Mecanismo de control de vibración de múltiples etapas y efectividad experimental del amortiguador viscoso con protector de sobrecarga

Resumen

Aquí, presentamos el diseño, prueba y aplicación de un amortiguador viscoso con protector de sobrecarga (VD-OP) para aislamiento sísmico en estructuras. Incluye modelado mecánico, pruebas de prototipos e integración con cojinetes de goma de alta amortiguación para mejorar el rendimiento sísmico al tiempo que limita la transmisión de fuerza y mantiene la integridad estructural.

Resumen

Esta investigación presenta un innovador sistema híbrido de aislamiento sísmico que integra un amortiguador viscoso con protección contra sobrecarga (VD-OP) para mejorar el rendimiento sísmico y superar las limitaciones de los métodos de aislamiento tradicionales. El VD-OP incorpora un mecanismo de amortiguación no lineal dependiente del desplazamiento y una función de limitación de fuerza, que controla eficazmente las fuerzas de amortiguación excesivas durante los movimientos de alta velocidad causados por intensidades sísmicas variables. Se desarrolla un modelo mecánico, calibrado utilizando datos experimentales, para replicar las características de amortiguación no lineal y protección contra sobrecarga del VD-OP. Las simulaciones numéricas se validan a través de pruebas experimentales, lo que proporciona una base sólida para optimizar los parámetros y evaluar el rendimiento. Los hallazgos muestran que la función limitante de fuerza juega un papel fundamental en la reducción de las fuerzas excesivas en la capa de aislamiento, mejorando la eficiencia del aislamiento y controlando las respuestas de aceleración en la superestructura. Los estudios paramétricos y los análisis de casos en diferentes escenarios sísmicos confirman las fuertes capacidades de disipación de energía y adaptabilidad del sistema, asegurando un aislamiento efectivo durante terremotos frecuentes, deformación controlada bajo eventos a nivel de diseño y protección estructural durante terremotos severos. El enfoque de diseño basado en el rendimiento propuesto aquí ofrece una guía práctica para la implementación del sistema VD-OP, presentando una solución confiable para mejorar la resistencia sísmica de las estructuras de ingeniería.

Introducción

La tecnología de aislamiento sísmico es reconocida como una estrategia eficaz para mitigar la vibración estructural durante los terremotos, mejorando la seguridad y la resiliencia de las estructuras de ingeniería ^1,2,3. Al introducir una capa de aislamiento flexible entre la superestructura y sus cimientos, el aislamiento sísmico reduce la transmisión de fuerzas sísmicas, desacoplando efectivamente las estructuras del edificio del movimiento del suelo ^4,5,6. Este mecanismo conduce a una reducción significativa de la aceleración estructural y la deriva entre pisos, asegurando la protección tanto de la estructura como de sus ocupantes. Varios dispositivos de aislamiento, incluidos los cojinetes de caucho laminado ^7,8, los cojinetes de caucho con núcleo de plomo ^9,10,11, los cojinetes de péndulo de fricción 12,13,14,15 y los cojinetes de rodillos ^16,17, se utilizan comúnmente en el diseño sísmico de edificios de gran altura¹⁸, puentes¹⁹ y otros infraestructuras esenciales^20,21.

