Eine Anleitung zur Durchführung einer Antwortspektrumanalyse an einem niedrigen Stahlgebäude
Allgemeine Beschreibung und Beispieldefinition
In Zonen mit seismischer Aktivität, Bauvorschriften wie ASCE-07 Seismizität anhand von Trägheitskräften bestimmen. Es gibt zwei Hauptansätze, um diese Kräfte zu erhalten, statisch und dynamisch. Dieser Artikel konzentriert sich nur auf dynamische Kräfte. Wenn Sie lernen müssen, wie man mit dem statischen Verfahren rechnet, Wir empfehlen Ihnen, diese Artikel zu lesen: SkyCiv Generator für seismische Lasten und SkyCiv Voll funktionsfähiges Beispiel für ASCE 7-16 Berechnung der seismischen Belastung unter Verwendung des äquivalenten Querkraftverfahrens.
Eine Antwortspektrumanalyse (RSA) ist eine lineare (Dehnungen stehen in direktem Zusammenhang mit Spannungen) Dynamisches Verfahren, das die natürlichen Schwingungseigenschaften einer Struktur nutzt, um die maximale Kraft zu erhalten, die bei einem bewegungsseismischen Ereignis erzeugt wird. Aufgrund dieser Bewegung wird von den Bodenstützen auf die gesamte Struktur übertragen, Trägheitskräfte entwickelt werden, das ist, wie das zweite Newtonsche Gesetz sagt, Kraft = Masse * Beschleunigung. Die Quellmasse wird aus dem Baumaterial entnommen und das Beschleunigungsniveau muss durch den Code definiert werden. Fühlen Sie sich frei, einen früheren SkyCiv-Artikel über RSA zu lesen: Einführung in die Antwortspektrumanalyse mit SkyCiv S3D.
Das folgende Bild zeigt ein gerendertes Strukturmodell, das aus einem niedrigen Stahlgebäude besteht. Der seitliche Widerstand wird durch zwei unterschiedliche statische Systeme entlang der Hauptrichtungen im Plan bereitgestellt: mittig verstrebter Rahmen für Längs- und Momententräger für Querrahmen.
Abbildung Nr.1. Gerendertes dreidimensionales Modell.
Modellerstellung in SkyCiv S3D
Sie können die folgenden Schritte ausführen, um ein Modell zu erstellen und eine RSA auszuführen. (Für detailliertere Tutorials zur Modellierung, Gehen Sie zu unseren SkyCiv-Dokumenten: SkyCiv S3D Erste Schritte)
- Plan- und Höhenmaße. Das Gebäude hat drei und zwei Felder in Längs- und Querrichtung, beziehungsweise. In der Höhe, es hat drei Story-Ebenen.
Abbildung Nr.2. Maße planen.
Abbildung Nr.3. Definition auf Story-Ebene.
- Querkraftbeständige Systeme. Befolgen Sie bewährte Praktiken bei der Konfiguration von Stahlkonstruktionen, Es ist erforderlich, entsprechende Design-Code-Empfehlungen zu verwenden. In diesem Artikel, wir definieren verstrebte Rahmen entlang der Längsrichtung (“X.”) bei der alle Bauteile gelenkig verbunden werden müssen. Zahnspangen sind hohle Baukörper (HSS) üblicherweise quadratische Typen. Für die kurze Richtung (quer) Wir haben momentfeste Rahmen entwickelt, die die Fähigkeit berücksichtigen, Biegemomente zwischen Elementen durch ihre Knoten zu übertragen. Für diese letzteren Rahmen, Balken und Stützen sind W-Stahlprofile. Bei dieser statischen Konfiguration ist es sehr wichtig, ausreichende Stützen am Fuß der Stütze zuzuweisen, um das gewünschte Verhalten richtig einzuholen.
Abbildung Nr.4. Verstrebte und widerstandsfähige Momentrahmendefinition.
Abbildung Nr.5. Unterstützt das Loslassen “MIT” Rotationsfreiheitsgrad.
Verstrebte Rahmen müssen eine Drehung aufnehmen, um nur axiale Kräfte zu entwickeln (Zug oder Druck). Momentenrahmen benötigen mindestens in ihrer Ebene feste Stützen. Der Weg, beide Anforderungen zu erfüllen, besteht darin, einen festen Freiheitsgrad für die Verschiebung und Drehung in jeder Richtung zuzuweisen (“x”, “und”, “mit”) mit der einzigen Ausnahme der Freigabe der Drehung entlang der “mit” Achse. Der anzuwendende Beschränkungscode lautet “FFFFFR”; die ersten drei Zeichen stehen für lineare Verschiebung und die letzten drei für Rotation.
