Análisis elástico-plástico de estructuras de varios pisos.
Análisis elástico-plástico de estructuras de varios pisos
“Tres niveles de fortificación sísmica, diseño sísmico de dos etapas” es la idea básica de diseño sísmico en mi país en esta etapa. De acuerdo con el objetivo de fortificación del tercer nivel de "no caer en un terremoto importante", se requiere la segunda etapa del diseño sísmico de las estructuras de los edificios, es decir, el cálculo de la deformación de la etapa elástico-plástica de las estructuras de los edificios estipulado en algunas especificaciones bajo el Es necesario llevar a cabo la acción de terremotos raros.
1 Requisitos del código para el análisis elastoplástico estructural
En la actualidad, existen principalmente tres códigos actuales para el diseño de escenarios elastoplásticos bajo terremotos raros:
1. Diseño Sísmico de Edificaciones" (GB 50011-2008)
2. "Reglamento Técnico para Estructuras de Hormigón de Edificios de Gran Altura" (JGJ 3-2002)
3. "Estructura de Acero de Edificios Civiles de Gran Altura"Reglamento Técnico" (JGJ99-98)
Estos códigos tienen disposiciones relativamente claras sobre el diseño de escenario elástico-plástico, como el Artículo 3.4.3 del "Código para el Diseño Sísmico de Buildings" (GB 50011-2008), Artículos 3.6.2, 5.1.2, 5.5.2, 5.5.3, 5.5.4 y 5.5.5 implican deformación de la etapa elástico-plástica bajo terremotos raros. Verifique el cálculo.
El artículo 3.6.2 del "Código de Resistencia Sísmica" estipula: "Las estructuras de construcción que sean irregulares y tengan capas débiles obvias que puedan causar daños graves durante los terremotos deberán repararse bajo la acción de terremotos raros de acuerdo con las disposiciones pertinentes de este código. Análisis de deformaciones elastoplásticas. "
El artículo 5.5.2 del "Código Sísmico" estipula qué tipo de estructuras "deberán" o "deberán" realizar cálculos de deformaciones elástico-plásticas. capas débiles bajo terremotos raros.
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Se deben comprobar las siguientes estructuras para detectar deformaciones elástico-plásticas:
(1) sitios de 8 grados III y IV y 9 grados, altos edificios de un solo piso Disposición lateral de edificios de fábricas con columnas de hormigón armado;
(2) Estructuras de marco de hormigón armado con coeficientes de límite elástico del piso inferiores a 0,5 a 7 a 9 grados;
Nota: "Coeficiente de límite elástico del piso"Ver documento de resultados del cálculo SATWE SAT-K.OUT
(3) Estructuras de acero con una altura superior a 150 metros (4) Edificios de categoría A y edificios de categoría B a 9 grados Celsius; Estructuras de hormigón armado y estructuras metálicas;
(5) Estructuras diseñadas con aislamiento sísmico y disipación de energía y absorción de impactos.
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Las siguientes estructuras deben estar sujetas a verificación de deformación elástico-plástica:
(1) (en la especificación) el rango de altura listado en la Tabla 5.1 .2-1 y cae dentro de los tipos verticalmente irregulares de estructuras de edificios de gran altura enumerados en la Tabla 3.4.2-2;
(2) Estructuras de hormigón armado y estructuras de acero en sitios de Categoría III y IV de 7 grados y edificios de categoría B de 8 grados;
(3) Estructura de muro sísmico de columna de losa y casa de ladrillo con armazón inferior
(4) Estructura de acero de gran altura con una altura de; no más de 150 m
Para casos raros, el artículo 5.5.3 del código sísmico estipula el método para verificar la deformación elástico-plástica de las estructuras bajo la acción de un terremoto: estructuras de marco de hormigón armado y fábrica de columnas de hormigón armado de un solo piso. los edificios con no más de 12 pisos y sin cambios repentinos en la rigidez de la capa pueden usar el método de análisis simplificado, además de otras estructuras de edificios, se puede usar el método de análisis elástico-plástico de la historia o el método de análisis estático elástico-plástico (pushover); .
