 |
BMe Kutatói pályázat |
|
BME Vásárhelyi Pál Építőmérnöki és Földtudományi Doktori Iskola
BME Építőmérnöki Kar, Hidak és Szerkezetek Tanszék
Témavezető: Dr. Vigh László Gergely
Kihajlásbiztos merevítőrudak tervezési eljárásának értékelése kísérleti és numerikus eredmények alapján
A kutatási téma néhány soros bemutatása
Kutatásom során kihajlásbiztos merevítőrudak (Buckling Restrained Brace, röviden BRB) viselkedését vizsgálom. Azt szeretném igazolni kísérleti és numerikus eredmények alapján, hogy a kutatócsoportunk által javasolt tervezési eljárással az európai szeizmikus viszonyokhoz igazodó, az elvárt teherbírási követelményeknek megfelelő és gazdaságos BRB-vel merevített keretek tervezhetőek. Ehhez egy olyan keretrendszert használok, mely alkalmas különböző földrengésvédelmi megoldások tervezési eljárásainak értékelésére.
1. ábra BRB-vel merevített keretek (forrás Star Seismic)
A kutatóhely rövid bemutatása
Munkámat a Hidak és Szerkezetek Tanszéken végzem. Tanszékünk évtizedek óta foglalkozik magasépületek és hidak tartószerkezeti megoldásainak kutatásával, és számos hazai kiemelt projektben (pl. Pentele híd, Hárosi híd) szerepel szakértőként, társtervezőként vagy független ellenőrként. A szerkezeti elemek viselkedésének megismeréséhez nagy segítséget nyújtanak a tanszék akkreditált szerkezetvizsgáló laboratóriumában végzett kísérletek.
A földrengés és a földrengésvédelmi rendszerek az elmúlt tíz évben váltak a tanszék egyik kiemelt kutatási területévé, jelenleg külön kutatócsoport foglalkozik ezzel a témával. Dr. Vigh László Gergely, a kutatás vezetője tagja az ECCS TC13 bizottságának, így aktívan részt vesz az európai földrengés-tervezési szabvány (Eurocode 8 [1]) formálásában.
A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása
A nagy szeizmicitású területekre tervező építőmérnökök már a XX. század második felében felismerték, hogy a hagyományos, rugalmas elvű szerkezettervezés gazdaságtalan megoldásokhoz vezet. A rugalmasan működő elemek a terhekkel arányos mértékű elmozdulásokat szenvednek, majd a terhek megszüntetése után visszanyerik eredeti alakjukat. Ezzel szemben az ún. disszipatív elemek egy bizonyos teherszint felett képlékenyen viselkednek és olyan (képlékeny) alakváltozásokat szenvednek, melyek a tehermentesítés után is megmaradnak. A képlékeny alakváltozások kialakulása során az elemek jelentős mennyiségű energia elnyelésére képesek.
2. ábra Rugalmas és képlékeny viselkedés összehasonlítása
Amennyiben a szerkezetekben előre megtervezett helyeken disszipatív elemeket alkalmazunk, azok a földrengés energiájának nagy részét képesek elnyelni és ezáltal nagymértékben csökkennek a szerkezetre ható erők. Az ilyen típusú szerkezetek tervezése (kapacitástervezés) összetett folyamat, melynek alapjait a magyar származású Paulay Tamás fektette le.
