آلية التحكم في الاهتزاز متعددة المراحل والفعالية التجريبية للمخمد اللزج مع واقي الحمل الزائد

ملخص

هنا ، نقدم تصميم واختبار وتطبيق المثبط اللزج مع واقي الحمل الزائد (VD-OP) للعزل الزلزالي في الهياكل. ويشمل النمذجة الميكانيكية واختبار النموذج الأولي والتكامل مع المحامل المطاطية عالية التخميد لتعزيز الأداء الزلزالي مع الحد من نقل القوة والحفاظ على السلامة الهيكلية.

الملخص

يقدم هذا البحث نظاما مبتكرا للعزل الزلزالي الهجين يدمج المثبط اللزج مع الحماية من الحمل الزائد (VD-OP) لتحسين الأداء الزلزالي والتغلب على قيود طرق العزل التقليدية. يشتمل VD-OP على آلية تخميد غير خطية تعتمد على الإزاحة وميزة تحد من القوة ، مما يتحكم بشكل فعال في قوى التخميد المفرطة أثناء الحركات عالية السرعة الناتجة عن شدة زلزالية متفاوتة. تم تطوير نموذج ميكانيكي ، تمت معايرته باستخدام البيانات التجريبية ، لتكرار خصائص التخميد غير الخطي والحماية من الحمل الزائد ل VD-OP. يتم التحقق من صحة المحاكاة العددية من خلال الاختبار التجريبي ، مما يوفر أساسا متينا لتحسين المعلمات وتقييم الأداء. تظهر النتائج أن وظيفة الحد من القوة تلعب دورا مهما في تقليل القوى الزائدة على طبقة العزل ، وتحسين كفاءة العزل ، والتحكم في استجابات التسارع في البنية الفوقية. تؤكد الدراسات البارامترية وتحليلات الحالة عبر سيناريوهات الزلازل المختلفة قدرات النظام القوية على تبديد الطاقة والقدرة على التكيف ، مما يضمن العزلة الفعالة أثناء الزلازل المتكررة ، والتشوه المتحكم فيه في ظل الأحداث على مستوى التصميم ، والحماية الهيكلية أثناء الزلازل الشديدة. يقدم نهج التصميم القائم على الأداء المقترح هنا إرشادات عملية لتنفيذ نظام VD-OP ، مما يقدم حلا موثوقا به لتعزيز المرونة الزلزالية للهياكل الهندسية.

المقدمة

تعرف تقنية العزل الزلزالي كاستراتيجية فعالة للتخفيف من الاهتزازات الهيكلية أثناء الزلازل ، مما يعزز سلامة ومرونة الهياكل الهندسية^1،2،3. من خلال إدخال طبقة عزل مرنة بين البنية الفوقية وأساسها ، يقلل العزل الزلزالي من انتقال القوى الزلزالية ، مما يؤدي إلى فصل هياكل المبنى بشكل فعال عن الحركة الأرضية^4،5،6. تؤدي هذه الآلية إلى انخفاض كبير في التسارع الهيكلي والانجراف بين الطوابق ، مما يضمن حماية كل من الهيكل وركابيه. تستخدم أجهزة العزل المختلفة ، بما في ذلك المحامل المطاطية المغلفة^7،8 ، والمحامل المطاطية ذات النواة^{الرصاصية 9،10،11} ، ومحامل البندول الاحتكاكي^{12،13،14،15} ، ومحامل الدرفلة^16،17 ، بشكل شائع في التصميم الزلزالي للمباني الشاهقة¹⁸ ، والجسور¹⁹ ، وغيرها البنى التحتية^{الأساسية 20،21}.

