تحلیل سازه های مهندسی چیست؟
تحلیل سازه به مطالعه رفتار سازه‌های مهندسی در برابر بارهای خارجی گفته می‌شود. این بارها می‌توانند شامل وزن خود سازه، وزن مصالح و تجهیزات، بارهای زلزله، باد، برف، حرارت و غیره باشند. هدف از تحلیل سازه این است که نیروها، تغییر شکل‌ها، تنش‌ها و کرنش‌های ناشی از بارهای خارجی را در اعضای سازه محاسبه کنیم.
برای این منظور، معمولاً از یک مدل ریاضی استفاده می‌شود که سازه را به‌صورت یک سیستم از نقاط، خطوط، صفحات و حجم‌ها نمایش می‌دهد. انواع روش‌های تحلیل سازه بسیار زیاد است و به عوامل مختلفی بستگی دارد.
روش‌های تحلیل سازه چگونه می باشند؟
- نوع سازه: سازه‌های فولادی، بتنی، چوبی، مخلوط و غیره
- شکل هندسی: سازه‌های صاف، منحنی، پوسته‌ای، فضایی و غیره
- نوع بار: استاتیکی، دینامیکی، خطی، غیرخطی و غیره
- نوع رفتار: الاستیک، پلاستیک، شکستگی، خستگی و غیره
- نوع تحلیل: تحلیل تعادل، تحلیل تغییر شکل، تحلیل دینامیک، تحلیل پایداری و غیره
برخی از روش‌های تحلیل سازه که به‌طور رایج در مهندسی عمران استفاده می‌شوند عبارت‌اند از:
- روش قضایای حرکت: در این روش با استفاده از قانون نیوتن و قضایای حرکت، نسبت بین نقطه‌های سازه و نقطه‌های مرجع در نظر گرفته می‌شود و با حل چندجمله‌ای‌های دوران و جابجایی، نقطه‌های سازه را پیدا می‌کند.
- روش قضایای انرژی: در این روش با استفاده از قانون حفظ انرژی و قضایای انرژی، کار خارجی و داخلی سازه را محاسبه می‌کند و با حل چندجمله‌ای‌های انرژی، تغیر شکل‌های سازه را پیدا می‌کند.
- روش المان محدود: در این روش با استفاده از گسستگان سازي سيستم به المان‌های کوچک‌تر با شکل هندسي ساده تقسيم می‌شود. سپس با استفاده از روابط تعادل، تغییر شکل و تنش برای هر المان، ماتریس‌های سختی، جابجایی و نیرو را محاسبه می‌کند و با حل چندجمله‌ای‌های ماتریسی، نیروها و تغیر شکل‌های سازه را پیدا می‌کند.
متخصصین حوزه سازه و ساختمان شرکت برنا بهینه تدبیر بنا به نیاز پروژه روش‌های تحلیلی استاتیکی، معادل استاتیکی، طیفی، تاریخچه زمانی و المان محدود را به متقاضیان ارائه می‌نمایند. شایان‌ذکر است که روش تحلیل المان محدود با مش‌بندی قابل‌کنترل با نرم‌افزارهای تخصصی ABAQUS, ANSYS به دلیل هزینه بالای محاسباتی تنها در موارد خاص (کاربردهای نظیر تحلیل اثر انفجار بر بخشی از سازه، تحلیل انفجار داخلی سازه، برخورد گلوله و هرگونه شی‌ء پرتابی همانند موتور هواپیما، بدنه هواپیما) و یا برای بخشی محدود از سازه (شبیه‌سازی اتصالات در سازه فولادی و بتنی، شبیه‌سازی ستون، تیر و یا دال به‌تنهایی تحت بارگذاری خاص) انجام می‌شود و تحلیل کل سازه با این روش توصیه نمی‌گردد.
به‌عبارت‌دیگر کاربری اصلی این روش بیشتر در موارد آکادمیک و تحقیقاتی می‌باشد و به‌جز در موارد خاص یادشده در صنعت ساختمان جایگاهی ندارد در ادامه به توضیح مختصر از هریک از این روش‌ها پرداخته می‌شود.
