انواع بارهای وارد به سازه های مهندسی عمران همچون سازه فلزی و سازه بتنی، سد و سازه های آبی، تونل و سازه های زیرزمینی، جاده های مواصلاتی، پل، کانال، لوله های انتقال آب، گودهای پایدارشده به وسیله روش های مختلف پایدارسازی گود نظیر میخ کوبی (نیلینگ)، دیوار دیافراگمی، مهارگذاری (انکراژ)، مهار متقابل (استرات)، سازه نگهبان خرپایی، سپر کوبی، دیوار برلنی و همچنین بسترهای بهسازی شده به وسیله روش های مختلف بهسازی بستر مانند اختلاط عمیق خاک (DSM)، تزریق پر فشار (جت گروتینگ)، ریزشمع (میکروپایل)، شمع، ستون شنی ارتعاشی، تراکم دینامیکی، خاک مسلح (ژئوسنتتیک)، یا به طور مستقیم به وسیله طبیعت (عوامل طبیعی) و یا به وسیله انسان (عوامل انسانی) ایجاد می گردند. به عبارت دیگر برای بارهای وارده بر انواع سازه های بتنی و فولادی دو منشاء اصلی وجود دارد، یکی ژئوفیزیکی و دیگری مصنوعی. نیروهای ژئوفیزیکی نتیجه تغییرات مداوم در طبیعت هستند. از سویی دیگر، وزن خود سازه ایجاد نیروهایی در سازه می کند که موسوم به بار مرده است و این بار در تمام طول عمر ساختمان ثابت باقی می ماند. اشکال همیشه در حال تغییر ساختمان در طی زمان نیز تابع اثرات جاذبه زمین است که تغییراتی در بارهای وارده در طول زمان ایجاد می کند. بارهای ناشی از تغییرات جوی با زمان و مکان تغییر می کنند و به شکل باد، حرارت، رطوبت، باران، برف، و یخ ظاهر می شوند. نیروهای زلزله نیز از حرکت نامنظم زمین یعنی زمین لرزه ایجاد می شوند. به طور کلی بارگذاری های وارد بر سازه شامل دو نوع بار استاتیکی و دینامیکی می باشد.
منابع بارگذاری مصنوعی (ناشی از عوامل انسانی) ممکن است تکان ناشی از حرکت اتومبیل ها، آسانسورها، ماشین های مکانیکی، دستگاه های ارتعاشی و … باشد و یا ممکن است ناشی از تغییر مکان افراد، وسایل و یا در اثر ضربه و انفجار باشند. به علاوه ممکن است نیروهایی در زمان ساخت و اجرای پروژه در سازه به وجود آید. پایداری ساختمان ممکن است ایجاد پیش تنیدگی کند که باعث ایجاد نیرو در ساختمان می شود.
منابع بارهای ژئوفیزیکی و مصنوعی در ساختمان غالباً به یکدیگر بستگی دارند. جرم، اندازه، شکل و مصالح یک ساختمان بر روی نیروهای ژئوفیزیکی اثر می گذارند. برای مثال اگر عناصر ساختمان در مقابل تغییرات درجه حرارت و رطوبت نتوانند به آزادی واکنش نشان دهند و گیردار باشند نیروهایی در ساختمان ایجاد می شود.
برای اینکه اطمینان حاصل شود که مشکلات آتی از بین رفته و بازده سازه ای حاصل شده باشد لازم است که مطالعات دقیق جواب تئوری ساختمان به اثرها انجام گیرد. طراح باید نیروها و اثر بارگذاری مربوطه را درک کند تا ساختمان بی خطر و قابل استفاده باشد.
از نظر یک مهندس طراح، بارگذاری های وارد بر سازه ها به دو نوع استاتیکی و دینامیکی تقسیم می شوند. این تقسیم بندی از نظر سرعت اعمال بار انجام می شود. به بیان بسیار ساده، تفاوت بار استاتیکی و دینامیکی در این است که، چنانچه بار وارده به آرامی به سازه وارد شود و مقدار آن نسبت به زمان ثابت باشد، بار وارده استاتیکی و چنانچه بار وارده به صورت ناگهانی و در مدت زمان بسیار کوتاه به سازه وارد شود و مقدار آن نسبت به زمان متغیر باشد، بار وارده دینامیکی خواهد بود.
