فرکانس طبیعی، نرخ نوسان یک سازه در ارتعاش آزاد است که برحسب چرخه بر ثانیه (هرتز) اندازهگیری میشود. این کمیت معکوس دوره تناوب طبیعی است و نحوه برهمکنش سازه با محتوای فرکانسی حرکت زمین زلزله را تعیین میکند.
فرکانس طبیعی (f) یک سازه، تعداد نوسانهای کامل آن در واحد زمان در ارتعاش آزاد است که برحسب هرتز (Hz) بیان میشود، که در آن ۱ هرتز = ۱ چرخه بر ثانیه. این کمیت معکوس دوره تناوب طبیعی است: f = ۱/T. برای یک سیستم یکدرجهآزادی، فرکانس طبیعی از رابطه f = (۱/۲π)√(k/m) به دست میآید، که k سختی و m جرم است. فرکانس طبیعی زاویهای (ω = ۲πf)، که برحسب رادیان بر ثانیه بیان میشود، اغلب در فرمولبندیهای تحلیلی به کار میرود. دوره تناوب و فرکانس با هم همان خاصیت فیزیکی را توصیف میکنند — سرعت نوسان سازه — و انتخاب میان آنها بیشتر موضوع قرارداد است.
در مهندسی زلزله، فرکانس طبیعی پل میان حرکت زمین و پاسخ سازه است. زلزلهها حرکات زمینی با بازه وسیعی از فرکانسها، معمولاً از ۰/۱ هرتز تا ۲۰ هرتز، تولید میکنند. سازههایی با فرکانس طبیعی در بازه انرژی لرزش شدید زمین، پاسخ بزرگنماییشدهای تجربه خواهند کرد، در حالی که آنهایی که خارج از این بازهاند بهآرامی بیشتری پاسخ میدهند. سازههای کوتاه و سخت معمولاً فرکانسهای طبیعی بالا دارند (۲ تا ۱۰ هرتز)؛ سازههای بلند و انعطافپذیر فرکانسهای طبیعی پایین (۰/۱ تا ۱ هرتز)؛ و سازههای میانمرتبه در میانه قرار میگیرند (۱ تا ۳ هرتز). این توزیع بسیاری از الگوهای خسارت مشاهدهشده را توضیح میدهد: زلزله مکزیکوسیتی در سال ۱۹۸۵، با دورههای غالب حدود ۲ ثانیه، خسارت نامتناسبی به ساختمانهای میانمرتبهای وارد کرد که دورههای طبیعیشان با حرکت زمین تطبیق داشت. بهطور مشابه، زلزله نورتریج در سال ۱۹۹۴ خسارت شدیدی به سازههای پارکینگ با فرکانس طبیعی بالا وارد کرد که با محتوای فرکانس بالای حرکت نزدیک منبع تشدید کردند.
فرکانس طبیعی با همان تکنیکهای دوره تناوب طبیعی اندازهگیری و پایش میشود — آزمایش ارتعاش محیطی، آزمایش ارتعاش اجباری و تحلیل مودی. در پایش سلامت سازه، تغییرات فرکانس طبیعی از قابلاعتمادترین شاخصهای خسارت هستند، زیرا خسارت معمولاً سختی را کاهش میدهد و بنابراین فرکانس را پایین میآورد. با این حال، فرکانس طبیعی به عوامل محیطی نظیر دما، رطوبت و بهرهبرداری نیز حساس است که میتوانند تغییراتی چند درصدی حتی بدون خسارت ایجاد کنند. تفکیک تغییرات فرکانس ناشی از خسارت از اثرات محیطی چالشی بزرگ در پایش سلامت سازه است. در طراحی، مهندسان از فرکانس طبیعی برای انتخاب حرکات زمین مناسب، برای اجتناب از تشدید با فرکانسهای بارگذاری مورد انتظار (نظیر جدایش گردابی ناشی از باد یا ارتعاش ماشینآلات) و برای اطمینان از اینکه پاسخ دینامیکی سازه در بازه مفروض رویههای طراحی مبتنی بر آییننامه قرار میگیرد، استفاده میکنند.