UNIVERZA V LJUBLJANI

Odziv AB stene na potres – Odziv AB stene na potres –

vnaprejšnja napoved in vnaprejšnja napoved in

kalibracija modelakalibracija modela

Peter Kante, podiplomski študent

Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo

Seminar iz konstrukcij, 7. marec 2001Seminar iz konstrukcij, 7. marec 2001

Uvod

VNAPREJŠNJA NAPOVED

POTRESODZIVAB stena

EKSPERIMENT (CAMUS 3)

KALIBRACIJAMODELA

Opis preizkušanca

• modelno merilo 1:3modelno merilo 1:3

• dve 5-etažni steni brez dve 5-etažni steni brez odprtinodprtin

• višina stene 5.10 mvišina stene 5.10 m

• dimenzije prereza stene dimenzije prereza stene 0.06 0.06 × × 1.70m (0.10 1.70m (0.10 × × 2.10m)2.10m)

• dodatne mase pritrjene na dodatne mase pritrjene na medetažne plošče medetažne plošče (skupaj: 36.3 ton)(skupaj: 36.3 ton)

• mikrobetonmikrobeton, , jeklene žicejeklene žice

-0.42g

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

0 5 10 15 20

čas [s]

ag [g]

Nice ag,max = 0.42g

0.22g

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

0 5 10 15 20

čas [s]

ag [g]

Nice ag,max = 0.22g

-1.35g-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

0 5 10 15 20

čas [s]

ag [g] Melendy Ranch ag,max = 1.35g

-0.64g

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

0 5 10 15 20

čas [s]

ag [g]

Nice ag,max = 0.64g

1.0g

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

0 5 10 15 20

čas [s]

ag [g]Nice ag,max = 1.0g

-1.35g-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

0 5 10 15 20

čas [s]

ag [g] Melendy Ranch ag,max = 1.35g

Obtežbapredstavlja

močan potres v bližini preloma

(near-fault earthquake)

frekvence akcel. sovpadajo z

lastno frekvenco preizkušanca

0

20

40

60

80

100

120

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1nihajni čas [s]

posp

ešek

[m/s

2]

Vnaprejšnja napoved

DIMENZIONIRANJEDIMENZIONIRANJE

MODELIRANJE NEELASTIČNEGA ODZIVAMODELIRANJE NEELASTIČNEGA ODZIVA

IZRAČUN Z “N2” METODOIZRAČUN Z “N2” METODOelement z več navpičnimi

vzmetmi (MVLEM)

časovni odzivičasovni odzivi

ekstremne vrednosti količinekstremne vrednosti količin

IZBRAN

Dimenzioniranje stene po EC-8

po principupo principu “capacity design” “capacity design”

po projektnem spektru po projektnem spektru EC-8EC-8 na: na:

Modeliranje stene je uspešnejše, če vemo, s kakšnim Modeliranje stene je uspešnejše, če vemo, s kakšnim predpostavkami je bil preizkušanec projektiran!predpostavkami je bil preizkušanec projektiran!

aagg = 0.75g = 0.75g

q = 2.55 (DC M)q = 2.55 (DC M)

a g = 0.75g

q=2.55 (DC M)

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0

T

R(T

)

upogibno obnašanje upogibno obnašanje stenestene

Modeliranje neelastičnega odziva stene

modeliranje stene s tremi elementimodeliranje stene s tremi elementi

računalniški program DRAINračunalniški program DRAIN prva različica že leta prva različica že leta 19731973

• element z več navpičnimi vzmetmi (MVLEM)

• gredni element s Takedinimi histereznimi pravili

• lamelni (fiber) element

modeliranje obnašanjamodeliranje obnašanja

makro elementmakro element

dve togi prečkidve togi prečki

6 navpičnih vzmeti6 navpičnih vzmeti

1 strižna vzmet1 strižna vzmet

2-L2-L

Gibersonov gredni elementGibersonov gredni element(linijski element)(linijski element)

odnos M-odnos M-

neposredni opis stanja v neposredni opis stanja v konstrukcijikonstrukciji

Predpostavke modeliranja podobnosti modelov

• zgostitev elem. zgostitev elem. v spodnjih 2 etažah v spodnjih 2 etažah

• elastičen temeljelastičen temelj

razlike modelov

• model je enostavna konzolamodel je enostavna konzola[M][M]

