Επιλογή Σελίδας

Perform 3D

Μη Γραμμική Ανάλυση και Εκτίμηση Αντοχής Τρισδιάστατων Κατασκευών

Επισκόπηση

pdf_download_icon_ Knowledge Base

pdf_download_icon_ PERFORM-3D Releases

PERFORM-3D – v.6.0.0 Release Notes

Παραδοσιακά, ο αντισεισμικός σχεδιασμός βασιζόταν στην αντοχή της κατασκευής, που υπολογιζόταν με την χρήση της γραμμικής ελαστικής ανάλυσης. Από την στιγμή όμως που η ανελαστική συμπεριφορά έγινε επιτρεπτή για ισχυρές σεισμικές δονήσεις, έγινε εμφανές ότι η παραπάνω λογική δεν είναι πλήρως σωστή. Ο σχεδιασμός της κατασκευής με βάση την πραγματική αντοχή της, λαμβάνει υπόψη την ανελαστική συμπεριφορά μόνο έμμεσα. Αντίθετα, ο σχεδιασμός με βάση τις μετατοπίσεις της κατασκευής (Displacement-based ή deformation-based design) συμπεριλαμβάνει αναλυτικότερα την παραπάνω μη-γραμμική συμπεριφορά, χρησιμοποιώντας τη μη-γραμμική ανελαστική ανάλυση. Συγκεκριμένα, αναγνωρίζεται ότι σε έναν ισχυρό σεισμό η ανελαστική παραμόρφωση της κατασκευής και η πλαστιμότητά της μπορεί να είναι πολύ πιο σημαντικές από την αντοχή της κατασκευής. Το PERFORM-3D σας επιτρέπει την εφαρμογή τέτοιων μεθόδων σχεδιασμού με βάση τις ακραίες μετατοπίσεις της κατασκευής.

Η διαδικασία σχεδιασμού με βάση τις μετατοπίσεις της κατασκευής με τη χρήση ανελαστικής ανάλυσης, προσδιορίζεται στον κανονισμό ASCE 41, με τίτλο «Σεισμική Αποκατάσταση Υφιστάμενων Κτιρίων» (Seismic Rehabilitation of Existing Buildings). Ο ASCE 41 εφαρμόζεται για την ανακατασκευή και αποκατάσταση υφιστάμενων κατασκευών, παρόλα αυτά οι διαδικασίες που περιγράφονται μπορούν να εφαρμοστούν και για τον σχεδιασμό ενός καινούριου κτιρίου. Το PERFORM-3D εφαρμόζει στην πράξη τις διατάξεις του ASCE 41. Την ίδια στιγμή παρόλα αυτά, αποτελεί ένα γενικό εργαλείο που πραγματοποιεί σχεδιασμό με βάση τις μετατοπίσεις το οποίο δεν περιορίζεται μόνο στον ASCE 41.

Η απόκριση μιας κατασκευής στην σεισμική διέγερση του εδάφους, ανεξαρτήτως αν είναι ελαστική ή ανελαστική, εμπεριέχει αρκετές αβεβαιότητες. Ο ικανοτικός σχεδιασμός είναι μια λογική και εύκολη μέθοδος να βελτιωθεί η απόκριση της κατασκευής σε ένα ισχυρό σεισμό, ελέγχοντας με αυτόν τον τρόπο στοχευμένα την συμπεριφορά της. Μέσω του σχεδιασμού αυτού, ελέγχεται η ανελαστική συμπεριφορά της κατασκευής, επιτρέποντας την δημιουργία πλαστικών ζωνών σε περιοχές που έχουν προεπιλεγεί από τον χρήστη. Σε αυτές τις περιοχές τα δομικά στοιχεία της κατασκευής έχουν σχεδιαστεί έτσι ώστε να είναι πλάστιμα. Η υπόλοιπη κατασκευή παραμένει ουσιαστικά ελαστική, και για αυτό τον λόγο μπορεί να σχεδιαστεί ώστε να είναι λιγότερο πλάστιμη. Ελέγχοντας την συμπεριφορά της κατασκευής με αυτό τον τρόπο, βελτιώνεται η αξιοπιστία της, μειώνεται το ποσοστό των ζημιών στην περίπτωση ακραίας σεισμικής διέγερσης, καθώς και το κόστος κατασκευής της. Το PERFORM-3D σας επιτρέπει να εφαρμόσετε αρχές ικανοτικού σχεδιασμού στις κατασκευές σας.

Το PERFORM-3D διαθέτει ισχυρές δυνατότητες ανελαστικής ανάλυσης, παρόλα αυτά δεν προορίζεται για μη-γραμμικές αναλύσεις γενικού σκοπού. Αν δεν έχετε καθόλου υπόψη σας για το πώς θα συμπεριφερθεί η κατασκευή σας όταν αρχίσει να πλαστικοποιείται σε έναν ισχυρό σεισμό, το PERFORM-3D μπορεί να σας βοηθήσει να εντοπίσετε τα αδύναμα σημεία της κατασκευής, και ως εκ τούτου να σας καθοδηγήσει στην βελτίωση του σχεδιασμού.  Ωστόσο, το PERFORM-3D δεν προορίζεται για «σχεδιασμό μέσω ανάλυσης», όπου ο μηχανικός αναμένει την ανάλυση να προσδιορίσει την ακριβή συμπεριφορά της κατασκευής. Το PERFORM-3D είναι ένα πανίσχυρο εργαλείο για την εφαρμογή σχεδιασμού με βάση τις μετατοπίσεις (displacement-based design) καθώς και την υλοποίηση ικανοτικού σχεδιασμού. Θα σας βοηθήσει να πραγματοποιήσετε βέλτιστο σχεδιασμό, αλλά δεν θα υποκαταστήσει τον ρόλο του μηχανικού.

Δομικά Χαρακτηριστικά

Διαφορετικοί Τύποι Στοιχείων

Το PERFORM-3D περιλαμβάνει τα παρακάτω είδη στοιχείων:

  • Πλαισιακά Στοιχεία για την προσομοίωση δοκών, υποστυλωμάτων και συνδέσμων.
  • Τρισδιάστατα στοιχεία για την προσομοίωση διατμητικών τοιχίων.
  • Στοιχεία Πλάκας για την προσομοίωση των ορόφων.
  • Στοιχεία Δικτυώματος (αξονικής μόνο δυσκαμψίας) διαφορετικών τύπων.
  • Σύνδεσμοι Αποφυγής Λυγισμού.
  • Στοιχεία Gap.
  • Σεισμικοί Μονωτήρες καουτσούκ ή τριβής.
  • Υδραυλικοί Αποσβεστήρες, με μη-γραμμική σχέση δύναμης-μετατόπισης.
  • Ειδική επίπεδη ζώνη σύνδεσης, για την μοντελοποίηση της διατμητικής παραμόρφωσης στην σύνδεση δοκού και υποστυλώματος.
  • Επίπεδα επιφανειακά στοιχεία, που διαθέτουν μόνο διατμητική δυσκαμψία.
  • Μετρητές παραμορφώσεων διαφόρων τύπων. Αυτά τα στοιχεία δεν έχουν δυσκαμψία. Χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των παραμορφώσεων της κατασκευής και ως εκ τούτου της αναλογίας απαιτήσεων-ικανότητάς της.

Επιμέρους Στοιχεία

Στο PERFORM-3D, τα περισσότερα στοιχεία συντίθενται από ένα σύνολο επιμέρους στοιχειών. Για παράδειγμα ένα πλαισιακό στοιχείο μπορεί να αποτελείται από διάφορα επιμέρους συστατικά στοιχεία.

Ιδιότητες Στοιχείων

Όλα τα ανελαστικά στοιχεία διέπονται από τον ίδιο νόμο δύναμης-μετατόπισης. Αυτή είναι ουσιαστικά μία πολυγραμμική σχέση, που μπορεί προαιρετικά να λάβει υπόψη της την απώλεια αντοχής του υλικού.

Βρόχοι Υστέρησης

Οι βρόχοι υστέρησης για ένα ανελαστικό στοιχείο ποικίλουν, ώστε λαμβάνουν υπόψη την υποβάθμιση της δυσκαμψίας. Οι βρόχοι μπορούν να εκτυπωθούν ώστε ελέγχεται αν έχουν το αναμενόμενο σχήμα.

Ικανότητα Παραμόρφωσης

Η ικανότητα παραμόρφωσης μπορεί να προσδιοριστεί για τα ανελαστικά στοιχεία, ώστε να υπολογιστεί ύστερα ο δείκτης απαιτήσεων/ικανότητας για την ακραία παραμόρφωση της κατασκευής. Η ικανότητα παραμόρφωσης μπορεί να καθοριστεί για πάνω από 5 επίπεδα απόδοσης.

