختمان ­های کوتاه و میان مرتبه مناسب است.

شکل 5- مقایسه منحنی ظرفیت سازه در تحلیل های پوش‌آور مونوتونیک و سیکلیک

شکل 6- نمونه ای از منحنی ظرفیت نهایی یک سازه پس از تحلیل پوش‌آور مونوتونیک در نرم افزار ایتبس

2.4.1. انواع مدل‌سازی در تحلیل پوش آور

در تحلیل پوش‌آور مدل‌سازی به دو صورت قابل انجام است. روش کامل و روش ساده‌شده. در روش کامل، اعضای اصلی و غیر اصلی سیستم باربر جانبی در مدل‌سازی وارد می­ شوند، اما در روش ساده‌ شده تنها اعضای اصلی مدل می­ شوند. ازآنجایی‌که دقت مدل‌سازی در روش ساده‌شده کمتر است، معیار­های پذیرش سخت‌گیرانه‌تری نسبت به زمانی که مدل‌سازی به روش کامل انجام گرفته است، در آیین­ نامه برای سازه در نظر گرفته شده است.

3.4.1. محاسبه سختی و مقاومت در روش­ های غیر­خطی

برای روش استاتیکی غیرخطی، می­ توان از رابطه­ ی کلی نیرو-تغییر­شکل که در شکل زیر نشان داده‌شده است یا منحنی­ های دیگری که از مدارک معتبر آزمایشگاهی به‌دست ‌آمده باشند، استفاده کرد. تمامی پارامتر­های نشان داده‌شده در شکل زیر نظیر Q_y (مقاومت مورد انتظار عضو) و یا پارامتر­های c,b,a در آیین نامه تعریف‌ شده‌اند.

شکل 7- محنی نیرو-تغییرشکل کلی برای اعضا و اجزا

4.4.1. چه زمان می­ توان از تحلیل استاتیکی غیرخطی استفاده کرد؟

هنگامی‌که استفاده از روش­ های خطی مجاز نباشد، می­توان از این تحلیل استفاده کرد. ازاین‌رو، هیچ محدودیتی ازنظر ارتفاع و نظم سازه­ای برای ساختمان­ هایی که می­ خواهند با این روش تحلیل شوند وجود ندارد؛ برخلاف روش ­های خطی، این روش را می­توان هم برای سازه ­های جدید و هم برای سازه­ های موجود استفاده کرد؛ اما در آیین ­نامه دو شرط ذکرشده است که پس از انجام تحلیل پوش آور اگر این دو شرط برقرار نباشد، امکان استفاده از این تحلیل وجود ندارد و باید از تحلیل­ های غیرخطی دینامیکی استفاده کرد. این شروط عبارت‌اند از:

اگر شرط 2 برقرار نباشد، باید از تحلیل دینامیکی خطی نیز برای تکمیل روش استاتیکی خطی استفاده گردد. در این حالت معیار پذیرش باید برای هر دو روش بررسی گردد با این تفاوت که برای پذیرش اعضا با رفتار تغییرشکل­ کنترل، در روش تحلیل دینامیکی خطی می­توان 33% تخفیف قائل شد.

پرسش رایجی که در طراحی عملکردی مطرح می‌شود این است که ((چه زمانی به جای تحلیل دینامیکی غیرخطی می‌توان از تحلیل استاتیکی غیرخطی استفاده کرد؟)) پاسخ به این سؤال را باید در ماهیت پاسخ لرزه‌ای سازه جستجو کرد. اگر پس از ارزیابی‌های اولیه مشخص شود که مود اول سهم غالب را در رفتار سازه دارد، پیچیدگی‌های دینامیکی مانند اثر مودهای بالاتر یا اندرکنش‌های غیرخطی خاک و سازه نقش عمده‌ای ایفا نمی‌کنند و سازه رفتار نسبتاً منظمی دارد، در این حالت می‌توان با اطمینان بیشتری از تحلیل پوش‌آور به‌عنوان جایگزینی ساده‌تر و سریع‌تر نسبت به تحلیل دینامیکی غیرخطی استفاده کرد. به بیان ساده، زمانی‌که نیاز به دقت بسیار بالا وجود ندارد و یا محدودیت‌هایی در دسترسی به رکوردهای مناسب یا منابع محاسباتی داریم، تحلیل استاتیکی غیرخطی می‌تواند گزینه‌ای کاملاً کارآمد و موجه باشد.

تحلیل غیرخطی، به‌ویژه زمانی که رفتار واقعی مصالح، تشکیل مفاصل پلاستیک و زوال ظرفیت اجزا در نظر گرفته می‌شود، ابزاری بسیار مؤثر برای شناسایی نقاط ضعف بحرانی در سازه محسوب می‌شود. برخلاف تحلیل‌های خطی که تنها به ارائه برآوردی کلی از پاسخ سازه بسنده می‌کنند، تحلیل غیرخطی به ما اجازه می‌دهد تا دقیقاً ببینیم کدام اعضا زودتر از بقیه وارد فاز تسلیم یا فروپاشی می‌شوند و توالی این نقاط بحرانی چگونه پیش می‌رود. به بیان ساده‌تر، با رصد رفتار غیرالاستیک اجزا در طول بارگذاری، می‌توان محل‌های تمرکز آسیب را شناسایی و مسیر گسترش آن‌ها را تحلیل کرد؛ موضوعی که به آن (Damage Localization) گفته می‌شود. این ویژگی به‌ویژه در ارزیابی سازه‌های موجود و طراحی مقاوم‌سازی هدفمند اهمیت مضاعف دارد، چرا که به جای بهسازی کلی، می‌توان تمرکز اقدامات را بر مناطق آسیب‌پذیر واقعی گذاشت و از اتلاف منابع جلوگیری کرد.

5.4.1. مزایا و معایب روش استاتیکی غیرخطی

▪️مزایا:

▪️معایب:

روند گام‌به‌گام انجام تحلیل استاتیکی غیرخطی انجام تحلیل پوش آور مونوتونیک در 12 گام قابل انجام است:

1- تصمیم ­گیری در خصوص سطح عملکرد موردنیاز

2 – تعیین و تفکیک اعضای سازه به اصلی و غیر اصلی

3- تعیین نقطه کنترل و محاسبه تغییر مکان هدف

4- تعیین روش تحلیل پوش آور

5- کنترل شروط استفاده از تحلیل استاتیکی غیرخطی

6- تعیین اعضای تغییرشکل‌کنترل و نیرو کنترل

7- تعریف مفاصل پلاستیک برای اعضای تغییرشکل‌کنترل و مفاصل نیرویی برای اعضای نیرو کنترل

8- شناخت محل مفاصل پلاستیک و اختصاص آن‌ها به مدل سازه

9- تعریف ترکیب بار­های ثقلی و تعریف الگوی بار جانبی برای پوش سازه

10- تنظیم پارامتر­های تحلیل سازه

11- کنترل مجوز استفاده از تحلیل استاتیکی غیر­خطی

12- بررسی معیار­های پذیرش اعضا به تفکیک برای اعضای تغییرشکل‌کنترل و نیرو کنترل در تغییر مکان هدف

برای آشنایی با مراحل گام‌به‌گام تحلیل پوش آور می ­توانید به صفحه تحلیل پوش اور ساختمان فولادی با نرم افزار Etabs سبز سازه مراجعه کنید.

