Entwicklung seismischer Fragilitäten für einen Mobilfunkmast mit Stahlgitter einer Basisstation

Die Analyse der seismischen Fragilität ist ein entscheidender Aspekt, um die strukturelle Widerstandsfähigkeit von Mobilfunkmasten mit Stahlgittern in Basisstationen sicherzustellen. Diese Türme sind für die Aufrechterhaltung der Kommunikation während und nach seismischen Ereignissen von entscheidender Bedeutung. Diese umfassende Analyse beinhaltet das Verständnis des seismischen Verhaltens, Durchführung von Strukturmodellierungen, und die Entwicklung von Fragilitätskurven, die die Wahrscheinlichkeit des Erreichens oder Überschreitens verschiedener Schadenszustände bei unterschiedlicher seismischer Intensität quantifizieren.

Mobilfunkmast mit Stahlgitter

Produktparameter für einen Basisstations-Stahlgitter-Mobilfunkmast

1. Design

• Design-Code: Waren / sind-222-G / F

2. Struktur aus Stahl

Der Turm kann entweder aus Weichstahl oder hochfestem Stahl gebaut werden, konform mit verschiedenen internationalen Standards:

• Baustahl:
  • Chinesischer Standard: GB/T 700: Q235B, Q235C, Q235D
  • amerikanischer Standard: ASTM A36
  • Europäischer Standard: EN10025: S235JR, S235J0, S235J2
• Hochfester Stahl:
  • Chinesischer Standard: GB/T 1591: Q345B, Q345C, Q345D
  • amerikanischer Standard: ASTM A572 GR50
  • Europäischer Standard: EN10025: S355JR, S355J0, S355J2

3. Design Windgeschwindigkeit

• Maximale Windgeschwindigkeit: Bis zu 250 km/h

4. Zulässige Durchbiegung

• Ablenkungsbereich: 0.5 zu 1.0 Grad bei Betriebsgeschwindigkeit

5. Mechanische Eigenschaften

• Zugfestigkeit (MPa):
  • Baustahl: 360 zu 510
  • Hochfester Stahl: 470 zu 630
• Streckgrenze (t ≤ 16 mm) (MPa):
  • Baustahl: 235
  • Hochfester Stahl: 355
• Verlängerung (%):
  • Baustahl: 20
  • Hochfester Stahl: 24
• Schlagfestigkeit KV (J):
  • Baustahl:
    • 27 (20° C) — Q235B (S235JR)
    • 27 (0° C) — Q235C (S235J0)
    • 27 (-20° C) — Q235D (S235J2)
  • Hochfester Stahl:
    • 27 (20° C) — Q345B (S355JR)
    • 27 (0° C) — Q345C (S355J0)
    • 27 (-20° C) — Q345D (S355J2)

6. Schrauben & Nüsse

• Klasse: 4.8, 6.8, 8.8
• Standards für mechanische Eigenschaften:
  • Schrauben: ISO 898-1
  • Nüsse: ISO 898-2
  • Unterlegscheiben: ISO 6507-1
• Normen für Abmessungen:
  • Schrauben: VON 7990, VON 931, VON 933
  • Nüsse: ISO 4032, ISO 4034
  • Unterlegscheiben: VON 7989, DIN 127B, ISO 7091

7. Schweißen

• Methode: CO₂-Schutzlichtbogenschweißen & Unterpulverschweißen (SAH)
• Standard: AWS D1.1

8. Markierung

• Methode zur Markierung von Mitgliedern: Hydraulische Presse Stamping

9. Verzinken

• Verzinkungsnorm für Stahlprofile: ISO 1461 oder ASTM A123
• Galvanisierungsstandard für Schrauben und Muttern: ISO 1461 oder ASTM A153

10. Testen

• Werkstests:
  • Zugversuch
  • Elementanalyse
  • Charpy-Test (Schlagtest)
  • Kaltbiegen
  • Preece-Test
  • Hammertest

 

Diese Parameter stellen sicher, dass der Turm strenge Standards für strukturelle Integrität erfüllt, Haltbarkeit, und Leistung unter verschiedenen Umgebungsbedingungen. Durch die Einhaltung dieser Vorgaben, Der Turm ist für hohe Windgeschwindigkeiten und seismische Belastungen ausgelegt, Bereitstellung zuverlässiger Unterstützung für die Kommunikationsinfrastruktur.

