Développement de fragilités sismiques pour une tour cellulaire en treillis d'acier de station de base

L'analyse de la fragilité sismique est un aspect crucial pour garantir la résilience structurelle des tours cellulaires en treillis d'acier des stations de base.. Ces tours sont essentielles au maintien de la communication pendant et après les événements sismiques. Cette analyse complète implique de comprendre le comportement sismique, réalisation d'une modélisation structurelle, et développer des courbes de fragilité qui quantifient la probabilité d'atteindre ou de dépasser divers états de dommage sous différents niveaux d'intensité sismique.

Tour cellulaire en treillis d'acier

Paramètres de produit pour une tour cellulaire à treillis en acier de station de base

1. Conception

• code de conception: Ont été / sont-222-G / F

2. Structure en acier

La tour peut être construite en acier doux ou en acier à haute résistance, conforme à diverses normes internationales:

• Acier doux:
  • Norme chinoise: Go / T 700: Q235B, Q235C, Q235D
  • Norme américaine: ASTM A36
  • Norme européenne: EN10025: S235JR, S235J0, S235J2
• Acier haute résistance:
  • Norme chinoise: Go / T 1591: Q345B, Q345C, Q345D
  • Norme américaine: ASTM A572 GR50
  • Norme européenne: EN10025: S355JR, S355J0, S355J2

3. Design Vitesse du vent

• Vitesse maximale du vent: Jusqu'à 250 km / h

4. Déflexion admissible

• Plage de déflexion: 0.5 à 1.0 degré à vitesse opérationnelle

5. Propriétés mécaniques

• Résistance à la traction (MPa):
  • Acier doux: 360 à 510
  • Acier haute résistance: 470 à 630
• rendement Force (t ≤ 16mm) (MPa):
  • Acier doux: 235
  • Acier haute résistance: 355
• Élongation (%):
  • Acier doux: 20
  • Acier haute résistance: 24
• Résistance aux chocs KV (J):
  • Acier doux:
    • 27 (20° C) -Q235B (S235JR)
    • 27 (0° C) -Q235C (S235J0)
    • 27 (-20° C) -Q235D (S235J2)
  • Acier haute résistance:
    • 27 (20° C) -Q345B (S355JR)
    • 27 (0° C) -Q345C (S355J0)
    • 27 (-20° C) -Q345D (S355J2)

6. Les boulons & Des noisettes

• Qualité: 4.8, 6.8, 8.8
• Normes pour les propriétés mécaniques:
  • Les boulons: ISO 898-1
  • Des noisettes: ISO 898-2
  • rondelles: ISO 6507-1
• Normes pour les dimensions:
  • Les boulons: DE 7990, DE 931, DE 933
  • Des noisettes: ISO 4032, ISO 4034
  • rondelles: DE 7989, DIN 127B, ISO 7091

7. Soudage

• Méthode: Soudage à l’arc sous protection CO₂ & Soudage à l'arc submergé (VU)
• la norme: AWS D1.1

8. Marquage

• Méthode de marquage des membres: Hydraulique Estampeuses

9. galvanisation

• Norme de galvanisation pour les sections en acier: ISO 1461 ou ASTM A123
• Norme de galvanisation pour les boulons et écrous: ISO 1461 ou ASTM A153

10. Essai

• Tests en usine:
  • Essai de traction
  • Analyse des éléments
  • Test Charpy (Essai d'impact)
  • pliage à froid
  • Test préalable
  • Test de marteau

 

Ces paramètres garantissent que la tour répond à des normes rigoureuses en matière d'intégrité structurelle, durabilité, et performances dans diverses conditions environnementales. En respectant ce cahier des charges, la tour est conçue pour résister à des vitesses de vent élevées et à des charges sismiques, fournir un support fiable à l’infrastructure de communication.

1. Introduction à l'analyse de la fragilité sismique

L'analyse de fragilité sismique évalue la probabilité qu'une structure atteigne ou dépasse les états de dommages spécifiés sous différents niveaux d'intensité sismique.. Pour une tour cellulaire en treillis d'acier de station de base, Cela implique:

• Définir les états de dommages potentiels.
• Réaliser une analyse des risques sismiques.
• Modélisation de la réponse sismique de la tour.
• Développement de courbes de fragilité basées sur l’analyse probabiliste de la réponse de la tour aux charges sismiques.

