Кіріспе
Ғимараттар мен құрылыстардың жер сілкінісіне жауап беруін зерттеу. Сейсмикалық талдау – құрылымдық талдаудың бір бөлігі және ғимараттың (немесе ғимарат емес) құрылысының жер сілкінісіне жауап беруін есептеу. Бұл жер сілкінісі жиі болатын аймақтардағы құрылысты жобалау, жер сілкінісі инженерлігі немесе құрылысты бағалау және күшейту (құрылыс инженерлігін қараңыз) процесінің бір бөлігі болып табылады. Суретте көрсетілгендей, ғимарат жер сілкінісі (немесе тіпті күшті жел кезінде) алға-артқа "қозғалуы" мүмкін. Бұл "негізгі режим" деп аталады және ғимараттың ең төмен жиіліктік жауабы. Алайда, көптеген ғимараттарда жоғары режимдері де болады, олар жер сілкінісі кезінде ерекше белсенділік көрсетеді. Суретте екінші режим көрсетілген, бірақ жоғарырақ "қалбырау" (аномальды діріл) режимдері де бар. Дегенмен, көбінесе бірінші және екінші режимдер ең көп зақымды тудырады. Сейсмикалық тұрақтылықты қамтамасыз етудің алғашқы шаралары – ғимарат салмағының белгілі бір бөлігіне тең бүйірлік күштерді есепке алу (әр қабат деңгейінде қолданылады). Бұл тәсіл 1927 жылғы Бірыңғай құрылыс кодексінің (UBC) қосымшасында қабылданды, ол АҚШ-тың батыс жағалауында қолданылды. Кейіннен құрылыстың динамикалық қасиеттері жер сілкінісі кезінде туындайтын жүктемелерге әсер ететіні анықталды. 1943 жылғы Лос-Анджелес округінің құрылыс кодексінде едендер санына байланысты жүктемені өзгерту ережесі қабылданды (1937 жылы басталған Калтехте, Станфорд университеті және АҚШ Жағалау және геодезиялық қызметімен бірлесіп жүргізілген зерттеулерге негізделген). "Жауап спектрлері" тұжырымдамасы 1930 жылдары жасалды, бірақ 1952 жылға дейін ғана ASCE Сан-Франциско бөлімі мен Солтүстік Калифорния құрылымдық инженерлер қауымдастығының (SEAONC) бірлескен комитеті құрылыс периодын (жиіліктің кері шамасы) пайдаланып бүйірлік күштерді анықтауды ұсынды. Калифорния университеті, Беркли, профессор Рей Клаудың (шекті элементтер терминін енгізген) басшылығымен құрылымдардың компьютерлік сейсмикалық талдауының алғашқы ортасы болды. Студенттерінің арасында 1970 жылы SAP бағдарламасын жазған Эд Уилсон болды, ол "шекті элементтік талдау" бағдарламасының алғашқы үлгісі еді. Жер сілкінісі инженерлігі алғашқы жылдардан бері көп дамыды, ал кейбір күрделі жобаларда қазір арнайы жер сілкінісінен қорғау элементтері қолданылады, олар негізде (негіздік оқшаулау) немесе бүкіл құрылым бойынша орналастырылған. Мұндай құрылымдарды талдау үшін уақытты өте кішкентай бөліктерге бөліп, нақты физикалық процестерді модельдейтін арнайы, нақты шекті элементтерді қолданатын компьютерлік код қажет, бұл әдеттегі бейне ойындардағы "физикалық қозғалтқыштарға" ұқсас. Өте үлкен және күрделі ғимараттарды осылай модельдеуге болады (мысалы, Осака халықаралық конгресс орталығы). Құрылымдық талдау әдістерін келесі бес санатқа бөлуге болады.
