راهنمای انجام تحلیل‌های غیرخطی سازه؛ تحلیل پوش‌آور و تاریخچه زمانی غیرخطی

تحلیل غیرخطی سازه یکی از روش‌های پیشرفته تحلیل و ارزیابی رفتار ساختمان در برابر زلزله است که امکان بررسی رفتار سازه پس از ورود اعضا به محدوده غیرارتجاعی را فراهم می‌کند. برخلاف تحلیل‌های خطی که رفتار اعضای سازه را عمدتاً در محدوده ارتجاعی بررسی می‌کنند، در تحلیل غیرخطی می‌توان تشکیل مفاصل پلاستیک، تغییرشکل‌های غیرخطی، کاهش سختی، زوال مقاومت و سازوکارهای خمیری را مورد بررسی قرار داد.

از تحلیل‌های غیرخطی می‌توان برای تخمین نحوه تشکیل مکانیزم‌های خمیری، بررسی توزیع آسیب در اجزای سازه، ارزیابی ظرفیت تغییرشکل و سنجش عملکرد سازه در برابر زلزله استفاده کرد.

به طور کلی، تحلیل غیرخطی سازه در برابر زلزله را می‌توان به دو گروه اصلی تقسیم کرد:

• تحلیل استاتیکی غیرخطی یا تحلیل پوش‌آور (Pushover Analysis)
• تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی یا تحلیل دینامیکی غیرخطی (Nonlinear Time History Analysis)

هر یک از این روش‌ها کاربرد، الزامات مدل‌سازی و نحوه تفسیر نتایج خاص خود را دارند. انتخاب روش مناسب باید با توجه به ویژگی‌های سازه، منظم یا نامنظم بودن ساختمان، اثر مودهای بالاتر و هدف تحلیل انجام شود.

تحلیل غیرخطی سازه چیست؟

در تحلیل غیرخطی، مدل سازه به نحوی توسعه داده می‌شود که علاوه بر مشخصات هندسی و بارگذاری، رفتار واقعی‌تر اعضا در محدوده فراارتجاعی نیز در آن لحاظ شود.

در این مدل، ویژگی‌هایی مانند مقاومت، سختی، شکل‌پذیری و رابطه نیرو–تغییرشکل اعضا اهمیت ویژه‌ای دارند. بنابراین مدل مورد استفاده در تحلیل‌های خطی باید برای انجام تحلیل غیرخطی ارتقا یابد و رفتار غیرخطی اعضای سازه در آن تعریف شود.

هدف اصلی این تحلیل، صرفاً به دست آوردن یک نیروی داخلی نیست؛ بلکه بررسی این موضوع است که سازه پس از ورود به محدوده غیرخطی چگونه تغییر شکل می‌دهد، کدام اعضا زودتر وارد رفتار غیرارتجاعی می‌شوند و آیا سازه می‌تواند بدون از دست دادن ظرفیت باربری و عملکرد مورد انتظار، تغییرشکل‌های ناشی از زلزله را تحمل کند یا خیر.

الزامات اولیه برای انجام تحلیل غیرخطی

پیش از شروع تحلیل غیرخطی باید مدل سازه به درستی آماده شده باشد. مدل باید مشخصات هندسی، مصالح، بارهای ثقلی و سیستم باربر جانبی سازه را به شکل مناسبی دربرگیرد.

مهم‌ترین الزامات اولیه عبارت‌اند از:

• مدل تحلیل خطی باید به مدل غیرخطی ارتقا داده شود.
• مقاومت و رفتار فراارتجاعی اعضا باید در مدل لحاظ شود.
• مشخصات غیرخطی اعضا باید با داده‌های آزمایشگاهی یا مدل‌های تحلیلی معتبر سازگار باشد.
• بارهای ثقلی باید پیش از انجام تحلیل غیرخطی به سازه اعمال شوند.
• اثر P-Δ در تحلیل‌های غیرخطی باید در نظر گرفته شود.
• مشخصات سختی، مقاومت و شکل‌پذیری اعضا باید متناسب با نوع سازه و رفتار مورد انتظار تعیین شود.

ترکیب بارهای ثقلی در تحلیل غیرخطی

مطابق متن مبنا، ترکیب بارهای ثقلی مورد استفاده شامل موارد زیر است:

1.2D + L

و

0.9D

در این روابط، D بیانگر بار مرده و L بیانگر بار زنده است. بار زنده نیز بر اساس ضوابط مربوط به بارگذاری ساختمان تعیین می‌شود.

