文摘
地震历史教堂教堂位于意大利的脆弱性研究通过极限分析和非线性有限元(FE)分析。注意力是对失败的机制涉及教会的外观及其与侧墙的交互。特别是,极限分析和非线性有限元分析提供一个估计的负载崩溃乘数机制的失败。这两种方法的结果一致,可以支持的选择可能的改造措施,减少教会在地震荷载作用下的脆弱性。
1。介绍
最近意大利地震事件,如伊米莉亚(2012)和拉奎拉地震(2009),展示了如何教会在地震发生时容易损坏(1- - - - - -3]。事实上,设计承受垂直载荷、教堂一般呈现纤细的墙壁,缺乏横向结构薄弱或不存在的结构元素之间的联系,缺乏有效的吸收拱吊杆手臂(4),和不规则的石头纹理。这些方面,添加到可怜的材料性能尤其是抗拉应力模式(5),属于历史不朽的建筑结构倒塌的原因当受到地震的力量。
情况下地震事件后的破坏或倒塌的教堂(有时也立即整修后)有很多。值得记住的崩溃圣Possidonio教堂(意大利)2012年,教会的部分崩溃的圣地亚哥洛尔卡(西班牙)2011年,天主教大教堂的崩溃在海地太子港2010年总恢复后(右),和部分崩溃的主要教堂圣di Pietro Coppito(意大利),2009年后一致的保护工作。
在文献中,使用的方法来分析砌体结构的抗震行为可以概括如下:微模型方法(见例如,[6,7)、宏模型方法(见例如,(8),多尺度方法(见例如,(9),和全面的方法(见例如,(10- - - - - -14])。
在这些方法中,最适合确定增强砌体建筑物的易损性,对应于极限分析和非线性有限元分析15,16]。这两种方法针对提供的值加载宏单元的激活失败机制,教堂可以再细分。事实上,崩溃的行为下砌体教堂地震以来很少是全球几个宏单元的平面外崩溃可能发生。经验表明考虑有限数量的失败可能的机制包括教会的主要元素如外观、拱点,氟化钠,凯旋门,海军墙壁。
在这种背景下,本研究提出了一种非线性有限元分析与极限分析应用于耦合马德里圣玛丽亚del Borgo意大利教堂位于圣Nicandro Garganico。特别是,破产机制涉及详细分析了外墙,由于调查后认为潜在的关键。识别三个机制:一个平面外立面的机制,一种机制涉及facade和外围侧墙,考虑表面之间的相互作用机制,外围侧墙,海军的墙壁。
教会的地震易损性分析了通过以下几点:(i)初步的线性动态分析整个结构进行检查是否存在一个全球结构的动态行为和相应的全球结构单一基本部件之间的相互作用;(2)非线性有限元分析的主要结构性宏单元与立面进行交互来确定负载崩溃。结果提供的集成与极限分析的机制。
从上面的研究获得的结果的比较显示了良好的协议和提供了一个估计地震易损性的教堂,特别是主要的外观。
有关本研究的贡献主要是教会砌体的极限分析的应用和验证有限元非线性分析模型的准备。因此,目前的方法很容易扩展到分析其他类似的地震易损性教堂。因此,分析的结果可以是有用的设计适当改造和恢复措施。
本文组织如下。节1,教会结构描述,突出保护状态通过分析现有的开裂模式。部分2提出了一种首先调查通过整个结构的线性动态分析。节3,详细研究的主要机制包括教堂正面提出了使用非线性有限元分析耦合极限分析。一些结论性的讲话结束。
2。教堂结构的描述
马德里圣玛丽亚del Borgo是主要的教会圣Nicandro Garganico(意大利);参见图1。完成了1573年到1580年之间开始施工,1693年左右,当侧小建筑和教堂被添加到原来的项目。
(一)
(b)
教会措施30米至25米的长度和宽度,分别。附近的侧墙,外观,高11米,立面高度是14米。
一般来说,宏伟的建筑,如教堂,特点是一个巨大的墙壁厚度数和相对较小的开口。在这种情况下,壁厚约0.8米之间变化的主要教堂的中殿和拱点1.1米;参见图2(一个)。这些墙是由双壳层凝灰岩斯通用不同的方案:作品incertum,作品混杂沉积物,方石筑墙,满是瓦砾相同的材料;参见图3。