A szerkezeti acélt rendkívül kedvező képlékeny viselkedésének köszönhetően gyakran alkalmazzák disszipatív szerkezeti megoldásokban. Problémát jelent azonban, hogy a karcsú acél elemek nyomás alatt már a képlékeny viselkedés kialakulása előtt elveszítik stabilitásukat, kihajlanak. Ezért a hagyományos acél elemek teherbírását nem lehet teljesen kihasználni, méretezéskor általában csak húzott állapotban vehetőek figyelembe. Ezt a hátrányos viselkedést küszöböli ki az 1980-as években Japánban kifejlesztett [2] kihajlásbiztos merevítőrúd, vagy röviden BRB. A 4. ábrán látható, hogy a rúd központi acél magját oldalirányban folytonosan megtámasztja egy betonnal kitöltött acél köpeny, így hatékonyan gátolja annak kihajlását. Az acél mag és a beton köpeny egymástól el van választva, ezáltal a beton nem vesz részt a teherviselésben, feladata egyedül az acél mag stabilitásának biztosítása. A BRB elemekkel korlátozás nélkül érhető el az acél anyagra jellemző rendkívül kedvező képlékeny viselkedést, ezáltal a hagyományos acél megoldásoknál sokkal nagyobb mennyiségű energia elnyelésére képesek.
3. ábra Hagyományos acél merevítőrúd és BRB viselkedésének összehasonlítása
4. ábra A BRB rúd felépítése
A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések
A 2000-es évekre a BRB elemeket Japánon kívül már az Egyesült Államokban is aktívan kutatták és alkalmazták [3,4]. Európában az elem vizsgálata az elmúlt évtized végén kezdődött, alkalmazását és elterjedését pedig egyelőre a szabványos tervezési eljárás hiánya nehezíti. Kutatásunk elsődleges célja egy olyan – a kapacitástervezés elveire épülő – tervezési eljárás vizsgálata, mely beilleszthető az a hatályos földrengés-tervezési szabványba. A javasolt eljárással szemben elvárás az egyszerűség, hogy a mindennapi tervezési gyakorlatban hatékonyan alkalmazható legyen.
A kutatás során meg kell vizsgálni az alkalmazott egyszerűsítéseket és igazolni kell a javasolt eljárással tervezett épületek megfelelő viselkedését. Ehhez a BRB elemek pontos ismerete szükséges, különös tekintettel azok ciklikus terhelés esetén tapasztalt képlékeny energiaelnyelő képességére és tönkremeneteli módjaira. A szakirodalomban szereplő kísérleti eredmények (pl. [5,6]) több fontos kérdésre nem adnak kielégítő választ. Ilyen például a BRB kis ciklusú fáradása révén a tönkremenetel terheléstörténettől való függése, mely általánosan elfogadott, de vizsgálatával csak kevesen foglalkoznak. Ennek ismeretében sokkal pontosabban meg lehetne határozni a BRB-t tartalmazó szerkezetek viselkedését.
Vizsgálataink nem csak a BRB-vel merevített szerkezetek európai elterjedését segítik elő, hanem a korábbinál részletesebb képet adnak a BRB viselkedéséről, így az európán kívüli szakembereknek is sok hasznos információval szolgálnak. A kutatásban együttműködünk a világ egyik vezető BRB gyártójával, a Star Seismic-kel, illetve több európai kutatóegyetemmel.
Módszerek
BRB viselkedés megismerése
A BRB elemek ciklikus terhelés során tapasztalt viselkedésének megismeréséhez eddig összesen 10 elemen végeztünk el teljes méretű egytengelyű ciklikus vizsgálatot. A vizsgálathoz egyedi terhelőkeret készült a Szerkezetvizsgáló Laboratóriumban.
5. ábra A kísérleti vizsgálathoz használt egyedi terhelőkeret
Három terhelési protokollt (terhelés-idő függvényt) dolgoztam ki, melyek különböző jelenségek (pl. maximális energiaelnyelő képesség, terheléstörténet hatása) elemzésére alkalmasak és megfelelnek az földrengésvédelmi eszközök vizsgálatát szabályozó EN15129 [7] szabványnak is. Minden esetben elmozdulásvezérelt terhelést alkalmaztunk, azaz a keretbe befogott elemet hidraulikai sajtók segítségével úgy terheltük, hogy az elmozdulások az előre meghatározott protokoll szerint alakuljanak.