وقتی صحبت از بهسازی لرزه‌ای ساختمان‌ها مطابق آیین‌نامه به میان می‌آید، آنچه اهمیت دارد تنها اجرای چند اصلاح فنی نیست، بلکه طی کردن یک فرآیند گام‌به‌گام دقیق و مستند است. از مرحله‌ی شناخت و بررسی وضعیت موجود آغاز می‌شود؛ جایی که باید عملکرد اجزای اصلی و حساس سازه ارزیابی و نقاط ضعف آن مشخص شود. در ادامه، تحلیل‌های دقیق لرزه‌ای ـ اعم از خطی یا غیرخطی ـ با در نظر گرفتن نیاز عملکردی انجام می‌شود و پس از آن، گزینه‌های مختلف تقویت یا اصلاح مطرح می‌گردد. انتخاب راهکار مناسب، طراحی جزئیات، کنترل تطابق با معیارهای پذیرش آیین‌نامه‌ای و در نهایت اجرای اصولی آن‌ها، بخشی از مسیر استاندارد در پاسخ به این سؤال است که ((مهم‌ترین مراحل اجرای یک پروژه بهسازی لرزه‌ای مطابق آیین‌نامه چیست؟)). این مسیر تنها زمانی به نتیجه‌ی مؤثر می‌رسد که همه‌ی این مراحل به‌صورت منسجم، مستند و مهندسی‌شده اجرا شوند.

6.4.1. مقایسه تحلیل استاتیکی غیرخطی با تحلیل دینامیکی غیرخطی

در پاسخ به این پرسش که ((مزایا و محدودیت‌های تحلیل استاتیکی غیرخطی (Pushover) نسبت به تحلیل دینامیکی غیرخطی چیست؟)) باید گفت که تحلیل پوش‌آور به‌عنوان یکی از روش‌های رایج در طراحی عملکردی، به دلیل سادگی نسبی، سرعت بالای اجرا و نیاز کمتر به داده‌های ورودی، به‌ویژه برای سازه‌های منظم و میان‌مرتبه، بسیار مورد استقبال قرار گرفته است. این تحلیل امکان ترسیم منحنی ظرفیت سازه را فراهم می‌کند که ابزار مفیدی برای ارزیابی سطح عملکرد اجزا، توالی تشکیل مفاصل پلاستیک و درک کلی از رفتار سازه در برابر زلزله محسوب می‌شود. با این حال، این روش دارای محدودیت‌هایی است؛ مهم‌ترین آن، فرض ثبات شکل مود در طول فرایند تحلیل است، در حالی‌که در سازه‌های نامنظم یا دارای تمرکز تغییرشکل، این فرض ممکن است منجر به نتایج نادقیق شود. همچنین، تحلیل پوش‌آور توانایی در نظر گرفتن اثرات رفت و برگشتی زلزله، پدیده‌های حوزه نزدیک، ضربه و تغییرات مداوم مشخصات سازه در طول زلزله را ندارد. در مقابل، تحلیل دینامیکی غیرخطی با شبیه‌سازی پاسخ کامل سازه در طول زمان و اعمال شتاب‌نگاشت‌های واقعی یا مصنوعی، امکان بررسی دقیق رفتار غیرخطی، چرخه‌ای و زمان‌مند اجزای سازه را فراهم می‌سازد، اما این دقت بالا با پیچیدگی عددی، نیاز به تجربه تخصصی و زمان بالای محاسبه همراه است. در نتیجه، تحلیل پوش‌آور برای بررسی مقدماتی رفتار سازه و طراحی در پروژه‌های معمول مناسب است، اما در موارد حساس یا سازه‌های خاص، تحلیل دینامیکی غیرخطی به‌عنوان ابزار نهایی ارجحیت دارد.

5.1. معرفی تحلیل دینامیکی افزایشی (IDA) و مقایسه آن با تحلیل‌های مرسوم

تحلیل دینامیکی افزایشی (IDA) یکی از دقیق‌ترین روش‌های ارزیابی عملکرد لرزه‌ای سازه‌هاست که تفاوت بنیادینی با تحلیل‌های معمولی دارد. برخلاف روش‌های مرسوم مانند تحلیل استاتیکی خطی، تحلیل طیفی یا حتی تحلیل دینامیکی غیرخطی که رفتار سازه را تنها در یک سطح مشخص از شدت زلزله بررسی می‌کنند، در روش IDA سازه تحت رکوردهای زلزله قرار می‌گیرد که به‌صورت تدریجی در شدت مقیاس می‌شوند و پاسخ آن در سطوح مختلف شتاب زمین ارزیابی می‌شود. این روند افزایشی باعث می‌شود بتوان رفتار سازه را از ناحیه ارتجاعی تا مرز فروپاشی به‌صورت گام‌به‌گام مشاهده کرد. از نتایج این تحلیل منحنی‌هایی به دست می‌آید که رابطه بین شدت زلزله (مانند Sa(T) یا  PGA) و شاخص پاسخ سازه (مانند دریفت طبقات) را نمایش می‌دهند. این منحنی‌ها اطلاعاتی فراتر از تحلیل‌های سنتی ارائه می‌دهند؛ از جمله تعیین ظرفیت نهایی سازه، ارزیابی احتمال فروپاشی، شناسایی سطوح عملکرد و استفاده در محاسبه منحنی‌های شکنندگی یا تحلیل ریسک لرزه‌ای. در مجموع، IDA ابزاری قدرتمند برای درک عمیق رفتار سازه در برابر زلزله‌های شدید و تصمیم‌گیری مهندسی بر مبنای عملکرد واقعی محسوب می‌شود.