(一)
(b)
(c)
(一)常规砌石:方石筑墙
(b)不规则砌石:作品incertum
三氟化钠是由两行5列每个细分。列方截面由常规砖凝灰岩的石头。教堂的屋顶是由木材除了教堂的屋顶完美无暇的C3,实现了砌体(图2(一个))。教堂C4是唯一一个有密肋楼板混凝土楼板,在屋顶结构。主要的外观是由普通移动石块。
有趣的是,教会是建立在一个人工水平高于周围的其他建筑地下室教堂;参见图2 (b)和2 (c)。内部之间的墓穴位于路面水平和实际的外部地面。
2.1。保护教会的现状:开裂模式
教会提供了一个多样化的开裂模式特点是水平和垂直损害(图4)。特别是,隐窝附近的区域显示了严重损坏/开裂模式;参见图4 (b)和4 (c)。这种情况的可能原因可以列举如下:(i)的局部下沉墙位于地下室由于解决基础墙,或(ii)地震交互相关的外观和中殿墙平面外立面机制。事实上,教堂建在地震区域,几个地震事件记录在这一领域的III级到第九级MCS强度规模。
(一)
(b)
(c)
3所示。线性动态分析
一个线性动态分析进行了三维有限元模型的教会使用有限元分析[17- - - - - -19]。3 d有限元模型已经意识到使用壳元素模型的中腔砌体墙和使用桁架元素模型的木材中殿的屋顶结构和通道。壳元素也使用模型的主要库中殿,拱点的拱顶,C1和C2教堂的拱顶,C3教堂的拱顶屋顶结构;参见图5。49781年的模型由壳元素和30桁架元素共有49674个节点。
(一)
(b)
分析旨在发现教堂的动态行为竣工。出于这个原因,一个完美的匹配,墙上没有任何假设开裂模式或减少墙刚度。
应用了边界条件根据地形的特点和教堂的人行道上。特别是,节点位于地面,见图2 (b)被夹紧,只有抑制了水平位移的节点位于路面水平。作者的知识,没有进行实验调查评估教会组成材料的力学性能。因此,在这项研究中,砌体的本构参数来源于文献[20.]类似的材料:杨氏模量MPa,泊松比,质量密度公斤/米3。
分析收集的结果表1频率的主要模式的形状,特点是质量参与系数大于3%在纵向或横向的方向,列出。这些结果显示主要局部模式和一个全局模式,没有。7,对应一个频率等于5.334赫兹。大众参与的第一个30 eigen-modes结果等于55.5%和55.2%的总质量的横向和纵向方向,分别。还应该注意的是,这一比例账户钟楼的质量。钟楼模式形状具有较低的频率如果与教会相关的结构。因此,大众参与不明显改善如果钟楼质量从先前的金额。事实上,的和大众参与的第一个30 eigen-modes等于63.5%和64.9%的总质量的横向和纵向方向,分别。
这对巨大的宗教建筑是一种常见的结果,在特定的几何不允许达到高质量的参与因素即使是相对简单的结构;见,例如,(11,21]。
数据6和7显示所选的横向和纵向部分eigen-modes,分别。可以看出,模式的特点主要是由当地的横向行为:激励的主要库或横向励磁侧和中殿墙。有趣的是,纵向模式的形状,没有。7日,见图6 (d),包括外观和中殿墙。详细的纵向视图部分这种模式形状的报道在图8。在下面,这种模式被用来显示失效机理立面宏单元的非线性有限元分析。
(一)没有。4:频率。= 3.656赫兹
(b)。5:频率。= 4.111赫兹
(c)。6:频率。= 5.121赫兹
(d)。7:频率。= 5.334赫兹
(e)。10:频率。= 6.182赫兹
(f)。12:频率。= 6.328赫兹
(一)没有。4:频率。= 3.656赫兹
(b)。5:频率。= 4.111赫兹
(c)。6:频率。= 5.121赫兹
(d)。7:频率。= 5.334赫兹
(e)。10:频率。= 6.182赫兹
(f)。12:频率。= 6.328赫兹
4所示。极限分析和非线性有限元分析