تحلیل سازه به روش استاتیک معادل چگونه می باشد؟
تحلیل سازه به روش استاتیک معادل یکی از روش‌های مرسوم در مهندسی سازه است که برای تعیین نیروها و تغییر شکل‌های ناشی از بارهای خارجی (عمدتاً بار لرزه‌ای) بر روی سازه‌های الاستیک استفاده می‌شود. این روش بر اساس فرض این است که سازه در حالت تعادل استاتیک قرار دارد و تنها تحت تأثیر بارهای ثابت و معلوم است. در این روش، سازه به‌صورت یک سیستم خطی و پیوسته در نظر گرفته می‌شود و با استفاده از روابط تعادل، هندسه و ماده، معادلات دیفرانسیل مربوط به رفتار سازه حل می‌شوند. برای حل این معادلات، معمولاً از روش‌های عددی مانند روش المان محدود یا روش ماتریس سختی استفاده می‌شود. نتایج حاصل از این روش شامل نیروهای داخلی، لنگرها و تغییر شکل‌های سازه هستند که می‌توانند برای طراحی و ارزیابی عملکرد سازه به کار گرفته شوند.
تحلیل طیفی سازه چگونه است؟
تحلیل طیفی سازه یک روش محاسباتی است که برای بررسی رفتار سازه‌های الاستیک تحت اثر بارهای دینامیکی مانند زلزله، باد، انفجار و غیره استفاده می‌شود که می‌تواند به‌صورت گام‌به‌گام، تغییرات مکان، سرعت و شتاب نقاط مختلف سازه را در طول زمان مشخص می‌کند. این روش بر اساس فرض این است که پاسخ سازه به‌یک‌بار دینامیکی می‌تواند به مجموع پاسخ‌های سازه به تعدادی نوسانگر ساده با فرکانس‌های خاص تقریب زده شود. این فرکانس‌ها به‌عنوان فرکانس‌های طبیعی یا مود های سازه شناخته می‌شوند. تحلیل طیفی سازه با استفاده از روابط ریاضی و نمودارهای طیف پاسخ به‌عنوان ورودی و خروجی کار می‌کند. این روش دارای مزایا و معایب خاص خود است.
مزایای تحلیل طیفی سازه عبارت‌اند از:
- این روش قادر است تأثیرات ناشی از خصوصیات زمین‌لرزه، مانند فرکانس، شدت و مدت‌زمان را در نظر بگیرد و با توجه به آن‌ها، پاسخ سازه را تعیین کند.
- این روش امکان مقایسه پاسخ‌های سازه‌ای با طرح‌های مختلف و با استفاده از شاخص‌های مختلف، مانند جابجایی بیشینه، نیروی برش پایه و ضریب رفتار، را فراهم می‌کند.
- این روش مناسب برای تحلیل سازه‌های پیچیده و نامنظم است که دارای تغییرات ناگهانی در خصوصیات سازه‌ای، مانند سختی و جرم هستند.
- این روش قابل‌اعمال بر روی سازه‌های دارای سامانه‌های کنترل لرزه‌ای است که با کاهش تقاضای لرزه‌ای، اثرات زلزله را کمتر می‌کنند.
- سادگی و سرعت‌بالای محاسبات، قابلیت تحلیل سازه‌های پیچیده با تعداد زیاد درجه آزادی، قابلیت تحلیل سازه‌های با نوع مختلف بارگذاری و شرایط مرزی از دیگر مزایای این روش تحلیلی می‌باشد.
معایب تحلیل طیفی سازه عبارت‌اند از:
- تحلیل طیفی سازه نمی‌تواند پدیده‌های غیرخطی را در نظر بگیرد، مانند خراب شدن المان‌های سازه، تغییر شکل پلاستیک، تأثیر میراگر‌ها و دمپرها و غیره. این پدیده‌ها ممکن است در شرایط لرزه‌ای واقعی رخ دهند و تأثیر مهمی بر رفتار سازه داشته باشند.
- تحلیل طیفی سازه فقط به فرکانس‌های خاص حساس است و نمی‌تواند تأثیر فرکانس‌های دیگر را در نظر بگیرد. این موضوع ممکن است منجر به اغفال حالات لرزشی بااهمیت بالاتر یا پاسخ‌های با شدت بالاتر شود.
- تحلیل طیفی سازه نمی‌تواند تأثیر شکل موج لرزه را در نظر بگیرد، مانند زمان رسیدن، مدت‌زمان، شکل پالس، حضور هارمونیک‌ها و غیره. این عوامل ممکن است بستگی به منبع و مسیر انتشار لرزه داشته باشند و نقش مؤثری در پاسخ سازه ایفا کنند.
- تحلیل طیفی سازه نمی‌تواند تأثیر اندرکنش خاک و سازه را در نظر بگیرد همچنین اثرات دینامیکی خاک، خصوصیات خاک غیرخطی، تغییر شکل خاک و جابجایی نسبی خاک و سازه و غیره در این روش نادیده گرفته می‌شوند. این عوامل ممکن است باعث کاهش یا افزایش پاسخ سازه شوند.
