Генератор нагрузки SkyCiv недавно добавил расчет сейсмической нагрузки в соответствии с ASCE7-16.. Это включает в себя интеграцию сейсмических данных Геологической службы США и их обработку для создания базового сейсмического сдвига с использованием раздела 12.8 Эквивалентная боковая процедура. В этой статье, мы углубимся в процесс расчета сейсмических нагрузок на здание с помощью ASCE 7-16.
SkyCiv теперь интегрировала сейсмические данные сайта из веб-API Геологической службы США.. Попробуйте наши Генератор нагрузки SkyCiv!
Данные структуры
В этом примере, при расчете сейсмической нагрузки будем использовать следующие данные:
Стол 1. Данные о здании, необходимые для нашего расчета сейсмической нагрузки.
| Расположение | 8050 ЮЗ Бивертон Хиллсдейл Хайвей, Портленд, ИЛИ 97225, Соединенные Штаты Америки |
| Заполняемость | Жилой дом |
| Размеры | 64 фут (4 заливы) × 104 фут (6 заливы) в плане Высота этажа 15 фут Высота крыши на отм.. 75 фут Плоская крыша Столбец: 20″х20″ Луч: 14″х20″ Плита: 8″ толщина |
| загрузка | Вес бетонной единицы : 156 pcf Наложенная статическая нагрузка (на полу): 100 PSF Наложенная статическая нагрузка (на крыше): 50 PSF |
фигура 1. Местонахождение площадки (из Google Maps).
фигура 2. Структура для этого примера.
Сейсмические данные Геологической службы США
USGS имеет сейсмические данные сайта с открытым исходным кодом который можно использовать из их API веб-сервисов дизайна. В этом расчете, нам понадобятся только следующие данные:
- \({S}_{Д1}\) – расчетные параметры ускорения спектрального отклика на периоде 1.0 s
- \({S}_{1}\) - отображаемый максимум рассматриваемых параметров ускорения спектральной реакции землетрясения
- \({S}_{ДС}\)- расчетный параметр ускорения спектрального отклика в короткопериодном диапазоне
- \({T}_{L}\) это длительный переходный период
фигура 3. Веб-службы USGS для проектирования сейсморазведки.
Чтобы запросить вышеуказанные данные, нам потребуются следующие данные:
- Широта, Долгота, которую мы можем получить из Google Maps
- Категория риска конструкции на основе раздела 1.5 ASCE 7-16
- Класс сайта на основе таблицы 20.3-1 ASCE 7-16
Процедура эквивалентной боковой силы
Расчетный базовый сдвиг сейсмостойкости можно рассчитать по уравнению 12.8-1 ASCE 7-16:
\( В = {С}_{S} W \) (уравнение. 12.8-1)
куда:
\( V \) сейсмический расчетный базовый сдвиг
\( {С}_{s} \) – коэффициент сейсмического отклика, основанный на разделе 12.8.1.1
\( W \) – эффективный сейсмический вес согласно разделу 12.7.2
Формула для определения коэффициента сейсмического отклика::
\( {С}_{s} = frac{{S}_{ДС}}{ \гидроразрыва { р }{ {я}_{е} } } \) (уравнение. 12.8-2)
куда:
\( {S}_{ДС} \) - расчетный параметр ускорения спектрального отклика в короткопериодном диапазоне (из данных Геологической службы США)
\( р \) - коэффициент модификации отклика в соответствии с таблицей 12.2-1
\( {я}_{е} \) – фактор важности, определяемый из раздела 11.5.1
тем не мение, нам нужно удовлетворить уравнения 12.8-3 в 12.8-6:
Значение \({С}_{s}\) не должен превышать 12.8-3 или 12.8-4
Для \( Т ≤ {T}_{L}\):
\({С}_{s,Максимум} = frac { {S}_{Д1}}{ \гидроразрыва{Т Р}{{я}_{е}}} \) (уравнение. 12.8-3)
Для \( T > {T}_{L}\) :
\({С}_{s,Максимум} = frac { {S}_{Д1} {T}_{L} }{ \гидроразрыва{ {T}^{2} р}{{я}_{е}}} \) (уравнение. 12.8-4)
более того, \( {С}_{s} \) не должно быть меньше, чем уравнение 12.8-5
\( {С}_{s,мин} знак равно 0.044 {S}_{ДС} {я}_{е} ≥ 0.01 \) (уравнение. 12.8-5)
К тому же, для сооружений, расположенных там, где \( {S}_{1} ≥ 0,6 г):
\( {С}_{s,мин} знак равно 0.5 \гидроразрыва {{S}_{1}} { \гидроразрыва{р}{{я}_{е}}} \) (уравнение. 12.8-6)
куда
\( {S}_{Д1} \) – расчетный параметр ускорения спектрального отклика на периоде 1.0 s (из данных Геологической службы США)
\( T \) является фундаментальным периодом структуры
\( {T}_{L} \) это длительный переходный период (из данных Геологической службы США)
\( {S}_{1} \) – отображаемый максимум рассматриваемого параметра ускорения спектральной реакции землетрясения (из данных Геологической службы США)
После того, как мы рассчитаем значение сейсмического расчетного базового сдвига \( V \), нам нужно распределить силы по высоте конструкции с помощью сечения 12.8.3 ASCE 7-16. В этом примере, будем считать, что конструкция не имеет вертикальных или горизонтальных неровностей.