6.1. روش تحلیل دینامیکی غیرخطی (Nonlinear Dynamic Procedure)

این تحلیل که تحلیل تاریخچه زمانی نیز نام دارد دقیق‌ترین و درعین‌حال پیچیده‌ترین روش تحلیل و طراحی عملکردی است و هنگامی‌که شروط ذکرشده در بخش 3.3.1 برقرار نباشد باید از این روش استفاده کرد. در این روش، پاسخ سازه و اجزای آن به‌صورت گام‌به‌گام در تمامی مراحل اعمال شتاب پایه زلزله محاسبه می‌شود؛ بنابراین اساساً این روش تحت اثر یک شتاب‌نگاشت مشخص قابل انجام بوده و یک تحلیل گام‌به‌گام است. طبعاً با افزایش مدت‌زمان رکورد شتاب اعمالی یا کاهش گام‌های زمانی تحلیل در این روش، حجم عملیات محاسباتی آن نیز بسیار افزایش می­ یابد درنتیجه این روش پیچیده بوده و نیاز به تجربه بالا در تفسیر نتایج دارد. پس استفاده از این تحلیل برای سازه­ های خاص یا پروژه­ های تحقیقاتی و آزمایشگاهی توجیه دارد. ازاین‌رو نتایج حاصل از این تحلیل پس از تأیید یک گروه از کارشناسان متخصص در طراحی سازه ­ها قابل‌استفاده است.

در این روش، پاسخ سازه با درنظرگرفتن رفتار غیرخطی مصالح و رفتار غیرخطی هندسی سازه محاسبه می­شود.

تفاوت اساسی مدل‌سازی سازه در این روش با روش استاتیکی غیرخطی این است که در روش دینامیکی غیرخطی باید رابطه نیرو-تغییرمکان (یا لنگر-دوران) غیرخطی تمامی اعضا در نواحی محتمل پلاستیک به‌صورت رفت و برگشتی در مدل لحاظ شود. به چنین مدلی اصطلاحاً مدل رفتاری چرخه‌ای (هیسترتیک) اطلاق می‌شود. این مدل‌ها از قبل بر اساس نتایج آزمایش‌های رفت و برگشتی بر روی نمونه‌های آزمایشگاهی به دست آمده و برای استفاده در مدل‌سازی غیرخطی کالیبره شده‌اند. این تحلیل نیازمند دانش و تجربه زیادی است.

در این روش با توجه به آن‌که ماتریس سختی و میرایی در طول زمان می­تواند تغییر کند، پاسخ مدل تحت شتاب زلزله به روش ­های عددی برای گام­ های زمانی مختلف محاسبه می ­شود. تغییر شکل­ ها و نیرو­های داخلی حاصل از تحلیل دینامیکی غیرخطی باید با معیار­های پذیرش ذکرشده در آیین ­نامه موردبررسی قرار گیرد.

شکل 8- روند تحلیل تاریخچه زمانی

1.6.1. چالش ­های انجام تحلیل دینامیکی غیرخطی

یکی از چالش‌ها در تحلیل تاریخچه زمانی انتخاب شتاب­ نگاشت است. شتاب ­نگاشت باید تا آنجا که ممکن است مناسب منطقه ­ای باشد که سازه در آنجا واقع ‌شده است؛ اما در بسیاری از حالات شتاب­ نگاشتی که مختص همان منطقه طرح باشد وجود ندارد و طراح مجبور به استفاده از شتاب‌نگاشت‌های مربوط به زلزله‌های رخ‌داده قبلی در مناطقی با شرایط زمین‌شناسی، تکتونیک و ژئوتکنیکی مشابه با محل احداث سازه در دست بررسی و یا استفاده از شتاب‌نگاشت‌های مصنوعی است. اینجاست که تأیید این شتاب­ نگاشت­ ها توسط گروهی از کارشناسان ضروری به نظر می­رسد چون ممکن است طراح شتاب­ نگاشت ­هایی را انتخاب کند که مناسب سازه موردنظر نباشد و روند طراحی آن سازه با خطا همراه باشد. بر اساس نشریه 360 تحلیل سازه در هر امتداد باید حداقل برای سه شتاب ­نگاشت انجام شود. پاسخ سازه باید برای زوج شتاب­ نگاشت­ ها محاسبه شود. چنانچه کمتر از 7 زوج شتاب‌نگاشت در نظر گرفته شود پاسخ سازه باید برابر مقدار حداکثر پاسخ ­ها فرض شود. چنانچه 7 زوج شتاب­ نگاشت یا بیشتر در نظر گرفته شود پاسخ سازه می ­تواند برابر متوسط مقدار پاسخ سازه ­ها انتخاب شود.

یکی از مهم‌ترین مباحث در تحلیل‌های تاریخچه زمانی، موضوع مقیاس رکوردها است که معمولاً از طریق مقیاس طیف پاسخ میانگین آن‌ها با طیف زلزله طرح انجام می‌شود. در کارهای تحقیقاتی، می‌توان شتاب‌نگاشت‌ها را بدون مقیاس آن‌ها (عیناً به‌صورت رکورد شده یا As Recorded) نیز مورد استفاده قرار داد که به این تحلیل، اصطلاحاً تحلیل ابری (Cloud Analysis) گفته می‌شود.

برای آشنایی بیشتر با روند تحلیل تاریخچه زمانی در نرم ­افزار ETABS می­توانید به صفحه بررسی تحلیل تاریخچه زمانی خطی در ایتبس سبز سازه مراجعه کنید.

2.6.1. معیارهای انتخاب شتاب‌نگاشت برای تحلیل دینامیکی غیرخطی

در انتخاب شتاب‌نگاشت لرزه‌ای معتبر جهت تحلیل دینامیکی غیرخطی، رعایت چند معیار کلیدی برای دستیابی به نتایج دقیق و قابل‌اعتماد ضروری است. نخست، رکوردهای زلزله باید با شرایط ساختگاهی محل پروژه از نظر نوع خاک، فاصله از گسل، بزرگی زلزله و ویژگی‌های زمین‌شناسی همخوانی داشته باشند تا رفتار واقعی زمین را منعکس کنند. دوم، رکوردها باید دارای دامنه فرکانسی مناسب باشند تا توانایی تحریک مودهای مختلف سازه را داشته و پاسخ دقیق‌تری از رفتار غیرخطی سیستم ارائه دهند. سوم، رکورد انتخابی باید از نظر کیفیت ثبت، فاقد نویز یا پرش بوده و شامل مؤلفه‌های افقی (و در صورت نیاز عمودی) با مدت‌زمان مناسب باشد. از دیگر معیارهای مهم، تطابق طیف پاسخ رکورد با طیف هدف آیین‌نامه‌ای یا طیف ویژه ساختگاه است؛ این امر معمولاً با مقیاس‌سازی رکوردها انجام می‌شود تا پوشش مناسبی در محدوده پریود سازه حاصل گردد. همچنین، رعایت تعداد کافی رکوردها بر اساس ضوابط آیین‌نامه‌ها اهمیت دارد؛ به‌عنوان نمونه، در نشریه ۳۶۰ تأکید شده است که در صورت استفاده از کمتر از ۷ زوج رکورد، باید بیشینه پاسخ به‌عنوان مبنا در نظر گرفته شود، در حالی‌که در صورت استفاده از ۷ زوج یا بیشتر، می‌توان از میانگین پاسخ‌ها استفاده کرد. در مجموع، انتخاب هدفمند و مهندسی‌شده رکوردها نقشی حیاتی در دقت تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی ایفا می‌کند و مانع از ارائه نتایج غیرواقعی یا گمراه‌کننده در طراحی عملکردی سازه خواهد شد.

