Математические модели сейсмоизолирующих устройств

Содержание

Слайд 2

Линейная математическая модель резинометаллических опорных частей из натуральной и синтетической резины

Линейная математическая модель резинометаллических опорных частей из натуральной и синтетической резины
Линейное

поведение резинометаллических опорных частей моделируется линейной пружиной с постоянной эффективной жёсткостью и линейным демпфером с постоянным коэффициентом демпфирования .
Слайд 3

Расчёт на сейсмические воздействия должен выполнятся для трех ортогональных (двух горизонтальных

Расчёт на сейсмические воздействия должен выполнятся для трех ортогональных (двух горизонтальных

и одного вертикального) компонентов движений при землетрясениях.
Ортогональные оси должны, в целом, совпадать с главными осями конструкции.
Слайд 4

Динамический метод расчёта во времени Общие требования (a) Динамический расчёт конструкций,

Динамический метод расчёта во времени
Общие требования
(a) Динамический расчёт конструкций, подверженных динамическим

сейсмическим воздействиям, может быть выполнен с использованием как линейного, так и нелинейного методов.
Динамические расчёты при использовании любого из выше указанных методов основываются на решении системы совместных дифференциальных уравнений с заданными начальными условиями и силами.
Слайд 5

В случаях, когда в качестве исходных данных используется два или несколько

В случаях, когда в качестве исходных данных используется два или несколько

уравнений движения одной и той же опоры, результаты расчёта должны быть усреднены как в линейном, так и в нелинейном решении.
Временной шаг (ΔТ) при получении решения для точного определения действующих динамических сил и для обеспечения стабильности и устойчивости решения должен быть достаточно малым.
Слайд 6

Приемлемым правилом является допущение о том, что шаг ΔТ должен быть

Приемлемым правилом является допущение о том, что шаг ΔТ должен быть

настолько малым, что использование шага, равного ½ ΔТ, не изменит реакцию более, чем на 10%.
Для наиболее часто применяемых методов значения ΔТ приведены в Таблице 11.1
Метод Доля от наименьшего, представляющего
интерес периода
Houbolt (Хуболт) 1/15
Newmark (Ньюмарк) 1/10
Wilson (Вильсон) 1/10
Nigam-Jennings (Нигам-Дженингс) 1/5
Слайд 7

1.1 Линейные системы (a) Реакция линейной системы с конечным числом степеней

1.1 Линейные системы
(a) Реакция линейной системы с конечным числом степеней свободы,

подверженная сейсмическому воздействию, определяется следующим дифференциальным уравнением движения:
[11.1]
[M] - матрица масс (n×n); [C] - матрица демпфирования (n×n);
[K] - матрица жесткости (n×n);
{X} = вектор столбец относительных смещений (n×1);
- вектор столбец относительных скоростей (n × 1);
- вектор столбец относительных ускорений (n × 1);
{Ub} - вектор влияния; вектор смещения точек конструкции при перемещении опоры на единицу длины в направлении сейсмического движения (n×1);
n - число динамических степеней свободы;
- ускорение грунта;
Слайд 8

Уравнение (11.1) может быть решено методом разложения по собственным векторам или

Уравнение (11.1) может быть решено методом разложения по собственным векторам или

методом прямого интегрирования уравнений движения
Разложение по собственным векторам (Метод модальной суперпозиции)
Метод разложения по собственным формам может быть использован в случаях, когда уравнения движения (Уравнения 11.1) могут быть разделены на независимые уравнения путём преобразования:
{Y} = [Φ]{X} (11.22)
где
[Φ] - нормированная матрица форм колебаний;
- единичная матрица размера (m × m);
{Y} = вектор нормальных или обобщенных координат (m × 1);
m = число учтенных форм колебаний.
Слайд 9

Преобразование системы уравнений (11.2) разделит уравнения движения на независимые уравнения в

Преобразование системы уравнений (11.2) разделит уравнения движения на независимые уравнения в

тех случаях, когда величины {Φ}T [C]{Φj}, i ≠ j, являются малыми, и ими можно пренебречь.
Это приближение используется во многих практических случаях, включая механические системы с композитным демпфированием.
Если опыт показывает, что подобное приближение является неподходящим или желателен более точный анализ, может быть использован метод, который учитывает не классически демпфированные системы.