Seismic analysis is a subset of structural analysis and is the calculation of the response of a building (or nonbuilding) structure to earthquakes. It is part of the process of structural design, earthquake engineering or structural assessment and retrofit (see structural engineering) in regions where earthquakes are prevalent. As seen in the figure, a building has the potential to 'wave' back and forth during an earthquake (or even a severe wind storm). This is called the 'fundamental mode', and is the lowest frequency of building response. Most buildings, however, have higher modes of response, which are uniquely activated during earthquakes. The figure just shows the second mode, but there are higher 'shimmy' (abnormal vibration) modes. Nevertheless, the first and second modes tend to cause the most damage in most cases. The earliest provisions for seismic resistance were the requirement to design for a lateral force equal to a proportion of the building weight (applied at each floor level). This approach was adopted in the appendix of the 1927 Uniform Building Code (UBC), which was used on the west coast of the United States. It later became clear that the dynamic properties of the structure affected the loads generated during an earthquake. In the Los Angeles County Building Code of 1943 a provision to vary the load based on the number of floor levels was adopted (based on research carried out at Caltech in collaboration with Stanford University and the United States Coast and Geodetic Survey, which started in 1937). The concept of "response spectra" was developed in the 1930s, but it wasn't until 1952 that a joint committee of the San Francisco Section of the ASCE and the Structural Engineers Association of Northern California (SEAONC) proposed using the building period (the inverse of the frequency) to determine lateral forces. The University of California, Berkeley was an early base for computer based seismic analysis of structures, led by Professor Ray Clough (who coined the term finite element. Students included Ed Wilson, who went on to write the program SAP in 1970, an early "finite element analysis" program. Earthquake engineering has developed a lot since the early days, and some of the more complex designs now use special earthquake protective elements either just in the foundation (base isolation) or distributed throughout the structure. Analyzing these types of structures requires specialized explicit finite element computer code, which divides time into very small slices and models the actual physics, much like common video games often have "physics engines". Very large and complex buildings can be modeled in this way (such as the Osaka International Convention Center). Structural analysis methods can be divided into the following five categories.
Теңдестірілген статикалық талдау
Бұл тәсіл ғимаратқа әсер ететін күштердің тізбесін анықтап, жер сілкінісінің жер қозғалысынан туындайтын әсерін көрсетеді, бұл әдетте сейсмикалық есептеудің жауап спектрімен сипатталады. Ол ғимараттың негізгі жиілігінде жауап беретінін болжайды. Мұның дұрыс болуы үшін ғимарат төмен қабатты болуы керек және жер қозғалғанда айтарлықтай бұрылмауы тиіс. Жауап ғимараттың табиғи жиілігіне сәйкес, есептеу жауап спектрінен анықталады (есептелген немесе құрылыс ережелерімен белгіленген). Көптеген құрылыс ережелерінде бұл әдістің қолданылу аясы кейбір жоғары жиіліктері бар биік ғимараттар мен төмен деңгейдегі бұрылуды ескеру үшін қосымша факторлар қолдану арқылы кеңейтіледі. Құрылымның "икемделуінен" туындайтын әсерлерді ескеру үшін көптеген ережелер жобалау күштерін азайтатын түзету коэффициенттерін қолданады (мысалы, күшті азайту коэффициенттері).
Сызықтық динамикалық талдау
Жоғары режимдегі әсерлер маңызды болмаған кезде статикалық процедуралар қолданылады. Бұл, әдетте, қысқа, тұрақты ғимараттарға қатысты. Сондықтан, биік ғимараттар, бұрылу бұзылыстары бар ғимараттар немесе тікбұрышты емес жүйелер үшін динамикалық процедура талап етіледі. Сызықтық динамикалық процедурада ғимарат көп еркіндік дәрежесі (MDOF) жүйесі ретінде модельделеді, оның құрамында сызықтық серпімділік матрицасы және эквивалентті тұтқырлық демпферлеу матрицасы болады. Сейсмикалық әсер модальды спектрлік талдау немесе уақыт бойынша талдау арқылы модельделеді, бірақ екі жағдайда да сәйкес ішкі күштер мен орын ауыстырулар сызықтық серпімділік талдауы арқылы анықталады. Сызықтық статикалық процедураларға қарағанда осы сызықтық динамикалық процедуралардың артықшылығы жоғары режимдерді ескеруге мүмкіндік беруі. Дегенмен, олар сызықтық серпімді жауапқа негізделген, сондықтан сызықтық емес мінез-құлықтың күшеюімен қолданылуы төмендейді, бұл жалпы күшті азайту коэффициенттерімен жуықталады. Сызықтық динамикалық талдау кезінде құрылыстың жер сілкінісіне реакциясы уақыт доменінде есептеледі, сондықтан барлық фазалық ақпарат сақталады. Тек сызықтық қасиеттер ғана қарастырылады. Аналитикалық әдіс талдаудағы еркіндік дәрежесін азайту құралы ретінде модальды декомпозицияны пайдалана алады.
