基于PEER性能的地震工程框架在结构中的应用外文翻译资料

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基于PEER性能的地震工程框架在结构中的应用

摘要

太平洋地震工程研究中心(同行)的基于性能的地震工程(PBEE)框架的研究是有据可查的。 该框架是一种线性方法，其基于从以下每个分析中获得反向的输出：危害分析;结构分析; 损失分析，并根据利益的变量进行最终决策，如停机或维修费用。框架的优势在于每个阶段的分析都具有线性，明确的灵活性和不确定性的考虑。该框架有可能应用于其他形式的极限加载;然而，为了实现这一目的，框架的“映射”和其他加载情况的结构分析必须成功。

本文阐述了这样一个基于“映射”性能的框架结构的消防工程(PBFE)。利用简单的分析技术和编码方法的组合以及随机抽样技术来开发一系列响应记录，阐明PEER框架在结构工程中的应用。最终的结果是地震框架的成功应用，其中突出了基于性能的设计框架中的固有假设以及未来研究的主题，这将使得一些基于此技术的功能性结构设计更加可靠。本文介绍了应用于结构地震设计的PEER框架从开始到完成的设计，并采用适当的替代工具来执行结构分析的每个阶段。

1.说明

建筑结构的设计是为了满足“绝缘，完整性和稳定性”的安全要求，并提供所需的防护等级。垂直和水平方向的绝缘性及完整性应当由楼板或者其它非承重构件来来提供，稳定性则由结构整体来提供，毕竟其主要目的是安全疏散，次要目的才有可能是保护财产。许多国家标准和认证机构的替代解决方案对规定性安全设计的允许意味着可以通过多种方式满足生命安全目标。这提供了比规定性规定下更广泛的可能的设计解决方案[1]。对于次要标准如预期损失，停机时间和火灾的社会影响，这些替代解决方案未必得到充分解决，但是这些替代解决方案应由项目中的所有利益相关者决定，因为替代解决方案将对火灾后一个项目的后果产生不同程度的影响。此外，通过采用替代解决方案可以实现对财产损失的显著成本节省，但是对其影响的全面评估需要考虑多个设计解决方案，而不是像工业中通常调查的单一替代解决方案。自火是这样一个低概率、高后果事件，所以保护与使用基于性能的设计框架相结合对于多种解决方案来说是特别有吸引力的，这不仅涉及主要目标，而且还涉及任何次要目标。因此，基于性能的设计框架的基本要素被定义为允许用户自由地组成对该问题的任何解决方案，还允许在可用时使用新技术和技术的自由。目标必须在项目开始时明确说明，任何符合设计框架性能目标的设计方案都应该被允许。应该指出的是，尽管在生命，财产和商业保护方面的目标可能与规定性设计规范中的目标保持一致，但这些目标应与其规定的对应方保持独立。总之，基于性能的设计是基于三个主要标准[2]：

确定设计过程的目标。

调查可用于实现目标的替代设计。

选择最有效解决方案的可靠性和风险评估。

因此，基于性能的工程的概念允许为不同的问题开发广泛的设计解决方案，并且允许对事件的定性或定量“风险”进行量化，从而根据其个体优点进行评估。下面是一个基于性能的设计应用于结构工程的实例[3]。为了完全实现基于性能的设计，有必要在结构分析中解释不确定性和概率响应。对结构概率响应估计的研究包括使用分析或一阶可靠性模型[4,5]，如欧洲基础结构设计规范[6]所述。 以及蒙特卡罗技术[7]。一些例子使用风险评估方法，如[8]中使用故障树分析确定的风险评估方法，用于确定研究中使用的合适的场景，但在其他结构的变化和机械载荷作用时[10]不考虑结构的变化[9]。随机采样可以计算上费用和耗时，因为所需的计算数量随着系统中变量的数量而增加。为了减少蒙特卡洛分析所需的大量分析，其他工作对生命安全和火灾抑制系统的可靠性提出了使用响应面建模和线性回归技术来确定可靠性估计的关键变量，然后采用迭代算法 以减少所需的计算数量[11,12]。比传统的蒙特卡罗技术，这些技术导致更少的计算分析的费用。Stern-Gottfried和Rein开发了一种强大的概率方法[13,14]。在他们的方法中，基于燃料分配和隔室内的燃烧速率开发了一系列燃料。这些方法中的每一种在其方法中同样是可能的，并且在评估结构的安全性时应该确定结构对不同结构的灵敏度。然而，在大多数情况下，基于绩效的结构化工程将在风险评估中停止，在这种情况下，对结构的预期后果通常被表示为主观可能性。 比如，结构故障。虽然这允许对设计对标准解决方案的响应进行比较评估；为了实现一个完全基于性能的方法,包括考虑可持续性和设计优化,以完全可量化的经济术语表达绩效目标——例如预期的美元损失——是必要的。除了偶尔替代指令性指导之外，这些定义对于接受基于性能的结构工程的极端载荷至关重要。存在将这些概念应用于地震工程框架的许多例子，这一领域似乎在这方面比结构化工程更为成熟。本文使用了一个最初设计用于抗震结构设计的框架的一个例子，并将其应用于结构。

