 |
Szerkezetek földrengésvizsgálata (billegő mechanizmusok)
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
115673 |
| típus |
K |
| Vezető kutató |
Kollár László |
| magyar cím |
Szerkezetek földrengésvizsgálata (billegő mechanizmusok) |
| Angol cím |
Seismic performance of structures with rocking mechanisms |
| magyar kulcsszavak |
földrengésvizsgálat, boltozatok, merevítő falak, billegő mechanizmus |
| angol kulcsszavak |
earthquake engineering, arches, shear wall, rocking |
| megadott besorolás |
| Műszaki Mechanika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 100 % |
|
| zsűri |
Műszaki és Természettudományi zsűrielnökök |
| Kutatóhely |
Hidak és Szerkezetek Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem) |
| résztvevők |
Joó Attila László
Pap Zsuzsa Borbála
Ther Tamás
Zsarnóczay Ádám
|
| projekt kezdete |
2015-09-01 |
| projekt vége |
2020-06-30 |
| aktuális összeg (MFt) |
38.804 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
12.16 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Magyarországon jelentős károkat okozó földrengések keletkezhetnek, ennek ellenére az épületeket – a legutóbbi éveket leszámítva – nem méretezték szeizmikus hatásokra. A XII – XIX. században hazánkban számos templom épült tégla boltozatokkal és ívekkel, amelyek közül több megsérült földrengések során. A történeti szerkezeteinket ellenőrizni, az új szerkezeteinket pedig méretezni kell földrengésre. Egy új, innovatív szerkezet, amellyel a szerkezetek földrengés-állóvá tehetők a billegő falak. A falazott íveknek és a billegő falaknak közös jellemzője, hogy a talaj mozgására adott válaszukban az elemek közti ütközés jelentős szerepet játszik. Az ütközés jelensége alapvetően eltér a hagyományos szerkezetekben kialakuló ún. képlékeny csuklók viselkedésétől, és ennek következtében az esetek többségében a modellezéshez időtörténeti vizsgálatot kell végrehajtani. Ehhez megfelelően megválasztott talajmozgás-függvényekre van szükség, de köztudott, hogy az időtörténeti vizsgálat eredménye erősen függhet ezek kiválasztásától. Ez megkérdőjelezi az időtörténeti vizsgálat megbízhatóságát.
Mind a merevítő falak, mind pedig a falazott ívek válaszában a talaj deformációi jelentős szerepet játszhatnak. A mérnöki gyakorlat ezt általában elhanyagolja, vagy egyszerűen a szerkezet rugalmas megtámasztásával veszi figyelembe, amelynek következtében a szerkezeteket feleslegesen erősre (és így gazdaságtalanra) vagy nem kellően biztonságosra tervezik.
Célunk, hogy olyan, mechanikailag konzisztens modellt fejlesszünk, amely figyelembe veszi a billegő szerkezetek ütközéseit és az altalaj és a szerkezet kölcsönhatását is.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Kutatásunkban az alábbi fő területekre koncentrálunk:
• ívek és boltozatok földrengés-vizsgálata,
• billegő falak földrengés-vizsgálata,
• egy megbízható talajmozgás-függvényt választó módszer kifejlesztése és
• a szerkezet és az altalaj kölcsönhatásának (SSI) vizsgálata.
A területek egyenként is fontos kutatási témákat jelölnek, de véleményünk szerint ezek együttesével tudjuk komplexen modellezni a fenti billegő szerkezeteket.
Több kutató is vizsgálta a billegő íveket, és kifejlesztették az ellenőrzéshez az ún. „billegő” spektrumot, amelynek azonban a következő hiányosságai vannak: a megnyíló kapcsolatok, így az ütközés helye a mozgás során változatlan és a klasszikus Housner modell kerül alkalmazásra, amely a biztonság kárára közelíthet.
A billegő falak legfőbb előnye a visszaálló képesség, amelyet utófeszített kábelek alkalmazásával érnek el. Nagy léptékű kísérletekre alapozva már vizsgálták ezen falak viselkedését és egyszerűsített modellt javasoltak a méretezéshez, amelynek azonban korlátai vannak: nem vették figyelembe mechanikailag kövezetes módon az elemek ütközését, nem vizsgálták a válasz spektrum számítás alkalmazhatóságát erre a nemlineáris szerkezetre és nem vizsgálták a falak és az épület közé beépíthető energia elnyelő elemek hatását sem.
Mindkét esetben a vizsgálatok bemenő adata a megfelelően megválasztott talajmozgás-függvény. Nincs azonban megbízható eljárás a rekordok kiválasztására, amely kellő pontossággal megadja a szeizmikus veszély mértékét egy kiválasztott szerkezetre egy adott helyen.