على الرغم من تطبيقها على نطاق واسع ، تواجه أنظمة العزل الزلزالي التقليدية تحديات في ظل الظروف الزلزالية القاسية. على وجه التحديد ، يمكن أن يؤدي التكرار غير الكافي في طبقة العزل والتشوه المفرط أثناء الزلازل الكبرى إلى الإضرار بكفاءة العزل ويشكل مخاطر على السلامة. لمعالجة هذه القيود ، تم اقتراح أنظمة عزل هجينة تجمع بين المخمدات ، والمخمدات الكتلية المضبوطة²² ، والمخمدات القائمة على الخطأ^23،24،25. تجمع هذه الأنظمة بين قدرة تبديد الطاقة للمخمدات وقدرات التحكم في الاهتزاز لمخمدات الكتلة المضبوطة ، مما يعزز المرونة الزلزالية للهياكل الأولية^26،27،28. ومع ذلك ، لا يزال العديد من هذه الأنظمة المتقدمة محصورا في التحليلات النظرية والدراسات المختبرية. تعيق تكويناتها المعقدة وتكاليف التنفيذ المرتفعة تطبيقها على نطاق واسع في المشاريع الهندسية العملية. علاوة على ذلك ، فإن أنظمة العزل الهجينة القائمة على المخمدات اللزجة^{الكلاسيكية 29،30،31} تعاني من عيب متأصل: قوة التخميد المفرطة تحت تشوه عالي السرعة. تقلل هذه المشكلة من فعالية العزل أثناء الزلازل متعددة المستويات ، وتعزز استجابة التسارع للبنية الفوقية ، وتزيد من خطر الفشل داخل طبقة العزل. لا يقوض التخميد المفرط الفوائد المرجوة من العزلة الزلزالية فحسب ، بل يؤدي أيضا إلى نقاط ضعف جديدة ، لا سيما في ظل الإثارة الزلزالية النادرة ولكن الشديدة. كما لوحظ في زلزال 2022 Ms 6.8 Luding^32,33 ، واجه مبنى مجهز بنظام عزل مخمد لزج تحديا غير متوقع. تجاوزت السرعة النسبية عبر المخمد حدود تصميمه ، مما أدى إلى قوة تخميد تتجاوز بكثير المواصفات المقصودة. تسلط هذه النتيجة الضوء على الحاجة الملحة إلى التقدم في تقنيات التخميد القوية والموثوقة القادرة على تحمل القوى الزلزالية التي لا يمكن التنبؤ بها. يستمر السعي لتعزيز الحماية الزلزالية ، حيث يسعى الباحثون والمهندسون إلى تطوير حلول مبتكرة لحماية الهياكل والأرواح في الزلازل المستقبلية.

للتغلب على هذه التحديات ، تقترح هذه الدراسة نظام عزل هجين جديد يتميز بمخمد لزج مع حماية من الحمل الزائد (VD-OP). يشتمل VD-OP على آلية مبتكرة للحد من القوة تحد من قوة التخميد تحت السرعات العالية ، مما يضمن أن نظام العزل يحافظ على كفاءته عبر شدة الزلازل المتفاوتة. يتم إنشاء نموذج ميكانيكي ، تمت معايرته باستخدام البيانات التجريبية ، لمحاكاة سلوك التخميد غير الخطي وميزات الحماية من الحمل الزائد ل VD-OP. يتم التحقق من صحة سلسلة من عمليات المحاكاة العددية من خلال الاختبارات التجريبية ، مما يوفر إطارا قويا لتحسين المعلمات وتقييم الأداء. يتم إجراء التحليل البارامتري مقابل المعلمات غير الخطية ل VD-OP ، بالنظر إلى اقتراح نهج تصميم موجه نحو الأداء. باتباع مجموعات المعلمات المقترحة والمخطط الانسيابي للتصميم ، يتم فحص حالات التصميم المقارن لتوضيح فعالية نظام العزل القائم على VD-OP ضد الإثارة الزلزالية متعددة المستويات.

البروتوكول

طريقة المحاكاة الميكانيكية للمخمد اللزج مع واقي الحمل الزائد (VD-OP)
بناء الجهاز ومبدأ العمل وأهمية VD-OP

يتم توضيح جميع مكونات VD-OP في الشكل 1 ، بما في ذلك الأنبوب الخارجي وقضيب المكبس وزيت التخميد. الأنبوب الخارجي مصنوع من مواد عالية القوة ويستخدم لإحاطة المكونات الداخلية ، مما يضمن بيئة محكمة الغلق لمنع تسرب الزيت. يتبادل قضيب المكبس ، الذي يتكون عادة من الفولاذ عالي القوة ، داخل الأنبوب ، متصلا بمكبس يجبر زيت التخميد من خلال فتحات مقيدة ، والتي يمكن أن تولد مقاومة تتناسب مع سرعة حركة القضيب ، وبالتالي تبديد الطاقة من القوى المطبقة. عند حدوث التحميل المفرط ، يتم تشغيل آلية سطح الاحتكاك. إذا تجاوزت القوة المطبقة عتبة التصميم ، يتم تنشيط سطح الاحتكاك ، مما يولد قوى مقاومة إضافية تقيد سرعة إزاحة قضيب المكبس.