در مواردی که بار زنده گسترده کمتر از 400 کیلوگرم بر مترمربع باشد، کاهش این بار تا 50 درصد مجاز دانسته شده است.

مدل‌سازی غیرخطی اعضای سازه

یکی از مهم‌ترین مراحل تحلیل غیرخطی، تعریف صحیح رفتار اعضای سازه است. نتیجه تحلیل غیرخطی تا حد زیادی به کیفیت مدل‌سازی رفتار واقعی اعضا وابسته است.

مشخصات غیرخطی اعضا باید از نظر سه ویژگی اصلی با رفتار واقعی سازه سازگار باشند:

• مقاومت
• سختی
• شکل‌پذیری

رابطه نیرو–تغییرشکل اعضا را می‌توان حداقل به صورت دوخطی تعریف کرد. همچنین استفاده از روابط سه‌خطی که اثر سختی پیش و پس از ترک‌خوردگی را در نظر می‌گیرند نیز مجاز است.

برای توصیف رفتار غیرخطی اعضا می‌توان از روابط ارائه‌شده در دستورالعمل بهسازی لرزه‌ای ساختمان‌های موجود، نشریه 360 نیز استفاده کرد.

سختی اعضا در مدل غیرخطی

در ساختمان‌های بتن‌آرمه و بنایی، سختی ارتجاعی اعضا باید بر اساس مقاطع ترک‌خورده در نظر گرفته شود.

در اعضای شکل‌پذیری که انتظار می‌رود وارد محدوده غیرخطی شوند، سختی ارتجاعی در مدل دوخطی را می‌توان به صورت سختی سکانت تا نقطه جاری شدن در نظر گرفت.

در مدل رفتاری اعضا، شیب سختی پس از جاری شدن نیز می‌تواند صفر فرض شود، مگر آنکه استفاده از مدل دقیق‌تر برای توصیف رفتار عضو ضروری باشد.

در نظر گرفتن زوال مقاومت

در اعضایی که انتظار می‌رود پس از رسیدن به مقاومت حداکثر دچار زوال مقاومت شوند، این رفتار باید در رابطه نیرو–تغییرشکل عضو لحاظ شود.

در صورت استفاده از روابط معتبر نشریه 360 برای تعریف رفتار نیرو–تغییرشکل اعضا، شرایط مربوط به زوال مقاومت مطابق مفاد منبع مبنا در نظر گرفته شده تلقی می‌شود.

مقاومت مورد انتظار مصالح

مقاومت اعضا در تحلیل غیرخطی باید بر اساس مقادیر مورد انتظار یا میانگین مشخصات مصالح تعیین شود.

بر اساس متن مبنا، مقدار میانگین مقاومت مصالح از ضرب مقاومت مشخصه در ضریب 1.15 به دست می‌آید.

همچنین در تعیین رابطه نیرو–تغییرشکل اعضا باید اثر نیروهای محوری ناشی از بارهای ثقلی نیز در نظر گرفته شود.

تحلیل استاتیکی غیرخطی یا تحلیل پوش‌آور چیست؟

تحلیل استاتیکی غیرخطی که معمولاً با عنوان تحلیل پوش‌آور (Pushover) شناخته می‌شود، یکی از رایج‌ترین روش‌های تحلیل غیرخطی سازه است.

در این روش، ابتدا بارهای ثقلی به سازه اعمال می‌شوند و سپس بار جانبی به صورت تدریجی افزایش پیدا می‌کند. با افزایش بار جانبی، اعضای سازه به تدریج وارد محدوده غیرخطی می‌شوند و پاسخ سازه تا رسیدن به تغییر مکان موردنظر بررسی می‌شود.

یکی از مهم‌ترین خروجی‌های این تحلیل، منحنی ظرفیت سازه است که رابطه بین برش پایه و تغییر مکان نقطه کنترل را نشان می‌دهد.

