FM-2D-开源平台：建筑二维数值建模与抗震分析

软件X 17（2022）100927原始软件出版物FM-2D-用于建筑物二维数值建模和抗震分析的开源平台艾哈迈德·埃尔卡迪南安普敦大学土木、海事与环境工程系，南安普敦SO16 7QF，英国ar t i cl e i nf o文章历史记录：接收7十一月2020收到修订版2021年9月16日接受2021年11月26日关键词：计算平台软件数值建模、非线性分析建模不确定性OpenSeesa b st ra ct计算机工具最近已成为简化具有挑战性的概率性能为基础的地震工程（PBEE）框架的实施。虽然，这些工具帮助用户使用大多数PBEE定义（例如，破坏脆弱性和地震危害），它们仍然需要用户提供结构响应数据。这可能是一个繁琐和苛刻的任务，特别是当旨在通过详细的数值模型的非线性响应历史分析，以获得强大的数据。为此，本文开发了一个基于MATLAB的开源平台来简化这一过程。该平台实现了杆件和连接的最先进的非线性数值建模建议以及相关的动态分析方法，同时支持建模不确定性考虑。这一切都是包装在直观的图形用户界面模块，并支持全面的选项，可视化的全球和当地的结构响应数据。©2021作者由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本v1.0代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-20-00081法律代码许可证GNU GPL v3使用的代码版本控制系统无软件代码语言Matlab编译要求，操作环境依赖性Microsoft Windows + MATLAB运行时+Matlab App Designer链接到开发人员文档/手册https://github.com/amaelkady/FM-2D/tree/master/docs问题支持电子邮件a. soton.ac.uk软件元数据当前软件版本v1.2112代码/存储库的永久链接https://github.com/amaelkady/FM-2D法律软件许可证GNU GPL v3计算平台/操作系统Microsoft Windows安装要求&依赖Microsoft Windows + MATLAB运行时+ Tcl/Tkl二进制+ OpenSEES（参见手册详情）用户手册链接https://github.com/amaelkady/FM-2D/tree/master/docs问题支持电子邮件a. soton.ac.uk1. 动机和意义基于性能的地震工程（PBEE）框架[1在其核心，这电子邮件地址：a. soton.ac.uk。https://doi.org/10.1016/j.softx.2021.100927该框架依赖于不同地震情景下建筑物的可靠反应数据的可用性，以便能够可靠地评估/量化其结构性能，包括损坏和经济损失。结构响应数据包括全局工程需求参数（EDP），如层间位移和楼板加速度。例如，本地EDP包括连接和成员端的旋转需求获得2352-7110/©2021作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx艾哈迈德·埃尔卡迪软件X 17（2022）1009272美联纪录个别地Fig. 1. FM-2D框架和范围。图二.FM-2D基于动态非线性分析的结构响应数据可以说是PBEE框架中要求最高和最耗时的步骤。该步骤需要：（1）表征不同连接和构件的非线性滞后响应参数，（2）将这些响应合并到建筑物的理想化数值模型表示中，（3）在数值模型中计算和分配载荷和质量，（4）使用给定的结构分析软件进行静态和/或动态分析程序，以及最后，（5）读取和处理将在后续PBEE阶段中使用的这是一个费力的步骤，可能需要数周甚至数月才能完成，特别是在处理可能包括不同几何形状和配置的大型建筑物端口时。最重要的是，这一步需要一个熟练的工程师谁是熟悉的具体数值建模准则和仿真技术，这是不断更新的文献。当试图在结构分析中使用蒙特卡罗模拟等方法明确地纳入数值建模不确定性时，这变得更加麻烦。虽然现有的PBEE软件包（例如[8-一些软件提供了基于简化分析方法或非基于模型的经验方法来生成结构响应数据的工具，这些方法仅需要用户定义有限数量的建筑和地震需求Ruiz-García和Chora [11]，Hwang和Lengs [12]）。