إن البناء المقترح والمبدأ الميكانيكي ل VD-OP (الشكل 1) قادر على ضمان أن يعمل المخمد ضمن الحدود الآمنة في ظل كل من الظروف العادية والتحميل الزائد ، مما يوفر مزايا ملحوظة. من خلال وضع حد أقصى للقوة عند F_{max ،} فإنه يمنع الحمل الزائد ، وهو أمر بالغ الأهمية في حماية المخمد من الفشل أثناء الأنشطة الزلزالية القوية. لا تعمل هذه الميزة على تحسين متانة المخمد فحسب ، بل تعمل أيضا على تحسين التحكم في الاستجابة الهيكلية أثناء الزلازل ، وبالتالي تعزيز سلامة واستقرار الهيكل. في الختام ، يوفر VD-OP حلا فعالا لتبديد الطاقة في التطبيقات الهيكلية ، خاصة في الظروف الزلزالية ، من خلال دمج آلية تمنع التحميل الزائد. يؤدي ذلك إلى تحسين الموثوقية والسلامة ، مما يجعلها خيارا متفوقا على المخمدات اللزجة التقليدية.

يظهر VD-OP (المثبط اللزج مع الحماية من الحمل الزائد) علاقة قوة وسرعة مميزة تختلف عن المخمدات اللزجة التقليدية (VD). يمنع هذا التشبع المثبط من مواجهة قوى تتجاوز قدرته التصميمية ، وبالتالي حمايته من الفشل المحتمل أثناء الظروف القاسية. في المقابل ، تفتقر أنظمة VD التقليدية إلى ميزة التشبع هذه ، وتستمر في إظهار علاقة خطية بين القوة والسرعة دون أي حد أقصى للقوة. يمكن أن يكون هذا ضارا في المواقف التي تتجاوز فيها القوى المطبقة حدود تصميم المثبط ، مما قد يتسبب في تلف هيكلي. يوضح المنحنى في الشكل 1 حلقة نموذجية ، مع تسوية القوة عند F_{كحد أقصى} لسرعات أعلى. يضمن هذا السلوك بقاء المخمد ضمن حدوده التشغيلية ، مما يمنع امتصاص القوى المفرطة وبالتالي تحسين السلامة والموثوقية العامة للنظام الهيكلي.

الشكل 1: رسم توضيحي لبناء المثبط اللزج المقترح مع واقي الحمل الزائد (VD-OP). (أ) رسم تخطيطي ل VD-OP؛ (ب) المظهر المادي ل VD-OP؛ (ج) قوة الخرج مقابل السرعة النسبية بين المحطتين ؛ (د) المنحنى الهستيري النموذجي ل VD-OP. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

العلاقة التأسيسية ل VD-OP

يوضح الشكل 1 النموذج الميكانيكي والمنحنى الهستيري ل VD-OP. في البداية ، تتبع العلاقة تبعية خطية ، معبرا عنها ب F = CV ، حيث F هي قوة التخميد التي يوفرها VD-OP ، و C هي معامل التخميد ، و V هي السرعة النسبية بين طرفي VD-OP ، للسرعات التي تقل عن عتبة معينة. ومع ذلك ، بمجرد أن تتجاوز السرعة هذه العتبة ، تشبع القوة بقيمة قصوى ، F_max ، مما يوفر آلية حماية حرجة من الحمل الزائد. يتمثل التمييز الأساسي بين VD-OP والمخمدات اللزجة التقليدية في دمج واقي إضافي من الحمل الزائد داخل الجهاز. تتمثل ميزة التصميم الأساسية ل VD-OP في قوة التفريغ ، والتي يشار إليها ب F_max ، والتي تحكمها قوة الاحتكاك المتولدة على سطح الاحتكاك المتكامل. بمجرد تحديد مادة الاحتكاك ، يمكن تحديد معامل الاحتكاك بسهولة. وفقا لقانون كولوم ، يتم التعبير عن قوة الاحتكاك F_max على أنها F_max = μP_pre ، حيث μ هو معامل الاحتكاك و P_pre ، هو الضغط المسبق المطبق. وبالتالي ، من خلال ضبط P_pre ، يمكن معايرة F_max بدقة لتلبية متطلبات التصميم المحددة ، وبالتالي تعزيز وظائف الجهاز وقدرته على التكيف.

تحليل المعلمات ل VD-OP

وفقا للعلاقة التأسيسية ل VD-OP (الشكل 1) ، تم تحليل خصائص تبديد الطاقة. اضبط معامل التخميد وأسي السرعة ل VD-OP هما C = 500 kN • s^0.6 / mm^0.6 و α = 0.6 ، وقم بتغيير قوى التفريغ القصوى المختلفة F_max والإزاحة δ. يتم تصوير منحنيات التباطؤ ل VD-OP تحت معلمات مختلفة (الشكل 2). اضبط الحد الأقصى لقوى التفريغ والإزاحة هي F_max = 200kN و δ = 1.2 مم ، وقم بتغيير معاملات التخميد C وأسس السرعة α. يتم تصوير منحنيات التباطؤ ل VD-OP تحت معايير مختلفة (الشكل 3).

