Talaj-szerkezet kölcsönhatásának vizsgálata Ansys környezetben

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Hidak és Szerkezetek Tanszék

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Hidak és Szerkezetek Tanszék

XV. eCon Konferencia – ANSYS Felhasználói Találkozó

Talaj-szerkezet kölcsönhatásának vizsgálata Ansys környezetben Pap Zsuzsa Borbála Kollár László P.

XV. eCon Konferencia

2016. április 21.

Budapest, 2016.04.21.



és Szerkezetek M0 Hidak Hárosi Duna-hídTanszék

Budapest, 2016.04.21.


és Szerkezetek M0 Hidak Hárosi Duna-hídTanszék

 Tervezés földrengésre


Budapest, 2016.04.21.



1. Talaj és szerkezet kölcsönhatása • A jelenség jelentősége A nagy erők a fal károsodását okozzák

 kicsi

A nagy elmozdulások a keretet károsítják

 nagy

Az alap elfordulása miatt nem károsodik a fal Merev/erős alapozás

Rugalmas/gyenge alapozás

• Definíció – E. Kausel:

A talaj és szerkezet kölcsönhatása egy érintkezési probléma a talaj felszíne és a szerkezeti elemek között. A feszültségek, amelyek ezen a érintkezési felületen ébrednek, csak az elmozdulások ismeretében határozhatók meg.

• Történelmi összefoglaló – Alapmegoldások (Kelvin, Flamant, Cerruti, Mindlin) – Statikus megoldások – Dinamikus megoldások • Eric Reissner (1936) • Szóródó/geometriai csillapítás • Ekvivalens tömeg-rugó-csillapító rendszer XV. eCon Konferencia

Budapest, 2016.04.21.



1. Talaj és szerkezet kölcsönhatása • Kinematikus interakció – Szabad felület mozgása ↔ talaj+szerkezet (FIM) – függ: merevségek különbsége, geometria, szeizmikus hullám tulajdonságai

• Dinamikus interakció – Dinamikus kölcsönhatás a talaj és szerkezet között

– A talaj deformációja növeli a rendszer szabadságfokát – A talaj és szerkezet kölcsönhatása növeli a rendszer periódusidejét T fix 

2 3EI , ahol K  3 h K M


Teq  T fix2  Trot2 , ahol Trot 

2 s , K rot  2 h K rot M Budapest, 2016.04.21.



2. Vizsgálati módszerek Befogás

Indirekt

• statikus tervezés • földrengési méretezés

• leggyakoribb alkalmazás tervezéskor • rugóállandó statikus számítás

Alszerkezetek módszere

• geometriai csillapítás és a hullámterjedés a talajban is figyelembe van véve

Közelítő megoldások, rövid számítási idő


Direkt

• talaj és szerkezet együttes modellezése • talaj nem-lineárisan is modellezhető

nagyon hosszú számítási idő

Budapest, 2016.04.21.



4. Vizsgálati szintek • Direkt módszer M teljes uteljes  Kuteljes   M teljes ualapkőzet Talaj pereme • Kelvin elem • Viszkózus csillapítás • Végtelen elem

Csillapítás normál és érintőirányban egységnyi területre: Cn   c p , Ct   cs

 :sűrűség c p :P-hullámok sebessége cs :S-hullámok sebessége

Talaj modellezése  ekvivalens lineáris modell Talaj csillapítása Talaj maximális nyírási modulusa XV. eCon Konferencia



Ahurok 2 G 2

Gmax   cs2

Budapest, 2016.04.21.



4. Vizsgálati szintek • Direkt módszer • ANSYS 14.5 • Elemek: BEAM188 MASS21 SOLID185 COMBIN14

• Full Transient Dynamic Analysis Input: Gyorsulás [m/s2]

1 0,5 0 -0,5 -1 0

5


10 Idő [s]

15

20

Budapest, 2016.04.21.



4. Vizsgálati szintek • Alszerkezetek módszere 1. Kinematikus interakció megoldása M talajuFIM  KuFIM   M talajualapkőzet

• Csak talaj és szerkezet • Talajnak van tömege • Alapnak nincs tömege

2. Impedancia • Függőleges, vízszintes, elfordulás, csavarás • Hsieh, Lysmer, Gazetas • Wolf  „cone” modell

S z ( )  k z  icz

3. Dinamikus interakció M teljes uin  Kuin   M szerkezet  ualapkőzet  uFIM 

M teljes uteljes  Kuteljes   M teljes ualapkőzet XV. eCon Konferencia

Budapest, 2016.04.21.