6. ábra A terheléstörténettől való függés vizsgálatához használt terhelési protokoll - a kezdeti nagy amplitudójú ciklusok hatását vizsgáljuk a későbbi ciklusokban tapasztalt viselkedésre
A tapasztalt viselkedést a terhelés során mért erő-elmozdulás diagramok jól szemléltetik. A 7. ábrán jól látható a kezdeti rugalmas állapot, majd az acél mag folyását követően jól megkülönböztethető a kétféle felkeményedés (kinematikai és izotrop) hatása. Látható az is, hogy a rúd viselkedése nem szimmetrikus; nyomott esetben nagyobb teherbírással rendelkezik az elem.
7. ábra Tipikus kísérleti erő-elmozdulás diagram
BRB numerikus modellezése
A valós kísérletek anyagi és időbeli erőforrásigénye magas, ezért egyre gyakrabban alkalmazzák építőmérnöki kutatásokban is a virtuális kísérleteket. Ezeket a kísérleti eredmények alapján kalibrált számítógépes modelleken (leggyakrabban végeselemes környezetben) végzik. Kutatócsoportunk is egy ilyen modellel dolgozik, melynek segítségével a BRB viselkedése sokkal pontosabban megismerhető. [Z1, 8]
A virtuális kísérletekhez pontos, az eredeti elem geometriáját követő, háromdimenziós végeselemekből felépülő és a különböző anyagokat megfelelően közelítő anyagmodelleket alkalmazó modellre van szükség. Ezzel az összetett modellel a kísérletek jól szimulálhatóak, de egy teljes szerkezet vizsgálatára a rendkívül nagy futási idő miatt nincs lehetőség. Ezért a globális szerkezeti vizsgálatokhoz egy sokkal egyszerűbb, könnyebben kezelhető elem fejlesztésére volt szükség. A BRB rudat egy prizmatikus rúdelemmel közelítettem, melyhez egy egyedi anyagmodellt dolgoztam ki. [Z2] Mivel az elem geometriája a közelítés révén jelentősen eltér a valós rúdétól, a rúd viselkedésének minden sajátosságát az anyagmodellel kell szimulálni.
8. ábra Az egyszerűsített BRB modell felépítése
Tervezési eljárás vizsgálata
A javasolt tervezési eljárás megfelelőségét az amerikai FEMA P695 dokumentum [9] javaslatai alapján kidolgozott keretrendszer segítségével igazoljuk. A javasolt eljárással megtervezünk kellően nagy számú (30-50) tipikus épületet, ún. archetípust. Az archetípusok reprezentálják a vizsgált rendszer megvalósulási formáit az adott (esetünkben európai) környezetben. A megtervezett épületek mindegyikénél egy részletes nemlineáris dinamikai vizsgálattal [10] ellenőrizzük, hogy a viselkedése valóban megfelel-e a szabványos követelményeknek.
A nemlineáris vizsgálat során az épületre ható földrengést és az épület földrengésre adott válaszát (pl. elmozdulás, igénybevételek) is valószínűségi változóként kezeljük, melyeket véges számú adattal közelítünk. A földrengést összesen 44 darab gyorsulás-idő rekorddal jellemzi az eljárás, melyek között megtalálhatóak a közelmúlt jelentős károkat okozó földrengései (pl. Kobe, Northridge, Chi-Chi stb.). Az épület válaszát a 44 rekordra kapott 44 különböző adatsorral jellemezhetjük. A földrengésrekordokat különböző intenzitásra skálázva és a vizsgálatot minden intenzitási szinten külön-külön elvégezve részletes képet kapunk az épület szeizmikus viselkedéséről. Ennek tömör reprezentációja a törékenységi görbe, mely megmutatja, hogy adott intenzitású földrengés esetén mekkora az épület tönkremenetelének valószínűsége. Az archetípusokra jellemző törékenységi görbék alapján végezhető el a tervezési eljárás értékelése.