\( {F}_{Икс} знак равно{С}_{vx} V \) (уравнение. 12.8-11)
\( {С}_{vx} = frac {{вес}_{Икс}{{час}_{Икс}}^{К}} { \сумма_{я = 1}^ п{вес}_{я}{{час}_{я}}^{К}} \) (уравнение. 12.8-12)
куда
\( {С}_{vx} \) - коэффициент вертикального распределения
\( {вес}_{я} \) и \( {вес}_{Икс} \) - доля от общего эффективного сейсмического веса сооружения \( W \) расположен или назначен на уровень я или Икс
\( {час}_{я} \) и \( {час}_{Икс} \) это высота от основания до уровня я или Икс
\( К \) определяется следующим образом:
- \( к = 1 \) для конструкций с \( Т ≤ 0.5 с)
- \( к = 2 \) для конструкций с \( Т ≥ 2.5 с)
- линейная интерполяция \( К \) для \( 0.5 < T < 2.5 s \)
К тому же, Силы диафрагмы пола и крыши можно определить с помощью раздела 12.10.1 ASCE 7-16. Расчетная сила может быть рассчитана с помощью уравнений 12.10-1 в 12.10-3:
\( {F}_{px} = Гидроразрыва { \сумма_{я=х}^ п {F}_{я}} { \сумма_{я=х}^ п {вес}_{я} }{вес}_{px} \) (уравнение. 12.10-1)
\( {F}_{px,мин} знак равно 0.2 {S}_{ДС}{я}_{е}{вес}_{px} \) (уравнение. 12.10-2)
\( {F}_{px,Максимум} знак равно 0.4 {S}_{ДС}{я}_{е}{вес}_{px} \) (уравнение. 12.10-3)
куда
\( {F}_{px} \) расчетная сила диафрагмы на уровне Икс
\( {F}_{я} \) расчетная сила, приложенная на уровне я
\( {вес}_{я} \) является весовым притоком уровня я
\( {вес}_{px} \) вес, приходящийся на диафрагму на уровне Икс
Ниже мы углубимся в эти параметры и применим концепцию к нашей структуре..
Фактор важности, \( {я}_{е} \)
Фактор важности, \( {я}_{е} \), для структуры можно определить из раздела 11.5.1 который указывает на таблицу 1.5-2 ASCE 7-16.
фигура 4. Стол 1.5-2 ASCE 7-16 с указанием значений факторов важности для каждой категории риска.
Так как структура подпадает под Категория риска II, соответствующий фактор важности \( Я_{е} \) равно 1.0 на основании таблицы 1.5-2.
\( {я}_{е} знак равно 1.0 \)
Фактор модификации отклика, \( р \)
Коэффициент модификации отклика, \( р \), можно определить из таблицы 12.2-1 в зависимости от используемой конструктивной системы. В этом примере, будем считать, что используемая структурная система “Специальные железобетонные рамы «Момент»” для обоих направлений X и Z. Из этого, мы можем определить это значение \( р \) равно 8 согласно таблице 12.2-1.
фигура 5. Усеченные значения таблицы 12.2-1 ASCE 7-16 с указанием коэффициента модификации отклика, \( р \), на структурную систему.
Класс сайта
Для расчета нашей сейсмической нагрузки, место, которое мы будем использовать, находится в Роли Хиллз, Портленд, ИЛИ, Соединенные Штаты Америки на основе сейсмических нагрузок: Руководство по положениям ASCE о сейсмических нагрузках 7-16 (Чарни и др., 2020) который классифицируется как Сайт класса C.
