Сейсмический анализ

Первый и второй режимы построения сейсмического реагирования

Сейсмический анализ является разновидностью структурного анализа и представляет собой расчет реакции строительной (или нестроительной ) конструкции на землетрясения . Это часть процесса структурного проектирования , проектирования сейсмостойкости или структурной оценки и модернизации (см. Проектирование конструкций ) в регионах, где распространены землетрясения.

) здание может «качаться» вперед и назад Как видно на рисунке, во время землетрясения (или даже сильного шторма . Это называется «фундаментальным режимом » и представляет собой самую низкую частоту реакции здания. Однако большинство зданий имеют более высокие способы реагирования, которые активируются исключительно во время землетрясений. На рисунке показан только второй режим, но есть и более высокие режимы «шимми» (аномальной вибрации). Тем не менее, первый и второй режимы в большинстве случаев наносят наибольший ущерб.

Самыми ранними положениями по сейсмостойкости было требование рассчитывать боковую силу, равную доле веса здания (применяемой на каждом уровне этажа). Этот подход был принят в приложении к Единому строительному кодексу (UBC) 1927 года, который использовался на западном побережье Соединенных Штатов. Позже выяснилось, что динамические свойства конструкции повлияли на нагрузки, возникающие во время землетрясения. В Строительном кодексе округа Лос-Анджелес 1943 года было принято положение об изменении нагрузки в зависимости от количества этажей (на основе исследования, проведенного в Калифорнийском технологическом институте в сотрудничестве со Стэнфордским университетом и Береговой и геодезической службой США , которое началось в 1937 году). ). Концепция «спектров отклика» была разработана в 1930-х годах, но только в 1952 году совместный комитет Сан-Франциско секции ASCE и Ассоциации инженеров-строителей Северной Калифорнии (SEAONC) предложил использовать период строительства ( обратная частоте) для определения боковых сил. ^[1]

стал Калифорнийский университет в Беркли одной из первых баз компьютерного сейсмического анализа конструкций под руководством профессора Рэя Клафа (который ввёл термин «конечный элемент» ). ^[2] Среди студентов был Эд Уилсон , который в 1970 году написал программу SAP , раннюю программу « анализа методом конечных элементов ». ^[3]

Сейсмостойкая инженерия значительно развилась с первых дней, и в некоторых из более сложных конструкций теперь используются специальные сейсмозащитные элементы либо только в фундаменте ( изоляция основания ), либо распределенные по всей конструкции . Для анализа этих типов структур требуется специализированный явный компьютерный код конечных элементов, который делит время на очень маленькие кусочки и моделирует реальную физику , подобно тому, как в обычных видеоиграх часто используются «физические движки». Таким образом можно моделировать очень большие и сложные здания (например, Международный конференц-центр Осаки).

Методы структурного анализа можно разделить на следующие пять категорий.

Эквивалентный статический анализ

Этот подход определяет ряд сил, действующих на здание, чтобы представить эффект движения грунта при землетрясении , обычно определяемый спектром сейсмической расчетной реакции . Предполагается, что здание реагирует в своем основном режиме . Чтобы это было правдой, здание должно быть невысоким и не должно сильно перекручиваться при движении земли. Отклик считывается из проектного спектра отклика с учетом собственной частоты здания (рассчитанной или определенной строительными нормами ). Применимость этого метода расширена во многих строительных нормах за счет применения коэффициентов для учета более высоких зданий с некоторыми более высокими модами, а также низких уровней скручивания. Чтобы учесть эффекты «податливости» конструкции, во многих нормах применяются коэффициенты модификации, которые уменьшают расчетные силы (например, коэффициенты уменьшения силы).

Анализ спектра ответа

Этот подход позволяет учитывать несколько режимов реагирования здания (в частотной области ). Это требуется во многих строительных нормах и правилах для всех конструкций, кроме очень простых и очень сложных. Отклик конструкции можно определить как комбинацию множества особых форм ( мод ), которые в колеблющейся струне соответствуют « гармоникам ». Компьютерный анализ можно использовать для определения этих режимов конструкции. Для каждого режима отклик считывается из расчетного спектра на основе модальной частоты и модальной массы, а затем они объединяются для получения оценки общего отклика конструкции. При этом нам нужно рассчитать величину сил во всех направлениях, то есть X, Y и Z, а затем увидеть влияние на здание. К комбинированным методам относятся следующие:

абсолютный – пиковые значения суммируются
квадратный корень из суммы квадратов (SRSS)
полная квадратичная комбинация (CQC) - метод, который является улучшением SRSS для близко расположенных мод.

Результат анализа спектра отклика с использованием спектра отклика на движение грунта обычно отличается от того, который был бы рассчитан непосредственно на основе линейного динамического анализа с использованием непосредственно этого движения грунта, поскольку информация о фазе теряется в процессе генерации спектра отклика.

В тех случаях, когда структуры слишком неровные, слишком высокие или имеют значение для сообщества при реагировании на стихийное бедствие, подход спектра реагирования больше не подходит, и часто требуется более сложный анализ, такой как нелинейный статический анализ или динамический анализ.

Линейный динамический анализ

Статические процедуры подходят, когда эффекты более высокого режима не значительны. Обычно это справедливо для коротких, правильных зданий. Поэтому для высотных зданий, зданий с крутильными неровностями или неортогональных систем требуется динамическая процедура. В процедуре линейной динамики здание моделируется как система с несколькими степенями свободы (MDOF) с линейной матрицей упругой жесткости и эквивалентной матрицей вязкого демпфирования.

