Desenvolvimento de fragilidades sísmicas para uma torre celular treliçada de aço de estação base

A análise da fragilidade sísmica é um aspecto crucial para garantir a resiliência estrutural das torres celulares treliçadas de aço da estação base. Estas torres são essenciais para manter a comunicação durante e após eventos sísmicos. Esta análise abrangente envolve a compreensão do comportamento sísmico, conduzindo modelagem estrutural, e desenvolver curvas de fragilidade que quantificam a probabilidade de atingir ou exceder vários estados de dano sob diferentes níveis de intensidade sísmica.

Torre celular de treliça de aço

Parâmetros do produto para uma torre celular treliçada de aço de estação base

1. desenhar

• Código de projeto: Eram / são-222-L / F

2. Construção de aço

A torre pode ser construída em aço macio ou aço de alta resistência, em conformidade com vários padrões internacionais:

• Aço Leve:
  • Padrão Chinês: GB / t 700: Q235B, Q235C, Q235D
  • Padrão Americano: ASTM A36
  • Padrão Europeu: EN10025: S235JR, S235J0, S235J2
• Aço de alta resistência:
  • Padrão Chinês: GB / t 1591: Q345B, Q345C, Q345D
  • Padrão Americano: ASTM A572 GR50
  • Padrão Europeu: EN10025: S355JR, S355J0, S355J2

3. Design Velocidade do vento

• Velocidade Máxima do Vento: O Empreiteiro será responsável por garantir que as torres sejam capazes de suportar as tensões dos membros sem deformação permanente em qualquer parte da torre 250 km / h

4. Deflexão Permitida

• Faixa de deflexão: 0.5 para 1.0 grau em velocidade operacional

5. Propriedades mecânicas

• Resistência à tracção (MPa):
  • Aço Leve: 360 para 510
  • Aço de alta resistência: 470 para 630
• força de rendimento (t ≤ 16 mm) (MPa):
  • Aço Leve: 235
  • Aço de alta resistência: 355
• Alongamento (%):
  • Aço Leve: 20
  • Aço de alta resistência: 24
• Resistência ao impacto KV (J):
  • Aço Leve:
    • 27 (20° C) -Q235B (S235JR)
    • 27 (0° C) -Q235C (S235J0)
    • 27 (-20° C) -Q235D (S235J2)
  • Aço de alta resistência:
    • 27 (20° C) -Q345B (S355JR)
    • 27 (0° C) -Q345C (S355J0)
    • 27 (-20° C) -Q345D (S355J2)

6. parafusos & Torres de treliça de aço

• Grau: 4.8, 6.8, 8.8
• Normas para Propriedades Mecânicas:
  • parafusos: ISO 898-1
  • Torres de treliça de aço: ISO 898-2
  • arruelas: ISO 6507-1
• Normas para Dimensões:
  • parafusos: DE 7990, DE 931, DE 933
  • Torres de treliça de aço: ISO 4032, ISO 4034
  • arruelas: DE 7989, RUÍDO 127B, ISO 7091

7. Soldadura

• Método: Soldagem por arco blindado com CO₂ & Soldagem de arco submerso (SERRA)
• Padrão: AWS D1.1

8. marca

• Método de marcação de membros: Prensa Hidráulica Stamping

9. galvanização

• Padrão de Galvanização para Seções de Aço: ISO 1461 ou A123 ASTM
• Padrão de Galvanização para Parafusos e Porcas: ISO 1461 ou A153 ASTM

10. Teste

• Testes de fábrica:
  • Teste de tração
  • Análise de Elementos
  • Teste Charpy (Teste de impacto)
  • frio dobra
  • Teste de Preece
  • Teste de martelo

 

Esses parâmetros garantem que a torre atenda a padrões rigorosos de integridade estrutural, durabilidade, e desempenho sob diversas condições ambientais. Ao aderir a estas especificações, a torre foi projetada para suportar altas velocidades de vento e cargas sísmicas, fornecendo suporte confiável para infraestrutura de comunicação.