4. Vizsgálati szintek • Alszerkezetek módszere 1. Kinematikus interakció megoldása M talajuFIM  KuFIM   M talajualapkőzet

• Csak talaj és szerkezet • Talajnak van tömege • Alapnak nincs tömege

2. Impedancia • Függőleges, vízszintes, elfordulás, csavarás • Hsieh, Lysmer, Gazetas • Wolf  „cone” modell

S z ( )  k z  icz

3. Dinamikus interakció M teljes uin  Kuin   M szerkezet  ualapkőzet  uFIM 

M teljes uteljes  Kuteljes   M teljes ualapkőzet XV. eCon Konferencia

Budapest, 2016.04.21.



4. Vizsgálati szintek • Impedancia Erő-elmozdulás összefüggés a talaj-szerkezet határfelületén S ( ) Pl. z vertikális irányban:    it   Fz  t   Fz e    F t     6 x 6 S z ( )  z       it uz  t  uz  t   uz e         

Frekvenciától függ, minden egyes gerjesztő frekvenciához külön érték tartozik S z ( )  k z  icz

ANSYS Harmonic Analysis

Minden tagban két információ


Budapest, 2016.04.21.



4. Vizsgálati szintek • Harmónikus analízis

Módszerek: • Full method • Mode-superposition method •

(Auto, variational technology, v.t. perfect absorber, v.t. reuse method)

Megkötések: • Csak lineáris anyag (viszkoelasztikus lehet) • Lehet frekvenciafüggő rugó és csillapítóelem (COMBIN14) • ξ megadható közvetlenül, mint anyagtulajdonság (nem kell Rayleigh csillapítást alkalmazni) Imaginary F Erő megadása: Amplitude

F0



Phase angle Real

• Amplitúdót adjuk meg Amplitude • Fázisszög ekkor 0

F  1  F  1sin(t )

t

•

Freal  F0 cos Fimag  F0 sin XV. eCon Konferencia

2 2 F0  Freal  Fimag

  tan 1  Fimag Freal 

Fáziszöget nem lehet megadni, ha szükség lenne rá, akkor az erőt a valós és komplex értékével kell definiálni

Budapest, 2016.04.21.



4. Vizsgálati szintek • Impedancia

F  1sin t   1sin  2 ft 

Amplitúdó + fázisszög 1

h

Valós + komplex

l

Rugómerevség + csillapítás

3,5E-06

200 180

3,0E-06 2,5E-06

140 Fázisszög(°)

Amplitúdó (m)

160

2,0E-06 1,5E-06 1,0E-06

120 100

h=20m

80

h=40m

60

h=100m

40

5,0E-07

20

0,0E+00

0 0

0,5


1 1,5 Frekvencia (1/s)

2

2,5

0

0,5

1 1,5 Frekvencia (1/s)

2

2,5

Budapest, 2016.04.21.



4. Vizsgálati szintek • Impedancia

F  1sin t   1sin  2 ft 

Amplitúdó + fázisszög 1

h

Valós + komplex

l

Rugómerevség + csillapítás 4,50E+06

4,00E+07

4,00E+06

3,00E+07

3,50E+06

2,00E+07 3,00E+06 1,00E+07 k

c

2,50E+06

0,00E+00

2,00E+06 0

2

4

6

vs=100m/s

8 1,50E+06

-1,00E+07

1,00E+06

-2,00E+07

5,00E+05 -3,00E+07 0,00E+00 -4,00E+07


0 Frekvencia [1/s]

2

4 Frekvencia [1/s]

6

8

Budapest, 2016.04.21.



4. Vizsgálati szintek • Impedancia egyszerűsítésWolf, Lysmer, Gazetas…. Pl. Wolf féle kúp modell

y

C y

zC

 y   x zC 

x

z

K

 c 2p r02 z0

C   c p r02


Elemek: BEAM188, MASS21, COMBIN14 beágyazott alap: BEAM188, MASS21, MATRIX27 (12x12) elem megadása Budapest, 2016.04.21.



5. Eredmények • Mesterséges földrengési rekord

a   cos i t  i 2  I alak i

1. típus, ag=0.08g, ξ=0.05, q=1

A, B, C, D talajok kőzet

B

A

B

• Összes modell  lineáris vizsgálatok, másodrendű hatások elhanyagolása XV. eCon Konferencia

Budapest, 2016.04.21.



