文摘
Piloti-type结构是一个流行的建筑风格只列或最小数量的体系组成的墙在一楼。大第一之间的横向刚度差异和上层的结构很容易地震。通过在庆州地震(2016年)和浦项市(2017),由于结构性缺点,许多损伤病例,尤其是低层piloti-type建筑五个故事或更少。在这项研究中,地震土壤结构相互作用(SSI)分析是进行低层piloti-type建筑考虑韩国岩土特征、和效果分析评估。为了实现这一目标,应用测量庆州地震和地震SSI分析设计反应谱(DRM)基于建筑设计规范是由构造三维结构分析模型与一栋五层楼piloti-type建设和四种不同土壤性质:填写(FI)、冲积土(),风化土壤(WS),和风化岩石(WR)。从分析结果,发现WS土壤在很大程度上是受地震影响的SSI和地震SSI的影响不同土壤类型无论地震的类型。通过参数研究,简单的和合理的估计,提出了考虑SSI效应在低层piloti-type基底剪力的建筑。
1。介绍
底层架空柱类型是一种广泛采用的建筑类型复合的住房在韩国由于空间有效利用的优势在一楼。然而,大型的地板之间的横向刚度差异底层架空柱(列和墙)和上层使结构非常不利对地震,导致横向剪切变形如图1(一),从而导致剪切失败在数据列和墙壁1 (b)和1 (c)在地震。庆州,浦项市5.8和5.4级的地震,发生在韩国2016年8月和2017年11月,这种损害病例报告集中在piloti-type结构有五个故事,和类似的情况下也被观察到在不同的国家2,3]。因此,研究评价低层底层架空柱的抗震性能和抗震性能进行(1,4,5)在各方面,但研究底层土壤和结构之间的动态交互地震期间,也就是说,SSI,仍然在基本层面上6- - - - - -8]。
(一)
(b)
(c)
(d)
一般来说,它一直认为地震SSI分析进行必要的只有在特殊的设施,例如核电站,摩天大楼,或需要复杂的大型建筑结构分析9- - - - - -11]。然而,从这一事实庆州的地震损伤病例集中在低层底层架空柱(4),从评估指南(12和最近的研究结果13],惯性相互作用的影响是更大的刚性结构与自然周期短( )垫或筏基础,有必要研究地震SSI的影响发生在低层piloti-type建筑占据绝对比例的建筑类型。
因此,本研究的目的是分析评估地震SSI效应的影响,结合国内典型的低层piloti-type建筑岩土属性。为了实现这一目标,本研究执行两个步骤的分析过程如下。首先,在选择piloti-type代表商场建设和构建一个完整的有限元(FE)土壤结构模型的四个土壤模型基于岩土数据,动态地震SSI分析是由庆州的地震荷载的5.8级地震发生在2016年9月应用到模型。第二分析,从第一个分析结果基础上,定义了主要结构参数和建立有限元模型,计算和参数研究是进行土壤模型来评估SSI对基底剪力的影响。后的影响参数进行了分析,提出了简单而合理的预报值的影响,和这些值与当前建筑设计指导方针。
2。SSI分析方法和有限元模型的属性
2.1。地震与LS-DYNA SSI分析方法
因为不仅结构和土动力学,还各种物理现象在地震SSI分析一个复杂的方式,介绍了各种分析方法考虑了区域之间的差异方面,结构系统,和分析的复杂性14]。SSI的主要有两种方法分析。一个是一个相对简单的方法,称为“底座”的方法,这是非常有用的分析时间的消耗。在这种方法中,土壤和结构域分为两个部分。首先,反应生成的土壤结构界面由于地震力在地上,然后变成了输入的响应的基础结构来获得结构的响应。为了考虑SSI效应这一分析,土壤结构的边界通常是建模为弹性弹簧和阻尼器。在最近的研究中,该方法应用于多层建筑通过简单的2 d或3 d建模框架元素(9,10,13]。