지진 분석
Seismic analysis |
지진 분석은 구조 분석의 하위 집합이며 지진에 대한 건물(또는 비건물) 구조물의 반응을 계산하는 것이다.지진이 많이 발생하는 지역에서 구조 설계, 지진 공학 또는 구조 평가 및 개조(구조 공학 참조) 과정의 일부이다.
그림에서 보듯이, 건물은 지진(또는 심한 폭풍우) 동안 앞뒤로 '파도'를 칠 수 있습니다.이를 '기본 모드'라고 하며 빌딩 응답 빈도가 가장 낮습니다.그러나 대부분의 건물은 지진 발생 시 고유하게 활성화되는 보다 높은 대응 모드를 가지고 있다.그림에는 두 번째 모드만 표시되지만, 더 높은 '시미'(이상 진동) 모드가 있습니다.그럼에도 불구하고 대부분의 경우 첫 번째 및 두 번째 모드가 가장 큰 손상을 일으키는 경향이 있습니다.
내진성에 대한 최초의 조항은 (각 층 레벨에 적용되는) 건물 중량의 비율과 동일한 횡력에 대한 설계 요건이었다.이 접근방식은 1927년 미국 서부 해안에서 사용된 Uniform Building Code(UBC) 부록에 채택되었다.구조물의 동적 특성이 지진 발생 시 발생하는 하중에 영향을 미친다는 것이 나중에 밝혀졌다.1943년 로스앤젤레스 카운티 건축 법규에서는 층수에 따라 하중을 변화시키는 규정이 채택되었다(스탠포드 대학과 미국 해안 및 측지 측량과의 협업을 통해 Caltech에서 수행된 연구에 기초함)."응답 스펙트럼"의 개념은 1930년대에 개발되었지만, ASCE의 샌프란시스코 섹션과 북부 캘리포니아 구조 엔지니어 협회(SEAONC)의 공동 위원회가 횡력을 [1]결정하기 위해 건축 기간(주파수의 역)을 사용할 것을 1952년에야 제안했다.
캘리포니아[2] 대학교 버클리(University of California, Berkeley)는 컴퓨터 기반 구조물의 지진 분석을 위한 초기 기반이었다.학생 중에는 Ed Wilson이 포함되어 있었습니다.[3]Ed Wilson은 1970년에 SAP 프로그램을 작성했습니다.이 프로그램은 초기 "확정 요소 분석" 프로그램입니다.
지진공학은 초기부터 크게 발전해 왔으며, 보다 복잡한 설계 중 일부는 지반에만 특수 지진방호요소를 사용하거나 구조물 전체에 분산되어 있다.이러한 유형의 구조를 분석하려면 특별한 명시적 유한 요소 컴퓨터 코드가 필요합니다.이것은 시간을 매우 작은 조각으로 나누고 실제 물리학을 모델링하는 것으로, 일반적인 비디오 게임이 종종 "물리 엔진"을 가지고 있는 것과 유사합니다.오사카 국제 컨벤션 센터 등, 매우 크고 복잡한 빌딩을 이러한 방법으로 모델링할 수 있습니다.
구조해석방법은 다음의 5가지 범주로 나눌 수 있다.
등가 정적 분석
이 접근방식은 지진 지반 운동의 영향을 나타내기 위해 건물에 작용하는 일련의 힘을 정의하며, 일반적으로 지진 설계 응답 스펙트럼에 의해 정의된다.빌딩이 기본 모드로 응답하는 것을 전제로 합니다.이를 위해서는 건물이 저층이어야 하며 지반이 움직일 때 크게 뒤틀리지 않아야 합니다.응답은 (건물 코드에 의해 계산되거나 정의된) 건물의 자연 빈도가 주어진 설계 응답 스펙트럼에서 읽힌다.이 방법의 적용 가능성은 많은 건물 법규에서 일부 더 높은 모드를 가진 높은 건물과 낮은 수준의 비틀림을 고려하기 위해 요소를 적용함으로써 확장된다.구조물의 "굴곡"으로 인한 영향을 설명하기 위해 많은 코드가 설계력을 감소시키는 수정 계수(예: 힘 감소 계수)를 적용한다.
응답 스펙트럼 분석
이 접근방식을 통해 (주파수 영역에서) 건물의 여러 응답 모드를 고려할 수 있습니다.이것은 매우 단순하거나 매우 복잡한 구조물을 제외한 많은 건축 법규에서 요구됩니다.구조물의 응답은 진동 문자열에 있는 많은 특수 형상(모드)의 조합으로 정의될 수 있으며, 이는 "조파"에 해당합니다.컴퓨터 분석을 사용하여 구조물의 이러한 모드를 결정할 수 있습니다.각 모드에 대해서, 모달 주파수와 모달 질량에 근거해 설계 스펙트럼으로부터 응답을 읽어내, 그것들을 조합해 구조물의 총 응답의 추정치를 제공한다.이 경우 X, Y, Z 등 모든 방향에서 힘의 크기를 계산하고 건물에 미치는 영향을 확인해야 합니다.조합 방식에는 다음과 같은 것이 있습니다.
- absolute – 피크값 합산
- 제곱합(SRSS)의 제곱근
- 완전 2차 조합(CQC) – 촘촘한 간격 모드의 SRSS를 개량한 방법
지면 움직임의 응답 스펙트럼을 사용한 응답 스펙트럼 분석 결과는 위상 정보가 응답 스펙트럼 생성 과정에서 손실되기 때문에 일반적으로 지면 운동을 직접 사용한 선형 동적 분석에서 직접 계산되는 것과 다르다.
