SV 冲击和振动 1875 - 9203 1070 - 9622 Hindawi 10.1155 / 2018/1940706 1940706 研究文章 双重等效侧力法对低层木水平混合结构刚性的核心 http://orcid.org/0000 - 0003 - 2982 - 5412 吴 迪 山崎 喜田岛 坂田 博康 太阳 Shuaishuai 建筑和建筑工程系 东京技术学院的 东京152 - 8552 日本 titech.ac.jp 2018年 17 12 2018年 2018年 12 10 2018年 28 11 2018年 17 12 2018年 2018年 版权©2018吴Di et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

混合结构在抗震设计中展示了一些很棒的特性。然而,由于不同的属性之间的建筑系统相结合,结构质量和刚度的分布宽度或高度不规则的盛行,使得广泛使用的等效侧力(精灵)方法无力预测这种混合结构的地震剪力。本研究提出了一个简单的设计程序确定的有关地震剪力低层木水平初步的线性混合结构设计。双重等效侧力(代夫特陶器)方法,允许精灵的扩展方法,分离成两个独立的子结构的混合结构。表明该代夫特陶器方法足以提供一个合理的估计地震剪力与满意的精度。

 1。介绍

混合结构的概念标记的一个有用的发展提高地震安全结构系统,因为它结合了不同的材料和建筑类型的优势。木水平混合结构,作为一种小说,展示了一些有益特性改善抗震性能比传统的轻质木材结构。的代表类型木水平混合结构如图 1。木制的部分是一个多层轻型木框架横向剪切强度成员。水平,它是连接到相对刚性的核心部分,由钢架,混凝土框架或混凝土剪力墙体系。对称设计,木质部分分离的核心部分的长度。地震输入方向研究研究垂直自木制建筑部分的长度是一个复杂的多自由度系统在那个方向。在地震中,地震力来源于木制的部分是转移在两个方面:一种通过横向剪切成员(木剪力墙或抗力矩框架)在地上,另一个通过隔膜的核心部分。此外,重力的两个部分是靠各自的竖直分量。横向刚度的不规则通常导致地震扭转传统建筑类型(图场景 1 (c))。然而在这个木水平混合类型,木制的柔性膜片抑制整个建筑的扭转振动,导致隔膜的主要剪切变形(图 1 (d))。同时,首选的对称设计提供了进一步抑制扭转振动。因此,木制的部分可以简化为一个二维框架,只有剪切变形(图 1 (b))。

典型类型的木制水平混合结构。(一)总体布局。(b)的一种木质部分的详细设计和可能的简化框架。相对变形机制(c)构建与严格的隔膜和(d)建立柔性膜片和对称的设计。

结构的特点灵活的隔膜和刚性核心一些研究人员一直在研究。金和白 1]研究了振动台测试的结果在½大小单层钢筋砌体建筑柔性膜片,和测试的基础上,提出了一个简化的multiple-degree-of-freedom,执行相应的模型校准过程提供准确预测的动态响应。李等人。 2)发现,在结构与柔性膜片隔膜变得更加灵活,高次模的贡献往往增加,和mode-based方法提出了估计interstory漂移的低层结构灵活的隔膜。缘分和Popovski 3]介绍了线性和非线性地震反应的大型层楼的建筑,有灵活的膜片。Koliou et al。 4, 5]研究了刚性wall-flexible隔膜的性能系统崩溃并提出抗震设计方法灵活占屋顶隔膜分布产生响应的屋顶隔膜作为主要的非弹性响应在极端地面震动。

更具体的类别,木质板材横向混合结构,研究也进行了实验和理论上。山崎和坂田 6)使用一个二维连续体来模拟混合结构的振动,提出实用公式评估地震力的振幅和分布。Goertz et al。 7)提出了一个能源方法设计一个多层混合组成的建筑timer-steel心墙系统。Isoda et al。 8, 9)进行了一次全面的振动台试验wood-reinforced具体制度。测试发现,木之间的连接部分,核心部分是至关重要的,因为它控制变形和能量耗散的木制部分。吴et al。 10]报道三个1/3缩尺标本的振动台试验结果与不同的剪力墙配置和膜片刚度。结果表明,地震力分布之间的木制部分和核心部分是重要的设计水平的混合结构。