1. Introdução à Análise de Fragilidade Sísmica

A análise de fragilidade sísmica avalia a probabilidade de uma estrutura atingir ou exceder estados de dano especificados sob vários níveis de intensidade sísmica. Para uma torre celular treliçada de aço de estação base, isso involve:

• Definindo estados de dano potencial.
• Conduzindo análises de risco sísmico.
• Modelando a resposta sísmica da torre.
• Desenvolvimento de curvas de fragilidade baseadas na análise probabilística da resposta da torre às cargas sísmicas.

2. Análise de Risco Sísmico

A análise do risco sísmico envolve a determinação das medidas de intensidade sísmica (Mensagens instantâneas) relevante para a localização da torre. As principais etapas incluem:

• Zoneamento Sísmico: Identificar a zona sísmica e obter dados sísmicos relevantes, como pico de aceleração do solo (PGA), aceleração espectral (sobre), e registros de movimento terrestre.
• Períodos de devolução: Definindo os períodos de retorno (v.g., 50, 100, 475, 2475 anos) para avaliar diferentes níveis de risco sísmico.
• Análise específica do site: Realização de análises de risco sísmico específicas do local se a torre estiver localizada em uma região com geologia complexa.
• 

3. Definição de estados de dano

Os estados de dano representam diferentes níveis de danos estruturais. Para uma torre celular treliçada de aço, estados de dano típicos podem incluir:

• Pequeno dano (DS1): Pequenas deformações e nenhum dano estrutural significativo.
• Dano moderado (DS2): Deformações perceptíveis, rendimento menor de membros, e alguns danos de conexão.
• Dano extensivo (DS3): Deformações significativas, rendimento de vários membros, e danos às principais conexões.
• Colapso (DS4): Falha estrutural total ou colapso.

4. Modelagem Estrutural e Análise de Resposta Sísmica

4.1 3D Modelagem Estrutural

Criação de um modelo 3D detalhado da torre de celular usando análise de elementos finitos (FEA) softwares como SAP2000, ANSYS, ou OpenSees. O modelo deve incluir:

• Membros Estruturais: Membros da rede, tonificante, e conexões.
• Fundação: Modelando a fundação para levar em conta a interação solo-estrutura.
• Distribuição em massa: Representação precisa da distribuição de massa, incluindo antenas e equipamentos.

4.2 Carregamento Sísmico

A aplicação de cargas sísmicas ao modelo envolve:

• Registros de movimento terrestre: Usando registros de movimento do solo reais ou sintéticos que representam o risco sísmico no local.
• Análise de histórico de tempo: Realização de análise não linear de histórico de tempo para capturar a resposta dinâmica da torre.
• Análise do Espectro de Resposta: Conduzindo análise de espectro de resposta para comparação e validação.

4.3 Análise Não Linear

A análise não linear é essencial para capturar o comportamento inelástico da torre sob carregamento sísmico. Isso involve:

• Não linearidade material: Modelagem do comportamento de escoamento e pós- escoamento de membros de aço.
• Não linearidade geométrica: Considerando grandes deformações e efeitos P-Delta.
• Comportamento de conexão: Modelagem precisa da rigidez e resistência da conexão.

5. Desenvolvimento da Curva de Fragilidade

As curvas de fragilidade são desenvolvidas por análise estatística da resposta da torre às cargas sísmicas. As etapas incluem:

5.1 Parâmetros de Demanda Sísmica

Identificação de parâmetros de demanda sísmica (v.g., desvio máximo entre andares, cisalhamento básico) que se correlacionam com estados de dano.

5.2 Modelos Probabilísticos de Demanda Sísmica (PSDM)

Desenvolvimento de PSDM que relacionem parâmetros de procura sísmica com medidas de intensidade sísmica (Mensagens instantâneas). Isso pode ser feito usando análise de regressão nos resultados de análises não lineares de histórico de tempo.

5.3 Matrizes de probabilidade de danos

Construir matrizes de probabilidade de dano que forneçam a probabilidade de atingir ou exceder cada estado de dano para determinados níveis de intensidade sísmica.

5.4 Formulação da Função de Fragilidade

Ajustando funções de fragilidade aos dados de probabilidade de danos. A função de fragilidade é frequentemente expressa como uma função de distribuição cumulativa lognormal (CDF):

[≥∣]=F(ln⁡()−ln⁡())P[DS≥ds∣EUM]=Fi(bds​eun(EUM)-eun(EUMds​)​)

Onde:

• $P[DS\ge ds\mid EUM]$ = Probabilidade de atingir ou exceder o estado de dano $ds$ dada medida de intensidade $EUM$.
• $Fi$ = Função de distribuição cumulativa normal padrão.
• EUMds​ = Valor mediano da medida de intensidade que causa o estado de dano $ds$.
• bds​ = Desvio padrão logarítmico representando a incerteza no IM para o estado de dano $ds$.

 

 

6. Estudo de caso: Análise de fragilidade sísmica de uma torre celular treliçada de aço de estação base

Para ilustrar o desenvolvimento de fragilidades sísmicas, apresentamos um estudo de caso de uma torre celular treliçada de aço localizada em uma região sismicamente ativa.

6.1 Descrição da torre

• Altura: 40 metros
• Configuração: Torre treliçada com quatro pernas e contraventamento
• Localização: 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 movimento terrestre: 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:

• Membros Estruturais: Steel legs, horizontal and diagonal bracing members
• Connections: Bolted/welded connections modeled with appropriate stiffness and strength characteristics
• Fundação: 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 (v.g., 0.1g, 0.2g, 0.3g, …)

Nonlinear Time-History Analysis:

• Performed using the selected ground motions
• Principais parâmetros de saída: desvio máximo entre andares, cisalhamento básico, e forças membros

6.5 Critérios de estado de dano

Definição de estados de dano com base no julgamento de engenharia e critérios de desempenho estrutural:

• Pequeno dano (DS1): Desvio máximo entre histórias < 0.5%
• Dano moderado (DS2): Desvio máximo entre histórias 0.5% – 1.5%
• Dano extensivo (DS3): Desvio máximo entre histórias 1.5% – 3%
• Colapso (DS4): Desvio máximo entre histórias > 3%

6.6 Parâmetros de Demanda Sísmica

Os principais parâmetros de demanda sísmica são identificados como:

• Desvio máximo entre histórias (MEADO)
• Cisalhamento de base (BS)

6.7 Modelos Probabilísticos de Demanda Sísmica (PSDM)

A análise de regressão é realizada nos resultados da análise de histórico de tempo não linear para desenvolver PSDMs para cada estado de dano. Por exemplo:

MEADO=⋅(PGA)MEADO=uma⋅(PGA)b

Onde $uma$ e $b$ são coeficientes de regressão derivados da análise.

6.8 Desenvolvimento da Curva de Fragilidade

Matrizes de probabilidade de danos:

• Construído para cada estado de dano com base nos parâmetros de demanda sísmica e suas correspondentes intensidades sísmicas.

Funções de Fragilidade:

• Ajustado usando uma distribuição lognormal para os dados de probabilidade de danos.

Exemplo de função de fragilidade para danos moderados (DS2):

[≥2∣]=F(ln⁡(PGA)−ln⁡(PGA2)2)P[DS≥DS2∣PGUMA]=Fi(bDS2​eun(PGA)-eun(PGADS2​)​)

Onde:

• PGA2PGADS2​ = PGA mediano causando dano moderado
• 2bDS2​ = Desvio padrão logarítmico para danos moderados

6.9 Resultados

As curvas de fragilidade para cada estado de dano são traçadas, mostrando a probabilidade de exceder cada estado de dano em função do PGA. Os resultados de exemplo podem incluir:

• DS1: PGA mediana = 0,15g, 1=0,3bDS1​=0.3
• DS2: PGA mediana = 0,30g, 2=0,35bDS2​=0.35
• DS3: PGA mediana = 0,45g, 3=0,4bDS3​=0.4
• DS4: PGA mediana = 0,60g, 4=0,45bDS4​=0.45

7. Discussão e Interpretação

As curvas de fragilidade desenvolvidas fornecem uma medida probabilística da vulnerabilidade da torre a eventos sísmicos. As principais observações incluem:

• Pequeno dano (DS1): A torre provavelmente sofrerá pequenos danos em níveis relativamente baixos de PGA.
• Dano moderado (DS2): A probabilidade de danos moderados aumenta significativamente além de um PGA de 0,3g.
• Dano extensivo (DS3): Danos extensos tornam-se prováveis ​​em valores mais altos de PGA, indicando a necessidade de medidas de design robustas.
• Colapso (DS4): A probabilidade de colapso é baixa, mas significativa em valores muito elevados de PGA, destacando limites críticos de intensidade para falha estrutural.

8. Conclusão

A análise de fragilidade sísmica de uma torre celular treliçada de aço de estação base fornece informações valiosas sobre sua vulnerabilidade sísmica e informa melhorias de projeto e estratégias de modernização. As etapas descritas neste processo garantem uma compreensão abrangente do comportamento da torre sob carregamento sísmico e o desenvolvimento de curvas de fragilidade confiáveis. Estas curvas são cruciais para a avaliação de riscos e tomada de decisões no contexto da resiliência sísmica.

9. Recomendações para melhorar a resiliência sísmica

Com base nos resultados da análise de fragilidade sísmica, várias recomendações podem ser feitas para melhorar a resiliência sísmica da torre:

9.1 Reforço Estrutural

• Fortalecimento de Membros: Atualizar membros críticos (v.g., pernas e suporte principal) para resistir a forças sísmicas mais elevadas.
• Melhorias de conexão: Melhore o design e a resistência das conexões para evitar falhas sob carregamento dinâmico.
• Suporte Redundante: Introduzir contraventamento adicional para fornecer caminhos de carga alternativos e melhorar a estabilidade geral.

9.2 Melhorias de Fundação

• Interação Solo-Estrutura (SSI): Realize análises detalhadas de SSI e projete fundações para mitigar forças sísmicas de forma eficaz.
• Isolamento de Base: Considerar o uso de técnicas de isolamento de base para desacoplar a torre do movimento do solo e reduzir a demanda sísmica.

9.3 Estratégias de modernização

• Sistemas de Amortecimento: Implementar sistemas de amortecimento (v.g., amortecedores de massa sintonizados, amortecedores viscosos) para dissipar a energia sísmica e reduzir as vibrações.
• Fortalecendo Torres Existentes: Aplicar técnicas de retrofit, como adicionar suportes externos ou usar polímeros reforçados com fibra (PRFV) para aumentar a capacidade estrutural.

9.4 Monitoramento e Manutenção

• Monitoramento Sísmico: Instale sensores para monitorar a resposta da torre durante eventos sísmicos e coletar dados para avaliação contínua.
• Inspeções Regulares: Realizar inspeções e manutenções de rotina para identificar e resolver possíveis vulnerabilidades.

10. Direções de pesquisas futuras

Mais pesquisas podem ser realizadas para refinar e aprimorar a análise de fragilidade sísmica de torres celulares treliçadas de aço:

• Técnicas Avançadas de Modelagem: Utilize modelos de elementos finitos de alta fidelidade e métodos sofisticados de análise não linear para capturar comportamentos complexos com mais precisão.
• Validação Experimental: Realize testes de mesa vibratória em modelos em escala ou componentes para validar modelos analíticos e curvas de fragilidade.
• Design Baseado em Desempenho: Desenvolva diretrizes de projeto baseadas em desempenho especificamente para torres de celular, incorporando insights de fragilidade sísmica.
• Integração com outros perigos: Estude os efeitos combinados de múltiplos perigos (v.g., vento e sísmica) desenvolver estratégias abrangentes de resiliência.

11. Conclusão

O desenvolvimento de fragilidades sísmicas para uma torre celular treliçada de aço de estação base é um passo crítico para garantir sua integridade estrutural e continuidade operacional durante e após eventos sísmicos. Seguindo uma abordagem sistemática para análise de risco sísmico, modelagem estrutural, e desenvolvimento da curva de fragilidade, os engenheiros podem quantificar a vulnerabilidade da torre e implementar medidas eficazes de mitigação. Estes esforços contribuem para a resiliência global da infraestrutura de comunicação, que é essencial para a resposta de emergência e recuperação após terremotos.