Слайд 10

Независимое дифференциальное уравнение движения для каждой формы колебания может быть записано

Независимое дифференциальное уравнение движения для каждой формы колебания может быть записано

следующим образом:
(11.3)
где
Yj - обобщенные координаты j - той формы колебаний;
ξj - коэффициент демпфирования для j – той формы колебаний, выраженный как часть критического демпфирования.
ωj - круговая частота j – той формы колебания системы (rad/s);
Γj - модальный коэффициент участия для j – той формы колебания;
Слайд 11

Дифференциальное уравнение колебаний механической системы с одной степенью свободы при сейсмическом воздействии (см. лекцию №4)

Дифференциальное уравнение колебаний механической системы с одной степенью свободы при сейсмическом

воздействии
(см. лекцию №4)
Слайд 12

Модальный коэффициент участия Γj j – той формы колебания определяется выражением:

Модальный коэффициент участия Γj j – той формы колебания определяется выражением:

(11.3)
(масса нормирована таким образом, чтобы знаменатель был равен единице)
Независимые дифференциальные уравнения движения, имеющие форму уравнений движения системы с одной степенью свободы, должны быть проинтегрированы с помощью проверенных и известных методик. Некоторые из них приведены в выше в Таблице 11.1.
Слайд 13

Способы решения дифференциальных уравнений с использованием численных методов, которые легко реализуются

Способы решения дифференциальных уравнений с использованием численных методов, которые легко реализуются

в пакете программ Matlab:
- интеграл Дюамеля
- метод прямого (пошагового) интегрирования,
- θ-метод Вильсона,
- β-метод Ньюмарка,
- метод Рунге – Кутта,
- метод решения с использованием алгоритма быстрого преобразования Фурье
Слайд 14

Прямое интегрирование При определении решений уравнения может быть использовано прямое интегрирование

Прямое интегрирование
При определении решений уравнения
может быть использовано прямое интегрирование

дифференциальных уравнений движения.
Используются как неявные, так и явные методы численного интегрирования.
Слайд 15

Нелинейные методы При выполнении нелинейных расчётов должны быть учтены следующее факторы:

Нелинейные методы
При выполнении нелинейных расчётов должны быть учтены следующее факторы:
1.

Геометрические нелинейности, которые существенно изменяют геометрию системы - большие перемещения и значительные зазоры;
2. Нелинейные свойства материалов, такие как пластичность или трение, в диапазоне рассматриваемых реакций.  
3. Прямое интегрирование и модальная суперпозиция (когда это возможно) являются приемлемыми методами для получения решения и для нелинейных систем.
Слайд 16

Нелинейные расчёты должны, в основном, учитывать все три компоненты сейсмических движений,

Нелинейные расчёты должны, в основном, учитывать все три компоненты сейсмических

движений, которые должны рассматриваться одновременно, если не может быть доказано, что реакции, соответствующие различным компонентам являются независимыми.
Вообще, должно быть использовано более одного набора акселерограмм, по результатам расчётов должно быть произведено усреднение.
Слайд 17

11.2 Метод спектров ответа Линейные методы При использовании метода спектров ответа,

11.2 Метод спектров ответа
Линейные методы
При использовании метода спектров ответа,

основные уравнения движения должны быть разделены путём применения линейного преобразования координат (11.2) и представлены в виде независимых уравнений для каждой собственной формы колебаний (уравнения 11.3).
Обобщенная реакция, соответствующая каждой собственной форме колебаний, должна определяться из уравнения:
где Sai – амплитуда спектра ускорения, соответствующая частоте ωj. (fj)
Слайд 18

