ACCURACY EVALUATIONOF THE NONLINEAR STATIC ANALYSIS METHOD OF THE STRUCTURES SEISMIC RESISTANCE

Cover Page

Abstract


The article considers the practical application of a technique of nonlinear static analysis of seismic resistance of buildings and structures. The calculation of one-storey steel frame, by nonlinear static and nonlinear dynamic methodsis fulfiled. As a result of analysis of the calcu- lation, results show the importance of higher vibration modes and the need to analyze their effects on the system response


Основная задача проектирования зданий и сооружений в сейсмических районах - предотвращение обрушения системы в целом при редком (сильном) землетрясении уровня МРЗ [5]. Линейно-спектральный метод не может учесть возможность развития в несущих и не несущих элементах конструкций неупругих деформаций и локальных хрупких разрушений. При решении проблемы с помощью положений, удовлетворяющих требованиям СП 14.13330.2014 [9], возникает ряд трудностей [2 - 4, 6 - 8, 13 - 15, 20, 21, 24, 25], к основным из которых относятся: чувствительность к алгоритмам конечно-элементного моделирования, резкая избирательность акселерограмм к отдельным собственным частотам собственных колебаний и отсутствие в нор- мах «прозрачной» методики. Линейно-спектральный метод не может учесть возможность развития в не- сущих и не несущих элементах конструкций неупругих деформаций и локальных хрупких разрушений. Таким образом, при расчете на МРЗ необходимо применение нелинейных методов. Нелинейный динамический метод является наиболее точным. Но для его применения необходимо наличие представительного набора акселерограмм. Расчет сложных моделей требует больших затрат машинного времени. Этот метод требует привлечения высококвалифицированных специалистов, и в настоя- щее время не может быть использован рядовым проектировщиком. Более простым методом, позволяющим учесть нелинейную работу конструкций, является нелинейный статический метод (НСМ). Для расчета этим ме- тодом могут применяться спектры сейсмического воздействия, используемые в линейно-спектральной методике. В настоящее время НСМ применяется при проектировании сейсмостойких конструкций зданий и сооружений в различных странах мира, в том числе, КНР, Индии, США, Иране, стран Евросоюза и др. [2, 4, 5, 7, 10 - 12, 16 - 19, 23]. Входящие в него расчетные процедуры интегрированы в такие комплексы, как SAP2000, ETABS, MidasGen и др. Целью данной работы является сравнение результатов расчета типового стального производственного сооружения на 9-ти бальное землетрясение нелинейным статическим методом, по методике, описанной в [1] и нелинейным динамическим методом [2, 4, 6]. В качестве расчетной схемы принята жесткая стальная рама (рис.1). Перекрытие принято абсолютно жестким. Диаграмма деформирования колонн принята упругопластической с упрочнением (рис. 2). Основная частота собственных колебаний конструкции 1.455 Гц. Рисунок 1. Расчетная схема Рисунок 2. Диаграмма деформирования стали Расчет нелинейным динамическим методом производился в программном комплексе LS-DYNAна три различные акселерограммы: Бухарестского земле- трясения (рис. 3), Спитакского землетрясения (рис. 4) и Калифорнийского