آموزش تحلیل طیفی

مطلب از کانال دکتر علیرضایی@AlirezaeiChannel اقتباس شده است.

نکته طراحی در ETABS
روند انجام تحلیل طیفی در برنامه ETABS
در برنامه ETABS برای انجام یک تحلیل طیفی بعد از مدلسازی، سه گام زیر بایستی انجام شود:
1- معرفی تعداد مودهای نوسانی مورد نظر
2- معرفی طیف طرح (شبه‌شتاب) به برنامه
3-تعریف حالت بار طیفی در جهات مورد نظر
در شکل زیر مسیر تعریف تعداد مودهای نوسانی سازه نشان داده شده است. همانطور ابتدا از منوی Analyze گزینه Set Analysis Options را انتخاب نمایید تا پنجره وسط ظاهر شود. در این حالت از قسمت Dynamic Analysis گزینه Set Dynamic Parameters… را انتخاب نمایید تا گام سوم (پنجره سمت راست) نمایان شود. در بخش Number of Modes از پنجره Dynamic Analysis Parameters، تعداد مودهای نوسان سازه را تعیین نمایید. طبق استاندارد 2800 داریم:
تعداد مدهای نوسان، در هر یک از دو امتداد متعامد ساختمان باید به حدی باشد که مجموع جرم‌های مؤثر در آنها بیش تر از 90 درصد جرم کل سازه شود، در نظر گرفته شود.
در اکثر حالات در نظر گرفتن سه مود نوسانی برای هر طبقه کفایت می‌کند. در صورتی که برای Frequency Shift (Center) و Cutoff Frequency (Radius) صفر در نظر گرفته شود، تمام موهای نوسان سازه محاسبه شده و در صورتی که مرکز و شعاع قطع فرکانس‌های سازه داده شود، تنها مودهایی که در این حیطه باشند در نظر گرفته می‌شوند. مقدار تلرانس همگرایی نسبی (Relative Tolerance) بطور پیش فرض برابر 1E-7 بوده که مقدار مناسبی می‌باشد

بعد از تعریف مودها، مطابق شکل زیر، بایستی طیف طرح غیرارتجاعی به برنامه معرفی شود. در این حالت از مسیر نشان داده شده در شکل زیر(سمت چپ- گام اول) پنجره Define Response Spectrum Functions ظاهر خواهد شد (پنجره وسط،گام دوم). در صورتی که بخواهید مولفه‌های طیف را بطور دستی و یکی یکی وارد نمایید، از قسمت Choose Function Type to Add گزینه User Spectrum را انتخاب نموده و طیف را معرفی نمایید.

در صورتی که به مانند شکل زیر قبلاً در یک فایل متنی (فایل Notepad) طیف بازتاب را ساخته باشید می‌توانید با استفاده از گزینه Spectrum from File از زیر بخش Choose Function Type to Add، و زدن دکمه Add New Function… بطور مستقیم و سریع طیف بازتاب را تعریف نمایید.
در صورتی که روش دوم را انتخاب نمایید را انتخاب نمایید، پنجره سمت راست بالا ظاهر شده (پنجره Response Spectrum Function Definition) و با استفاده از دکمه Browse… مسیر فایل متنی را انتخاب نمایید. در صورتی که فایل متنی حاوی طیف شبه شتاب بوده که محور افقی آن دوره تناوب باشد، گزینه Period vs Value و در صورتی که محور افقی آن فرکانس (عکس دوره تناوب) باشد، گزینه Frequency vs Value را از زیر بخش Values are: انتخاب نمایید. در صورتی یک سطر یا بیشتر از فایل متنی حاوی متنی برای مشخص نمودن محتویات فایل بوده و جزو طیف به حساب نمی‌آید، در قسمت Header Lines to Skip تعداد این سطرها را برای صرف نظر نمودن برنامه از خواندن آنها وارد کنید. با زدن دکمه View File محتویات فایل توسط برنامه Notepad یا برنامه‌های مشابه آن باز خواهد شود و شما قادر به دیدن محتویات فایل انتخابی هستید. توجه داشته باشید، در صورتی که فایل محاسبات خود را بخواهید به جای دیگری منتقل نمایید حتماً بایستی فایل متنی حاوی طیف پاسخ نیز همراه فایل شما باشد. برای جلوگیری از این مشکل دکمه Convert to User Defined را انتخاب نمایید تا تمام محتوای فایل متنی به فایل EDB منتقل شوند. در این حالت نیازی به همراه بودن فایل متنی نبوده و طیف پاسخ، در فایل شما ماندگار خواهد شد. در بخش Function Graph نیز در صورتی که گزینه Display Graph زده شود، شکل طیف نمایش داده می‌شود. مقدار میرایی نیز 5% در نظر گرفته شود.
 
