Influence of the mesh structure of geodesic domes on their seismic response in applied directions

• Autorzy: Bysiec Dominika , Maleska Tomasz

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2023.146067

Warianty tytułu

PL

Wpływ siatki struktur kopuł geodezyjnych na ich odpowiedź sejsmiczną na zadanych kierunkach

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the determination of the impact of earthquakes of varying intensity on the structure of geodesic domes. The structures of the analyzed domes were designed on the basis of the regular octahedron according to two different methods of creating their topology. The use of four seismic records of different intensity and duration of the record made it possible to subject 8 models to numerical analysis. The designed spatial structures are domes with a steel cross-section, thanks to which they are undoubtedly characterized by their lightness and the possibility of covering very large areas, without the need to use internal supports. Designing steel domes is currently a challenge for constructors, as well as architect, who take into account their aesthetic considerations. The paper presents the seismic response of geodesic domes in applied different directions (two horizontal “X” and “Y” and one vertical “Z”), using the Time History method. The values of forced vibrations and recording intensity were shown, and on this basis, an attempt was made to determine which seismic record may be more unfavorable for the designed geodesic domes created according to two different methods of shaping the topology of their structures. For this purpose, the FFT (Fast Fourier Transform) method was used. The maximum accelerations and displacements of the structures were also analyzed. The conducted analysis shows the influence of seismic excitations on geodetic dome structures, depending on the applied method (method 1 and 2) of shaping their topology. This paper will undoubtedly be useful in designing a geodesic dome structure in a seismic area. In addition, this analysis can be helpful in assessing the effects of an incidental earthquake.

PL

Praca dotyczy określenia wpływu trzęsienia ziemi o różnej intensywności na konstrukcję kopuł geodezyjnych. Struktury analizowanych kopuł, których podstawą kształtowania był ośmiościan foremny, zaprojektowane zostały według dwóch różnych metod tworzenia topologii tego typu konstrukcji. Wykorzystanie czterech zapisów sejsmicznych o różnej intensywności i o zróżnicowanym czasie trwania zapisu umożliwiło poddanie analizie numerycznej 8 modeli. Zaprojektowane przestrzenne struktury to kopuły o przekroju stalowym, dzięki czemu niewątpliwie odznaczają się swoją lekkością i możliwością przekrycia bardzo dużych powierzchni, bez konieczności zastosowania podpór wewnętrznych. Zaprojektowanie stalowych kopuł jest obecnie wyzwaniem zarówno dla konstruktorów, jak i architektów, którzy kierują się również względami estetycznymi. W pracy przedstawiono odpowiedź sejsmiczną kopuł geodezyjnych w zastosowanych różnych kierunkach (dwa poziome „X” i „Y” oraz jeden pionowy „Z”) przy użyciu metody Time History. Wykazano wartości drgań wymuszonych i intensywności zapisu i na tej podstawie podjęto próbę określenia, który zapis sejsmiczny może być bardziej niekorzystny dla badanych kopuł geodezyjnych utworzonych według dwóch różnych metod kształtowania topologii ich struktur. W tym celu posłużono się metodą FFT (Fast Fourier Transform). Przeanalizowano również maksymalne przyspieszenia i przemieszczenia konstrukcji. Przeprowadzona analiza pokazuje wpływ wstrząsów sejsmicznych na konstrukcje kopuł geodezyjnych, w zależności od zastosowanej metody (metoda 1 i 2) kształtowania ich topologii. Praca ta będzie niewątpliwie przydatna przy projektowaniu struktury kopuły geodezyjnej na obszarze sejsmicznym. Ponadto analiza ta może być pomocna przy ocenie skutków spowodowanych przypadkowym trzęsieniem ziemi.

Słowa kluczowe

EN

forced vibration; geodesic dome; lightweight structure; numerical analysis; seismic analysis

PL

analiza numeryczna; analiza sejsmiczna; drganie wymuszone; konstrukcja lekka; kopuła geodezyjna

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 69, nr 3
• Strony: 65--78
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Bysiec Dominika

• Opole University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Opole, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-7679-7085

autor

Maleska Tomasz

• Opole University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Opole, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-5594-0572