第二种方法是“直接”的方法,他们的个人属性适用于结构和土域,分别直接整个有限元分析模型。尽管它消耗大量的时间和资源分析的行为足够的地面面积和结构必须作为一个整体进行分析,由于采用的方法已经广泛被开发的计算性能分析程序。“底座”和“直接”的区别只在于方法的方法处理土壤和周围的相互响应结构的接口。这是一个最重要的问题在地震SSI分析,和许多研究解决这个问题14]。随着各种三维(3 d)的发展商业分析软件,使用“直接”的三维地震分析方法已经成为可能,但仍然不是有很多的SSI效应分析提供可靠的依据。一个商业计划,使用ANSYS,应用土壤结构界面的摩擦边界元(11),但这个元素的使用尚未证明的可靠性SSI接口。因此,在这项研究中,一个高效而准确的地震SSI分析是由“直接”提供的方法使用SSI接口元素LS-DYNA(版本:smp d R8.0.0)。LS-DYNA SSI分析模块是理论上基于域还原法(DRM) [15),包括一个内部命令“SSI_INTERFACE”,这使得地震SSI分析的实现根据DRM理论可能只需定义表面的边界和分配之间的界面元素土壤和结构基础。此外,它是非常有效的反应获得的土壤和基础可以很容易地将只有声波测井地面运动的有效地震力的分配界面元素(16]。的有效性分析LS-DYNA验证通过一些研究和文学最新17- - - - - -19]。
范围的三维有限元模型的一个潜在的土壤应该分成有限边界区域(近场)附近的基础结构和一个无界的和无限区域(远场)。由于压力波是不可避免地反映在人工界面,介绍了分离成两个区域(18)时,必须考虑以下几方面建模底层土壤地面有效地震SSI分析(17]。(1)土壤元素的大小和域的尺寸应该防止海浪反射结构由于惯性相互作用从传播回地面,和(2)压力平衡必须建立在地面的侧向边界元素有效地模拟无限地区域。在这项研究中,充分考虑实际的3 d的无限范围的影响,足够规模的地面面积和适当的边界条件设置为中描述的一项研究[19]。
2.2。目标结构的几何和材料特性的有限元模型
为了开展本研究的目的,一个钢筋混凝土piloti-type建筑,是最受欢迎和典型类型的结构在韩国,被选中。目的构建与五层楼高13.3米,和几何特性:方向,每层尺寸和位置的列和墙壁图所示2。
(一)
(b)
(c)
至于分析模型,一个完整的三维非线性实体模型如图3(一个)由考虑混凝土和钢筋使用的属性列和墙上的画。混凝土的材料特性包括弹性模量( ),混凝土的设计强度( ),单位质量的混凝土( ),钢筋的弹性模量( ),钢筋的屈服强度( ),单位质量的钢筋( ),和泊松比的混凝土和钢筋( )。接下来,基于完整的3 d有限元模型,进行了等效集总质量模型来提高效率的分析时间和精力。在构建刚度的等效模型,每层的力-位移关系完整的计算和框架模型是等价的,和基本的自然频率的东西(EW)方向模态分析的目的是相互匹配。修改后的混凝土的弹性模量,(20.),是用来模拟合理截面值和物理性质考虑在截面钢筋的影响。集中质量模型构建了以这种方式分析了应用每个土壤地面模型如图3 (b)。
(一)
(b)
一个线性弹性材料模型应用于框架结构本身的元素,和底层土壤分析使用一个三维实体元素和莫尔-库仑材料模型。结构分析的有限元模型的几何性质进行了总结表1。
2.3。岩土性质的土壤被认为是SSI分析