Abbildung Nr.6. Stützgruppen- und Rückhaltecodezuordnung.
Böden mit starren Membranen
Es wird empfohlen, starre Membranen zu definieren, um die Anzahl der Freiheitsgrade auf drei pro Ebene zu reduzieren, zwei für die translatorische Verschiebung und eine für die Rotation im Plan.
Abbildung Nr.7. Starre Membranen bei Geschichten.
Wie ein starre Zwerchfellbeschränkung funktioniert Es erstellt einen Master-Referenzknoten, gemeinhin benannt “Massezentrum (CM)” und Verbindungen zu den Knoten unter Verwendung von starren Verbindungen. Eine einfache Definition ist der Punkt oder Knoten in einem System, an dem die gesamte Masse als konzentriert angesehen werden kann. Für seismische Belastungen, Seitenkräfte werden auf das CM aufgebracht.
Abbildung Nr.8. Master- und Slave-Knoten in einer starren Membran.
Das vollständige geometrische Modell ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Abbildung Nr.9. 3D-Ansicht des fertigen Modells.
Hinzufügen von statischen Lasten zu Ihrem Modell
Bauvorschriften definieren die Lasten und die Art und Weise, wie eine Kombination davon berücksichtigt wird. In diesem Artikel, nur Gravitations- und Seitenkräfte werden definiert.
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- Gravitationsbelastungen: Eigengewicht, überlagerte Eigen- und Verkehrslasten.
- Seitliche Belastungen: lineare dynamische seismische Kräfte aus Antwortspektrumanalyse in jeder Planrichtung.
Belastung durch Eigengewicht definieren, Sehen Sie sich das linke Menüband an und wählen Sie im Abschnitt Lasten die Option aus “Eigengewicht”, Schalten Sie dann das Klicken auf die Schaltfläche ein “AUF”. Nächster, Wert zuweisen -1 in vertikaler Richtung (in diesem Fall ist die Schwerkraft der Y-Achse) und gehen Sie schließlich auf die Schaltfläche Anwenden, um diesen Lastfall zu erstellen.
Abbildung Nr.10. Eigengewichtsfalllastdefinition.
Ein ähnliches Verfahren wie zuvor für die Eigengewichtslast ist erforderlich, um Benutzergravitationslasten zuzuweisen und zu erstellen:
- Wählen “Flächenlasten” aus dem Abschnitt Lasten.
- Wählen Sie die vier Eckknoten einer bestimmten Bodenplatte aus, um den Umfang der Flächenlast zu definieren, ordnen Sie dann die Druckgröße zu, 2.5 kPa für aufgelagerte und 2,0 kPa für Nutzlasten. Sie können gerne Namen vergeben, die Sie für jeden Lastfall für zweckmäßig halten.
Abbildung Nr.. 11. Auswahl der Eckblechknoten zum Erstellen von Flächenlasten.
Abbildung Nr.. 12. Flächenlasten: Überlagerte Tote (2.5kPa) und Nutzlasten (2.0kPa).
- Gehen Sie zu den Sichtbarkeitseinstellungen im rechten Menüband und wählen Sie aus “Äquivalente Flächenlasten” die Verteilung der Flächenlasten in jedem Nebenträger im Verhältnis zu ihrer Nebenträgerbreite zu beobachten. SkyCiv S3D verwendet diese Linienkraft anstelle von Flächenlasten.
Abbildung Nr.. 13. Auf Nebenträger angewendete äquivalente Linienlast: Überlagertes Eigengewicht.
Abbildung Nr. 14. Auf Nebenträger angewendete äquivalente Linienlast: Live-Last.
Antwortspektrumanalyse, RSA – Aufbringen von Lasten
Dynamische Berechnung lateraler seismischer Kräfte mit dieser Methode (RSA) Sie können den nächsten Schritten folgen:
- Knotenmassen. Sie können Massen definieren, indem Sie sie direkt in Strukturknoten einfügen oder durch Umrechnung aufgebrachter Lasten.