1. Einführung in die seismische Fragilitätsanalyse

Die Analyse der seismischen Fragilität bewertet die Wahrscheinlichkeit, dass eine Struktur bei unterschiedlicher seismischer Intensität bestimmte Schadenszustände erreicht oder überschreitet. Für eine Basisstation mit Stahlgitter-Mobilfunkmast, das beinhaltet:

• Definition möglicher Schadenszustände.
• Durchführung einer Erdbebengefährdungsanalyse.
• Modellierung der seismischen Reaktion des Turms.
• Entwicklung von Fragilitätskurven basierend auf der probabilistischen Analyse der Reaktion des Turms auf seismische Belastungen.

2. Analyse seismischer Gefahren

Die seismische Gefahrenanalyse umfasst die Bestimmung der seismischen Intensitätsmaße (IMs) relevant für den Standort des Turms. Zu den wichtigsten Schritten gehören::

• Seismische Zoneneinteilung: Identifizieren der seismischen Zone und Erhalten relevanter seismischer Daten wie der maximalen Bodenbeschleunigung (PGA), Spektralbeschleunigung (An), und Bodenbewegungsaufzeichnungen.
• Rückgabefristen: Definieren der Rückgabefristen (z.B., 50, 100, 475, 2475 Jahre) um unterschiedliche Grade der seismischen Gefährdung zu beurteilen.
• Standortspezifische Analyse: Durchführung einer standortspezifischen Erdbebengefährdungsanalyse, wenn sich der Turm in einer Region mit komplexer Geologie befindet.
• 

3. Definition der Schadenszustände

Schadenszustände repräsentieren unterschiedliche Ausmaße struktureller Schäden. Für einen Mobilfunkmast mit Stahlgitter, Zu den typischen Schadenszuständen könnten gehören:

• Leichter Schaden (DS1): Geringe Verformungen und keine nennenswerten strukturellen Schäden.
• Mäßiger Schaden (DS2): Auffällige Verformungen, geringes Nachgeben der Mitglieder, und einige Verbindungsschäden.
• Umfangreicher Schaden (DS3): Erhebliche Verformungen, Nachgeben mehrerer Mitglieder, und Schäden an wichtigen Verbindungen.
• Zusammenbruch (DS4): Totales Strukturversagen oder Zusammenbruch.

4. Strukturmodellierung und seismische Reaktionsanalyse

4.1 3D Strukturmodellierung

Erstellen eines detaillierten 3D-Modells des Mobilfunkmastes mithilfe der Finite-Elemente-Analyse (FEA) Software wie SAP2000, ANSYS, oder OpenSees. Das Modell sollte enthalten:

• Strukturelemente: Gittermitglieder, Verspannung, und Verbindungen.
• Stiftung: Modellierung des Fundaments zur Berücksichtigung der Boden-Struktur-Wechselwirkung.
• Massenverteilung: Genaue Darstellung der Massenverteilung, einschließlich Antennen und Ausrüstung.

4.2 Seismische Belastung

Das Aufbringen seismischer Belastungen auf das Modell erfordert:

• Bodenbewegungsaufzeichnungen: Verwendung realer oder synthetischer Bodenbewegungsaufzeichnungen, die die seismische Gefahr am Standort darstellen.
• Zeithistorische Analyse: Durchführung einer nichtlinearen Zeitverlaufsanalyse zur Erfassung der dynamischen Reaktion des Turms.
• Antwortspektrumanalyse: Durchführung einer Antwortspektrumanalyse zum Vergleich und zur Validierung.

4.3 Nichtlineare Analyse

Eine nichtlineare Analyse ist unerlässlich, um das inelastische Verhalten des Turms unter seismischer Belastung zu erfassen. Das beinhaltet:

• Materielle Nichtlinearität: Modellierung des Streck- und Nachstreckverhaltens von Stahlbauteilen.
• Geometrische Nichtlinearität: Berücksichtigung großer Verformungen und P-Delta-Effekte.
• Verbindungsverhalten: Genaue Modellierung der Verbindungssteifigkeit und -festigkeit.

