Desarrollo de fragilidades sísmicas para una torre celular de celosía de acero de estación base

El análisis de fragilidad sísmica es un aspecto crucial para garantizar la resiliencia estructural de las torres celulares de celosía de acero de las estaciones base.. Estas torres son fundamentales para mantener la comunicación durante y después de eventos sísmicos.. Este análisis integral implica comprender el comportamiento sísmico., realización de modelado estructural, y desarrollar curvas de fragilidad que cuantifiquen la probabilidad de alcanzar o exceder varios estados de daño bajo diferentes niveles de intensidad sísmica..

Torre celular de celosía de acero

Parámetros del producto para una torre celular de celosía de acero de estación base

1. Diseño

• Código de diseño: Estaban / son-222-G / F

2. estructura de acero

La torre se puede construir con acero dulce o acero de alta resistencia., conforme a diversas normas internacionales:

• acero dulce:
  • Estándar chino: GB/T 700: Q235B, Q235C, Q235D
  • Estándar americano: ASTM A36
  • Estándar europeo: EN10025: S235JR, S235J0, S235J2
• Acero de gran resistencia:
  • Estándar chino: GB/T 1591: Q345B, Q345C, Q345D
  • Estándar americano: ASTM A572 GR50
  • Estándar europeo: EN10025: S355JR, S355J0, S355J2

3. Diseño velocidad del viento

• Velocidad máxima del viento: Hasta 250 km / h

4. Deflexión permitida

• Rango de deflexión: 0.5 a 1.0 grados a velocidad operativa

5. Propiedades mecánicas

• Resistencia a la tracción (MPa):
  • acero dulce: 360 a 510
  • Acero de gran resistencia: 470 a 630
• Límite elástico (t ≤ 16 mm) (MPa):
  • acero dulce: 235
  • Acero de gran resistencia: 355
• Alargamiento (%):
  • acero dulce: 20
  • Acero de gran resistencia: 24
• Resistencia al impacto KV (J):
  • acero dulce:
    • 27 (20DO) —Q235B (S235JR)
    • 27 (0DO) — Q235C (S235J0)
    • 27 (-20DO) — Q235D (S235J2)
  • Acero de gran resistencia:
    • 27 (20DO) — Q345B (S355JR)
    • 27 (0DO) — Q345C (S355J0)
    • 27 (-20DO) — Q345D (S355J2)

6. pernos & Nueces

• Grado: 4.8, 6.8, 8.8
• Estándares para propiedades mecánicas:
  • pernos: YO ASI 898-1
  • Nueces: YO ASI 898-2
  • arandelas: YO ASI 6507-1
• Normas para Dimensiones:
  • pernos: DE 7990, DE 931, DE 933
  • Nueces: YO ASI 4032, YO ASI 4034
  • arandelas: DE 7989, DIN 127B, YO ASI 7091

7. Soldadura

• Método: Soldadura por arco protegido con CO₂ & Soldadura de arco sumergido (SIERRA)
• Estándar: AWS D1.1

8. Calificación

• Método de marcar miembros: Prensa hidráulica de Estampación

9. galvanización

• Norma de Galvanización para Secciones de Acero: YO ASI 1461 o A123 ASTM
• Norma de Galvanización para Pernos y Tuercas: YO ASI 1461 o A153 ASTM

10. Pruebas

• Pruebas de fábrica:
  • Ensayo de tracción
  • Análisis de elementos
  • Prueba Charpy (Prueba de impacto)
  • Doblado en frío
  • Prueba previa
  • Prueba de martillo

 

Estos parámetros garantizan que la torre cumpla con estándares rigurosos de integridad estructural., durabilidad, y rendimiento en diversas condiciones ambientales. Siguiendo estas especificaciones, La torre está diseñada para soportar altas velocidades de viento y cargas sísmicas., Proporcionar soporte confiable para la infraestructura de comunicación..

1. Introducción al análisis de fragilidad sísmica

El análisis de fragilidad sísmica evalúa la probabilidad de que una estructura alcance o supere estados de daño específicos bajo diferentes niveles de intensidad sísmica.. Para una torre celular de celosía de acero de estación base, esto involucra:

• Definición de estados de daño potencial.
• Realización de análisis de peligro sísmico.
• Modelando la respuesta sísmica de la torre.
• Desarrollo de curvas de fragilidad a partir del análisis probabilístico de la respuesta de la torre a cargas sísmicas..

