Большая часть зданий, расположенных в сейсмоопасных странах, таких как Италия или Чили, была построена до 80-х годов прошлого века. Это означает, что они были спроектированы в соответствии с устаревшими нормами и правилами без правил сейсмической безопасности. Поэтому очень важно оценить сейсмическое поведение этих зданий до начала сейсморазведки и спланировать их сейсмическую модернизацию. Очень эффективным способом проведения такой оценки является моделирование реакции здания в условиях реальных землетрясений. Это можно сделать с помощью нелинейного анализа временной истории (NLTH). Несмотря на то, что анализ NLTH является наиболее мощным видом сейсмического анализа, на практике он все еще слабо используется не только для оценки существующих зданий, но и даже для проектирования новых.
Хотя для улучшения сейсмического поведения зданий могут быть использованы различные подходы, например, базовая изоляция, частичная массовая изоляция или пассивные диссипативные системы, в настоящее время в сейсмостойком строительстве чаще всего используются такие подходы, как обеспечение наличия в здании достаточных ресурсов для рассеивания сейсмической энергии и предотвращения разрушения.
Если речь идет о зданиях, сопротивляющихся действию, это может быть достигнуто путем соблюдения правил иерархии сил и тщательного детализации армирования, как того требуют действующие нормы и правила.
Однако здания, спроектированные до разработки современных сейсмических норм, едва ли отвечают этим требованиям. Соответствующее улучшение вязкости пресейсмически закодированных коробок сопротивления моментам r/c может быть достигнуто за счет ограничения критических зон конструктивных элементов, в которых, как ожидается, будут развиваться пластиковые петли, посредством углепластиковых полимеров (CFRP), которые также способны повысить прочность профиля.
Анализ NLTH может быть эффективным в оценке сейсмических характеристик существующих сооружений, выявлении нежелательных механизмов разрушения (например, мягкоэтажного здания), количественном определении потребности в сейсмостойкости, выявлении структурных элементов, требующих усиления, и заблаговременной проверке поведения зданий.
Рассматривается комплекс сейсмоустойчивых землетрясений спектра, имеющих отношение к местам с высокой сейсмичностью в Италии. Предполагается нелинейная модель здания, а для нелинейного анализа используются две продвинутые программы конечных элементов - SAP2000 и SeismoStruct.
В SAP2000 используется модель концентрированной пластичности, а в SeismoStruct внедряются конечные элементы на основе волокна для моделирования пластического поведения критических участков конструкции. Как концентрированная пластичность, так и волоконно-оптический подходы фактически используются в литературе для проведения псевдостатического и динамического сейсмического анализа во времени и истории.
Предполагается, что сейсмическая модернизация здания будет проводиться с использованием материалов из углепластика. Хотя возможность внедрения арматуры из стеклопластика реализуется внутри SeismoStruct, следует провести внешнее исследование, чтобы придать SAP2000 свойства профилей, армированных стеклопластиком. Приведено сравнение результатов, полученных с помощью двух компьютерных программ, и представлена трехступенчатая процедура сейсмической модернизации существующих зданий с использованием методов анализа NLTH.
Нелинейная модель здания с SAP2000
В SAP2000 была принята трехмерная модель лампопластичности, в которой в конце всех элементов были установлены нелинейные элементы шарниров каркаса, учитывающие вращение крайних сечений в пластическом режиме.
Для моделирования крайних сечений колонн был выбран параметрический нелинейный шарнирный элемент рамы P-M2-M3, который может сочетать поведение в осевом и изгибном направлениях, а для балок - шарнирные элементы M3. На основе FEMA-356 в исследовании была принята модель силового смещения шарнирных элементов r/c, которая по умолчанию предполагается SAP2000, поскольку EC8 не предоставляет никакой конкретной модели пластиковых шарниров. Значения для точек различаются в зависимости от типа элемента, типа материала, процента продольной стали и уровня осевой нагрузки.
Для моделирования модернизированного здания с помощью SAP2000 потребовалась длительная процедура, которая включала: предварительный внешний анализ для расчета диаграмм кривизны момента с помощью программного обеспечения BIAXIAL, метод проб и ошибок для нахождения диаграммы взаимодействия секций колонн, усиленных углепластиком и ручной ввод данных о пластиковых петлях в верхней части колонн основания для моделирования присутствия углепластика в качестве элементов усиления пола.
Модель здания с SeismoStruct
Для моделирования здания с помощью SeismoStruct был принят метод конечных элементов на основе волокна.
Хорошо известно, что адекватная дискретизация структурных элементов, как правило, необходима в подходе на основе конечных элементов на основе волокна для фиксации поведения тех структурных элементов, в которых ожидается концентрация напряжений, как это имеет место в случае концов балок и колонн в вязкокаркасных зданиях.
Дискретизация на уровне сечений является предварительной для создания волокон модели. Для этого сечения колонн и балок рассматриваемого здания были разделены на различные участки, формы которых в итоге полностью покрывают поперечное сечение элемента.
Моделирование модернизированного здания с помощью SeismoStruct является гораздо более жизнеспособным, поскольку программа позволяет непосредственно внедрять арматуру из стеклопластика в конструкционные элементы. Анализ NLTH проводился в соответствии с данными для оценки характеристик модернизированного здания через SeismoStruct.
Глобальное поведение здания после реконструкции свидетельствует о том, что мягкоярусный механизм продолжает активироваться и после переоборудования углепластика, хотя пластическая деформация и снижается. В целях упрощения обсуждения результатов будет сделана ссылка на смещение центров тяжести на каждом этаже.
Подводя итоги, можно сказать, что сейсмическая модернизация существующих зданий может быть выполнена пошаговым методом, основанным на последовательном нелинейном динамическом анализе. Такие шаги позволяют:
- Провести предварительную оценку сейсмических характеристик существующего здания, обратив особое внимание на возможное нестандартное поведение его членов;
- Выбрать подходящую стратегию модернизации для улучшения сейсмических характеристик здания;
- Проверить эффективность стратегии модернизации в условиях сильных землетрясений.
В данной статье рассказано, как эта процедура может быть применена к сейсмически модернизированному зданию из армированного железобетона, предварительно сейсмически обернутому из углепластика в концевых секциях колонн первого этажа.