الشكل 2: منحنيات التباطؤ ل VD-OP مع F_max مختلفة تحت δ إزاحة مختلفة: (A) δ = 0.8 مم ، F_max = 100kN. (ب) δ = 1.2 مم ، F_{كحد أقصى} = 100 كيلو نيوتن ؛ (ج) δ = 1.6 مم ، F_{كحد أقصى} = 100 كيلو نيوتن ؛ (د) δ = 0.8 مم ، F_{كحد أقصى} = 300 كيلو نيوتن ؛ (ه) δ = 1.2 مم ، F_{كحد أقصى} = 300 كيلو نيوتن ؛ (F) δ = 1.6 مم ، F_{كحد أقصى} = 300 كيلو نيوتن ؛ (ز) δ = 0.8 مم ، F_{كحد أقصى} = 500 كيلو نيوتن ؛ (ح) δ = 1.2 مم ، F_{كحد أقصى} = 500 كيلو نيوتن ؛ (I) δ = 1.6 مم ، F_{كحد أقصى} = 500 كيلو نيوتن. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: منحنيات التباطؤ ل VD-OP مع C و α مختلفة: (A) C = 200kN • ^s0.3 / mm^0.3 ، α = 0.3 ؛ (ب) ج = 200 كيلو نيوتن • ثانية^0.6 / مم^0.6 ، α = 0.6 ؛ (ج) ج = 200 كيلو نيوتن • ثانية¹ / مم¹ ، α = 1 ؛ (د) ج = 500 كيلو نيوتن • ثانية^0.3 / مم^0.3 ، α = 0.3 ؛ (ه) ج = 500 كيلو نيوتن • ثانية^0.6 / مم^0.6 ، α = 0.6 ؛ (F) C = 500 كيلو نيوتن • ثانية¹ / مم¹ ، α = 1 ؛ (ز) ج = 800 كيلو نيوتن • ثانية^0.3 / مم^0.3 ، α = 0.3 ؛ (ح) ج = 800 كيلو نيوتن • ثانية^0.6 / مم^0.6 ، α = 0.6 ؛ (I) C = 800 كيلو نيوتن • ثانية¹ / مم¹ ، α = 1. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

إجراءات الاختبار التجريبية ل VD-OP
اختبار النموذج الأولي والجهاز

وفقا لبناء جهاز VD-OP المذكور سابقا ، تم إنشاء نموذج أولي لجهاز VD-OP لدراسة أدائه الميكانيكي. يتم استخدام مشغل أحادي المحور (الشكل 4) لاختبار السلوك الميكانيكي ل VD-OP. يشتمل النظام الهيدروليكي لجهاز الاختبار على مضخة هيدروليكية مؤازرة بقدرة 100 كيلو واط مع معدل تدفق يتم التحكم فيه بواسطة PID ، ومشغل بضربة ±800 مم ، وقدرة اختبار ثابتة تبلغ 3000 كيلو نيوتن ، وقدرة اختبار ديناميكية تبلغ ±2000 كيلو نيوتن. تشتمل المستشعرات على خلية تحميل 3000 كيلو نيوتن لقياس القوة و LVDT بمدى ±1000 مم لقياس الإزاحة. وترد المعلمات (الجدول 1) وبروتوكول التحميل (الجدول 2) الخاص ب VD-OP.

إجراء الاختبار التجريبي والمحاكاة العددية

يمكن أن توفر التجربة الموضحة في الشكل 4 رؤى قيمة حول خصائص أداء VD-OP. قبل الاختبار ، يتم إجراء المعايرة الديناميكية باستخدام وزن ثقيل ، متبوعا بضبط نقطة الصفر بعد فترة إحماء مدتها 30 دقيقة. قم بتثبيت مخمد VD-OP بين الصفائح العلوية والسفلية ، مع ضمان المحاذاة باستخدام أداة محاذاة الليزر لتحقيق محوري. يتم التخلص من الركود الميكانيكي من خلال تطبيق ثلاث دورات مسبقة بسعة ±5٪ من الحد الأقصى للشوط وتردد 0.01 هرتز. يتضمن الحصول على البيانات والمعالجة اللاحقة تزامن تلقائي لإشارات القوة والإزاحة ودرجة الحرارة بواسطة نظام التحكم التجريبي. يتم تعويض انحراف المستشعر باستخدام معاملات معايرة مسبقا. بالإضافة إلى ذلك ، لمزيد من التحقق من دقة نتائج الاختبار وتحليل العناصر المحدودة ، تم استخدام OpenSees لتكرار ظروف اختبار VD-OP. تم الحفاظ على معلمات الجهاز وسيناريوهات التحميل في نموذج العناصر المحدودة متسقة مع تلك الموجودة في الاختبارات الفيزيائية.

