Mehrstufiger Schwingungskontrollmechanismus und experimentelle Wirksamkeit des viskosen Dämpfers mit Überlastschutz

Zusammenfassung

Hier stellen wir die Entwicklung, Prüfung und Anwendung eines Viscous Damper with Overload Protector (VD-OP) für die seismische Isolierung in Bauwerken vor. Es umfasst mechanische Modellierung, Prototypentests und die Integration mit hochdämpfenden Gummilagern, um die seismische Leistung zu verbessern und gleichzeitig die Kraftübertragung zu begrenzen und die strukturelle Integrität zu erhalten.

Zusammenfassung

Im Rahmen dieser Studie wird ein innovatives hybrides seismisches Isolationssystem vorgestellt, das eine viskose Klappe mit Überlastschutz (VD-OP) integriert, um die seismische Leistung zu verbessern und die Einschränkungen herkömmlicher Isolationsmethoden zu überwinden. Der VD-OP verfügt über einen verschiebungsabhängigen nichtlinearen Dämpfungsmechanismus und eine Kraftbegrenzungsfunktion, die übermäßige Dämpfungskräfte bei Bewegungen mit hoher Geschwindigkeit, die durch unterschiedliche seismische Intensitäten verursacht werden, effektiv kontrolliert. Es wird ein mechanisches Modell entwickelt, das anhand experimenteller Daten kalibriert wurde, um die nichtlinearen Dämpfungs- und Überlastschutzeigenschaften des VD-OP nachzubilden. Numerische Simulationen werden durch experimentelle Tests validiert und bieten eine solide Grundlage für die Optimierung von Parametern und die Bewertung der Leistung. Die Ergebnisse zeigen, dass die kraftbegrenzende Funktion eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung übermäßiger Kräfte auf die Isolationsschicht, der Verbesserung der Isolationseffizienz und der Kontrolle von Beschleunigungsreaktionen im Überbau spielt. Parametrische Studien und Fallanalysen in verschiedenen seismischen Szenarien bestätigen die starken Energiedissipationsfähigkeiten und die Anpassungsfähigkeit des Systems, die eine effektive Isolierung bei häufigen Erdbeben, eine kontrollierte Verformung bei Ereignissen auf Auslegungsebene und einen strukturellen Schutz bei schweren Erdbeben gewährleisten. Der hier vorgeschlagene leistungsbasierte Entwurfsansatz bietet eine praktische Anleitung für die Implementierung des VD-OP-Systems und stellt eine zuverlässige Lösung zur Verbesserung der seismischen Resilienz von Ingenieurbauwerken dar.

Einleitung

Die seismische Isolationstechnologie gilt als wirksame Strategie zur Minderung von strukturellen Schwingungen bei Erdbeben und zur Verbesserung der Sicherheit und Widerstandsfähigkeit von Ingenieurbauwerken ^1,2,3. Durch die Einführung einer flexiblen Isolationsschicht zwischen dem Überbau und seinem Fundament reduziert die seismische Isolierung die Übertragung seismischer Kräfte und entkoppelt die Gebäudestrukturen effektiv von Bodenbewegungen ^4,5,6. Dieser Mechanismus führt zu einer deutlichen Reduzierung der strukturellen Beschleunigung und der Drift zwischen den Stockwerken und gewährleistet den Schutz sowohl des Bauwerks als auch seiner Bewohner. Verschiedene Isolationsvorrichtungen, einschließlich laminierter Gummilager ^7,8, Bleikern-Gummilager ^9,10,11, Reibungspendellager^12,13,14,15 und Wälzlager^16,17, werden häufig bei der seismischen Bemessung von Hochhäusern¹⁸, Brücken¹⁹ und anderen verwendet wesentliche Infrastrukturen^20,21.

