Sviluppo delle fragilità sismiche per una torre cellulare a traliccio d'acciaio per una stazione base

L'analisi della fragilità sismica è un aspetto cruciale per garantire la resilienza strutturale delle torri cellulari a traliccio in acciaio della stazione base. Queste torri sono fondamentali per mantenere la comunicazione durante e dopo gli eventi sismici. Questa analisi completa implica la comprensione del comportamento sismico, condurre la modellazione strutturale, e lo sviluppo di curve di fragilità che quantificano la probabilità di raggiungere o superare vari stati di danno sotto diversi livelli di intensità sismica.

Torre cellulare a traliccio in acciaio

Parametri del prodotto per una torre cellulare con traliccio in acciaio per stazione base

1. Design

• design Code: Erano / sono-222-G / F

2. struttura in acciaio

La torre può essere costruita utilizzando acciaio dolce o acciaio ad alta resistenza, conformi a vari standard internazionali:

• Acciaio dolce:
  • Norma cinese: GB/T 700: Q235B, Q235C, Q235D
  • Norma americana: ASTM A36
  • Norma europea: EN10025: S235JR, S235J0, S235J2
• Acciaio ad alta resistenza:
  • Norma cinese: GB/T 1591: Q345B, Q345C, Q345D
  • Norma americana: ASTM A572 GR50
  • Norma europea: EN10025: S355JR, S355J0, S355J2

3. Progettazione di velocità del vento

• Velocità massima del vento: Fino a 250 km / h

4. Deflessione consentita

• Gamma di deflessione: 0.5 a 1.0 grado alla velocità operativa

5. Proprietà meccaniche

• Resistenza alla trazione (MPa):
  • Acciaio dolce: 360 a 510
  • Acciaio ad alta resistenza: 470 a 630
• carico di snervamento (t ≤ 16 mm) (MPa):
  • Acciaio dolce: 235
  • Acciaio ad alta resistenza: 355
• Allungamento (%):
  • Acciaio dolce: 20
  • Acciaio ad alta resistenza: 24
• Resistenza all'impatto KV (J):
  • Acciaio dolce:
    • 27 (20° C) —Q235B (S235JR)
    • 27 (0° C) —Q235C (S235J0)
    • 27 (-20° C) —Q235D (S235J2)
  • Acciaio ad alta resistenza:
    • 27 (20° C) —Q345B (S355JR)
    • 27 (0° C) —Q345C (S355J0)
    • 27 (-20° C) —Q345D (S355J2)

6. bulloni & Noccioline

• Grado: 4.8, 6.8, 8.8
• Standard per le proprietà meccaniche:
  • bulloni: ISO 898-1
  • Noccioline: ISO 898-2
  • rondelle: ISO 6507-1
• Norme per Dimensioni:
  • bulloni: DA 7990, DA 931, DA 933
  • Noccioline: ISO 4032, ISO 4034
  • rondelle: DA 7989, DIN 127B, ISO 7091

7. Saldatura

• Metodo: Saldatura ad arco schermato con CO₂ & Saldatura ad arco sommerso (SEGA)
• Standard: AWS D1.1

8. Marcatura

• Metodo di contrassegnazione dei membri: Pressa Stampaggio

9. zincatura

• Standard di zincatura per sezioni in acciaio: ISO 1461 o A123 ASTM
• Standard di zincatura per bulloni e dadi: ISO 1461 o A153 ASTM

10. Test

• Test di fabbrica:
  • Prova di trazione
  • Analisi degli elementi
  • Prova Charpy (Test d'impatto)
  • piegatura a freddo
  • Prova di previsione
  • Prova del martello

 

Questi parametri garantiscono che la torre soddisfi standard rigorosi di integrità strutturale, durabilità, e prestazioni in varie condizioni ambientali. Aderendo a queste specifiche, la torre è progettata per resistere a velocità del vento elevate e carichi sismici, fornire un supporto affidabile per le infrastrutture di comunicazione.

