Сейсмический анализ является подмножеством структурного анализа и представляет собой расчет реакции здания (или не здания ) на землетрясения . Это часть процесса структурного проектирования , сейсмостойкого строительства или структурной оценки и модернизации (см. структурное проектирование ) в регионах, где распространены землетрясения.
Как видно на рисунке, здание имеет потенциал «колебаться» вперед и назад во время землетрясения (или даже сильного штормового ветра ). Это называется «основной модой » и является самой низкой частотой реакции здания. Однако большинство зданий имеют более высокие моды реакции, которые активируются только во время землетрясений. На рисунке показана только вторая мода, но существуют и более высокие моды «шимми» (аномальной вибрации). Тем не менее, первая и вторая моды, как правило, вызывают наибольший ущерб в большинстве случаев.
Самыми ранними положениями по сейсмостойкости было требование проектировать для боковой силы, равной пропорции веса здания (приложенной 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 стало ясно, что динамические свойства конструкции влияют на нагрузки, возникающие во время землетрясения. В Строительном кодексе округа Лос-Анджелес 1943 года было принято положение об изменении нагрузки в зависимости от количества уровней этажей (на основе исследований, проведенных в Калтехе в сотрудничестве со Стэнфордским университетом и Береговой и геодезической службой США , которые начались в 1937 году). Концепция «спектров реакции» была разработана в 1930-х годах, но только в 1952 году совместный комитет Сан-Франциской секции ASCE и Ассоциации инженеров-строителей Северной Калифорнии (SEAONC) предложил использовать период строительства (обратную частоте) для определения боковых сил. [1]
Калифорнийский университет в Беркли был ранней базой для компьютерного сейсмического анализа конструкций, которым руководил профессор Рэй Клаф (который ввел термин « конечный элемент» ). [2] Среди студентов был Эд Уилсон , который в 1970 году написал программу SAP , раннюю программу « конечно-элементного анализа ». [3]
Сейсмостойкая инженерия значительно развилась с первых дней, и некоторые из более сложных проектов теперь используют специальные сейсмозащитные элементы либо только в фундаменте ( изоляция основания ), либо распределенные по всей конструкции . Анализ этих типов конструкций требует специализированного явного конечно-элементного компьютерного кода, который делит время на очень маленькие срезы и моделирует фактическую физику , подобно тому, как в обычных видеоиграх часто используются «физические движки». Таким образом можно моделировать очень большие и сложные здания (например, Osaka International Convention Center).
Методы структурного анализа можно разделить на следующие пять категорий.
Этот подход определяет ряд сил, действующих на здание, чтобы представить эффект движения грунта при землетрясении , обычно определяемый спектром сейсмического расчета . Он предполагает, что здание реагирует в своей основной моде . Чтобы это было правдой, здание должно быть малоэтажным и не должно значительно скручиваться при движении грунта. Реакция считывается из спектра расчетного ответа , учитывая собственную частоту здания (рассчитанную или определенную строительным кодексом ). Применимость этого метода расширена во многих строительных кодексах путем применения коэффициентов для учета более высоких зданий с некоторыми более высокими модами и для низких уровней скручивания. Для учета эффектов, вызванных «податливостью» конструкции, многие кодексы применяют коэффициенты модификации, которые уменьшают расчетные силы (например, коэффициенты уменьшения силы).
Этот подход позволяет учитывать множественные режимы реакции здания (в частотной области ). Это требуется во многих строительных нормах для всех конструкций, кроме очень простых или очень сложных. Реакция конструкции может быть определена как комбинация многих специальных форм ( мод ), которые в вибрирующей струне соответствуют « гармоникам ». Компьютерный анализ может быть использован для определения этих режимов для конструкции. Для каждого режима реакция считывается из спектра проекта на основе модальной частоты и модальной массы, а затем они объединяются для предоставления оценки общего отклика конструкции. При этом мы должны рассчитать величину сил во всех направлениях, т. е. X, Y и Z, а затем увидеть воздействие на здание. Комбинированные методы включают следующее:
Результат анализа спектра реакции с использованием спектра реакции от движения грунта обычно отличается от результата, который был бы рассчитан напрямую с помощью линейного динамического анализа с использованием этого движения грунта, поскольку в процессе генерации спектра реакции теряется информация о фазе.