تحلیل پوش‌آور می‌تواند برای موارد زیر مورد استفاده قرار گیرد:

• ارزیابی عملکرد لرزه‌ای سازه
• بررسی ظرفیت تغییرشکل سازه
• شناسایی روند تشکیل مفاصل پلاستیک
• بررسی مکانیزم خمیری
• تعیین تغییر مکان هدف
• محاسبه ضریب اضافه مقاومت سازه

چه سازه‌هایی برای تحلیل پوش‌آور مناسب هستند؟

تحلیل استاتیکی غیرخطی زمانی مناسب‌تر است که اثر مودهای بالاتر در رفتار سازه غالب نباشد.

برای بررسی این موضوع، سازه باید با روش تحلیل دینامیکی طیفی در دو حالت بررسی شود:

1. حالتی که فقط مود اول سازه در تحلیل لحاظ شده باشد.
2. حالتی که تمام مودهایی که مجموع جرم مؤثر آن‌ها حداقل 90 درصد جرم کل سازه را تشکیل می‌دهند، در تحلیل لحاظ شوند.

اگر نتایج تحلیل دوم نشان دهد نیروی برشی در یک طبقه بیش از 30 درصد نسبت به نیروی برشی حاصل از تحلیل اول افزایش یافته است، اثر مودهای بالاتر در سازه عمده تلقی می‌شود.

در چنین شرایطی باید در انتخاب روش تحلیل و تفسیر نتایج پوش‌آور دقت بیشتری صورت گیرد.

جهت اعمال زلزله در تحلیل پوش‌آور

اثر زلزله باید در هر دو جهت مثبت و منفی هر امتداد اصلی سازه بررسی شود.

در نهایت، بحرانی‌ترین مقادیر نیروها و تغییرشکل‌های ایجادشده باید برای طراحی و کنترل اعضای سازه ملاک قرار گیرند.

در ساختمان‌های منظم، در صورت برآورده شدن شرایط مربوطه، می‌توان تحلیل را در هر امتداد اصلی افقی به صورت مستقل انجام داد.

در ساختمان‌های نامنظم، استفاده از مدل سه‌بعدی ضروری است و اثر همزمان مؤلفه‌های افقی زلزله نیز باید در تحلیل لحاظ شود.

اثر 100 و 30 درصد در تحلیل استاتیکی غیرخطی

برای ساختمان‌های نامنظم و همچنین ساختمان‌های منظم دارای ستون مشترک بین دو یا چند قاب سیستم باربر جانبی در جهات مختلف، باید اثر دو مؤلفه افقی زلزله در نظر گرفته شود.

در این حالت، در امتداد مورد بررسی باید:

100 درصد نیروها و تغییرمکان‌ها در جهت اصلی

به همراه:

30 درصد تغییرمکان متناظر در امتداد عمود

در تحلیل لحاظ شود.

این ترکیب برای جهت دیگر نیز باید مورد بررسی قرار گیرد تا بحرانی‌ترین پاسخ سازه مشخص شود.

توزیع بار جانبی در تحلیل پوش‌آور

حداقل دو الگوی توزیع بار جانبی باید در تحلیل استاتیکی غیرخطی مورد استفاده قرار گیرد.

توزیع اول: متناسب با نیروهای جانبی تحلیل طیفی

در این روش، توزیع بار جانبی بر اساس نیروهای جانبی حاصل از تحلیل دینامیکی خطی طیفی تعیین می‌شود و مودهایی در نظر گرفته می‌شوند که مجموع جرم مؤثر آن‌ها حداقل 90 درصد جرم سازه را پوشش دهد.

توزیع دوم: توزیع یکنواخت

در الگوی دوم، بار جانبی به صورت متناسب با جرم طبقات توزیع می‌شود و ارتفاع طبقات در تعیین این توزیع مستقیماً لحاظ نمی‌شود.

بارهای جانبی باید در محل جرم‌های مدل اعمال شوند. در ساختمان‌هایی که دارای دیافراگم صلب هستند، امکان اعمال این نیروها در مرکز جرم کف‌ها وجود دارد.

همچنین اثر خروج از مرکزیت اتفاقی باید در تحلیل در نظر گرفته شود.

منحنی ظرفیت سازه چیست؟

منحنی ظرفیت یکی از مهم‌ترین نتایج تحلیل پوش‌آور است.

این منحنی رابطه بین:

برش پایه

و

تغییر مکان نقطه کنترل

را نشان می‌دهد.

منحنی ظرفیت باید از ابتدای بارگذاری تا تغییر مکانی معادل 150 درصد تغییر مکان هدف تعیین شود.