最重要的一个因素进行准确的地震SSI分析是确定岩土性质充分(21]。然而,在一般的抗震分析和设计过程中,人们很少考虑底层土壤特性自基础通常被认为是一个固定的基地。一般来说,作为地面的土壤特性分析和设计有很高的可变性对每个国家和地区,也很难找到一个统一的标准属性即使目标站点仅限于某个地区。在这种情况下,大量的研究已经进行了合理建议韩国国内岩土特征值,结构设计师可以很容易地适用于抗震设计项目(22,23]。特别是,太阳等人机密国内土壤分为五类:填补(FI)、冲积土(),风化土壤(WS),风化岩石(WR)和基岩(BR),和他们提出的标准为每一个土的剪切波速值,作为最重要的变量在地震SSI分析(22]。五的土壤条件提出了太阳et al .,只有四个方面的属性(FI, WS, WR)采用每个土壤条件的地震SSI分析在这项研究中,除了BR条件,这是一个坚实的基础与横波速度大于1524 m / s(5000英尺/秒),因此SSI效应被认为是微不足道的(24]。表2显示了莫尔-库仑岩土属性的值材料模型为每个土壤类型中使用的分析。
在这项研究中,默认值的属性与泊松比、摩擦角和凝聚力值被提议的鲍尔斯(25和狩猎26),但是当指南提出了明确标准,使用这些值。例如,在表中2弯角的压缩波速度是1128米/秒,和车手是分级的V级RMR 20或少根据RMR分类方法从岩石分类的情况下韩国高速公路公司的道路设计指南(KEC) [27]。因此,凝聚力的价值或者说是被设置为0.1 MPa。
2.4。的属性输入地面运动和地震SSI分析过程
在这项研究中使用的输入激励数据产生的庆州地震发生在15公里深的中心地区西南8.7公里庆州市9月12日,201628]。地震的震级是5.8以来最大的韩国人观察到地震测量始于1978年。庆州地震,这场地震测量历史上具有重要意义的地震波是短暂的,特定的大小或更大一直以相对许多站在朝鲜半岛,在中等或高震级地震发生的概率很低(29日]。地震记录被认为是在这项研究中,数据从三个天文台(DAG2 YOCB,米亚)的顺序选择最近的距离震中,和相关的信息天文台表所示3(28]。
图4显示了观察到的地震波的加速度反应谱在三站和加速度时间历史数据记录的最大的DAG2 5.8级。最大的地震加速度是4.6 EW方向和5.3 在NS方向。
(一)
(b)
(c)
(d)
数据4(一)和4 (b)显示加速度反应谱(RS)从每个天文台和设计反应谱,归一化的基于初始地面加速度(IGA)T= 0.02秒,它们产生的加速度谱(SA)和2400年的繁殖周期根据建筑物的抗震设计标准(8]。
庆州地震地面运动加速度分析的加速度反应谱数据显示主要周期范围在短周期面积小于0.3秒,它创建了一个边界之间的恒定加速度时间大约0.1和0.3秒(29日]。有效规模最大的地面加速度也显示了一个类似的设计,从这些结果,庆州地震的地面运动可以评估像DRS获得按照建筑规范(30.]。的过程进行了声波测井和地震SSI分析使用地震数据中的数据4 (c)和4 (d)如下:(1)步骤1:建立地面为每个土层有限元模型中使用的属性表2不包括基金会和集中质量框架如图3 (b)。(2)步骤2:在步骤1的有限元模型,地震载荷图4是应用于整个地面(最低的部分模型),和声波测井响应中心的地面。(图的地震波4被假定为基石的露头的反应)。(3)步骤3:固定基础上的结构响应(NSSI: SSI效应不考虑)计算了应用声波测井响应从步骤2的中心集中质量模型的基础底没有土壤元素在图3(一个)。(4)步骤4:SSI接口元素应用到基础和较低的接口的副作用,和声波测井响应在步骤2中获得应用于基础的中心组成的有限元模型的结构和底层土壤图3 (b)。土壤结构和地面的响应计算考虑SSI效应(SSI)。
3所示。分析结果和参数研究
3.1。从有限元模型结果与地震庆州