الشكل 4: مخطط انسيابي للإعداد التجريبي. يبدأ الإجراء التجريبي بمعايرة الوزن الثقيل الديناميكي وتعديل نقطة الصفر بعد إحماء لمدة 30 دقيقة ، متبوعا بتركيب مخمد VD-OP محاذاة بالليزر بين الأسطوانات بنسبة ±5٪ قبل التدوير (0.01 هرتز) للتخلص من الركود. يتم الحصول على بيانات القوة والإزاحة ودرجة الحرارة بشكل متزامن مع تعويض الانجراف ، بينما تقوم عمليات محاكاة OpenSees بتكرار معلمات الاختبار للتحقق من الاتساق التجريبي و FEA. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

تطوير نظام عزل VD-OP
تكوين نظام عزل VD-OP

استنادا إلى VD-OP المذكور من قبل ، تم وصف التكوين الميكانيكي لنظام عزل VD-OP (الشكل 5) ، بما في ذلك المحامل المطاطية عالية التخميد (HDRB) و VD-OP. تعتبر HDRBs فعالة في امتصاص الطاقة وتقليل القوى الزلزالية في ظل الظروف العادية ، ولكن أثناء الزلازل النادرة ، قد تخضع لتشوهات كبيرة وتظهر تصلبا في الصلابة ، مما قد يقوض أداء العزل. فيما يتعلق بالمثبط اللزج التقليدي ، فقد يفشل أيضا في ظل هذه الظروف القاسية بسبب القوى المفرطة. لذلك ، تم اقتراح طريقة عزل VD-OP للتحكم الزلزالي الهيكلي. في نظام العزل المقترح ، يعالج VD-OP هذه المشكلات من خلال دمج آلية حماية من الحمل الزائد تمنع المخمد من تجاوز سعة قوته ، وبالتالي تجنب الفشل أثناء الزلازل النادرة. بالإضافة إلى ذلك ، من خلال تقييد ناتج القوة للمخمد ، يساعد VD-OP على مواجهة تصلب صلابة HDRB ، مما يحافظ على أداء عزل أفضل حتى في ظل التشوهات الكبيرة. باختصار ، تم تطوير نظام عزل VD-OP لتعزيز سلامة وأداء هياكل المباني من خلال ضمان إدارة كل من تبديد الطاقة وقيود القوة بشكل فعال ، ومعالجة أوجه القصور المحتملة في HDRBs أثناء الأحداث المتطرفة. من المحتمل أن تكون فعالية VD-OP داخل نظام العزل مدعومة بالتحقيق التجريبي الذي تم تنفيذه في هذه الدراسة.

المبدأ الميكانيكي لنظام عزل VD-OP

تم إنشاء معادلة الحركة الحاكمة لهيكل SDOF الخطي المخمد تحت الإثارة الزلزالية. الكتلة الهيكلية m ، الزنبرك الخطي k ، ومعامل التخميد اللزج

تم إنشاء معادلة الحركة الحاكمة لهيكل SDOF الخطي المخمد تحت الإثارة الزلزالية. تعتبر الكتلة الهيكلية m ، والزنبرك الخطي k ، ومعامل التخميد اللزج c تمثل برج مراقبة المطار المكافئ. يمكن التعبير عن معادلة الحركة على النحو التالي:

حيث m_i هي كتلة طبقة العزل ، U_I و U هي إزاحة طبقة العزل والهيكل الأساسي ، على التوالي ، F_VD-OP و F_HDRB هي قوى خرج VD-OP و HDRB ، هي التسارع الزلزالي. يمكن حساب قوى الإخراج F_VD-OP على النحو التالي:

يمكن الحصول على قوة الخرج F_HDRB عن طريق النموذج الميكانيكي DHI ، والذي يتبع المعادلة:

F_HDRB = τ_DHI • أ_HDRB (3)

حيث τ_DHI و A_HDRB هما إجهاد القص باستخدام نموذج DHI والمنطقة الفعالة ل HDRB.