然而，这种简单性与所生成的结构响应数据的准确性降低相结合，从而增加了与计算的经济损失相关的不确定性。为此，需要一种简化和加速详细系统级数值模型的创建、分析和处理的计算工具认识到这个问题，一个开源的基于MATLAB®的[13]开发了计算平台。该平台旨在自动化，简化和加速框架建筑物（以及潜在的一般建筑物）的数值建模和分析。该平台被打包为一个名为Frame Modeler-2D（FM-2D）的交互式软件。 如示于图 1、FM-2D使用最先进的数值建模指南，在地震工程模拟开放系统（OpenSEES）平台[ 14，15 ]内自动构建框架建筑物的稳健二维（2D）数值模型，进行不同类型的非线性分析程序，同时纳入数值建模不确定性，处理结构响应数据，并提供交互式方法，以全面的方式报告和可视化该数据。2. 软件描述2.1. 软件接口和操作概要FM-2D的功能和操作分别通过图形用户界面（GUI）（即， 主控制台），如图所示。 二、控制台分为三个主面板。面板A是项目文件管理面板。艾哈迈德·埃尔卡迪软件X 17（2022）1009273图3.第三章。F M -2D 中的操作程序概要。面板B是项目定义面板，用户在其中定义项目输入数据。面板C用于执行FM-2DFM-2D的操作程序概要如图所示。3 .第三章。简要地说，大纲可分为三个主要过程：（1）用户定义，即用户通过不同GUI模块提供的输入数据，（2）后台操作，即FM-2D执行的过程和功能建立数值模型，进行分析和处理，输出，以及（3）结束操作;即输出结构响应数据的可视化和报告。对于用户定义（即，输入），定义FM-2D项目需要三个顺序步骤。在第一步中，用户指定基本的数值建模参数和假设。这包括：（a）使用的几何变换类型，（b）数值模型（相对于材料模型）是线性（弹性）还是非线性（塑性）和（c）是否考虑柱面板区域地板隔膜。此外，使用最新建议[ 17 - 19 ]，在数值模型中可以考虑楼板的复合作用和重力框架系统对建筑强度和刚度的关键贡献第二步是定义建筑参数。这包括建筑几何形状、构件尺寸、荷载、材料、连接类型、支撑和边界条件。为了加快这个过程通过一个预先格式化的EXCEL®文件完成，然后通过GUI导入FM-2D。这进一步得到了欧洲和美国钢横截面目录（总共约1300个横截面）和相关几何特性数据库[20，21]的全面整合的支持。最后一步涉及选择分析过程类型并指定其参数。该平台共采用六种分析过程类型，涵盖了实践中最常用的分析过程类型用于动态艾哈迈德·埃尔卡迪软件X 17（2022）1009274见图4。 源代码文件类型。分析程序，提供了一个强大的模块，用于导入具有不同格式的地面运动记录数据文件。此外，可以采用两种类型的地震烈度测量，包括在第一模式周期的频谱加速度，Sa（T1），和给定周期范围的平均频谱加速度，Saavg。值得注意的是，在定义项目时，FM-2D GUI为用户提供了对大多数数值建模参数的“高分辨率”控制;从而消除了任何模糊建模假设的空间。可以通过修改/修正平台FM-2D平台基于结构良好且文档化的代码库，该代码库完全在MATLAB [13]编程环境中开发，该环境在土木工程和研究社区中相当流行。这使得用户（执业工程师和研究人员）能够通过GitHub平台无缝地进一步开发和贡献其建模和仿真功能。如图所示。4、平台源代码包括四类文件; MATLAB*.mlapp图形用户界面文件、*.m脚本（函数）文件和*.mat数据文件以及OpenSEES *。tcl子程序（过程）文件。为了帮助用户理解、导航和修改源代码，考虑了一些因素。首先，源代码被分解为单独文件中的小逻辑过程/函数。其次，在理想化的数值模型中定义的节点、截面、元素和材料标签的符号被系统地计划并记录在手册中。因此，不同用户开发的新组件模型可以简单地打包在OpenSEES过程文件中并添加到FM-2D中。最后，用户可以使用专用的GUI来检查代码2.2. 平台功能和特性FM-2D量化了建筑物在静态和动态载荷下的结构响应。FM-2D建筑系统：当前平台版本（v1.2112）支持具有抗弯框架（MRF）、中心支撑框架（CBF）、偏心支撑框架（EBF）以及增强混凝土MRF的钢建筑。建筑物可以基于集总或分布式（基于纤维）塑性建模方法在二维（2D）空间中进行数值理想化[22，23]。结构分析：该平台总共采用了六种分析程序类型，涵盖了实践中最常用的分析程序类型（参见图1）。