در پاسخ به این پرسش که ((نقش و اهمیت عدم قطعیت‌ها در تحلیل و طراحی سازه چگونه ارزیابی می‌شود؟)) باید گفت که عدم قطعیت‌ها، به‌عنوان یکی از واقعیت‌های انکارناپذیر در فرایند تحلیل و طراحی سازه، نقشی بنیادین در دقت و اعتبار نتایج ایفا می‌کنند؛ این عدم قطعیت‌ها می‌توانند ناشی از ساده‌سازی‌های مدل‌سازی هندسی، انواع فرض‌های رفتاری مصالح، روش انتخاب‌شده برای تحلیل (مانند روش‌های خطی یا غیرخطی) یا حتی ماهیت غیرقابل پیش‌بینی زلزله‌ها باشند. ارزیابی این عدم قطعیت‌ها با به‌کارگیری ابزارهایی مانند تحلیل حساسیت، ضرایب اطمینان و استفاده از طیف متنوع رکوردهای زلزله انجام می‌شود و از طریق تحلیل‌های دقیق‌تر نظیر تحلیل پوش‌آور یا تاریخچه زمانی غیرخطی می‌توان میزان تأثیر آن‌ها را در عملکرد سازه بهتر درک کرد. بنابراین، پاسخ به این سؤال نه‌تنها به جنبه فنی مدل‌سازی و تحلیل برمی‌گردد، بلکه نشان‌دهنده یک نگرش واقع‌گرایانه مهندسی است که هدف آن، افزایش اعتماد به طراحی در برابر خطرات ناشناخته و متغیر محیطی همچون زلزله می‌باشد.

7.1. منابع عدم قطعیت و راهکارهای کاهش آن در طراحی سازه‌ها

در پاسخ به این سؤال که «اصلی‌ترین منابع تولید عدم قطعیت در طراحی سازه‌ها چیست و راهکارهای مهندسی کاهش آن‌ها کدام است؟» می‌توان گفت که عدم قطعیت‌ها در طراحی سازه از سه منبع اصلی نشأت می‌گیرند: نخست، عدم قطعیت‌های مربوط به بارگذاری، به‌ویژه بار زلزله که به‌واسطه ماهیت تصادفی و غیرقابل پیش‌بینی بودن آن منشأ اصلی تغییرپذیری در پاسخ سازه است؛ دوم، عدم قطعیت در خصوص رفتار مصالح و اجزای سازه که ناشی از تغییرات ذاتی در خواص مکانیکی، کیفیت اجرا و نحوه اتصال اعضاست؛ و سوم، عدم قطعیت ناشی از مدل‌سازی و فرضیات تحلیلی که در قالب ساده‌سازی‌های هندسی، فرض رفتار خطی، یا نادیده‌گرفتن اندرکنش‌هایی مانند خاک و سازه در تحلیل‌ها ظاهر می‌شود.

برای کاهش این عدم قطعیت‌ها، راهکارهای مهندسی متعددی وجود دارد؛ از جمله استفاده از ضوابط طراحی مبتنی بر عملکرد که دید روشن‌تری نسبت به پاسخ واقعی سازه فراهم می‌کند، بهره‌گیری از تحلیل‌های پیشرفته مانند تحلیل پوش‌آور یا تاریخچه زمانی غیرخطی، انتخاب مدل رفتاری واقع‌گرایانه برای مصالح و مفاصل سازه‌ای، انجام تحلیل حساسیت نسبت به پارامترهای کلیدی طراحی، و همچنین استفاده از طیف وسیع رکوردهای زلزله جهت پوشش تنوع محتمل در تحریک‌های لرزه‌ای. در کنار این موارد، رعایت اصول اجرای دقیق و کنترل کیفی مصالح و جزئیات اجرایی نیز می‌تواند نقش مهمی در کاهش عدم قطعیت‌ها ایفا کند و منجر به ارتقای اطمینان از عملکرد سازه در برابر سناریوهای زلزله شود.

2. چالش ­های مدل‌سازی در طراحی عملکردی

بدون شک مدل‌سازی یکی از اصلی‌ترین بخش‌های انجام هر یک از تحلیل­ های ذکرشده در روند طراحی و کنترل عملکردی می ­باشد. درواقع اگر مدل شما درست نباشد، نتایج به‌دست‌آمده اعتباری نخواهد داشت. در این بخش می­ خواهیم درمورد مواردی صحبت کنیم که در روند مدل‌سازی سازی نیاز به دقت بیشتری دارند.

1.2. تفاوت مدل‌سازی سازه‌های فولادی، بتنی و ترکیبی در پروژه‌های خاص

در پاسخ به این پرسش که تفاوت مدل‌سازی سازه‌های فولادی، بتنی و ترکیبی در پروژه‌های خاص چگونه بروز می‌یابد، باید اشاره کرد که ویژگی‌های فیزیکی و رفتاری هر یک از این مصالح مستقیماً بر شیوه مدل‌سازی تأثیر می‌گذارند و در پروژه‌هایی با شرایط خاص، مانند سازه‌های بلند، سازه‌های با اهمیت زیاد، یا ساختمان‌هایی با سیستم‌های مقاوم پیچیده، این تفاوت‌ها به‌مراتب پررنگ‌تر می‌شوند. در سازه‌های فولادی، تمرکز اصلی بر مدلسازی دقیق مفاصل، رفتار غیرخطی و کمانش اعضا است و تعریف مناسب از مفاصل پلاستیک، ظرفیت خمشی و سختی محلی اهمیت بالایی دارد. در مقابل، مدل‌سازی سازه‌های بتنی با پیچیدگی‌های خاص خود مواجه است؛ از جمله لحاظ ترک‌ خوردگی، تغییرات سختی در طول زمان، رفتار غیرفشاری بتن، و تأثیر پدیده‌هایی مانند جمع‌شدگی یا خزش. در سازه‌های ترکیبی که در آن‌ها از اجزای فولادی و بتنی به‌طور هم‌ زمان استفاده می‌شود، مسئله هماهنگی رفتار دو ماده با خواص متفاوت، هم در تحلیل‌های خطی و هم در تحلیل‌های غیرخطی، بسیار حساس است و در صورت بی‌توجهی می‌تواند به نتایج نادرست منجر شود.

بنابراین، تفاوت‌های مدل‌سازی تنها به انتخاب نوع اعضا محدود نمی‌شود بلکه نحوه در نظر گرفتن رفتار غیرخطی، توزیع سختی، معیارهای پذیرش، و نیز تحلیل‌های پایداری و وابستگی زمانی رفتار نیز در این میان اهمیت می‌یابد و طراح ناگزیر است برای هر نوع سیستم سازه‌ای، راهبرد متناسبی در مدل‌سازی اتخاذ کند تا عملکرد واقعی سازه در شرایط بحرانی به‌درستی بازتاب داده شود.