9. ábra Nemlineáris dinamikai vizsgálatok eredménye és az ebből származtatott törékenységi görbék
Eddigi eredmények
Kísérleti vizsgálatok
Az egyedi protokollokkal végzett kísérleti vizsgálatok segítségével igazoltam a BRB rendkívül kedvező energialenyelő képességét. [Z3, Z4] Megmutattam, hogy a kedvezőtlen geometriai arányokkal rendelkező BRB mag viselkedése érzékeny a mag erős tengely körüli kihajlására. Két próbatest segítségével igazoltam az ebből eredő kedvezőtlen tönkremeneteli módot, mely jelentősen csökkenti a BRB energiaelnyelő képességét. [Z5]
10. ábra Kedvezőtlen tönkremenetelt megelőző jelentős mértékű erős tengely körüli kihajlás az acél mag átmeneti zónájának környezetében (bal oldali ábra); megfelelő geometriai arányok esetén nincs maradó alakváltozás (jobb oldali ábra)
A kísérleti eredmények alapján meghatároztam a BRB gyakorlati tervezéséhez és minőségellenőrzéséhez szükséges paraméterek európai szabályozással kompatibilis értékeit. Ezek közé tartoznak az elemre javasolt bilineáris erő-elmozdulás karakterisztika paraméterei, valamint ezen paraméterek minőségbiztosítás szempontjából fontos megengedhető szórásai. [Z6]
11. ábra Egyszerűsített bilineáris karakterisztika BRB elemek gyakorlati tervezéséhez
Numerikus modell
A University of California, Berkeley egyetemén kifejlesztett OpenSEES nyílt forráskódú végeselemes környezetben [11] egyedi anyagmodellt fejlesztettem BRB elemre. [Z7] Az anyagmodellt prizmatikus rúdelemmel kombinálva a BRB rudak rendkívül hatékony és pontos modellezése érhető el, mely nem igényel nagy számítási kapacitást. A modell a Menegotto-Pinto által javasolt [12] acél anyagra épül. Az eredeti anyag kinematikai keményedését megtartva, kiegészítettem azt izotrop keményedéssel. Ezen kívül elhelyeztem egy felső teherbírási korlátot, és ehhez az eredeti két aszimptotával dolgozó feszültségfüggvénynek kidolgoztam a három aszimptotás változatát. A terheléstörténettől való függést is implementáltam a modellbe, így annak viselkedése minden esetben függ a korábbi ciklusok során a feszültség-alakváltozás síkban bejárt úttól. A fenti tulajdonságokat húzott és nyomott esetben egymástól függetlenül képes kezelni a modell, így megvalósítható a BRB-re jellemző aszimmetrikus viselkedés követése. Ennyire kis erőforrás igényű, flexibilis nemlineáris acél anyagmodell tudomásom szerint egyik elterjedt végeselemes programban sem érhető el jelenleg.
12. ábra A kifejlesztett anyagmodellre jellemző erő-elmozdulás karakterisztika és az ezt leíró feszültségfüggvény
Keretrendszer tervezési eljárás minősítésére
A tervezési eljárás minősítéséhez az OpenSEES-re épülő egyedi szoftvert fejlesztettem, mely a FEMA P695-ben szereplő összetett eljárásnak megfelelően tetszőleges archetípusnak előállítja a törékenységi görbéjét. [Z8, Z9] Az eredményekben rejlő bizonytalanság csökkentése érdekében az eredeti keretrendszer több pontjának módosítását javasoltam. Felhívtam a figyelmet arra, hogy a jelenlegi eljárás alapjául vasbeton és fa szerkezetek kaliforniai vizsgálatai szolgálnak, ezért ettől eltérő szerkezettípusokra (pl. acél keretek) és helyszínekre csak nagy körültekintéssel alkalmazható. [Z10]
A University of Porto-val együttműködve az eljárás egy olyan kiterjesztését javasoljuk, mely bármely épülettípusra és bármely területre alkalmazhatóvá teszi azt. Ehhez az eredeti 44 rekord helyett a vizsgált földrengés erősségéhez és a szerkezettípushoz rendelhető egyedi rekord-halmazok alkalmazását javasoljuk. [Z11] A 13. ábrán látható, hogy különböző intenzitási szintekhez és szerkezettípusokhoz mennyire eltérő spektrumokkal jellemezhető rekordokra van szükség. A megfelelő rekordok kiválasztását egy web-alapú szolgáltatás automatikusan elvégzi egy több mint 10000 földrengést tartalmazó adatbázisból [13]. Kidolgoztam a több különböző rekordhalmazzal kapott eredményekből a vizsgált szerkezetre jellemző törékenységi görbét előállító eljárást, így a módosítások egyszerűen integrálhatóak az eredeti keretrendszerbe.