2. Analyse des risques sismiques

L'analyse des risques sismiques consiste à déterminer les mesures d'intensité sismique (MI) pertinent à l’emplacement de la tour. Les étapes clés comprennent:

• Zonage sismique: Identifier la zone sismique et obtenir des données sismiques pertinentes telles que l'accélération maximale du sol (PGA), accélération spectrale (sur), et enregistrements de mouvements du sol.
• Périodes de retour: Définir les périodes de retour (par exemple,, 50, 100, 475, 2475 années) pour évaluer différents niveaux de risque sismique.
• Analyse spécifique au site: Réaliser une analyse des risques sismiques spécifiques au site si la tour est située dans une région à la géologie complexe.
• 

3. Définition des états de dommages

Les états de dommages représentent différents niveaux de dommages structurels. Pour une tour cellulaire en treillis d'acier, les états de dommages typiques peuvent inclure:

• Légers dégâts (DS1): Déformations mineures et aucun dommage structurel significatif.
• Dégâts modérés (DS2): Déformations notables, fléchissement mineur des membres, et quelques dégâts de connexion.
• D'importants dégâts (DS3): Déformations importantes, cession de plusieurs membres, et dommages aux connexions clés.
• Effondrement (DS4): Défaillance ou effondrement structurel total.

4. Modélisation structurelle et analyse de la réponse sismique

4.1 3D Modélisation structurelle

Création d'un modèle 3D détaillé de la tour cellulaire à l'aide de l'analyse par éléments finis (FEA) logiciel tel que SAP2000, ANSYS, ou OpenSees. Le modèle doit inclure:

• Membres structurels: Membres du treillis, entretoisement, et connexions.
• Fondation: Modélisation de la fondation pour tenir compte de l'interaction sol-structure.
• Distribution de masse: Représentation précise de la distribution de masse, y compris les antennes et l'équipement.

4.2 Chargement sismique

L'application de charges sismiques au modèle implique:

• Enregistrements de mouvements du sol: Utiliser des enregistrements de mouvements du sol réels ou synthétiques représentant le risque sismique sur le site.
• Analyse temporelle: Effectuer une analyse historique non linéaire pour capturer la réponse dynamique de la tour.
• Analyse du spectre de réponse: Effectuer une analyse du spectre de réponse à des fins de comparaison et de validation.

4.3 Analyse non linéaire

L'analyse non linéaire est essentielle pour capturer le comportement inélastique de la tour sous charge sismique. Cela implique:

• Non-linéarité matérielle: Modélisation de la limite d'élasticité et du comportement après limite d'élasticité des éléments en acier.
• Non-linéarité géométrique: Prise en compte des grandes déformations et des effets P-Delta.
• Comportement de connexion: Modélisation précise de la rigidité et de la résistance des connexions.

5. Développement de la courbe de fragilité

Les courbes de fragilité sont développées par analyse statistique de la réponse de la tour aux charges sismiques. Les étapes comprennent:

5.1 Paramètres de demande sismique

Identifier les paramètres de demande sismique (par exemple,, dérive maximale entre les étages, cisaillement de base) qui sont en corrélation avec les états de dommages.

5.2 Modèles probabilistes de demande sismique (PSDM)

Développer des PSDM qui relient les paramètres de demande sismique aux mesures d’intensité sismique (MI). Cela peut être fait en utilisant une analyse de régression sur les résultats d'analyses chronologiques non linéaires..

5.3 Matrices de probabilité de dommages

Construire des matrices de probabilité de dommages qui fournissent la probabilité d'atteindre ou de dépasser chaque état de dommage pour des niveaux d'intensité sismique donnés.