Ezen szerkezetek esetében a szerkezet és az altalaj kölcsönhatását nem vizsgálták.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A következő eredményeket várjuk a projekttől:
• a billegő mechanizmus viselkedését pontosabban meg fogjuk érteni,
• a Housner-féle ütközési modellt tovább fogjuk fejleszteni
• modelleket fogunk megalkotni és verifikálni a billegő mechanizmusokra, amelyek mechanikailag konzisztens feltételezéseken alapulnak,
• a szerkezet és az altalaj kölcsönhatását – amit ezekre a szerkezetekre nem vizsgáltak – meg fogjuk vizsgálni és
• a talajmozgás-függvény kiválasztás hatását tanulmányozzuk, és egy megbízható kiválasztási eljárást hozunk létre.
Mindezek alapján lehetségessé válik, hogy nemlineáris modelleket fejlesszünk falazott ívek és billegő falak viselkedésének leírására. Ezek megteremtik a gyakorlati alkalmazás alapjait mind az ívek és boltozatok földrengési vizsgálatának (pl. a válaszspektrum pontosítására), mind pedig a billegő falak méretezésének.
Kutatási eredményeink alapján azt várjuk, hogy kiderül, az SSI fontos szerepet játszik mind a falazott boltívek, mind a billegő falak modellezésében.
A földrengésrekordok kiválasztásával kapcsolatos eredményeknek köszönhetően jobban megérthetjük, hogy a valószínűségi alapú szeizmikus teljesítőképesség vizsgálat eredményei mennyire érzékenyek az alkalmazott kiválasztási módszerre.
Az eredményül kapott továbbfejlesztett modellek segítségével a vizsgált szerkezetek viselkedésének jobb megértéséből fakadóan, jobban kihasznált, így gazdaságosabb és biztonságosabb szerkezetek tervezhetők.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Történeti szerkezeteink érzékenyek a földrengési hatásra. Magyarországon számos olyan templom épült az elmúlt évszázadokban, amelyekben a boltozatok boltívekre hordják terheiket. Ezen épületek közül sok szenvedett komoly sérülést valamely földrengés kipattanásakor. Példaként említhető az 1956-ban, a dunaharaszti földrengés során beomlott taksonyi templom.
Ezen szerkezetekkel kapcsolatos bizonytalanságok (boltívek törése, az elemek ütközése, az altalaj rétegződésének hatása, a jövőbeli ismeretlen földrengési gerjesztés milyensége) miatt nincs jól használható eljárás a földrengéssel szembeni megfelelőségük igazolására.
Jóllehet, egy évtizeddel ezelőtt Magyarországon a szerkezeteket nem kellett földrengésre méretezni, manapság a szabvány előírja ennek teljesülését. Egy új, innovatív szerkezeti rendszer, amely képes hatékonyan felvenni a földrengési hatásból származó terheket a billegő fal. Érdekes módon, mivel a vizsgálat egyik kulcsfontosságú része a billegés közben bekövetkező ütközési hatás modellezése, ezen szerkezetek mechanikai szempontból rokonok a falazott boltívek problematikájával. Célunk, hogy kifejlesszünk és verifikáljunk egy modellt és megteremtsük egy tervezési eljárás alapjait, amely ilyen szerkezetek esetén gazdaságosabb és biztonságosabb szerkezetek megvalósítását teszi lehetővé.
Választ kívánunk adni továbbá arra a kérdésre, hogy a jövőben bekövetkező földrengések hatása milyen földrengési rekordokkal vehetők figyelembe. Ezen bemenő adatokkal futtatnánk az elkészült numerikus modelleket, így tovább növelnénk azok megbízhatóságát.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Structures in Hungary were rarely designed for seismic events in the past, despite of the fact that moderate earthquakes may hit the country. In Hungary several churches were built in the XII – XIX centuries with masonry vaults supported by arches. Many of them were severely damaged by earthquakes. Historical structures should be evaluated for seismic events, new structures must be designed for earthquakes. A new, innovative structure to carry the seismic load is the rocking shear wall. The response of masonry arches and shear walls with rocking mechanisms for base excitation has an important common feature. In both cases the impact of the blocks plays a very important role. The response due to impact (or rocking) is fundamentally different from the behaviour of traditional engineering structures which develop plastic hinges. Consequently, in most of the cases time history analyses must be performed. This requires the proper choice of ground motion records.
It is well-known that the outcome of a time history analysis may heavily depend on the choice of the record, which results in general scepticism about the reliability of the methodology.
In the response of shear walls and in the stability of arches and vaults the deformability of soil plays an important role. In common engineering practice this effect is either neglected or it is taken into account by assuming elastic support at the foundation, which may lead to very conservative or unconservative design.