A pesar de su amplia aplicación, los sistemas convencionales de aislamiento sísmico enfrentan desafíos en condiciones sísmicas extremas. Específicamente, la redundancia insuficiente en la capa de aislamiento y la deformación excesiva durante los grandes terremotos pueden comprometer la eficiencia del aislamiento y plantear riesgos de seguridad. Para abordar estas limitaciones, se han propuesto sistemas de aislamiento híbridos que combinan amortiguadores, amortiguadores de masa sintonizados²² y amortiguadores basados en inertes 23,24,25. Estos sistemas combinan la capacidad de disipación de energía de los amortiguadores con las capacidades de control de vibraciones de los amortiguadores de masa sintonizada, mejorando la resistencia sísmica de las estructuras primarias 26,27,28. Sin embargo, muchos de estos sistemas avanzados permanecen confinados a análisis teóricos y estudios de laboratorio. Sus complejas configuraciones y altos costes de implementación dificultan su aplicación generalizada en proyectos prácticos de ingeniería. Además, los sistemas de aislamiento híbridos basados en amortiguadores viscosos clásicos 29,30,31 sufren de un inconveniente inherente: una fuerza de amortiguación excesiva bajo deformación a alta velocidad. Este problema disminuye la efectividad del aislamiento durante terremotos de varios niveles, mejora la respuesta de aceleración de la superestructura y aumenta el riesgo de falla dentro de la capa de aislamiento. La amortiguación excesiva no solo socava los beneficios previstos del aislamiento sísmico, sino que también introduce nuevas vulnerabilidades, particularmente bajo excitaciones sísmicas raras pero intensas. Como se observó en el terremoto Ms 6.8 Luding^de 2022 ^32,33, un edificio equipado con un sistema de aislamiento de amortiguadores viscosos experimentó un desafío inesperado. La velocidad relativa a través del amortiguador excedió sus límites de diseño, lo que resultó en una fuerza de amortiguación mucho más allá de las especificaciones previstas. Este resultado destaca la necesidad urgente de avances en tecnologías de amortiguación robustas y confiables capaces de soportar fuerzas sísmicas impredecibles. La búsqueda de una mejor protección sísmica continúa, ya que los investigadores e ingenieros se esfuerzan por desarrollar soluciones innovadoras para salvaguardar estructuras y vidas en futuros terremotos.

Para superar estos desafíos, este estudio propone un novedoso sistema de aislamiento híbrido con un amortiguador viscoso con protección contra sobrecarga (VD-OP). El VD-OP incorpora un innovador mecanismo de limitación de fuerza que limita la fuerza de amortiguación a altas velocidades, lo que garantiza que el sistema de aislamiento mantenga su eficiencia en diferentes intensidades sísmicas. Se crea un modelo mecánico, calibrado con datos experimentales, para simular el comportamiento de amortiguación no lineal y las características de protección contra sobrecarga del VD-OP. Una serie de simulaciones numéricas se validan a través de pruebas experimentales, proporcionando un marco sólido para la optimización de parámetros y la evaluación del rendimiento. El análisis paramétrico se realiza contra los parámetros no lineales del VD-OP, dado que se propone un enfoque de diseño orientado a la calidad de funcionamiento. Siguiendo los conjuntos de parámetros sugeridos y el diagrama de flujo de diseño, se investigan los casos de diseño comparativos para ilustrar la efectividad del sistema de aislamiento basado en VD-OP contra excitaciones sísmicas multinivel.

Protocolo

Método de simulación mecánica para el amortiguador viscoso con protector de sobrecarga (VD-OP)
Construcción del dispositivo, principio de funcionamiento e importancia del VD-OP

Todos los componentes del VD-OP se ilustran en la Figura 1, incluido un tubo exterior, un vástago de pistón y aceite de amortiguación. El tubo exterior está hecho de materiales de alta resistencia y se utiliza para encerrar los componentes internos, asegurando un ambiente sellado para evitar fugas de aceite. El vástago del pistón, generalmente compuesto de acero de alta resistencia, se mueve recíproco dentro del tubo, conectado a un pistón que fuerza el aceite amortiguador a través de orificios restrictivos, lo que puede generar una resistencia proporcional a la velocidad del movimiento del vástago, disipando así la energía de las fuerzas aplicadas. Cuando se produce una carga excesiva, se activa el mecanismo de la superficie de fricción. Si la fuerza aplicada supera el umbral de diseño, la superficie de fricción se activa, generando fuerzas resistivas adicionales que restringen la velocidad de desplazamiento del vástago del pistón.

La construcción propuesta y el principio mecánico de VD-OP (Figura 1) pueden garantizar que el amortiguador funcione dentro de los límites seguros tanto en condiciones normales como de sobrecarga, ofreciendo ventajas notables. Al limitar la fuerza a F_máx., evita la sobrecarga, lo cual es crucial para proteger el amortiguador de fallas durante actividades sísmicas fuertes. Esta característica no solo mejora la durabilidad del amortiguador, sino que también mejora el control de la respuesta estructural durante los terremotos, aumentando así la seguridad y estabilidad de la estructura. En conclusión, el VD-OP proporciona una solución eficaz para la disipación de energía en aplicaciones estructurales, especialmente en condiciones sísmicas, al integrar un mecanismo que evita la sobrecarga. Esto conduce a una mayor confiabilidad y seguridad, posicionándolo como una opción superior a los amortiguadores viscosos tradicionales.