مرکز جرم بام به عنوان نقطه کنترل در نظر گرفته می‌شود و بام خرپشته نباید به عنوان نقطه کنترل انتخاب شود.

چندخطی کردن منحنی ظرفیت

برای تعیین پارامترهای مؤثر سازه، منحنی ظرفیت باید به یک منحنی چندخطی تبدیل شود.

در این فرآیند، موارد مهمی مانند موارد زیر تعیین می‌شوند:

• برش پایه جاری شدن مؤثر سازه، Vy
• تغییر مکان متناظر با جاری شدن
• سختی جانبی مؤثر، Ke
• نقطه متناظر با تغییر مکان هدف
• شیب بخش پس از جاری شدن
• شیب بخش مربوط به افت مقاومت

سختی جانبی مؤثر Ke

خط اول منحنی دوخطی از نقطه شروع منحنی ظرفیت عبور می‌کند و شیب آن برابر سختی جانبی مؤثر Ke است.

سختی جانبی مؤثر برابر سختی سکانت متناظر با 60 درصد برش پایه جاری شدن مؤثر سازه Vy در منحنی ظرفیت در نظر گرفته می‌شود.

برش پایه جاری شدن مؤثر نباید از حداکثر برش پایه موجود در نقاط مختلف منحنی ظرفیت بیشتر باشد.

بخش پس از جاری شدن

خط دوم، رفتار سازه پس از جاری شدن را نمایش می‌دهد.

این خط از نقطه‌ای روی خط اول عبور می‌کند، به نحوی که سطح زیر منحنی رفتار دوخطی با سطح زیر منحنی رفتار غیرخطی تا نقطه متناظر با تغییر مکان موردنظر سازگار باشد.

نقطه موردنظر بر روی منحنی ظرفیت در تغییر مکان هدف یا تغییر مکان متناظر با حداکثر برش پایه انتخاب می‌شود؛ هرکدام که کمتر باشد.

افت مقاومت

خط سوم بیانگر شیب منفی پس از افت مقاومت سازه است.

این خط از نقطه انتهایی بخش مثبت منحنی ظرفیت عبور کرده و تا نقطه‌ای ادامه می‌یابد که در آن برش پایه به 60 درصد برش پایه جاری شدن مؤثر سازه کاهش پیدا می‌کند.

زمان تناوب اصلی مؤثر سازه

پس از تعیین سختی اولیه و سختی مؤثر سازه، زمان تناوب اصلی مؤثر سازه از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

Te = Ti √(Ki / Ke)

در این رابطه:

• Te: زمان تناوب اصلی مؤثر سازه
• Ti: زمان تناوب اصلی ارتجاعی سازه
• Ki: سختی جانبی ارتجاعی سازه
• Ke: سختی جانبی مؤثر سازه

زمان تناوب اصلی ارتجاعی از تحلیل مدل سازه با فرض رفتار خطی به دست می‌آید.

Ki نیز سختی جانبی ارتجاعی سازه در جهت موردنظر است و Ke سختی جانبی مؤثر سازه را نشان می‌دهد.

ضریب اضافه مقاومت سازه چیست؟

ضریب اضافه مقاومت یکی از پارامترهای مهم در ارزیابی رفتار لرزه‌ای سازه است.

این ضریب برابر نسبت برش پایه در هنگام تشکیل سازوکار خمیری کلی سازه به برش پایه در هنگام تشکیل اولین مفصل پلاستیک تعریف می‌شود.

در تحلیل استاتیکی غیرخطی، برش پایه در زمان تشکیل سازوکار خمیری کلی برابر با برش پایه جاری شدن مؤثر سازه، Vy، در نظر گرفته می‌شود.

برای تعیین ضریب اضافه مقاومت باید نتایج حاصل از دو توزیع بار جانبی بررسی شده و کمترین مقدار ضریب به دست آمده ملاک قرار گیرد.

تغییر مکان هدف در تحلیل پوش‌آور

تغییر مکان هدف، یکی از مهم‌ترین پارامترهای ارزیابی عملکرد سازه در تحلیل استاتیکی غیرخطی است.

تغییر مکان هدف نقطه کنترل باید با استفاده از یک روش معتبر محاسبه شود.