2.PEER框架

2.1 说明

PEER PBEE（太平洋地震工程研究中心基于性能的地震工程）框架提供了一个明确定义的过程，输出定量措施来评估地震期间受地面激发的建筑系统的性能[15]。该框架基于三个计算“域”：危害域; 结构体系领域; 和损失域。这些领域通过所谓的“夹点变量”链接。 计算遵循计算线性事件严重性（强度测量（IM））的变量，对事件的结构响应（工程需求参数（EDPs））以及所造成的损害和产生的损失的估计的线性过程（损伤措施 （DM）和决策变量（DV））。该框架表示为三重积分，方程式（1）。

其中g表示事件的年度速率，P表示事件的互补累积分布函数，P [X | Y]表示条件概率X！ 给定Y = y。

以等式的形式表示为分析中的每个变量都是有条件独立的假设。 也就是说，例如， EDP独立于IM的概率分布，工程响应仅取决于所选择的一个变量来表示强度测量。例如，给定可以通过诸如峰值地面加速度或位移等多个强度测量来表征的事件 - 其中一个参数被选择来表示强度测量，因此假设EDP的分布独立于IM变量的选择。这显然是错误的假设。 在结构中，结构的形式以及原产地的房间或房间的特征直接影响了场景的定义（除非仅使用最简单的标称模型，如ASTM或ISO曲线）。这意味着EDP变量与替代单个IM的表达可能导致不同的分布。然而，通过仔细选择所选择的强度措施来代表危险，这可能是有限的。这是本文作者正在进行的工作的主题。PEER框架的一般过程如图1所示。这跟随危害分析，结构分析，损伤分析和损失分析的线性进展，每个阶段都由夹点变量联系起来。该框架的目的是根据利益危险的大小和复发可能性返回给定结构的年度预期损失的指标。图2示意性地示出了框架。图2a示出了基于损伤分析和工程需求参数的系统性能与强度测量之间的关系。在这种情况下，该图示出了仅危害分析是非确定性的并且所有其他变量是确定性的情况，工程系统域也是风险域的简单函数，而不是替代可能的强度测量的附加影响，类似地，损失 域是工程系统的功能，即 EDP = f（IM）和DM = f（EDP）。这几乎是一个微不足道的情况，因为解决方案中的未知仅来自危险领域。图2b显示了在后续模块中引入不确定和附加变量对结果的影响。

在这种情况下，可能导致某些目标性能的强度测量范围很广，并且该强度测

D

危害分析

危害模式 场地危害

危害

域

IM:i强度测量

结构分析

结构模式 结构反应

结构

系统

域 EDP:工程需求参数

损伤分析

Fragy 模型 结构响应

DM:损伤检测

损失

域

损失分析

损失模型 性能

DV:决策变量

D OK?

量的发生频率也是相对未知的。图2 c显示的是集成的分析的结果导致的表达的频率超过一个最低工程需求参数,进而导致的损失或损害。该框架在一些参考文献中得到了全面的报告，例如Porter [16]提供了一个简单易懂的框架及其组件描述。更多信息和背景阅读可以在PEER网站上找到。以下部分概述了PEER框架的各个模块，但是对于更详细的描述，应参考其他参考资料。适用于和应用于其他极端负载情况的PEER框架的示例存在，例如应用于风力工程作为基于性能的风力工程框架[17]，爆破工程[18]和飓风工程[19] .Deierlein和 Hamilton[20]也提出了PEER框架的应用。 这是PBEE框架的简单映射，但是没有提供应用程序的示例。