Die meisten Bauvorschriften haben zur Berechnung seismischer Trägheitskräfte nur das Eigengewicht und überlagerte Eigenlasten als Massequelle berücksichtigt. In einigen seltenen Fällen, ein Bruchteil der Verkehrslasten wird ebenfalls berücksichtigt.
Abbildung Nr. 15. Massenquellen einschließlich Eigengewicht, überlagert tot und 25% der Nutzlast.
- Anwenden seismischer Lasten. In diesem Abschnitt, Sie definieren alle Daten, die zum Erstellen des Spektrumplots erforderlich sind.
Es gibt zwei Möglichkeiten, den Plot für RSA zu erstellen. SkyCiv S3D bietet Ihnen die Verwendung einer Benutzereingabe oder einer Standardvorlage, die das ASCE enthält-07, NBCC 2020 und Eurocode 8 Codes.
Abbildung Nr.16. Spektralladungsoption in SkyCiv S3D.
Abbildung Nr.17. Standardkonstruktionscodes für spektrale Lasten.
Abbildung Nr. 18. Einstellungen in Bezug auf die modale Antwort
Da es sich bei der RSA um ein dynamisches Analyseverfahren handelt, das auf der modalen Antwort basiert, es muss vorher eine definiert werden Verfahren, um diese verschiedenen modalen Antworten zu kombinieren. Die am besten geeigneten Methoden sind unten angegeben und es wird uneingeschränkt empfohlen, die CQC-Methode zu verwenden: “Vervollständige quadratische Kombinationen”. Für weitere Informationen über modale Kombinationsmethoden, Überprüfen Sie diesen Artikel.
Abbildung Nr. 19. Regeln zum Kombinieren modaler Ergebnisse
- Reduziertes Designspektrum. Aufgrund der hohen Baukosten, die dies mit sich bringen würde, ist es fast unmöglich, ein Gebäude so zu konstruieren, dass es elastischen seismischen Kräften standhält. Deshalb, Die Mehrheit der Bauvorschriften erlaubt die Verwendung von geringeren seismischen Kräften als den zuvor erwähnten. Das zu tun, Jedes Bausystem hat Eigenschaften wie Duktilität und Festigkeit, die es ermöglichen, seismische Energie abzuleiten und horizontale Verschiebungen aufzunehmen. Deshalb, Sie können die seitlichen Konstruktionskräfte durch das reduzierte Konstruktionsspektrum reduzieren.
Abbildung Nr.20. Darstellung des reduzierten Designspektrums.
Das Beispiel, mit dem wir gearbeitet haben, hat zwei verschiedene seitliche Widerstandssysteme: verspannte und Momentrahmen. Beide Systeme reagieren damit in unterschiedlichen Modi unelastisch, Duktilitäts- und Festigkeitsfaktoren modifizieren das reduzierte Designspektrum, das in jeder Hauptrichtung verwendet werden soll.
Abbildung Nr.21. Reduzierte Einstellungen für die Konstruktionsspektrumanalyse in “X.” Richtung.
Abbildung Nr.22.
Reduzierte Einstellungen für die Konstruktionsspektrumanalyse in “X.” Richtung.
Überprüfung der natürlichen Schwingungsfrequenzen
Nachdem alle dynamischen Eigenschaften definiert wurden, können Sie eine Antwortspektrumanalyse durchführen. Gehe zu “Lösen” und dann auswählen “Antwortspektrum” um die endgültigen Ergebnisse zu erhalten. Wir können die natürlichen Schwingungsperioden oder -frequenzen für alle in der Analyse berücksichtigten Modi überprüfen.
Abbildung Nr.23. Erster Modus des Eigenschwingungsergebnisses. Zeitraum, T1 = 1.412 Sekunden
Abbildung Nr.24. Zweiter Modus der Eigenschwingung. Zeitraum, T2 = 1.021 Sekunden
Abbildung Nr.25. Dritter Modus der Eigenschwingung. Zeitraum, T3 = 1.021 Sekunden.
Schließlich, Sie können auf Tabellen mit den RSA-Ergebnissen zugreifen. Die nächsten Bilder zeigen die Frequenzen und Beteiligungsmassen für alle Schwingungsarten in der Analyse.
Tabelle Nr.26. Dynamische Frequenzergebnisse – 10 Schwingungsarten.
Tabelle Nr.27. Dynamische Frequenzergebnisse – Massenbeteiligung.