مطابق رابطه ارائه‌شده در متن مبنا:

δt = C0 C1 Sa Te² / (4π² g)

در این رابطه:

• δt: تغییر مکان هدف
• C0: ضریب تبدیل تغییر مکان سیستم یک درجه آزادی معادل به تغییر مکان نقطه کنترل
• C1: ضریب اصلاح پاسخ غیرخطی
• Sa: شتاب طیفی در زمان تناوب اصلی مؤثر
• Te: زمان تناوب اصلی مؤثر
• g: شتاب ثقل

ضریب C0 بر اساس مشخصات مود اول و توزیع جرم سازه تعیین می‌شود.

در محاسبه این ضریب، وزن مؤثر لرزه‌ای طبقات، مؤلفه‌های بردار شکل مود اول و مؤلفه بردار شکل مود اول در تراز نقطه کنترل مورد استفاده قرار می‌گیرند.

اثر پیچش در تحلیل پوش‌آور

در ساختمان‌هایی که از نظر پیچشی انعطاف‌پذیر هستند و پیچش در مودهای اول یا دوم آن‌ها حاکم است، الگوهای متداول تحلیل استاتیکی غیرخطی ممکن است تغییرمکان سمت سخت سازه را کمتر از مقدار واقعی تخمین بزنند.

در این شرایط باید تغییرمکان‌های سمت سخت سازه افزایش داده شوند تا اثر پیچش به شکل مناسب‌تری در ارزیابی لحاظ شود.

یکی از روش‌های قابل استفاده برای این منظور، استفاده از ضریب بزرگنمایی تغییرمکان است که می‌تواند از تحلیل خطی دینامیکی طیفی مدل سه‌بعدی سازه به دست آید.

معیارهای پذیرش در تحلیل استاتیکی غیرخطی

پس از انجام تحلیل پوش‌آور، تنها مشاهده منحنی ظرفیت یا تشکیل مفاصل پلاستیک کافی نیست و باید معیارهای پذیرش سازه نیز کنترل شوند.

مقاومت سازه در تغییر مکان 125 درصد تغییر مکان هدف

مقاومت سازه در نقطه‌ای معادل 125 درصد تغییر مکان هدف نباید کمتر از برش پایه جاری شدن مؤثر سازه، Vy، باشد.

کنترل تغییر مکان نسبی طبقات

حداکثر تغییر مکان نسبی طبقات در تغییر مکان هدف نباید از 120 درصد مقدار مجاز تعیین‌شده در ضوابط مربوطه بیشتر شود.

کنترل نیروهای اعضا

برای تلاش‌هایی که کنترل آن‌ها توسط تغییرشکل انجام می‌شود، کنترل مقاومت با توجه به بازتاب‌های حاصل از تحلیل ضروری نیست.

اما در مورد تلاش‌هایی که در روش‌های تحلیل خطی نیازمند کنترل با توجه به ضرایب اضافه مقاومت هستند، مقادیر حاصل از تحلیل غیرخطی در تغییر مکان هدف باید بدون ضرب مجدد در ضریب اضافه مقاومت مورد استفاده قرار گیرند.

این مقادیر در صورتی قابل قبول خواهند بود که از ظرفیت کرانه پایین عضو بیشتر نباشند.

کنترل ظرفیت تغییرشکل اعضا

کفایت ظرفیت اعضا و اتصالات برای تحمل تغییرشکل‌ها و نیروهای لرزه‌ای موردنیاز باید بر اساس نتایج مطالعات آزمایشگاهی مربوط به مدل‌های مشابه اعضا و اتصالات ارزیابی شود.

برای عضوی که وظیفه تحمل بار ثقلی را بر عهده دارد، تغییرشکل نباید از هیچ‌یک از دو حد زیر بیشتر شود:

• دو سوم تغییرشکلی که در آن عضو ظرفیت باربری ثقلی خود را از دست می‌دهد.
• دو سوم تغییرشکلی که در آن مقاومت عضو به کمتر از 70 درصد مقاومت حداکثر آن کاهش می‌یابد.

برای عضوی که وظیفه تحمل بار ثقلی ندارد، رعایت شرط مربوط به کاهش مقاومت به کمتر از 70 درصد مقاومت حداکثر کافی است.

به جای مطالعات آزمایشگاهی می‌توان از روابط مربوط به معیار پذیرش ایمنی جانی در نشریه 360 نیز استفاده کرد.