Our aim is to develop a model and a tool to nonlinearly analyse rocking mechanism such as arches and rocking shear walls in interaction with the foundation and the soil.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
According to the above description our research focuses on four key areas:
• seismic assessment of arches and vaults,
• seismic assessment of rocking shear walls,
• development of a reliable ground motion record selection procedure, and
• investigation of the soil-structure interaction (SSI).
These topics – one by one – are important research areas, and, in addition may offer a complex approach to tackle the problem of rocking mechanisms.
Several researchers investigated the problem of rocking mechanism of masonry arches, and provided “rocking spectra” for designers. However, their approach contains the following shortcomings: the location of the impact is assumed to be unchanged, and the classical Housner model is used, which may be unconservative.
The advantages of rocking shear walls are the self-centering effect achieved by post tensioning. Based on large scale experiments the basic behaviour of rocking walls was explored and simplified models were developed, however important effects were not investigated: the mechanically consistent modelling of impact, the applicability of the modal response spectrum analysis for these highly nonlinear structures, the effect of (dissipative) connections between the shear wall and the building.
In both cases an important input of the analysis is a set of properly chosen ground motion records. However, there is no reliable methodology available to select a set of records that describes the characteristic seismic hazard for a specific structure at a pre-defined site.
The effect of complex soil-structure interaction for these structures has not been explored yet.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
It is expected that
• the behaviour of rocking mechanisms will be better understood,
• Housner’s model will be improved,
• models will be developed and verified, which are based on mechanically consistent assumptions,
• the effect of SSI – which has not been investigated for these kind of structures yet – will be explored, and also
• the effect of ground motion record selection will be investigated, and a reliable methodology to obtain site and structure specific records for nonlinear dynamic analyses will be developed.
These will enable us to develop nonlinear models and procedures to evaluate both masonry arches and rocking shear walls. These procedures will serve as useful tools for seismic performance assessment and for developing approximate methods (such as response spectra) for the analysis of structures.
It is expected that SSI plays and important role in the modelling of both arches and rocking shear walls, which will be investigated.
Findings regarding ground motion record selection will provide a better understanding of the sensitivity of probabilistic seismic performance assessment results to the applied selection methodology.
The resulting advanced modelling capabilities of seismic demand and structural capacity would reduce the high level of conservatism in seismic design, and hence it can be economically beneficial.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Historical masonry buildings are vulnerable to earthquakes. In Hungary several churches were built in the XII – XIX centuries with vaults supported by arches, many of them were severely damaged by moderate ground motions. For example, in 1956 the vaults of a baroque church in Taksony were collapsed by the Dunaharaszti earthquake.
Because of the relatively uncertain behaviour of these structures (cracking of the arches, impacts of the elements, influence of the supporting soil layers, unknown ground motion records in the future) there are no reliable methods available to investigate them for earthquakes. Our goal is to develop a model, and also a design tool which will enable us to analyse arches and vaults, and to determine whether they are safe.
Although a decade ago structures were not designed for seismic events in Hungary, today it is known that new structures must be designed for earthquakes. A new, innovative structure to carry the seismic load is the reinforced concrete wall, which may rock at one or more locations. Interestingly, because the key of the analysis is the impact at the rocking interfaces the modelling of these structures is very similar to that of masonry arches. Our goal is to develop (and verify) a model, and to introduce design methods which lead to more economical and safer structures.
We will also tackle the problem of selecting ground motion records that properly represent a future, unknown earthquake. These can be acceptable inputs of the analyses, and hence increase the reliability of our design.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
Közleményjegyzék |
|
|