13. ábra Azonos helyszínen várható különböző intenzitású földrengéseket jellemző ún. válaszspektrumok összehasonlítása (bal oldali ábra) és különböző periódusidővel jellemezhető szerkezetekhez tartozó mértékadó földrengés válaszspektrumok összehasonlítása (jobb oldali ábra)
Várható impakt, további kutatás
A kísérleti eredmények alapján felvett szabványos paraméterek és a vizsgált tervezési eljárás a kutatás révén az ECCS TC13 csoportján keresztül bekerülhet az Eurocode 8 következő revíziójába, így egész Európában meghatározhatja a BRB-vel merevített szerkezetek tervezését.
A kidolgozott anyagmodell nagy pontosságának és kis erőforrásigényének köszönhetően bekerülhet az OpenSEES hivatalos kiadásába és ezen keresztül a BRB-vel foglalkozó numerikus vizsgálatoknál az egész világon szabadon alkalmazhatják.
A tervezési eljárásokat minősítő keretrendszer módosítása pedig fontos lépés az eredeti rendszer általánosításának irányába. Segítségével bármely földrengésvédelmi rendszer tervezési eljárása minősíthetővé válik, ami gazdaságosabb tervezéshez és a szerkezeti viselkedés pontosabb ismeretéhez vezet.
A University of Porto mellett több európai egyetemmel (Instituto Superior Técnico of Lisbon, University of Naples “Federico II”, Politechnica University of Timisoara, University of Oxford) kezdeményeztünk ebben a témában közös kutatást, melynek célja a BRB elemek és azok tervezési eljárásainak továbbfejlesztése, a BRB alkalmazási területének kiterjesztése.
Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény
Kapcsolódó saját publikációk listája.
[Z1] Budaházy V., Zsarnóczay Á., Vigh L.G., Dunai L., Numerical model development for cyclic hardening investigation of steel-yield based displacement dependent devices. Proc. 15th World Conference on Earthquake Engineering (15 WCEE), Lisbon, Portugal, 1-10. old. paper 5222. (2012)
[Z2] Zsarnóczay Á., Vigh L.G., Kihajlásbiztos merevítőrúd ciklikus viselkedésének elemszintű modellezése. XI. Magyar Mechanikai Konferencia, Miskolc, Magyarország, 9. old., (2011)
[Z3] Zsarnóczay Á., Vigh L.G., Experimental analysis of buckling restrained brace behaviour under cyclic loading. 28th Danubia – Adria – Symposium on Advances in Experimental Mechanics, Siófok, Magyarország, 297-298. old., (2011)
[Z4] Zsarnóczay Á., Vigh L.G., Kihajlásbiztos merevítőrudak kísérleti vizsgálata, Magyar Építőipar LXII:(6) 222-230. old., (2012)
[Z5] Zsarnóczay Á., Vigh L.G., Experimental analysis of buckling restrained braces: Performance evaluation under cyclic loading. Proceedings of EUROSTEEL 2011 – 6th European Conference on Steel and Composite Structures. Budapest, Magyarország, 945-950. old. (2011)
[Z6] Zsarnóczay Á., Budaházy V., Vigh L.G., Dunai L., Cyclic hardening criteria in EN 15129 for steel dissipative braces. Journal of Constructional Steel Research 83, 1-9. old. (2013)
[Z7] Zsarnóczay Á., Budaházy V., Uniaxial Material Model Development for Nonlinear Response History Analysis of Steel Frames. Proc Second Conference of Junior Researchers in Civil Engineering, Budapest, Magyarország, 307-317 old. (2013)