В случаях, когда конструкции слишком неровные, слишком высокие или имеют важное значение для общества при реагировании на стихийные бедствия, подход, основанный на спектре реагирования, больше не подходит, и часто требуется более сложный анализ, такой как нелинейный статический анализ или динамический анализ.
Статические процедуры подходят, когда эффекты более высокой моды незначительны. Это, как правило, справедливо для коротких, обычных зданий. Поэтому для высоких зданий, зданий с крутильными неровностями или неортогональных систем требуется динамическая процедура. В линейной динамической процедуре здание моделируется как система с несколькими степенями свободы (MDOF) с линейной упругой матрицей жесткости и эквивалентной матрицей вязкого демпфирования.
Сейсмический вход моделируется с использованием либо модального спектрального анализа, либо анализа истории времени, 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 рассматривать более высокие моды. Однако они основаны на линейном упругом отклике, и, следовательно, применимость уменьшается с ростом нелинейного поведения, которое аппроксимируется глобальными факторами снижения силы.
В линейном динамическом анализе реакция конструкции на движение грунта рассчитывается во временной области , и поэтому вся фазовая информация сохраняется. Предполагаются только линейные свойства. Аналитический метод может использовать модальное разложение как средство уменьшения степеней свободы в анализе.
В целом линейные процедуры применимы, когда ожидается, что конструкция останется почти упругой для уровня движения грунта или когда проектирование приводит к почти равномерному распределению нелинейного отклика по всей конструкции. Поскольку цель производительности конструкции подразумевает более высокие неупругие требования, неопределенность с линейными процедурами возрастает до точки, которая требует высокого уровня консерватизма в предположениях о требованиях и критериях приемлемости, чтобы избежать непреднамеренных характеристик. Таким образом, процедуры, включающие неупругий анализ, могут снизить неопределенность и консерватизм.
Этот подход также известен как анализ "pushover". Шаблон сил применяется к структурной модели, которая включает нелинейные свойства (например, предел текучести стали), и общая сила наносится на график относительно опорного смещения для определения кривой мощности. Затем ее можно объединить с кривой спроса (обычно в форме спектра реакции ускорения-смещения (ADRS)). Это по сути сводит проблему к системе с одной степенью свободы (SDOF).
Нелинейные статические процедуры используют эквивалентные структурные модели SDOF и представляют сейсмические колебания грунта со спектрами реакции. Сдвиги этажей и действия компонентов впоследствии связаны с глобальным параметром спроса с помощью кривых pushover или емкости, которые являются основой нелинейных статических процедур.
Нелинейный динамический анализ использует комбинацию записей движения грунта с подробной структурной моделью, поэтому способен давать результаты с относительно низкой неопределенностью. В нелинейных динамических анализах подробная структурная модель, подвергнутая записи движения грунта, производит оценки компонентных деформаций для каждой степени свободы в модели, а модальные отклики объединяются с использованием схем, таких как квадратный корень-сумма-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 ответ может быть очень чувствителен к характеристикам отдельного движения грунта, используемого в качестве сейсмического ввода; поэтому для достижения надежной оценки вероятностного распределения реакции конструкции требуется несколько анализов с использованием различных записей движения грунта. Поскольку свойства сейсмического ответа зависят от интенсивности или серьезности сейсмического сотрясения, комплексная оценка требует многочисленных нелинейных динамических анализов на различных уровнях интенсивности для представления различных возможных сценариев землетрясений. Это привело к появлению таких методов, как инкрементальный динамический анализ . [4]
Другие источники: