Упрощенный метод анализа сейсмических промышленной трубы
В настоящем документе описывается упрощенный метод сейсмического анализа и проектирования промышленных труб, который позволяет точно оценить основных периода колебаний, поперечных смещений, поперечных сил и изгибающих моментов с помощью системы уравнений, с ошибками, полученные ниже 10% на все случаи изучал.
На начальном этапе анализа, было проверено, что критерий дает последовательное массовое лучшие результаты, чем критерий сосредоточенными массами, и конечно-элементной модели с 20 секторов пучка является удовлетворительным.
Ускорение спектр рекомендовано новый код сейсмических дизайн для зданий и промышленных объектов в Чили были рассмотрены для определения сейсмическая нагрузка. Модальные ответы были объединены с помощью полной квадратичной правило комбинации.
Во всех изученных случаях в данном исследовании, влияние P-
Ключевые слова: изгибающий момент; сдвига; вибрации.
(ProQuest информации и обучения: ... означает формулы опускается.)
ВВЕДЕНИЕ
Структурная модель, используемая соответствует консольной балки фиксируются в базе и свободной в ее верхнем конце. Поведение материала предполагается линейно упругой, потому что обычно трубы разработаны, используя распределение сил упругого поведения. В действительности, это считается возможным, что трубы будет предназначен для снижения нагрузки в соответствии с фактором изменения R ответ, что в основном зависит от типа системы и структурных материалов (труб, R = 3) 1 детализация сделал, что позволяет развитие пластичности (или диссипации энергии), связанные с принятым значением R. В этой работе, приближенной формы для расчета периода колебаний и максимальной ответов (поперечных смещений, сдвига силы и изгибающего момента), основаны на аппроксимации упругого поведения. Рассмотреть влияние нелинейного поведения соответствуют другом исследовании, что было бы естественным продолжением этого.
Из-за последствий изгиба, сдвига и инерции вращения, чьи геометрические свойства (площадь и инерционность) изменяется с высотой, дифференциальные уравнения движения, которые применяются как для свободных и вынужденных колебаний, не может быть решена точно. Это можно выразить решением дифференциального уравнения движения с использованием известных функций только для определенных законов изменения геометрических свойств, как это было широко показано в литературе об этом topic.2
Тип математических трудностей, которые представлены текущие исследования сделали необходимым упростить задачу дискретизацией непрерывной структуры для ее решения, не пытаясь проверить заслуга допущения, сделанные в результатах obtained.3
Есть несколько представитель переменных, которые могут определить модель, с которой можно проводить параметрический анализ в трубе. Некоторые важные параметры гибкость H / D ^ ^ к югу базы, означает диаметру D ^ к югу вверх ^ / D ^ ^ к югу базы, толщине, E ^ к югу вверх ^ / E ^ ^ базы к югу, а средний диаметр толщины отношение D ^ ^ к югу базы / E ^ ^ к югу базы. Меняя каждый из выбранных параметров, ряд анализов, представитель трубы большой семье может быть осуществлена позже. Результаты этой исследовательской работы были применены в общей сложности девять реальных трубы (четыре из стали и пять железобетонных) была построена в Чили с целью калибровки предлагаемого выражения.
ЗНАЧЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
В течение последних нескольких лет, промышленные трубы претерпели значительное развитие не только в их структурной концепции, моделирования и метод анализа, а также в применяемых материалов и методов строительства используется. В этом смысле, выдающийся увеличением высоты Следует подчеркнуть, как следствие более эффективного контроля загрязнения окружающей среды в населенных районах. С прирост в высоту, как сейсмических и ветровых действий стали важными для выработки действующих напряжений на этот конкретный вид непрерывной структуры. По этой причине, необходимо изучить их природу вибрационных путем проведения динамического анализа.
Дискретизация СТРУКТУРА
Из-за сложностей, связанных с опробовать каждый из четырех частных решений для дифференциального уравнения, регулирующих перемещение непрерывный элемент, как труба (рис. 1 (а)), 4 было принято решение решить проблему дискретизации структуры луч в изгибе конечных элементов. Для этого два критерия были использованы: сосредоточенными критерий массового и последовательного критерия массовой информации.
Самый простой метод для анализа свойств динамической системы заключается в сосредоточении внимания массового структуры на узлах с боковыми степеней свободы, которые определяют поступательное перемещения, то есть причина, почему его называют сосредоточенными массами критерия. Таким образом, масса матрицы модель с сосредоточенными массами соответствует диагональная матрица.
С другой стороны, последовательное массовое Mc критерий, в отличие от сосредоточенных массового критерием, считает, что связь между вращательным и поступательным степеням свободы. Таким образом, матрица масс последовательной модели массового соответствует полной матрицы, которая включает в себя воздействие изгиба, сдвига и инерции вращения.
Анализ чувствительности
Анализ был проведен, чтобы ответить на следующие вопросы:
1. Сколько элементы необходимы для дискретизации трубу?
2. Какие дискретизации критерий является наиболее адекватной: сосредоточенными массами и последовательной массы?
3. Какие последствия должны быть рассмотрены в представительстве модель непрерывного типа элемента трубы?
В заключение, в данной работе на конкретных труб, можно оценить результаты любой структуры этого типа. Таблица 1 показывает, наиболее важной характеристикой некоторых промышленных труб, которые будут полезны для их последующего сейсмических analysis.5 следующие факторы, принимая во внимание при анализе каждого из них:
1. Используя сосредоточенными массами и согласованных критериев массовой информации;
2. Варьируя количество дискретных элементов NE: 10, 15, 20 и 25 элементов, а также
3. Принимая во внимание следующие эффекты:
А. Изгиб (только с сосредоточенными массами критерий), а также
B. Изгиб, сдвиг и инерция вращения (только в соответствии критерий массы).
Основные периоды колебаний были получены на основе этих факторов с использованием структурного анализа program.6 Кроме того, их ответы были сопоставлены с данными, полученными с помощью аналитического решения (решение дифференциального уравнения движения предполагая трубы единообразное сечение, и только эффекты изгиба) и посредством метода конечных элементов (МКЭ).
Из проведенного анализа, можно утверждать, что критерий соответствует массовой оценки основных периода колебаний, с учетом эффекта изгиба только более точно, чем с сосредоточенными массами критерия.
Когда труба анализируется одновременно рассматривает три эффекты изгиба, сдвига и инерции вращения, число элементов, используемых в дискретизации трубе уже не важно. Причина в том, что высота этого элемента находится под контролем сдвига эффекта, если ч / D 2, H является высота элемента. Это означает, что анализ промышленных труб контролируется изгиб эффект, поскольку, в соответствии с таблицей 1, большинство из этих структур H / D> 8. Таким образом, они могут быть рассмотрены стройных и сдвига эффекта можно игнорировать при анализе.
Анализ трубы с 20 дискретных элементов рекомендуется использовать последовательный критерий массы и изгиб эффекта, потому что ошибка в оценке основных периода колебаний не превышает примерно 1%. Из таблицы 2, можно сделать вывод, что влияние инерции вращения не имеет значительное влияние в определении основных периода, и, игнорируя его, ошибки не превышает 3% для всех случаев.
СОЗДАНИЕ ПАРАМЕТРЫ
Геометрические параметры
Целью установления параметров с целью выявления наиболее важных характеристик, которые определяют трубы, что позволяет им представлять большой выбор таких структур.
Геометрические параметры (рис. 1), используемые в этом исследовании, были следующими:
RD = D ^ к югу вверх ^ / D ^ к югу базы = соотношение средних диаметров;
RE = E ^ к югу вверх ^ / E ^ югу базы = отношение толщины;
HD = H / D ^ к югу базы = отношение гибкости;
DE = D ^ ^ к югу базы / E ^ югу базы = отношение среднего диаметра толщины;
D ^ к югу верхней = средний диаметр раздел в верхней части трубы;
D ^ к югу базы = средний диаметр разделе на базе трубы;
E ^ к югу вверх ^ = толщина чехла на верхней части трубы;
E ^ югу базы = толщина чехла на базе части трубы, а также
H = высота дымовой трубы.
Сейсмических параметров
Поскольку конструкция спектра для реальных структур, а не безразмерные структур, параметр называется сейсмических параметров будет введена.
TT = T * / T '= соотношение периодов;
T * = основных периода структуры, з; и
T '= параметр, зависящий от типа почвы, с (см. таблицу 37).
Параметр TT, или отношение периодов, вводится в сейсмических коэффициент чилийского дизайн spectrum1 (рис. 2) следующим образом
S ^ югу = I · C · г (1a)
C = ((2,75 · A ^ югу 0 ^) / (г · К)) · (Т '/ Т *) ^ SUP п ^ · (5 /
Таким образом,
C = ((2,75 · A0) / (г · К)) · (TT)-Н · (5 /
где
I = значение коэффициента (для труб, I = 1,2);
^ К югу 0 = максимально эффективного ускорения, указанном в таблице 3;
Т ', п = землю параметры, указанные в таблице 3;
T * = основной период колебаний трубы, з;
R = коэффициент изменения ответа (для труб, R = 3), а
Потому что это очень трудно найти коэффициент преобразования ответы безразмерные трубы к реальным значениям ответ структуры с учетом всех последствий (изгиба, сдвига и инерции вращения), было принято решение о модели труб на основе следующих соображений:
1. В соответствии масса критериев;
2. Деформации изгиба в силу только и
3. Дискретизации в 20 элементов.
Ошибки, совершенные вследствие таких соображений, не превышает 2%.
В результате параметрического анализа, проведенного, следует отметить, что ответы, полученные таким методологии не имеют физической интерпретации. Не исключено, однако, установить параметры для этого типа структуры и получить низкий процент ошибок между оценочными значениями реального ответа и безразмерные ответ усиливается трансформация факторов ответов. Таблица 4 показывает, четыре значения для каждого из геометрических и сейсмических параметров, которые были выбраны в настоящем исследовании.
Кроме того, Z и
Трансформация факторов ответов
Необходимо было найти факторы, которые будут преобразовывать безразмерные ответы трубы с установленными параметрами в реальном ответы структуры, которые включают их геометрических свойств. В самом деле, четыре фактора преобразований были определены, что изменения безразмерных ответ, с тем чтобы получить реальный ответ, как функцию от трех переменных: модуль Юнга упругости E, плотности Высота дымовой трубы H, потому что все параметры зависят от высоты.
Таблица 5 содержит коэффициентов трансформации безразмерные реагирования, необходимых для получения реальной один для каждого из ответов, считается (периоды колебаний, поперечных смещений, сдвига силы и изгибающего момента). Процент ошибок, полученных с помощью коэффициентов трансформации также показано на рисунке.
Упрощенный метод получение ответов
С целью предоставления простых инструментов для сейсмического анализа промышленных труб в Чили, был проведен опрос проводится на данный вид непрерывной структуры установить упрощенный метод для разработки следующих ответов: периоды колебаний, боковым смещением, поперечная сила и изгибающего момента. Это было сделано путем проведения анализа ответов 6144 различных труб, содержащихся в базе данных (табл. 4), которые позволили установить динамический закон поведения для любого самонесущий стальной или железобетонной трубы промышленных.
Проведенный анализ приводится в следующих выражениях, которые позволяют точно оценить основных периода колебаний, максимальное боковое смещение, максимальной силы сдвига, а максимальный момент изгиба, 2 которые находятся в следующих диапазонах действия:
RD 0,1; 2,11].
Основные период колебаний, с
... (2)
Максимальное боковое смещение, м
... (3)
Максимальная поперечная сила, т
... (4)
Максимальный изгибающий момент, т-м
... (5)
где
E = Юнга модуль упругости (т / м ^ 2 ^ SUP);
H = высота дымовой трубы, м; и
Z = значение в зависимости от сейсмической зоны (табл. 3) .7
Упрощенный метод, предложенный дает ошибки не более 10% оценки всех ответов (табл. 6).
Поведение вибрации периоды, боковым смещением, поперечная сила, и изгибающего момента, нормированные на максимальное значение, совпадают друг с другом (рис. 3), независимо от материала и геометрии трубы. Таким образом, коэффициенты могут быть найдены ответы предоставляя важные для каждого 0,05 Y / H и период, за первые 20 режимов вибрации (табл. 6) .8,9
Иллюстрирующий пример
Следующий пример показывает, каким образом упрощенная предлагаемого метода может быть использован для точной оценки периода колебаний, боковое смещение, сдвиг силы и изгибающего момента промышленные трубы.
Анализ и проектирование сейсмических данных
* Место нахождения и использования: Con Con, Чили, медь НПЗ;
* Материал: железобетон;
* Высота: 155 м;
* Верхний и нижний диаметр: 9,60 и 17,40 м соответственно;
* Верхний и нижний толщиной 230 и 420 мм соответственно;
* Плотность материала
* Модуль упругости E: 2,3 ^ 10 ^ SUP 6 т / м ^ 2 SUP ^;
* Сейсмической зоне: 3 (Z = 2,0 [Таблица 3]), а также
* Тип почвы: II (Т = 0,85 [Таблица 3]).
Определение геометрических параметров
Геометрические размеры:
E ^ югу верхней = 0,23 м, а E ^ югу базы = 0,42 м;
D ^ к югу вверх ^ = D ^ ^ к югу верхней - E ^ к югу вверх ^ [следует] D ^ к югу верхней = 9,60 - 0,23 = 9,37 м
D ^ к югу базы = D ^ ^ к югу нижней - E ^ югу базы ^ [следует] D ^ к югу базы = 17,40 - 0,42 = 16,98 м
Геометрические параметры:
RD = D ^ к югу вверх ^ / D ^ к югу базы ^ [следует] RD = = 0,552 9.37/16.98
RE = E ^ к югу вверх ^ / E ^ югу базы ^ [следует] RE = 0.23/0.42 = 0,548
HD = H / D ^ к югу базы ^ [следует] HD = = 9,128 155/16.98
DE = D ^ ^ к югу базы / E ^ югу базы ^ [следует] DE = = 40,429 16.98/0.42
Определение ответов
1. Основные период вибрации Используя формулу. (2)
...
...
Тогда, TT параметр
...
2. Максимальное боковое смещение Используя формулу. (3)
...
...
D ^ к югу макс = 0,701 м
3. Максимальная поперечная сила-Используя формулу. (4)
...
...
V ^ к югу макс = 1858,50 тонны
4. Максимальный изгибающий момент-Используя формулу. (5),
...
...
M ^ югу макс = 143,393.81 тонн · м
ВЫВОДЫ
На основании этого исследования можно сделать следующие выводы сделал:
1. Когда труба анализ рассмотрении влияния изгиба, сдвига и инерции вращения, число элементов, которые будут использоваться в дискретизации не влияет предполагаемых ответов, потому что высота элемента находится под контролем сдвига Если H / D 2, с ч время высота элемента;
2. Для оценки основных периода колебаний, учитывая только эффект изгиба, последовательного критерия массовой является более точным. Процент ошибок получить, по сравнению с точным решением определяется конечных элементов, 1,13%;
3. Потому что это очень трудно найти фактор, который способен превратить безразмерные ответы трубы в реальные трубы с учетом всех последствий (изгиба, сдвига и инерции вращения), ценные оценки могут быть получены при анализе стальных и железобетонных промышленных труб моделирования структуры под следующими соображениями: в соответствии критерий массы, влияние изгиба и дискретизации в 20 элементов. Максимальной ошибки, которые были замечены в результате такого упрощения под 2%;
4. Это можно осуществить анализ параметрической трубы, находя фактором, который будет преобразовать эти безразмерные значения в реальных ответов структуры. Максимальная ошибка, допущенная рассматривает четыре ответы изучал (период колебаний, боковое смещение, сдвиг силы и изгибающего момента) составляет 3,5%;
5. Упрощенный метод, предложенный дает ответы с ошибками не более 10%. Как нормированных кривых ответ не меняются, независимо от материала и геометрии трубы, они позволяют коэффициенты должны быть получены и выполняют важные ответы каждые 0,05 Y / H и период, за первые 20 режимов вибрации, а также
6. Применение упрощенного метода в анализе и сейсмических проектирование промышленных труб обеспечивает простой инструмент, который экономит время и вычислений.
Авторы
Авторы хотели бы поблагодарить Центральный университет Чили за поддержку, оказанную в проведении этой исследовательской программе. Мы хотели бы поблагодарить EF-Крус за его неоценимый замечания и предложения. Комментарии анонимно отзывы помогли получить документ до его нынешнего вида.
Нотация
^ К югу 0 = максимально эффективного ускорения
D ^ к югу базы = диаметр секции в базе трубы
D ^ к югу макс = максимальное боковое смещение
D ^ к югу верхней = диаметр секции в верхней части трубы
E = Юнга модуль упругости
E ^ югу базы = толщина чехла на базе части трубы
E ^ к югу вверх ^ = толщина чехла на верхней части трубы
F ^ югу D = коэффициент преобразования для получения максимального поперечного смещения оценкам полной квадратичной сочетании
F ^ югу M = коэффициент преобразования, чтобы получить максимальную изгибающих моментов оценкам полной квадратичной сочетании
F ^ югу T = коэффициент преобразования для получения вибрации периоды
F ^ югу V = коэффициент преобразования для получения максимального напряжения сдвига оценкам полной квадратичной сочетании
G = ускорение силы тяжести
H = высота дымовой трубы
ч = высота элемента дискретизации
MC = сосредоточенными массами критерий
Mc = последовательного критерия массовой
M ^ югу макс = максимальный изгибающий момент
NE = число элементов дискретизации
п = экспоненциального параметра в зависимости от типа почвы
R = коэффициент изменения ответа
T ^ подпункта 1 = основных периода колебаний
T * = основных периода структуры, с
T '= параметр, зависящий от типа почвы, с
TT = соотношение периодов
V ^ к югу макс = максимальная поперечная сила
Z = значение в зависимости от сейсмической зоне
Ссылки
1. INN, НЧ 2369.c 97-Dise
2. Каррион, PL, и Даннер, DR, "An 329 с. (на испанском)
3. Astroza, IM, и Asfura, A., "An F
4. Фернандес-Давила, GVI и Ривера, FJ, Dise (На испанском)
5. Кансино, CH, "Dise
6. Васкес, PJ, "CALUC: Lenguaje Computacional пункт An
7. INN, НЧ 433.Of 96-Dise
8. Каррион, PL; Даннер, DR и Фернандес-Давила, GVI, анализ и проектирование сейсмостойких промышленной трубы, бумага 1627 12 Всемирная конференция по сейсмостойкого строительства, Окленд, Новая Зеландия, январь 2000, стр. 8.
9. Каррион, PL; Даннер, DR и Фернандес-Давила, GVI ", An Ноябрь 2000, 11 с. (На испанском)
10. ACI Комитет 307 "Проектирование и строительство железобетонных труб (ACI 307-98) и Комментарии (307R-98)," Американский институт бетона, Фармингтон-Хиллз, штат Мичиган, 1998, 17 с.
Виктор Иванович Фернандес-Давила это неполный профессор в Школе Ingenier Он получил степень бакалавра из Национального университета инженерной Перу в 1987 году и магистра из Католического университета Чили в 1994 году. Его исследовательские интересы включают структурного анализа и earthquakeresistant структур.
Родриго А. Даннер является структурным инженером исследований. Он получил степень бакалавра из Центрального университета Чили в 1998 году. Его исследовательские интересы включают earthquakeresistant конкретных труб.
Леонардо Е. Каррион является структурным инженером исследований. Он получил степень бакалавра из Центрального университета Чили в 1998 году. Его исследовательские интересы включают earthquakeresistant конкретных труб.