Δείκτες Απαιτήσεων/ Ικανότητας

Το PERFORM-3D περιλαμβάνει έναν μεγάλο αριθμό στοιχείων, ανελαστικών καθώς και ελαστικών. Κατά την διάρκεια της ανάλυσης οι δείκτες απαιτήσεων/ ικανότητας υπολογίζονται ως εξής:

  • Οι δείκτες ικανότητας για τις μετατοπίσεις υπολογίζονται για τα ανελαστικά στοιχεία.
  • Με αυτό τον τρόπο, τα στοιχειά που έχουν σχεδιαστεί ώστε να συμπεριφερθούν ανελαστικά μπορούν να ελεγχθούν για τον αν διαθέτουν την απαιτούμενη πλαστιμότητα.
  • Οι δείκτες ικανότητας με όρους αντοχής υπολογίζονται για τα ελαστικά στοιχεία.
  • Με τον παραπάνω υπολογισμό, τα στοιχεία που έχουν σχεδιαστεί ώστε να συμπεριφερθούν ελαστικά ελέγχονται για τον αν διαθέτουν επαρκή αντοχή.

Οριακές Καταστάσεις

Ο αριθμός των στοιχείων για τα οποία υπολογίζεται ένας δείκτης ικανότητας μπορεί να είναι πολύ μεγάλος. Για την απλοποίηση της λήψης απόφασης από τον μηχανικό, τα στοιχεία τα οποία έχουν τους ίδιους δείκτες ικανότητας μπορούν να ομαδοποιηθούν ώστε να χαρακτηρίζονται από oριακές καταστάσεις. Ένα παράδειγμα μέτρησης της ικανότητας ενός στοιχείου είναι η οριακή διατμητική τάση σε ένα τοιχίο. Κάθε οριακή κατάσταση έχει ένα αντίστοιχο καθορισμένο όριο χρήσης, το οποίο συμπίπτει με τον μέγιστο δείκτη ικανότητας, για κάθε στοιχείο, στην οριακή κατάσταση. Για κάθε κατασκευή, ώστε αυτή να ικανοποιεί την απαιτούμενη συμπεριφορά, το όριο χρήσης για κάθε οριακή κατάσταση δεν θα πρέπει να ξεπερνά τη μονάδα (1.0).

Πλαισιακές Κατασκευές

Οι απλές πλαισιακές κατασκευές δημιουργούνται από στοιχεία δοκού και υποστυλώματος. Τα στοιχεία δοκού και υποστυλώματος αποτελούνται από διάφορα επιμέρους στοιχεία, ενώ μπορούν να παρουσιάζουν ανελαστική ή ελαστική συμπεριφορά. Τα φαινόμενα P- δέλτα μπορούν να λαμβάνονται ή όχι υπόψη.

Κατασκευές Διατμητικών Τοιχίων

Τα διατμητικά τοιχία μοντελοποιούνται με την χρήση επίπεδων στοιχείων τοιχίου. Οι σύνθετοι πυρήνες των τοιχίων, αποτελούνται από ένα σύνολο επίπεδων στοιχείων. Τα στοιχεία τοιχίου παρουσιάζουν ανελαστική συμπεριφορά σε κάμψη και διάτμηση. Οι συζευγμένοι δοκοί στα τοιχία, συνήθως προσομοιώνονται με την χρήση στοιχείων δοκού, με ανελαστική συμπεριφορά είτε σε κάμψη είτε σε διάτμηση.

Ανάλυση

Είδη Ανάλυσης

Το PERFORM-3D μπορεί να πραγματοποιήσει τα παρακάτω είδη ανάλυσης:

  • Υπολογισμός των ιδιομορφών, των ιδιοπεριόδων, και των συντελεστών μάζας.
  • Στατική Ανάλυση για τα μόνιμα φορτία.
  • Στατική Ανάλυση Push-over.
  • Ανάλυση χρονοϊστορίας απόκρισης για σεισμική εδαφική διέγερση.
  • Ανάλυση χρονοϊστορίας απόκρισης για δυναμικές φορτίσεις.
  • Ανάλυση Φάσματος Απόκρισης (με περιορισμούς).

Οι μέθοδοι μη-γραμμικής ανάλυσης είναι πολύ αξιόπιστες, ακόμα και όταν τα ανελαστικά στοιχεία παρουσιάσουν αρνητική δυσκαμψία, ή όταν τα φαινόμενα P-δέλτα προκαλέσουν αστάθειες στην κατασκευή.

Αναλύσεις σε Ακολουθία

Οι πιο συνηθισμένες αναλύσεις ακολουθίας είναι:

  • Σταδιακή εφαρμογή φορτίων βαρύτητας.
  • Εκτέλεση μίας ή περισσότερων στατικών αναλύσεων push-over, με σταθερό μόνιμο φορτίο.
  • Εκτέλεση μίας ή περισσοτέρων αναλύσεων χρονοϊστορίας απόκρισης για σεισμική διέγερση, με σταθερό μόνιμο φορτίο.

Οι παραπάνω είναι «πρότυπες» αναλύσεις ακολουθίας. Μια «γενική» ακολουθία μπορεί να εφαρμοστεί για παράδειγμα σε μια κυκλική ανάλυση push-over όπως φαίνεται παρακάτω:

  • Εφαρμογή των φορτίων βαρύτητας.
  • Προσθήκη των οριζόντιων φορτίων για μια ανάλυση push-over μέχρι μια στοχευόμενη μετατόπιση (drift) στην θετική κατεύθυνση.
  • Προσθήκη των οριζόντιων φορτίων για μια ανάλυση push-over μέχρι μια στοχευόμενη μετατόπιση (drift) στην αρνητική κατεύθυνση.
  • Και ούτω καθεξής, με προοδευτική αύξηση της στοχευόμενης μετατόπισης (drift) σε κάθε κατεύθυνση.

Αναλύσεις Χρονοσειράς

Οι ανάλυση χρονοσειράς είναι μια σειρά αναλύσεων, που διέπεται από μια πρότυπη ή γενική ακολουθία αναλύσεων. Για κάθε τέτοια ανάλυση, οι παρακάτω ιδιότητες της κατασκευής μπορούν να τροποποιούνται:

  • Η κατανομή και το μέγεθος της μάζας. Αυτό μπορεί να επηρεάσει την στατική ανάλυση push-over καθώς και την δυναμική ανάλυση χρονοϊστορίας.
  • Το μέγεθος και ο τύπος απόσβεσης για δυναμική ανάλυση χρονοϊστορίας.
  • Οι αντοχές και η δυσκαμψία των δομικών στοιχείων (εντός ορισμένων ορίων).

Το παραπάνω σας επιτρέπει να αλλάζετε τις ιδιότητες των δομικών στοιχείων χωρίς την ανάγκη δημιουργίας ενός νέου μοντέλου ανάλυσης.

Εκτίμηση Συμπεριφοράς της Κατασκευής

Εργαλεία Εκτίμησης Συμπεριφοράς

Το PERFORM-3D περιλαμβάνει έναν αριθμό εργαλείων για την επεξεργασία των αποτελεσμάτων της ανάλυσης. Ένα σύνολο εργαλείων σας επιτρέπει να μελετήσετε την συμπεριφορά της κατασκευής, και να επιβεβαιώσετε ότι τα αποτελέσματα της ανάλυσης είναι λογικά. Αυτά τα εργαλεία είναι τα εξής:

  • Παραμορφωμένα Σχήματα. Αυτές οι μορφές μπορούν να είναι κινούμενες, τόσο για την στατική ανάλυση push-over όσο και για την δυναμική ανάλυση χρονοϊστορίας.
  • Χρονοϊστορίες για την απόκριση διαφόρων μεγεθών, συμπεριλαμβανομένων τις μετατοπίσεις των κόμβων, τις ταχύτητες και τις επιταχύνσεις τους; τις δυνάμεις και τις παραμορφώσεις των διαφόρων στοιχείων; και τις δυνάμεις στις διαμήκεις τομές της κατασκευής, οι οποίες διαπερνούν όλη την κατασκευή ή ένα μέρος της.
  • Υστερητικοί βρόχοι για τα ανελαστικά στοιχεία.
  • Διαγράμματα ροπών και Τεμνουσών για τις δοκούς, τα υποστυλώματα και τα τοιχία. Τα παραπάνω μπορούν να απεικονιστούν με ακρίβεια.
  • Ενεργειακή Ισορροπία της ανάλυσης, που παρουσιάζει την ενέργεια παραμόρφωσης, την κινητική ενέργεια, το ανελαστικό έργο, και την ενέργεια απόσβεσης. Η διαδικασία αυτή περιλαμβάνει και μια σύγκριση του εσωτερικού και εξωτερικού έργου και αποτελεί μια καλή ένδειξη για την αριθμητική ακρίβεια της ανάλυσης.

