مراحل مقیاس کردن رکوردها و استفاده در ETABS

استفاده از رکوردهای واقعی زمین لرزه (ثبت شده توسط شتابنگارها) برای تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی، دقیقترین روش برای ارزیابی رفتار سازه تحت زلزله است. اما از آنجایی که بزرگی و مشخصات زلزله های ثبت شده با شرایط طرح سازه ما مطابقت ندارد، باید این رکوردها را به درستی مقیاس (Scale) کنیم. هدف اصلی مقیاس کردن، تطبیق طیف پاسخ رکورد با طیف طرح آیین نامه ای است.

گام ۱: انتخاب رکوردهای زلزله مناسب (Record Selection)

اولین و مهمترین قدم، انتخاب رکوردهای صحیح است. آیین نامه 2800 (ویرایش چهارم، بند 3-4-3-2) بر این موضوع تأکید دارد.

• تعداد رکوردها: باید حداقل از ۳ رکورد استفاده کنید. اگر پاسخهای حاصل از این ۳ رکورد به طور قابل توجهی متفاوت باشد، باید از حداقل ۷ رکورد استفاده کنید و پاسخ نهایی را میانگین بگیرید.
• منبع رکوردها: پایگاههای داده معتبر مانند:
  • PEER NGA-West2 (پرمصرفترین منبع)
  • COSMOS
  • IRSC (پایگاه داده زلزله های ایران)
• معیارهای انتخاب شتاب نگاشت های زلزله:
  • مکانیزم گسل (Fault Mechanism): رکوردها باید از زلزله هایی با مکانیزم گسل مشابه منطقه مورد نظر شما باشند (مثلاً عادی، معکوس، امتدادلغز).
  • فاصله از گسل (Distance): فاصله رکورد تا گسل مسبب (Rjb یا Rrup) باید با فاصله سازه شما از گسل های فعال منطقه قابل قیاس باشد.
  • سایت خاک (Site Class): شرایط ژئوتکنیکی محل ثبت رکورد (مثلاً نوع خاک C یا D) باید مشروط خاک محل سازه شما باشد.
  • محدوده بزرگی (Magnitude): بزرگی زلزله (Mw) باید در محدوده منطقی برای منطقه لرزه خیز شما باشد (معمولاً ±۰.۵ واحد از بزرگی مشخصه).

گام ۲: آمادهسازی رکوردها (Data Preparation)

رکوردهای دانلود شده معمولاً به فرمت های مختلفی مانند .AT2 (PEER)، .V2 و… هستند. ETABS از فرمتهای ساده متن با پسوند .txt یا .acc پشتیبانی میکند.

• قالب فایل: فایل رکورد شما باید یک فایل متنی ساده باشد که در هر خط یک مقدار شتاب (بر حسب g یا m/s²) نوشته شده است. اغلب نیاز است سطرهای اول (حاوی متادیتا) را حذف کنید.
• گام زمان (Time Step): گام زمانی رکورد (مثلاً 0.01 یا 0.005 ثانیه) باید در فایل مشخص باشد. ETABS از این اطلاعات برای ساختن تاریخچه زمانی استفاده میکند.

گام ۳: محاسبه طیف پاسخ رکوردها و طیف هدف (Calculation of Response Spectra)

• طیف هدف (Target Spectrum): طیف طرح مطابق با آیین نامه 2800 را برای محل سازه خود محاسبه کنید. این طیف تابعی از ناحیه لرزه خیزی، نوع خاک، اهمیت سازه و ضریب رفتار است. این طیف، منحنی هدف ما برای مقیاس کردن است.
• طیف رکوردها (Record Spectrum): برای هر یک از رکوردهای انتخاب شده، طیف پاسخ الاستیک (با میرایی ۵٪) را محاسبه کنید. این کار را میتوانید:
  • در خود ETABS (با استفاده از دکمه Display Spectrum در پنجره تعریف رکورد)
  • در نرمافزارهای تخصصی مانند SeismoSignal
  • یا با کدنویسی در MATLAB یا Python انجام دهید.

گام ۴: مقیاس کردن رکوردها (Scaling Records)

مطابق آیین نامه 2800، معیار مقیاس کردن به شرح زیر است:

میانگین مربعات خطا (SRSS) طیف پاسخ رکوردهای مقیاس شده در محدوده دوره های T₁ تا T₂ (متوسط دوره های مؤثر سازه) نباید از طیف طرح آیین نامه ای کمتر باشد.