5. Eredmények

urel [m]

• Szerkezet keskeny, B típusú talajon fekvő alappal

Felső pont relatív vízszintes elmozdulása

0,020 0,010 0,000 -0,010 -0,020 0

5

10 Idő [s]

15

20

25

Felső pont vízszintes elmozdulása az alap elfordulásának hatása nélkül

ux  urel  rotyalap  hszerkezet

ux [m]

0,005 0,003 0,000 -0,003 -0,005 0

5

10 Idő [s]

15

20

25

Alap elfordulása roty [rad]

2,0E-04 1,0E-04 0,0E+00 -1,0E-04 -2,0E-04 0


5

10

Idő [s]

15

20

25

Budapest, 2016.04.21.



5. Eredmények urel [m]

• Szerkezet keskeny alappal B típusú talajon Felső pont relatív vízszintes elmozdulása

0,030 0,020 0,010 0,000 -0,010 -0,020 -0,030

Indirekt Direkt

ux [m]

73.9 %

Befogott 0

5 10 Idő [s] 15 20 25 Felső pont vízszintes elmozdulása az alap elfordulásának hatása nélkül

0,006 0,004 0,002 0,000 -0,002 -0,004 -0,006

58.2 % Indirekt Direkt

0

roty [rad]

Különbségek

5

3,0E-04 2,0E-04 1,0E-04 0,0E+00 -1,0E-04 -2,0E-04 -3,0E-04

10 Idő [s] 15 Alap elfordulása

20

25

77.8 % Indirekt Direkt

0

5

10

Idő [s] 15

20

25

Periódusidő: Tdirekt=0.81s, Tindirekt=0.85s  közel megegyezik (alap elfordulása) XV. eCon Konferencia

Budapest, 2016.04.21.



5. Eredmények • Vizsgált hatások

urel [m]

– – – –

Talaj vízszintes méretének hatása Talaj függőleges méretének hatása B típusú talaj válaszspektruma Puhább talajok (C és D) C talaj

0,060 0,040 0,020 0,000 -0,020 -0,040 -0,060

szerk.+rugó (féltér mego.) szerk+rugó (VEM) szerk.+talaj Idő [s]

urel [m]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

D talaj

0,120 0,080 0,040 0,000 -0,040 -0,080 -0,120

str.+spring (Theoretical) str.+spring (FEM) str.+soil Idő [s] 0

2

4

6


8

10

12

14

16

18

20

22

Budapest, 2016.04.21.



6. Eredmények összefoglalása Direkt módszer

1) 2)(a) 2)(b) 2)(c)

Közelítő módszerek • Az közelítő modellek pontossága • Talaj és szerkezet kölcsönhatásának jelentősége • Javasolt méretezési módszer

Merev szerkezetek (T<0.3s) különbségek a biztonság kárára (~10%) B talaj, merev befogás 130 % biztonság javára Rugalmas megtámasztás figyelembe vétele 20-90% biztonság javára Rugóállandók számítása statikus VEM segítségével20-40%


Budapest, 2016.04.21.



6. Eredmények összefoglalása

3)(a) 3)(b) 3)(c) 4) 5) 6) 7)

C talaj, merev befogás 700 % biztonság javára Rugalmas megtámasztás figyelembe vétele  ~100% biztonság javára Rugóállandók számítása statikus VEM segítségével ~100% (nincs változás) D talaj még nagyobb különbségek Beágyazásnak nagy hatása van (szakirodalmi képletek is fegyelembe veszik)  különbségek nem változnak  20-90% MDOF szerkezetek  nagyobb különbségek a szerkezet periódusideében Alszerkezetek módszere gyorsabb és kis különbségek (~ 7%)


Budapest, 2016.04.21.



Felhasznált irodalom 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34.