El VD-OP (amortiguador viscoso con protección contra sobrecarga) exhibe una relación fuerza-velocidad distintiva que difiere de los amortiguadores viscosos (VD) tradicionales. Esta saturación evita que el amortiguador experimente fuerzas más allá de su capacidad de diseño, protegiéndolo así de posibles fallas en condiciones extremas. Por el contrario, los sistemas VD tradicionales carecen de esta característica de saturación, y continúan exhibiendo una relación fuerza-velocidad lineal sin ningún límite en la fuerza. Esto puede ser perjudicial en situaciones en las que las fuerzas aplicadas superan los límites de diseño del amortiguador, lo que puede causar daños estructurales. La curva de la Figura 1 muestra un bucle típico, con la fuerza nivelada en F_máx . para velocidades más altas. Este comportamiento asegura que el amortiguador permanezca dentro de sus límites operativos, evitando la absorción de fuerzas excesivas y, por lo tanto, mejorando la seguridad y confiabilidad general del sistema estructural.

Figura 1: Ilustración para la construcción del amortiguador viscoso propuesto con protector de sobrecarga (VD-OP). (A) Diagrama de VD-OP; (B) Apariencia física de VD-OP; (C) Fuerza de salida frente a velocidad relativa entre los dos terminales; (D) Curva histéretica típica de VD-OP. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Relación constitutiva del VD-OP

La Figura 1 ilustra el modelo mecánico y la curva histéretica de VD-OP. Inicialmente, la relación sigue una dependencia lineal, expresada como F = CV, donde F es la fuerza de amortiguamiento proporcionada por el VD-OP, C es el coeficiente de amortiguamiento y V es la velocidad relativa entre los dos extremos del VD-OP, para velocidades por debajo de un cierto umbral. Sin embargo, una vez que la velocidad supera este umbral, la fuerza se satura en un valor máximo, F_máx., proporcionando un mecanismo de protección contra sobrecargas críticas. La principal distinción entre el VD-OP y los amortiguadores viscosos convencionales es la integración de un protector de sobrecarga adicional dentro del dispositivo. La característica de diseño principal del VD-OP es su fuerza de descarga, denotada como F_max, que se rige por la fuerza de fricción generada en la superficie de fricción integrada. Una vez especificado el material de fricción, se puede determinar fácilmente el coeficiente de fricción. De acuerdo con la ley de Coulomb, la fuerza de fricción F_max se expresa como F_max = μP_pre, donde μ es el coeficiente de fricción y P_pre, es la prepresión aplicada. Por lo tanto, al ajustar P_pre, F_max se puede calibrar con precisión para satisfacer requisitos de diseño específicos, mejorando así la funcionalidad y adaptabilidad del dispositivo.

Análisis de parámetros para el VD-OP

De acuerdo con la relación constitutiva de VD-OP (Figura 1), se analizaron las propiedades de disipación de energía. Ajuste el coeficiente de amortiguación y el exponente de velocidad de VD-OP en C = 500 kN•s^0,6/mm^0,6 y α = 0,6, y cambie las diferentes fuerzas máximas de descarga F_máx . y los desplazamientos δ. Las curvas de histéresis del VD-OP se representan bajo parámetros variables (Figura 2). Establezca las fuerzas máximas de descarga y los desplazamientos como F_max = 200kN y δ = 1,2 mm, y cambie los coeficientes de amortiguación C y los exponentes de velocidad α. Las curvas de histéresis del VD-OP se representan bajo parámetros variables (Figura 3).

Figura 2: Curvas de histéresis de VD-OP con diferentes F_máx . bajo varios desplazamientos δ: (A) δ = 0,8 mm, F_máx . = 100 kN; (B) δ = 1,2 mm, F_max = 100kN; (C) δ = 1,6 mm, F_máx . = 100 kN; (D) δ = 0,8 mm, F_máx . = 300 kN; (E) δ = 1,2 mm, F_máx . = 300 kN; (F) δ = 1,6 mm, F_máx . = 300 kN; (G) δ = 0,8 mm, F_máx . = 500 kN; (H) δ = 1,2 mm, F_max = 500kN; (I) δ = 1,6 mm, F_máx . = 500 kN . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Curvas de histéresis de VD-OP con diferentes C y α: (A) C = 200kN•^s0,3/mm^0,3, α = 0,3; (B) C = 200kN•s^0,6/mm^0,6, α = 0,6 ; (C) C = 200kN•s¹/mm¹, α = 1 ; (D) C = 500kN•s^0,3/mm^0,3, α = 0,3 ; (E) C = 500kN•s^0,6/mm^0,6, α = 0,6 ; (F) C = 500kN•s¹/mm¹, α = 1 ; (G) C = 800kN•s^0,3/mm^0,3, α = 0,3 ; (H) C = 800kN•s^0,6/mm^0,6, α = 0,6 ; (I) C = 800kN•s¹/mm¹, α = 1 . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Procedimientos de ensayo experimentales del VD-OP
Probando el prototipo y el dispositivo