2.2. مقدمه‌ای بر اهمیت دقت مدل‌سازی و تاثیر آن بر نتایج تحلیل

در پاسخ به این پرسش که ((تأثیر خطاهای مدل‌سازی در نتایج تحلیل سازه و پیامد اجرایی آن‌ها چگونه قابل بررسی است؟)) باید توجه داشت که دقت مدل‌سازی نقش حیاتی در صحت نتایج تحلیل سازه دارد، به‌گونه‌ای که حتی خطاهای کوچک در تعریف مشخصات هندسی، مدل رفتاری اعضا، شرایط مرزی یا بارگذاری می‌توانند منجر به انحراف قابل‌توجه در نتایج نهایی شوند. این خطاها ممکن است به‌صورت افزایش یا کاهش غیرواقعی نیروها، تغییر شکل‌ها، یا تقاضاهای لرزه‌ای ظاهر شده و در نهایت موجب طراحی نامطمئن یا بیش‌ازحد محافظه‌کارانه اجزای سازه شوند. پیامد اجرایی چنین خطاهایی می‌تواند در قالب افزایش هزینه‌های غیرضروری ساخت، عدم تحقق سطح عملکرد مورد انتظار، یا در موارد شدیدتر، شکست موضعی یا کلی سازه در برابر زلزله ظاهر گردد.

برای بررسی و کنترل تأثیر این خطاها، باید از یک رویکرد چندمرحله‌ای استفاده کرد: در گام نخست، بازبینی کامل فرضیات مدل‌سازی و صحت‌سنجی داده‌های ورودی صورت گیرد؛ در مرحله بعد، انجام تحلیل حساسیت برای شناسایی پارامترهای بحرانی که بیشترین تأثیر را بر پاسخ سازه دارند، توصیه می‌شود؛ همچنین تطبیق نتایج با تحلیل‌های مرجع یا استفاده از روش‌های جایگزین مانند تحلیل خطی و غیرخطی به‌صورت مقایسه‌ای می‌تواند دید مناسبی نسبت به خطاهای احتمالی ارائه دهد. در نهایت، بازنگری طراحی با توجه به نتایج اصلاح‌شده تحلیل و کنترل دقیق در مرحله اجرا، تضمین‌کننده کیفیت و ایمنی نهایی سازه خواهد بود.

برای پاسخ به این پرسش که ((تفاوت‌های کلیدی بین آیین‌نامه ملی بهسازی لرزه‌ای ایران و آیین‌نامه‌های بین‌المللی مانند ASCE 41 یا FEMA 356 چیست؟))، لازم است نگاهی به فلسفه تدوین و نوع نگاه هر یک از این آیین‌نامه‌ها به مفهوم عملکرد و بهسازی بیندازیم. آیین‌نامه ملی ایران (نشریه ۳۶۰) با تکیه بر شرایط بومی، زمین‌ساخت کشور و محدودیت‌های اجرایی، سعی کرده نسخه‌ای کاربردی‌تر و متناسب با نیاز پروژه‌های داخل کشور ارائه دهد. در حالی که ASCE 41 و FEMA 356 به‌عنوان مراجع بین‌المللی، معمولاً از دامنه‌ی وسیع‌تری از تجربیات و داده‌های آزمایشگاهی استفاده کرده‌اند و در برخی موارد به‌ویژه در تعریف معیارهای پذیرش، تنوع روش‌های تحلیل، و مدل‌سازی مفصل‌های غیرخطی، دقیق‌تر و گسترده‌تر عمل کرده‌اند. از سوی دیگر، نشریه ۳۶۰ تلاش کرده است تا با ساده‌سازی مراحل تصمیم‌گیری، کاربرد عملی این فرآیند را برای مهندسان داخلی تسهیل کند. تفاوت‌ها نه صرفاً در جداول و ضرایب، بلکه در نگاه کلان به مفهوم ارزیابی عملکرد و اولویت‌بندی خطرات لرزه‌ای نهفته است.

3.2. استفاده از مدل دو­بعدی بجای سه­ بعدی

با پیشرفت نرم افزار­های حوزه مهندسی عمران، انجام تحلیل­ های ذکرشده آسان ­تر از گذشته شده است. اولین گام در انجام هر تحلیلی چه در طراحی تجویزی و چه در طراحی عملکردی مدل‌سازی سازه می­ باشد. مدل‌سازی یکی از مهم ­ترین بخش ­های تحلیل و طراحی سازه می ­باشد و اشتباه در آن می­ تواند نتایج را به‌کلی دگرگون کرده و پیامدهای جبران‌ناپذیری به همراه داشته باشد.

در بخش اول گفتیم که استفاده از روش­های غیرخطی دشواری هایی را در پی دارد. مثلاً گفتیم که از ضعف ­های تحلیل پوش­ آور همگرا نشدن منحنی ظرفیت سازه است و یا در تحلیل تاریخچه زمانی حجم عملیات بسیار بالا می­ باشد که این امر استفاده از این تحلیل را با استفاده از کامپیوتر­های معمولی برای طیف وسیعی از سازه ­ها غیرممکن می­ سازد. این چالش ­ها در تحلیل­ های خطی با دشواری­ های کمتری روبه‌ رو است و تنها نکته­ ای که باید برای تحلیل­ های خطی مدنظر قرار دهیم، در نظر گرفتن اثر هم‌زمانی مؤلفه­ های زلزله است.

پس هرچقدر مدل ما ساده‌تر باشد، خطا­های نرم­ افزاری و زمان تحلیل ما کمتر خواهد بود. یکی از راهکار­ها برای ساده ­سازیِ مدل، استفاده از مدل دوبعدی سازه به‌جای مدل سه‌بعدی آن است. این کار تأثیر به سزایی در کاهش حجم عملیات محاسبات در تحلیل­ های غیرخطی و به‌ خصوص غیرخطی دینامیکی دارد و همچنین در آن نیازی به در نظر گرفتن هم‌زمانِ مؤلفه‌های زلزله نیست، زیرا در این روش نیروی زلزله تنها در یک راستا به سازه اعمال می‌شود. در این بخش می­خواهیم توضیح دهیم که در چه مواردی می ­توان از مدل‌ دوبعدی بجای مدل سه‌بعدی استفاده کرد. مطابق بند 3-2-2 نشریه 360 در دو حالت می­ توان از مدل­سازی دو­بعدی بجای سه ­بعدی استفاده کرد:

1- سازه­ دارای دیافراگم صلب باشد و اثرات پیچش در سازه لحاظ شده باشد.

