Сейсмический анализ - Seismic analysis

Первый и второй режимы построения сейсмического отклика

Сейсмический анализ это подмножество структурный анализ и является расчетом реакции здания (или не строительный ) структура к землетрясения. Это часть процесса структурный дизайн, сейсмическая инженерия или структурная оценка и модернизация (см. Строительная инженерия ) в регионах с преобладанием землетрясений.

Как видно на рисунке, здание может «раскачиваться» вперед и назад во время землетрясения (или даже сильного землетрясения). ветер буря). Это называется фундаментальным Режим ', и является самым низким частота строительного ответа. 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 расчетом боковой силы, равной пропорции веса здания (применяемой на каждом уровне этажа). Этот подход был принят в приложении к Единому строительному кодексу 1927 года (UBC), который применялся на западном побережье США. Позже выяснилось, что динамические свойства конструкции влияют на нагрузки, возникающие во время землетрясения. в Лос-Анджелес В Строительном кодексе округа 1943 г. было принято положение об изменении нагрузки в зависимости от количества этажей (на основе исследование осуществляется в Калтех в сотрудничестве с Стэндфордский Университет и Береговая и геодезическая служба США, который начался в 1937 году). Концепция чего-либо "спектры отклика" был разработан в 1930-х годах, но только в 1952 году объединенный комитет Секции Сан-Франциско ASCE и Ассоциация инженеров-строителей Северной Калифорнии (SEAONC) предложил использовать период строительства (обратный частоте) для определения поперечных сил.^[1]

В Калифорнийский университет в Беркли была ранней базой для компьютерного сейсмического анализа конструкций под руководством профессора Рэй Клаф (кто ввел термин заключительный элемент^[2]). Включены студенты Эд Уилсон, который продолжил писать программу SAP в 1970 г.^[3] рано "анализ методом конечных элементов "программа.

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 (базовая изоляция ) или же распределены по всей структуре. Для анализа этих типов структур требуется специализированный явный компьютерный код с конечными элементами, который делит время на очень маленькие срезы и моделирует реальное физика, как и обычные видеоигры, часто имеют "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

Этот подход определяет серию сил, действующих на здание, чтобы представить эффект землетрясения, вызванный колебаниями грунта, обычно определяемый сейсмическим расчетом. спектр реакции. Предполагается, что здание отвечает своим фундаментальным требованиям. Режим. Чтобы это было правдой, здание должно быть невысоким и не должно сильно скручиваться при движении земли. Ответ читается с дизайна спектр реакции, Учитывая собственная частота здания (рассчитывается или определяется строительный кодекс ). Применимость этого метода расширена во многих строительные нормы путем применения коэффициентов для учета более высоких зданий с некоторыми более высокими режимами и для низких уровней скручивания. Чтобы учесть эффекты, связанные с «податливостью» конструкции, многие нормы применяют коэффициенты модификации, которые уменьшают расчетные силы (например, коэффициенты уменьшения силы).

Анализ спектра реакции

Такой подход позволяет учитывать несколько режимов реакции здания (в частотная область ). Это требуется во многих строительные нормы и правила для всех, кроме очень простых или очень сложных конструкций. Отклик конструкции можно определить как комбинацию множества специальных форм (режимы ), которые в колеблющейся струне соответствуют "гармоники ". Компьютерный анализ может быть использован 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. Для этого 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 отклика с использованием спектра отклика от движения грунта обычно отличается от того, 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 сооружения либо слишком неправильны, либо слишком высоки, либо имеют значение для сообщества при реагировании на бедствия, подход спектра реагирования больше не подходит, и часто требуется более сложный анализ, например нелинейный статический анализ или динамический анализ.

Линейный динамический анализ

Статические процедуры подходят, когда эффекты более высокого режима не значительны. Как правило, 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 в область времени, и все фаза информация поэтому сохраняется. Предполагаются только линейные свойства. Аналитический метод может использовать модальную декомпозицию как средство уменьшения степеней свободы в анализе.

Нелинейный статический анализ

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 целевые характеристики структуры предполагают более высокие неэластичные требования, неопределенность с линейными процедурами возрастает до точки, которая требует высокого уровня консерватизма в допущениях спроса и критериях приемлемости, чтобы избежать непреднамеренной производительности. Следовательно, процедуры, включающие неупругий анализ, могут уменьшить неопределенность и консерватизм.

Этот подход также известен как анализ «пустого». Схема сил применяется к модели конструкции, которая включает нелинейные свойства (такие как текучесть стали), и общая сила наносится на график относительно эталонного смещения для определения кривой грузоподъемности. Затем это можно объединить с кривой спроса (обычно в форме ускорения смещения спектр реакции (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 реакции. 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

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 область времени анализ. Этот подход является наиболее строгим и требуется некоторыми строительные нормы 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 вероятностное распределение структурного ответа. 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 землетрясения. Это привело к появлению таких методов, как инкрементальный динамический анализ.^[4]

Смотрите также

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