در شکل زیر مسیر تعریف حالت بار طیفی نشان داده شده است. بعد از ظاهر شدن پنجره Define Response Spectra بر روی گزینه Add New Spectrum… از قسمت Spectra click to: کلیک نمایید تا پنجره Response Spectrum Case Data ظاهر شود. در صورتی بخواهید یک حالت بار طیفی ساخته شده را مشاهده نمایید، بعد از انتخاب آن بر روی گزینه Modify/Show Spectrum… و در صورتی که خواهید یک حالت بار طیفی را پاک نمایید بعد از انتخاب آن بر روی گزینه Delete Spectrum کلیک نمایید. در پنجره Response Spectrum Case Data، و در قسمت Spectrum Case Name نام حالت طیفی و در بخش Structural and Function Damping مقدار میرایی که معولاً 5% در نظر گرفته می‌شود وارد نمایید. در قسمت Modal Combination روش ترکیب آثار مدها را روش CQC قرار دهید.
این روش ترکیب بهترین روش ترکیب آثار مودها برای سازه‌های سه بعدی است. در صورتی که میرایی سازه صفر باشد، روش SRSS و CQC یکسان خواهند بود. در صورت استفاده از روش ABS نتایج تحلیل طیفی محافظه کارانه خواهند شد. در بخش Directional Combination نحوه ترکیب نیروهای حاصل از حالت طیفی را در جهات مختلف سازه را تعیین نمایید. در ارتباط با این گزینه در ادامه توضیحات بیشتر ارائه خواهد شد. در بخش Input Response Spectra طیف مورد نظر را در جهت مورد نظر خود معرفی نمایید. در صورتی که بخواهید طیف را در جهت محور X کلی به سازه اعمال نمایید از جعبه کرکره‌ای U1 (از قسمت Direction) تابع (Function) مورد نظر که همان طیف باشد را معرفی نمایید و در صورتی که بخواهید جهت محور Y کلی به سازه اعمال نمایید از جعبه کرکره‌ای U2 طیف ساخته شده در گام قبل را معرفی نمایید. در بخش Scale Factor بایستی ضرب مناسبی مطابق با الزامات آیین‌نامه طراحی وارد نمایید. این گزینه طبق استاندارد 2800 همان AI/Rمی‌باشد که در واقع مقدار B قبلاً توسط طیف، به برنامه داده شده است و با ضرب B در این ضریب، مقدار ضریب زلزله هر مود نوسانی مطابق با مقدار دوره تناوب آن مود حاصل می‌شود. گزینه Excitation angle زاویه اعمال طیف را نسبت به محور X کلی سازه مشخص می‌کند. در صورتی که در بخش Excitation angle زوایه 90 درجه انتخاب شده باشد و در بخش Direction، گزینه U1 برای اعمال طیف در نظر گرفته شده باشد، طیف تعریف شده با زوایه 90 درجه نسبت به محور X (به عبارتی در جهت Y) بر سازه اعمال می‌شود.