الشكل 5: رسم توضيحي لنظام العزل المقترح القائم على VD-OP لهياكل المباني. (أ) رسم تخطيطي لنظام عزل VD-OP ، (ب) منحنى التباطؤ النموذجي ل HDRB ، (ج) النموذج الميكانيكي لنظام درجة الحرية المفردة مع نظام العزل القائم على VD-OP. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

تحليل المعلمات لنظام عزل VD-OP

تم إجراء تحليل بارامتري على نموذج هيكلي بدرجة 2 من الحرية للتحقيق في خاصية الحمل الزائد ل VD-OP ضد التشوهات العازلة المختلفة. تبلغ كتلة الهيكل العلوي 154666.67 كجم ، وفترة 0.66 ثانية ، ونسبة تخميد متأصلة تبلغ 0.05 ، بينما تبلغ كتلة طبقة العزل 38666.67 كجم. يشتمل نظام العزل على HDRB^34،35،36 كمحامل عزل و VD-OP. تم إجراء عمليات المحاكاة باستخدام OpenSees³⁷. تم تصميم HDRB باستخدام مادة KikuchiAikenHDR ، بقطر محمل يبلغ 400 مم وسمك مطاطي إجمالي يبلغ 74 مم. تستخدم الموجات الزلزالية مع PGA = 0.4 جم لمحاكاة زلزال نادر. يتم تصوير استجابة طبقة العزل في ظل هذه الظروف النادرة (الشكل 5).

لتحسين أداء النظام ، تم دمج VD-OP ، مع معلمة التصميم الرئيسية هي أقصى قوة حماية من الحمل الزائد ، F_max. وقد تباينت المعلمة عديمة الأبعاد، نسبة قوة العتبة ρ = F_max/F_BR من 0 إلى 1.0، مع تثبيت مؤشر التخميد ل VD-OP عند 0.6. يتم عرض الاستجابات الهيكلية ، بما في ذلك الإزاحة والتسارع وتشوه طبقة العزل وقوة القص الأساسية ، لقيم rho المختلفة (الجدول 3 والشكل 6). يتم عرض المنحنيات الهستيرية ل HDRB و VD-OP تحت قيم مختلفة من المعلمة ρ (الشكل 7). توضح منحنيات التباطؤ في الشكل 8 أداء مخمد VD-OP مع ρ = 0.5 تحت مستويات مختلفة من شدة الزلزال.

الشكل 6: الاستجابات الزلزالية للنظام مع ρ مختلفة. مع زيادة نسبة قوة العتبة ρ ، تنخفض الإزاحة الهيكلية في البداية ، لتصل إلى الحد الأدنى ، قبل أن تزداد قليلا. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 7: منحنيات هستيرية ل HDRB و VD-OP مع ρ مختلفة: (أ) HDRB ، ρ = 0.2 ؛ (ب) VD-OP ، ρ = 0.2 ؛ (ج) HDRB ، ρ = 0.5 ؛ (د) VD-OP ، ρ = 0.5 ؛ (ه) HDRB، ρ = 0.8؛ (F) VD-OP ، ρ = 0.8. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 8: المنحنيات الهستيرية ل VD-OP مع ρ = 0.5 في ظل الزلازل المتكررة والتحصينية والنادرة. (أ) الزلازل المتكررة. (ب) الأحداث على مستوى التصميم؛ (ج) زلزال شديد. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

إعداد مثال رقمي للهياكل المعزولة المدمجة في VD-OP
محاكاة الهيكل الأصلي

يتم استخدام هيكل إطار خرساني مكون من ثلاثة طوابق لتنفيذ تحليل العزل الزلزالي لتقييم فعالية وقابلية تطبيق نظام عزل VD-OP. تم إنجاز عملية التحليل الهيكلي باستخدام برنامج ETABS³⁸ ، وتم تصوير النموذج الهيكلي وتخطيط الخطة (الشكل 9). يبلغ قياس الهيكل حوالي 32 مترا × 15.6 مترا وكتلته الإجمالية حوالي 1856 طنا. الخرسانة المستخدمة في الأرضيات والعوارض والأعمدة لها قوة ضغط تبلغ 30 ميجا باسكال. تتضمن أوضاع الاهتزاز الهيكلي حركات انتقالية في الاتجاهين X و Y ، مع فترات مقابلة من 0.66 ثانية و 0.61 ثانية ، ووضع التواء حول المحور Z بفترة 0.54 ثانية. وبالنظر إلى أن نسبة فترتي الأسلوبين الأول والثالث تتجاوز 0,9، فإن هذا يشير إلى ضعف الأداء الالتوائي لاستقصاء الاستجابة الزلزالية.