[Z8] Zsarnóczay Á, Seismic Performance evaluation of buckling restrained braces and frame structures. Proc 9th fib International PhD Symposium in Civil Engineering, Karlsruhe, Germany, 195-200. old. (2012)
[Z9] Zsarnóczay Á., Influence of Plastic Mechanism Development on the Seismic Performance of Buckling Restrained Braced Frames – case study. Proc. Conference of Junior Researchers in Civil Engineering, Budapest, Magyarország, 289-297. old. (2012)
[Z10] Zsarnóczay Á., Vigh L.G., Capacity design procedure evaluation for buckling restrained braced frames with incremental dynamic analysis. Proc. 15th World Conference on Earthquake Engineering (15 WCEE), Lisbon, Portugal, 1-10. old., paper 3533. (2012)
[Z11] Zsarnóczay Á., Macedo L., Castro J.M., Vigh L.G., A novel ground motion record selection strategy for Incremental Dynamic Analysis. Proc. Vienna Congress on Recent Advances in Earthquake Engineering and Structural Dynamics, (2013) (benyújtva)
Linkgyűjtemény:
Hivatkozások listája.
[1] EN 1998-1:2008, Eurocode 8: design of structures for earthquake resistance – part 1: general rules, seismic actions and rules for buildings. CEN (2008)
[2] Watanabe A., Hitomi Y., Saeki E., Wada A., Fujimoto M.: Properties of Brace Encased in Buckling-Restraining Concrete and Steel Tube. Proc. Ninth World Conference on Earthquake Engineering IV. 719-724. old. (1988)
[3] López WA, Sabelli R, Seismic design of buckling restrained braced frames. Steel Tips (2004)
[4] ANSI/AISC 341-10. Seismic provisions for structural steel buildings. AISC (2010)
[5] Romero P., Reaveley L.D., Miller P.J., Okahashi T.O., Full scale testing of WC series buckling-restrained braces – test report. Salt Lake City: Department of Civil & Environmental Engineering, The University of Utah (2007)
[6] Merritt S., Uang Ch.M., Benzoni G., Subassemblage testing of star seismic buckling restrained braces – test report. San Diego: Department of Structural Engineering, University of California (2003)
[7] EN 15129, Anti-seismic devices. CEN (2010)
[8] Budaházy V., Modeling of the hysteretic behaviour of buckling restrained braces. Proc Conference of Junior Researchers in Civil Engineering, Budapest, Magyarország, 34-41. old. (2012)
[9] FEMA P695, Quantification of building seismic performance factors. Federal Emergency Management Agency, Washington, D.C. (2009)
[10] Vamvatsikos, D. and Cornell, C.A., Incremental dynamic analysis. Earthquake Engineering and Structural Dynamics. 31: 491-514. old. (2002)
[11] McKenna F., Feneves G.L.: Open system for earthquake engineering simulation. Pacific Earthquake Engineering Research Center, (2012)
[12] Menegotto, M., Pinto, P.: Method of Analysis for Cyclically Loaded Reinforced Concrete Plane Frames Including Changes in Geometry and Nonelastic Behavior of Elements under Combined Normal Force and Bending. IABSE Symposium on Resistance and Ultimate Deformability of Structures Acted on by Well-Defined Repeated Loads, Final Report, Lisbon (1973)
[13] PEER NGA Database: http://peer.berkeley.edu/peer_ground_motion_database