این تقسیم بندی را می توان از دیدگاه فیزیکی نیز بدین شکل بیان نمود که اگر بارگذاری انجام شده در سازه باعث ایجاد شتاب و نیروی اینرسی در کل سیستم شود در این صورت بارگذاری از نوع دینامیکی خواهد بود. این بارگذاری به مانند بارگذاری باد می‌تواند به صورت یک جهته بوده و باعث ارتعاش سازه حول نقطه ای غیر از جابجایی صفر باشد و یا به مانند زلزله به صورت رفت و برگشتی حول نقطه جابجایی صفر سازه باشد.
ولی در صورتی که بارگذاری بدون ایجاد شتاب در سازه، صرفاً باعث ایجاد جابجایی گردد، در این صورت بارگذاری به صورت استاتیکی می باشد. بارگذاری استاتیکی نیز می تواند به مانند بارگذاری دینامیکی به صورت یک جهته یا سیکلیک باشد. بارگذاری استاتیکی یک جهته به بارگذاری استاتیکی مونوتونیک معروف می باشد.
بارگذاری نظیر تحلیل پوش آور سنتی دقیقاً همان بارگذاری استاتیکی مونوتونیک می باشد. در ادبیات مهندسی زلزله به بارگذاری استاتیکی سیکلیک بارگذاری شبه استاتیکی (Quasi Static) نیز می گویند. آزمایشات انجام شده برای المان های سازه ای و اتصالات معمولاً از نوع شبه استاتیکی می باشد.
با توجه به نوع بارهای وارد به سازه ( استاتیکی یا دینامیکی) وارد بر سازه، به طور کلی تحلیل سازه با دو روش تحلیل خطی و غیرخطی صورت می پذیرد. انواع مختلف این روش ها عبارتند از:
- تحلیل خطی (الاستیک یا ارتجاعی)
- تحلیل استاتیکی معادل
- تحلیل دینامیکی طیفی
- تحلیل تاریخچه زمانی
- تحلیل غیرخطی (غیر الاستیک یا پلاستیک یا غیر ارتجاعی)
- تحلیل استاتیکی غیرخطی (پوش آور)
- تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی
در ادامه به تشریح هر یک از این روش ها می پردازیم:
1) روش های تحلیل خطی
- تحلیل استاتیكی خطی (استاتیکی معادل)
فرضیات اساسی روش تحلیل استاتیكی خطی عبارتند از:
- رفتار مصالح خطی است.
- بارهای ناشی از زلزله ثابت (استاتیكی) است.
- كل نیروی وارد بر سازه برابر ضریبی از وزن ساختمان است.
در این روش نیروی جانبی ناشی از زلزله به گونه ای انتخاب می شود كه برش پایه حاصل از آن برابر با نیروی برش پایه مطابق روابط آیین نامه شود. مقدار برش پایه در این روش چنان انتخاب شده است كه حداكثر تغییر شكل سازه با آنچه كه در زلزله سطح خطر مورد نظر پیش بینی می شود مطابقت داشته باشد.
چنانچه تحت اثر بار وارده، سازه به طور خطی رفتار كند، نیروهای به دست آمده برای اعضای سازه نیز نزدیک به مقادیر پیش بینی شده هنگام زلزله خواهند بود، ولی اگر سازه رفتار غیرخطی داشته باشد، نیروهای محاسبه شده از این طریق بیش از مقادیر جاری شدن مصالح خواهند بود. به همین جهت، هنگام بررسی معیارهای پذیرش نتایج حاصل از تحلیل خطی برای سازه هایی كه هنگام زلزله رفتار غیرخطی دارند، اصلاح می گردد.
