تحلیل دینامیکی چیست؟ (۵ مرحله آن)

تحلیل دینامیک، نقش مهمی در درک رفتار سازه هایی که تحت بارهای دینامیکی است، مانند زلزله، باد و ارتعاش دارد.

این تجزیه و تحلیل بینش های ارزشمندی را در مورد پاسخ سازه، ایمنی و قابلیت اطمینان سیستم های مهندسی مختلف ارائه می دهد.

سازه ها، دائماً در معرض نیروهای دینامیکی مختلفی هستند و ارزیابی پاسخ آن ها به چنین بارهایی بسیار حیاتی است.

تحلیل دینامیکی شاخه ای از مهندسی سازه است که بر مطالعه رفتار سازه هایی که بر شرایط دینامیکی متمرکز است، توجه دارد.

برخلاف تحلیل استاتیکی که تعادل نیروها را در نظر می گیرد، تحلیل دینامیکی، اثرات وابسته به زمان سازه ها را در نظر خواهد گرفت.

در این مقاله به بررسی موارد زیر می پردازیم:

• تحلیل دینامیکی چیست؟
• علل اهمیت تحلیل دینامیکی چیست؟
• انواع تحلیل دینامیکی
• مراحل تحلیل دینامیکی چیست؟
• کاربردهای تحلیل دینامیکی چیست؟
• مزایا و محدودیت های تحلیل دینامیکی چیست؟

1# تحلیل دینامیکی چیست؟

تحلیل دینامیکی سازه به فرآیند مطالعه و ارزیابی رفتار سازه ها تحت بارهای دینامیکی مانند موارد زیر اطلاق می شود:

• زلزله
• باد
• ارتعاشات
• سایر نیروهای خارجی

این تحلیل شامل آنالیز پاسخ یک سازه به بارهای متغیر با زمان، درک نحوه رفتار و واکنش آن ها با این نیروهای دینامیکی است.

در دینامیک سازه، تمرکز بر ویژگی های دینامیکی سازه از جمله موارد زیر است:

• فرکانس های طبیعی
• شکل مد
• خواص میرایی
• پاسخ به انواع بارهای دینامیکی

این تحلیل برهم کنش های بین سازه و نیروهای اعمال شده را در نظر می گیرد و هدف آن تعیین پاسخ سازه بر حسب موارد زیر است:

• جا به جایی ها
• سرعت ها
• شتاب ها
• نیروهای داخلی

تجزیه و تحلیل دینامیکی در طراحی و ارزیابی سازه ها، دارای اهمیت ویژه ای است؛
زیرا به مهندسان و طراحان کمک می کند تا اطمینان حاصل کنند که سازه ها می توانند، نیروهای دینامیکی را که ممکن است در طول عمر خود با آن ها مواجه شوند را تحمل کنند.

همچنین به بهینه سازی طراحی برای به حداقل رساندن ارتعاشات، نوسانات و حالت های احتمالی خرابی کمک می کند.

با درک رفتار دینامیکی سازه ها، مهندسان می توانند ایمنی، میزان پایداری و عملکرد هر سازه را تحت سناریوهای بارگذاری دینامیکی مختلف تضمین کنند.

1-1# علل اهمیت تحلیل دینامیکی چیست؟

سازه ها را می توان با استفاده از تحلیل استاتیکی طراحی کرد؛ اما به منظور افزایش سطح ایمنی باید بیش از حد محافظه کار باشید.

از این رو تحلیل دینامیکی به گونه ای انجام می شود که بارهای لرزه ای تا حد امکان دقیق، مدل سازه شده و در طراحی فرآیند با درجه اطمینان زیاد و صرفه جویی بالا انجام شوند.

هر چه مدل سازی ساختار به نیروهایی که ممکن است بر آن وارد شوند، نزدیک تر باشد، طراحی به دست آمده اقتصادی تر خواهد بود.

2# انواع تحلیل دینامیکی

روش های مختلفی به منظور تحلیل دینامیکی سازه استفاده می شود؛ مانند تحلیل های:

• مودال
• طیف پاسخ
• تاریخچه زمانی
• اجزای محدود

این روش ها شامل مدل سازی ریاضی، شبیه سازی عددی و تکنیک های محاسباتی به منظور پیش بینی رفتار و پاسخ های ساختاری تحت شرایط بارگذاری دینامیکی است.

در ادامه با برخی از انواع تحلیل دینامیکی آشنا خواهیم شد.

1-2# تحلیل دینامیکی مودال

تحلیل مودال یک تکنیک اساسی است که به منظور شناسایی فرکانس های طبیعی، شکل ها و حالت های یک سازه استفاده می شود.

این تحلیل شامل حل مسئله ارزش ویژه سیستم ساختاری برای تعیین ویژگی های دینامیکی آن است.