구조물이 너무 불규칙하거나 너무 높거나 재해 대응 지역사회에 중요한 경우 대응 스펙트럼 접근방식은 더 이상 적절하지 않으며 비선형 정적 분석 또는 동적 분석과 같은 더 복잡한 분석이 필요한 경우가 많다.
선형 동적 분석
스태틱 순서는, 모드의 효과가 크지 않은 경우에 적합합니다.이것은 일반적으로 짧은 일반 건물에 해당됩니다.따라서 높은 건물, 비틀림 불규칙성이 있는 건물 또는 비직교 시스템의 경우 동적 절차가 필요합니다.선형 동적 절차에서 건물은 선형 탄성 강성 매트릭스 및 등가 점성 감쇠 매트릭스를 가진 다자유도(MDOF) 시스템으로 모델링된다.
지진 입력은 모달 스펙트럼 분석 또는 시간 이력 분석을 사용하여 모델링되지만, 두 경우 모두 선형 탄성 분석을 사용하여 해당 내부 힘과 변위를 결정한다.선형 정적 절차와 관련하여 이러한 선형 동적 절차의 장점은 더 높은 모드를 고려할 수 있다는 것입니다.그러나 선형 탄성 응답을 기반으로 하므로 비선형 거동이 증가함에 따라 적용 가능성은 감소하며, 이는 전체 힘 감소 인자에 의해 근사된다.
선형 동적 해석에서는 지반운동에 대한 구조물의 응답이 시간영역에서 계산되어 모든 위상 정보가 유지된다.선형 특성만 가정합니다.분석 방법은 분석의 자유도를 감소시키는 수단으로 모달 분해를 사용할 수 있습니다.
비선형 정적 분석
일반적으로 선형 절차는 구조물이 지면 운동 수준에 대해 거의 탄력적으로 유지될 것으로 예상되거나 설계가 구조물 전체에 걸쳐 비선형 응답의 거의 균일한 분포를 가져올 때 적용할 수 있다.구조의 성과 목표는 더 큰 비탄력적 수요를 내포하므로 선형 절차의 불확실성은 수요 가정과 의도하지 않은 성과를 피하기 위한 수용성 기준에서 높은 수준의 보수성을 필요로 하는 지점으로 증가한다.따라서 비탄성 분석을 포함하는 절차는 불확실성과 보수성을 줄일 수 있다.
이 접근방식은 "푸셔버" 분석이라고도 합니다.힘의 패턴은 비선형 특성(예를 들어 강철 수율)을 포함하는 구조 모델에 적용되며, 총력은 용량 곡선을 정의하기 위해 기준 변위에 대해 플롯된다.그런 다음 수요 곡선(일반적으로 가속-배치 응답 스펙트럼(ADRS)의 형태)과 결합할 수 있다.이는 기본적으로 문제를 단일자유도(SDOF) 시스템으로 줄입니다.
비선형 정적 절차는 동등한 SDOF 구조 모델을 사용하며 응답 스펙트럼으로 지진 지반 운동을 나타낸다.스토리 드리프트와 컴포넌트 동작은 비선형 정적 절차의 기초가 되는 퍼슈버 또는 용량 곡선에 의해 글로벌 수요 파라미터에 후속적으로 관련된다.
비선형 동적 분석
비선형 동적 해석은 지상 운동 기록과 상세한 구조 모델의 조합을 활용하기 때문에 상대적으로 낮은 불확실성으로 결과를 도출할 수 있다.비선형 동적 해석에서 지반운동 레코드의 대상이 되는 상세 구조 모델은 모델 내의 각 자유도에 대한 성분 변형 추정치를 생성하고, 모달 응답은 제곱근 합계와 같은 스킴을 사용하여 결합된다.
비선형 동적 해석에서 구조물의 비선형 특성은 시간 영역 해석의 일부로 간주된다.이 접근법은 가장 엄격하며, 일부 건물 법규에 의해 비정상적인 구성이나 특별한 중요성의 건물에 요구됩니다.단, 계산된 응답은 지진 입력으로 사용되는 개별 지반운동의 특성에 매우 민감할 수 있다. 따라서 구조 응답의 확률론적 분포의 신뢰성 있는 추정을 달성하기 위해서는 서로 다른 지반운동 기록을 사용하여 몇 가지 분석이 필요하다.지진 응답의 특성은 지진 흔들림의 강도 또는 심각도에 따라 달라지기 때문에, 다양한 강도 수준에서 다양한 가능한 지진 시나리오를 나타내기 위해 수많은 비선형 동적 분석이 필요하다.이로 인해 증분 동적 [4]분석과 같은 방법이 등장했습니다.
「 」를 참조해 주세요.
레퍼런스
- ^ ASCE. (2000)건물 내진재생을 위한 사전 표준 및 해설(FEMA-356) (보고서 번호: FEMA 356)미국 버지니아 주 레스턴: 미국 토목학회는 연방 비상 관리국을 위해 준비했습니다.
- ^ ATC.(1985년).캘리포니아 지진 피해 평가 데이터(ATC-13) (리포트).레드우드, 캘리포니아: 응용 기술 위원회.
- ^ Bozorgnia, Y, Bertero, V, "지진 엔지니어링:엔지니어링 지진학에서 퍼포먼스 기반 엔지니어링, CRC Press, 2004.
- ^ "버클리에서의 초기 유한 요소 연구", 윌슨, E. 및 클러프 R., 1999년 8월 4일-6일 제5회 미국 컴퓨터 기계학 전국회의에서 발표
- ^ Robert Reitherman, CUREE, 1997, p12의 삽화 에세이 "지진 엔지니어링의 진화에서의 역사적 발전".
- ^ Vamvatsikos D., Cornell C.A. (2002년)증분 동적 분석.지진공학 및 구조역학, 31(3): 491-514.