تعریف حالت بار طیفی در جهات مورد نظر

رفتار متریال غیرخطی

در تحلیل غیرخطی شما برای مدلسازی رفتاری اجزا از رابطه کلی نیرو- تغییر شکل یا منحنی‌های دیگری که رفتار را نشان می‌دهند استفاده میکنید. در شکل زیر به نقل از FEMA356 منحنی ساده شده کلی رفتار بار- تغییر شکل نشان داده شده است. این مدل از نقطه A (عضو فاقد بارگذاری) تا یک نقطه تسلیم مؤثر در B، خطی است و بین نقاط B و C سختی کاهش یافته‌ای به صورت خطی وجود دارد که با یک کاهش ناگهانی در مقاومت در برابر بار جانبی ازنقطه C به نقطه D می رسد و تا نقطه E ثابت می‌ماند.
سرانجام در این نقطه مقاومت به صفر کاهش می یابد. شیب از A تا B را می‌توان مطابق ضوابط فصل ششم دستورالعمل بهسازی لرزه‌ای محاسبه نمود. شیب از نقطه B تا نقطه C، با نادیده گرفتن اثرات بارهای ثقلی بر تغییرشکل جانبی، بین صفر تا 10% شیب اولیه منظور میگردد مگر اینکه شیب دیگری با آزمایش یا تحلیل، بهتر تشخیص داده شود. نقطه C دارای عرضی برابر با مقاومت عضو و طولی برابر با مقدار تغییرمکانی که در آن کاهش شدید مقاومت آغاز میگردد، می‌باشد. متن زیر نیز از Help برنامه SAP برداشت شده است:

These nonlinear hinges are used during static nonlinear analysis and nonlinear direct integration time history analysis only. For all other types of analysis, the hinges are rigid and have no effect on the behavior of the member.

البته از روش‌های دیگر نیز میتوان رفتار غیرخطی را مدل نمود. از جمله استفاده از مفهوم فایبر ( Fiber Element )
 
منبع :کانال دکتر علیرضایی

معرفی کتاب تحلیل و طراحی سازه های فولادی

فصل یکم این کتاب، به تشریح مبانی و خصوصیات فولاد اختصاص داده شده است. در این فصل مشخصات مکانیکی فولاد مورد اشاره قرار گرفته است. در فصل دوم، مختصری در ارتباط با نحوه بارگذاری سازه‌ها و همچنین در ارتباط با رفتار سازه‌ها در برابر این بارها، توضیحاتی داده شده است. فصل سوم به الزامات تامین پایداری در سازه‌های فولادی اختصاص دارد. در این فصل به اصول تحلیل مستقیم، روش طول موثر و روش مرتبه اول محدود شده اشاره شده با استفاده از مثال‌های کاربردی، هر یک از این موارد تشریح شده است. فصل چهارم، به بررسی مشخصات مقاطع فولادی و رفتار خمیری آنها می‌پردازد. در این فصل روابط حاکم بر مقاطع فولادی با تاکید بر مقاطع با تقارن دوبل، مورد بررسی قرار گرفته است. فصل پنجم تا سیزدهم به مباحث غیرلرزه‌ای مبحث دهم اختصاص پیدا نموده است. در این فصول، اصول طرح اعضای فولادی برای کشش، فشار، خمش، برش و همچنین طراحی اعضای مرکب فولادی و کنترل اعضای فولادی برای روابط حدی سرویس، با استفاده از مثال‌های کاربردی زیاد، مورد بررسی قرار گرفته است. فصل چهاردهم به تحلیل غیرارتجاعی سازه‌های فولادی اختصاص دارد. در این فصل مبانی تحلیل غیرارتجاعی سازه‌های فولادی تشریح شده است. فصل پانزدهم و شانزدهم، شامل طراحی لرزه‌ای اعضای فولادی بوده که فصل سوم مبحث دهم را پوشش می‌دهند. در این فصل سعی شده، با استفاده از بیان ساده مطالب، مفاهیم مرتبط با طراحی شکل‌پذیری قاب‌های خمشی و قاب‌های مهاربندی شده تشریح گردد. فصل هفدهم به طراحی دیوارهای برشی فولادی اشاره داشته و عمده ضوابط ارائه شده در این فصل به نقل از AISC341 می‌باشد. همچنین برای راحتی در محاسبات، در فصل هجدهم، برخی از روابط طراحی گفته شده در فصل‌های قبل، بصورت جدول‌بندی شده برای مقاطع مختلف متداول در ایران، آورده شده است. در نوشتن کتاب فرض بر آن بوده که خواننده با اصول تحلیل سازه در حد درس‌های دوره کارشناسی آشناست. این کتاب حاوی مثال‌های حل شده نسبتاً زیادی است (بیش از 300 مثال حل شده) که در تنظیم مثال‌ها تلاش شده تا نکات ویژه گنجانده شود. در نوشتن مثال‌ها سعی شده تا حد امکان مثال‌های عددی و به صورت کاربردی در متن گنجانده شوند.
@AlirezaeiChannel