1. Introduzione all'analisi della fragilità sismica

L'analisi della fragilità sismica valuta la probabilità che una struttura raggiunga o superi specifici stati di danno a vari livelli di intensità sismica. Per una torre cellulare a traliccio in acciaio della stazione base, ciò comporta:

• Definizione degli stati di danno potenziale.
• Condurre analisi di pericolosità sismica.
• Modellazione della risposta sismica della torre.
• Sviluppo di curve di fragilità basate sull’analisi probabilistica della risposta della torre ai carichi sismici.

2. Analisi della pericolosità sismica

L’analisi della pericolosità sismica prevede la determinazione delle misure di intensità sismica (Io sono S) rilevante per l’ubicazione della torre. I passaggi chiave includono:

• Zonazione Sismica: Identificare la zona sismica e ottenere dati sismici rilevanti come l'accelerazione di picco del suolo (PGA), accelerazione spettrale (SU), e registrazioni del movimento del suolo.
• Periodi di restituzione: Definizione dei periodi di restituzione (es, 50, 100, 475, 2475 anni) per valutare i diversi livelli di pericolosità sismica.
• Analisi specifica del sito: Condurre analisi del rischio sismico sito-specifico se la torre si trova in una regione con geologia complessa.
• 

3. Definizione degli stati di danno

Gli stati di danno rappresentano diversi livelli di danno strutturale. Per una torre cellulare a traliccio in acciaio, gli stati di danno tipici potrebbero includere:

• Lievi danni (DS1): Lievi deformazioni e nessun danno strutturale significativo.
• Danno moderato (DS2): Deformazioni evidenti, minor cedimento dei soci, e alcuni danni alla connessione.
• Danno esteso (DS3): Deformazioni significative, cedimento di più membri, e danni ai collegamenti chiave.
• Crollo (DS4): Cedimento strutturale totale o collasso.

4. Modellazione strutturale e analisi della risposta sismica

4.1 3D Modellazione strutturale

Creazione di un modello 3D dettagliato della torre cellulare utilizzando l'analisi degli elementi finiti (FEA) software come SAP2000, ANSI, o OpenSees. Il modello dovrebbe includere:

• Membri strutturali: Membri del reticolo, tonificante, e connessioni.
• Fondazione: Modellare la fondazione per tenere conto dell'interazione suolo-struttura.
• Distribuzione di massa: Rappresentazione accurata della distribuzione di massa, comprese antenne e apparecchiature.

4.2 Carico sismico

L'applicazione dei carichi sismici al modello comporta:

• Registrazioni del movimento del suolo: Utilizzo di registrazioni reali o sintetiche del movimento del suolo che rappresentano il rischio sismico nel sito.
• Analisi della storia temporale: Esecuzione di analisi cronologiche non lineari per acquisire la risposta dinamica della torre.
• Analisi dello spettro di risposta: Condurre l'analisi dello spettro di risposta per il confronto e la convalida.

4.3 Analisi non lineare

L'analisi non lineare è essenziale per catturare il comportamento anelastico della torre sotto carico sismico. Ciò comporta:

• Nonlinearità del materiale: Modellazione del comportamento snervante e post-snervamento degli elementi in acciaio.
• Nonlinearità geometrica: Considerando grandi deformazioni ed effetti P-Delta.
• Comportamento della connessione: Modellazione accurata della rigidezza e della resistenza della connessione.

5. Sviluppo della curva di fragilità

Le curve di fragilità sono sviluppate mediante analisi statistica della risposta della torre ai carichi sismici. I passaggi includono:

5.1 Parametri della domanda sismica

Identificazione dei parametri di domanda sismica (es, massima deriva interpiano, taglio della base) che sono correlati agli stati di danno.

5.2 Modelli probabilistici di domanda sismica (PSDM)

Sviluppare PSDM che mettono in relazione i parametri della domanda sismica con le misure di intensità sismica (Io sono S). Questo può essere fatto utilizzando l'analisi di regressione sui risultati delle analisi time-history non lineari.

5.3 Matrici di probabilità di danno

Costruire matrici di probabilità di danno che forniscano la probabilità di raggiungere o superare ciascuno stato di danno per dati livelli di intensità sismica.