5.4 Formulation de la fonction de fragilité

Ajustement des fonctions de fragilité aux données de probabilité de dommages. La fonction de fragilité est souvent exprimée sous la forme d'une fonction de distribution cumulative lognormale. (CDF):

[≥∣]=F(ln⁡()−ln⁡())P[réS≥rés∣jeM]=Phi(brés​ln(jeM)−ln(jeMrés​)​)

Où:

• $P[réS\ge rés\mid jeM]$ = Probabilité d'atteindre ou de dépasser l'état de dommage $rés$ mesure d'intensité donnée $jeM$.
• $Phi$ = Fonction de distribution cumulative normale standard.
• jeMrés​ = Valeur médiane de la mesure de l'intensité provoquant l'état du dommage $rés$.
• brés​ = Écart type logarithmique représentant l'incertitude dans l'IM pour l'état d'endommagement $rés$.

 

 

6. Étude de cas: Analyse de fragilité sismique d'une tour cellulaire en treillis d'acier de station de base

Illustrer l’évolution des fragilités sismiques, nous présentons une étude de cas d'une tour cellulaire en treillis d'acier située dans une région sismiquement active.

6.1 Description de la tour

• Hauteur: 40 mètres
• Configuration: Tour en treillis à quatre pieds et contreventement
• Emplacement: 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
• Enregistrements de mouvements du sol: 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:

• Membres structurels: Steel legs, horizontal and diagonal bracing members
• Connections: Bolted/welded connections modeled with appropriate stiffness and strength characteristics
• Fondation: 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 (par exemple,, 0.1g, 0.2g, 0.3g, …)

Nonlinear Time-History Analysis:

• Performed using the selected ground motions
• Paramètres de sortie clés: dérive maximale entre les étages, cisaillement de base, et les forces membres

6.5 Critères d’état des dommages

Définir les états de dommages sur la base du jugement technique et des critères de performance structurelle:

• Légers dégâts (DS1): Dérive maximale entre les étages < 0.5%
• Dégâts modérés (DS2): Dérive maximale entre les étages 0.5% – 1.5%
• D'importants dégâts (DS3): Dérive maximale entre les étages 1.5% – 3%
• Effondrement (DS4): Dérive maximale entre les étages > 3%

6.6 Paramètres de demande sismique

Les paramètres clés de la demande sismique sont identifiés comme:

• Dérive maximale entre les étages (MILIEU)
• Cisaillement de base (BS)

6.7 Modèles probabilistes de demande sismique (PSDM)

Une analyse de régression est effectuée sur les résultats de l'analyse chronologique non linéaire afin de développer des PSDM pour chaque état de dommage.. Par exemple:

MOYEN=⋅(PGA)MILIEU=une⋅(PGA)b

Où $une$ et $b$ sont des coefficients de régression dérivés de l'analyse.

6.8 Développement de la courbe de fragilité

Matrices de probabilité de dommages:

• Construit pour chaque état de dommage sur la base des paramètres de demande sismique et de leurs intensités sismiques correspondantes.

Fonctions de fragilité:

• Ajusté à l'aide d'une distribution lognormale aux données de probabilité de dommages.

Exemple de fonction de fragilité pour des dégâts modérés (DS2):

[≥2∣]=F(ln⁡(PGA)−ln⁡(PGA2)2)P[réS≥réS2∣PGUNE]=Phi(bréS2​ln(PGA)−ln(PGAréS2​)​)

Où:

• PGA2PGAréS2​ = PGA médian causant des dégâts modérés
• 2bréS2​ = Écart type logarithmique pour dommages modérés

6.9 Résultats

Les courbes de fragilité pour chaque état de dommage sont tracées, montrant la probabilité de dépasser chaque état de dommage en fonction de PGA. Des exemples de résultats pourraient inclure:

• DS1: PGA médian = 0,15 g, 1=0,3bréS1​=0.3
• DS2: PGA médian = 0,30 g, 2=0,35bréS2​=0.35
• DS3: PGA médian = 0,45 g, 3=0,4bréS3​=0.4
• DS4: PGA médian = 0,60 g, 4=0,45bréS4​=0.45

7. Discussion et interprétation

Les courbes de fragilité développées fournissent une mesure probabiliste de la vulnérabilité de la tour aux événements sismiques. Les principales observations comprennent:

• Légers dégâts (DS1): La tour risque de subir de légers dégâts à des niveaux de PGA relativement bas..
• Dégâts modérés (DS2): La probabilité de dégâts modérés augmente considérablement au-delà d'un PGA de 0,3 g.
• D'importants dégâts (DS3): Des dommages importants deviennent probables à des valeurs PGA plus élevées, indiquant la nécessité de mesures de conception robustes.
• Effondrement (DS4): La probabilité d'effondrement est faible mais significative à des valeurs PGA très élevées, mettre en évidence les seuils d’intensité critique de défaillance structurelle.

