В RSSeismic появился новый конечно-элементный 1D-процесс анализа сейсмической реакции площадки, рассчитанный на одновременное задание двух горизонтальных компонент землетрясения, моделирование накопления порового давления и разжижения грунтов. Разработка должна закрыть часть задач, для которых раньше требовались полноценные 3D конечно-элементные или конечно-разностные модели, передает RocScience.
Новый расчетный модуль использует конечно-элементную постановку и трехмерную конститутивную модель грунта I-soil. При этом расчет остается одномерным по геометрии грунтового профиля.
Одномерный анализ реакции площадки применяется в сейсмическом проектировании более полувека. На практике используются линейные, эквивалентно-линейные и нелинейные схемы, позволяющие оценивать изменение параметров сейсмического воздействия в зависимости от свойств грунтов.
Однако традиционные 1D-постановки обычно рассматривают только одну горизонтальную компоненту движения за один расчет. Влияние второй компоненты учитывается приближенно — через эмпирические поправочные коэффициенты.
Кроме того, упрощенные зависимости «касательное напряжение — сдвиговая деформация» не воспроизводят полный трехмерный характер напряженно-деформированного состояния и объемные деформации грунта, возникающие при циклическом сдвиге.
В эквивалентно-линейных моделях образование избыточного порового давления, как правило, не рассчитывается напрямую. В традиционных нелинейных моделях оно часто задается через эмпирические зависимости, эквивалентное число циклов или показатели деградации жесткости.
Поэтому такие схемы ограниченно подходят для прямого моделирования сложных траекторий напряжений, накопления порового давления, дилатансии при разжижении, накопления деформаций и осадки поверхности.
Новый FE-модуль RSSeismic позволяет одновременно прикладывать горизонтальные движения по направлениям X и Y.
Расчетная схема использует трехкомпонентную динамику узлов при сохранении одномерной геометрии грунтовой колонки. Воздействие может задаваться через жесткое или упругое основание.
Численный алгоритм построен на явном методе конечных элементов с раздельным решением связанной задачи деформирования грунта и движения поровой жидкости. Шаг интегрирования автоматически подбирается по условию CFL.
Также реализованы генерация и рассеивание избыточного порового давления и динамическая релаксация при формировании начального напряженного состояния.
В расчетах используется конститутивная модель I-soil, разработанная для описания циклического поведения грунтов.
Она позволяет учитывать:
При моделировании циклических испытаний на простой сдвиг расчет воспроизвел постепенное накопление деформаций и снижение среднего эффективного напряжения по мере роста порового давления. При достижении коэффициента избыточного порового давления, близкого к единице, модель воспроизводит состояние разжижения.
Для проверки влияния двух горизонтальных компонент разработчики использовали данные АЭС Касивадзаки-Карива после землетрясения Niigata-ken Chuetsu-oki 2007 года.
В модель напрямую подавались две горизонтальные акселерограммы, зарегистрированные на глубине 250 м. Выполнили три варианта расчета: отдельно для компонентов восток — запад и север — юг, а также совместный двухкомпонентный анализ.
Однокомпонентные модели недооценивали зафиксированную на площадке осадку поверхности. При одновременном приложении двух горизонтальных составляющих расчетная осадка оказалась близка к результатам натурных наблюдений.
При этом спектры отклика в двухкомпонентной постановке в целом оказались ниже полученных при раздельном приложении воздействий, что авторы связывают с более выраженным нелинейным поведением грунта.
Отдельная проверка выполнена для экспериментальной площадки Wildlife Liquefaction Array, оборудованной акселерометрами и датчиками порового давления.
Модель подвергли двум горизонтальным компонентам землетрясения Superstition Hills 1987 года. В расчете прослеживались накопление избыточного порового давления и развитие процесса разжижения.
Полученные временные зависимости порового давления в целом согласовались с записями полевых датчиков на разных глубинах.
Для инженерных расчетов это позволяет выполнять анализ в эффективных напряжениях в рамках 1D-модели без перехода непосредственно к более тяжелым 2D- или 3D-постановкам.
Производительность нового модуля проверялась также на площадке Treasure Island Downhole Array.
Для анализа сформировали 30 случайных реализаций профиля скоростей поперечных волн и 11 пар акселерограмм. Всего было выполнено 330 конечно-элементных расчетов с нелинейным поведением грунта, двухкомпонентным воздействием и связанным моделированием порового давления.
Все расчеты и последующая пакетная обработка выполнялись через механизм скриптов RSSeismic.
На ноутбуке с 16 логическими процессорами серия из 330 моделей была рассчитана примерно за 34 минуты. Результаты использовались для оценки разброса эффективного амплитудного спектра EAS, спектральных ускорений и максимального коэффициента порового давления.
Разработчики сравнили новый конечно-элементный решатель с традиционной нелинейной схемой с сосредоточенными массами.
Тестовые модели содержали 5, 25, 50 и 150 слоев грунта, продолжительность входного воздействия составляла 70 секунд.
В FE-постановке одновременно учитывались две горизонтальные компоненты, модель I-soil, образование и рассеивание порового давления. В традиционной схеме компоненты рассчитывались отдельно, а поровое давление задавалось эмпирической моделью Matasovic.
Для профилей примерно до 100 слоев время расчета оказалось сопоставимо с обычным нелинейным 1D-анализом. С ростом числа элементов конечно-элементный решатель масштабировался быстрее традиционного.
Новая постановка сохраняет одномерную геометрию профиля, но использует трехмерную модель поведения грунта и двухкомпонентное динамическое воздействие.
Разработчики рассматривают такой подход как промежуточный уровень между стандартным 1D-анализом и полноценными 2D- и 3D-моделями сейсмического взаимодействия грунта и сооружений.
В RSSeismic также сохраняется возможность выполнять эквивалентно-линейные расчеты, а переход к новой FE-схеме не требует существенного изменения привычного процесса подготовки модели и выбора параметров.
Отдельно разработчики связывают новую функциональность с переходом к моделям сейсмического воздействия на основе Effective Amplitude Spectrum и планируемыми требованиями NEHRP к учету фазового преобразования грунта при нелинейном анализе площадок с потенциальным разжижением.
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Скопировать ссылку 
Vk 
Telegram 
Viber 
WhatsApp 
Оформить подписку