De acuerdo con la construcción del dispositivo VD-OP mencionada anteriormente, se crea un prototipo del dispositivo VD-OP para estudiar su rendimiento mecánico. Se utiliza un actuador uniaxial (Figura 4) para probar el comportamiento mecánico de VD-OP. El sistema hidráulico del dispositivo de prueba consta de una bomba servohidráulica de 100 kW con un caudal controlado por PID, un actuador con una carrera de ±800 mm, una capacidad de prueba estática de 3000 kN y una capacidad de prueba dinámica de ±2000 kN. Los sensores incluyen una célula de carga de 3000 kN para la medición de la fuerza y un LVDT con un rango de ±1000 mm para la medición del desplazamiento. Se dan los parámetros (Tabla 1) y el protocolo de carga (Tabla 2) de VD-OP.

Ensayo experimental y procedimiento de simulación numérica

El experimento que se muestra en la Figura 4 puede proporcionar información valiosa sobre las características de rendimiento de VD-OP. Antes de la prueba, la calibración dinámica se realiza utilizando un peso muerto, seguida de un ajuste del punto cero después de un período de calentamiento de 30 minutos. Instale el amortiguador VD-OP entre las placas superior e inferior, con la alineación asegurada mediante una herramienta de alineación láser para lograr coaxialmente. La holgura mecánica se elimina aplicando tres preciclos con una amplitud del ±5% de la carrera máxima y una frecuencia de 0,01 Hz. La adquisición de datos y el posprocesamiento implican la sincronización automática de las señales de fuerza, desplazamiento y temperatura mediante el sistema de control experimental. La deriva del sensor se compensa mediante coeficientes precalibrados. Además, para validar aún más la precisión de los resultados de las pruebas y el análisis de elementos finitos, se empleó OpenSees para replicar las condiciones de prueba de VD-OP. Los parámetros del dispositivo y los escenarios de carga en el modelo de elementos finitos se mantuvieron consistentes con los de las pruebas físicas.

Figura 4: Diagrama de flujo de la configuración experimental. El procedimiento experimental comienza con la calibración dinámica del peso muerto y el ajuste del punto cero después de un calentamiento de 30 minutos, seguido de la instalación de la compuerta VD-OP alineada con láser entre las platinas con un ±5% de preciclo (0,01 Hz) para eliminar la holgura. Los datos de fuerza, desplazamiento y temperatura se adquieren de forma sincrónica con la compensación de deriva, mientras que las simulaciones de OpenSees replican los parámetros de prueba para validar la consistencia experimental y FEA. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Desarrollo del sistema de aislamiento VD-OP
Configuración del sistema de aislamiento VD-OP

Basándose en el VD-OP mencionado anteriormente, se describe la configuración mecánica del sistema de aislamiento VD-OP (Figura 5), incluidos los cojinetes de goma de alta amortiguación (HDRB) y VD-OP. Los HDRB son efectivos para absorber energía y reducir las fuerzas sísmicas en condiciones normales, pero durante terremotos raros, pueden sufrir grandes deformaciones y exhibir endurecimiento por rigidez, lo que podría socavar el rendimiento del aislamiento. Con respecto al amortiguador viscoso tradicional, también podría fallar en condiciones tan extremas debido a fuerzas excesivas. Por lo tanto, se propone un método de aislamiento VD-OP para el control sísmico estructural. En el sistema de aislamiento propuesto, VD-OP aborda estos problemas incorporando un mecanismo de protección contra sobrecarga que evita que el amortiguador exceda su capacidad de fuerza, evitando así fallas durante terremotos raros. Además, al restringir la salida de fuerza del amortiguador, el VD-OP ayuda a contrarrestar el endurecimiento de la rigidez del HDRB, manteniendo un mejor rendimiento de aislamiento incluso bajo grandes deformaciones. En resumen, el sistema de aislamiento VD-OP está desarrollado para mejorar la seguridad y el rendimiento de las estructuras de los edificios al garantizar que tanto la disipación de energía como las limitaciones de fuerza se gestionen de manera efectiva, abordando las posibles deficiencias de los HDRB durante eventos extremos. La efectividad del VD-OP dentro del sistema de aislamiento probablemente esté respaldada por la investigación experimental ejecutada en este estudio.