کنترل ضریب Rd و لزوم بررسی مستقل

در صورتی که ضریب Rd از نسبت ضریب رفتار سازه به ضریب اضافه مقاومت سازه بیشتر باشد، سازه طراحی‌شده باید به تأیید یک شخص حقیقی یا حقوقی مستقل و دارای صلاحیت برسد.

در این بررسی، حداقل دو موضوع باید مورد توجه قرار گیرد:

• سازگاری مشخصات سازه واقعی با داده‌های استفاده‌شده در مدل تحلیلی
• سازگاری ظرفیت اعضای سازه با نتایج تحلیل

تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی چیست؟

تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی، یک روش دینامیکی پیشرفته برای بررسی پاسخ سازه در برابر حرکت واقعی یا شبیه‌سازی‌شده زمین است.

در این روش، شتاب زمین به صورت تابعی از زمان به مدل سازه اعمال می‌شود و پاسخ سازه در طول زمان محاسبه می‌گردد.

برخلاف تحلیل پوش‌آور که بار جانبی را به صورت تدریجی افزایش می‌دهد، در تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی پاسخ سازه در طول یک رکورد زلزله و در بازه‌های زمانی متوالی محاسبه می‌شود.

در این روش رفتار فراارتجاعی سازه، تغییرشکل اعضا و سایر ویژگی‌های غیرخطی مدل در پاسخ دینامیکی لحاظ می‌شوند.

مدل‌سازی سازه در تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی

مدل مورد استفاده در تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی باید بر اساس الزامات مدل‌سازی رفتار غیرخطی اعضا تهیه شود.

تکیه‌گاه سازه را می‌توان صلب فرض کرد. همچنین با توجه به ویژگی‌های خاک و مشخصات پی، استفاده از مدل مناسب برای سختی و ظرفیت باربری پی و در نظر گرفتن تکیه‌گاه انعطاف‌پذیر نیز امکان‌پذیر است.

در نتیجه، در پروژه‌هایی که اندرکنش خاک و سازه اهمیت دارد، فرضیات مربوط به شرایط تکیه‌گاهی باید با دقت انتخاب شوند.

انتخاب شتاب‌نگاشت برای تحلیل تاریخچه زمانی

یکی از مهم‌ترین مراحل تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی، انتخاب شتاب‌نگاشت مناسب است.

شتاب‌نگاشت‌های انتخاب‌شده باید تا حد امکان نماینده حرکت واقعی زمین در محل احداث ساختمان و شرایط لرزه‌ای موردنظر باشند.

مطابق متن مبنا، حداقل سه زوج شتاب‌نگاشت مربوط به مؤلفه‌های افقی سه زلزله مختلف باید انتخاب شوند.

در صورت نبود تعداد کافی شتاب‌نگاشت ثبت‌شده مناسب، می‌توان برای تکمیل مجموعه موردنیاز از زوج شتاب‌نگاشت‌های شبیه‌سازی‌شده مناسب استفاده کرد.

مقیاس کردن شتاب‌نگاشت‌ها

شتاب‌نگاشت‌های انتخاب‌شده باید مطابق ضوابط مربوطه مقیاس شوند.

در این فرآیند، طیف طرح مورد استفاده باید مطابق طیف طرح استاندارد تعیین شود و در این محاسبات نباید عکس ضریب رفتار، یعنی 1/Ru، بر طیف طرح اعمال شود.

انتخاب و مقیاس‌کردن صحیح رکوردها تأثیر مستقیمی بر اعتبار نتایج تحلیل تاریخچه زمانی دارد.

ترکیب اثر زلزله و بارهای ثقلی

در تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی، اثر زلزله در دو امتداد افقی با استفاده از زوج شتاب‌نگاشت‌ها اعمال می‌شود.

همزمان، بارهای ثقلی نیز مطابق ترکیب بارهای تعیین‌شده در مدل سازه اعمال می‌شوند.

اثر P-Δ نیز باید در تحلیل لحاظ شود.

برای ساختمان‌های منظم که فاقد ستون مشترک بین قاب‌های سیستم باربر جانبی در جهات مختلف هستند، امکان انجام تحلیل در هر امتداد اصلی افقی به صورت مستقل وجود دارد؛ مشروط بر اینکه شرایط مربوط به انتخاب شتاب‌نگاشت‌ها رعایت شود.