| Ther T, Kollár LP: Refinement of Housner’s model on rocking blocks, Bulletin of Earthquake Engineering. (under review), 2016 | | Vigh, L.G., Zsarnóczay, Á., Balogh, T.: Eurocode conforming design of BRBF – Part I: Proposal for codification., Journal of Constructional Steel Research. (under review), 2016 | | Zsarnóczay, Á., Vigh, L.G.: Eurocode conforming design of BRBF – Part II: Design procedure evaluation., Journal of Constructional Steel Research. (under review), 2016 | | Joó, A.L., Zsarnóczay, Á., Opoldusz, M. and Kollár, L.P: Applicability of modal response spectrum analysis on rocking structures., 16th World Conference on Earthquake Engineering, 16WCEE. Santiago, Chile. paper 3979, p. 10 (accepted for publication), 2017 | | Ther T, Kollár LP,: Refinement of Housner’s model and its application for the overturning acceleration spectra., 16th World Conference on Earthquake Engineering, 16WCEE. Santiago, Chile. paper 3979, p. 10 (accepted for publication), 2017 | | Pap, Zs.B., Kollár, L.P,: Significance of soil-structure interaction in seismic design., 16th World Conference on Earthquake Engineering, 16WCEE. Santiago, Chile. paper 3966, p. 11 (accepted for publication), 2017 | | Zsarnóczay, Á. and Vigh, L.G.: Effective design measures against soft story development in buckling restrained braced frames., 16th World Conference on Earthquake Engineering, 16WCEE. Santiago, Chile. paper 4356, p. 12 (accepted for publication), 2017 | | Ther, T., Joó, A.L., Zsarnóczay, Á., Pap, Zs.B. and Kollár L.P.: Billegő szerkezetek földrengésvizsgálata., : I. Hegedűs, Gy. Farkas, L. Dunai, T. Kovács, ed., A BME Hidak és Szerkezetek Tanszék Tudományos Közleményei: Tassi Géza és Orosz Árpád 90 éves. Budapest: BME Hidak és S, 2016 | | Molnár, S.F.: Modelling and design of reinforced concrete rocking walls., Master Diploma Theses, Supervisor: Joó, A.L., Németh, R., BME Department of Structural Mechanics, p. 94., 2016 | | Ther T, Kollár LP: Refinement of Housner’s model on rocking blocks, Bulletin of Earthquake Engineering, 2017 | | Vigh, L.G., Zsarnóczay, Á., Balogh, T.: Eurocode conforming design of BRBF – Part I: Proposal for codification., Journal of Constructional Steel Research, 2017 | | Zsarnóczay, Á., Vigh, L.G.: Eurocode conforming design of BRBF – Part II: Design procedure evaluation., Journal of Constructional Steel Research, 2017 | | Joó, A.L., Zsarnóczay, Á., Opoldusz, M. and Kollár, L.P: Applicability of modal response spectrum analysis on rocking structures., 16th World Conference on Earthquake Engineering, 16WCEE. Santiago, Chile. paper 3979, p. 10, 2017 | | Ther T, Kollár LP,: Refinement of Housner’s model and its application for the overturning acceleration spectra., 16th World Conference on Earthquake Engineering, 16WCEE. Santiago, Chile. paper 3979, p. 10, 2017 | | Pap, Zs.B., Kollár, L.P,: Significance of soil-structure interaction in seismic design., 16th World Conference on Earthquake Engineering, 16WCEE. Santiago, Chile. paper 3966, p. 11, 2017 | | Zsarnóczay, Á. and Vigh, L.G.: Effective design measures against soft story development in buckling restrained braced frames., 16th World Conference on Earthquake Engineering, 16WCEE. Santiago, Chile. paper 4356, p. 12, 2017 | | Zsarnóczay Á: Advantages of using Bayesian inference for model calibration in OpenSees., OpenSees Days Europe 2017 – First European Conference on OpenSees, Porto, Portugal, pp. 33-38., 2017 | | Ther, T., Kollár, L.P.: Overturning of rigid blocks for earthquake excitation, Bulletin of Earthquake Engineering., 2017 | | Ther, T., Kollár, L.P.: Model for Multi-Block Columns Subjected to Base Excitation, Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 2017 | | Kollár, L.P., Pap, Zs.B.: Modal Mass of Floors Supported by Beams, Structures, 2018 | | Ther, T. (Advisor: L.P. Kollar): Analysis and Design of Rocking Mechanisms, PhD Thesis, 2018 | | Ther, T,. Kollár, L. P.: Design of rocking columns and arches subjected to earthquake excitation, 16th European Conference on Earthquake Engineering, Thessaloniki, Greece, 2018 | | Pap, Zs. B., Kollár, L. P.: Significance of Soil-Structure Interaction in Seismic Design,, 16th European Conference on Earthquake Engineering, Thessaloniki, Greece, 2018 | | Pap, Zs. B., Kollár, L. P.: Effect of Resonance in Soil-Structure Interaction for Finite Soil Layers., Periodica Polytechnica Civil Engineering, 2018 | | Kollár LP, Ther T.: Numerical model and dynamic analysis of multi degree of freedom masonry arches, Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 2019 | | Pap, Z. B., Kollár, L. P.: Dynamic Response of Long Rectangular Floors Subjected to Periodic Force Excitation, Materials, 2019 | | Pap, Z. B., Kollár, L. P.: Födémek vizsgálata periodikus gerjesztésre, XIII. Magyar Mechanikai Konferencia, 2019 | | Pap, Z. B., Kollár, L. P.: Rezonancia jelentősége és modellezése a talaj-szerkezet kölcsönhatásban véges kiterjedésű talaj esetén, XIII. Magyar Mechanikai Konferencia, 2019 | | Kollár, L.P., Pap, Zs.B.: Modal Mass of Floors Supported by Beams, Structures, 13, 119-130, 2018 | | Pap Zsuzsa Borbála: The role of radiation damping in the dynamic response of structures, PhD dissertation (Supervisor: Laszlo Kollar), 2020 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