الشكل 9: مخطط تحليل العزل الزلزالي لهيكل الإطار الخرساني المكون من ثلاثة طوابق لتقييم فعالية وقابلية تطبيق نظام عزل VD-OP. (أ) عرض منظور لنموذج العناصر المحدودة للهيكل الأصلي؛ (ب) الخطة الهيكلية للقصة النموذجية؛ (ج) أطياف التسارع الطبيعية لحركات الأرض الخمس المدخلة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

تصميم نظام عزل VD-OP
يتم تنفيذ نظام عزل VD-OP لتعزيز المرونة الزلزالية الهيكلية من خلال تقييد استجابات التسارع المنقولة داخل طبقة العزل. يتضمن التصميم القائم على الأداء ل VD-OP عملية شاملة تتألف من أربع خطوات رئيسية: (1) تقييم أداء الهيكل الأصلي ، (2) تحديد هدف تحسين الأداء ، (3) تصميم الهيكل المعزول القائم على VD-OP ، و (4) التحقق من أدائه الزلزالي. يمكن تحديد نسبة قوة القص γ_SF ونسبة التسارع الهيكلي γ_ACC ، والتي تمثل المستوى المستهدف لتحسينات الأداء ، باستخدام قيم نموذجية محددة مسبقا أو متطلبات هندسية محددة. _{يمكن حساب} SF γ هذا على أنه نسبة استجابات قوة القص الذروة للهيكل الأساسي إلى تلك الخاصة بالهيكل المعزول القائم على VD-OP ، بينما يمكن حساب γ_ACC كنسبة استجابات ذروة التسارع للهيكل الأساسي إلى تلك الخاصة بالهيكل المعزول القائم على VD-OP. يتضمن تصميم المعلمات ل VD-OP اختيار مجموعات المعلمات التمثيلية لتحقيق خصائص الصلابة والتخميد المطلوبة ، بما في ذلك معامل التخميد ، وأس التخميد ، وقوة عتبة واقي الحمل الزائد F_max. يمكن تحديد المعلمات المذكورة وفقا للنتائج البارامترية من تحقيقات الخصائص الميكانيكية ومبدأ التصميم الذي يقلل من استجابات التسارع للهيكل المعزول القائم على VD-OP في ظل الزلازل النادرة. وفقا لإجراءات التصميم الموضحة أعلاه ، يتم تلخيص المخطط الانسيابي لتصميم المعلمة (الشكل 10).

الشكل 10: تصميم مخطط انسيابي لنظام العزل الهجين المقترح القائم على VD-OP. يتضمن تصميم VD-OP ما يلي: (1) تقييم الهيكل الأصلي ، (2) تحديد نسب تحسين الهدف (α قوة القص والتسارع β) ، (3) تحسين معلمات التخميد (المعامل ، الأس ، قوة العتبة) للحد الأدنى من الاستجابة الزلزالية ، و (4) التحقق من صحة الأداء. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

من خلال تحديد كفاءة العزل المستهدفة ، كما تم تقييمها بواسطة قوة القص الأساسية المستهدفة γ_{SF و Tar} ونسبة التسارع الهيكلي γ_{ACC ، Tar} على أنها 0.35 تحت الزلزال المتكرر ، تمت إضافة طبقة عزل زلزالية تتضمن HDRB و VD-OP الجديد في قاعدة الهيكل الأساسي. والمعلمات المحددة للدراسي الديناميكي البشري وبروتوكول الراديوي الراديوي (VD-OP) مفصلة وموضحة (الجدول 4 والجدول 5).

التحليل الديناميكي للهيكل باستخدام نظام عزل VD-OP

تم تصميم الهيكل لتحمل كثافة تحصين زلزالي تبلغ سبع درجات (0.15 جم) ويقع في موقع من الفئة الرابعة ، والذي يصنف على أنه موقع تربة ناعمة³⁹. طيف استجابة الموقع له فترة مميزة تبلغ T_g = 0.75 s. 4.16 بالنظر إلى ظروف الموقع هذه ، تم اختيار سبعة سجلات لتاريخ الزمن الزلزالي للتحليل ، بما في ذلك تاريخان لوقت حركة الأرض الاصطناعية وخمسة تواريخ زمنية طبيعية للحركة الأرضية مصدرها قاعدة بيانات K-KET في اليابان⁴⁰. يتم تقديم معلومات مفصلة حول هذه السجلات الزلزالية (الجدول 6) ، كما يتم إعطاء أطياف استجابة التسارع الخاصة بها (الشكل 9).

