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地震区混凝土壳结构优化：案例研究

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普林斯顿大学是一个充满活力的学术和学习社区，为国家和所有国家服务。普林斯顿大学成立于 1746 年，是美国第四古老的大学。普林斯顿大学是一所独立、男女同校、无宗派的机构，提供人文科学、社会科学、自然科学和工程学方面的本科和研究生教学。作为一所世界著名的研究型大学，普林斯顿大学致力于在知识和理解的发现和传播方面达到最高水平。美国普林斯顿大学的形状寻找实验室是一个研究小组，专注于结构系统，这些结构系统的强度来自于力流决定的弯曲形状。形状寻找实验室的主任是 Sigrid Adriaenssens 博士，他是专门研究结构表面形状寻找的结构工程师。

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挑战

普林斯顿大学的形状寻找实验室面临着设计可在地震区安全使用的表现力结构的挑战。重点是壳结构，这种结构是薄的、弯曲的、通常是大跨度的结构，由多种材料制成，从钢和玻璃到混凝土，甚至砖或泥。这些结构在地震中表现出了优异的性能，著名的贝壳建造者菲利克斯·坎德拉 (Félix Candela) 在 1985 年墨西哥城大地震中完好无损地保存了贝壳就是例证。然而，需要强大的计算工具来分析这些结构在地震荷载下的行为。研究人员需要研究地震期间壳体形状对建筑物性能的影响，并模拟厚度变化对地震引起的晃动响应的影响。

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解决方案

Form-Finding 实验室的研究人员利用 Altair 的高级仿真软件套件 HyperWorks 来执行仿真和分析。该套件用于研究地震期间壳体形状对建筑物性能的影响，并模拟厚度变化对地震引起的晃动响应的影响。可以轻松地将几何图形从其他 CAD 软件导入到 HyperMesh 中，并且在插入更多模型属性后，可以使用 HyperWorks 的集成 OptiStruct 求解器来模拟不同地震的影响。因此可以预测一系列几何形状的地震期间的阻力和行为。此外，OptiStruct 中的内置优化工具不仅可以在给定约束内搜索更好的整体形状，还可以用于预测壳体局部厚度的区域，其中的变化将为壳体提供所需的振动特性。

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运营影响

The HyperWorks suite was used to obtain a global understanding of how the form of a shell structure influences its response to an earthquake. The overall shape of a shell, and in particular its curvature, was shown to have a major influence on the vibrational properties and thus earthquake behavior. By increasing curvature, and thus the corresponding stiffness of the shell, the fundamental frequencies of the structures increased, ensuring that their vibration modes were triggered less by earthquakes. While thickness distribution was shown to be only of secondary importance, sizing optimization was nevertheless a useful tool to reduce stress concentrations. These understandings can greatly further the design of safe new shells in earthquake areas. The researchers plan to continue this investigation by applying the understandings of how form influences the flow of earthquake forces in shells to real structures, such as the ones of Félix Candela. Furthermore they anticipate using the gathered data to design prototype shell structures from innovative and low-cost materials that can resist earthquakes.

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数量效益