Сейсмическое воздействие моделируется с использованием либо модального спектрального анализа, либо анализа временной динамики, но в обоих случаях соответствующие внутренние силы и смещения определяются с использованием линейного упругого анализа. Преимущество этих линейных динамических процедур по сравнению с линейными статическими процедурами заключается в том, что можно учитывать более высокие режимы. Однако они основаны на линейном упругом отклике, и, следовательно, применимость снижается с увеличением нелинейного поведения, которое аппроксимируется коэффициентами уменьшения глобальных сил.

При линейном динамическом анализе реакция конструкции на движение грунта рассчитывается во временной области , поэтому вся информация о фазе сохраняется. Предполагаются только линейные свойства. Аналитический метод может использовать модальную декомпозицию как средство уменьшения степеней свободы анализа.

Нелинейный статический анализ

В общем, линейные процедуры применимы, когда ожидается, что конструкция останется почти упругой при уровне движения грунта или когда расчет приводит к почти равномерному распределению нелинейной реакции по всей конструкции. Поскольку цель структуры предполагает более неэластичные требования, неопределенность при использовании линейных процедур возрастает до такой степени, что требуется высокий уровень консерватизма в предположениях о спросе и критериях приемлемости, чтобы избежать непреднамеренного выполнения. Следовательно, процедуры, включающие неупругий анализ, могут уменьшить неопределенность и консерватизм.

Этот подход также известен как «пушоверный» анализ. Схема сил применяется к модели конструкции, которая включает в себя нелинейные свойства (например, текучесть стали), а общая сила отображается в зависимости от эталонного смещения для определения кривой несущей способности. Затем это можно объединить с кривой спроса (обычно в форме спектра реакции ускорения-перемещения (ADRS)). По сути, это сводит проблему к системе с одной степенью свободы (SDOF).

Нелинейные статические процедуры используют эквивалентные структурные модели SDOF и представляют сейсмические движения грунта со спектрами отклика. Изменения истории и действия компонентов впоследствии связаны с параметром глобального спроса с помощью кривых отталкивания или мощности, которые являются основой нелинейных статических процедур.

Нелинейный динамический анализ

Нелинейный динамический анализ использует комбинацию данных о движении грунта с подробной структурной моделью, поэтому способен давать результаты с относительно низкой неопределенностью. При нелинейном динамическом анализе подробная структурная модель, подвергнутая записи движений грунта, дает оценки деформаций компонентов для каждой степени свободы в модели, а модальные реакции объединяются с использованием таких схем, как квадратный корень из суммы квадратов.

В нелинейном динамическом анализе нелинейные свойства конструкции рассматриваются как часть анализа во временной области . Этот подход является наиболее строгим и требуется некоторыми строительными нормами для зданий необычной конфигурации или особой важности. Однако рассчитанный отклик может быть очень чувствительным к характеристикам отдельных движений грунта, используемых в качестве сейсмических данных; поэтому необходимо провести несколько анализов с использованием различных записей о движении грунта, чтобы получить надежную оценку вероятностного распределения реакции конструкции. Поскольку свойства сейсмического отклика зависят от интенсивности или серьезности сейсмических сотрясений, комплексная оценка требует проведения многочисленных нелинейных динамических анализов на различных уровнях интенсивности для представления различных возможных сценариев землетрясений. Это привело к появлению таких методов, как поэтапный динамический анализ . ^[4]

См. также

Метод прикладного элемента
Моделирование землетрясений
Экстремальные нагрузки на конструкции – программное обеспечение для сейсмического анализа
Модальный анализ с использованием FEM
OpenSees - программное обеспечение для анализа
Структурная динамика
Контроль вибрации

Ссылки

^ Бозоргния, Ю., Бертеро, В., «Сейсмостойкое проектирование: от инженерной сейсмологии к проектированию, основанному на характеристиках», CRC Press, 2004.
^ «Ранние исследования методом конечных элементов в Беркли» , Уилсон Э. и Клаф Р., представленные на Пятой национальной конференции США по вычислительной механике, 4–6 августа 1999 г.
^ «Историческое развитие сейсмической инженерии» , иллюстрированные эссе Роберта Райтермана, CUREE, 1997, стр. 12.
^ Вамвацикос Д., Корнелл, Калифорния (2002). Инкрементный динамический анализ. Сейсмическая инженерия и структурная динамика, 31 (3): 491–514.

Другие источники:

^ АСКЭ. (2000). Предварительный стандарт и комментарий к сейсмической реабилитации зданий (FEMA-356) (Отчет № FEMA 356). Рестон, Вирджиния: Американское общество инженеров-строителей подготовлено для Федерального агентства по чрезвычайным ситуациям.
^ УВД. (1985). Данные оценки ущерба от землетрясения для Калифорнии (ATC-13) (Отчет). Редвуд, Калифорния: Совет по прикладным технологиям.

[Bozorgnis-1] Бозоргния, Ю., Бертеро, В., «Сейсмостойкое проектирование: от инженерной сейсмологии к проектированию, основанному на характеристиках», CRC Press, 2004.

[Wilson-2] «Ранние исследования методом конечных элементов в Беркли» , Уилсон Э. и Клаф Р., представленные на Пятой национальной конференции США по вычислительной механике, 4–6 августа 1999 г.

[Curee-3] «Историческое развитие сейсмической инженерии» , иллюстрированные эссе Роберта Райтермана, CUREE, 1997, стр. 12.

[Vamvatsikos-4] Вамвацикос Д., Корнелл, Калифорния (2002). Инкрементный динамический анализ. Сейсмическая инженерия и структурная динамика, 31 (3): 491–514.

[1]

[2]

[3]

[4]