- نادیده گرفتن اثرات جابجایی بزرگ، نادیده گرفتن اثرات تداخل مودها از دیگر معایب این روش تحلیلی می‌باشند.
تحلیل تاریخچه زمانی (تایم هیستوری) سازه چیست؟
تحلیل تاریخچه زمانی (تایم هیستوری) سازه یک روش پیشرفته برای بررسی رفتار دینامیکی سازه‌ها در برابر بارهای زلزله است. این روش شبیه‌سازی مستقیم نیروهای لرزه‌ای را بر روی سازه اعمال می‌کند و پاسخ‌های جابجایی، سرعت، شتاب، نیرو و لرزش را در طول زمان محاسبه می‌کند. این روش در مواردی که دسترسی به سازه برای انجام آزمایشات میدانی یا مدل‌سازی عددی محدود است، مفید واقع می‌شود.
برای انجام تحلیل تاریخچه زمانی سازه، داده‌های کافی و قابل‌اعتماد به‌عنوان بارگذاری لرزه‌ای موردنیاز می‌باشد. این داده‌ها می‌توانند شامل جابجایی، سرعت، شتاب، نیرو، نوسان و گرما باشند. لازم به ذکر است که برای انجام تحلیل تایم هیستوری سازه، علاوه بر نیاز به داشتن به اطلاعات زمان و شتاب زلزله، مشخصات سازه و مدل‌سازی با دقت مناسب نیز موردنیاز می‌باشد. تحلیل تایم هیستوری سازه دارای مزایا و معایبی نسبت به روش‌های ساده‌تر مانند تحلیل طیفی و استاتیک معادل می‌باشد که در ادامه بررسی خواهند شد.
مزایای تحلیل تاریخچه زمانی سازه عبارت‌اند از:
- این روش با در نظر گرفتن تاریخچه زمانی لرزه‌ای، تأثیرات غیرخطی را به‌خوبی در برمی‌گیرد و نتایج دقیق‌تری نسبت به روش‌های خطی و یا تقریبی مانند روش استاتیک معادل دارد.
- این روش قادر است پاسخ سازه را در هرلحظه و در هر نقطه از سازه به دست آورد و بنابراین می‌تواند پدیده‌های محلی مانند نقاط پلاستیک سازه، تغییر شکل بزرگ، خسارت و شکست را شبیه‌سازی کند.
- این روش با استفاده از زمان واقعی لرزه‌ای، محاسبات را بر اساس شرایط واقعی انجام می‌دهد و نمودارهای پاسخ زمان-پاسخ را ارائه می‌دهد که قابل تفسیر و مقایسه با داده‌های تجربی هستند.
- با استفاده از زمان واقعی زلزله، تأثیرات مختلف مانند خطای نمونه‌برداری، تغییر فرکانس، حافظه سازه و غیره را در نظر می‌گیرد.
- این روش مستقل از فرض‌های اولیه در مورد شکل مود ها و فرکانس‌های طبیعی سازه است که می‌تواند نتایج قابل‌اتکاتری نسبت به سایر روش‌های تحلیلی ارائه نماید.
معایب تحلیل تاریخچه زمانی سازه عبارت‌اند از:
- این روش نیاز به حجم زیادی از داده‌های ورودی دارد که شامل رکورد واقعی لرزه‌ای، خصوصیات مواد، شکل و هندسه سازه، شرایط مرزی و نوع عضو سازه است. بنابراین، جمع‌آوری و پردازش این داده‌ها زمان‌بر و پرهزینه است.
- این روش نتایج خود را بستگی به زمان واقعی لرزه‌ای دارد که گزینش آن چالش‌برانگیز است. زیرا باید زمان واقعی لرزه‌ای مناسب با شرایط جغرافیایی، ژئولوژیک و سطح خطر سازه باشد. همچنین، نتایج حاصل از چندین زمان واقع لرزه‌ای متفاوت با یکدیگر است و نمی‌توان يك پاسخ كلي براي سازه در نظر گرفت.
- این روش به دليل حجم بالای داده‌های ورودي و خروجي، نياز به قدرت محاسباتي بالايي دارد كه منجر به‌کندی در عملكرد نرم‌افزارها و سخت‌افزارها می‌شود. بنابراین، این روش برای سازه‌های پیچیده و بزرگ کارایی کمتری دارد.