Trotz ihrer weit verbreiteten Anwendung stehen konventionelle seismische Isolationssysteme unter extremen seismischen Bedingungen vor Herausforderungen. Insbesondere unzureichende Redundanz in der Isolationsschicht und übermäßige Verformung bei schweren Erdbeben können die Isolationseffizienz beeinträchtigen und Sicherheitsrisiken darstellen. Um diese Einschränkungen zu beheben, wurden hybride Isolationssysteme vorgeschlagen, die Dämpfer, abgestimmte Massendämpfer²² und inerterbasierte Dämpfer^{23, 24, 25} kombinieren. Diese Systeme kombinieren die Energiedissipationskapazität von Dämpfern mit den Schwingungsdämpfungsfähigkeiten von Dämpfern mit abgestimmter Masse, wodurch die seismische Belastbarkeit der Primärstrukturen verbessert^wird 26,27,28. Viele dieser fortschrittlichen Systeme sind jedoch nach wie vor auf theoretische Analysen und Laborstudien beschränkt. Ihre komplexen Konfigurationen und hohen Implementierungskosten behindern eine breite Anwendung in praktischen Engineering-Projekten. Darüber hinaus leiden hybride Isolationssysteme, die auf klassischen viskosen Dämpfern 29,30,31 basieren, unter einem inhärenten Nachteil: einer zu hohen Dämpfkraft bei hoher Verformung. Dieses Problem verringert die Isolationswirksamkeit bei mehrstufigen Erdbeben, verbessert das Beschleunigungsverhalten des Überbaus und erhöht das Risiko eines Versagens innerhalb der Isolationsschicht. Eine übermäßige Dämpfung untergräbt nicht nur die beabsichtigten Vorteile der seismischen Isolation, sondern führt auch zu neuen Schwachstellen, insbesondere bei seltenen, aber intensiven seismischen Anregungen. Wie beim Erdbeben Ms 6.8 Luding^32,33 im Jahr 2022 zu beobachten, stand ein Gebäude, das mit einem viskosen Dämpferisolationssystem ausgestattet war, vor einer unerwarteten Herausforderung. Die Relativgeschwindigkeit über den Dämpfer überschritt seine Auslegungsgrenzen, was zu einer Dämpfungskraft führte, die weit über die vorgesehenen Spezifikationen hinausging. Dieses Ergebnis unterstreicht den dringenden Bedarf an Fortschritten bei robusten und zuverlässigen Dämpfungstechnologien, die in der Lage sind, unvorhersehbaren seismischen Kräften standzuhalten. Das Streben nach verbessertem Erdbebenschutz geht weiter, da Forscher und Ingenieure daran arbeiten, innovative Lösungen zu entwickeln, um Bauwerke und Leben bei zukünftigen Erdbeben zu schützen.

Um diese Herausforderungen zu meistern, wird in dieser Studie ein neuartiges hybrides Isolationssystem mit einem viskosen Dämpfer mit Überlastschutz (VD-OP) vorgeschlagen. Der VD-OP verfügt über einen innovativen Kraftbegrenzungsmechanismus, der die Dämpfkraft bei hohen Geschwindigkeiten begrenzt und so sicherstellt, dass das Isolationssystem seine Effizienz über unterschiedliche seismische Intensitäten hinweg beibehält. Es wird ein mechanisches Modell erstellt, das mit experimentellen Daten kalibriert wurde, um das nichtlineare Dämpfungsverhalten und die Überlastschutzeigenschaften des VD-OP zu simulieren. Eine Reihe von numerischen Simulationen wird durch experimentelle Tests validiert und bietet einen robusten Rahmen für die Parameteroptimierung und Leistungsbewertung. Die parametrische Analyse wird gegen die nichtlinearen Parameter des VD-OP durchgeführt, wobei ein leistungsorientierter Entwurfsansatz vorgeschlagen wird. In Anlehnung an die vorgeschlagenen Parametersätze und das Bemessungsflussdiagramm werden die vergleichenden Bemessungsfälle untersucht, um die Wirksamkeit des VD-OP-basierten Isolationssystems gegen mehrstufige seismische Anregungen zu veranschaulichen.

Protokoll

Mechanisches Simulationsverfahren für den Viskosedämpfer mit Überlastschutz (VD-OP)
Geräteaufbau, Funktionsprinzip und Bedeutung des VD-OP

In Abbildung 1 sind alle Komponenten des VD-OP dargestellt, darunter ein Außenrohr, eine Kolbenstange und Dämpfungsöl. Das Außenrohr besteht aus hochfesten Materialien und wird verwendet, um die internen Komponenten zu umschließen, um eine abgedichtete Umgebung zu gewährleisten, um ein Austreten von Öl zu verhindern. Die Kolbenstange, die in der Regel aus hochfestem Stahl besteht, reziprok im Rohr und ist mit einem Kolben verbunden, der das Dämpfungsöl durch restriktive Öffnungen drückt, die einen Widerstand erzeugen können, der proportional zur Geschwindigkeit der Bewegung der Stange ist, wodurch die Energie der ausgeübten Kräfte abgeleitet wird. Bei übermäßiger Belastung wird der Mechanismus der Reibfläche ausgelöst. Überschreitet die aufgebrachte Kraft die Auslegungsschwelle, wird die Reibfläche aktiviert und es entstehen zusätzliche Widerstandskräfte, die die Verschiebegeschwindigkeit der Kolbenstange einschränken.