- تحلیل دینامیكی خطی
تحلیل دینامیكی خطی می تواند به دو روش طیفی یا تاریخچه زمانی انجام شود. فرضیات خاص این روش در محدوده رفتار خطی عبارتند از:
- رفتار سازه را می توان به صورت تركیبی خطی از حالت مودهای ارتعاشی مختلف سازه كه مستقل از یكدیگر هستند، محاسبه نمود.
- زمان تناوب ارتعاشات سازه در هر مود در طول زلزله ثابت است.
در این روش، مشابه روش تحلیل استاتیكی خطی، پاسخ سازه در زلزله سطح خطر مورد نظر در ضرایبی ضرب می شود تا حداكثر تغییر شكل سازه با آنچه كه در زلزله پیش بینی می شود، مطابقت داشته باشد. به همین علت نیروهای داخلی در سازه های شكل پذیر كه در هنگام زلزله رفتار غیر خطی خواهند داشت، بزرگتر از نیروهای قابل تحمل در سازه برآورد می شوند. به همین جهت، هنگام بررسی معیارهای پذیرش در نتایج حاصل از تحلیل خطی برای سازه هایی كه هنگام زلزله رفتار غیر خطی دارند، اصلاح می گردد.
الف) روش تحلیل طیفی
تعداد مودهای ارتعاشی در تحلیل طیفی چنان باید انتخاب شود كه جمع درصد مشاركت جرم مؤثر برای هر امتداد تحریك زلزله در مودهای انتخاب شده حداقل 90% باشد. به علاوه در هر امتداد، حداقل باید سه مود اول نوسان و حداقل تمام مودهایی كه دارای زمان تناوب بیش از 4% ثانیه هستند، در نظر گرفته شوند.
طیف طرح مورد استفاده در این روش باید مطابق آیین نامه انتخاب شود. نتایج حاصل از هر مود نوسان باید با روش های آماری شناخته شده مانند جذر مربعات (SRSS) یا روش تركیب مربعی كامل (CQC) و یا روش های دقیق تر كه اندركنش بین مودها را دقیق تر در نظر می گیرد، انجام شود. اثر زلزله در امتداد عمود بر امتداد مورد نظر در صورت لزوم باید در نظر گرفته شود.
- روش تحلیل تاریخچه زمانی
در تحلیل تاریخچه زمانی، پاسخ سازه با استفاده از روابط دینامیكی در گام های زمانی كوتاه محاسبه می شود. در این روش باید پاسخ سازه تحت تحریك شتاب زمین بر اساس حداقل سه شتاب نگاشت محاسبه شود. چنانچه كمتر از هفت شتاب نگاشت برای تحلیل انتخاب شود، باید بیشینه اثر آنها برای كنترل تغییر شكل ها و نیروهای داخلی منظور شود. چنانچه از هفت شتاب نگاشت یا بیشتر استفاده شود، می توان مقدار متوسط اثر آن ها را برای كنترل تغییر شكل ها و نیروهای داخلی در نظر گرفت.
2) روش های تحلیل غیر خطی
- تحلیل استاتیكی غیر خطی (پوش آور یا روش بار افزون)
در این روش، بار جانبی ناشی از زلزله، استاتیكی و به تدریج به صورت فزاینده به سازه اعمال می شود تا آنجا كه تغییر مكان در یك نقطه خاص (نقطه كنترل)، تحت اثر بار جانبی، به مقدار مشخصی (تغییر مكان هدف) برسد و یا سازه فرو ریزد. برای آشنایی بیشتر می توان به دستور العمل بهسازی لرزه ای ساختمان های موجود یا دستور العمل FEMA356 یاATC40 مراجعه كرد.
- تحلیل دینامیكی غیر خطی
در روش تحلیل دینامیكی غیر خطی، پاسخ سازه با در نظر گرفتن رفتار غیر خطی مصالح و رفتار غیر خطی هندسی سازه محاسبه می شود. در این روش، فرض بر این است كه ماتریس سختی و میرایی از یک گام به گام بعد می تواند تغییر كند، اما در طول هر گام زمانی ثابت است و پاسخ مدل تحت شتاب زلزله به روش های عددی و برای هر گام زمانی محاسبه می شود.