首先,庆州地震的分析结果应用到第二章中描述的土壤结构有限元模型进行了总结。表4比较基本的横向固有频率结果完整的模型和集中质量模型。节中描述2.2,因为它是一种构建等效集中质量模型的条件,在EW方向频率的值很好地同时,但是它可以发现NS方向有较大的差异。这是一个可以接受的结果,因为建筑的楼梯不是位于中心的平面图,和集中质量模型不能考虑这种偏心的影响。扭转模式的结果也不考虑,因为他们没有进一步的意义相比,由于这种偏心效应的影响。
图5显示了基本在每个方向横模形状,和这些结果可以解释为水平位移的基本形状引起的横向动态加载。可以发现在图中的红色虚线,最大相对位移发生在一楼,比较相对位移时每层的顶部和底部。这是造成的差异之间的刚度第一级(列和墙)和上层的(剪力墙),这是失败的主要原因列和墙壁如图1。因此,生成的基底剪力基金会和加速度响应第一层的顶部集中分析了第一层的上、下两端是piloti-type最脆弱的一部分地震下结构。
(一)
(b)
数据6和7显示比较结果从加速度响应谱(ARS)在底部的基础上从每个土壤条件的声波测井分析庆州地震和顶部的ARS一楼的存在(SSI)或缺失(NSSI) SSI效应对于每一个地面和方向,分别。很自然的是每个光谱的峰值应该出现在自然周期( )土壤系统和旁边的值表示山峰ARS阴谋在图6。
(一)
(b)
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
在图7可以看到,它的最大值比NSSI SSI的反应减少。在数据7(一),7 (b),7 (e),7 (f)柔软的土壤系统(FI),更多的响应峰值发生在自然时期( )结构的显著降低。在图的谱峰7,出现在一个相对长期的峰值是由于和与声波测井分析的结果是一致的。同时,峰值出现在较短的时期(艾玛:0.12秒(8.3赫兹),NS: 0.08秒(12.5 Hz))是由于在每个方向上的结构体系和出现在同一时期的土壤类型和考虑SSI效应和声波测井分析结果中未见。在图7 (d)SSI的加速度响应和NSSI无比大的值比其他地面条件,这结果似乎是由于土壤系统的共振现象,或者说是和EW方向的结构的振动特性和相似的。
这里,如果在SSI效应在很大程度上是受影响的定义是一个关键时期(CP)的自然周期结构( )的SSI效应显著减少的峰值响应图7一般可以视为CP。这种现象是由于阻尼效应的吸收结构的固有频率附近的频率分量,因为运动交互的底层土壤。另一方面,附近的在所有的土壤条件,也可以发现,结构的反应放大由于SSI效应。特别是对WS土壤EW方向(WS-EW)在图7 (c)可以看到,它的还原反应出现类似反应放大级,因此,SSI效应并不充分减少响应。因此,在特定的土壤和结构条件下,反应的增加发生超过减少响应 ,然后CP的现象而不是也可以预期。
图8显示结果的均方根(RMS) (a)的比值(SSI / NSSI)加速度时间历史第一层的顶部和(b)基底剪力的时间历史数据表面的基础。如前面所示的结果,加速度和基底剪力反应由于SSI效应减少土壤条件。在图8,加速度的均方根比率是47% -76% EW方向和24% -77% NS方向,和RMS比EW方向基底剪力的44% - -72%,23% -67% NS方向。然而,在AS-NS WS-EW,响应减少SSI效应并不大相比其他土壤条件。这也似乎是造成这一现象作为WS-EW ARS结果在图的描述7 (c)减少响应在哪里和响应放大是相似的。因此,SSI效应引起的庆州地震显示了非常不同的模式由于自然周期的变化(和 )依照底层土壤的岩土性质和几何性质的上部结构甚至在相同地震荷载条件。因此,选择尺寸参数评估的影响基本的横向固有周期的变化( )在每一个方向,直接影响结构的响应。此外,基底剪力的参数的影响进行了分析通过使用DRS SSI分析每个土壤条件按照建筑设计规范(8)如下。
(一)
(b)
3.2。从参数研究的结果和DRS基于指南(30.]