Bibliografia

• [1] J.P.G. Carvalho, A.C.C. Lemonge, P.H. Hallak, and D.E.C. Vargas, “Simultaneous sizing, shape, and layout optimization and automatic member grouping of dome structures”, Structures, vol. 28, pp. 2188-2202, 2020, doi: 10.1016/j.istruc.2020.10.016.
• [2] A. Kaveh, M. Rezaei, and M.R. Shiravand, “Optimal design of nonlinear large-scale suspendome using cascade optimization”, International Journal of Space Structures, vol. 33, no. 1, pp. 3-18, 2018, doi: 10.1177/ 0266351117736649.
• [3] J. Ye and M. Lu, “Optimizations of domes against instability”, Steel and Composite Structures, vol. 28, no. 4, pp. 427-438, 2018, doi: 10.12989/scs.2018.28.4.427.
• [4] W. Szaniec and K. Zielinska, “Harmonic analysis of the wind loaded bar dome at the Satellite Services Centre in Psary”, Archieves of Civil Engineering, vol. 62, no. 1, pp. 37-50, 2016, doi: 10.1515/ace-2015-0050.
• [5] M.P. Saka, “Optimum topological design of geometrically nonlinear single layer latticed domes using coupled genetic algorithm”, Computers and Structures, vol. 85, no. 21-22, pp. 1635-1646, 2007, doi: 10.1016/ j.compstruc.2007.02.023.
• [6] A. Kaveh and S. Talatahari, “Geometry and topology optimization of geodesic domes using charged system search”, Structural and Multidisciplinary Optimization, vol. 43, no. 2, pp. 215-229, 2011, doi: 10.1007/s00158-010-0566-y.
• [7] S. Carbas and M.P. Saka, “Optimum topology design of various geometrically nonlinear latticed domes using improved harmony search method”, Structural and Multidisciplinary Optimization, vol. 45, no. 3, pp. 377-399, 2012, doi: 10.1007/s00158-011-0675-2.
• [8] S. Gholizadeh and H. Barati, “Topology optimization of nonlinear single layer domes by a new metaheuristic”, Steel and Composite Structures, vol. 16, no. 6, pp. 681-701, 2014, doi: 10.12989/scs.2014.16.6.681.
• [9] A. Kaveh and M. Rezaei, “Optimum topology design of geometrically nonlinear suspended domes using ECBO”, Structural Engineering and Mechanics, vol. 56, no. 4, pp. 667-694, 2015, doi: 10.12989/sem.2015.56.4.667.
• [10] A. Kaveh and M. Rezaei, “Topology and geometry optimization of single-layer domes utilizing CBO and ECBO”, Scientia Iranica, vol. 23, no. 2, pp. 535-547, 2016, doi: 10.24200/sci.2016.2137.
• [11] D. Pilarska, “Octahedron - based spatial bar structures - the form of large areas covers”, presented at 3RD Scientific Conference Environmental Challenges in Civil Engineering, Opole, Poland, 23-25 April 2018, Opole, Poland, 2018.
• [12] D. Pilarska, “Comparative analysis of various design solutions of octahedron - based spatial bar structures”, presented at The XXIV Conference of Lightweight Structures in Civil Engineering, 7 December 2018, Lodz, Poland, 2018.
• [13] D. Pilarska, “Two subdivision methods based on the regular octahedron for single-and double-layer spherical geodesic domes”, International Journal of Space Structures, vol. 35, no. 4, pp. 160-173, 2020, doi: 10.1177/0956059920956944.
• [14] D. Pilarska, “Optimization approach for dome structures”, presented at The XXVII Conference of Lightweight Structures in Civil Engineering, 2021, Lodz, Poland, 2021.
• [15] EN 1993 Eurocode 3 Design of steel structures. Brussels, Belgium: European Committee for Standardization, 2005.
• [16] D. Pilarska and T. Maleska, “Numerical analysis of steel geodesic dome under seismic excitations”, Materials, vol. 14, no. 16, art. no. 4493, pp. 1-12, 2021, doi: 10.3390/ma14164493.
• [17] T. Takeuchi, T. Ogawa, and T. Kumagai, “Seismic response evaluation of lattice shell roofs using amplification factors”, Journal of the International Association for Shell and Spatial Structures, vol. 48, no. 3, pp. 197-210, 2007.
• [18] S. Nakazawa, S. Kato, T. Takeuchi, S. Xue, and C. Lazaro, “State of the art of seismic response evaluation methods for metal roof spatial structures”, Journal of the International Association for Shell and Spatial Structures, 2012, vol. 53, no. 2, 172, pp. 117-130, 2012.
• [19] S. Kato and S. Nakazawa, “Seismic risk analysis of large lattice dome supported by buckling restrained braces”, in Proceedings of the 6th International Conference on Computation of Shell and Spatial Structures IASS-IACM 2008, New York, USA, 28-31 May 2008, J.F. Abel and J.R. Cooke, Eds. New York, USA.
• [20] H. Li, J. Li, F. Zhi, F. Ma, and D. Qin, “A parameter study on dynamic buckling of spatial arch trusses under seismic action”, in Proceedings of the 6th International Conference on Computation of Shell and Spatial Structures IASS-IACM 2008, New York, USA, 28-31 May 2008, J.F. Abel and J.R. Cooke, Eds. New York, USA.
• [21] J. Qin, B. Shen, and G. Li, “Dynamic field test on elliptical suspen-dome”, in Proceedings of the 6th International Conference on Computation of Shell and Spatial Structures IASS-IACM 2008, New York, USA, 28-31 May 2008, J. F. Abel and J. R. Cooke, Eds. New York, USA.
• [22] J. Li and J. Xu, “Dynamic stability and failure probability analysis of dome structures under stochastic seismic excitation”, International Journal of Structural Stability and Dynamics, vol. 14, no. 5, 2014, doi: 10.1142/S021945541440001X.
• [23] T. Maleska and D. Beben, “Behaviour of soil-steel composite bridge with various cover depths under seismic excitation”, Steel and Composite Structures, vol. 42, no. 6, pp. 747-764, 2022, doi: 10.12989/scs.2022.42.6.747.
• [24] T. Maleska, J. Nowacka, and D. Beben, “Application of EPS Geofoam to a soil-steel bridge to reduce seismic excitations”, Geosciences, 2019, vol. 9, no. 10, art. no. 448, 2019, doi: 10.3390/geosciences9100448.
• [25] T. Maleska, D. Beben, and J. Nowacka, “Seismic vulnerability of a soil-steel composite tunnel - Norway Tolpinrud Railway Tunnel case study”, Tunnelling and Underground Space Technology, vol. 110, art. no. 103808, 2021, doi: 10.1016/j.tust.2020.103808.
• [26] T. Maleska, P. Bonkowski, D. Beben, and Z. Zembaty, “Transverse and longitudinal seismic effects on soil-steel bridges”, in Seismic Behaviour and Design of Irregular and Complex Civil Structures III. Springer, 2020, pp. 23-36, doi: 10.1007/978-3-030-33532-8_3.