Частотно-временной анализ акселерограмм природных землетрясений

  • Елена Викторовна Позняк
  • Владимир Павлович Радин
  • Ольга Валерьевна Новикова
Ключевые слова: эволюционные спектральные анализ и плотность мощности, сейсмические интенсивность и анализ, расчеты на сейсмостойкость, акселерограмма

Аннотация

Рассмотрен пример частотно-временного анализа длиннопериодной акселерограммы землетрясения Тохоку (Tohoku Earthquake, Япония, 11 марта 2011 г.) с определением: сейсмической интенсивности как функции времени; спектральной плотности мощности; преобладающих частот сейсмического воздействия в различные фазы землетрясения. Функция сейсмической интенсивности получена в виде псевдоогибающей нестационарного воздействия, вычисленной как среднеквадратичное отклонение на малых временных интервалах. Анализ изменения во времени преобладающих частот проведен по сглаженной оценке спектральной плотности мощности методом Уэлча с окнами Хэмминга. Для рассмотренной акселерограммы зафиксировано снижение несущих частот с 0,77 (в начале) до 0,38 Гц (в конце воздействия). Все расчеты реализованы в программном комплексе Matlab.

Результаты исследования полезны для оценки интенсивности воздействия при расчетах на сейсмостойкость по акселерограммам линейно-спектральным методом. Спектральный анализ различных фаз землетрясения необходим для предотвращения резонансных явлений в ситуации, когда при длительном землетрясении одновременно снижаются и собственные частоты конструкции, и преобладающие частоты воздействия. В целом понимание характера изменения параметров акселерограммы во времени актуально при расчетах на сейсмостойкость с учетом длительности землетрясения. Подобный расчет должен включать предварительный частотно-временной анализ сейсмического воздействия.

Сведения об авторах

Елена Викторовна Позняк

кандидат технических наук, доцент кафедры робототехники, мехатроники, динамики и прочности машин НИУ «МЭИ», e-mail: PozniakYV@mpei.ru

Владимир Павлович Радин

кандидат технических наук, профессор кафедры робототехники, мехатроники, динамики и прочности машин НИУ «МЭИ», e-mail: RadinVP@mpei.ru

Ольга Валерьевна Новикова

кандидат технических наук, доцент кафедры робототехники, мехатроники, динамики и прочности машин НИУ «МЭИ», e-mail: NovikovaOV@mpei.ru

Литература

1. Болотин В.В. Статистические методы в строительной механике. М.: Стройиздат, 1961.
2. Болотин В.В. Применение методов теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. М.: Стройиздат, 1971.
3. Marano G.C. Non-stationary Stochastic Modulation Function Definition Based On Process Energy Release // Physica A: Statistical Mechanics and its Appl. 2019. V. 517. Pp. 280—289.
4. Wang D., Fan Z., Hao Sh., Zhao D. An Evolutionary Power Spectrum Model of Fully Nonstationary Seismic Ground Motion // Soil Dynamics and Earthquake Eng. 2018. V. 105. Pp. 1—10.
5. Schillinger D., Stefanov D., Stavrev А. The Method of Separation for Evolutionary Spectral Density Estimation of Multi-variate and Multi-dimensional Non-stationary Stochastic Processes // Probabilistic Eng. Mechanics. 2013. V. 33. Pp. 58—78.
6. Canor Т., Caracoglia L., Denoël V. Perturbation Methods in Evolutionary Spectral Analysis for Linear Dynamics and Equivalent Statistical Linearization // Probabilistic Eng. Mechanics. 2016. V. 46. Pp. 1—17.
7. Zhao Y., Li Y., Zhang Y., Kennedy D. Nonstationary Seismic Response Analysis of Long-span Structures by Frequency Domain Method Considering Wave Passage Effect // Soil Dynamics and Earthquake Eng. 2018. V. 109. Pp. 1—9.
8. Котюк А.Ф, Цветков Э.И. Спектральный и корреляционный анализ нестационарных случайных процессов. М.: Изд-во Комитета стандартов мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР, 1970.
9. Пугачев В.С., Синицын И.Н. Стохастические дифференциальные системы. Анализ и фильтрация. М.: Наука, 1990.
10. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. М.: Мир, 1989.
11. Грибанов Ю.И., Мальков В.Л. Спектральный анализ случайных процессов. М.: Энергия, 1974.
12. Позняк Е.В. Состоятельная оценка спектральной плотности мощности сейсмического ускорения грунта // Вестник МЭИ. 2015. № 5. С. 30—36.
13. Lee W.H.K., Kanamori H., Jennings P., Kisslinger C. International Handbook of Earthquake & Engineering Seismology. Pt. B. Academic Press, 2003.
14. Zerva A., Zervas V. Spatial Variation of Seismic Ground Motions: an Overview // Appl. Mech. Rev. 2002. V. 55. No. 3. Pp. 271—296.
15. Abrahamson N.A., Schneider J.F., Stepp C. The Spatial Variation of Earthquake Ground Motion End Effects of Local Site Conditions // Proc. X World Conf. Earthquake Eng. 1992. Pp. 967—972.
16. Rodda G.K., Basu D. Parameterization of Auto- spectral Density of Earthquake Induced Strong Ground Motions // Soil Dynamics and Earthquake Eng. 2019. V. 118. Pp. 52—64.
17. Назаров Ю.П., Травуш В.И. Длиннопериодные сейсмические воздействия и их влияние на прочность конструкций высотных зданий // Intern. J. Computational Civil and Structural Eng. 2018. V. 14(4). Pp. 14—26.
18. Назаров Ю.П. Аналитические основы расчета сооружений на сейсмические воздействия. М.: Наука, 2010.
19. Назаров Ю.П., Позняк Е.В. О пространственной изменчивости сейсмических движений грунта при расчете сооружений // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2014. № 5. С. 17—20.
20. Назаров Ю.П., Позняк Е.В. Определение коэффициента динамичности в расчетах на сейсмостойкость // Строительство: наука и образование. 2015. № 1. Ст. 2. [Электрон. ресурс] http://www.nso-journal.ru (дата обращения 25.01.2019).
---
Для цитирования: Позняк Е.В., Радин В.П., Новикова О.В. Частотно-временной анализ акселерограмм природных землетрясений // Вестник МЭИ. 2019. № 5. С. 135—141. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-5-135-141.
Опубликован
2019-02-25
Раздел
Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ (05.13.18)