نیرو های دینامیکی چه نیرو هایی هستند و دینامیک سازه ها چه اهدافی را دنبال می کند؟

تحلیل دینامیکی

هدف اصلی دانش دینامیک سازه ها ارائه روش هایی برای تحلیل تنش ها و تغییر شکل‌های به وجود آمده در سازه هنگامی که سازه تحت اثر بار دینامیکی دلخواه قرار می گیرد، می باشد. به عبارتی، از بارگذاری استاتیکی می توان تنها به عنوان حالت خاص بارگذاری دینامیکی تعبیر کرد. البته می توان پاسخ سازه را را تحت اثر بارگذاری های استاتیکی و دینامیکی به صورت مجزا در نظر گرفت و سپس این پاسخ ها را برای محاسبه پاسخ کل با یکدیگر جمع نمود. در این صورت، روش های تحلیل استاتیکی و دینامیکی دارای ماهیت های کاملا متفاوت هستند. 
 

بار های دینامیکی

پارامتر دینامیک می تواند به عنوان متغیر زمان تعبیر شود؛ بنابراین بار دینامیکی باری است که اندازه، راستا و یا مکان آن نسبت به زمان تغییر می کند. بنابراین پاسخ سازه به بار دینامیکی که تنش ها و تغییر شکل های به وجود آمده هستند نیز تابعی از زمان می باشند. اگر چه که بارهای ناشی از زمین لرزه دارای ماهیت نوسانی و نامنظم هستند، اما ممکن است که این بار ها به صورت بار های دینامیکی معین که در برابر بارهای دینامیکی تصادفی قرار می گیرند، در نظر گرفته شوند. بنابراین، تاکید بر بررسی روش های تحلیل دینامیکی معین، به جای تحلیل تصادفی ویا نامعین که نیازمند اطلاعات آماری کمیت های پاسخ دینامیکی است می باشد. در شکل زیر انواع متفاوت بار های دینامیکی شامل بارهای دینامیکی معین و تصادفی مشاهده می شود.

(شکل1-نمودار انواع بار های دینامیکی)

عموما، پاسخ سازه به بارهای دینامیکی بر اساس تغییر مکان سازه بیان می شود. بنابراین، تحلیل دینامیکی معین مستقیما تاریخچه های زمانی تغییر مکان متناظر با تاریخچه بارگذاری اعمالی را نتیجه می دهد؛ کمیت های دیگر پاسخ همچون تنش، کرنش و نیروهای داخلی و سایر پارامتر ها معمولا به عنوان فاز دوم تحلیل بدست می آیند. از سوی دیگر، تحلیل دینامیکی نامعین تنها اطلاعات آماری از تغییر مکان های ناشی از بار های آماری را ارائه می دهد؛ سپس اطلاعات مرتبط با کمیت های پاسخ به صورت مستقل با استفاده از روش های تحلیل نامعین بدست می آید. 

از نقطه نظر تحلیلی، بهتر است تا بارهای دینامیکی معین را به دو دسته مجزای تناوبی(periodic) و غیر تناوبی( non periodic) طبقه بندی کنیم. بار های تناوبی به صورت تکرار شونده ای دارای تغییرات یکسانی نسبت به زمان برای تعداد زیادی از سیکل ها را دارا هستند. 

(شکل2- نمودارهای انواع متفاوت بار های معین دینامیکی)

از طرف دیگر، بارهای غیرتناوبی ممکن است یا به صورت بارهای با مدت(دوام) کوتاه و یا همانند عموم بارها با مدت نسبتا طولانی باشند. بار های انفجاری منبع متداولی از بار های ضربه ای به حساب می آیند؛ برای چنین بارهایی با مدت زمان کوتاه، تحلیل های ساده سازی شده خاصی ممکن است استفاده شوند. از سوی دیگر، برای بارهای معمول با مدت زمان نسبتا طولانی همچون بارهایی که از زمین لرزه حاصل می شوند، از روش های معمول تحلیل دینامیکی استفاده می گردد. 

تعداد زیادی از بار هایی که به سازه یک ساختمان اعمال می شوند به صورت ثابت در نظر گرفته می شوند که تنها نیازمند تحلیل استاتیکی هستند. اگرچه که تمامی بار ها به جز بارهای مرده گذرا هستند، به این معنی که با گذشت زمان تغییر می کنند. اما متداولا در طراحی سازه با این بار ها به صورت بارهای استاتیکی رفتار می شود. به عنوان مثال، بارهای جانبی که در اثر وزش باد ایجاد می شوند و اغلب ماهیتی دینامیکی هستند، معمولا به صورت بارهای استاتیکی در نظر گرفته می شوند. 