землетрясения (рис. 5). Рисунок 3. Бухарестское землетрясение (4.03.1977): а) акселерограмма; б) спектральный состав Расчет нелинейным статическим методом производился в программном комплексе LIRA 10.4 по методике, описанной в [1]. Боковая нагрузка по высоте сооружения прикладывалась согласно распределению сейсмических сил по п.5.5-5.10 [9]. Расчет производился с учетом P-? эффекта. Далее приведены результаты расчета. На графиках показаны максимальные перемещения верха конструкции (в спектральных координатах), полученные нелинейным статическим методом (рис. 6, а), и перемещения верха конструкции во временной области, полученные нелинейным динамическим методом (рис. 6, б-г). Рисунок 4. Спитакское землетрясение (7.12.1988): а) акселерограмма; б) спектральный состав Рисунок 5. Калифорнийское землетрясение (18.05.1940): а) акселерограмма; б) спектральный состав Далее приведены графики зависимости поперечной силы в основании от перемещения верха конструкции для нелинейного статического и нелинейного динамического методов (рис. 7, а-в). Результаты расчета сведены в табл. 1. Заключение 1. Апробирована методика нелинейного статического анализа, предложен- ная в [1]. 2. Апробация предложенной методики нелинейного статического расчета в сравнении с нелинейным динамическим расчетом показала приемлемые результаты для Спитакского землетрясения и большие расхождения для Бухаресткого и Калифорнийского землетрясений. Рисунок 6. Перемещения верха конструкции: а) нелинейный статический метод; нелинейный динамический метод: б) Бухарестское землетрясение; в) Спитакское землетрясение; г) Калифорнийское землетрясение Таблица 1. Результаты расчета Методы расчета Доминирующая частота воздействия, Гц Разница с основной собственной частотой конструкции, % Магнитуда Максимальное перемещение верха, м Разница с нелинейным статическим методом, % Нелинейный статический метод - - - 0.103 - Н е л и н е й н ы й д и н а м и ч е с к и й м е т о д Бухарестское землетрясение 0.684 -52.99 0.958 0.136 32.04 Спитакское землетрясение 0.815 -43.99 0.238 0.095 -7.77 Калифорний- ское земле- трясение 1.47 1.03 0.166 0.080 -22.33 Рисунок 7. Зависимость поперечной силы в основании от перемещения верха конструкции: а) Бухарестское землетрясение; б) Спитакское землетрясение; в) Калифорнийское землетрясение 3. Это связано с тем, что: a) Бухаресткое землетрясение содержит узкий спектр частот, сосредоточенный на частоте, близкой к основной частоте колебаний конструкции. Это приводит к неконсервативной оценке реакции системы с помощью нелинейного статического метода; b) Спитакское землетрясение содержит несколько доминантных частот, близких к основной частоте колебаний конструкции. Таким образом, нелинейный статический метод с использованием проектного спектра воздействия достаточно точно описывает реакцию системы; c) Калифорнийское землетрясение содержит широкий спектр частот, которые вносят свой вклад в реакцию конструкции. Тем самым, расчет нелинейным статическим методом по первой форме колебаний завышает реакцию системы. 4.Проведенное исследование показывает значимость высших форм колебаний и необходимость анализа их влияния на реакцию системы [2, 13].