Сейсмические данные Геологической службы США
.Сейсмические данные Геологической службы США для этого местоположения следующие::
SkyCiv теперь интегрировала сейсмические данные сайта из веб-API Геологической службы США.. Попробуйте наши Генератор нагрузки SkyCiv!
фигура 6. Сейсмические данные сайта из веб-сервисов USGS.
\({S}_{Д1} знак равно 0.402 \)
\({S}_{1} знак равно 0.402 \)
\({S}_{ДС} знак равно 0.708 \)
\({T}_{L} знак равно 16 s \)
\({T}_{0} знак равно 0.114 \)
Категория сейсмического проектирования
Раздел 11.6 ASCE 7-16 Подробно описана процедура определения расчетной категории сейсмостойкости конструкции на основе категории риска и класса площадки для конструкции..
- Для \({S}_{1} ≥ 0.75 \) и Категория риска I, II, или III, категории сейсмостойкости присваивается расчетная категория сейсмостойкости E
- Для \({S}_{1} ≥ 0.75 \) и Категория риска IV, категории сейсмостойкости присваивается расчетная категория сейсмостойкости F
- В противном случае, Стол 11.6-1 и таблица 11.6-2 должен использоваться, в зависимости от того, что более серьезно.
фигура 7. Категория сейсмического проектирования из раздела 11.6 ASCE 7-16.
Для этой структуры, с категорией риска II, \({S}_{Д1} знак равно 0.402 \), и \({S}_{ДС} знак равно 0.708 \) Категория сейсмостойкости - D на основании обеих таблиц. 11.6-1 и 11.6-2 ASCE 7-16. Категория сейсмостойкости будет использоваться для коэффициента избыточности. \( р \) при расчете расчетных усилий диафрагмы.
Фундаментальный период структуры \( T \)
Фундаментальный период конструкции можно определить из модального анализа конструкции.. ASCE 7-16 позволяет аппроксимировать основной период конструкции с помощью раздела 12.8.2.1.
\( {T}_{а } знак равно {С}_{T} {{час}_{N}}^{Икс} \)
куда \( {час}_{N} \) конструктивная высота конструкции (расстояние по вертикали от основания до верхнего уровня сейсмостойкой системы сооружения), и \( {С}_{T} \) и \( Икс \) можно определить из таблицы 12.8-2.
фигура 8. Значения \( {С}_{T} \) и \( Икс \) из таблицы 12.8-2 ASCE 7-16.
Поскольку конструкция представляет собой бетонный каркас, сопротивляющийся моменту:
\( {С}_{T} знак равно 0.016\)
\( х = 0.9\)
Следовательно, используя высоту конструкции \( {час}_{N} \) равно 75 футов, приблизительный фундаментальный период структуры \( {T}_{а } \) можно определить:
\( {T}_{а } знак равно {С}_{T} {{час}_{N}}^{Икс} знак равно (0.016) {(75)}^{0.9}\)
\( Т = {T}_{а } знак равно 0.7792 с)
Коэффициент сейсмической реакции \({С}_{s}\)
Из значений выше, мы уже можем рассчитать коэффициент сейсмической реакции \({С}_{s}\):
\( {С}_{s} = frac{ {S}_{ДС} }{ \гидроразрыва {р}{{я}_{е}} } = frac{ 0.402 }{ \гидроразрыва {8}{1.0} } \)
\( {С}_{s} знак равно 0.0885\)
поскольку \( Т ≤ {T}_{L}\):
\({С}_{s,Максимум} = frac { {S}_{Д1}}{ \гидроразрыва{Т Р}{{я}_{е}}} = frac { (0.402)}{ \гидроразрыва{(0.7792)(8)}{(1.0)}} \)
\({С}_{s,Максимум} знак равно 0.0645 \)
К тому же, минимальное значение \( {С}_{s} \) не должно быть меньше чем:
\( {С}_{s,мин} знак равно 0.044 {S}_{ДС} {я}_{е} ≥ 0.01 \)
\( {С}_{s,мин} знак равно 0.044 (0.402) (1.0) ≥ 0.01 \)
\( {С}_{s,мин} знак равно 0.0312 \)
Окончательное значение \( {С}_{s} \) для использования в расчетах должно быть:
\( {С}_{s} знак равно 0.0645\)
Эффективный сейсмический вес \( W \)
В этом примере, мы рассчитаем эффективную сейсмическую нагрузку с использованием статической и дополнительной статической нагрузки, приложенной к перекрытиям. Предполагается, что наружные и внутренние стены принимают на себя действующую нагрузку перекрытия, равную 100 PSF. Используя удельный вес бетона, равный 156 фунт/куб.фут:
Для типового уровня пола (без учета уровня земли и крыши):
Столбец: Стандартная высота этажа х площадь поперечного сечения х удельный вес бетона х общее количество. столбцов = 15 футов х 156 фунт/куб.фут. Икс (20″х20″) Икс 35 знак равно 227.5 кипы
Плита: Площадь пола х толщина х удельный вес бетона = 64 фута (104 фут) х 8″ Икс 156 фунт/куб.фут. знак равно 692.224 кипы
Балки: Общая длина x площадь поперечного сечения x удельный вес бетона = 968 футов х 156 фунт/куб.фут. Икс (14″х20″) знак равно 293.627 кипы
Наложенная статическая нагрузка: Площадь пола x нагрузка = 64 фута (104 фут) Икс 100 psf= 665.6 кипы
Общая статическая нагрузка на уровень: 1878.951 кипы
Для уровня крыши:
Столбец: Стандартная высота этажа х площадь поперечного сечения х удельный вес бетона х общее количество. столбцов = 7.5 футов х 156 фунт/куб.фут. Икс (20″х20″) Икс 35 знак равно 113.75 кипы
Плита: Площадь пола х толщина х удельный вес бетона = 64 фута (104 фут) х 8″ Икс 156 фунт/куб.фут. знак равно 692.224 кипы
Балки: Общая длина x площадь поперечного сечения x удельный вес бетона = 968 футов х 156 фунт/куб.фут. Икс (14″х20″) знак равно 293.627 кипы
Наложенная статическая нагрузка: Площадь пола x нагрузка = 64 фута (104 фут) Икс 50 psf= 332.8 кипы
Общая статическая нагрузка на уровне крыши: 1432.401 кипы
В итоге:
| Уровень пола | высота, фут | Масса, wx, кипы |
| крыша | 75 | 1432.401 |
| 5уровень | 60 | 1878.951 |
| 4уровень | 45 | 1878.951 |
| 3уровень | 30 | 1878.951 |
| 2й уровень | 15 | 1878.951 |
| Эффективный сейсмический вес, W | 8948.203 | |
\( Вт = 8949.203 кипы )
Сейсмический базовый сдвиг \( V \)
Используя уравнение 12.8-1 ASCE 7-16, сейсмический базовый сдвиг может быть рассчитан:
\( В = {С}_{S} Вт = (0.0645)(8948.203) \)
\( В = 577.159 кипы \)
Вертикальное распределение сейсмических сил \( {F}_{Икс} \)
Нам нужно распределить сейсмическую нагрузку по всей конструкции. Поскольку основной период структуры \( Т = {T}_{а } знак равно 0.7792 с), следовательно:
\( к = 1.1396\)
Для расчета сейсмической силы \( {F}_{Икс} \) за уровень, наилучший подход заключается в табулировании сейсмических весов по уровням:
| Уровень пола | \( {вес}_{Икс} \) кипы | \( {час}_{Икс} \) фут | \( {вес}_{Икс} {{час}_{Икс}}^{К} \) | \( {С}_{vx} \) |
\( {F}_{Икс} \) кипы |
| крыша | 1432.401 | 75 | 196303.644 | 0.2923 | 168.6950 |
| 5уровень | 1878.951 | 60 | 199681.715 | 0.2973 | 171.5980 |
| 4уровень | 1878.951 | 45 | 143865.010 | 0.2142 | 123.6315 |
| 3уровень | 1878.951 | 30 | 90631.141 | 0.1349 | 77.8845 |
| 2й уровень | 1878.951 | 15 | 41135.482 | 0.0612 | 35.3501 |
| С = 671616.992 | \( V \) знак равно 577.1591 |
Мембранные силы \( {F}_{px} \)
Расчет сил диафрагмы показан ниже.. Поскольку мы предположили, что нарушений нет, коэффициент избыточности \( р \) установлен в 1.0. Этот параметр умножается на \( {F}_{px} \):
| Уровень пола | \( {вес}_{px} \) кипы | \( Σ {вес}_{я} \) |
\( Σ {F}_{я} \) | \( {F}_{px,мин} \) | \( {F}_{px,Максимум} \) | \( {F}_{px} \) | дизайн \( {F}_{px} \) |
| крыша | 1432.401 | 1432.401 | 168.6950 | 202.8279 | 405.6559 | 168.6950 | 202.8279 |
| 5уровень | 1878.951 | 3311.351 | 340.2930 | 266.0594 | 532.1188 | 193.0915 | 266.0594 |
| 4уровень | 1878.951 | 5190.302 | 463.9245 | 266.0594 | 532.1188 | 167.9461 | 266.0594 |
| 3уровень | 1878.951 | 7069.253 | 541.8090 | 266.0594 | 532.1188 | 144.0085 | 266.0594 |
| 2й уровень | 1878.951 | 8948.203 | 577.1591 | 266.0594 | 532.1188 | 121.1923 |
266.0594 |
Генератор нагрузки SkyCiv
Все эти расчеты уже включены в генератор нагрузки SkyCiv.. Упростите свои расчеты с помощью нашего бесплатного калькулятора сейсмической нагрузки для ASCE 7-16!