Die vorgeschlagene Konstruktion und das mechanische Prinzip von VD-OP (Abbildung 1) sind in der Lage, zu gewährleisten, dass der Dämpfer sowohl unter Normal- als auch unter Überlastbedingungen innerhalb sicherer Grenzen arbeitet, was bemerkenswerte Vorteile bietet. Durch die Begrenzung der Kraft auf F_max wird eine Überlastung verhindert, die entscheidend ist, um den Dämpfer bei starken seismischen Aktivitäten vor einem Ausfall zu schützen. Diese Eigenschaft erhöht nicht nur die Haltbarkeit des Dämpfers, sondern verbessert auch die Kontrolle des strukturellen Verhaltens bei Erdbeben, wodurch die Sicherheit und Stabilität der Struktur erhöht wird. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der VD-OP eine effektive Lösung für die Energiedissipation in strukturellen Anwendungen, insbesondere unter seismischen Bedingungen, bietet, indem er einen Mechanismus integriert, der eine Überlastung verhindert. Dies führt zu einer verbesserten Zuverlässigkeit und Sicherheit und positioniert sie als überlegene Option gegenüber herkömmlichen viskosen Dämpfern.

Der VD-OP (Viscous Damper with Overload Protection) weist ein ausgeprägtes Kraft-Geschwindigkeits-Verhältnis auf, das sich von herkömmlichen Visco-Dämpfern (VD) unterscheidet. Diese Sättigung verhindert, dass der Dämpfer Kräften ausgesetzt ist, die über seine Auslegungskapazität hinausgehen, und schützt ihn so vor einem möglichen Ausfall unter extremen Bedingungen. Im Gegensatz dazu fehlt herkömmlichen VD-Systemen diese Sättigungseigenschaft, so dass sie weiterhin eine lineare Kraft-Geschwindigkeits-Beziehung ohne Begrenzung der Kraft aufweisen. Dies kann in Situationen schädlich sein, in denen die aufgewendeten Kräfte die Konstruktionsgrenzen des Dämpfers überschreiten und möglicherweise zu strukturellen Schäden führen. Die Kurve in Abbildung 1 zeigt eine typische Schleife, wobei sich die Kraft bei F_max für höhere Geschwindigkeiten einpendelt. Dieses Verhalten stellt sicher, dass der Dämpfer innerhalb seiner Betriebsgrenzen bleibt, wodurch die Aufnahme übermäßiger Kräfte verhindert und dadurch die allgemeine Sicherheit und Zuverlässigkeit des strukturellen Systems verbessert wird.

Abbildung 1: Illustration für den Aufbau des vorgeschlagenen Viskosedämpfers mit Überlastschutz (VD-OP). (A) Diagramm von VD-OP; (B) Physisches Erscheinungsbild von VD-OP; (C) Ausgangskraft in Abhängigkeit von der Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Anschlüssen; (D) Typische hysteretische Kurve von VD-OP. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Konstitutiver Zusammenhang des VD-OP

Abbildung 1 veranschaulicht das mechanische Modell und die hysteretische Kurve von VD-OP. Anfänglich folgt die Beziehung einer linearen Abhängigkeit, ausgedrückt als F = CV, wobei F die vom VD-OP bereitgestellte Dämpfungskraft, C der Dämpfungskoeffizient und V die Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Enden von VD-OP für Geschwindigkeiten unterhalb eines bestimmten Schwellenwerts ist. Sobald die Geschwindigkeit jedoch diesen Schwellenwert überschreitet, sättigt die Kraft bei einem Maximalwert, F_max, und bietet einen kritischen Überlastschutzmechanismus. Der Hauptunterschied zwischen dem VD-OP und herkömmlichen Viskosedämpfern besteht in der Integration eines zusätzlichen Überlastschutzes in das Gerät. Das zentrale Konstruktionsmerkmal des VD-OP ist seine Entladekraft, die als F_max bezeichnet wird und durch die an der integrierten Reibfläche erzeugte Reibungskraft bestimmt wird. Sobald das Reibmaterial spezifiziert ist, kann der Reibungskoeffizient leicht bestimmt werden. Nach dem Coulombschen Gesetz wird die Reibungskraft F_max ausgedrückt als F_max = μP_pre, wobei μ der Reibungskoeffizient und P_pre der aufgebrachte Vordruck ist. So kann F_max durch die Einstellung von P_pre genau kalibriert werden, um spezifische Designanforderungen zu erfüllen, wodurch die Funktionalität und Anpassungsfähigkeit des Geräts verbessert wird.