5. Entwicklung der Fragilitätskurve

Fragilitätskurven werden durch statistische Analyse der Reaktion des Turms auf seismische Belastungen entwickelt. Die Schritte umfassen:

5.1 Parameter der seismischen Nachfrage

Identifizierung seismischer Bedarfsparameter (z.B., maximale Drift zwischen den Stockwerken, Basisscherung) die mit Schadenszuständen korrelieren.

5.2 Probabilistische seismische Nachfragemodelle (PSDMs)

Entwicklung von PSDMs, die seismische Nachfrageparameter mit seismischen Intensitätsmaßen in Beziehung setzen (IMs). Dies kann mithilfe einer Regressionsanalyse der Ergebnisse nichtlinearer Zeitverlaufsanalysen erfolgen.

5.3 Schadenswahrscheinlichkeitsmatrizen

Erstellen von Schadenswahrscheinlichkeitsmatrizen, die die Wahrscheinlichkeit des Erreichens oder Überschreitens jedes Schadenszustands für bestimmte seismische Intensitätsniveaus angeben.

5.4 Formulierung der Fragilitätsfunktion

Anpassung der Fragilitätsfunktionen an die Schadenswahrscheinlichkeitsdaten. Die Fragilitätsfunktion wird häufig als kumulative Lognormalverteilungsfunktion ausgedrückt (CDF):

[≥∣]=F(ln⁡()−ln⁡())P[DS≥ds∣ICHM]=Phi(Bds​ln(ICHM)−ln(ICHMds​)​)

Woher:

• $P[DS\ge ds\mid ICHM]$ = Wahrscheinlichkeit, den Schadenszustand zu erreichen oder zu überschreiten $ds$ gegebenes Intensitätsmaß $ICHM$.
• $Phi$ = Standardmäßige kumulative Normalverteilungsfunktion.
• ICHMds​ = Medianwert des Intensitätsmaßes, das den Schadenszustand verursacht $ds$.
• Bds​ = Logarithmische Standardabweichung, die die Unsicherheit im IM für den Schadenszustand darstellt $ds$.

 

 

6. Fallstudie: Seismische Fragilitätsanalyse eines Mobilfunkmastes mit Stahlgitter einer Basisstation

Zur Veranschaulichung der Entwicklung seismischer Fragilitäten, Wir präsentieren eine Fallstudie eines Stahlgitter-Mobilfunkmastes in einer seismisch aktiven Region.

6.1 Turmbeschreibung

• Höhe: 40 Meter
• Aufbau: Gitterturm mit vier Beinen und Querverstrebung
• Ort: Urban area in a seismic zone with high seismic activity

6.2 Seismic Hazard Data

• Seismic Zone: Zone IV (high seismicity)
• Design Spectra: Based on the local building code
• Bodenbewegungsaufzeichnungen: Selected from a database to match the seismic hazard at the site

6.3 Structural Modeling

A detailed 3D finite element model is created using OpenSees, incorporating the following elements:

• Strukturelemente: Steel legs, horizontal and diagonal bracing members
• Connections: Bolted/welded connections modeled with appropriate stiffness and strength characteristics
• Stiftung: Modeled as fixed supports for simplicity, with a note that a more detailed soil-structure interaction model could be used

6.4 Seismic Loading and Analysis

Ground Motion Selection:

• 10 ground motion records, scaled to match the design spectra at different intensity levels (z.B., 0.1G, 0.2G, 0.3G, …)

Nonlinear Time-History Analysis:

• Performed using the selected ground motions
• Wichtige Ausgabeparameter: maximale Drift zwischen den Stockwerken, Basisscherung, und Mitgliedskräfte

6.5 Schadenszustandskriterien

Definieren von Schadenszuständen basierend auf technischem Urteilsvermögen und strukturellen Leistungskriterien:

• Leichter Schaden (DS1): Maximale Drift zwischen den Stockwerken < 0.5%
• Mäßiger Schaden (DS2): Maximale Drift zwischen den Stockwerken 0.5% – 1.5%
• Umfangreicher Schaden (DS3): Maximale Drift zwischen den Stockwerken 1.5% – 3%
• Zusammenbruch (DS4): Maximale Drift zwischen den Stockwerken > 3%

6.6 Parameter der seismischen Nachfrage

Als Schlüsselparameter für den seismischen Bedarf werden identifiziert:

• Maximale Drift zwischen den Stockwerken (MITTE)
• Basisschere (BS)

6.7 Probabilistische seismische Nachfragemodelle (PSDMs)

Anhand der Ergebnisse der nichtlinearen Zeitverlaufsanalyse wird eine Regressionsanalyse durchgeführt, um PSDMs für jeden Schadenszustand zu entwickeln. Beispielsweise:

MITTE=⋅(PGA)MITTE=ein⋅(PGA)b

Woher $ein$ und $b$ sind aus der Analyse abgeleitete Regressionskoeffizienten.

6.8 Entwicklung der Fragilitätskurve

Schadenswahrscheinlichkeitsmatrizen:

• Konstruiert für jeden Schadenszustand auf der Grundlage der seismischen Anforderungsparameter und der entsprechenden seismischen Intensitäten.

Fragilitätsfunktionen:

• Angepasst mithilfe einer Lognormalverteilung an die Schadenswahrscheinlichkeitsdaten.

Beispiel einer Fragilitätsfunktion für mäßigen Schaden (DS2):

[≥2∣]=F(ln⁡(PGA)−ln⁡(PGA2)2)P[DS≥DS2∣PGEIN]=Phi(BDS2​ln(PGA)−ln(PGADS2​)​)

Woher:

• PGA2PGADS2​ = Mittlerer PGA, der mäßigen Schaden verursacht
• 2BDS2​ = Logarithmische Standardabweichung für mäßige Schäden

6.9 Ergebnisse

Die Fragilitätskurven für jeden Schadenszustand werden aufgezeichnet, Zeigt die Wahrscheinlichkeit der Überschreitung jedes Schadenszustands als Funktion des PGA. Beispielergebnisse könnten sein::

• DS1: Mittlerer PGA = 0,15 g, 1=0,3BDS1​=0.3
• DS2: Mittlerer PGA = 0,30 g, 2=0,35BDS2​=0.35
• DS3: Mittlerer PGA = 0,45 g, 3=0,4BDS3​=0.4
• DS4: Mittlerer PGA = 0,60 g, 4=0,45BDS4​=0.45

7. Diskussion und Interpretation

Die entwickelten Fragilitätskurven liefern ein probabilistisches Maß für die Anfälligkeit des Turms gegenüber seismischen Ereignissen. Zu den wichtigsten Beobachtungen gehören::

• Leichter Schaden (DS1): Bei relativ niedrigen PGA-Werten ist mit leichten Schäden am Turm zu rechnen.
• Mäßiger Schaden (DS2): Ab einem PGA von 0,3g steigt die Wahrscheinlichkeit eines mäßigen Schadens deutlich an.
• Umfangreicher Schaden (DS3): Bei höheren PGA-Werten werden größere Schäden wahrscheinlich, Dies weist auf die Notwendigkeit robuster Designmaßnahmen hin.
• Zusammenbruch (DS4): Die Kollapswahrscheinlichkeit ist gering, aber bei sehr hohen PGA-Werten signifikant, Hervorhebung kritischer Intensitätsschwellen für strukturelles Versagen.

8. Fazit

Die Analyse der seismischen Fragilität eines Mobilfunkmastes mit Stahlgitter einer Basisstation liefert wertvolle Einblicke in seine seismische Anfälligkeit und liefert Informationen zu Designverbesserungen und Nachrüstungsstrategien. Die in diesem Prozess beschriebenen Schritte gewährleisten ein umfassendes Verständnis des Verhaltens des Turms unter seismischer Belastung und die Entwicklung zuverlässiger Fragilitätskurven. Diese Kurven sind entscheidend für die Risikobewertung und Entscheidungsfindung im Zusammenhang mit der seismischen Widerstandsfähigkeit.