تجزیه و تحلیل مودال، اطلاعات مهمی را در مورد حالت های غالب ارتعاش و فرکانس های متناظر با آن ها فراهم می کند و به مراحل بعدی تجزیه و تحلیل کمک می کند.

2-2# تحلیل دینامیکی طیف پاسخ

تجزیه و تحلیل طیف پاسخ، به صورت گسترده ای به منظور ارزیابی سازه های تحت بارهای لرزه ای استفاده می شود.

طیف پاسخی که استفاده می شود، حداکثر پاسخ یک سازه را در فرکانس های مختلف نشان می دهد.

با اعمال تحلیل طیف پاسخ در سازه، مهندسان می توانند عملکرد آن را تحت حرکات به وجود آمده از زلزله ارزیابی کنند و آن را به گونه ای طراحی کنند که در برابر حرکات مورد انتظار زمین مقاومت کند.

3-2# تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی

تحلیل تاریخچه زمانی شامل شبیه سازی بارهای متغیر با زمان واقعی یا حرکات زمینی است که یک سازه ممکن است، تجربه کند.

پاسخ دینامیکی سازه ها را در طول زمان با در نظر گرفتن ویژگی های خاص نیروهای اعمال شده به تصویر می کشد.

تجزیه و تحلیل تاریخچه زمانی به ویژه هنگام برخورد با الگوهای بارگذاری پیچیده یا رفتار غیرخطی سازه مفید است.

3# مراحل تحلیل دینامیکی چیست؟

تحلیل دینامیکی از یک رویکرد سیستماتیک به منظور ارزیابی پاسخ سازه ها به بارهای دینامیکی پیروی می کند.

مراحل کلیدی آن به صورت زیر هستند.

1-3# مدل سازی ساختاری

اولین قدم در تحلیل دینامیکی، ایجاد یک مدل دقیق و واقعی از سازه است.

این مرحله شامل تعریف هندسه، خواص مواد و شرایط مرزی است.

مدل سازه ای باید ویژگی های اساسی ساختاری واقعی را به منظور حصول اطمینان از نتایج دقیق به تصویر بکشد.

2-3# تعریف بار

در مرحله بعد، بارهای دینامیکی وارد شده بر سازه باید تعریف شوند.

این بارها بسته به نوع تحلیل و کاربرد خاصی که دارند، می توانند متفاوت باشند.

به عنوان مثال، در تحلیل لرزه ای، از رکوردهای حرکت زمین یا طیف پاسخ به عنوان ورودی استفاده می شود.

در تحلیل باد، توزیع فشار باد در نظر گرفته می شود. تعیین دقیق و اعمال بارهای مناسب به منظور به دست آوردن نتایج قابل اعتماد بسیار مهم است.

3-3# انتخاب روش تحلیل

بر اساس ماهیت مسئله و میزان دقت مورد نظر، یک روش تحلیلی مناسب انتخاب خواهد شد.

تحلیل مودال معمولاً به منظور ارزیابی های اولیه و استخراج شکل حالت استفاده می شود.

تحلیل طیف پاسخ برای طراحی لرزه ای مناسب است.

تجزیه و تحلیل تاریخچه زمانی، هنگامی استفاده می شود که رفتار دینامیکی دقیق مورد نیاز باشد.

انتخاب روش مناسب تحلیل، بستگی به اهداف خاص هر مطالعه دارد.

4-3# محاسبه فرکانس طبیعی و شکل های حالت

در تحلیل مودال، فرکانس های طبیعی و شکل های مد متناظر با سازه محاسبه می شوند.

این موارد ویژگی های ذاتی سازه است که رفتار دینامیکی آن را تعیین می کند.

فرکانس های طبیعی، فرکانس هایی را نشان می دهند که در آن سازه تمایل به ارتعاش دارد، این در حالی است که شکل های حالت، نشان دهنده الگوهای تغییر شکل مرتبط با هر فرکانس هستند.

5-3# ارزیابی پاسخ دینامیک

هنگامی که فرکانس های طبیعی و شکل مد شناسایی شد، پاسخ دینامیکی سازه به بارهای اعمال شده قابل ارزیابی است.

این ارزیابی شامل تعیین جا به جایی ها، شتاب ها و نیروهای داخلی در مکان های مختلف سازه است.

تجزیه و تحلیل پاسخ، به ارزیابی عملکرد سازه، شناسایی مناطق بحرانی و اطمینان از مطابقت طرح به معیارهای مورد نظر کمک می کند.

4# کاربردهای تحلیل دینامیکی چیست؟

دینامیک سازه، کاربردهای گسترده ای در زمینه های مختلف مهندسی دارد.