2. Análisis de peligro sísmico

El análisis de peligro sísmico implica determinar las medidas de intensidad sísmica. (Soy s) Relevante para la ubicación de la torre.. Los pasos clave incluyen:

• Zonación sísmica: Identificar la zona sísmica y obtener datos sísmicos relevantes, como la aceleración máxima del suelo. (PGA), aceleración espectral (en), y registros de movimiento del suelo.
• Períodos de devolución: Definición de los periodos de retorno (por ejemplo, 50, 100, 475, 2475 años) para evaluar diferentes niveles de peligro sísmico.
• Análisis específico del sitio: Realizar un análisis de peligro sísmico específico del sitio si la torre está ubicada en una región con geología compleja.
• 

3. Definición de estados de daño

Los estados de daño representan diferentes niveles de daño estructural.. Para una torre celular de celosía de acero, Los estados de daño típicos pueden incluir:

• Leve daño (DS1): Deformaciones menores y sin daños estructurales significativos..
• Daño moderado (DS2): Deformaciones notables, menor rendimiento de miembros, y algunos daños en la conexión.
• Daño extenso (DS3): Deformaciones significativas, rendimiento de múltiples miembros, y daños a las conexiones clave.
• Colapsar (DS4): Falla estructural total o colapso.

4. Modelado Estructural y Análisis de Respuesta Sísmica

4.1 3D Modelado estructural

Creación de un modelo 3D detallado de la torre celular mediante análisis de elementos finitos (FEA) software como SAP2000, ANSI, o OpenSees. El modelo debe incluir:

• Miembros estructurales: Miembros de celosía, vigorizante, y conexiones.
• Fundación: Modelado de los cimientos para tener en cuenta la interacción suelo-estructura..
• Distribución masiva: Representación precisa de la distribución masiva., incluyendo antenas y equipos.

4.2 Carga sísmica

Aplicar cargas sísmicas al modelo implica:

• Registros de movimiento del suelo: Utilizar registros de movimiento del suelo reales o sintéticos que representen el peligro sísmico en el sitio..
• Análisis tiempo-historia: Realizar un análisis no lineal de historia-tiempo para capturar la respuesta dinámica de la torre.
• Análisis del espectro de respuesta: Realización de análisis del espectro de respuesta para comparación y validación..

4.3 Análisis no lineal

El análisis no lineal es esencial para capturar el comportamiento inelástico de la torre bajo carga sísmica.. Esto involucra:

• No linealidad del material: Modelado del comportamiento de fluencia y post-fluencia de miembros de acero..
• No linealidad geométrica: Considerando grandes deformaciones y efectos P-Delta..
• Comportamiento de conexión: Modelado preciso de la rigidez y resistencia de la conexión..

5. Desarrollo de la curva de fragilidad

Las curvas de fragilidad se desarrollan mediante análisis estadístico de la respuesta de la torre a cargas sísmicas.. Los pasos incluyen:

5.1 Parámetros de demanda sísmica

Identificación de parámetros de demanda sísmica (por ejemplo, deriva máxima entre pisos, corte de base) que se correlacionan con estados de daño.

5.2 Modelos probabilísticos de demanda sísmica (PSDM)

Desarrollar PSDM que relacionen los parámetros de demanda sísmica con las medidas de intensidad sísmica (Soy s). Esto se puede hacer utilizando un análisis de regresión sobre los resultados de análisis no lineales de historia-tiempo..

5.3 Matrices de probabilidad de daño

Construir matrices de probabilidad de daño que proporcionen la probabilidad de alcanzar o exceder cada estado de daño para niveles dados de intensidad sísmica..