Arefi, M. J., ‘Efects of Soil-Structure Interaction on the Seismic Response of Existing R.C. Frame Buildings’, Master Thesis, University of Pavia, Pavia (2008) ASCE 4-98, Seismic Analysis of Safety-Related Nuclear Structures and Commentary (1999) Berton, S., Hutchinson, T. C., Bolander, J. E., ‘Dynamic Behavior of Simple Soil-Structure Systems’, Project developed for the University Consortium on Instructional Shake Tables, Davis (2014) Bhat, R. B., Dukkipati, R. V., Advanced Dynamics, Alpha Science International Ltd.,Pangbourne (2001) Braja, M. D., Principles of Soil Dynamics, PWS-KENT Publishing Company, Boston (1992) Celebi, E., Firat, S., Cankaya, I., ‘The evaluation of impedance functions in the analysis of foundations vibrations using boundary element method’, Applied Mathematics and Computation, 173, 636-667 (2006) Chatzigogos, C. T., Pecker, A., Salencon, J., ‘Macroelement modelling of shallow foundations’, Soil Dynamics and Eartquake Engineering, 03 (2008) Clough, R. W., Penzien, J., Dynamics of Structures, Computers&Structures Inc., Berkeley (2003) Comartin, C. D., Niewiarowski, R. W., ‘Seismic evaluation and retrofit of concrete buildings’, Report SSC 96-01, 277-278, Redwood City (1996) Dowrick, D. J., Earthquake Resistant Design for Engineers and Architects, John Wiley & Sons, New York (1977) Dulácska, E., Joó, A., Kollár, L., Tartószerkezetek tervezése földrengési hatásokra, Akadémiai Kiadó, Budapest (2008) EN 1998-5: 2004, Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance Part 5: Foundations, retaining structures and geotechnical aspects Hou, X., Yang, X., Wei, Q., ‘Numerical solutions for dynamic impedance matrix of rectangular foundations and their applications in dynamic foundation response analysis’ 13th World Conference on Eartquake Engineering, Vancouver, Canada, Paper No. 2683 (2004) Jafarzadeh, F., Asadinik, A., ‘Dynamic response and impedance functions of foundation resting on sandy soil using physical model tests’, 14th World Conference on Earthquake Engineering, Beijing, China (2008) Jeremic, B., Guanzhou, J., Preisig, M., Tafazzoli, N., ‘Time Domain Simulation of Soil-Foundation-Structure Interaction in non-Uniform Soils’, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 38, 699-718 (2009) Johnson, K. L., Contact Mechanics, Cambridge University Press, Cambridge (1985) Kausel, E., ’Early history of soil-structure interaction’, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 30, 822-832 (2010) Kottke, A. R., Rathje, E. M., Draft of Technical Manual for Strata (2011) Kramer, S. L., Geotechnical Earthquake Engineering, Prentice-Hall, New Jersey (1996) Küchler, S., ‘Wave Propagation in an Elastic Half-Space with Quadratic Nonlinearity’, Master Thesis, Georgia Institute of Technology (2007) Lai, C. G., Martinelli, M., ‘Soil-Structure Interaction Under Earthquake Loading: Theoretical Framework’, ALERT Doctoral School Soil-Structure Interaction (2013) Lysmer, J., Kuhlemeyer, R.L., ‘Finite Element Method Accuracy for Wave Propagation Problems’, Journal of Soil Mechanics and Foundation Division, ASCE, 99(SM5): 421-427 (1973) Mehmet, S. A., ‘Vertical vibration analysis of rigid footings on soil layer with a rigid base’, Dissertation in Civil Engineering, Texas Tech University (1993) Milovic, D., Stresses and Displacements for Shallow Foundations, Developments in Geotechnical Engineerings 70, Elsevier, Amsterdam (1992) Nien-Yin, Ch., Hien, M. N., ‘Viscous damping for time domain finite element analysis’, Fifth International Conference on Recent Advances in Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics, San Diego, California, Paper No. 2.15 (2010) Olafsson, A. M., ‘Simulation of non-linear response of a shear wall and foundation comparing finite- and macro element techniques’, Master Thesis, Reykjavik University (2012) Pitilakis, K., Gazepis, Ch., Anastasiadis, A., ‘Design response spectra and soil classification for seismic code provisions’, 13th World Conference on Earthquake Engineering, Vancouver, Canada, Paper No. 2904 (2004) Ramadan, O. M. O., Al-Anany, Y. M. M., Sanad, A. M., ‘Effects of Soil-Structure Interaction on Nonlinear Seismic Response of Buildings’, 15th World Conference on Earthquake Engineering, Lisbon, Portugal, Paper No. 5360 (2012) Sitharam, T. G., Govindaraju, L., ‘Elastic Solutions and Applications in Geomechanics’, Applied Elasticity for Engineers Web Course, Modul 8 Su, J., Wang, Y., ‘Equivalent dynamic infinite element for soil-structure interaction’, Finite Element Analysis and Design, 63, 1-7 (2013) Tyapin, A.,’Soil-Structure Interaction’, Earthquake Engineering, 145-178 (2012) Vucetic, M., ‘Soil properties and seismic response’, 10th World Conference of Earthquake Engineering, Rotterdam, Netherlands, 1199-1204 (1992) Wolf, J. P., Deeks, A. J., Foundation vibration analysis: a strength-of-materials approach, Elsevier, Oxford (2004) Yang, X., Jiang, B., ‘Radiation damping of soil-foundations interaction systems’, Fourth International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering, St. Louis, Missouri, Paper No. 4.06 (1998)


Budapest, 2016.04.21.



KÖSZÖNÖM A MEGTISZTELŐ FIGYELMET!


Budapest, 2016.04.21.

Talaj-szerkezet kölcsönhatásának vizsgálata Ansys környezetben

Recommend Documents