Parameteranalyse für den VD-OP

Entsprechend dem konstitutiven Zusammenhang von VD-OP (Abbildung 1) wurden die Energiedissipationseigenschaften analysiert. Stellen Sie den Dämpfungskoeffizienten und den Geschwindigkeitsexponenten von VD-OP auf C = 500 kN•s^0,6/mm^0,6 und α = 0,6 ein und ändern Sie die unterschiedlichen maximalen Entlastungskräfte F_max und Verschiebungen δ. Die Hysteresekurven des VD-OP sind unter unterschiedlichen Parametern dargestellt (Abbildung 2). Stellen Sie die maximalen Entlastungskräfte und -verschiebungen auf F_max = 200 kN und δ = 1,2 mm ein und ändern Sie die Dämpfungskoeffizienten C und die Geschwindigkeitsexponenten α. Die Hysteresekurven des VD-OP werden unter unterschiedlichen Parametern dargestellt (Abbildung 3).

Abbildung 2: Hysteresekurven von VD-OP mit unterschiedlichen F_max unter verschiedenen Verschiebungen δ: (A) δ = 0,8 mm, F_max = 100 kN; (B) δ = 1,2 mm, F_max = 100 kN ; (C) δ = 1,6 mm, F_max = 100 kN ; (D) δ = 0,8 mm, F_max = 300 kN ; (E) δ = 1,2 mm, F_max = 300 kN ; (F) δ = 1,6 mm, F_max = 300 kN ; (G) δ = 0,8 mm, F_max = 500 kN ; (H) δ = 1,2 mm, F_max = 500 kN ; (I) δ = 1,6 mm, F_max = 500 kN . Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Hysteresekurven von VD-OP mit unterschiedlichen C und α: (A) C = 200kN•^s0,3/mm^0,3, α = 0,3; (B) C = 200 kN•s^0,6/mm^0,6, α = 0,6 ; (C) C = 200kN•s¹/mm¹, α = 1 ; (D) C = 500 kN•s^0,3/mm^0,3, α = 0,3 ; (E) C = 500 kN•s^0,6/mm^0,6, α = 0,6 ; (F) C = 500 kN•s¹/mm¹, α = 1 ; (G) C = 800 kN•s^0,3/mm^0,3, α = 0,3 ; (H) C = 800 kN•s^0,6/mm^0,6, α = 0,6 ; (I) C = 800kN•s¹/mm¹, α = 1 . Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Experimentelle Prüfverfahren des VD-OP
Testen des Prototyps und des Geräts

Entsprechend der bereits erwähnten Gerätekonstruktion von VD-OP wird ein Prototyp des VD-OP-Geräts erstellt, um seine mechanische Leistung zu untersuchen. Ein einachsiger Aktuator (Bild 4) wird verwendet, um das mechanische Verhalten von VD-OP zu testen. Das Hydrauliksystem des Prüfgeräts besteht aus einer 100-kW-Servohydraulikpumpe mit PID-geregeltem Volumenstrom, einem Aktuator mit einem Hub von ±800 mm, einer statischen Prüfkapazität von 3000 kN und einer dynamischen Prüfkapazität von ±2000 kN. Zu den Sensoren gehören eine 3000-kN-Wägezelle für die Kraftmessung und ein LVDT mit einem Bereich von ±1000 mm für die Wegmessung. Die Parameter (Tabelle 1) und das Belastungsprotokoll (Tabelle 2) von VD-OP sind angegeben.

Experimentelle Erprobung und numerisches Simulationsverfahren

Das in Abbildung 4 gezeigte Experiment kann wertvolle Einblicke in die Leistungsmerkmale von VD-OP liefern. Vor der Prüfung wird eine dynamische Kalibrierung mit einem Eigengewicht durchgeführt, gefolgt von einer Nullpunktanpassung nach einer 30-minütigen Aufwärmphase. Installieren Sie den VD-OP-Dämpfer zwischen der oberen und unteren Platte, wobei die Ausrichtung mit einem Laser-Ausrichtungswerkzeug sichergestellt wird, um koaxial zu erreichen. Der mechanische Durchhang wird durch die Anwendung von drei Vorzyklen mit einer Amplitude von ±5 % des maximalen Hubs und einer Frequenz von 0,01 Hz eliminiert. Die Datenerfassung und Nachbearbeitung beinhaltet die automatische Synchronisierung von Kraft-, Weg- und Temperatursignalen durch das experimentelle Steuerungssystem. Die Drift des Sensors wird durch vorkalibrierte Koeffizienten kompensiert. Um die Genauigkeit der Testergebnisse und der Finite-Elemente-Analyse weiter zu validieren, wurde OpenSees eingesetzt, um die VD-OP-Testbedingungen zu replizieren. Die Geräteparameter und Belastungsszenarien im Finite-Elemente-Modell wurden konsistent mit denen in den physikalischen Tests gehalten.