Se puede observar que para una gran cantidad de estructuras de edificios construidas, en construcción y planificadas, especialmente estructuras de edificios de gran altura y de gran altura, es muy necesario realizar una etapa elástico-plástica. análisis sísmico.
2 Introducción al software de análisis elastoplástico EPDA&EPSA
Actualmente, las herramientas de cálculo disponibles para los diseñadores para el análisis elastoplástico de estructuras de edificios son muy limitadas, por lo que generalmente solo pueden utilizar software general de análisis de elementos finitos. . Realizar cálculos elástico-plásticos de la estructura. El software de elementos finitos de uso general tiene sus propias ventajas, como potentes funciones informáticas y un rendimiento informático relativamente estable. Todavía se puede considerar para el análisis de estructuras particularmente importantes, pero aún es demasiado complejo para el diseño y verificación de la mayoría de las estructuras de edificios. Además, debido a la complejidad única de algunas estructuras de edificios, el software general de elementos finitos puede no ser simple, aplicable y confiable.
Después de varios años de arduo trabajo, el Departamento de Ingeniería PKPMCAD de la Academia de Ciencias de la Construcción de China ha explorado e investigado el software de análisis elástico-plástico de estructuras de construcción sobre la base del programa de análisis elástico lineal original, y lanzó el software de construcción de edificios para cumplir con los requisitos del código de análisis estático y dinámico elástico-plástico estructural EPDA y EPSA. El software EPDA y EPSA actual proporciona dos métodos de análisis elástico-plástico de modelos espaciales, uno es el método de análisis elástico-plástico dinámico tiempo-historia EPDA (Análisis elástico-plástico tiempo-historia dinámico) y el otro es el método de análisis elástico-plástico estático EPSA (); Análisis Estático Elástico y Plástico), que comúnmente se conoce como método de análisis de empuje estático (Push-Over Analysis).
El programa EPDA&EPSA tiene las siguientes características:
(1) Modelo de cálculo completamente espacial El programa EPDA&EPSA está diseñado íntegramente en base al modelo espacial, y se esfuerza por garantizar que el modelo de cálculo. Puede simular de manera realista el estado de tensión real de la estructura para evitar en la mayor medida los errores de cálculo causados por el modelo de cálculo.
(2) Las funciones de preprocesamiento y posprocesamiento son sólidas: leen automáticamente la información geométrica y la información de carga de PMCAD, los resultados del análisis de diseño de los módulos de software SATWE, TAT y PMSAP, y leen automáticamente el configuración de cálculo para componentes de hormigón armado El usuario puede modificar y generar barras de acero reales de forma interactiva; aprovecha al máximo la función de operación gráfica CFG del software de la serie PKPM.
(3) El programa EPDA y EPSA no solo proporciona funciones de análisis de historial de tiempo elástico-plástico, sino que también proporciona funciones de análisis elástico-plástico estático. Algunos métodos de análisis de terremotos raros cada vez más maduros y métodos de análisis de terremotos raros que se han convertido en puntos calientes de investigación en los últimos años se han reflejado hasta cierto punto.
(4) Las relaciones constitutivas materiales proporcionadas por el programa EPDA y EPSA se esfuerzan por ser precisas y consistentes con los estándares chinos. La relación constitutiva del acero adopta la relación constitutiva elástico-plástico de doble línea, y el usuario puede controlar libremente la reducción del módulo de Young en la etapa plástica. La relación constitutiva del hormigón proporciona dos formas: línea de doble pliegue y línea de triple pliegue, que pueden considerar las características complejas exclusivas de los materiales de hormigón, como el agrietamiento por tensión, el cierre de grietas y el aplastamiento por trabajo, entre ellos, el triple; relación constitutiva histerética lineal Se obtiene utilizando el método de igual energía de acuerdo con las especificaciones concretas actuales de mi país y tiene una alta precisión de ajuste.