Сызықтық емес статикалық талдау
Жалпы алғанда, сызықтық процедуралар құрылымның жер сілкінісі деңгейінде дерлік серпімді болып қалуы күтілгенде немесе конструкцияның бүкіл құрылымындағы сызықтық емес жауаптың біркелкі таралуына әкелетін жағдайда қолданылады. Құрылымның жұмыс істеу мақсаты үлкен серпімділік талаптарын білдіргенде, сызықтық процедуралардағы белгісіздік талаптарды болжау және қабылдау критерийлерінде жоғары дәрежеде консервативтік болуды талап ететін деңгейге жетеді, артық жұмыс істеуден сақтану үшін. Сондықтан, серпімділік емес талдауды қамтитын процедуралар белгісіздік пен консервативтілікті азайтуға мүмкіндік береді. Бұл әдіс "итеру" талдауы деп те аталады. Құрылымдық модельге сызықтық емес қасиеттер (мысалы, болаттың беріктігі) енгізіліп, күштердің схемасы қолданылады, содан кейін жалпы күштің сыйымдылық қисығын анықтау үшін эталондық орын ауыстыруға қарсы графигі салынады. Бұл деректерді сұраныс қисығымен (әдетте үдеу-орын ауыстыру жауап спектрі (ADRS) түрінде) біріктіруге болады. Бұл мәселені бір еркіндік дәрежесіне (SDOF) дейін қарапайымдайды. Сызықтық емес статикалық процедуралар эквивалентті SDOF құрылымдық модельдерін пайдаланады және сейсмикалық жер сілкінісін жауап спектрлері арқылы көрсетеді. Қабаттардың орын ауыстырулары мен компоненттердің әрекеттері кейіннен жаһандық сұраныс параметрімен итеру немесе сыйымдылық қисықтары арқылы байланыстырылады, бұл сызықтық емес статикалық процедуралардың негізі болып табылады.
Сызықтық емес динамикалық талдау
Сызықтық емес динамикалық талдау жер қозғалысы тіркелімдерін егжей-тегжейлі құрылымдық модельмен үйлестіреді, сондықтан салыстырмалы түрде төмен белгісіздікпен нәтижелер алуға мүмкіндік береді. Сызықтық емес динамикалық талдауларда, жер қозғалысы тіркеліміне түсетін егжей-тегжейлі құрылымдық модель, модельдегі әрбір еркіндік дәрежесі үшін компоненттік деформацияларды бағалайды, ал модальдық жауаптар квадрат түбірінің қосындысы тәрізді схемалар арқылы біріктіріледі. Сызықтық емес динамикалық талдауда құрылымның сызықтық емес қасиеттері уақыт доменіндегі талдаудың бір бөлігі ретінде қарастырылады. Бұл әдіс ең қатаң болып саналады және кейбір құрылыс нормаларында ерекше конфигурациясы бар немесе арнайы маңызға ие ғимараттар үшін талап етіледі. Дегенмен, есептелген жауап сейсмикалық кіріс ретінде қолданылатын жеке жер қозғалысы тіркелімінің ерекшеліктеріне өте сезімтал болуы мүмкін; сондықтан құрылымдық жауаптың ықтималдық таралуын сенімді бағалау үшін әртүрлі жер қозғалысы тіркелімдерін қолдана отырып, бірнеше талдаулар қажет. Сейсмикалық жауаптың қасиеттері сейсмикалық дірілдің қарқындылығына немесе күшіне байланысты болғандықтан, толыққанды бағалау үшін әртүрлі мүмкін жер сілкінісі сценарийлерін бейнелеу үшін әртүрлі қарқындылық деңгейлерінде көптеген сызықтық емес динамикалық талдаулар қажет. Осыдан инкременттік динамикалық талдау сияқты әдістер пайда болды.