Спектры откликов EUROCODE 8 Tj=1/fj Sai

Спектры откликов EUROCODE 8

Tj=1/fj

Sai

Слайд 19

Максимальное перемещение i-го узла относительно основания, соответствующие j-той форме колебаний определяются

Максимальное перемещение i-го узла относительно основания, соответствующие j-той форме колебаний определяются

из уравнения:
При выполнении расчётов с использованием уравнений 11.4 и 11.5, а также при подсчете величин реакции, знак коэффициента участия формы Γj, максимальное значение обобщенной координаты Yi (max), максимального смещение i-го узла по отношению к основанию, соответствующее j-ой форме колебаний Xij (max), а также знаки величин других реакции должны быть учтены.
Слайд 20

11.3 Метод комплексных спектров ответа При использовании метода комплексных спектров ответа

11.3 Метод комплексных спектров ответа
При использовании метода комплексных спектров ответа

при расчёте на сейсмические воздействия, должны быть соблюдены следующие требования:
1. Временной интервал исходных уравнений движения должен быть подобран таким образом, чтобы сохранялось максимальное число частот, представляющих интерес.
2. Частотный интервал для определения передаточных функций должен быть выбран из расчёта точного представления передаточных функций на частотах, равных собственным частотам конструкции.
Слайд 21

Метод комплексных спектров ответа (Продолжение) 3. Исходные сейсмические уравнения движения должны

Метод комплексных спектров ответа (Продолжение)
3. Исходные сейсмические уравнения движения должны

быть добавлены нулевыми отсчётами.
4. Зона нулевых отсчётов должна быть достаточно длинной, чтобы исключить влияние переходного процесса, т.е. для обеспечения нулевых начальных условий.
Слайд 22

Метод комплексных спектров ответа (продолжение) При использовании метода комплексных спектров ответа

Метод комплексных спектров ответа (продолжение)
При использовании метода комплексных спектров ответа

при расчёте на сейсмические воздействия, должны быть соблюдены следующие требования:
1. Временной интервал исходных уравнений движения должен быть подобран таким образом, чтобы сохранялось максимальное число частот, представляющих интерес.
2.Частотный интервал для определения передаточных функций должен быть выбран из расчёта точного представления передаточных функций на частотах, равных собственным частотам конструкции.
Слайд 23

При использовании метода комплексных спектров ответа зависимость реакция от времени R(t),

При использовании метода комплексных спектров ответа зависимость реакция от времени

R(t), определяется с использованием преобразования Фурье:
где R(ω) – реакция в области частот (комплексная реакция), определяемая следующем уравнением:
где T(ω) - передаточная функция для конструкции при круговой частоте, равной ω;
- преобразование Фурье функции, описывающей колебания грунта.
Слайд 24

Передаточные функции перемещений T(ωk), могут быть получены для каждой, представляющей интерес

Передаточные функции перемещений T(ωk), могут быть получены для каждой, представляющей интерес

частоты, ωk, путём решения уравнения:
Передаточные функции можно так же получить, применив преобразование Фурье к дифференциальным уравнениям, полученным в результате разложения по собственным формам колебаний
Слайд 25

Динамические степени свободы Модель моста и выбранные динамические степени свободы должны

Динамические степени свободы
Модель моста и выбранные динамические степени свободы

должны адекватно представлять распределения жесткостей и масс таким образом, чтобы были учтены все существенные формы колебаний и силы инерции при расчетном сейсмическом воздействии.
В определенных случаях для анализа достаточно использовать две разные модели: одну для моделирования реакции моста в продольном направлении и одну для поперечного направления.
Слайд 26

Модель отдельной мостовой опоры В некоторых случаях сейсмическому воздействию в поперечном

Модель отдельной мостовой опоры
В некоторых случаях сейсмическому воздействию в

поперечном направлении моста противодействуют только мостовые опоры без существенного взаимодействия между собой.
В таких случаях, сейсмическая нагрузка, действующая на i-ую мостовую опору, может быть определена посредством приложения на нее эквивалентной статической силы:
F = MSd (T),
Mi —эффективная масса, приписываемая мостовой опоре i,
период мостовой опоры, рассматриваемой независимо от остальной части моста.
Слайд 27