(5) El programa EPDA y EPSA adopta el modelo de elemento de viga más avanzado que se puede utilizar en esta etapa. Los componentes unidimensionales, como vigas, columnas y soportes, se simulan utilizando el modelo de haz de fibras. El modelo de haz de fibras tiene buena aplicabilidad y no está limitado por la forma de la sección transversal y el material. Se considera un sistema de varillas finito relativamente preciso. modelo de elemento. Al mejorar integralmente la eficiencia de cálculo del programa, los programas EPDA y EPSA han evitado mejor el problema de la gran carga de trabajo de cálculo del modelo; al mismo tiempo, el programa proporciona un método intuitivo para juzgar la bisagra de plástico al final de la unidad de varilla;
(6) La simulación de las propiedades elástico-plásticas de muros de corte es un problema difícil en el análisis elástico-plástico de estructuras de hormigón. El programa EPDA y EPSA generaliza los elementos de pared elásticos utilizados en los programas SATWE, TAT y PMSAP. Considerando sus propiedades elástico-plásticas, los elementos de pared elástico-plásticos se utilizan para simular las propiedades elástico-plásticas del muro de corte. Esta unidad tiene una alta eficiencia de cálculo y buena precisión, y puede analizar y mostrar el estado elástico-plástico de las paredes de corte de manera más realista. Tiene ventajas obvias sobre algunos métodos simplificados para considerar las propiedades elástico-plásticas de las unidades de pared.
(7) Para mejorar la eficiencia de cálculo del programa, el método de solución de ecuaciones lineales del programa EPDA y EPSA no solo proporciona el método de solución LDLT habitual, sino que también proporciona el método de frente de onda y dos métodos de predicción más eficientes. Métodos El método de solución PCG de la función de procesamiento se utiliza para el análisis elástico-plástico estático y dinámico de la estructura, lo que mejora significativamente la eficiencia de la solución del programa.
(8) El método de solución de ecuaciones diferenciales dinámicas en el análisis de historia del tiempo elástico-plástico proporciona dos métodos de integración directa, el método de Newmark-β y el método de Wilson-θ, el método de solución de ecuaciones no lineales adopta el método incremental combinado; con métodos de Newton-Raphson o Newton-Raphson modificados.
(9) El programa de análisis elastoplástico estático EPSA puede resolver bien el problema de resolver la ecuación mal planteada, y el programa puede calcular la sección descendente de la curva carga-desplazamiento.
(10) El programa EPDA&EPSA puede considerar el efecto P-Δ.
3 Cómo utilizar eficazmente el software de análisis elastoplástico EPDA&EPSA
Teniendo en cuenta la comprensión del concepto de análisis elastoplástico por parte de los diseñadores de estructuras de edificios, durante el proceso de desarrollo del programa EPDA&EPSA, los desarrolladores garantizando al mismo tiempo que el modelo de cálculo es razonable y el método de cálculo es confiable, la carga de trabajo de intervención del usuario se minimiza para que el usuario pueda completar el trabajo de análisis elástico-plástico más fácilmente. Una vez completado el cálculo de EPDA y EPSA, ¿cómo puede el usuario utilizar el método de manera efectiva y razonable? ¿Los resultados del cálculo del programa son muy importantes? Aquí se hace algún énfasis necesario.
El propósito del análisis elástico-plástico es comprender el desempeño elástico-plástico de la estructura y obtener la capacidad de la estructura para resistir el colapso bajo terremotos raros.
La etapa elástico-plástica estipulada en las especificaciones actuales de mi país se refiere principalmente al cálculo de deformación de la etapa elástico-plástica, lo que significa que la estructura obtenida mediante cálculo (como el uso de programas EPDA o EPSA) debe tienen la deformación máxima bajo terremotos raros. El ángulo de desplazamiento entre pisos se compara con el límite del ángulo de desplazamiento entre pisos especificado en la especificación. Si se cumple el límite, se lleva a cabo el cálculo de la deformación en la etapa elástico-plástica.