دستور Additional Point Mass

وضیح دستور Additional Point Mass:
در صورتی که قصد انجام تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی یا طیفی را داشته باشید، میتوانید مشخص کنید که جرم سازه براساس بارهای وارده بر آن و یا جرم های اختصاص داده شده بر آن محاسبه شوند. رابطه بین جرم و وزن بصورت W=mg میباشد. با استفاده از این دستور میتوانید جرم های متمرکز را بر روی گره های انتخاب شده و از مسیر Assign menu > Joint/Point > Additional Point Mass به گره ها اختصاص دهید. در زیر بخش Masses in Global Directions جرم های انتقالی در جهات مختلف و در زیر بخش Mom. of Inertia in Global Directions ممان اینرسی دورانی حول محورهای اصلی داده میشود. واحد جرم انتقالی Force-Second^2/Length و واحد جرم دورانی Force-Length-Second^2 است.
 
منبع: کانال دکتر علیرضایی

دستور Automatic Frame Subdivide در Etabs

توضیح دستور Automatic Frame Subdivide:
در حین تحلیل برنامه ETABS بصورت خودکار المان‌های قابی را (مثل تیر، ستون و یا مهاربند) مشبندی میکند. بدین معنی که اگر نیاز به ایجاد گره داشته باشند، بدون دخالت کاربر، این کار انجام میشه. در صورتی که شما به هر دلیل نخواهید که برنامه بصورت اتوماتیک این را انجام دهد، بایستی از این دستور استفاده نمایید. به عنوان مثال در مهاربندهای ضربدری با عبور دو مهاربند از روی هم، برنامه آنها را مشبندی میکند. برای جلوگیری از مشبندی آنها باید از این دستور استفاده نمایید. برای این منظور از مسیر Assign menu > Frame/Line > Automatic Frame Subdivide اقدام نمایید. البته قبل از این کار بایستی المان های مورد نظر را انتخاب کرده باشید. در صورت انتخاب گزینه Auto Mesh at Intermediate Points المان های سازه ای در محل نقاط میانی ایجاد شده مشبندی میشوند، در صورت انتخاب گزینهAuto Mesh at Intermediate Points and Intersecting Lines/Edges المانهای سازه ای در محل گره های میانی و یا محل المان های متقاطع آنها مشبندی میشوند. در صورت انتخاب گزینه No Auto Meshing هیچ مشبندی صورت نمیگیرد.
 
منبع: کانال دکتر علیرضایی

طراحی دیوار حائل در Etabs یا Safe

برنامه ETABS قادر به طراحی دیوار حائل نیست. برنامه تنها قادر به طراحی دیوارهای برشی بتنی برای نیروهای داخل صفحه است. دیوار حائل دارای عملکرد عمده خارج از صفحه است. بدین معنی که از دیوار حائل اصولاً جهت مقابله با بارهای جانبی خاک استفاده میشود. بهرحال شما برای طراحی آن میتوانید از طرح دستی استفاده کنید و یا آنکه از برنامه SAFE جهت تحلیل و طراحی آن استفاده کنید. با توجه به اینکه در اغلب سازه‌ها، دیوار حائل بصورت سرتاسری و دورتادور سازه اجرا میشود، سهمیه نیروی زلزله (تنش‌های ناشی از نیروی جانبی در آن) بسیار ناچیز است (مگر آنکه طول دیوارهای حائل خیلی کم باشد) و نیروی زلزله در اغلب موارد حاکم نیست. البته این مورد در ارتباط با دیوارهای حائل که سقف مهار هستند صادق است و در مواردی که دیوار حائل از بالا آزاد باشد، ممکن است نیرو زلزله آن زیاد باشد. اگر مراد طراحی دیوار برای بارهای داخل و خارج از صفحه باشد، بایستی از برنامه SAFE جهت طراحی آن برای بارهای خارج از صفحه و از برنامه ETABS برای طراحی داخل صفحه آن استفاده شود. البته در اینجا اندرکنش این نیروها دیده نمیشود.