MVLEMgredni element

(Takeda)lamelni (fiber)

element

model. prečnega prereza

6 vzdolžnih + 1 strižna vzmet

nelinearni odnos moment – rotacija

vozlišča za Gibersonov gred.

element; 3-L

posamezna vlakna

upoštevanje neelastičnosti

odnos F – u za vzmeti;

3-L Ţ 2-L

na nivoju materialnih lastnosti

(beton, jeklo)

utrditevpovečana na 6 %

(numerične težave)

dejanska: 0.5-1% (iz diagrama

za jeklo)dejanska: 0.5-1%

• strižno obnašanje je elastičnostrižno obnašanje je elastično

IZBRAN

Izračun z N2 metodo

Predpostavke:Predpostavke:

IDEALIZACIJA !!!IDEALIZACIJA !!!

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1nihajni čas [s]

posp

ešek

[cm

/s2]

dejanski spekter

idealiziran spekter

• spektre zahtev smo izračunali s spektre zahtev smo izračunali s pomočjo podanih akcelogramovpomočjo podanih akcelogramov

• za za pushoverpushover analizo je bil uporabljen model z MVLEM analizo je bil uporabljen model z MVLEM (z utrditvijo 6%)(z utrditvijo 6%)

uporaba spektra uporaba spektra odzivaodziva++

nelinearna statična nelinearna statična (pushover) analiza(pushover) analiza

po signalu Melendy Ranchpo signalu Melendy Ranch

Eksperimentalni rezultati

pred vsemi preiskusipred vsemi preiskusi

po signalu Nice apo signalu Nice ag,maxg,max = 1.0g = 1.0g

• težave z merilnimi instrumenti na vrhu stenetežave z merilnimi instrumenti na vrhu stene

• razpoke pred začetkom dinamičnih preiskavrazpoke pred začetkom dinamičnih preiskav

nerealni pomiki na vrhu stenenerealni pomiki na vrhu stene

kasnejše primerjave:kasnejše primerjave:

pomiki na vrhu predzadnje etaže (pomiki na vrhu predzadnje etaže (DXR5DXR5))

• predhodna obremenitev stene s signalom predhodna obremenitev stene s signalom NiceNice aag,maxg,max = 0.42g = 0.42g

leva stena

Eksperimentalni rezultati

Melendy Ranch

491.4

-513.4-427.5

510.1

-600

-400

-200

0

200

400

600

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0

čas [s]

mom

ent

[kN

m]

MVLEM

eksperimentNice 1

-138.1

-178.9-184.5

-136.0

-200

-190

-180

-170

-160

-150

-140

-130

-120

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0

čas [s]

osna

sila

[kN

]

MVLEM

eksperiment

1.41

-2.45

3.44

-4.62-5.0

-2.5

0.0

2.5

5.0

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0

čas [s]

pom

ik -

DX

R5

[cm

]

MVLEM

eksperiment

Analiza rezultatov napovedi

• relativno dobra napoved za odzive pri “near fault” potresu (Melendy Ranch)

• spreminjanje osne sile v konzolni steni

Ugotovitve:

• slaba napoved za Nice ag,max = 0.64g in Nice ag,max = 1.0g

• neujemanje količin za Nice ag,max = 0.22g

(vpliv predhodne obremenitve)

Vpliv predhodne obremenitve

Nice aNice ag,maxg,max = 0.22g = 0.22g (z oz. brez predhodne obremenitve z Nice ag,max = 0.42g)

zz

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

čas [s]

Po

mik

- D

XR

5 [

cm]

eksperiment

napoved

brezbrez

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

čas [s]

Po

mik

- D

XR

5 [

cm]

eksperiment

napoved

Kalibracija modela

SLABA NAPOVED

Nice ag,max = 1.0g

Nice ag,max = 0.64g KALIBRACIJA MODELA

neelastični strig

Ni bilo fizikalne osnove !!!

NOV UPOGIBNI

MODEL(poenostavljen)spreminjanje

parametrov

rezultati primerljivi zeksperimentom

EKSPERIMENT

1

1

NO

DE

NU

MB

ER

S

ELE

ME

NT

NU

MB

ER

S

1 el

ast

ic b

eam

ele

men

t (fo

otin

g)

1 M

VL

EM

4 el

ast

icbe

am e

lem

ents

60.0

139.