（ 3）：– 特征值（模态）分析，以获得建筑物的基本周期，相应的振型和模型质量参与系数，– 静态线性/非线性pushover分析使用预先指定的模式模式，– 静态线性/非线性分析使用预先规定的等效侧向力（ELF）剖面，该剖面在按照ASCE [24]进行ELF设计程序时非常有用，– 跟踪地震结构响应直至倒塌的增量动态分析（IDA）[25]，– 多条带线性/非线性响应历史分析，通过使用恒定比例因子或使用预先指定周期的目标地震强度来缩放一组地面运动记录[26]。建模不确定性：在PBEE以及参数灵敏度或可靠性研究中，量化数值建模不确定性对结构响应的影响是相关的。与现象学分量模型ASCE [27]，NIST/ATC [28]，Lengs等人[29]）或其他建筑物/动态参数（例如，材料特性、阻尼系数和建筑荷载）可在FM-2D中指定。这些不确定性被纳入蒙特卡罗模拟方案[7]，作为动态分析程序的一部分，其中随机生成并分析每个地面运动记录的预定数量的数值模型“实现”。可视化和报告：该平台采用可视化和报告全球和本地工程需求参数的综合选项。 用户可以通过图1所示的交互式图形用户界面来解释所有框架弹性元件和非线性弹簧的力-变形响应。五、3. 影响和结论本文介绍了FM-2D;一个开源的基于Matlab的交互式平台，用于在OpenSEES中建模和分析数值模型，以支持系统级数值研究，特别是通过简化数值建模过程的所有方面，该平台将为实践工程师和研究人员节省大量的时间和精力，这些时间和精力通常用于开发和运行此类详细的数值模型。它还将为可靠性和建模灵敏度量化的大型参数系统级研究铺平道路。作为一个具有模块化和结构良好的代码库的开源平台，FM-2D允许用户以无缝的方式进行协作并为其功能和特性做出贡献;从而解决数值建模领域的持续发展。选择MATLAB和GitHub作为开发工具，····艾哈迈德·埃尔卡迪软件X 17（2022）1009275图五、FM-2D的 交 互 式 可 视 化 界 面 ， 用 于 本 地 成 员 的 响 应 。协作环境，分别为他们的易用性和流行的工程师。完整的技术手册可在软件GitHub存储库中找到，包括说明性的分步示例。全面的视频教程也可在专门的YouTube播放列表：https://www.youtube。com/playlist？list=PLz_XdUL-6Y_m10fBEMMzPKqI00wdzbDUN。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作致谢该平台是在南安普敦大学国家基础设施实验室内开发的。间接的财政支助得到高度认可和赞赏。引用[1] Deierlein GG.地震性能评估综合框架概述。同行报告2004/05，伯克利：伯克利，加利福尼亚州，美国：加 州 大学; 2004年，p. 15-26[2] 作者声明：J.基于性能的地震工程框架方法。第13届世界地震工程会议.加拿大：温哥华; 2004年。[3] 放大图片创作者：Miranda E. 基于性能的地震工程师-ing.地震工程：从工程地震学到基于性能的工程，第9卷。2004年9-1-9-59。[4] 放大图片作者：A.建筑物的概率地震损失估计与损失分解。Report（157），CA：Stanford; 2005.[5] 联邦应急管理局建筑物抗震性能评估。Report FEMA P-58-1，Washington，DC：Federal Emergency Management Agency; 2012.[6] Cornell CA ， Krawinkler H. 抗 震 性 能 评 估 的 进 展 与 挑 战 。 Peer CenterNews2000;3（2）：1-3.[7] Metropolis N，Ulam S.蒙特卡罗方法。J Amer Statistist Assumption1949;44（247）：335-41.[8] SP3. 地 震 性 能 预 测 计 划 。 LLC. Chico ， CA ， USA ： HaseltonBaker RiskGroup; 2017.[9] 联 邦 应 急 管 理 局 建 筑 物 的 抗 震 性 能 评 估 .第 3 卷 -每 隔 一 年 评 估 计 算 工 具（ PACT ） ， 版 本 2.9.65 。 ReportP-58-3.1 ， Washington ， DC ， USA ：Washington，DC，USA：Federal EmergencyManagement Agency;2012.