Abbildung 4: Flussdiagramm des Versuchsaufbaus. Das experimentelle Verfahren beginnt mit der dynamischen Kalibrierung des Eigengewichts und der Nullpunkteinstellung nach einem 30-minütigen Aufwärmen, gefolgt von der laserausgerichteten Installation des VD-OP-Dämpfers zwischen den Platten mit ±5 % Pre-Cycling (0,01 Hz), um den Durchhang zu eliminieren. Kraft-, Weg- und Temperaturdaten werden synchron mit Driftkompensation erfasst, während OpenSees-Simulationen Testparameter replizieren, um die experimentelle und FEA-Konsistenz zu validieren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Entwicklung des Isolationssystems VD-OP
Konfiguration des VD-OP Isolationssystems

Ausgehend von dem bereits erwähnten VD-OP wird der mechanische Aufbau des VD-OP-Isolationssystems (Bild 5) einschließlich hochdämpfender Gummilager (HDRB) und VD-OP beschrieben. HDRBs absorbieren effektiv Energie und reduzieren seismische Kräfte unter normalen Bedingungen, aber bei seltenen Erdbeben können sie große Verformungen erfahren und eine Steifigkeitsverhärtung aufweisen, was die Isolationsleistung untergraben könnte. Was den herkömmlichen viskosen Dämpfer betrifft, so kann er unter solch extremen Bedingungen auch aufgrund zu hoher Kräfte versagen. Daher wird ein VD-OP-Isolationsverfahren für die strukturelle seismische Kontrolle vorgeschlagen. In dem vorgeschlagenen Isolationssystem löst VD-OP diese Probleme, indem es einen Überlastschutzmechanismus integriert, der verhindert, dass der Dämpfer seine Kraftkapazität überschreitet, und so einen Ausfall bei seltenen Erdbeben vermeidet. Darüber hinaus trägt der VD-OP durch die Begrenzung der Kraftabgabe des Dämpfers dazu bei, der Steifigkeitsverhärtung des HDRB entgegenzuwirken und auch bei großen Verformungen eine bessere Isolationsleistung zu gewährleisten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das VD-OP-Isolationssystem entwickelt wurde, um die Sicherheit und Leistung von Gebäudestrukturen zu verbessern, indem es sicherstellt, dass sowohl die Energiedissipation als auch die Kraftbegrenzungen effektiv verwaltet werden, um die potenziellen Mängel von HDRBs bei Extremereignissen zu beheben. Die Wirksamkeit des VD-OP innerhalb des Isolationssystems wird wahrscheinlich durch die in dieser Studie durchgeführte experimentelle Untersuchung unterstützt.

Mechanisches Prinzip des VD-OP Isolationssystems

Die zugrundeliegende Bewegungsgleichung einer linear gedämpften SDOF-Struktur unter seismischer Anregung wird festgelegt. Die Strukturmasse m, die lineare Feder k und der viskose Dämpfungskoeffizient

Die zugrundeliegende Bewegungsgleichung einer linear gedämpften SDOF-Struktur unter seismischer Anregung wird festgelegt. Die Strukturmasse m, die lineare Feder k und der viskose Dämpfungskoeffizient c werden als äquivalenter Flughafen-Kontrollturm angesehen. Die Bewegungsgleichung kann wie folgt ausgedrückt werden:

wobei m_i die Masse der Isolationsschicht ist, u_i und u die Verschiebung der Isolationsschicht bzw. der Primärstruktur, F_VD-OP und F_HDRB die Ausgangskräfte von VD-OP und HDRB sind, ist die seismische Beschleunigung. Die Ausgangskräfte F_VD-OP können wie folgt berechnet werden:

Die Ausgangskraft F_HDRB kann mit Hilfe des mechanischen DHI-Modells ermittelt werden, das der Gleichung folgt:

F_HDRB = τ_DHI • A_HDRB (3)

wobei τ_DHI und A_HDRB die Schubspannung unter Verwendung des DHI-Modells und der effektiven Fläche von HDRB sind.