5.4 Formulazione della funzione di fragilità

Adattamento delle funzioni di fragilità ai dati sulla probabilità di danno. La funzione di fragilità è spesso espressa come una funzione di distribuzione cumulativa lognormale (CDF):

[≥∣]=F(ln⁡()-ln⁡())P[DS≥dS∣IOM]=Fi(BdS​ln(IOM)−ln(IOMdS​)​)

Dove:

• $P[DS\ge dS\mid IOM]$ = Probabilità di raggiungere o superare lo stato di danno $dS$ data misura di intensità $IOM$.
• $Fi$ = Funzione di distribuzione cumulativa normale standard.
• IOMdS​ = Valore medio della misura di intensità che causa lo stato di danno $dS$.
• BdS​ = Deviazione standard logaritmica che rappresenta l'incertezza nell'IM per lo stato di danno $dS$.

 

 

6. Argomento di studio: Analisi della fragilità sismica di una torre cellulare a traliccio in acciaio della stazione base

Illustrare lo sviluppo delle fragilità sismiche, presentiamo un caso di studio di una torre cellulare a traliccio in acciaio situata in una regione sismicamente attiva.

6.1 Descrizione della torre

• Altezza: 40 metri
• Configurazione: Lattice tower with four legs and cross-bracing
• Posizione: 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
• Registrazioni del movimento del suolo: 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:

• Membri strutturali: Steel legs, horizontal and diagonal bracing members
• Connections: Bolted/welded connections modeled with appropriate stiffness and strength characteristics
• Fondazione: 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 (es, 0.1g, 0.2g, 0.3g, …)

Nonlinear Time-History Analysis:

• Eseguito utilizzando i movimenti del terreno selezionati
• Parametri di output chiave: massima deriva interpiano, taglio della base, e le forze dei membri

6.5 Criteri sullo stato del danno

Definizione degli stati di danno sulla base del giudizio ingegneristico e dei criteri di prestazione strutturale:

• Lievi danni (DS1): Deriva massima tra i piani < 0.5%
• Danno moderato (DS2): Deriva massima tra i piani 0.5% – 1.5%
• Danno esteso (DS3): Deriva massima tra i piani 1.5% – 3%
• Crollo (DS4): Deriva massima tra i piani > 3%

6.6 Parametri della domanda sismica

I parametri chiave della domanda sismica sono identificati come:

• Massima deriva tra i piani (METÀ)
• Taglio della base (BS)

6.7 Modelli probabilistici di domanda sismica (PSDM)

L'analisi di regressione viene eseguita sui risultati dell'analisi temporale non lineare per sviluppare PSDM per ciascuno stato di danno. Per esempio:

METÀ=⋅(PGA)METÀ=un⋅(PGA)B

Dove $un$ e $B$ sono coefficienti di regressione derivati ​​dall'analisi.

6.8 Sviluppo della curva di fragilità

Matrici di probabilità di danno:

• Costruito per ciascuno stato di danno in base ai parametri della domanda sismica e alle corrispondenti intensità sismiche.

Funzioni di fragilità:

• Adattato utilizzando una distribuzione lognormale ai dati sulla probabilità del danno.

Esempio di funzione di fragilità per danni moderati (DS2):

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

Dove:

• PGA2PGADS2​ = PGA mediano che causa danni moderati
• 2BDS2​ = Deviazione standard logaritmica per danni moderati

6.9 Risultati

Vengono tracciate le curve di fragilità per ciascuno stato di danno, mostrando la probabilità di superare ciascuno stato di danno in funzione del PGA. I risultati di esempio potrebbero includere:

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

7. Discussione e interpretazione

Le curve di fragilità sviluppate forniscono una misura probabilistica della vulnerabilità della torre agli eventi sismici. Le osservazioni chiave includono:

• Lievi danni (DS1): È probabile che la torre subisca lievi danni a livelli PGA relativamente bassi.
• Danno moderato (DS2): La probabilità di danni moderati aumenta significativamente oltre un PGA di 0,3 g.
• Danno esteso (DS3): Danni estesi diventano probabili a valori PGA più elevati, indicando la necessità di misure di progettazione robuste.
• Crollo (DS4): La probabilità di collasso è bassa ma significativa a valori PGA molto elevati, evidenziando le soglie di intensità critica per il cedimento strutturale.