[10]Elkady A，et al. EaRL：建筑物资产地震风险和损失评估的方法。第16届欧洲地震工程会议. 希腊塞萨洛尼基。2018年[11]Ruiz-Garcia J，Chora C.估算钢框架建筑物残余位移需求的近似方法的评价。EarthqEngStructDyn2015;44（15）：2837-54.http://dx.doi.org/10.1002/eqe.2611网站。[12] Hwang S-H，Lengs DG.钢结构建筑物地震风险和损失快速评估的非模型基框架。工程结构2018;156：417-32。http://dx.doi.org/10.1016/j.engstruct.2017.11.045网站。[13]MATLAB软件MathWorks Inc.：关闭MT，USA.2019年。[14]Mazzoni S等，OpenSees命令语言手册。太平洋地震工程研究中 心 （PEER）;2006年，p. 264.[15]麦肯纳湾OpenSees：地震工程模拟框架。Comput Sci Eng2011;13（4）：58-66.[16]Skiadopoulos A，et al.钢抗弯框架抗震设计的建议面板区域模型。J StructEng 2021;147（4）：04021006.网址：//dx.doi.org/10.1061/（ASCE）ST.1943-541X.0002935。[17] Elkady A，Lambers DG.完全约束梁柱连接中复合作用的模拟Earthq EngStruct Dyn 2014;43（13）：1935-54. http://dx.doi.org/10.1002/eqe.2430网站。[18]Elkady A，Lambers DG.重力式框架对周边特殊弯矩钢框架结构超强及倒塌能力 之 影 响 。 EarthqEngStructDyn2015;44 （ 8 ） ： 1289-307.http://dx.doi.org/10的网站。1002/eqe.2519。[19]Jisr HEl等人，《在循环荷载作用下，板连续性在复合钢梁柱连接性能中的作用》。 在：IX连接; AISC-ECCS钢结构连接研讨会。2020.[20]AISC。钢结构手册第十四版芝加哥，IL：美国钢铁建筑协会，2011年。[21]岑欧洲规范3：钢结构设计。布鲁塞尔：欧洲标准化委员会，2005年。[22]NIST 。 建 筑 物 设 计 用 非 线 性 结 构 分 析 指 南 。 NISTGCR 17-917- 46 v2 ，NEHRP顾问合资企业; 2017年。[23]联邦应急管理局建筑物抗震性能因素的量化。FEMA-P695报告，华盛顿特区：联邦紧急事务管理局;2009年。[24]ASCE 。 建筑物 和其 他结 构的最 小设 计荷载 和相 关标 准。Reston ， VA：American Society of Civil Engineers; 2016.[25]Vamvatsikos D，Cornell CA.增量动态分析。Earthq Eng Struct Dyn 2002;31（3）：491-514. http://dx.doi.org/10.1002/eqe.141网站。[26]Jalayer F，Cornell CA.基于概率的地震评估的替代非线性需求估计方法。EarthqEngStructDyn2009;38（8）：951-72.http://dx.doi.org/10.1002/eqe.876网站。[27]ASCE 41-17.既有建筑物的抗震评估与改造。Reston，VA：American Societyof Civil Engineers; 2017.[28]NIST/ATC。支持抗震评估、改造和设计的非线性分析的推荐建模参数和验收标准2018.NIST GCR 17-917-45，由应用技术委员会（ATC）为美国商务部和国家标准与技术研究院（NIST）编写。[29] 建议更新ASCE 41宽翼缘钢柱的非线性建模参数，以支持基于性能的抗震工程。J Struct Eng 2019;145（9）：04019083. http://dx.doi.org/10.1061/（ASCE）ST.1943-541X.0002353。