Сейсмические данные площадки
Сейсмические данные Геологической службы США могут быть получены после того, как категория риска, Класс сайта, и адрес проекта определены. Обратите внимание, что параметры \({S}_{Д1} \), \({S}_{1} \), \({S}_{ДС} \), и \({T}_{L} \) должны иметь значения для продолжения расчета сейсмической нагрузки.
фигура 9. Параметры, необходимые для получения сейсмических данных Геологической службы США для местоположения.
фигура 9. Результаты сейсмических данных USGS.
Пользователи могут изменять параметры, полученные от веб-служб USGS, чтобы получить наиболее подходящую сейсмическую нагрузку для конструкции..
Данные структуры
На вкладке Данные структуры, вам просто нужно определить стандартные данные здания: Профиль крыши, Длина здания, Ширина здания, Средняя высота крыши, и угол наклона крыши.
фигура 10. Ввод данных о здании.
Сейсмические данные
Приступить к сейсмическим расчетам, требуются следующие:
- Структурная система – для определения значений \({С}_{T} \) и \(Икс \) который будет использоваться при расчете приблизительного фундаментального периода конструкции \({T}_{а } \)
- Приблизительный фундаментальный период конструкции \({T}_{а } \) – может быть определен пользователем для более подходящего расчета сейсмической нагрузки
- Фактор модификации отклика \( р \) – значение по умолчанию 8.5 и быть изменены для более подходящих сейсмических результатов
- Коэффициент резервирования, \( р \) – значение по умолчанию 1.0 и может быть изменен. Используется при расчете сил диафрагмы
- Вес пола – используется для вертикального распределения базового сдвига и усилия диафрагмы. Требуемые данные для каждого уровня:: Уровень (для обозначения), высота, и вес
фигура 11. Сейсмические параметры, необходимые для сейсмического расчета.
Полученные результаты
Результатом расчета являются используемые сейсмические параметры и расчетный базовый сейсмический сдвиг. \(V \), сейсмические силы на уровень, и силы диафрагмы на уровне.
фигура 12. Входные параметры и результаты для расчета сейсмической нагрузки.
фигура 13. Табулированные сейсмические силы по уровням, включая расчетные силы диафрагмы.
Детальный отчет
После генерации результатов, Пользователи профессиональных аккаунтов и те, кто купил автономный модуль генератора нагрузки может произвести подробный сейсмический расчет. В отчете отображаются все параметры и допущения, использованные в сейсмическом расчете, чтобы сделать его прозрачным для пользователя.. Доступ к сгенерированному отчету для этого примера расчета можно получить через этот ссылка на сайт.
фигура 14. Подробный расчет сейсмической нагрузки генератора нагрузки SkyCiv.
Воспользуйтесь этой функцией, регистрация профессионального аккаунта или при покупке автономный модуль генератора нагрузки! Для существующих пользователей, а БЕСПЛАТНАЯ ДЕМО также доступен, если вам требуется более комплексное решение для расчета нагрузки.
Для дополнительных ресурсов, вы можете использовать эти ссылки:
Инженер-строитель, Разработка продукта
MS Гражданское строительство
Ссылки:
- Американское общество гражданских инженеров. (2017, июнь). Минимальные расчетные нагрузки и соответствующие критерии для зданий и других конструкций. Американское общество гражданских инженеров.
- Чарни, Ф., Хойслер, Т., и Маршалл, J. (2020). Сейсмические нагрузки: Руководство по положениям ASCE о сейсмических нагрузках 7-16. Американское общество гражданских инженеров.
- = Расстояние с подветренной стороны от гребня до места, где перепад высот составляет половину высоты холма или откоса.