2.2 危险区域

危害分析导致强度测量的输出。 强度测量被定义为单个或向量参数，其定义事件强度，并且量化每年超过强度的速率或概率。在PEER PBEE中，强度测量的计算大致遵循了概率地震危害分析（PSHA）中使用的方法，尽管PSHA的结果是一个速率或一个超过强度测量的概率，但PEER框架所需的计算结果是平均每年超过一次的可能性。在PEER框架的示例中使用的所得到的危险曲线中，用于表示事件强度的变量似乎通常是峰值地面加速度，然而替代变量可用于测量事件的大小，包括地面位移，地面运动 频率，地面运动持续时间等。通常应进行敏感性分析，以调查IM对替代EDP的充分性[21]。强度测量风险曲线所示,这是由超过一个强度所测量的频率这等于给定值的地震发生时超过给定的强度测量值的概率乘以给定幅度的地震的统计发生率。对于单一幅度事件，强度测量危险曲线 由下式给出。

其中rn是事件的发生率。

对于由多个故障线或多个大小事件组成的强度测量危险曲线，总危险曲线由超过每个场景强度测量的所有可能性的最大值组成。 这个分析是在局部依赖的。 也就是说，对于每个位置，在不同距离处可能存在多个故障线，并且事件的强度将随着到故障线的距离而变化。 因此，需要对风险的位置进行危险分析。

图2. PEER框架的示意图：（a）结构分析，损伤分析和损失分析确定性，易于追踪危害与后果之间的关系; （b）如果跟随危害分析的任何模块存在一些不确定性，那么在损失方面产生一些目标性能的强度测量和事件频率的范围可能相当可观;和（c）在这种情况下，结构系统和损失域必须根据方程式的三重积分来整合。 （1）给出超过目标性能的频率。

2.3。 结构系统域

结构分析使用地震记录数据库的扰动记录来确定每个记录的结构响应。这可能是同一组的记录被用来进行危害分析,但是它不需要EDP可以表示为一个用于定义事件的严重性的IM的函数的简单结果。 结构分析的结果是对结构的响应的概率测量，该结果将与框架后续阶段中的损伤分析相关。 例如，对于应用于地震的框架的典型示例，研究的工程需求参数是层间侧移。 结构分析应反映强度测量的整个矢量的结构响应。工程需求参数表示为一个风险曲线,类似于强度指标,定义为一个向量参数,再次允许量化的泊松过程的速度超过数给定强度衡量风险曲线。

结构对地震事件响应的不确定性意味着对给定强度测量的结构响应具有与其相关联的一些概率分布，并且这可以被包括在结构分析中以确保其被包括在需求参数危险曲线中。

如在PEER PBEE框架的例子中，结构分析通常依赖于地震记录目录来确定给定峰值地面加速度（或其他强度测量）的可能响应[22]。 然而，结构响应的计算是基于整个地震记录的内容，而不仅仅是选择反映强度测量的变量。通过将地震的强度表示为单个变量的函数，在概率计算中假定结构的响应分布与其他变量的任何变化无关，这些变量可能被选择以反映强度， 这也可能影响结构。 这是框架的一个缺点。 在框架的未来应用中，选择变量来表示IM时，工程需求参数对强度测量的敏感性是一个重要的考虑因素。

进行结构分析来确定需求的概率分布参数给定强度的措施不需要确定的,通常应包括描述模型中的不确定性的概率方面，例如材料性质的不确定性或可能影响结构响应的其他因素。

2.4。 损失域

在进行结构分析之后，应根据危害产生的结构响应范围来指定或导出预定损坏措施的脆弱性功能。 例如，使用PEER框架的地震分析; 损害措施的一个常见的例子是地震后建筑物内的隔离墙破裂。可以修复的小裂纹的发生是损伤措施1，石膏板中较大的裂纹是损伤措施2.损伤措施3，在本例中，可能是指除了石膏板损坏之外，对柱壁的框架造成损坏 ，需要更换整个分隔壁组件。这些损伤措施中的每一个都具有与之相关的脆弱性功能，这反映了在给定工程需求参数值的情况下发生这种程度的损坏的可能性。损坏措施的其他例子可能包括钢筋混凝土框架中的混凝土开裂; 塑料铰链在框架中的演变，或者可能在建筑物中可能发生的任何其他损坏，这些损坏可能受到某种扰动。 单个损伤测量的脆弱性函数反映损伤测量的概率，给定工程需求参数的大小，即P（DM | EDP）。

损失分析基于发生的损伤测量。每个损伤测量与修复成本相关联，在损坏程度方面再次有一些概率分布。 因此，损失分析依赖于损伤分析的结果，根据EDP风险曲线是否存在损伤状态，得出后果曲线。 所考虑的损失可能包括例如停机时间或维修成本。 在

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