尽管有这些发现,仍然需要一个简单的程序来估计水平的地震力混合结构,特别是在初步的线性设计阶段。在地震工程实践中,一个等效侧力(精灵)方法被广泛用于线性地震分析。尽管精灵的方法有严格的先决条件和结果近似,它吸收许多县的建筑规范( 11- - - - - - 14]的便利在线性抗震设计。然而,由于固有的横向不均匀性质量和刚度、木制水平混合结构在理论上难以精灵进行分析的方法。估计木水平地震力的混合结构,研制了一种新的近似在这项研究通过使用精灵的理论方法和提出了双重等效侧力(代夫特陶器)方法测试的案例研究同伴的振动台试验进行了文献[ 10]。结果表明,代夫特陶器方法足以提供一个合理的估计地震力的线性抗震设计。

 2。双重等效侧力法

代夫特陶器方法很难进行,证实实际水平混合建筑在这个阶段,考虑到缺乏工程实践和地震记录。作为替代方法,振动台试验水平混合结构是一种理想的分析对象的控制条件和详细记录。因此,试样的选择进行了振动台试验的同伴文献[ 10代夫特陶器的)来说明整个过程的方法。所选的试样是一个典型的水平混合结构。木制的部分是原有的,3-bay木框架和两个剪切板在每一帧的所有(图3的故事 2)。这个故事刚度和抗震木质部分的质量沿高度和长度大约是统一的。的核心部分是一个刚性钢框架具有较高的横向刚度沿输入方向。试样,木剪力墙的刚度和木头隔膜很近,和核心部分的刚度是近23倍的木制部分适用于代夫特陶器的方法。更详细的描述中给出的测试标本是同伴文献[ 10]。

选择振动台试验标本进行代夫特陶器的方法。

代夫特陶器的方法,首先,应该简化为一个二维混合结构框架垂直于有关输入方向(图 3(一个))。当混合结构遭受地震场景有关方向的,木制的部分振动作为two-edge-constrained板( 6]。代夫特陶器的方法的主要思想是将复杂的振动机理的木制部分为两个不同的部分:一个是一个普通的振动独立的木框架,即子结构(图 3 (b));另一个是横向的振动斜木框架,即子结构B(图 3 (c))。分离是任意的,没有明显的理论观点;然而,基本结构含义存在:抑制的木制部分释放,分别和相应的子结构的反应得到原文的反应完全克制木的部分。在子结构,克制的核心部分被释放;在子结构B,克制地发布和刚性核心部分可以被认为是地面,而隔膜被认为是框架的剪力墙。两个子结构被简化为一个简单的集中质量系统精灵和评价的方法,分别为(数字 3 (d)和 3 (e))。当然,精灵的假设方法限制了这项研究的范围。不同建筑规范提出具体的限制使用精灵的方法,但最一般的限制是结构规律和它的高度或时期。因此,研究混合结构应该是一个低层建筑高度和长度,以及木制部分可分为普通故事水平大约与制服或统一的质量和刚度沿垂直和水平方向。值得注意的是,子结构B的核心部分是假设作为地面也可以提供加速度沿高度;然而,由于核心部分不是完全刚性,实际加速度总是更高上故事使代夫特陶器方法不可避免地低估了地震的要求上的故事。事实上,研究表明,正式的频率比值的核心部分和木制部分应该高于3确保木质部分的基本模式振动没有明显受振动影响的核心部分 15]。

代夫特陶器的方法的流程图。

存在另一个担心木之间的连接部分和核心部分。实验表明,混合时可能遭受严重的破坏的连接结构遭受大地震( 9]。然而,对于精灵和代夫特陶器方法,涉及设计阶段是整个混合结构的轻微地震期间应该是线性的,包括连接。无论使用阻尼器或地震隔离设备的连接部分,连接的剪切刚度应该远高于隔膜。在这种情况下,假设大约之间完美的固定性木制部分和核心部分是合理的,精灵和子结构B可以评估的方法。精灵后分析的子结构和子结构B完成,每个故事的地震力分配给每个集中节点通过节点质量的重量(数字 3 (f)和 3 (g))。那么这两个子结构的地震力相结合的刚度相对垂直力转移元素:木剪力墙在子结构和隔膜在子结构B(图 3 (h))。这里使用加权几何平均和加权因子代表周期不同子结构和原始的木制部分。高刚度的垂直力转移元素意味着近段与原木制部分和参与的基本振动就越高。

代夫特陶器方法如图 3总结了以下程序:

步骤1 <斜体> < /斜体>。

木制的水平结构分为两个子结构的约束核心部分和地面释放后,分别(数字 3(一个)- - - - - - 3 (c))。

 <斜体> < /斜体>第2步。

不管重力,可以视为子结构与均匀分布结构质量和刚度,适用于精灵的方法。一个子结构,标准的精灵分析( 11)是由方程( 1)- ( 3)(图 3 (d)): (1) F 一个 , 我 = C 一个 , 我 V , (2) V = C 年代 W , (3) C 一个 , 我 = w 我 h 我 ∑ 我 = 1 n w 我 h 我 , 在哪里 F 一个 , 我 =横向地震力 我的故事, W =总有效地震重量, C 一个 , 我 =垂直分布的因素 我的故事, w 我 =地震的重量 我 的故事, V =总设计基底剪力, h 我 =的高度 我的故事, C 年代 =混合结构的地震响应系数 n =数量的故事。

应该指出,在定义它 C年代,这段时间应该是最初的混合结构,而不是一个子结构A或B。

 步骤3 <斜体> < /斜体>。

一个子结构,一旦每个子结构的精灵分析完成后,每个故事的地震力分配到相应的节点集总地震质量由方程( 4)(图 3 (f)): (4) F 一个 , 我 j = w 我 j w 我 F 一个 , 我 , 在哪里 F 一个 , 我 j =节点的横向地震力 我 的故事, j 框架在子结构 一个 和 w 我 j =地震体重的节点 我 的故事, j 框架。

重复步骤2和步骤3 B子结构地震力 FB, ij在每一个节点(数字 3 (e)和 3 (g))。

 <斜体> < /斜体>步骤4。

的地震力在同一节点子结构A和B是结合使用方程的加权几何平均( 5)- ( 7)(图 3 (h)): (5) F 我 j = F 一个 , 我 j R 一个 F B , 我 j R B , (6) R 一个 = K 年代 K 年代 + K d , (7) R B = K d K 年代 + K d , 在哪里 F 我 j =组合节点的地震力 我的故事, j框架在原来的结构, R 一个 / B =子结构的权重因子 一个 / B , K 年代 =木剪力墙的刚度 K d =隔膜的刚度。

 <斜体> < /斜体>步骤5。

应用相结合的力量 F ij原来的混合结构静态估计地震剪力 问 ij剪力墙和隔膜的木制部分(图 3 (h))。

代夫特陶器一旦木制部分完成的分析,分析了核心部分可以独立使用标准的精灵方法。因此,剪切力的核心部分是精灵的组合方法的结果和木制的剪切力转移一部分通过隔膜可以从第五步。

 3所示。案例研究

执行案例研究的基础上,提出了代夫特陶器的方法。研究了两种结构:例1是选择试样如图 2;例2是一个假设的结构有相同的配置案例1除了膜片刚度、案例1之一的10倍。水平的混合结构,隔膜的潜在设计可能包括木板、钢甲板或混凝土面板。因此,隔膜的刚度变化广泛由于不同的设计。给定的区别两种情况调查代夫特陶器的稳定性方法在各种膜片的设计。

在振动台试验 10),时间尺度的标本受到BCJ-L2波( 16]随着峰值地面加速度(PGA)从0.1克到0.8克。与试验结果比较,相同的时间尺度BCJ-L2波选为代夫特陶器的设计地震动的方法。BCJ-L2波的谱加速度图所示 4。的PGA BCJ-L2波设置为0.1 g,在水平验证了混合结构是线性的,适合代夫特陶器的方法。为了避免繁琐的计算过程,地震响应系数 C年代在方程( 2)是任意设置为设计地面运动的加速度谱在试样的基本周期,而不是综合考虑建筑的重要性,网站类、地震灾害等基本时间的情况下描绘在图1和图2 4。相对谱加速度作为 C年代代夫特陶器的方法。此外,总有效地震重量 W将建筑物的总重量的85%考虑水平混合结构是一个multiple-degree-of-freedom系统( 14]。的简化 C年代和减少 W似乎是合理的预期匹配后的结果。与此同时,模态响应谱(夫人)的方法( 17)也使用特征值执行来自一个简化的线性模型如图 5。木制的部分的剪力墙和隔膜与线性模拟剪切弹簧,弹簧的刚度是来源于测量振动台试验试样的初始刚度( 10]。集中质量的价值也是直接从试样计算。由于标本3故事低层建筑,只使用振动的基本模式与此同时,在太太的核心部分线性模型的刚度将1000倍的剪力墙的理想刚性核心部分在这两种情况1和情况2。表 1了详细的参数用于代夫特陶器和夫人。