کنترل های طراحی در Etabs

به هیچ عنوان نمی‌توان کنترل‌هایی را بصورت خاص برای تمام پروژه‌ها بیان نمود ولیکن بصورت کلی می‌توان به مواردی که می‌توان در ETABS آنها را کنترل‌نمود، به شکل زیر اشاره کرد. برخی از این موارد ممکن است، در برخی پروژه‌ها کاربردی نداشته باشد و یا در برخی پروژه‌ها نیاز به کنترل‌های خاص‌تری باشد.
1- بررسی نامنظمی پیچشی زیاد و شدید، نامنظمی طبقه نرم و خیلی نرم، نامنظمی طبقه ضعیف.
2- بررسی کنترل جابجایی طبقات.
3- کنترل دوره تناوب تحلیل و مقایسه آن با دوره تناوب تجربی.
4- کنترل لنگر واژگونی سازه.
5- کنترل مولفه قائم نیروی زلزله در بالکن‌ها
6- کنترل دیافراگم جهت صلبیت کف.
7- بررسی ضریب نامعینی سازه.
8- در صورت انجام تحلیل دینامیکی، کنترل کفایت تعداد مودهای نوسانی مورد استفاده.
9- کنترل کفایت تعداد سعی و خطاهای انجام شده در تحلیل P-Delta
10- کنترل بارهای ثقلی قرار داده شده بر روی سازه.
11- کنترل درصد آرماتور تیرها و ستون‌ها (در سازه‌های بتنی)
12- کنترل ستون‌ها برای ترکیب بارهای تشدید یافته (در سازه فولادی)
13- کنترل سازه برای زلزله بهره‌برداری (در صورت نیاز)
14- بررسی همپایه بودن برش پایه استاتیکی و دینامیکی.
15- بررسی خطاهای احتمالی در حین تحلیل و رفع آنها.
 
@AlirezaeiChannel دکتر علیرضایی

روش های طراحی دیوار برشی در Etabs

سه روش برای طراحی دیوار برشی وجود دارد:
1-روشSimplified T , C روش تبدیل لنگر و نیروی محوری دیوار به دو ستون که به روش المان مرزی معروف است و بصورت دستی نیز قابل انجام است.در این روش میبایست حداکثر درصد فولادی کششی و فشاری المان های مرزی برای طراحی اجزای لبه ای برابر 0.03 همانند ستون های معمولی تعریف گردند.این روش با توجه به عدم در نظر گرفتن میانه دیوار برای تحمل لنگر وارده در طبقات در جهت اطمینان است.(جان تنها برش را تحمل مینماید)
2- روش Uniform Reinforcing که روش میلگرد گذاری یکنواخت است و دورتادو دیوار از یک میلگرد یکنواخت استفاده میشود و بیشتر برای دیوارهای مستطیلی که در دو لبه خود دارای ستون نیستند مناسب است.
3- General Reinforcing که در این روش با استفاده از Section Designer مقطع دیوار ساخته شده و به دیوار ها اختصاص داده میشود و سس طراحی یا کنترل برای هر نوع دیواری انجام میپذیرد.
حداکثر و حداقل درصد میلگرد قائم دیوار مطابق آیین نامه آبا به ترتیب 0.04 (با رعایت محل وصله=0.02 ) و 0.0025 میباشد.
کنترل المان مرزی:
طبق آیین نامه میتوان اجزای لبه ای را در محل هایی که تنش فشاری دیوار کمتر از 0.15 fc می شودقطع کرد.چنانچه این ضابطه رعایت نگردد میتوان ضخامت پوسته دیوار را افزایش داد.
برای مدل کردن اثر دیوار برشی در پی میتوانید از تیر عمیق که عمق آن برابر ارتفاع دیوار و عرض آن هم ضخامت دیوار است استفاده کنید.لازم به ذکر است درصورت شبکه بندی دیوار برشی در Etabs با انتقال نتایج به Safe برنامه یکسری تیر عمیق به ارتفاع دیوار و عرض آن در محل دیوار برشی ایجاد و نیروهای دیوار را در محل گره های محل شبکه بندی دیوار منتقل میکند

نیروی طراحی مهاربند همگرا

در طراحی مهاربندهای همگرای معمولی، طبق ضوابط بند 10-3-10-3 مبحث دهم، مقاومت مورد نیاز اتصال نباید از یکی از دو مقدار زیر کمتر باشد:
الف) مقاومت کششی مورد نیاز مهاربند برابر RyFyAg.
ب) بیشترین نیروی محوری حاصل از ترکیب بارهای زلزله تشدید یافته در مهاربندی‌ها.
از متن فوق مشخص است که کمترین این دو مقدار را می‌توان ملاک قرار داد. متن AISC360-10 نیز به این صورت است:

6a. Diagonal Brace Connections

 The required strength of diagonal brace connections is the load effect based upon the amplified seismic load.