5.4 Formulación de la función de fragilidad

Ajuste de funciones de fragilidad a los datos de probabilidad de daño.. La función de fragilidad a menudo se expresa como una función de distribución acumulativa lognormal. (CDF):

[≥∣]=F(en⁡()−ln⁡())PAG[reS≥res∣IMETRO]=Fi(bres​lnorte(IMETRO)−lnorte(IMETROres​)​)

Dónde:

• $PAG[reS\ge res\mid IMETRO]$ = Probabilidad de alcanzar o superar el estado de daño $res$ medida de intensidad dada $IMETRO$.
• $Fi$ = Función de distribución acumulada normal estándar.
• IMETROres​ = Valor mediano de la medida de intensidad que causa el estado de daño $res$.
• bres​ = Desviación estándar logarítmica que representa la incertidumbre en el IM para el estado del daño $res$.

 

 

6. Caso de estudio: Análisis de fragilidad sísmica de una torre celular de celosía de acero de estación base

Para ilustrar el desarrollo de las fragilidades sísmicas., presentamos un caso de estudio de una torre celular de celosía de acero ubicada en una región sísmicamente activa.

6.1 Descripción de la torre

• Altura: 40 metros
• Configuración: Lattice tower with four legs and cross-bracing
• Ubicación: 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
• Registros de movimiento del suelo: 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:

• Miembros estructurales: Steel legs, horizontal and diagonal bracing members
• Connections: Bolted/welded connections modeled with appropriate stiffness and strength characteristics
• Fundación: 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 (por ejemplo, 0.1gramo, 0.2gramo, 0.3gramo, …)

Nonlinear Time-History Analysis:

• Realizado utilizando los movimientos del suelo seleccionados.
• Parámetros de salida clave: deriva máxima entre pisos, corte de base, y fuerzas miembros

6.5 Criterios de estado de daño

Definición de estados de daño basados ​​en juicios de ingeniería y criterios de desempeño estructural.:

• Leve daño (DS1): Deriva máxima entre pisos < 0.5%
• Daño moderado (DS2): Deriva máxima entre pisos 0.5% – 1.5%
• Daño extenso (DS3): Deriva máxima entre pisos 1.5% – 3%
• Colapsar (DS4): Deriva máxima entre pisos > 3%

6.6 Parámetros de demanda sísmica

Los parámetros clave de la demanda sísmica se identifican como:

• Máxima deriva entre pisos (MEDIO)
• Corte base (BS)

6.7 Modelos probabilísticos de demanda sísmica (PSDM)

Se realiza un análisis de regresión sobre los resultados del análisis no lineal de historia-tiempo para desarrollar PSDM para cada estado de daño.. Por ejemplo:

MEDIO=⋅(PGA)MEDIO=un⋅(PGA)segundo

Dónde $un$ y $segundo$ son coeficientes de regresión derivados del análisis.

6.8 Desarrollo de la curva de fragilidad

Matrices de probabilidad de daño:

• Construido para cada estado de daño en base a los parámetros de demanda sísmica y sus correspondientes intensidades sísmicas..

Funciones de fragilidad:

• Ajustado utilizando una distribución lognormal a los datos de probabilidad de daño..

Ejemplo de función de fragilidad para daños moderados (DS2):

[≥2∣]=F(en⁡(PGA)−ln⁡(PGA2)2)PAG[reS≥reS2∣PGUN]=Fi(breS2​lnorte(PGA)−lnorte(PGAreS2​)​)

Dónde:

• PGA2PGAreS2​ = PGA mediana que causa daño moderado
• 2breS2​ = Desviación estándar logarítmica para daño moderado

6.9 Resultados

Se trazan las curvas de fragilidad para cada estado de daño., mostrando la probabilidad de exceder cada estado de daño en función de PGA. Los resultados de ejemplo podrían incluir:

• DS1: PGA mediana = 0,15 g, 1=0.3breS1​=0.3
• DS2: PGA mediana = 0,30 g, 2=0,35breS2​=0.35
• DS3: PGA mediana = 0,45 g, 3=0,4breS3​=0.4
• DS4: PGA mediana = 0,60 g, 4=0,45breS4​=0.45

7. Discusión e interpretación

Las curvas de fragilidad desarrolladas proporcionan una medida probabilística de la vulnerabilidad de la torre a eventos sísmicos.. Las observaciones clave incluyen:

• Leve daño (DS1): Es probable que la torre sufra daños leves a niveles de PGA relativamente bajos..
• Daño moderado (DS2): La probabilidad de daño moderado aumenta significativamente más allá de un PGA de 0,3 g..
• Daño extenso (DS3): Es probable que se produzcan daños extensos con valores de PGA más altos, indicando la necesidad de medidas de diseño sólidas.
• Colapsar (DS4): La probabilidad de colapso es baja pero significativa con valores de PGA muy altos., destacando los umbrales de intensidad críticos para fallas estructurales.