谱加速度的缩放BCJ-L2波和例1和例2的基本周期。

线性模型计算夫人的基本振动模式的方法。

结构重量( N )和剪切刚度( N/毫米)用于代夫特陶器和夫人。

值( N , N/毫米) w 12 w 13 w 22 w 23 w 11 w 21 w 32 w 33 w 31日 w 41 w 42 w 43 K年代 Kd Kc
案例1 3283年 1754年 2146年 1117年 6693年 5282年 1250年 1313年 1250年e3
案例2 3283年 1754年 2146年 1117年 6693年 5282年 1250年 12500年 1250年e3

代夫特陶器和夫人的结果分析和振动台试验为例1中演示了图 6(一)。列值指的是剪力墙的剪切力峰值和横隔膜连接到核心部分。测试结果之间的误差和夫人和代夫特陶器的预测方法也在图 6(一)。错误被定义为以下方程: (8) 错误 = 代夫特陶器或夫人 − 测试 测试 × One hundred. % 。

剪力墙和隔膜的峰值剪切力代夫特陶器,夫人,和振动台试验结果,PGA = 0.1 g,单位: N。(一)案例1: K年代≈ Kd。(b)案例2: K年代= 10 Kd。

峰值剪切力的根据是满意的对剪力墙和隔膜。木剪力墙的剪切力给出了误差之间的近10%的代夫特陶器和测试1圣和2nd的故事。隔膜的协议也可以接受尤其是有关软链段。软段指的是剪力墙的1圣故事和隔膜连接到核心部分的变形剪切组件是远高于其他地区的混合结构( 10]。与此同时,误差总木基底剪力的1%惊人准确的初步设计。代夫特陶器的主要差异分析和测试重点是3理查德·道金斯错误越来越多的故事 X1到 X3所示。这个错误来自精灵方法固有的局限性的反应上的故事可能低估了在某种程度上,这取决于建筑物的配置。一些建筑规范试图修改低估通过引入额外的地震力建筑的顶部( 13, 14]。代夫特陶器方法时,低估发生在该地区的小软链段与重要性;因此,不涉及到额外的力量。值得注意的是,虽然夫人方法倾向于高估了地震剪力在1圣和2nd故事,代夫特陶器和夫人方法的结果质量可比通过所有的故事。它增加了重量,结合两个子结构的振动相当于原来的木制部分的基本模式,验证代夫特陶器方法的合理性。

在第二种情况中,只有代夫特陶器的结果和方法提出了夫人由于没有相应的测试(图 6 (b))。代夫特陶器和夫人之间的差距的方法增加与例1相比,特别是在3理查德·道金斯的故事。膜片刚度的增加可能会改变的振动形状基本模式不能完全补偿的代夫特陶器的权重因子的方法。然而,在有关软链段,代夫特陶器和夫人方法的结果和可接受的水平的建设工程。一般来说,代夫特陶器的方法提供了一个合理的预测的地震力具有相同精度的方法但是较小的计算工作的夫人木混合结构。

 4所示。结论

提出了一个简化的方法估计的地震剪力的初步的线性设计低层木水平混合结构。此方法需要的知识和等效侧力方法的先决条件,因此成功的优势和局限性。拟议中的双重等效侧力方法可以充分预测近似地震剪力如果木制部分具有相对均匀分布的刚度和质量。计算过程也简单,可以手动进行。然而,代夫特陶器方法做好本职工作预测剪切力上的故事。地震剪力墙的剪切是低估了55%在前的故事。因此,额外的屋顶地震载荷代夫特陶器方法可能是必要的。此外,剪力墙刚度差异的增加和隔膜的木制部分可能影响代夫特陶器的准确性的方法。

还应该指出,在案例研究中,地震响应系数设置为任意谱加速度,最终给出了一个合理的结果。在工程实践中,地震响应系数很令人担忧,因为它是与多种因素有关,精灵和代夫特陶器分析结果有很大的影响。同时,进一步的研究需要与各种配置相关的代夫特陶器方法的适用性,如故事的数量和剪力墙之间的刚度比和隔膜。

 数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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