Спектры откликов EUROCODE 8

Спектры откликов EUROCODE 8

Слайд 28

Значения коэффициента динамичности βi в зависимости от расчетного периода собственных колебаний

Значения коэффициента динамичности βi в зависимости от расчетного периода собственных колебаний

Ti здания или сооружения по i-й форме
СП 14.13330.2012
Слайд 29

12 Системы с многоточечными опираниями Общие требования Системы, опоры которых подвержены

12 Системы с многоточечными опираниями
Общие требования
Системы, опоры которых подвержены

отличающимся воздействиям, расчёты могут осуществляться с помощью как динамического метода расчёта во времени, так и метода спектров ответа.
Слайд 30

(a) дифференциальные уравнения движения одноопорной системы (б) дифференциальные уравнения движения многоопорных

(a) дифференциальные уравнения движения одноопорной системы
(б) дифференциальные уравнения движения

многоопорных системы
[M] - матрица масс (n×n); [C] - матрица демпфирования (n×n);
[K] - матрица жесткости (n×n);
{X} = вектор столбец относительных смещений (n×1);
- вектор столбец относительных скоростей (n × 1);
- вектор столбец относительных ускорений (n × 1);
{Ubs} - вектор влияния; вектор смещения точек конструкции при единичном перемещении опоры s на единицу длины в то время как остальные опоры остаются неподвижными ;
n - число степеней свободы; s –номер опоры,
- ускорение грунта у основания опоры;
ns –общее число опор.
Слайд 31

Уравнение (12.1) может быть решено при помощи метода прямого интегрирования или

Уравнение (12.1) может быть решено при помощи метода прямого интегрирования или

с помощью метода модальной суперпозиции таким же образом, как выполняется решении уравнения (11.1) для одноопорной конструкцией.
При решении с использованием метода модальной суперпозиции уравнение:
заменяется уравнением:
где
Γsj = {Φj}T[M]{Ubs}, коэффициент участия опоры с номером s, в j-той форме собственных колебаний.
Слайд 32

Метод спектров ответа Спектры ответов определяется для движения каждой опоры и

Метод спектров ответа
Спектры ответов определяется для движения каждой опоры

и величины демпфирования. Два метода расчёта спектров ответа при задании движения многоопорных систем представлены ниже в пунктах (a) и (b).
a) Метод огибающего спектра. Огибающий спектр для всех опор для заданной величины демпфирования и направления движения используется как входной спектр для всех опор. Максимальная реакция системы определяется с помощью метода спектра ответов так же как для одноопорной конструкции.
(b) Многоспекторный метод. Этот метод может быть использован, когда известны относительные фазовые характеристики, соответствующие отличающимся движениям каждой из опор. Производится расчёт спектра ответа при движении каждой опоры. Реакции от движений всех опор складываются с учётом фазовых сдвигов.
Слайд 33

Модальные и покомпонентные составляющие реакции, полученные с использование огибающего спектра, а


Модальные и покомпонентные составляющие реакции, полученные с использование огибающего спектра,

а также реакции, полученные при задании движения каждой опоры с помощью многоспекторного метода, суммируются по определённым правилам.
Действие относительных смещений опор определяется при использовании наиболее неблагоприятных комбинаций пиковых смещения опор или при соответствующем представлении относительных фазовых характеристик, связанных со смещениями различных опор.
Реакции, найденные с помощью любого из двух методов спектрального анализа, складываются с реакциями, вызванных относительными смещениям опор, с использованием правила (ККСК).
Слайд 34

Суммирование модальных и компонентных откликов . Основное правило модального суммирования Приемлемым

Суммирование модальных и компонентных откликов
. Основное правило модального суммирования
Приемлемым методом суммирования

откликов всех собственных форм колебаний для l–той компоненты движения является формула:
где
Rl - значение модального отклика для i-той компоненты движения;
Rlj, Rlj – алгебраическое (с учётом знака) значение модального отклика i-той (j-той) формы колебаний.
Слайд 35