8. Conclusión

El análisis de fragilidad sísmica de una torre celular de celosía de acero de una estación base proporciona información valiosa sobre su vulnerabilidad sísmica e informa sobre mejoras de diseño y estrategias de modernización.. Los pasos descritos en este proceso garantizan una comprensión integral del comportamiento de la torre bajo carga sísmica y el desarrollo de curvas de fragilidad confiables.. Estas curvas son cruciales para la evaluación de riesgos y la toma de decisiones en el contexto de la resiliencia sísmica..

9. Recomendaciones para mejorar la resiliencia sísmica

Basado en los hallazgos del análisis de fragilidad sísmica., Se pueden hacer varias recomendaciones para mejorar la resiliencia sísmica de la torre.:

9.1 Refuerzo estructural

• Fortalecimiento de miembros: Actualizar miembros críticos (por ejemplo, patas y refuerzo principal) para soportar fuerzas sísmicas más altas.
• Mejoras de conexión: Mejorar el diseño y la resistencia de las conexiones para evitar fallas bajo carga dinámica..
• Refuerzo redundante: Introducir refuerzos adicionales para proporcionar rutas de carga alternativas y mejorar la estabilidad general..

9.2 Mejoras en los cimientos

• Interacción suelo-estructura (SSI): Realice análisis SSI detallados y diseñe cimientos para mitigar las fuerzas sísmicas de manera efectiva..
• Aislamiento básico: Considere el uso de técnicas de aislamiento de la base para desacoplar la torre del movimiento del suelo y reducir la demanda sísmica..

9.3 Estrategias de modernización

• Sistemas de amortiguación: Implementar sistemas de amortiguación. (por ejemplo, amortiguadores de masa sintonizados, amortiguadores viscosos) para disipar la energía sísmica y reducir las vibraciones.
• Fortalecimiento de torres existentes: Aplicar técnicas de modernización, como agregar aparatos ortopédicos externos o usar polímeros reforzados con fibra. (FRP) para mejorar la capacidad estructural.

9.4 Monitoreo y Mantenimiento

• Monitoreo sísmico: Instalar sensores para monitorear la respuesta de la torre durante eventos sísmicos y recopilar datos para una evaluación continua.
• Inspecciones periódicas: Realizar inspecciones y mantenimiento de rutina para identificar y abordar posibles vulnerabilidades..

10. Direcciones de investigación futuras

Se pueden realizar más investigaciones para refinar y mejorar el análisis de fragilidad sísmica de las torres celulares de celosía de acero.:

• Técnicas avanzadas de modelado: Utilice modelos de elementos finitos de alta fidelidad y métodos sofisticados de análisis no lineal para capturar comportamientos complejos con mayor precisión..
• Validación experimental: Realice pruebas de mesa vibratoria en modelos o componentes a escala para validar modelos analíticos y curvas de fragilidad..
• Diseño basado en el rendimiento: Desarrollar directrices de diseño basadas en el rendimiento específicas para torres de telefonía móvil., incorporando conocimientos sobre fragilidad sísmica.
• Integración con otros peligros: Estudiar los efectos combinados de múltiples peligros. (por ejemplo, viento y sismos) desarrollar estrategias integrales de resiliencia.

11. Conclusión

El desarrollo de fragilidades sísmicas para una torre celular de celosía de acero de una estación base es un paso crítico para garantizar su integridad estructural y continuidad operativa durante y después de eventos sísmicos.. Siguiendo un enfoque sistemático para el análisis de peligro sísmico, modelado estructural, y desarrollo de la curva de fragilidad, Los ingenieros pueden cuantificar la vulnerabilidad de la torre e implementar medidas de mitigación efectivas.. Estos esfuerzos contribuyen a la resiliencia general de la infraestructura de comunicaciones., que es esencial para la respuesta de emergencia y la recuperación después de los terremotos.