Abbildung 5: Illustration des vorgeschlagenen VD-OP-basierten Isolationssystems für Gebäudestrukturen. (A) Diagramm des VD-OP-Isolationssystems, (B) typische Hysteresekurve von HDRB, (C) mechanisches Modell eines Systems mit einem Freiheitsgrad und VD-OP-basiertem Isolationssystem. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Parameteranalyse für das Isolationssystem VD-OP

Eine parametrische Analyse wurde an einem Strukturmodell mit 2 Freiheitsgraden durchgeführt, um die Überlastungseigenschaft von VD-OP gegenüber verschiedenen isolierenden Verformungen zu untersuchen. Die obere Struktur hat eine Masse von 154666,67 kg, eine Periode von 0,66 s und ein inhärentes Dämpfungsverhältnis von 0,05, während die Isolationsschicht eine Masse von 38666,67 kg hat. Das Isolationssystem besteht aus HDRB 34,35,36 als Isolationslager und VD-OP. Die Simulationen wurden mit OpenSees³⁷ durchgeführt. Der HDRB wurde aus dem Material KikuchiAikenHDR modelliert, mit einem Lagerdurchmesser von 400 mm und einer Gesamtgummistärke von 74 mm. Die seismischen Wellen mit PGA=0,4 g werden verwendet, um ein seltenes Erdbeben zu simulieren. Die Reaktion der Isolationsschicht unter diesen seltenen Bedingungen ist dargestellt (Abbildung 5).

Um die Leistung des Systems zu verbessern, wurde VD-OP integriert, wobei der wichtigste Auslegungsparameter die maximale Überlastschutzkraft F_max. ist. Der dimensionslose Parameter, Schwellenkraftverhältnis ρ = F_max/F_BR wurde von 0 bis 1,0 variiert, wobei der Dämpfungsindex von VD-OP auf 0,6 festgelegt wurde. Die strukturellen Reaktionen, einschließlich Verschiebung, Beschleunigung, Verformung der Isolationsschicht und Basisschubkraft, für verschiedene Rho-Werte sind dargestellt (Tabelle 3 und Abbildung 6). Die hysteretischen Kurven für HDRB und VD-OP unter unterschiedlichen Werten des Parameters ρ sind dargestellt (Abbildung 7). Die Hysteresekurven in Abbildung 8 veranschaulichen die Leistung des VD-OP-Dämpfers mit ρ = 0,5 bei unterschiedlicher Erdbebenintensität.

Abbildung 6: Seismische Reaktionen des Systems mit unterschiedlichen ρ. Mit zunehmendem Schwellenkraftverhältnis ρ nimmt die strukturelle Verschiebung zunächst ab und erreicht ein Minimum, bevor sie leicht ansteigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 7: Hysteretische Kurven von HDRB und VD-OP mit unterschiedlichem ρ: (A) HDRB, ρ = 0,2; (B) VD-OP, ρ = 0,2; (C) HDRB, ρ = 0,5; (D) VD-OP, ρ = 0,5; (E) HDRB, ρ = 0,8; (F) VD-OP, ρ = 0,8. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 8: Hysteretische Kurven von VD-OP mit ρ = 0,5 bei häufigen, befestigten und seltenen Erdbeben. (A) Häufiges Erdbeben; (B) Ereignisse auf Entwurfsebene; (C) Schweres Erdbeben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Numerischer Beispielaufbau von VD-OP-inkorporierten Inselstrukturen
Simulation der ursprünglichen Struktur

Eine dreistöckige Betonrahmenkonstruktion wird verwendet, um eine seismische Isolationsanalyse durchzuführen, um die Wirksamkeit und Anwendbarkeit des VD-OP-Isolationssystems zu bewerten. Der Tragwerksanalyseprozess wurde mit der ETABS-Software³⁸ durchgeführt, und das Tragwerksmodell und der Grundriss sind dargestellt (Abbildung 9). Das Bauwerk misst ca. 32 m x 15,6 m und hat eine Gesamtmasse von ca. 1856 Tonnen. Der Beton, der für die Decken, Balken und Stützen verwendet wird, hat eine Druckfestigkeit von 30 MPa. Die strukturellen Schwingungsmoden beinhalten translatorische Bewegungen in X- und Y-Richtung mit entsprechenden Perioden von 0,66 s und 0,61 s und einen Torsionsmodus um die Z-Achse mit einer Periode von 0,54 s. Angesichts der Tatsache, dass das Verhältnis der Perioden der ersten und dritten Moden über 0,9 liegt, deutet dies auf eine schwache Torsionsleistung für die Untersuchung der seismischen Reaktion hin.