5

229.

5

319.

5

409.

5

499.

5

60.0

79.5

9090

9090

499.

5

rK K2K

r

2

3

4

5

6

7

2

3

4

5

6

rrK

rK2K

r

1

1

NO

DE

NU

MB

ER

S

ELE

ME

NT

NU

MB

ER

S

1 el

ast

ic b

eam

ele

men

t (fo

otin

g)

1 M

VL

EM

4 el

ast

icbe

am e

lem

ents

60.0

139.

5

229.

5

319.

5

409.

5

499.

5

60.0

79.5

9090

9090

499.

5

rK K2K

r

2

3

4

5

6

7

2

3

4

5

6

rrK

rK2K

r

Tabela 1: Izmerjene lastnosti jekla

premer [mm]

deformacija porušitve [%]

4.5 2.18 6.0 3.38 8.0 16.8

Nov model poenostavljen model NUMERIČNA NUMERIČNA

NESTABILNOSTNESTABILNOSTmodela z več elementi modela z več elementi (MVLEM)(MVLEM)

za dejansko utrditev (1%)za dejansko utrditev (1%)

model potresne mize

• v nategu:

TOGOST• v tlaku:

“mehčanje” modela

1 MVLEM !!!1 MVLEM !!!

(vertikalno nihanje – osne sile)

TOGOST in

NOSILNOST

zmanjšali smo

izključili smo armaturne palice (pretrgane, izvlečene,...)

BETON

-600

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

3.50 3.55 3.60 3.65 3.70 3.75 3.80 3.85 3.90 3.95 4.00

time [s]

NZ1 [kN] (a)

(b)

(a) ... potresna miza ni upoštevana v modelu (b) ... potresna miza je upoštevana v modelu

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0

time [s]

a [g

]

Izmerjeni vertikalni pospeški v sredini potresne mizeIzmerjeni vertikalni pospeški v sredini potresne mize

Rezultati – Nice ag,max = 0.64g

-5.0

-4.0

-3.0

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0

čas [s]

Pom

ik -

DX

R5

[cm

]eksperiment

kalibriran model

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

-5.0 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

Pomik - DXR5 [cm]

eksperiment

kalibriran model

prečna sila ob vpetju TX1 [kN]

Rezultati – Nice ag,max = 1.0g

-5.0

-4.0

-3.0

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0

čas [s]

Pom

ik -

DX

R5

[cm

]eksperiment

kalibriran model

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

-5.0 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

Pomik - DXR5 [cm]

eksperiment

kalibriran model

prečna sila ob vpetju TX1 [kN]

Raztezki armature – širina razpok

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3 5 7 9 11 13 15

čas [s]

[cm

]eksperiment

kalibriran model

južnajužnastranstran

Nice aNice ag,maxg,max = 1.0g = 1.0g (leva stena) (leva stena)

rušno stanje

dodatne pretrgane palice

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3 5 7 9 11 13 15

čas [s]

[cm

]

eksperiment

kalibriran model

severnasevernastranstran

Ugotovitve

relativno dobra napoved za manjši signal Nice 0.22g in močnejši Melendy Ranch

po kalibraciji modela so rezultati za Nice 0.64g in Nice 1.0g zadovoljivi

princip “capacity design” je deloval po pričakovanjih

• plastifikacija v prvi etaži

• strižna porušitev je bila preprečena

stena je prenesla večjo obtežbo od tiste, na katero je bila projektirana

proti koncu odziva pri Nice 1.0g opazimo večja odstopanja, ker se nahajmo v rušnem stanju

komentarji glede EC-8:

Melendy Ranch – pulzna obtežba (3x večja)

Zaključki in cilji

• odpraviti nestabilnosti v numeričnih procedurah MVLEM

• odziv v rušnem stanju je težko zanesljivo napovedati

• nove izkušnje pri numeričnem modeliranju sten

• uporabauporaba

• vgradnja popravljenega MVLEMvgradnja popravljenega MVLEM

• vgradnja novega elementavgradnja novega elementa

• zaključek projekta ‘CAMUS 3’ z delavnico (junij 2001)

DRAIN-2D

* PEER, University of California at Berkeley

OpenSees *

raziskati in popraviti raziskati in popraviti kodo za MVLEMkodo za MVLEM