Principio mecánico del sistema de aislamiento VD-OP

Se establece la ecuación de movimiento gobernante de una estructura SDOF lineal amortiguada bajo excitación sísmica. La masa estructural m, el resorte lineal k y el coeficiente de amortiguamiento viscoso

Se establece la ecuación de movimiento gobernante de una estructura SDOF lineal amortiguada bajo excitación sísmica. Se considera que la masa estructural m, el resorte lineal k y el coeficiente de amortiguamiento viscoso c representan la torre de control del aeropuerto equivalente. La ecuación de movimiento se puede expresar como:

donde m_i es la masa de la capa de aislamiento, u_i y u son el desplazamiento de la capa de aislamiento y la estructura primaria, respectivamente, F_VD-OP y F_HDRB son las fuerzas de salida de VD-OP y HDRB, es la aceleración sísmica. Las fuerzas de salida F_VD-OP se pueden calcular de la siguiente manera:

La fuerza de salida F_HDRB se puede obtener mediante el modelo mecánico DHI, que sigue la ecuación:

F_HDRB = τ_DHI • A_HDRB (3)

donde τ_DHI y A_HDRB son el esfuerzo cortante utilizando el modelo DHI y el área efectiva de HDRB.

Figura 5: Ilustración del sistema de aislamiento basado en VD-OP propuesto para estructuras de edificios. (A) Diagrama del sistema de aislamiento VD-OP, (B) curva de histéresis típica de HDRB, (C) modelo mecánico de un solo sistema de grado de libertad con sistema de aislamiento basado en VD-OP. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Análisis de parámetros para el sistema de aislamiento VD-OP

Se realizó un análisis paramétrico en un modelo estructural de 2 grados de libertad para investigar la propiedad de sobrecarga de VD-OP contra diversas deformaciones de aislamiento. La estructura superior tiene una masa de 154666,67 kg, un período de 0,66 s y una relación de amortiguación inherente de 0,05, mientras que la capa de aislamiento tiene una masa de 38666,67 kg. El sistema de aislamiento incorpora HDRB 34,35,36 como cojinetes de aislamiento y VD-OP. Las simulaciones se realizaron utilizando OpenSees³⁷. El HDRB se modeló utilizando el material KikuchiAikenHDR, con un diámetro de rodamiento de 400 mm y un grosor total de caucho de 74 mm. Las ondas sísmicas con PGA=0,4 g se emplean para simular un terremoto raro. Se representa la respuesta de la capa de aislamiento en estas raras condiciones (Figura 5).

Para mejorar el rendimiento del sistema, se incorporó VD-OP, siendo el parámetro clave de diseño la fuerza máxima de protección contra sobrecargas, F_máx. El parámetro adimensional, relación de fuerza umbral ρ = F_max/F_BR se varió de 0 a 1,0, con el índice de amortiguamiento de VD-OP fijado en 0,6. Se muestran las respuestas estructurales, incluido el desplazamiento, la aceleración, la deformación de la capa de aislamiento y la fuerza de corte base, para diferentes valores de rho (Tabla 3 y Figura 6). Se presentan las curvas histéreticas para HDRB y VD-OP bajo diferentes valores del parámetro ρ (Figura 7). Las curvas de histéresis de la Figura 8 ilustran el rendimiento del amortiguador VD-OP con ρ = 0,5 bajo diferentes niveles de intensidad sísmica.