2- سازه­ دارای دیافراگم نرم باشد که اثر تغییر شکل دیافراگم برحسب سختی آن باید در آن در نظر گرفته شود.

درنتیجه در سازه­ های با دیافراگم نیمه صلب حتماً باید از مدل­سازی سه‌بعدی استفاده کرد.

مطابق فصل 8 نشریه 360 دیافراگم ­ها ازنظر صلبیت به‌صورت زیر تعریف می­شوند.

1. اگر حداکثر تغییر شکل دیافراگم بزرگ‌تر از 2 برابر متوسط تغییر مکان جانبی نسبی آن طبقه باشد، آن دیافراگم نرم محسوب می­شود.
2. اگر حداکثر تغییر شکل دیافراگم کمتر از نصف متوسط تغییر مکان جانبی نسبی آن طبقه باشد، آن دیافراگم صلب محسوب می­شود.
3. اگر دیافراگمی نه صلب و نرم باشد، آن دیافراگم نیمه صلب محسوب می­شود.

همچنین اثرات پیچش در سازه های سه بعدی باید با استفاده از ضریبی در سازه های دوبعدی اعمال شود. این ضریب که ضریب تغییر مکان یا η نام دارد، اگر از 1.5 بیشتر باشد، حتماً باید از مدل‌سازی سه بعدی برای تحلیل سازه استفاده کرد. لازم به ذکر است که ضریب η دقیقاً برابر با ضریب A_j در استاندارد 2800 است.

در صورت استفاده از مدل دوبعدی مطابق نشریه 360، ضریب تغییر مکان در مدل دوبعدی به‌صورت زیر اعمال می شود:

▪️در تحلیل های خطی، باید مقادیر نیرو ها و تغییر شکل ها در حداکثر مقدار η ضرب شوند.
▪️در تحلیل غیرخطی استاتیکی، تغییر مکان‌های هدف باید در حداکثر مقدار η ضرب شوند.
▪️در تحلیل غیرخطی دینامیکی، دامنه شتاب‌نگاشت‌های زلزله هدف باید در حداکثر مقدار η ضرب شوند.

4.2. مدل‌سازی خاک و در نظر اندرکنش خاک و سازه

اثر اندرکنش خاک و سازه را می­توان در نرم­ افزار ایتبس تعریف کرد. این کار ممکن است زمان ­بر باشد و چالش ­هایی را در روند طراحی و کنترل به وجود آورد. در نظر گرفتن اثرات اندرکنشی خاک و سازه همواره لازم نیست. بر اساس نشریه 360، در مواردی که افزایش زمان تناوب ساختمان به دلیل اندرکنش خاک سبب افزایش شتاب­ های طیفی سازه شود (مثلاً سازه­ های واقع بر روی خاک نرم و یا نزدیک به گسل) اثر اندرکنش خاک و سازه باید مدنظر قرار گیرد. در سایر موارد درنظر­گرفتن این اثر اجباری نیست.

درنتیجه مطابق نشریه 360، در اکثر سازه­ های معمول نیازی به در نظر گرفتن اندرکنش خاک و سازه نیست. در مواردی که مدل‌سازی اندرکنش خاک و سازه اجباری است، می­ توان از روش­ های ذکرشده از این بند برای مدل‌سازی در نرم ­افزار استفاده کرد.

بستر نرم سازه هنگام زلزله باعث افزایش دوره تناوب سازه می­شود. این افزایش موجب افزایش تقاضای شکل­ پذیری سازه می­شود و ممکن است تغییر­ شکل­ های دائمی را در سازه بیشتر کند. پس در این حالت اندرکنش خاک و سازه اهمیت قابل‌توجهی خواهد داشت. به‌عنوان‌مثال کشور مکزیک را در نظر بگیرید.

شکل 10- نمونه ای از سازه های تخریب‌شده در زلزله مکزیکوسیتی در سال 1985

در این بخش نمونه­ ای از تفاوت­ های تغییر شکل جانبی، تغییر مکان جانبی نسبی طبقات، برش پایه و لنگر اعضای یک ساختمان 10 طبقه در شرایطی که روی خاک صلب، سخت و نرم واقع شده باشد در قالب چهار نمودار آورده شده است.

شکل 11- مقایسه تغییرشکل جانبی ساختمان ها با تکیه گاه گیردار و انعطاف‌پذیر برای خاک‌ها با شرایط مختلف

شکل 12-مقایسه تغییرمکان جانبی نسبی طبقات ساختمان ها با تکیه گاه گیردار و انعطاف‌پذیر برای خاک‌ها با شرایط مختلف

شکل 13-مقایسه برش پایه ساختمان ها با تکیه گاه گیردار و انعطاف‌پذیر برای خاک‌ها با شرایط مختلف

شکل 14-مقایسه لنگر ستون های ساختمان ها با تکیه گاه گیردار و انعطاف‌پذیر برای خاک‌ها با شرایط مختلف

5.2. مدل­سازی میانقاب­ ها در طراحی و تحلیل عملکردی سازه­ ها

پس زلزله­ های اخیر رخ‌داده در کشورمان، نقش میانقاب­ ها در عملکرد لرزه­ ای ساختمان را کاملاً آشکار کرده است. درنتیجه در نظر گرفتن اثرات میانقاب­ ها یکی از مهم ­ترین بخش ­های مدل‌سازی یک ساختمان در طراحی و تحلیل عملکردی آن است. اگر جداگرهای میان قابی مانعی برای حرکت قاب‌ها ایجاد نکنند، نیازی به در نظر گرفتن آن‌ها در مدل نیست، اما اگر این‌طور نباشد میانقاب­ ها تأثیر زیادی بر عملکرد لرزه ­ای سازه دارند و حتماً باید مدل شوند. مطابق فصل 8 نشریه 360، میانقاب­ ها در سازه می­ توانند به‌صورت دستک­ های فشاری مدل شوند.

لازم به ذکر است که با توجه به پیوست ششم آیین‌نامه‌ی 2800 که در اواسط سال 98 منتشرشده، جدا کردن میانقاب از قاب سازه در سازه‌های بلندتر از چهار طبقه و همچنین سازه‌های بااهمیت زیاد و بسیار زیاد الزامی می‌باشد، درنتیجه توصیه می‌شود همواره طراحی را با فرض عدم مزاحمت میانقاب برای قاب انجام دهیم و در زمان اجرا هم از اجرای میانقاب غیر پیوسته اطمینان حاصل کنیم.