3.2.1之上。尺寸参数
如前所述,最重要的参数在低层底层架空柱结构动力学系统是墙的刚度和列在地面水平。建筑底层架空柱结构设计指南(31日]给限制墙壁和列的面积总和的比例在每个方向底层架空柱(第一个)地板建筑的总楼面面积piloti-type建筑的抗震设计有5个或更少的故事。根据这条指导原则,在建筑结构中拥有相同数量的地板,列求和区域和墙壁在一楼总楼面面积成正比,并且它也可以假定每个方向的宽度成正比的结构。因此,在这项研究中,在每个方向上的宽度结构的主要尺寸参数选为低层piloti-type结构,和宽度和基底剪力的变化之间的相关性分析后进行SSI分析每种类型的土壤。
为了得到实际的参数值的宽度结构,线性回归分析都是用参考数据32)测量的宽度如图48住宅piloti-type建筑9。作为一个分析的结果,一个线性方程: 是获得了(在一个方向上的宽度)在另一个方向(宽度),尺寸( )最初的目标结构是在良好的协议分析方程。基于这个结果,增加和减少的模型 是选为 和 ,分别。表5总结了宽度和高度/宽度的比值为每个模型和基本在每个方向横向固有周期。
在表5,组织意味着原有的模式和WUP WDN,的增加和减少宽度。构建分析模型时,不仅一楼的柱子和墙壁的面积改变宽度的变化,但变化的刚度也在考虑改变直径的钢筋配筋率保持。
3.2.2。设计反应谱(DRS)
在这项研究中,根据建筑抗震设计标准(30.),构造理论DRS的条件下2400年的繁殖周期,S1基岩地面和地震带# 1,然后梯形信封的方法应用于生成人工地震历史数据时间0 sec-17秒,最后总共六次历史数据生成在每个方向的电子战和NS。的最大地震地面加速度(SGA)生成的时间以这种方式历史数据是1.77 -2.26 。数据10 ()和10 (b)显示了理论DRS根据设计准则和六的一个例子人工地震时间的历史数据,分别。通过使用这些人工数据作为输入值、声波测井,NSSI,执行和SSI分析根据第二章中描述的过程,结果是平均的。
(一)
(b)
3.2.3。参数研究的结果
为了分析SSI的基底剪力的影响根据宽度的变化( 和 )的结构、比例的变化(SSI / NSSI)如图11。这意味着价值的比率越小,越大的基底剪力减少SSI效应和基底剪力,SSI效应增强的情况相比NSSI如果比例超过100%。
(一)
(b)
如结果所示,比例(SSI / NSSI) FI 51% - -64%, 54% - -64%,在,在WS 25% - -104%, 55% - -79%的车手。SSI效应降低基底剪力的反应在所有土壤条件除了一个案例显示WS-EW超过100%。FI和土壤条件,没有明确的趋势的变化比率的宽度结构在两个方向上增加或减少,但在WS和WR,减少反应由于SSI效应倾向于减少宽度减少(WS: 71%⟶104%,或者说是:55%⟶66% EW方向,WS: 25%⟶33%,或者说是:69%⟶79% NS方向)。这一现象推断,减少由于宽度的减少导致刚度的增加自然总结如表5,因此,新修改的自然周期变得相似的土壤(表6)以及响应时相对较大的SSI效应被认为是。WS-EW,可以看出响应比例变为104% ,这表明SSI效应而增加基底剪力的反应。
至于一般结构动力学问题,大多数工程关注的情况下底层土壤和结构系统的动态特性匹配;也就是说,两个系统的固有频率一致和共振发生( )。然而,随着庆州地震的结果在图所示7 (d),证实了SSI效应甚至还减少了加速度响应WR-EW ( 和响应的规模是非常大的比其他情况下),如图12 (c)。另一方面,在这项研究中,来自WS土壤条件的结果,不相关的共振问题,显示最不规则的结果无论尺寸或结构体系的方向。
(一)
(b)
(c)
(d)
如图11WS土壤的SSI效应不显著降低EW方向的基底剪力或展品放大的方向;然而,它会导致最大的减少NS方向相反。这种差异是显而易见的,图的结果12(一个),同样的现象中发现数据7 (c)和7 (g)庆州地震相同的土壤条件。同时,需要注意的结果是放大的原因WDN(加速度响应的 )与WS-EW在图12(一个)不是因为逆转的关键时期(CP)来不像图中的结果7 (c)。在这种情况下,它是观察到的反应放大发生在两个时期和 ,和大小更大的比吗 。因此,发现SSI效应根据底层土壤的类型不能完全量化只通过分析土壤和结构系统的动态特性。特别是,它是判断,SSI效应放大反应的现象是由各种变量的组合。因此,似乎有必要确认这些变量的影响通过直接SSI分析特定的土壤和结构条件。