8. Conclusione

L'analisi della fragilità sismica di una torre cellulare a traliccio in acciaio della stazione base fornisce preziose informazioni sulla sua vulnerabilità sismica e fornisce informazioni per miglioramenti di progettazione e strategie di retrofitting. I passaggi delineati in questo processo garantiscono una comprensione completa del comportamento della torre sotto carico sismico e lo sviluppo di curve di fragilità affidabili. Queste curve sono cruciali per la valutazione del rischio e il processo decisionale nel contesto della resilienza sismica.

9. Raccomandazioni per migliorare la resilienza sismica

Sulla base dei risultati dell'analisi di fragilità sismica, si possono formulare diverse raccomandazioni per migliorare la resilienza sismica della torre:

9.1 Rinforzo strutturale

• Rafforzamento dei membri: Aggiorna i membri critici (es, gambe e rinforzo principale) per resistere a forze sismiche più elevate.
• Miglioramenti della connessione: Migliorare la progettazione e la resistenza delle connessioni per prevenire guasti sotto carico dinamico.
• Controventatura ridondante: Introdurre rinforzi aggiuntivi per fornire percorsi di carico alternativi e migliorare la stabilità generale.

9.2 Miglioramenti della fondazione

• Interazione suolo-struttura (SSI): Condurre analisi SSI dettagliate e progettare fondazioni per mitigare efficacemente le forze sismiche.
• Isolamento della base: Considerare l'uso di tecniche di isolamento della base per disaccoppiare la torre dal movimento del terreno e ridurre la domanda sismica.

9.3 Strategie di retrofit

• Sistemi di smorzamento: Implementare sistemi di smorzamento (es, smorzatori di massa accordati, smorzatori viscosi) per dissipare l’energia sismica e ridurre le vibrazioni.
• Rafforzamento delle torri esistenti: Applicare tecniche di retrofitting come l'aggiunta di supporti esterni o l'utilizzo di polimeri rinforzati con fibre (FRP) per migliorare la capacità strutturale.

9.4 Monitoraggio e Manutenzione

• Monitoraggio sismico: Installa sensori per monitorare la risposta della torre durante gli eventi sismici e raccogli dati per una valutazione continua.
• Ispezioni regolari: Condurre ispezioni e manutenzioni di routine per identificare e affrontare potenziali vulnerabilità.

10. Direzioni future della ricerca

Ulteriori ricerche possono essere condotte per perfezionare e migliorare l'analisi della fragilità sismica delle torri cellulari a traliccio di acciaio:

• Tecniche di modellazione avanzate: Utilizza modelli ad elementi finiti ad alta fedeltà e sofisticati metodi di analisi non lineare per catturare comportamenti complessi in modo più accurato.
• Validazione sperimentale: Esegui test su tavola vibrante su modelli in scala o componenti per convalidare modelli analitici e curve di fragilità.
• Progettazione basata sulle prestazioni: Sviluppare linee guida di progettazione basate sulle prestazioni specifiche per le torri cellulari, incorporando informazioni sulla fragilità sismica.
• Integrazione con altri pericoli: Studiare gli effetti combinati di più rischi (es, eolico e sismico) per sviluppare strategie globali di resilienza.

11. Conclusione

Lo sviluppo delle fragilità sismiche per una torre cellulare a traliccio in acciaio della stazione base è un passo fondamentale per garantirne l'integrità strutturale e la continuità operativa durante e dopo gli eventi sismici. Seguendo un approccio sistematico all’analisi della pericolosità sismica, modellazione strutturale, e lo sviluppo della curva di fragilità, gli ingegneri possono quantificare la vulnerabilità della torre e implementare misure di mitigazione efficaci. Questi sforzi contribuiscono alla resilienza complessiva delle infrastrutture di comunicazione, che è essenziale per la risposta alle emergenze e il recupero dopo i terremoti.