شکل 15-جایگزینی میانقاب با دستک فشاری معادل

در پاسخ به این پرسش که ((مهم‌ترین چالش‌های عملی مدل‌سازی اجزای سازه‌ای پیچیده در نرم‌افزارهای متداول چیست؟)) باید توجه داشت که هرچند ابزارهای تحلیل سازه‌ای مانند  ETABS، SAP2000  و OpenSees در سال‌های اخیر توانایی‌های پیشرفته‌ای برای مدل‌سازی سیستم‌های پیچیده ارائه کرده‌اند، اما همچنان محدودیت‌هایی جدی در مواجهه با اجزای خاص و رفتاری غیرخطی، پابرجاست. چالش‌های اصلی شامل تعریف دقیق مفاصل پلاستیک و رفتار هیسترتیک اعضا، مدل‌سازی واقع‌گرایانه اندرکنش خاک و سازه، شبیه‌سازی دقیق میانقاب‌ها و المان‌های غیرسازه‌ای تأثیرگذار، و نیز محدودیت در لحاظ‌ کردن اثرات سه‌بعدی در رفتار پیچشی یا مودهای ترکیبی است. در بسیاری از موارد، کاربر مجبور به ساده‌سازی بیش‌ازحد مدل می‌شود یا باید از مفروضات تجربی برای اجزای ناشناخته استفاده کند، که این موضوع می‌تواند به کاهش دقت نتایج منجر شود. افزون بر این، دشواری در همگرایی تحلیل در شرایطی که رفتار غیرخطی شدید وجود دارد و نیز نیاز به مهارت بالا در تفسیر نتایج پیچیده، از دیگر موانع عملی مهم محسوب می‌شود. بنابراین، چالش اصلی نه‌ تنها در محدودیت ابزار نرم‌افزاری، بلکه در تقابل میان واقع‌گرایی مدل‌سازی و سادگی اجرایی تحلیل نهفته است.

6.2. ترکیب تحلیل عددی و داده‌های واقعی برای راستی‌آزمایی مدل

در پاسخ به این پرسش که ((چطور می‌توان داده‌های واقعی و تحلیل عددی را جهت راستی‌آزمایی مدل ترکیب نمود؟)) باید گفت که راستی‌آزمایی مدل تحلیلی با داده‌های واقعی یکی از ارکان مهم اطمینان از صحت تحلیل و قابلیت اعتماد نتایج در طراحی عملکردی سازه‌هاست. این فرایند معمولاً از طریق مقایسه نتایج حاصل از تحلیل عددی با نتایج تجربی، داده‌های شتاب‌نگاری زلزله‌های واقعی، آزمایش‌های آزمایشگاهی یا رفتار مشاهده‌ شده در سازه‌های مشابه صورت می‌گیرد. در گام نخست، باید مدل عددی به‌گونه‌ای ساخته شود که فرضیات آن منطبق با شرایط واقعی سازه از نظر هندسه، نوع سیستم باربر، مشخصات مصالح و شرایط مرزی باشد.

سپس با استفاده از اطلاعات ثبت‌شده از سازه در زلزله‌های گذشته یا نتایج آزمایش‌های بارگذاری استاتیکی یا دینامیکی، پاسخ‌های کلیدی مانند جابجایی‌ها، نیروها یا توزیع ترک‌ها با خروجی‌های مدل عددی مقایسه می‌شود. اگر اختلاف قابل‌توجهی مشاهده گردد، لازم است مفروضات مدل‌ سازی بازبینی یا پارامترهای بحرانی کالیبره شوند. این تطابق می‌تواند از طریق تنظیم منحنی‌های رفتاری مفاصل پلاستیک، به‌روزرسانی مدل خاک، یا اصلاح رفتار هیسترتیک اعضا حاصل شود. انجام این راستی‌آزمایی نه‌ تنها به افزایش دقت تحلیل کمک می‌کند، بلکه موجب ارتقای اطمینان در تصمیم‌گیری طراحی و کاهش ریسک‌های ناشی از مدل‌سازی غیر واقع‌بینانه خواهد شد.

7.2. نقش سناریوسازی در مدیریت ریسک‌های مدل‌سازی سازه‌ای

در پاسخ به این پرسش که ((کاربرد سناریوسازی در مدیریت ریسک‌های مدل‌سازی سازه‌ای چیست؟)) باید گفت که سناریوسازی، به‌عنوان یکی از ابزارهای کلیدی در تحلیل‌های مبتنی بر عدم قطعیت، امکان بررسی پیامدهای ناشی از فروض مختلف مدل‌سازی را فراهم می‌سازد. در سناریوهای مختلف، پارامترهایی مانند نوع سیستم باربر، مقاومت مصالح، توزیع سختی، شرایط مرزی یا فرضیات مربوط به رفتار غیرخطی با مقادیر متفاوت مدل می‌شوند تا دامنه پاسخ‌های احتمالی سازه مورد ارزیابی قرار گیرد. این روش نه‌ تنها به شناسایی حساس‌ترین متغیرها نسبت به تغییرات مدل کمک می‌کند، بلکه با فراهم‌کردن دیدگاهی چندجانبه نسبت به عملکرد سازه، ریسک تصمیم‌گیری تنها بر پایه یک مدل خاص را کاهش می‌دهد.

سناریوسازی در واقع به مهندس طراح این امکان را می‌دهد که پاسخ‌های محتمل در وضعیت‌های مختلف زلزله یا خطاهای احتمالی مدل‌سازی را پیش‌بینی کرده و در نتیجه، طراحی سازه را با اطمینان بیشتری انجام دهد. همچنین از سناریوهای مدل‌سازی می‌توان برای ارزیابی کفایت مدل پایه، مقایسه روش‌های تحلیل خطی و غیرخطی، یا بررسی آثار استفاده یا عدم استفاده از اندرکنش خاک و سازه بهره برد. به‌طور کلی، سناریوسازی ابزاری استراتژیک در مدیریت ریسک تحلیلی است که می‌تواند موجب ارتقای دقت تصمیم‌گیری مهندسی و کاهش احتمال بروز پیامدهای نامطلوب در اجرای پروژه شود.

8.2. شاخص‌ها و معیارهای کنترل صحت و دقت مدل‌سازی در طراحی عملکردی

در پاسخ به پرسش ((در چارچوب طراحی عملکردی، کنترل صحت و دقت مدل‌سازی با چه شاخص‌ها و معیارهایی انجام می‌پذیرد؟)) باید اشاره کرد که اطمینان از درستی مدل‌سازی، یکی از ارکان حیاتی برای اعتبار نتایج تحلیل و تصمیم‌گیری مهندسی در طراحی عملکردی سازه‌هاست. برای این منظور، چند شاخص و معیار کلیدی مورد استفاده قرار می‌گیرند که به‌صورت کمی یا کیفی دقت و صحت مدل را ارزیابی می‌کنند. نخستین شاخص، پاسخ‌سنجی تحلیلی-تجربی است، به این معنا که نتایج حاصل از مدل‌سازی باید با داده‌های واقعی مانند پاسخ ثبت‌شده سازه در زلزله‌های گذشته، نتایج آزمایشگاهی یا مشاهدات تجربی مشابه مقایسه و اعتبارسنجی شوند. دومین معیار، تحلیل حساسیت پارامتریک است که در آن تأثیر تغییر پارامترهای کلیدی مانند سختی، مقاومت، میرایی یا مشخصات مرزی بر پاسخ نهایی سازه سنجیده می‌شود تا پایایی مدل ارزیابی گردد.

