Сейсмический анализ

Эта статья включает в себя список литературы , связанной литературы или внешних ссылок , но ее источники остаются неясными, поскольку в ней отсутствуют встроенные цитаты . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, добавив более точные цитаты. ( Апрель 2011 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Первый и второй режимы построения сейсмического отклика.

Сейсмический анализ - это подмножество структурного анализа и расчет реакции строительной (или не построенной ) конструкции на землетрясения . Это часть процесса проектирования конструкций , сейсмостойких сооружений или структурной оценки и модернизации (см. Структурная инженерия ) в регионах, где землетрясения распространены.

Как видно на рисунке, здание имеет потенциал к спине «волна» и вперед во время землетрясения (или даже сильный ветер шторма). Это называется «основной режим », и это самая низкая частота реакции здания. Однако большинство зданий имеют более высокие режимы реакции, которые активируются только во время землетрясений. На рисунке показан только второй режим, но есть более высокие режимы «шимми» (аномальной вибрации). Тем не менее, в большинстве случаев первый и второй режимы наносят наибольший ущерб.

Самыми ранними положениями по сейсмостойкости были требования к проектированию с учетом боковой силы, равной пропорции веса здания (применяемой на каждом уровне этажа). Этот подход был принят в приложении к Единому строительному кодексу (UBC) 1927 года, который применялся на западном побережье США. 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 исследований, проведенных в Калифорнийском технологическом институте в сотрудничестве со Стэнфордским университетом и Службой прибрежных и геодезических исследований США)., который начался в 1937 году). Концепция «спектров отклика» была разработана в 1930-х годах, но только в 1952 году объединенный комитет Секции Сан-Франциско ASCE и Ассоциации инженеров-строителей Северной Калифорнии (SEAONC) предложил использовать период строительства ( инверсия частоты) для определения боковых сил. ^[1]

Калифорнийский университет, Беркли был ранняя базой для компьютерного сейсмического анализа структур под руководством профессора Рьей Клоу (который придумал термин конечного элемента ^[2] ). Среди студентов был Эд Уилсон , который в 1970 году написал программу SAP ^[3] , раннюю программу « анализа методом конечных элементов ».

С самого начала сейсмическая инженерия сильно развивалась, и в некоторых из более сложных конструкций теперь используются специальные элементы защиты от землетрясений либо только в фундаменте ( изоляция основания ), либо распределены по всей конструкции . Для анализа этих типов структур требуется специализированный явный компьютерный код с конечными элементами, который делит время на очень маленькие фрагменты и моделирует реальную физику , подобно тому, как в обычных видеоиграх часто есть «физические движки». Таким образом можно моделировать очень большие и сложные здания (например, Международный конференц-центр в Осаке).

Методы структурного анализа можно разделить на следующие пять категорий.

Эквивалентный статический анализ [ править ]

Этот подход определяет серию сил, действующих на здание, чтобы представить эффект землетрясения землетрясения, обычно определяемый спектром реакции сейсмического проекта . Предполагается, что здание реагирует в своем основном режиме . Чтобы это было правдой, здание должно быть невысоким и не должно сильно изгибаться 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 и правилах.путем применения коэффициентов для учета более высоких зданий с некоторыми более высокими режимами и для низких уровней скручивания. Чтобы учесть эффекты из-за «податливости» конструкции, многие нормы применяют коэффициенты модификации, которые уменьшают расчетные силы (например, коэффициенты уменьшения силы).

Анализ спектра ответа [ править ]

Этот подход позволяет учитывать несколько режимов реакции здания (в частотной области ). Это требуется во многих строительных нормах и правилах для всех, кроме очень простых или очень сложных конструкций. Отклик конструкции можно определить как комбинацию множества особых форм ( мод ), которые в колеблющейся струне соответствуют « гармоникам».". Компьютерный анализ может использоваться для определения этих режимов для конструкции. Для каждого режима отклик считывается из проектного спектра на основе модальной частоты и модальной массы, а затем они объединяются для получения оценки общей реакция конструкции. Здесь мы должны рассчитать величину сил во всех направлениях, то есть X, Y и Z, а затем увидеть их влияние на здание. Комбинированные методы включают следующее:

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

Результат анализа спектра реакции с использованием спектра реакции от движения грунта обычно отличается от результата, который был бы вычислен непосредственно из линейного динамического анализа с использованием этого движения грунта напрямую, поскольку информация о фазе теряется в процессе создания спектра реакции.