پارامترهای بازتاب در تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی

در تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی، پاسخ سازه در طول زمان محاسبه می‌شود.

بازتاب نهایی سازه می‌تواند شامل موارد زیر باشد:

• نیروهای ایجادشده در اعضا
• تغییرشکل اعضا
• تغییر مکان جانبی نسبی طبقات
• سایر پاسخ‌های مورد نیاز برای ارزیابی عملکرد سازه

مطابق متن مبنا، در صورت استفاده از حداقل سه زوج شتاب‌نگاشت، حداکثر بازتاب‌های به‌دست‌آمده از تحلیل‌ها برای تعیین پاسخ نهایی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در صورت استفاده از حداقل هفت زوج شتاب‌نگاشت، می‌توان مقدار متوسط بازتاب‌های حاصل از تحلیل‌ها را به عنوان بازتاب نهایی در نظر گرفت.

کنترل مقاومت اعضا در تحلیل تاریخچه زمانی

در این روش نیز برای تلاش‌هایی که کنترل آن‌ها توسط تغییرشکل انجام می‌شود، کنترل مقاومت با توجه به بازتاب‌های حاصل از تحلیل ضروری نیست.

در مورد تلاش‌هایی که در روش‌های تحلیل خطی نیازمند کنترل با ضرایب اضافه مقاومت هستند، مقادیر تلاش حاصل از تحلیل غیرخطی باید بدون ضرب مجدد در ضریب اضافه مقاومت مورد استفاده قرار گیرند.

این مقادیر نباید از ظرفیت کرانه پایین عضو بیشتر باشند.

کنترل تغییرشکل اعضا

ظرفیت اعضا و اتصالات برای تحمل تغییرشکل‌ها و نیروهای موردنیاز لرزه‌ای باید بر اساس مطالعات آزمایشگاهی مربوط به نمونه‌های مشابه ارزیابی شود.

برای اعضای دارای وظیفه باربری ثقلی، محدودیت تغییرشکل بر اساس دو معیار اصلی بررسی می‌شود:

• دو سوم تغییرشکل متناظر با از دست رفتن ظرفیت باربری ثقلی
• دو سوم تغییرشکل متناظر با کاهش مقاومت عضو به کمتر از 70 درصد مقاومت حداکثر

برای اعضایی که وظیفه باربری ثقلی ندارند، معیار کاهش مقاومت به کمتر از 70 درصد مقاومت حداکثر باید رعایت شود.

همچنین استفاده از روابط معیار پذیرش ایمنی جانی در نشریه 360 به عنوان جایگزین مطالعات آزمایشگاهی مجاز دانسته شده است.

کنترل تغییر مکان جانبی نسبی طبقات

یکی از مهم‌ترین کنترل‌های تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی، بررسی دریفت یا تغییر مکان نسبی طبقات است.

مطابق متن مبنا:

حداکثر تغییر مکان جانبی نسبی طبقات در تحلیل غیرخطی نباید از 120 درصد مقدار مجاز تعیین‌شده در ضوابط مربوطه تجاوز کند.

این کنترل باید برای پاسخ‌های به‌دست‌آمده از رکوردهای مورد استفاده انجام شود.

تأیید مستقل تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی

سازه‌ای که بر اساس تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی طراحی یا ارزیابی شده است، باید به تأیید شخص حقیقی یا حقوقی مستقل و دارای صلاحیت برسد.

در این بررسی، حداقل موارد زیر باید مورد توجه قرار گیرد:

• مناسب بودن شتاب‌نگاشت‌های استفاده‌شده در تحلیل
• سازگاری مشخصات سازه واقعی با داده‌های استفاده‌شده در مدل تحلیلی
• سازگاری ظرفیت اعضای سازه با نتایج به‌دست‌آمده از تحلیل

تفاوت تحلیل پوش‌آور و تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی

هر دو روش برای بررسی رفتار غیرخطی سازه کاربرد دارند، اما ماهیت آن‌ها متفاوت است.

تحلیل استاتیکی غیرخطی یا پوش‌آور، بار جانبی را به صورت تدریجی به سازه اعمال می‌کند و بیشتر بر بررسی ظرفیت کلی سازه، منحنی ظرفیت، تغییر مکان هدف و روند تشکیل مکانیزم‌های خمیری تمرکز دارد.