 Exception: The required strength of the brace connection need not exceed the following:

 (1) In tension, the expected yield strength of the brace multiplied by 1.0 (LRFD) or divided by 1.5 (ASD), as appropriate. The expected yield strength shall be determined as RyFyAg.

 (2) In compression, the expected brace strength in compression multiplied by 1.0 (LRFD) or divided by 1.5 (ASD), as appropriate. The expected brace strength in compression is permitted to be taken as the lesser of RyFyAg and 1.14FcreAg where Fcre is determined from Specification Chapter E using the equations for Fcr except that the expected yield stress RyFy is used in lieu of Fy. The brace length used for the determination of Fcre shall not exceed the distance from brace end to brace end.

 
انتقال نیروهای مهاربند به مقطع آن دسته از اعضای متصل شونده در گره اتصال که باید این نیرو را تحمل کنند و سپس انتقال دهند، باید از مسیری با مقاومت و سختی کافی انجام پذیرد. برای اتصال میانی مهاربند تمامی کنترل‌های مربوط به اتصالات را باید انجام دهید. مقطع این بخش از اتصال باید قادر به انتقال ظرفیت هر یک از دو بخش مهاربند باشد. کنترل‌های دیگر از جمله کنترل برش قالبی نیز برای ورق میانی مهم است.
 
@AlirezaeiChannel

طراحی برشگیر ها و گل میخ های سقف کامپوزیت و عرشه فولادی

مقاومت برشی اسمی برشگیرهای از نوع گل‌میخ که بر بال فوقانی تیر فولادی متصل شده و در داخل دال بتنی قرار می‌گیرند، طبق بند 10-2-8-7-2 مبحث دهم، برای برشگیرهای از نوع گل میخ با استفاده از رابطه زیر تعیین می‌شود:
Qn=0.5Asa√(fc*Ec)≤Rg*Rp*Asa*Fu
که در رابطه فوق، Asa سطح مقطع گل‌میخ، Ec مدول الاستیسیته بتن که می‌توان از رابطه Ec=0.043wc^1.5 √(fc) تعیین نمود. که در آن wc وزن مخصوص بتن بر حسب کیلوگرم بر متر مکعب و Ec بر حسب مگاپاسکال می‌باشد. fc مقاومت مشخصه بتن در سن 28 روزگی برای نمونه استوانه‌ای شکل، Fu تنش کششی نهایی حداقل مصالح گل‌میخ، Rg ضریب گروهی گل‌میخ‌ها و Rp ضریب موقعیت قرارگیری گل‌میخ‌ها بوده که این دو ضریب با توجه به جدول 10-2-8-1 مبحث دهم تعیین می‌شوند. مثلا برای یک گل میخ با قطر 16 میلیمتر مساحت مقطع یک گل‌میخ برابر با Asc=2 cm^2 می‌باشد. مقاومت برشی اسمی برشگیرهای از نوع گل‌میخ که بر بال فوقانی تیر فولادی متصل شده برابر است با:
Qn=0.5Asa √(fc*Ec)=0.5×2√(300×294000)=9390 kg>Rg*Rp*Asa*Fu=1.0×0.75×2×5000=7500 kg
برنامه ETABS نیز این مقدار را حساب می‌کند. اگر از مسیر Define menu > Section Properties > Deck Sections مقطع عرشه را تعریف نمایید، در بخش Shear Stud Diameter قطر گل میخ را وارد نمایید. همچنین مقدار تنش تنهایی گل‌میخ در بخش Property Data Definitions و در تعریف Fu وارد شود. برنامه مقدار Ec را از مصالحی که از بخش Deck Material تعریف شده خوانده و مقدار Qn را محاسبه می‌کند. برای دیدن جزئیات بیشتر در این رابطه می‌توانید به کتاب تحلیل و طراحی سازه‌های فولادی اینجانب یا دیگر کتاب‌های طراحی سازهای فولادی مراجعه نمایید.
✔️ @AlirezaeiChannel