El programa EPDA utiliza el siguiente método para obtener el ángulo máximo de desplazamiento entre pisos bajo terremotos raros:
(1) Seleccione múltiples ondas sísmicas naturales u ondas sísmicas artificiales.
Al calcular los ángulos de desplazamiento entre pisos promedio y máximo de cada piso estructural bajo la acción de cada onda sísmica, se obtiene el ángulo de desplazamiento entre pisos promedio de múltiples ondas sísmicas.
Determinar la debilidad de la estructura del Piso, se obtiene el ángulo promedio de desplazamiento entre pisos del piso bajo la acción de múltiples ondas sísmicas.
Compare el ángulo de desplazamiento entre pisos promedio de los pisos débiles con los límites del código para determinar si se cumplen los requisitos del código.
El "Código Sísmico" no estipula claramente el principio de selección de ondas sísmicas para el análisis elástico-plástico. Recomendamos que los usuarios consulten las disposiciones del Artículo 5.1.2 del "Código Sísmico" para seleccionar ondas sísmicas. para el análisis elástico-plástico: "Adoptar El método de análisis de la historia del tiempo debe seleccionar no menos de dos conjuntos de registros de terremotos fuertes reales y un conjunto de curvas de la historia del tiempo de aceleración simuladas artificialmente de acuerdo con el sitio de construcción y la agrupación de terremotos de diseño. El coeficiente promedio de respuesta sísmica La curva debe ser consistente con el método del espectro de respuesta de descomposición modal. Las curvas de coeficiente de influencia sísmica adoptadas son estadísticamente consistentes con “El usuario debe eliminar las ondas sísmicas con respuestas elástico-plásticas significativamente más pequeñas de algunas estructuras.
(2) Dada la forma de la carga de empuje lateral, realice un análisis de empuje estático.
Utilice la función de cálculo anti-colapso proporcionada por el programa EPSA para obtener el ángulo de desplazamiento entre pisos requerido de la estructura.
Compare los límites de especificación del ángulo de desplazamiento entre pisos requeridos para determinar si se cumplen los requisitos de la especificación.
Además de realizar cálculos de deformación en la etapa elástico-plástica estipulada en la especificación, los usuarios también pueden utilizar el programa EPDA&EPSA para comprender el comportamiento elástico-plástico de la estructura desde los siguientes aspectos:
(1) Determinar las capas débiles de la estructura.
Capa débil es un concepto relativo. Una estructura no tiene solo una capa débil, sino que a veces tiene múltiples o varias capas débiles consecutivas. Se pueden utilizar los siguientes principios para determinar las ubicaciones de las capas débiles utilizando el programa EPDA y EPSA: El piso donde se ubican el desplazamiento entre pisos máximo y el desplazamiento entre pisos máximo dañino. El piso donde se exceden el desplazamiento entre pisos y el desplazamiento entre pisos dañino. el límite de especificación; la bisagra plástica y el corte de los componentes estructurales; partes donde se concentran los puntos de falla de la pared de fuerza; partes donde la deformación local de la estructura es grande; partes donde la fuerza de reacción elástico-plástica de la estructura cambia repentinamente;
(2) Determinar miembros débiles
Tanto el programa EPDA como el programa EPSA proporcionan la función de visualizar la articulación plástica de la varilla y el estado elástico-plástico del muro de corte. A través de estas funciones, los usuarios pueden comprender claramente el desarrollo elástico-plástico de los componentes estructurales durante la acción de las ondas sísmicas o el análisis de empuje estático, y guiar a los usuarios para fortalecer selectivamente el diseño estructural original, como aumentar el tamaño de los componentes o aumentar el tamaño real de la estructura. Con barras de acero.