G A DZHINCHVELASHVILI

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University)

Author for correspondence.
Email: guram2004@yandex.ru
129337, Moscow, Russia

д.т.н., профессор

S V BULUSHEV

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University)

Email: sergey.bulushev@gmail.com
129337, Moscow, Russia

инженер

  • Dzhinchvelashvili G.A., Bulushev S.V., Kolesnikov A.V. Nelinejnyj staticheskij metod analiza sejsmostojkosti zdanij i sooruzhenij. Earthquake engineering constructions safety. 2016, No 5. P. 39 — 47.
  • Dzhinchvelashvili G.A. Nelinejnye dinamicheskie metody rascheta zda-nij i sooruzhenij s zadannoj obespechennost'ju sejsmostojkosti. Avtoreferat diss. na soiskanie uchenoj stepeni dokt. tehn. nauk. – M.: MGSU, 2015. – 46 p.
  • Zadojan P.M. Ocenka sejsmostojkosti metodom spektra nesushhej sposobnosti. Izvestija Erevanskogo gosudarstvennogo universiteta arhitektury i stroitel'stva, 2/2009.
  • Mkrtychev O.V., Dzhinchvelashvili G.A. Problemy ucheta nelinejnostej v teorii sejsmostojkosti (gipotezy i zabluzhdenija) // Moskva: MGSU, 2012. (Biblioteka nauchnyh razrabotok i proektov MGSU). - 192 p.
  • Mkrtychev O.V., Dzhinchvelashvili G.A., Dzerzhinskij R.I. Filosofija mnogourovnevogo proektirovanija v svete obespechenija sejsmostojkosti sooruzhenij. Geologija i geofizika Juga Rossii. 2016. No 1. P. 71 — 81.
  • Mkrtychev O.V., Dzhinchvelashvili G.A. Ocenka raboty zdanij i sooruzhenij za predelami uprugosti pri sejsmicheskih vozdejstvijah. XXI Russian-Slovak-Polish Seminar, “Theoretical Foundation of Civil Engineering”, Moscow-Archangelsk 03.07 – 06.07.2012. P. 177 —186.
  • Nemchinov Ju.I., Mar'enkov N.G., Havkin A.K., Babik K.N. Proektirovanie zdanij s zadannym urovnem obespechenija sejsmostojkosti (s uchetom rekomendacij EVROKODA 8, mezhdunarodnyh standartov i trebovanij DBN): monografija/ - Kiev: Minregion Ukrainy, GP NIISK. 2012. 53 p.
  • Sosnin A.V. Ob osobennostjah metodologii nelinejnogo staticheskogo analiza i ego soglasovannosti s bazovoj normativnoj metodikoj rascheta zdanij i sooruzhenij na dejstvie sejsmicheskih sil. Bulletin of the South Ural University. Ser. Construction Engineering and Architecture. 2016, vol. 16, No 1. P. 12 — 19.
  • SP 14.13330.2014. «Stroitel'stvo v sejsmicheskih rajonah. Aktualizirovannaja redakcija SNiP II-7-81*», M., 2014;
  • Applied Technology Council (ATC). «Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings». Rep. No. ATC-40, Volumes 1 and 2, Redwood City, CA, 1996.
  • Applied Technology Council (ATC). «Improvement of nonlinear static seismic analysis procedures». Rep. No. ATC-55, Redwood City, CA, 2005.
  • Building Seismic Safety Council. NEHRP Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings, FEMA-273, Federal Emergency Management Agency, Washington, DC, 1997.
  • Chopra A.K. Capacity-demand diagram methods based on inelastic design spectrum/ Chopra A.K., Goel R.K. // Proceedings of 12 World Conference on Earthquake Engineering, Auckland, New Zealand, 2000: - paper №1612.
  • Clough R.W., Penzien J. Dynamics of Structures (Third Edition). - Computers & Structures, Inc. 1995 University Ave., Berkeley, CA 94704, USA. 752 p.
  • Datta T.K. Seismic Analysis of Structures, John Wiley & Sons (Asia) Pte Ltd. 2010. – p. 464.
  • European Standard. Eurocode-Basis of structural design: EN 1990: 2002(E). – April, 2002. – 87 p.
  • FEMA 273. Federal Emergency Management Agency. NEHRP Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings, Washington, D.C. – October, 1997.
  • FEMA-274. Federal Emergency Management Agency. NEHRP Commentary on the Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings, Washington, D.C. – October, 1997.
  • FEMA 356. Prestandard and commentary for the seismic rehabilitation of buildings. American Society of Civil Engineers (ASCE), Washington, D.C. – November, 2000.
  • Fajfar P., Krawinkler H. (2004), ‘Performance-Based Seismic Design Concepts and Implementation - Proceedings of the International Workshop Bled, Slovenia, June 28 - July 1, 2004. PEER Report 2004/05, College of Engineering, University of California, Berkeley.
  • Gupta B., (1998) ‘Enhanced pushover procedure and inelastic demand estimation for performance-based seismic evaluation of buildings’, Ph.D. Dissertation, Orlando, Florida, University of Central Florida.
  • Mkrtychev O.V., Dzhinchvelashvili G.A., Busalova M.S. Calculation accelerograms parameters for a ”Construction-Basis” model, nonlinear properties of the soil taken into account / Procedia Engineering –2014 - vol.91. P. 54 — 57.
  • NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and other Structures. Part 1: 1997 Edition. Building Seismic Safety Council (USA), - 342 p.
  • Paz M. Structural Dynamics: Theory and Computation / by Mario Paz, Wil-liam Leigh. – 5th ed., 2004. – 844 p.
  • Themelis S. Pushover analysis for seismic assessment and design of structures, Heriot-Watt University, School of Built Enviroment, 2008.

Views

Abstract - 610

PDF (Russian) - 1373


Copyright (c) 2017 ДЖИНЧВЕЛАШВИЛИ Г.А., БУЛУШЕВ С.В.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.