Figura 6: Respuestas sísmicas del sistema con diferentes ρ. A medida que aumenta la relación de fuerza umbral ρ, el desplazamiento estructural disminuye inicialmente, alcanzando un mínimo, antes de aumentar ligeramente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 7: Curvas histeréticas de HDRB y VD-OP con diferentes 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. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 8: Curvas histéreticas de VD-OP con ρ = 0.5 bajo terremotos frecuentes, de fortificación y raros. (A) Terremoto frecuente; (B) Eventos a nivel de diseño; (C) Terremoto severo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Ejemplo numérico de configuración de estructuras aisladas incorporadas en VD-OP
Simulación de la estructura original

Se utiliza una estructura de marco de hormigón de tres pisos para ejecutar análisis de aislamiento sísmico para evaluar la efectividad y aplicabilidad del sistema de aislamiento VD-OP. El proceso de análisis estructural se realizó utilizando el software ETABS³⁸, y se representan el modelo estructural y el diseño del plan (Figura 9). La estructura mide aproximadamente 32 m por 15,6 m y tiene una masa total de aproximadamente 1856 toneladas. El hormigón utilizado en los pisos, vigas y columnas tiene una resistencia a la compresión de 30 MPa. Los modos de vibración estructural implican movimientos de traslación en las direcciones X e Y, con períodos correspondientes de 0,66 s y 0,61 s, y un modo de torsión alrededor del eje Z con un período de 0,54 s. Dado que la relación de los períodos del primer y tercer modo supera 0.9, esto indica un desempeño torsional débil para la investigación de la respuesta sísmica.

Figura 9: Esquema de análisis de aislamiento sísmico de la estructura del marco de hormigón de tres pisos para evaluar la efectividad y aplicabilidad del sistema de aislamiento VD-OP. (A) Vista en perspectiva del modelo de elementos finitos de la estructura original; (B) Plan estructural de la historia típica; (C) Espectros de aceleración normalizados de los cinco movimientos del suelo de entrada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Diseño del sistema de aislamiento VD-OP
El sistema de aislamiento VD-OP se implementa para mejorar la resistencia sísmica estructural al restringir las respuestas de aceleración transferidas dentro de la capa de aislamiento. El diseño basado en el rendimiento del VD-OP implica un proceso integral que comprende cuatro pasos clave: (1) evaluar el rendimiento de la estructura original, (2) establecer el objetivo para mejorar el rendimiento, (3) diseñar la estructura aislada basada en VD-OP y (4) validar su rendimiento sísmico. La relación de fuerza cortante γ_SF y la relación de aceleración estructural γ_ACC , que representan el nivel objetivo de mejoras de rendimiento, se pueden establecer utilizando valores típicos predeterminados o requisitos de ingeniería específicos. Este γ_SF puede calcularse como la relación entre las respuestas de fuerza cortante de cresta de la estructura primaria y las de la estructura aislada basada en VD-OP, mientras que γ_ACC puede calcularse como la relación entre las respuestas de aceleración de cresta de la estructura primaria y las de la estructura aislada basada en VD-OP. El diseño de parámetros del VD-OP implica la selección de conjuntos de parámetros representativos para lograr las características de rigidez y amortiguación deseadas, incluido el coeficiente de amortiguación, el exponente de amortiguación y la fuerza umbral del protector de sobrecarga F_max . Los parámetros mencionados se pueden determinar de acuerdo con los hallazgos paramétricos de las investigaciones de propiedades mecánicas y el principio de diseño que minimiza las respuestas de aceleración de la estructura aislada basada en VD-OP bajo terremotos raros. De acuerdo con el procedimiento de diseño ilustrado anteriormente, se resume el diagrama de flujo de diseño de parámetros (Figura 10).

Figura 10: Diagrama de flujo de diseño del sistema de aislamiento híbrido basado en VD-OP propuesto. El diseño de VD-OP implica: (1) evaluar la estructura original, (2) definir las relaciones de mejora objetivo (α de fuerza cortante y aceleración β), (3) optimizar los parámetros de amortiguación (coeficiente, exponente, fuerza umbral) para una respuesta sísmica mínima y (4) validar el rendimiento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Al establecer la eficiencia de aislamiento objetivo, evaluada por la fuerza de corte base objetivo γ_{SF, Tar} y la relación de aceleración estructural γ_{ACC, Tar} como 0.35 bajo el terremoto frecuente, se agregó una capa de aislamiento sísmico que incorpora el HDRB y el nuevo VD-OP en la base de la estructura primaria. Los parámetros específicos para el HDRB y el VD-OP se detallan e ilustran (Tabla 4 y Tabla 5).