Abbildung 9: Schema der seismischen Isolationsanalyse der dreistöckigen Betonrahmenkonstruktion zur Bewertung der Wirksamkeit und Anwendbarkeit des VD-OP-Isolationssystems. (A) Perspektivische Sicht auf das Finite-Elemente-Modell der ursprünglichen Struktur; (B) Strukturplan der typischen Geschichte; (C) Normalisierte Beschleunigungsspektren der fünf eingegebenen Bodenbewegungen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Aufbau des Isolationssystems VD-OP
Das VD-OP-Isolationssystem wurde implementiert, um die strukturelle seismische Resilienz zu verbessern, indem die übertragenen Beschleunigungsreaktionen innerhalb der Isolationsschicht eingeschränkt werden. Die leistungsbasierte Bemessung des VD-OP umfasst einen umfassenden Prozess, der vier Hauptschritte umfasst: (1) die Bewertung der Leistung der ursprünglichen Struktur, (2) die Festlegung des Ziels für die Leistungsverbesserung, (3) die Planung der VD-OP-basierten isolierten Struktur und (4) die Validierung ihrer seismischen Leistung. Das Querkraftverhältnis γ_SF und das Strukturbeschleunigungsverhältnis γ_ACC , die das angestrebte Niveau der Leistungsverbesserungen darstellen, können anhand von vorgegebenen typischen Werten oder spezifischen technischen Anforderungen ermittelt werden. Diese γ_SF kann als das Verhältnis der Spitzenschubkraftreaktionen der Primärstruktur zu denen der VD-OP-basierten isolierten Struktur berechnet werden, während γ_ACC als das Verhältnis der Spitzenbeschleunigungsreaktionen der primären Struktur zu denen der VD-OP-basierten isolierten Struktur berechnet werden kann. Bei der Parameterauslegung des VD-OP werden repräsentative Parametersätze ausgewählt, um die gewünschten Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften zu erreichen, einschließlich des Dämpfungskoeffizienten, des Dämpfungsexponenten und der Schwellenkraft des Überlastschutzes F_max . Die genannten Parameter können nach den parametrischen Erkenntnissen aus den mechanischen Eigenschaftsuntersuchungen und dem Bemessungsprinzip bestimmt werden, das die Beschleunigungsreaktionen der VD-OP-basierten isolierten Struktur bei seltenen Erdbeben minimiert. Gemäß dem oben dargestellten Designverfahren wird das Parameterdesign-Flussdiagramm zusammengefasst (Abbildung 10).

Abbildung 10: Design-Flussdiagramm des vorgeschlagenen hybriden VD-OP-basierten Isolationssystems. Die VD-OP-Konstruktion umfasst: (1) die Bewertung der ursprünglichen Struktur, (2) die Definition der angestrebten Verbesserungsverhältnisse (Scherkraft α und Beschleunigung β), (3) die Optimierung der Dämpfungsparameter (Koeffizient, Exponent, Schwellenkraft) für eine minimale seismische Reaktion und (4) die Validierung der Leistung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Durch die Festlegung der angestrebten Isolationseffizienz, die anhand der angestrebten Basisschubkraft γ_SF,Teer und des strukturellen Beschleunigungsverhältnisses γ_ACC,Tar auf 0,35 unter dem häufigen Erdbeben bewertet wurde, wurde eine seismische Isolationsschicht mit HDRB und dem neuartigen VD-OP an der Basis der Primärstruktur hinzugefügt. Die spezifischen Parameter für HDRB und VD-OP sind detailliert und illustriert (Tabelle 4 und Tabelle 5).

Dynamische Analyse der Struktur mit dem Isolationssystem VD-OP

Das Bauwerk ist für eine seismische Befestigungsintensität von sieben Grad (0,15 g) ausgelegt und befindet sich an einem Standort der Kategorie IV, der als Standort mit weichem Boden³⁹ eingestuft ist. Das Reaktionsspektrum der Fundstelle hat eine charakteristische Periode von T_g = 0,75 s. 4.16 Unter diesen Standortbedingungen wurden sieben seismische Zeitverlaufsdaten für die Analyse ausgewählt, darunter zwei künstliche Bodenbewegungszeitverläufe und fünf natürliche Bodenbewegungszeitverläufe, die aus der K-KET-Datenbank in Japan stammen⁴⁰. Detaillierte Informationen zu diesen seismischen Aufzeichnungen werden vorgestellt (Tabelle 6), und ihre Beschleunigungsreaktionsspektren sind ebenfalls aufgeführt (Abbildung 9).