برخی از برنامه های کاربردی آن عبارت اند از:

• ساختمان ها
• پل ها
• سدها
• سکوهای دریایی
• سازه های هوا – فضا
• سیستم های مکانیکی

از دیگر کاربردهای تحلیل دینامیکی می توان به موارد زیر اشاره کرد.

1-4# طراحی لرزه ای ساختمان ها

تحلیل دینامیکی نقش مهمی در طراحی لرزه ای ایفا می کند و به مهندسان کمک می کند تا پاسخ سازه ها را به زلزله ارزیابی کنند.

با در نظر گرفتن ویژگی های دینامیکی سیستم خاک – سازه و نیروهای لرزه ای مورد انتظار، مهندسان می توانند ساختمان هایی را طراحی کنند که بتوانند در برابر حرکات زمین مقاومت کنند و آسیب را در طول رویدادهای لرزه ای به حداقل برسانند.

2-4# طراحی و ارزیابی پل

پل ها در معرض نیروهای دینامیکی مانند بارهای ترافیکی، باد و زلزله هستند.

تحلیل دینامیکی با در نظر گرفتن رفتار دینامیکی، فرکانس های طبیعی و شکل های مد به طراحی سازه های پل به صورت کارآمد و ایمن کمک می کند.

این امر تضمین می کند که پل ها می توانند بارهای دینامیکی را تحمل کنند و پایداری و قابلیت سرویس خود را حفظ کنند.

3-4# ارتعاشات در سیستم های مکانیکی

تحلیل دینامیکی به منظور درک و کاهش ارتعاشات در سیستم های مکانیکی ضروری است.

این امر به تجزیه و تحلیل پاسخ دینامیکی موارد زیر کمک می کند:

• ماشین های دوار
• وسایل نقلیه
• سازه های هوا – فضا
• سایر سیستم های مکانیکی

با شناسایی شرایط تشدید بالقوه و بهینه سازی طراحی، مهندسان می توانند ارتعاشات، نویز و خرابی ها را به حداقل برسانند.

5# چه زمانی از تحلیل خطی و غیرخطی در تحلیل دینامیکی سازه استفاده می شود؟

به صورت کلی، تجزیه و تحلیل خطی در صورتی که سازه متقارن و ساده باشد کافی است. تجزیه و تحلیلی غیرخطی برای ساختارهای پیچیده یا نامتقارن مورد نیاز است.

همچنین ممکن است، برای سازه هایی که شامل کابل ها نیز می شوند، مورد نیاز باشد.

سازه های بسیار بلند یا سازه هایی که با مواد غیرخطی ساخته شده اند ممکن است، به تحلیل غیرخطی نیاز داشته باشند.

اگرچه بتن نیز یک ماده غیرخطی است؛ اما معمولاً به تجزیه و تحلیل غیرخطی نیاز ندارد.

6# مزایا و معایب تحلیل دینامیکی چیست؟

مزایا و معایب تحلیل دینامیکی را در ادامه بررسی خواهیم کرد.

1-6# مزایای تحلیل دینامیکی چیست؟

از جمله مزایای تحلیل دینامیکی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• اثرات بارهای متغیر با زمان و پاسخ های دینامیکی سازه را در نظر می گیرد.
• نمایش دقیق تری از رفتار سازه در شرایط بارگذاری دینامیکی ارائه می دهد.
• ممکن است برای اطمینان از یکپارچگی سازه و ایمنی ساختمان تحت رویدادهای دینامیکی ضروری باشد.

2-6# معایب تحلیل دینامیکی چیست؟

معایب تحلیل دینامیکی عبارت است از:

• تحلیل دینامیکی می تواند در مقایسه با تحلیل استاتیک، پیچیده تر باشد و از نظر محاسباتی فشرده تر باشد.
• این نوع تحلیل، نیاز به درک دقیق تری از دینامیک سازه و شرایط بارگذاری آن دارد.

7# نرم افزار پلکسیس و کاربرد آن در تحلیل دینامیکی چیست؟

پلکسیس (PLAXIS)، یک بسته المان محدود کاربرپسند به همراه محاسبات قابل اعتماد است که توسط مهندسان ژئوتکنیک و در سطح جهانی استفاده می شود.

این نرم افزار یک مدل سه بعدی را به منظور کمک به تجزیه و تحلیل محیط های زیرسطحی ارائه می دهد.

از موارد زیر گرفته تا ژئومکانیک مخازن، کاربران می توانند تغییر شکل و پایداری مهندسی ژئوتکنیک و مکانیک سنگ را به منظور ارزیابی ریسک ژئوتکنیکی تعیین کنند:

• حفاری ها
• خاکریزها
• پی ها
• تونل سازی
• معدن کاری