لتقييم أداء HDRB في ظل سيناريوهات الزلازل المختلفة ، تم تحجيم تواريخ وقت الحركة الأرضية لتحقيق ذروة التسارع الأرضي (PGA) البالغة 35 جالون و 100 جالون و 220 جالون³⁹. تم اختيار قيم PGA هذه ، المقابلة للزلازل المتكررة ، وزلازل التحصين ، والزلازل النادرة ، على التوالي ، لضمان تقييم شامل للمرونة الزلزالية للهيكل المعزول. تم تحليل الاستجابات الديناميكية للهياكل الأصلية ، والهياكل ذات نظام عزل VD-OP القائم على HDRB ، والهياكل المعزولة من LRB بدقة في ظل ظروف الزلازل المتكررة والتحصين والنادرة ، مع التركيز على الإزاحة بين الطوابق والتسارع وقوة القص. يتم توضيح الردود المقارنة التفصيلية (الشكل 11). تم تصوير منحنيات التباطؤ ل VD-OP تحت مدخلات الحركة الأرضية NW3 للزلازل المتكررة والتحصين والنادرة (الشكل 12).

الشكل 11: انجرافات القصة تحت مستويات مختلفة من الزلازل. (أ) انجرافات القصة تحت الزلازل المتكررة. (ب) انجرافات القصة في ظل أحداث على مستوى التصميم ؛ (ج) انجراف القصة تحت الزلازل الشديدة. (د) مقصات القصص تحت الزلازل المتكررة؛ (ه) مقصات القصة في إطار الأحداث على مستوى التصميم؛ (و) مقصات القصص تحت الزلزال الشديد؛ (ز) التسارع المطلق في ظل الزلازل المتكررة؛ (ح) قصة التسارع المطلق في إطار الأحداث على مستوى التصميم؛ (ط) قصة التسارع المطلق تحت الزلزال الشديد. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 12: منحنيات التباطؤ في طبقة العزل تحت مستويات مختلفة من الزلازل ، NW3. (أ) VD-OP في ظل الزلازل المتكررة؛ (ب) VD-OP في إطار الأحداث على مستوى التصميم؛ (ج) VD-OP في ظل زلزال شديد؛ (د) HDRB في ظل الزلازل المتكررة؛ (ه) HDRB في إطار الأحداث على مستوى التصميم؛ (و) HDRB في ظل زلزال شديد. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

النتائج

نتائج التحليل البارامتري لجهاز VD-OP
علاقة القوة والسرعة والسلوك الهستيري (الشكل 2):

كما هو موضح في الشكل 2 ، توضح منحنيات التباطؤ كيف يتغير سلوك تبديد الطاقة للمخمد مع قيم F_القصوى المختلفة واتساع الإزاحة. بالنسبة لقيم _{F القصوى} الأصغر (على سبيل المثال ، 100 كيلو نيوتن) ، يصل المخمد ...

المناقشة

توضح هذه الدراسة فعالية VD-OP (الشكل 1 والشكل 2 والشكل 3) في تعزيز المرونة الزلزالية من خلال تبديد الطاقة المتحكم فيه والحد من القوة. تؤكد النتائج التجريبية (الشكل 4 والشكل 13 والشكل 14) أن VD-OP يخفف من قوى التخميد المفرطة في ظل الحركات عالية السرعة ، مما يقلل من مخاطر التلف الهيكلي. تشير الدراسات البارامترية ...

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة

الاسم	الشركة	رقم فهرسي	التعليقات
برنامج الاختبار الديناميكي	شنغهاي هوالونج	HDTS الإصدار 3.0	متوافق مع GB / T 20688.1-2007
ETABS-تحليل وتصميم المباني	شركة الكمبيوتر والهياكل	19.0.2	لنمذجة الأداء والتحليل الهيكلي
خلية الحمل	نينغبو سايشي	سي 3 م -3000	للتجارب بسعة 3000 كيلو نيوتن
LVDT	شنغهاي هوالونج	HLVDT1000	للتجارب مع ± نطاق 1000 مم ودقة 0.01 مم
مستشعر التقبض المغناطيسي	MTS (الولايات المتحدة الأمريكية)	سلسلة MTS-R	للتجارب مع ± 800 مم سفر
ماتلاب	ماث ووركس	2024	لحساب التجارب
مشغل هيدروليكي مؤازر	شنغهاي هوالونج	YJW-20000	للتجارب مع ± 800 مم السكتة الدماغية ، ± ؛ سعة ديناميكية 2000 كيلو نيوتن