Τα εργαλεία αυτά δεν είναι άμεσα χρήσιμα για την λήψη αποφάσεων για τον σχεδιασμό. Για τον σκοπό αυτό, ανατρέξτε στην επόμενη ενότητα, Αξιολόγηση Απόδοσης της Κατασκευής.

Αξιολόγηση Απόδοσης της Κατασκευής

Εργαλεία Αξιολόγησης της Απόδοσης της Κατασκευής

Τα αποτελέσματα μιας ανάλυσης είναι χρήσιμα μόνο όταν παρουσιάζονται με τρόπο τέτοιο ώστε να υποστηρίζουν την λήψη αποφάσεων για το σχεδιασμό. Το PERFORM-3D διαθέτει πανίσχυρα εργαλεία τα οποία αξιολογούν την απόδοση της κατασκευής, και ως εκ τούτου βοηθούν στο σχεδιασμό. Αυτά τα εργαλεία είναι τα εξής:

  • Υπολογισμός στοχευόμενης μετατόπισης για την ανάλυση push-over. Ένας μεγάλος αριθμός μεθόδων μπορεί να χρησιμοποιηθεί, συμπεριλαμβανομένων και των κανονισμών ASCE 41 και FEMA 440.
  • Παραγωγή διαγραμμάτων των ορίων χρήσης για ένα μοναδικό σενάριο φόρτισης. Όσο η εκτροπή της κατασκευής αυξάνει σε μια ανάλυση push-over, ή ο χρόνος αυξάνεται σε μια δυναμική ανάλυση χρονοϊστορίας, τα όρια χρήσης για την οριακή κατάσταση αστοχίας προοδευτικά αυξάνουν. Ένα τέτοιο διάγραμμα δείχνει πως τα όρια χρήσης ποικίλουν ανάλογα με τα, επιλεγμένα από το χρήστη, όρια αστοχίας.
  • Επίπεδα του ορίου χρήσης της κατασκευής για συνδυασμούς φορτίσεων. Είναι συνηθισμένη πρακτική να τρέχουμε αναλύσεις απόκρισης χρονοϊστορίας για διάφορες σεισμικές διεγέρσεις (συνήθως 7 ή περισσότερες), και να αξιολογούμε την απόδοση της κατασκευής με βάση τις μέσες τιμές των ορίων χρήσης. Αυτό το εργαλείο υλοποιεί την παραπάνω διαδικασία.
  • Παραμορφωμένα σχήματα με χρωματική κωδικοποίηση ανάλογα με τους δείκτες ικανότητας. Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο να εντοπιστούν τα επισφαλή σημεία στα οποία τα δομικά στοιχεία είναι περισσότερο παραμορφωμένα.

 

Επεξεργασία των Αποτελεσμάτων

  • Τα αποτελέσματα της ανάλυσης του PERFORM-3D αποθηκεύονται σε ένα αριθμό αρχείων αποτελεσμάτων, καθένα από τα οποία περιλαμβάνει αποτελέσματα διαφορετικού είδους (για παράδειγμα μετατοπίσεις κόμβων).
  • Αν τα εργαλεία αξιολόγησης της απόδοσης του PERFORM-3D δεν καλύπτουν τις ανάγκες σας, μπορείτε να αποκτήσετε πρόσβαση στα αρχεία αποτελεσμάτων, και να επεξεργαστείτε τα αποτελέσματα με όποιον τρόπο επιθυμείτε.
  • Θα πρέπει προφανώς να γράψετε τον δικό σας κώδικα, ώστε να επεξεργαστείτε τα αποτελέσματα. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε σχεδόν όλες τις γλώσσες προγραμματισμού.

 

Είσοδος και Έξοδος

Υποστηριζόμενες Μορφές Εισαγωγής και Εξαγωγής

Εισάγετε μοντέλα στο PERFORM-3D από το SAP2000 ή το ETABS. Αυτά κυρίως είναι βασικά μοντέλα, τα οποία αποτελούνται κυρίως από κόμβους, στοιχεία και φορτία. Οι ιδιότητες των δομικών στοιχείων δεν περιλαμβάνονται, καθώς αυτές είναι διαφορετικές για το PERFORM-3D από ότι για το SAP2000 και το ETABS.

 

ACE-Hellas S.A.

Integrated Solutions