8. Conclusion

L'analyse de la fragilité sismique d'une tour cellulaire en treillis d'acier d'une station de base fournit des informations précieuses sur sa vulnérabilité sismique et éclaire les améliorations de conception et les stratégies de modernisation.. Les étapes décrites dans ce processus garantissent une compréhension complète du comportement de la tour sous charge sismique et le développement de courbes de fragilité fiables.. Ces courbes sont cruciales pour l’évaluation des risques et la prise de décision dans le contexte de la résilience sismique.

9. Recommandations pour améliorer la résilience sismique

Basé sur les résultats de l’analyse de fragilité sismique, plusieurs recommandations peuvent être faites pour améliorer la résilience sismique de la tour:

9.1 Renforcement structurel

• Renforcement des membres: Mettre à niveau les membres critiques (par exemple,, jambes et renfort principal) pour résister à des forces sismiques plus élevées.
• Améliorations de la connexion: Améliorer la conception et la résistance des connexions pour éviter les défaillances sous charge dynamique.
• Renfort redondant: Introduire un contreventement supplémentaire pour fournir des chemins de charge alternatifs et améliorer la stabilité globale.

9.2 Améliorations des fondations

• Interaction sol-structure (SSI): Effectuer une analyse SSI détaillée et concevoir les bases pour atténuer efficacement les forces sismiques.
• Isolation de base: Envisager l'utilisation de techniques d'isolation de la base pour découpler la tour des mouvements du sol et réduire la demande sismique.

9.3 Stratégies de rénovation

• Systèmes d'amortissement: Mettre en œuvre des systèmes d'amortissement (par exemple,, amortisseurs de masse réglés, amortisseurs visqueux) pour dissiper l’énergie sismique et réduire les vibrations.
• Renforcement des tours existantes: Appliquer des techniques de modernisation telles que l'ajout de renforts externes ou l'utilisation de polymères renforcés de fibres (PRF) renforcer la capacité structurelle.

9.4 Surveillance et maintenance

• Surveillance sismique: Installer des capteurs pour surveiller la réponse de la tour lors d'événements sismiques et recueillir des données pour une évaluation continue.
• Inspections régulières: Effectuer des inspections et une maintenance de routine pour identifier et corriger les vulnérabilités potentielles.

10. Orientations futures de la recherche

Des recherches supplémentaires peuvent être menées pour affiner et améliorer l'analyse de la fragilité sismique des tours cellulaires en treillis d'acier.:

• Techniques de modélisation avancées: Utiliser des modèles d'éléments finis haute fidélité et des méthodes d'analyse non linéaire sophistiquées pour capturer plus précisément des comportements complexes.
• Validation expérimentale: Effectuer des tests sur table vibrante sur des modèles réduits ou des composants pour valider les modèles analytiques et les courbes de fragilité.
• Conception basée sur les performances: Élaborer des lignes directrices de conception basées sur les performances spécifiquement pour les tours cellulaires, intégrant des informations sur la fragilité sismique.
• Intégration avec d'autres dangers: Étudier les effets combinés de plusieurs aléas (par exemple,, vent et sismique) développer des stratégies globales de résilience.

11. Conclusion

Le développement des fragilités sismiques pour une tour cellulaire en treillis d'acier d'une station de base est une étape critique pour garantir son intégrité structurelle et sa continuité opérationnelle pendant et après les événements sismiques.. En suivant une approche systématique de l’analyse des risques sismiques, modélisation structurelle, et évolution de la courbe de fragilité, les ingénieurs peuvent quantifier la vulnérabilité de la tour et mettre en œuvre des mesures d’atténuation efficaces. Ces efforts contribuent à la résilience globale des infrastructures de communication, ce qui est essentiel pour les interventions d’urgence et le rétablissement à la suite d’un tremblement de terre.