Частотно-временной анализ акселерограмм природных землетрясений
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.
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.
#
1. Bolotin V.V. Statisticheskie Metody v Stroitel'noy Mekhanike. M.: Stroyizdat, 1961. (in Russian).
2. Bolotin V.V. Primenenie Metodov Teorii Veroyatnostey i Teorii Nadezhnosti v Raschetakh Sooruzheniy. M.: Stroyizdat, 1971. (in Russian).
3. Marano G.C. Non-stationary Stochastic Modulation Function Definition Based On Process Energy Release. Physica A: Statistical Mechanics and its Appl. 2019;517: 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;105:1—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; 33:58—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;46:1—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;109: 1—9.
8. Kotyuk A.F, TSvetkov E.I. Spektral'nyy i Korrelyatsionnyy Analiz Nestatsionarnykh Sluchaynykh Protsessov. M.: Izd-vo Komiteta Standartov Mer i Izmeritel'nykh Priborov pri Sovete Ministrov SSSR, 1970. (in Russian).
9. Pugachev V.S., Sinitsyn I.N. Stokhasticheskie Differentsial'nye Sistemy. Analiz i Fil'tratsiya. M.: Nauka, 1990. (in Russian).
10. Bendat Dzh., Pirsol A. Prikladnoy Analiz Sluchaynykh Dannykh. M.: Mir, 1989. (in Russian).
11. Gribanov YU.I., Mal'kov V.L. Spektral'nyy Analiz Sluchaynykh Protsessov. M.: Energiya, 1974.
12. Poznyak E.V. Sostoyatel'naya Otsenka Spektral'noy Plotnosti Moshchnosti Seysmicheskogo Uskoreniya Grunta. Vestnik MEI. 2015;5:30—36. (in Russian).
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;55; 3:271—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. 1992:967—972.
16. Rodda G.K., Basu D. Parameterization of Auto- spectral Density of Earthquake Induced Strong Ground Motions. Soil Dynamics and Earthquake Eng. 2019;118: 52—64.
17. Nazarov Yu.P., Travush V.I. Dlinnoperiodnye Seysmicheskie Vozdeystviya i Ikh Vliyanie na Prochnost' Konstruktsiy Vysotnykh Zdaniy, Intern. J. Computational Civil and Structural Eng. 2018;14(4):14—26. (in Russian).
18. Nazarov Yu.P. Analiticheskie Osnovy Rascheta Sooruzheniy na Seysmicheskie Vozdeystviya. M.: Nauka, 2010. (in Russian).
19. Nazarov Yu.P., Poznyak E.V. O Prostranstvennoy Izmenchivosti Seysmicheskikh Dvizheniy Grunta pri Raschete Sooruzheniy. Osnovaniya, Fundamenty i Mekhanika Gruntov. 2014;5:17—20. (in Russian).
20. Nazarov Yu.P., Poznyak E.V. Opredelenie Koeffitsienta Dinamichnosti v Raschetakh na Seysmostoykost'. Stroitel'stvo: Nauka i Obrazovanie. 2015;1;2. [Elektron. Resurs] http://www.nso-journal.ru (Data Obrashcheniya 25.01.2019). (in Russian).
---
For citation: Poznyak E.V., Radin V.P., Novikova O.V. Time-frequency Analysis of Natural Accelerograms. Bulletin of MPEI. 2019;5:135—141. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-5-135-141.
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.
#
1. Bolotin V.V. Statisticheskie Metody v Stroitel'noy Mekhanike. M.: Stroyizdat, 1961. (in Russian).
2. Bolotin V.V. Primenenie Metodov Teorii Veroyatnostey i Teorii Nadezhnosti v Raschetakh Sooruzheniy. M.: Stroyizdat, 1971. (in Russian).
3. Marano G.C. Non-stationary Stochastic Modulation Function Definition Based On Process Energy Release. Physica A: Statistical Mechanics and its Appl. 2019;517: 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;105:1—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; 33:58—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;46:1—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;109: 1—9.
8. Kotyuk A.F, TSvetkov E.I. Spektral'nyy i Korrelyatsionnyy Analiz Nestatsionarnykh Sluchaynykh Protsessov. M.: Izd-vo Komiteta Standartov Mer i Izmeritel'nykh Priborov pri Sovete Ministrov SSSR, 1970. (in Russian).
9. Pugachev V.S., Sinitsyn I.N. Stokhasticheskie Differentsial'nye Sistemy. Analiz i Fil'tratsiya. M.: Nauka, 1990. (in Russian).
10. Bendat Dzh., Pirsol A. Prikladnoy Analiz Sluchaynykh Dannykh. M.: Mir, 1989. (in Russian).
11. Gribanov YU.I., Mal'kov V.L. Spektral'nyy Analiz Sluchaynykh Protsessov. M.: Energiya, 1974.
12. Poznyak E.V. Sostoyatel'naya Otsenka Spektral'noy Plotnosti Moshchnosti Seysmicheskogo Uskoreniya Grunta. Vestnik MEI. 2015;5:30—36. (in Russian).
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;55; 3:271—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. 1992:967—972.
16. Rodda G.K., Basu D. Parameterization of Auto- spectral Density of Earthquake Induced Strong Ground Motions. Soil Dynamics and Earthquake Eng. 2019;118: 52—64.
17. Nazarov Yu.P., Travush V.I. Dlinnoperiodnye Seysmicheskie Vozdeystviya i Ikh Vliyanie na Prochnost' Konstruktsiy Vysotnykh Zdaniy, Intern. J. Computational Civil and Structural Eng. 2018;14(4):14—26. (in Russian).
18. Nazarov Yu.P. Analiticheskie Osnovy Rascheta Sooruzheniy na Seysmicheskie Vozdeystviya. M.: Nauka, 2010. (in Russian).
19. Nazarov Yu.P., Poznyak E.V. O Prostranstvennoy Izmenchivosti Seysmicheskikh Dvizheniy Grunta pri Raschete Sooruzheniy. Osnovaniya, Fundamenty i Mekhanika Gruntov. 2014;5:17—20. (in Russian).
20. Nazarov Yu.P., Poznyak E.V. Opredelenie Koeffitsienta Dinamichnosti v Raschetakh na Seysmostoykost'. Stroitel'stvo: Nauka i Obrazovanie. 2015;1;2. [Elektron. Resurs] http://www.nso-journal.ru (Data Obrashcheniya 25.01.2019). (in Russian).
---
For citation: Poznyak E.V., Radin V.P., Novikova O.V. Time-frequency Analysis of Natural Accelerograms. Bulletin of MPEI. 2019;5:135—141. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-5-135-141.
Опубликован
2019-02-25
Выпуск
Раздел
Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ (05.13.18)