В случаях, когда конструкции либо слишком неправильные, либо слишком высокие, либо имеют значение для сообщества при реагировании на стихийные бедствия, подход спектра реагирования больше не подходит, и часто требуется более сложный анализ, такой как нелинейный статический анализ или динамический анализ.

Линейный динамический анализ [ править ]

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

Входные сейсмические данные моделируются с использованием модального спектрального анализа или анализа временной истории, но в обоих случаях соответствующие внутренние силы и смещения определяются с использованием анализа линейной упругости. Преимущество этих линейных динамических процедур по сравнению с линейными статическими процедурами состоит в том, что можно рассматривать более высокие режимы. Однако они основаны на линейном упругом отклике, и, следовательно, применимость уменьшается с увеличением нелинейного поведения, которое аппроксимируется коэффициентами уменьшения общей силы.

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

Нелинейный статический анализ [ править ]

В общем, линейные процедуры применимы, когда ожидается, что конструкция останется почти упругой для уровня колебаний грунта или когда конструкция приводит к почти равномерному распределению нелинейного отклика по всей конструкции. Поскольку функциональная цель структуры подразумевает более высокие неэластичные требования, неопределенность с линейными процедурами возрастает до точки, которая требует высокого уровня консерватизма в предположениях спроса и критериях приемлемости, чтобы избежать непреднамеренной производительности. Следовательно, процедуры, включающие неупругий анализ, могут уменьшить неопределенность и консерватизм.

Этот подход также известен как «пустой» анализ. Шаблон сил применяется к модели конструкции, которая включает нелинейные свойства (такие как текучесть стали), а общая сила наносится на график относительно эталонного смещения для определения кривой грузоподъемности. Затем это можно объединить с кривой спроса (обычно в форме спектра реакции ускорения-смещения (ADRS)). Это существенно сводит проблему к системе с одной степенью свободы (SDOF).

Нелинейные статические процедуры используют эквивалентные структурные модели SDOF и представляют сейсмическое движение грунта со спектрами отклика. Дрейфы сюжетов и действия компонентов впоследствии связаны с параметром глобального спроса с помощью кривых вытеснения или производительности, которые являются основой нелинейных статических процедур.

Нелинейный динамический анализ [ править ]

Нелинейный динамический анализ использует комбинацию записей движения грунта с подробной структурной моделью, поэтому может давать результаты с относительно низкой неопределенностью. В нелинейном динамическом анализе подробная структурная модель, подвергнутая записи о движении грунта, дает оценки деформаций компонентов для каждой степени свободы в модели, а модальные отклики комбинируются 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 расчетный отклик может быть очень чувствительным к характеристикам отдельных колебаний грунта, используемых в качестве входных сейсмических данных; поэтому требуется несколько анализов с использованием различных записей движения грунта для достижения надежной оценки вероятностного распределения.структурной реакции. Поскольку свойства сейсмического отклика зависят от интенсивности или серьезности сейсмического сотрясения, всесторонняя оценка требует проведения многочисленных нелинейных динамических анализов на различных уровнях интенсивности для представления различных возможных сценариев землетрясений. Это привело к появлению таких методов, как инкрементный динамический анализ . ^[4]

См. Также [ править ]

• Метод прикладного элемента
• Моделирование землетрясения
• Экстремальные нагрузки для конструкций - программа для сейсмического анализа
• Модальный анализ с использованием МКЭ
• OpenSees - программное обеспечение для анализа
• Структурная динамика
• Контроль вибрации

Ссылки [ править ]

1. ^ ASCE. (2000). Предварительный стандарт и комментарии по сейсмической реабилитации зданий (FEMA-356) (отчет № FEMA 356). Рестон, Вирджиния: Американское общество инженеров-строителей подготовлено для Федерального агентства по чрезвычайным ситуациям.
2. ^ УВД. (1985). Данные оценки ущерба от землетрясения для Калифорнии (ATC-13) (Отчет). Редвуд, Калифорния: Совет по прикладным технологиям.
3. ^ Bozorgnia, Y, Bertero, V, "Earthquake Engineering: С инженерной сейсмологии на основе оценки выполнения техники", CRC Press, 2004.
4. ↑ «Ранние исследования конечных элементов в Беркли», Уилсон, Э. и Клаф Р., представленные на Пятой национальной конференции США по вычислительной механике, 4-6 августа 1999 г.
5. ^ «Исторические события в развитиисейсмическойинженерии», иллюстрированные очерки Роберта Райтермана, CUREE, 1997, p12.
6. ^ Vamvatsikos D., Корнелл CA (2002). Инкрементальный динамический анализ. Землетрясение и структурная динамика, 31 (3): 491–514.