最后,在图13,之间的关系H/W比和SSI效应对基底剪力分析通过形成SSI的分布图形/基底剪力NSSI比率为( - - - - - -轴)H/W比( - - - - - -轴)如表所示5。
FI的SSI效应和持续降低了平均58%的回应不管H/W比图13。为WR土壤H/W比例增加,SSI / NSSI比率从55%增加到79%。从线性回归分析, 获得结果。因此,考虑SSI效应在某piloti-type建筑高度2.3米,宽度为6.3米,18.0米,固定基础的基底剪力值分析FI和土壤条件平均降低约58%,而在WR土壤条件评估是线性变化的变化从55%降至79%H/W比率。这些值显示有些较小的预测结果比基底剪力的减少80%限制在考虑SSI效应提供的指南建议在建筑抗震设计标准8),可以发现,当前的标准套一个保守的还原速度的影响SSI效应。从这个结果,一个简单的和合理的预测依据SSI效应的影响在某piloti-type FI建造的建筑物,如,WR土壤地面是由本研究提供的。然而,由于WS土壤类型显示高不规则结果取决于结构条件和分析方向如前所述,可以进行独立SSI分析来确定效果更精确。
4所示。结论
通过分析获得的结果分为piloti-type庆州地震建筑结构使用如下:(1)土壤类型之间没有明确的相关性和加速度和基底剪力的变化反应是根据地震SSI,但是当SSI的影响被认为是,由于运动相互影响,基底剪力显著减少的反应在EW方向和23% 44% -72% -67% NS方向取决于底层土壤条件的类型。(2)在WR土壤条件,发生共振的基本自然地面的时期( )和结构( )成为类似,但SSI效应仍然行为的方向降低结构的响应。(3)总的来说,SSI效应行为减少的方向反应加速度和基底剪力减少响应的峰值自然周期( )的结构,而是放大的反应结构附近的自然周期( )的地面。因此,总SSI效应应该评估总结反应的变化和 。
结果来自参数研究通过改变宽度(6.3米- 18.0米)的五层piloti-type建筑高度为2.3米在一楼总结如下:(1)FI和地面条件,没有明确的趋势是出现在的宽度的变化之间的关系结构和基底剪力响应SSI,但在WS和WR,减少影响基底剪力响应的SSI往往会降低结构的宽度就变小了。(2)SSI效应评估以减少固定基础的基底剪力分析以年均58%的FI土壤条件,和WR地面的55% - -79%。(3)比较上述结果与抗震设计标准(8)的建筑,它可以估计,80%的减少限制的基底剪力考虑SSI效应的建议在设计标准集有些保守。(4)在电子战WS地面的方向,与一般的预期相反,SSI效应增强基底剪力与结果的反应的情况假设基本固定。此外,每个方向的反应在WS显示了相对较高的不规则结果相比其他地面条件。因此,当很难一致预测SSI效应在特定的地面和结构条件下见WS-EW条件下,直接分析SSI似乎是必要的。
SSI效应的建议值和方程提出了研究分析的结果分析的基础上进行了有限的变量和参数的研究人员。研究差距通过本研究发现如下:(1)本研究可以合理地应用于结构相似的形状(地板和规模)和类似的比列和墙壁之间的区域面积。归纳本研究,需要更多的参数研究和实验证明。(2)此外,在这项研究中,地面被建模为一个单一的土层分析各土层的物理性质的影响在SSI。然而,土层不仅是由几层不同的土壤,但也包含地下水。因此,很难这项研究的结果应用于复杂地面的影响,有必要考虑多种土壤层次包括地下水的影响。
数据可用性
输入地震分析数据用于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。
确认
这项研究受到了基础科学研究项目通过韩国国家研究基金会(NRF2018R1A6A1A0702581921)。