معیار دیگر، کنترل نسبت نیرو به ظرفیت (DCR) در اعضای مختلف سازه است که به‌ویژه در تحلیل‌های خطی و غیرخطی ملاک تعیین عملکرد اجزای سازه می‌باشد. همچنین، بررسی همگرایی و پایداری منحنی ظرفیت در تحلیل پوش‌آور، یکی از معیارهای مهم اعتبار مدل در حوزه تحلیل غیرخطی است. در تحلیل دینامیکی غیرخطی نیز، پاسخ طیفی مدل باید با طیف هدف تطبیق داده شود و معیارهایی نظیر تطابق میانگین پاسخ رکوردها با سطح خطر طراحی، دقت در مدل‌سازی رفتار هیسترتیک اجزا، و درستی اعمال شرایط مرزی و الگوی بارگذاری لرزه‌ای بررسی شوند. در نهایت، بازبینی کیفی مفروضات مدل‌سازی شامل انتخاب نوع تحلیل، مدل رفتاری، مش‌بندی، و در نظر گرفتن اجزای غیرسازه‌ای (مثل میانقاب‌ها یا جداگرها) مکمل کنترل‌های عددی است و معمولاً توسط تیم‌های تخصصی یا بازبین‌های پروژه انجام می‌شود.

در پروژه‌های بهسازی لرزه‌ای، پایش سلامت سازه‌ای (SHM) نقش مکمل و گاه حیاتی در ارزیابی اثربخشی راهکارهای اجرایی و تشخیص به‌موقع آسیب‌ها ایفا می‌کند. برای پاسخ به این پرسش که کدام تکنیک‌های SHM در این پروژه‌ها اهمیت دارند، باید به ابزارها و روش‌هایی اشاره کرد که قادرند پاسخ سازه به تحریک‌های محیطی یا لرزه‌ای را در طول زمان ثبت و تحلیل کنند. استفاده از شتاب‌سنج‌ها، حسگرهای کرنش، و جابجایی‌سنج‌ها برای پایش تغییرمکان‌ها و ارتعاشات در نقاط کلیدی سازه، از جمله روش‌های مؤثر محسوب می‌شوند. همچنین تکنیک‌هایی مانند تحلیل مودال تجربی (EMA)، شناسایی پارامترهای دینامیکی با استفاده از داده‌های واقعی، و پایش بلندمدت تغییر رفتار سازه‌ای، در تشخیص زودهنگام کاهش سختی، تشکیل مفاصل پلاستیک یا کاهش ظرفیت اعضای بحرانی، بسیار مفید هستند. در سازه‌هایی که بهسازی لرزه‌ای در آن‌ها انجام شده، استقرار سامانه SHM می‌تواند نه‌تنها عملکرد سیستم بهسازی را در زمین‌لرزه‌های آتی بررسی کند، بلکه در فرآیند تصمیم‌گیری برای بهسازی‌های آتی یا ارزیابی ریسک عملیاتی نیز نقش کلیدی داشته باشد.

پرسش و پاسخ

نتیجه گیری

با به‌روزرسانی آیین­ نامه، روند طراحی سازه ­ها بیشتر به سمت روش ­های طراحی عملکردی سوق پیدا می­کند، درنتیجه آشنایی با روش­های طراحی عملکردی بیش‌ از پیش اهمیت می­یابد. برای انجام تحلیل­ های عملکردی می ­توان همانند طراحی تجویزی از تحلیل­ های استاتیکی و دینامیکی خطی (اما در قالبی متفاوت) و یا از تحلیل­ های غیر­خطی استفاده کرد.

روش­ های خطی مناسب ارزیابی و بهسازی لرزه ­ای سازه­ های موجود می­ باشند و برای طراحی سازه ­های جدید نمی ­توان از آن‌ها استفاده کرد. به علت تقریب بالای روش ­های خطی، نتایج به‌دست‌آمده از آن عموماً دست بالا می­ باشد. درصورتی‌که استفاده از تحلیل­ های خطی امکان­پذیر نباشد، می ­توان از تحلیل­ های استاتیکی یا دینامیکی غیرخطی استفاده کرد. البته انجام یک تحلیل خطی پیش از انجام تحلیل­ های غیر­خطی دید خوبی را نسبت به عملکرد سازه به طراح می­ دهد.

تحلیل­ های غیرخطی از دقت بسیار بالاتری نسبت به روش ­های ­خطی برخوردار هستند، اما با افزایش دقت، طبعاً حجم محاسبات و پیچیدگی آن‌ها نیز افزایش می­ یابد. این موضوع برای تحلیل دینامیکی غیرخطی مشهود­تر است به‌طوری‌که امکان تحلیل بسیاری از سازه ها با کامپیوترهای معمولی به روش دینامیکی غیرخطی وجود ندارد.

یکی از پیش‌نیازهای انجام هر تحلیلی مدل‌سازی صحیح سازه می ­باشد. با توجه با حجم بالای محاسبات در تحلیل ­های غیرخطی، هر چه مدل ما ساده‌تر باشد، با چالش ­های کمتری روبه‌رو خواهیم بود. در بعضی از مواقع می­ توان از مدل­ های دو­بعدی بجای مدل­ های سه ­بعدی استفاده کرد و با این کار حجم محاسبات و پیچیدگی ­های آن کاهش چشم­گیری خواهد داشت. علاوه بر این، هنگامی‌که افزایش زمان تناوب ساختمان سبب افزایش شتاب طیفی نشود (حالت مرسوم در طراحی)، می­توان از اندرکنش بین سازه و خاک صرفه نظر کرد اما درصورتی‌که در نمودار طیف افزایش زمان تناوب سبب افزایش شتاب طیفی شود، مدل‌سازی اندرکنش خاک و سازه الزامی است.

منابع

1. دستور­العمل بهسازی لرزه­ ای ساختمان­ های موجود (نشریه 360)- ویرایش 1392
2. استاندارد 2800 ویرایش 4
3. آیین نامه‌ی ASCE41 ویرایش سال 2017 آمریکا
4. راهنمای نرم افزار ایتبس 2017 –ETABS2017Documentation
5. آیین نامه‌ی ASCE7 ویرایش سال 2016 آمریکا
6. Priyanka RJ, Anand N, Justin DS. Studies on Soil Structure Interaction of Multi Storeyed Buildings with Rigid and Flexible Foundation. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering. 2012 Dec;2(12):111-8.