روش عملیاتی:

1. محدوده دوره های مؤثر (T₁ تا T₂):
   این محدوده معمولاً بین 0.2T تا 1.5T در نظر گرفته میشود که در آن T دوره تناوب اصلی مد سازه شما است. (طبق بند 3-4-3-2 آیین نامه 2800).
2. یافتن ضریب مقیاس (Scale Factor – SF):
   برای هر رکورد، یک ضریب مقیاس (SF) پیدا کنید به طوری که وقتی مقادیر شتاب رکورد در این ضریب ضرب شود، شرط آیین نامه برقرار گردد.
   رکورد مقیاس شده = رکورد اصلی × SF
3. الگوریتم پیدا کردن SF:
   • یک ضریب اولیه برای رکورد حدس بزنید (مثلاً SF=1).
   • رکورد را در این ضریب ضرب کرده و طیف پاسخ جدید آن را محاسبه کنید.
   • در بازه T₁ تا T₂، مقادیر طیف مقیاس شده (Sa_scaled) و طیف هدف (Sa_target) را در هر دوره مقایسه کنید.
   • به صورت تکرارشی (Iterative) ضریب را تغییر دهید تا شرط زیر برقرار شود:
     Sa_scaled(Ti) ≥ Sa_target(Ti) برای همه دورهها در بازه T₁ تا T₂.
   • در عمل، برای ساده سازی، اغلب تضمین میکنند که طیف مقیاس شده به ازای دوره تناوب اصلی سازه (T) حداقل برابر با طیف هدف باشد، اما روش صحیح تر بررسی کل بازه است.

نکته بسیار مهم: آیین نامه اجازه نمیدهد که فقط یک رکورد را به گونه ای مقیاس کنید که در دوره T برابر با طیف هدف شود. حتماً باید در کل بازه مشخص شده شرط برقرار باشد. استفاده از نرم افزارهایی مانند SeismoMatch که این محاسبات را به صورت خودکار انجام میدهند، بسیار توصیه میشود.

گام ۵: وارد کردن رکوردهای مقیاس شده در ETABS (Importing in ETABS)

1. به منوی Define > Time History Cases… بروید.
2. در پنجره جدید، روی Add New History کلیک کنید.
3. نام (Name): یک نام برای تحلیل تاریخچه زمانی انتخاب کنید.
4. نوع تحلیل (Analysis Type): Nonlinear را انتخاب کنید.
5. در بخش Time History Function:
   • روی Add From File کلیک کنید.
   • فایل متنی رکورد مقیاس شده را انتخاب کنید.
   • گام زمان (Time Step) و تعداد نقطه ها (Number of Points) را مطابق فایل خود وارد کنید. واحد شتاب (معمولاً g یا m/s²) را مشخص کنید.
6. میرایی (Damping): نوع میرایی را معمولاً Rayleigh و درصد آن را ۵% (مطابق آیین نامه) قرار دهید.
7. این steps را برای تمامی رکوردهای مقیاس شده (حداقل ۳ مورد) تکرار کنید.

گام ۶: تعریف حالتهای تاریخچه زمانی (Defining Time History Cases)

پس از وارد کردن توابع، باید حالتی برای تحلیل تعریف کنید که از این توابع استفاده کند.

1. در همان پنجره Time History Cases، روی Add New Case کلیک کنید.
2. نوع (Type): Linear یا Nonlinear (بسته به نوع تحلیل شما).
3. Number of Output Time Steps: را به اندازه تعداد گامهای رکورد قرار دهید.
4. در تب Loads Applied، تابع تاریخچه زمانی ای که تعریف کردید را انتخاب و به یک جهت (Ux, Uy, Rz) اختصاص دهید. معمولاً مولفه های افقی (Ux, Uy) اعمال میشوند.
5. ضریب مقیاس (Scale Factor): در اینجا باید ضریب مقیاس نهایی خود (SF) را وارد کنید. اگر رکورد شما از قبل در نرمافزار دیگری بهطور کامل مقیاس شده، اینجا عدد ۱ را قرار دهید. اگر مقیاس کردن نهایی را میخواهید در ETABS انجام دهید، اینجا همان SF محاسبه شده در مرحله ۴ را وارد کنید.

گام ۷: اجرای تحلیل و ارزیابی نتایج (Running Analysis & Evaluation)

1. حالات تحلیل تاریخچه زمانی را به دسته تحلیل (Analysis Load Cases) خود اضافه کنید.
2. تحلیل را اجرا کنید.
3. ارزیابی نتایج: خروجی های مختلف مانند تغییرمکان نسبی طبقات (Story Drift)، نیروهای داخلی اعضا، و تغییرشکل های پلاستیک (Hinges) را برای هر یک از رکوردها بررسی کنید.
4. مطابق آیین نامه، اگر از ۳ رکورد استفاده کرده اید، بیشینه پاسخها را مبنای طراحی قرار دهید. اگر از ۷ رکورد یا بیشتر استفاده کرده اید، میانگین پاسخها میتواند ملاک باشد (مگر اینکه آیین نامه یا سند خاصی روش دیگری را توصیه کرده باشد).