在本节中,注意力集中在研究地震易损性的教堂的外观进行了极限分析和非线性有限元分析。为此,三个机制进行了分析:(i)平面外立面的破坏机理与侧墙(图考虑没有交互9(一个));(二)失效机理由于表面之间的相互作用和外围侧墙(图9 (b));(iii)失效机理由于立面之间的交互,外围侧墙,殿墙(图9 (c))。
(一)
(b)
(c)
教会已经细分为五个主要宏单元所涉及的三个机制:外观,侧殿墙(壁之间C4和N3),侧殿墙(壁N2和C1-C2-C3-S2之间),中殿墙(N3之间的墙和N1),和中殿墙(N1和N2之间);见表2。
失败的分析机制是基于计算的参数对应的激活机制,所谓的极限载荷的乘数。使用的方法来确定极限载荷乘数在下面描述。
极限分析。极限分析代表了一种简单而有效的工具,推导估计砌体结构的极限强度能力(15,22,23]。这种方法没有考虑抗拉强度和无限的砌体抗压强度没有滑动的失败。特别是,这些假设导致“机制”一词的定义:通过圆柱的形成经历了失败铰链结构(对应的断开连接和局部开裂)细分到宏单元结构进行非弹性变形。
参照一个通用的机制,见图10极限载荷的乘数可以评估通过虚拟工作的原则: 在哪里每一个宏单元的自重是(条目)组成的运动机制;重量传递给相邻的宏单元结构(条目);通用外部力量应用到一个宏单元部分(条目);和是每一个宏单元的虚拟位移水平重心;和是每一个点的垂直虚拟位移的应用和分别为,代表所做的功内力。
的真正的崩溃乘数可以找到班上所有的崩溃乘数所获得的不同每个铰链的位置。
一旦崩溃乘数已经计算了考虑机制、地震加速度的激活机制被定义为(24] 在哪里是读的有效质量 在哪里应用部队的数量吗导致水平位移和重力加速度。
调查机制验证比较谱加速度地震需求,(25),也就是说, 在哪里根据地面类型是一个因素。在这种情况下,假定等于1.0,因为它指的是石质的土壤形成或均匀非常严格,包括改变表面的层的最大厚度5米(输入一个在[25])。代表弹性设计的谱加速度(时期),被峰值地面加速度(PGA)的具体位置。在这种情况下,等于被认为是。是大众的质心高度激活的机制和是总高度;参见图10。
据意大利标准(24),对砌体结构等于2。教会正在考虑由无钢筋砌石,更严重的选择是可取的。因此,参数设置为等于1.5。
非线性有限元分析。有限元分析是使用商业有限元分析的计算机程序。解决各种高度非线性的工具允许为混凝土结构问题(26),金属(27),和砌筑28)结构。为了模型的非线性行为砌体材料,采用涂抹裂缝模型。涂抹裂缝(或具体的模型)是一种基于收益率multicrack模型表面与各向同性硬化和相关流主要是压缩应力状态时,它使用受损弹性占开裂。开裂现象是通过所谓的建模表面裂纹检测:一个简单的库仑行写在第一和第二应力不变量。为了预测混凝土的非线性行为,当应用于砌体模型有一些局限性。模型不能预测循环反应和相关流的使用通常会导致一个overprediction体积应变。然而,有限元分析涂抹裂缝模型已经被证明合理预测在单调加载砌体的行为,只要提供适当的物质定义(29日]。
模型需要一些参数的定义。在这项研究中,在压缩应力-应变曲线是根据相似材料实验活动完成(20.]。此外,失败表面的形状和postcracking拉伸行为需要正确校准模型。设置失败比率选项(FR),压缩强度,拉力强度张力加劲选项(TS),破坏面和postcrack行为定义。选中的值导致FR = (1.12, 0.1, 1.33, 0.2),MPa,MPa。三维元素,如六面体和四面体元素,用来模拟宏单元。这个选择允许更好地代表材料的非线性行为在裂纹演化[30.- - - - - -32]。
非线性有限元分析提供了载荷比例因子(LPF)相对应,最后聚合步骤中,负载的价值乘数激活失败的机制。是通过计算里克静态分析所构建的实施水平的应用水平加速度所产生的力量对整个结构,增加从0级,使用一个函数,根据意大利标准,塑造加速度(24]。当前负载的大小的结构 在哪里是负载模式定义在当前步骤是静负荷(重量负载应用于以前的步骤)。将可能增加或减少收益的解决方案。