مثلا، ویژگی های دینامیکی در اثر تغییرات ناگهانی سرعت باد با تعریف ضریب وزش در تعیین بارهای باد اعمال می شوند. و بنابراین، تحلیل به صورت تحلیل  استاتیکی که نیازمند جوابی یکتا است، تبدیل خواهد شد. 

حال ساختمانی را که به جای بارهای ناشی از باد درمعرض جنبش های زمین در اثر زلزله، قرار می گیرد در نظر بگیرید. تکان های لرزه ای باعث می شود تا شالوده ساختمان عمدتا در صفحه ای افقی،  به صورت رفت و برگشتی نوسان کند. در صورتی که نوسان زمین  بسیار آهسته درطول زمان تناوب طولانی، اتفاق بیافتد ساختمان حرکات زمین را بدون قرار گرفتن در معرض بار های جانبی، دنبال خواهد کرد. ساختمان به سهولت به وضعیت تغییر یافته جدید انتقال یافته گویا که هیچ باری به آن اعمال نشده است. 

از سوی دیگر، هنگامی که زمین به صورت ناگهانی همانند هنگام رخداد زلزله حرکت کند، جرم زمین که دارای اینرسی است، تلاش می کند تا در حالتی مشابه با قبل از رخداد پدیده زلزله باقی بماند و نتیجتا با شتاب سازه مقاومت می کند. 

در یک ساختمان چند طبقه، نیروهای اینرسی ممکن است به صورت نیروهای افقی که به طبقات مختلف ساختمان به نسبت جرم طبقه و ارتفاع آن طبقه از زمین، اعمال می شوند در نظر گرفته شوند. با توجه به اینکه نیروهای زلزله تابعی از زمان هستند، دینامیکی در نظر گرفته می شوند. از انجا که نیروی اعمالی متغیر زمان است، بنابراین پاسخ سازه شامل تغییر شکل ها، نیروهای محوری، برشی و خمشی نیز تابعی از زمان هستند. نتیجتا به جای یک پاسخ واحد، برای درک پاسخ سازه در هر لحظه از زمان برای کل زمان زلزله نیاز به جواب جداگانه ای داریم. با توجه به این موضوع که نیروهای اینرسی تابعی از شتاب های سازه هستند، واجب است که مسئله دینامیکی با معادلات دیفرانسیل فرمول بندی شود. 

دینامیک سازه

به عنوان بررسی مقدماتی دانش دینامیک سازه  با نظر گرفتن ساده ترین سازه ممکن یک سازه ی ایده آل مطابق شکل زیر در نظر بگیرید.

در این مدل آرمانی فرض می شود که ستون هایی که نقش تکیه گاه را برای سقف دارند بدون جرم هستند و تمامی جرم ساختمان در سقف متمرکز شده است. سقف سازه صلب بوده در صورتی که ستون ها نسبت به تغییر شکل جانبی ارتجاعی و نسبت به محور عمودی صلب هستند. فرض می شود که سازه بر روی زمین صلب تکیه دارد. 
در صورتی که سقف این سازه به صورت جانبی به اندازه u تغییر مکان یافته و سپس رها شود و بتواند آزادنه نوسان کند، سازه حول موقعیت اولیه خود نوسان خواهد کرد.  این نوسان با دامنه یکسان u برای همیشه ادامه خواهد یافت و همانند شکل زیر سازه هیچگاه به حالت سکون باز نخواهد گشت. 

پر واضح است که این مسئله غیر واقعی بوده و قابل درک است که یک سازه واقعی در ارتعاش آزاد می بایست به صورتی نوسان کند که دامنه آن کاهش یافته و در نهایت به سکون برسد. با هدف در آمیختن این مفهوم در دینامیک سازه ها یک المان جذب کننده انرژی می بایست معرفی شود. میراگر ویسکوز  که در شکل زیر مشاهده می گردد متداول ترین المانی است که با هدف دستیابی به این مهم استفاده می گردد. 

در مقالات آتی  ارتعاش آزاد سازه را بررسی خواهیم کرد.

منبع:

دپارتمان سازه سامانه کارگشا

احتراما سوالات و یا درخواست همکاری خود را مطرح فرمایید.(مشاوره آنلاین دپارتمان سازه)