9. Empfehlungen zur Verbesserung der seismischen Widerstandsfähigkeit

Basierend auf den Erkenntnissen der seismischen Fragilitätsanalyse, Zur Verbesserung der seismischen Widerstandsfähigkeit des Turms können mehrere Empfehlungen ausgesprochen werden:

9.1 Strukturelle Verstärkung

• Stärkung der Mitglieder: Aktualisieren Sie kritische Mitglieder (z.B., Beine und Hauptverstrebung) um höheren seismischen Kräften standzuhalten.
• Verbindungsverbesserungen: Verbessern Sie das Design und die Festigkeit von Verbindungen, um Ausfälle bei dynamischer Belastung zu verhindern.
• Redundante Verstrebung: Führen Sie zusätzliche Aussteifungen ein, um alternative Lastpfade bereitzustellen und die Gesamtstabilität zu verbessern.

9.2 Foundation-Verbesserungen

• Boden-Struktur-Interaktion (SSI): Führen Sie detaillierte SSI-Analysen durch und entwerfen Sie Grundlagen, um seismische Kräfte effektiv abzuschwächen.
• Basisisolation: Erwägen Sie den Einsatz von Sockelisolationstechniken, um den Turm von Bodenbewegungen zu entkoppeln und den seismischen Bedarf zu reduzieren.

9.3 Retrofit-Strategien

• Dämpfungssysteme: Dämpfungssysteme implementieren (z.B., abgestimmte Massedämpfer, Viskose Dämpfer) um seismische Energie abzuleiten und Vibrationen zu reduzieren.
• Stärkung bestehender Türme: Wenden Sie Nachrüsttechniken wie das Hinzufügen externer Streben oder die Verwendung faserverstärkter Polymere an (FRP) zur Verbesserung der Strukturkapazität.

9.4 Überwachung und Wartung

• Seismische Überwachung: Installieren Sie Sensoren, um die Reaktion des Turms bei seismischen Ereignissen zu überwachen und Daten für die laufende Bewertung zu sammeln.
• Regelmäßige Inspektionen: Führen Sie routinemäßige Inspektionen und Wartungsarbeiten durch, um potenzielle Schwachstellen zu identifizieren und zu beheben.

10. Zukünftige Forschungsrichtungen

Weitere Forschungsarbeiten können durchgeführt werden, um die seismische Fragilitätsanalyse von Mobilfunkmasten mit Stahlgitter zu verfeinern und zu verbessern:

• Fortgeschrittene Modellierungstechniken: Nutzen Sie hochpräzise Finite-Elemente-Modelle und ausgefeilte nichtlineare Analysemethoden, um komplexe Verhaltensweisen genauer zu erfassen.
• Experimentelle Validierung: Führen Sie Schütteltischtests an maßstabsgetreuen Modellen oder Komponenten durch, um analytische Modelle und Fragilitätskurven zu validieren.
• Leistungsbasiertes Design: Entwickeln Sie leistungsbasierte Designrichtlinien speziell für Mobilfunkmasten, Einbeziehung von Erkenntnissen zur seismischen Fragilität.
• Integration mit anderen Gefahren: Untersuchen Sie die kombinierten Auswirkungen mehrerer Gefahren (z.B., Wind und Erdbeben) umfassende Resilienzstrategien zu entwickeln.

11. Fazit

Die Entwicklung seismischer Fragilität für einen Mobilfunkmast mit Stahlgitter einer Basisstation ist ein entscheidender Schritt zur Gewährleistung seiner strukturellen Integrität und Betriebskontinuität während und nach seismischen Ereignissen. Durch einen systematischen Ansatz zur seismischen Gefahrenanalyse, Strukturmodellierung, und Entwicklung der Fragilitätskurve, Ingenieure können die Anfälligkeit des Turms quantifizieren und wirksame Abhilfemaßnahmen ergreifen. Diese Bemühungen tragen zur allgemeinen Widerstandsfähigkeit der Kommunikationsinfrastruktur bei, Dies ist für die Notfallhilfe und den Wiederaufbau nach Erdbeben unerlässlich.