4.1。机制1:平面外立面的机制
在这里,平面外立面的机制,如图9(一个)调查。外墙厚度是1.1米,宽度是17.2米,最大高度整个立面的m。重心位于米从地面水平。
崩溃的极限分析收益乘数的平面外机制:。相应的地震加速度不对应于一个安全的条件,因为。
此外,细分教堂立面根据空缺的几何形状,可以识别不同的地方机制。他们不报告,因为他们拥有更高的极限载荷值乘数。特别是,崩溃的乘数机制与立面的一部分是就越高。此外,正面的地方机制的详细描述超出当前研究的目的。为更多的细节关于这方面和无筋砌体墙的平面外行为[33]。
图11显示了比较和通滤波器得到的非线性有限元分析。负载比例系数滤波器是策划与无量纲位移参数,在那里参考点的位移的机制,与字母A表示在图吗11。滤波器的计算是进行张力加劲TS参数的值从0到0.003,但为了清晰的目的,只有两个值的TS策划:TS = 0.001, t = 0.003。
4.2。机制2:外观和外围侧墙之间的交互
这里,立面的破坏机理与侧殿墙,如图9 (b),被认为是。
执行初步平面有限元分析。图12(一个)显示了生成的宏单元变形配置。3(表2)。最小(压缩)和最大的表示(拉伸)主要强调显示了关键区,铰链的位置可能发生:看到铰链,B和C的墙上和铰链1,2,3,4底部的墙。基于这些结果,可以推导出几何崩溃机制用于极限载荷的计算乘数。此外,高亮显示的压力图如图12(一个)在赞同开裂模式如图4 (b)。
(一)
(b)
因此,崩溃乘数一直最低运动学乘数的计算不同铰链的位置在这些关键区域。几何图形如图12 (b)被用来计算负载乘数崩溃。
已经建立三维有限元模型和非线性分析是由考虑外观和侧墙之间的完美匹配。这一假设提供了一种机制竣工条件与限制的假设机制分析如图12 (b)。
图13显示了使用非线性有限元分析结果和极限分析。之间的比较和确认结果有很好的一致性。相应的地震加速度不符合安全条件对吗通过计算(4)。值为0.001时的张力加劲TS参数被认为是计算。
4.3。机制3:外观之间的交互,外围侧墙,殿墙
在这里,进一步研究潜在的失败的外观进行考虑立面宏单元之间的交互和纵向宏单元(外围侧墙和中殿墙);参见图9 (c)。
至于前面的情况下,这些宏元素(表4和5号2初步研究了通过一个平面有限元分析。在图14最低的,畸形的配置表示最大(拉伸)主应力(压缩)和中殿的墙(N1-N2)。这个表示允许识别极限分析中使用的铰链。
构建了三维有限元模型,并进行非线性有限元分析,考虑到完美的外观和侧方墙之间的匹配。图15显示了比较和从非线性有限元分析获得。结果有很好的一致性。值为0.001时的张力加劲TS参数被认为是计算。图16获得的结果显示了比较两个控制点:非线性有限元分析的一个中间的立面,表示在A点,和一个顶部的立面,表示B点。
变形的配置结构如图17。机制的特征是明显的水平位移的中心外观。相应的开裂模式显示了严重损伤局部顶部的立面,分E和Q,形成两个铰链的岗和g。这个配置非常类似于地震后类似教堂所经历的破坏机理(34,35]。
(一)
(b)
(c)
图18总结了所有的调查机制的结果。
(一)
(b)
(c)
5。结论
摘要教堂结构的地震易损性分析提出了整个研究的三个机制崩溃的外观。分析进行了通过非线性有限元模型,根据意大利标准的和历史的砖石建筑。调查基于极限分析和非线性有限元分析的结果进行一些宏单元,特别注意那些与立面交互。
结果显示侧墙的连锁效应的主要作用在表面行为和教会的保护状态的作用,断裂模式和其之前的损伤状态。分析可以获得基本信息教会在地震荷载作用下的结构行为突出,一些不符合安全条件的研究机制。因此,可以设计适当的改造措施。
承认
实验室提供的计算设施的计算力学(LAMC) DICAM,博洛尼亚大学。