در زمینه ابنیه و ساختمان بیشتر مطالعه کنید :
- ساخت و ساز ابنیه و ساختمان (Building & Structure)
- قرارداد مشارکت در ساخت (Construction participation contract)
- نظارت بر اجرای پروژه های عمرانی (Construction Supervision)
- مدیریت پیمان (Management Contracting)
- مدیریت طرح (Construction Management)
- انواع سیستم های سازه ای (Structural System)
- آیین نامه ی ۲۸۰۰ ، طراحی ساختمان ها در برابر زلزله
در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید :
- ساخت از بالا به پایین یا تاپ دان چیست؟ (Top-Down Construction)
- نیلینگ یا میخ کوبی دیواره چیست؟ (Soil Nailing)
- انکراژ یا مهارگذاری خاک چیست؟ (Soil Anchorage)
- مهارمتقابل یا استرات چیست؟ (Braced Excavations – Struts)
- سازه نگهبان خرپایی چیست؟ (Truss Retaining Structure)
- خاک مسلح یا ژئوسنتتیک چیست؟ (Geosynthetict)
- سپرکوبی چیست؟ (Sheet Pile)
- دیوار دیافراگمی یا دیوار دوغابی چیست؟ (Diaphragm walls – Slurry walls)
- دیوار برلنی یا دیوار سولجر پایل چیست؟ (Berlin wall – Soldier Pile and Lagging System)
- زهکشی و آب بندی در گودبرداری چیست؟ (Drainage- Dewatering & Waterproofing )
- نقشه برداری یا مهندسی نقشه برداری چیست؟ (Surveying)
- پایش گود یا مانیتورینگ چیست؟ (Monitoring)
- دستورالعمل بهداشت، ایمنی و محیط زیست چیست؟ (HSE)
- آموزش گام به گام نقشه خوانی انواع روش های پایدارسازی و گودبرداری
- راد خود حفار و متعلقات (Self Drilling Anchor Bar)
در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید :
- تزریق پر فشار یا جت گروتینگ چیست؟ (Jet Grouting)
- ریزشمع یا میکروپایل چیست؟ (Micropile & Underpinning)
- پیش بارگذاری چیست؟ (fill surcharge preloading method)
- اختلاط عمیق خاک یا DSM چیست؟ (Deep Soil Mixing)
- تراکم دینامیکی یا DC چیست؟ (Dynamic Compaction)
- ستون شنی ارتعاشی یا تراکم ارتعاشی چیست؟ (Vibro Stone Column)
- شمع ساختمان ، طراحی و اجرای شمع بتنی و شمع فلزی (Concrete Pile , Steel Pile)
- انواع روش های تزریق
در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :
- مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
- مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)
- ژئوفیزیک (Geophysics)
- زمین شناسی (Geology)
در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید :
- مهندسی تخریب ساختمان (Destruction Engineering)
- خاکبرداری چیست؟ (Excavation)
- رمپ و جمع آوری رمپ در گودبرداری (Ramp removal excavation)
- گودبرداری و خاکبرداری دو عملیات متمایز از یکدیگر
- گودبرداری غیر اصولی (Unprincipled Building Excavation)
- گودبرداری چیست؟ و اصول اجرای گودبرداری های ساختمانی (Excavation)
- تخریب ساختمان چیست؟ مراحل تخریب اصولی (Building Demolition)
در زمینه طراحی و مشاوره ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :
- معرفی نرم افزار Plaxis
- معرفی نرم افزار GEOSLOPE
- معرفی نرم افزار ETABS
- معرفی نرم افزار SAP2000
- معرفی نرم افزار SAFE
- معرفی نرم افزار ABAQUS
- معرفی نرم افزار FLAC
- معرفی نرم افزار MIDAS
مطالب مرتبط :
- مقررات ملی ساختمان
- آیین نامه های FHWA
- sciencedirect , Static Loads