Análisis dinámico de la estructura con el sistema de aislamiento VD-OP

La estructura está diseñada para soportar una intensidad de fortificación sísmica de siete grados (0,15 g) y está ubicada en un sitio de categoría IV, que está clasificado como un sitio de suelo blando³⁹. El espectro de respuesta del sitio tiene un período característico de T_g = 0.75 s. 4.16 Dadas estas condiciones del sitio, se eligieron siete registros de historia de tiempo sísmico para el análisis, incluidas dos historias de tiempo de movimiento del suelo artificial y cinco historias de tiempo de movimiento del suelo natural obtenidas de la base de datos K-KET en Japón⁴⁰. Se presenta información detallada sobre estos registros sísmicos (Tabla 6) y también se dan sus espectros de respuesta de aceleración (Figura 9).

Para evaluar el rendimiento del HDRB en varios escenarios sísmicos, se escalaron los historiales de tiempo de movimiento del suelo para lograr aceleraciones máximas del suelo (PGA) de 35 galones, 100 galones y 220 galones³⁹. Estos valores de PGA, correspondientes a terremotos frecuentes, terremotos de fortificación y terremotos raros, respectivamente, se seleccionaron para garantizar una evaluación exhaustiva de la resistencia sísmica de la estructura aislada. Las respuestas dinámicas de las estructuras originales, las estructuras con un sistema de aislamiento VD-OP basado en HDRB y las estructuras aisladas de LRB se analizaron minuciosamente en condiciones sísmicas frecuentes, de fortificación y raras, centrándose en el desplazamiento entre pisos, la aceleración y la fuerza de corte. Se ilustran las respuestas comparativas detalladas (Figura 11). Se representan las curvas de histéresis de VD-OP bajo la entrada de movimiento del suelo NW3 para terremotos frecuentes, de fortificación y raros (Figura 12).

Figura 11: Derivas de Story bajo diferentes niveles de terremotos. (A) Derivas de Story bajo terremotos frecuentes; (B) La historia se desvía bajo eventos de nivel de diseño; (C) La historia se desplaza bajo terremotos severos. (D) Cizallas de cuentos bajo terremotos frecuentes; (E) Cortar historias en eventos de nivel de diseño; (F) Cizallas de cuentos bajo un terremoto severo; (G) Aceleración absoluta de la historia bajo terremotos frecuentes; (H) Aceleraciones absolutas de la historia en eventos de nivel de diseño; (I) Aceleración absoluta de la historia bajo un terremoto severo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 12: Curvas de histéresis en la capa de aislamiento bajo diferentes niveles de terremotos, NW3. (A) VD-OP bajo terremotos frecuentes; (B) VD-OP en eventos de nivel de diseño; (C) VD-OP bajo un terremoto severo; (D) HDRB bajo terremotos frecuentes; E) Cursos de Desarrollo Humano en el marco de actividades a nivel de diseño; (F) HDRB bajo un terremoto severo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Resultados

Resultados del análisis paramétrico del dispositivo VD-OP
Relación fuerza-velocidad y comportamiento histéretico (Figura 2):

Como se muestra en la Figura 2, las curvas de histéresis demuestran cómo cambia el comportamiento de disipación de energía del amortiguador con diferentes valores de F_max y amplitudes de de...

Discusión

Este estudio demuestra la efectividad del VD-OP (Figura 1, Figura 2 y Figura 3) para mejorar la resistencia sísmica a través de la disipación de energía controlada y la limitación de fuerza. Los resultados experimentales (Figura 4, Figura 13 y Figura 14) confirman que el VD-OP mitiga las fuerzas de amortiguació...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Software de pruebas dinámicas	Shanghái Hualong	HDTS-v3.0	Cumple con GB/T 20688.1-2007
ETABS-Análisis y diseño de edificios	Informática y Estructuras, Inc	19.0.2	Para modelado de rendimiento y análisis estructural
Celda de carga	Ningbo Saishi	C3M-3000	Para experimentos con una capacidad de 3000 kN
LVDT	Shanghái Hualong	HLVDT1000	Para experimentos con ± Alcance de 1000 mm y resolución de 0,01 mm
Sensor magnetoestrictivo	MTS (ESTADOS UNIDOS)	Serie MTS-R	Para experimentos con ± 800 mm de recorrido
MATLAB	MathWorks	2024	Para el cálculo de los experimentos
Actuador servohidráulico	Shanghái Hualong	YJW-20000	Para experimentos con ± 800 mm de carrera, ± Capacidad dinámica de 2000 kN