Por último, cabe destacar el tema del tiempo de cómputo de EPDA&EPSA.
Como se mencionó anteriormente, para adaptarse lo más posible a la situación de tensión real, el programa EPDA y EPSA utiliza un modelo de cálculo espacial para estructuras de edificios de gran altura reales, lo que permitirá que el modelo estructural alcance decenas de miles de grados de cálculo. libertad. Aunque hemos tomado muchas medidas para mejorar la eficiencia del cálculo desde la perspectiva del programa, normalmente se necesitan varias horas, o incluso más de diez horas, para calcular una onda sísmica. Para mejorar la eficiencia de uso del programa EPDA y EPSA, hacemos las siguientes sugerencias a los usuarios:
(1) Eliminar estructuras y componentes auxiliares innecesarios. Por ejemplo, eliminar el sótano que puede utilizarse como extremo empotrado de la superestructura, eliminar muros de contención, vigas secundarias, podios y otras estructuras auxiliares que no contribuyen mucho a la resistencia general de la estructura a los terremotos, y tratar de conservar sólo la parte principal. Componentes estructurales resistentes a fuerzas laterales.
(2) Primero debe utilizar el programa EPDA y EPSA para realizar un cálculo de prueba de la estructura. Por ejemplo, seleccione un período de tiempo de 1 a 2 segundos en una determinada onda sísmica para el cálculo de EPDA o seleccione varios pasos de carga. para el cálculo de EPSA Después de confirmar el cálculo Realice el cálculo real después de que no haya problemas. A través de cálculos de prueba, los usuarios también pueden tener una idea del tiempo de cálculo del programa.
(3) Antes del cálculo, debe verificar en detalle si los parámetros de entrada son correctos para evitar repeticiones una vez completado el cálculo.
(4) El programa EPDA debe intentar no seleccionar demasiadas ondas sísmicas para un cálculo. Generalmente, deben ser menos de 3 ondas sísmicas, por lo que es mejor calcular solo una onda a la vez. para no perder mucho tiempo de cálculo sin obtener ningún resultado. Cabe enfatizar que después de completar el cálculo de EPDA una vez, si el usuario necesita seleccionar otras ondas sísmicas para continuar con el cálculo, debe crear un nuevo directorio de proyecto para el cálculo para evitar que el programa elimine los resultados del cálculo original. Si el espacio de su disco duro es pequeño, puede optar por generar solo archivos de texto.
(5) La especificación tiene ciertos requisitos para la duración de la onda sísmica seleccionada: sin embargo, para algunas ondas sísmicas, especialmente algunas ondas sísmicas artificiales, con una duración de decenas de segundos, la onda sísmica Está lejos de las secciones delantera y trasera del pico. La aceleración es muy pequeña. Algunos cálculos de prueba muestran que eliminar la parte de la onda sísmica que está lejos del pico y tiene una aceleración muy pequeña tiene poco efecto en la obtención correcta del ángulo máximo de desplazamiento entre pisos. Se recomienda mantener el número de pasos de cálculo de ondas sísmicas en alrededor de 1000 pasos.
(6) El programa EPSA toma mucho tiempo cuando la estructura está cerca del estado límite de capacidad portante. Si el usuario solo quiere obtener el desplazamiento demandado, puede seleccionar parámetros para que la capacidad. La curva de la estructura cruza el espectro de la demanda.
(7) Cuando utilice cálculos de los programas EPDA y EPSA, intente elegir una computadora más rápida para realizar el cálculo durante todo el tiempo libre (por ejemplo, durante la noche; trate de no realizar otras operaciones en la computadora durante el cálculo); proceso y debe seleccionar "Ninguno" para "Protector de pantalla" y seleccionar "Nunca" para "Apagar el monitor" y "Apagar el disco duro" en el cuadro "Seleccionar una combinación de energía" en "Administración de energía" para observar el proceso del programa. .