В формуле (11.4) параметр определяется следующим образом: где ƒi - cобственная

В формуле (11.4) параметр определяется следующим образом:
где ƒi - cобственная

частота i –той формы колебаний;
- коэффициент модального демпфирования для i – формы колебаний;
Слайд 36

Samax - максимальное значение спектра ускорения; Svmax - максимальное значение спектра

Samax - максимальное значение спектра ускорения;
Svmax - максимальное значение спектра скорости;
ƒr

- частота среза или частота ускорения нулевого периода
Примечание. Частота ускорения нулевого периода (УНП): наименьшая частота, при которой спектр ускорения становится практически независимым от демпфирования (и приблизительно равен максимуму исходного ускорения).
Слайд 37

Суммирование реакций от воздействия пространственных компонент В тех случаях, когда реакции

Суммирование реакций от воздействия пространственных компонент
В тех случаях, когда реакции

от каждой из трёх компонент землетрясения рассчитываются отдельно, суммарная реакция от землетрясения может быть получена по формуле:
где
R определяемая реакция, а RI (l = 1, 2 и 3) реакции при воздействии двух горизонтальных и одной вертикальной компоненты сейсмических движений.
Такое правило называется «корнем квадратным из суммы квадратов» ККСК.
Слайд 38

Альтернативное правило суммирования реакций от воздействия пространственных компонент В качестве альтернативы

Альтернативное правило суммирования реакций от воздействия пространственных компонент
В качестве альтернативы

реакции могут быть просуммированы на основании предположения о том, что, когда достигается максимальная реакция от одной из компонент, реакции от двух других составляют 40% от максимальных реакций.
В данном методе все возможные сочетания этих трех компонентов, R1, R2 и R3, с учётом вариации знаков (плюс или минус), должны быть просчитаны.
Данные правила суммирования приемлемы при определении реакций в каком либо направлении от различных компонент движения.
Слайд 39

Суммирование пространственных компонент при динамическом расчёте во времени (a) При динамическом

Суммирование пространственных компонент при динамическом расчёте во времени
(a) При

динамическом расчёте во времени расчёты могут выполняться для каждой компоненты сейсмического движения отдельно или может выполняться одновременный расчёт на все три компоненты, если они статистически независимы.
(b) В тех случаях, когда расчёты в линейной постановке осуществляются отдельно для каждой компонент, суммарная реакция от трех компонент может быть получена по правилу ККСК, позволяющему суммировать максимальные реакции на каждую компоненту землетрясения:
Слайд 40

Суммирование пространственных компонент при динамическом расчёте во времени (a) При динамическом

Суммирование пространственных компонент при динамическом расчёте во времени
(a) При

динамическом расчёте во времени расчёты могут выполняться для каждой компоненты сейсмического движения отдельно или может выполняться одновременный расчёт на все три компоненты, если они статистически независимы.
(b) В тех случаях, когда расчёты в линейной постановке осуществляются отдельно для каждой компонент, суммарная реакция от трех компонент может быть получена по правилу ККСК, позволяющему суммировать максимальные реакции на каждую компоненту землетрясения:
Слайд 41

Суммирование пространственных компонент при динамическом расчёте во времени (2) В качестве

Суммирование пространственных компонент при динамическом расчёте во времени (2)
В качестве

альтернативы, в тех случаях, когда линейные динамические расчёты во времени выполняются отдельно для каждой компоненты, суммарные реакции от трёх компонент могут быть получены по правилу суммирования «100-40-40», позволяющего суммировать максимальные реакции каждой компоненты землетрясения.
Реакции могут быть получены прямым способом, при допущении, что, если реакция достигает максимального значения от одной компонент, то реакции от двух других составляют 40% от их максимальных значений. В этом случае все возможные сочетания трёх компонент R1, R2 и R3, включая вариации знаков (плюс или минус), должны быть рассмотрены и наибольшие из них приняты в расчёт.