Um die Leistung des HDRB unter verschiedenen Erdbebenszenarien zu bewerten, wurden die Zeitverläufe der Bodenbewegung skaliert, um Spitzenbodenbeschleunigungen (PGA) von 35 gal, 100 gal und 220 gal³⁹ zu erreichen. Diese PGA-Werte, die häufigen Erdbeben, Festungsbeben bzw. seltenen Erdbeben entsprechen, wurden ausgewählt, um eine gründliche Bewertung der seismischen Belastbarkeit der isolierten Struktur zu gewährleisten. Die dynamischen Reaktionen von Originalstrukturen, Bauwerken mit einem HDRB-basierten VD-OP-Isolationssystem und LRB-isolierten Bauwerken wurden unter häufigen, befestigten und seltenen Erdbebenbedingungen gründlich analysiert, wobei der Schwerpunkt auf Verschiebungen, Beschleunigungen und Scherkräften zwischen den Geschossen lag. Die detaillierten vergleichenden Antworten sind dargestellt (Abbildung 11). Die Hysteresekurven von VD-OP unter dem NW3-Bodenbewegungseingang für häufige, befestigte und seltene Erdbeben sind dargestellt (Abbildung 12).

Abbildung 11: Geschossdrifts unter verschiedenen Erdbebenstufen. (A) Geschossdrifts bei häufigen Erdbeben; (B) Story-Drifts bei Ereignissen auf Design-Ebene; (C) Die Geschichte driftet unter schweren Erdbeben. (D) Geschossscherung bei häufigen Erdbeben; (E) Geschossscherungen im Rahmen von Ereignissen auf Designebene; (F) Geschossscherung bei schwerem Erdbeben; (G) Geschichte der absoluten Beschleunigungen bei häufigen Erdbeben; (H) Absolute Beschleunigungen der Story bei Ereignissen auf Designebene; (I) Geschichte der absoluten Beschleunigungen bei schwerem Erdbeben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 12: Hysteresekurven in der Isolationsschicht unter verschiedenen Erdbebenstärken, NW3. (A) VD-OP bei häufigen Erdbeben; (B) VD-OP im Rahmen von Veranstaltungen auf Entwurfsebene; (C) VD-OP bei schwerem Erdbeben; (D) HDRB bei häufigen Erdbeben; (E) HDRB im Rahmen von Ereignissen auf Designebene; (F) HDRB bei schwerem Erdbeben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Ergebnisse

Parametrische Analyseergebnisse des VD-OP-Geräts
Kraft-Geschwindigkeits-Beziehung und hysteretisches Verhalten (Abbildung 2):

Wie in Abbildung 2 gezeigt, zeigen die Hysteresekurven, wie sich das Energieverlustverhalten des Dämpfers mit unterschiedlichen Fmax-Werten und Verschiebungsamplituden ändert. Bei 

Diskussion

Diese Studie zeigt die Wirksamkeit des VD-OP (Abbildung 1, Abbildung 2 und Abbildung 3) bei der Verbesserung der seismischen Resilienz durch kontrollierte Energiedissipation und Kraftbegrenzung. Experimentelle Ergebnisse (Abbildung 4, Abbildung 13 und Abbildung 14) bestätigen, dass der VD-OP übermäßige Dämpfkrä...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Dynamische Prüfsoftware	Shanghai Hualong	HDTS-v3.0	Konform mit GB/T 20688.1-2007
ETABS-Gebäudeanalyse und -planung	Computer und Strukturen, Inc	19.0.2	Für Leistungsmodellierung und Strukturanalyse
Wägezelle	Ningbo Saishi	Nr. C3M-3000	Für Versuche mit einer Kapazität von 3000 kN
LVDT	Shanghai Hualong	HLVDT1000	Für Experimente mit ± 1000 mm Reichweite und 0,01 mm Auflösung
Magnetostriktiver Sensor	MTS (USA)	MTS-R-Serie	Für Experimente mit ± 800 mm Verfahrweg
MATLAB (Englisch)	MathWorks (Englisch)	2024	Für die Berechnung der Versuche
Servohydraulischer Aktuator	Shanghai Hualong	JJW-20000	Für Experimente mit ± 800 mm Hub, ± 2000 kN dynamische Kapazität