در مقابل، تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی پاسخ سازه را در طول زمان و تحت اثر شتاب‌نگاشت‌های زلزله محاسبه می‌کند و بنابراین اطلاعات دقیق‌تری از پاسخ دینامیکی سازه در برابر رکوردهای انتخاب‌شده ارائه می‌دهد.

به طور خلاصه:

ویژگی	تحلیل استاتیکی غیرخطی	تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی
نوع تحلیل	استاتیکی	دینامیکی
بار جانبی	تدریجی	تابع زمان
شتاب‌نگاشت	نیاز ندارد	نیاز دارد
منحنی ظرفیت	خروجی اصلی	خروجی اصلی محسوب نمی‌شود
اثر مودهای بالاتر	محدودیت مهم	به صورت مستقیم در پاسخ دینامیکی لحاظ می‌شود
پیچیدگی مدل و تحلیل	کمتر	بیشتر
حجم نتایج	نسبتاً کمتر	بسیار بیشتر
کاربرد اصلی	ارزیابی ظرفیت و عملکرد	بررسی پاسخ دینامیکی غیرخطی

مهم‌ترین نکات اجرایی تحلیل‌های غیرخطی

برای دستیابی به نتایج قابل اعتماد، صرفاً اجرای تحلیل در نرم‌افزار کافی نیست. مهم‌ترین بخش کار، ساخت مدل تحلیلی سازگار با رفتار واقعی سازه و تفسیر صحیح نتایج است.

پیش از اجرای تحلیل باید موارد زیر کنترل شوند:

• صحت مدل هندسی سازه
• صحت مشخصات مصالح
• اعمال صحیح بارهای ثقلی
• تعریف مناسب سختی اعضا
• تعریف درست رفتار غیرخطی اعضا
• لحاظ کردن اثر نیروهای محوری ناشی از بارهای ثقلی
• در نظر گرفتن زوال مقاومت در اعضای مستعد
• لحاظ اثر P-Δ
• انتخاب صحیح الگوهای بار جانبی در تحلیل پوش‌آور
• کنترل اثر مودهای بالاتر
• بررسی هر دو جهت مثبت و منفی زلزله
• در نظر گرفتن اثر پیچش و خروج از مرکزیت
• انتخاب مناسب شتاب‌نگاشت‌ها در تحلیل تاریخچه زمانی
• مقیاس کردن صحیح رکوردها
• کنترل تغییرمکان نسبی طبقات
• کنترل ظرفیت تغییرشکل اعضا
• بررسی ظرفیت اعضا و اتصالات
• مستندسازی فرضیات و پارامترهای مدل
• بررسی مستقل در مواردی که ضوابط آن را الزامی می‌داند

جمع‌بندی

تحلیل غیرخطی سازه یکی از ابزارهای مهم برای شناخت رفتار واقعی‌تر ساختمان در برابر زلزله است. در این روش، برخلاف تحلیل‌های صرفاً خطی، امکان بررسی رفتار اعضا پس از ورود به محدوده غیرارتجاعی، تشکیل مفاصل پلاستیک، تغییرشکل‌های غیرخطی، زوال مقاومت و ظرفیت کلی سازه فراهم می‌شود.

تحلیل استاتیکی غیرخطی یا پوش‌آور بیشتر برای بررسی ظرفیت و عملکرد سازه از طریق منحنی ظرفیت، تغییر مکان هدف و روند تشکیل مکانیزم‌های خمیری مورد استفاده قرار می‌گیرد. در مقابل، تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی پاسخ دینامیکی سازه را تحت اثر شتاب‌نگاشت‌های زلزله در طول زمان بررسی می‌کند.

در هر دو روش، اعتبار نتایج به کیفیت مدل‌سازی، تعریف صحیح رفتار غیرخطی اعضا، انتخاب پارامترهای مناسب، اعمال صحیح بارها و شتاب‌نگاشت‌ها و کنترل دقیق معیارهای پذیرش وابسته است.

بنابراین تحلیل غیرخطی نباید صرفاً به عنوان یک مرحله نرم‌افزاری در فرآیند طراحی دیده شود؛ بلکه یک فرآیند مهندسی است که از انتخاب مدل و فرضیات مناسب آغاز می‌شود و با کنترل نتایج، ارزیابی عملکرد و تفسیر مهندسی پاسخ سازه به پایان می‌رسد.