מאמר מחקר

מנגנון בקרת רעידות רב-שלבי ויעילות ניסיונית של בולם צמיג עם מגן עומס יתר

DOI:

10.3791/68410

⸱

5 בספטמבר 2025

 ,  ,  , 
1Department of Disaster Mitigation for Structures, Tongji University, 2SichuanJackGooTechnology Co., Ltd, 3Shanghai Research Institute of Materials Co. Ltd., 4Department of Electrical Engineering, Xi'an Jiaotong University

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

כאן, אנו מציגים את התכנון, הבדיקה והיישום של בולם צמיג עם מגן עומס-יתר (VD-OP) עבור בידוד סייסמי במבנים. הוא כולל מידול מכני, בדיקת אב טיפוס ואינטגרציה עם מיסבי גומי בעלי שיכוך גבוה כדי לשפר את הביצועים הסייסמיים תוך הגבלת העברת הכוח ושמירה על שלמות המבנה.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מחקר זה מציג מערכת בידוד סייסמית היברידית חדשנית המשלבת בולם צמיג עם הגנת עומס יתר (VD-OP) כדי לשפר את הביצועים הסייסמיים ולהתגבר על המגבלות של שיטות בידוד מסורתיות. ה-VD-OP משלב מנגנון שיכוך לא-ליניארי תלוי תזוזה ותכונת הגבלת כוח, השולט ביעילות בכוחות שיכוך מוגזמים במהלך תנועות במהירות גבוהה הנגרמות על ידי עוצמות סייסמיות משתנות. מודל מכני, מכויל באמצעות נתונים ניסיוניים, פותח כדי לשכפל את מאפייני השיכוך הלא ליניארי והגנת עומס יתר של ה-VD-OP. סימולציות נומריות מאומתות באמצעות בדיקות ניסיוניות, ומספקות בסיס איתן לאופטימיזציה של פרמטרים ולהערכת ביצועים. הממצאים מראים כי פונקציית הגבלת הכוח ממלאת תפקיד קריטי בהפחתת כוחות מוגזמים על שכבת הבידוד, שיפור יעילות הבידוד ושליטה בתגובות התאוצה במבנה-העל. מחקרים פרמטריים וניתוחי מקרה בתרחישים סייסמיים שונים מאשרים את יכולות פיזור האנרגיה החזקות של המערכת ואת יכולת ההסתגלות, ומבטיחים בידוד יעיל במהלך רעידות אדמה תכופות, עיוות מבוקר באירועים ברמת התכנון והגנה מבנית במהלך רעידות אדמה קשות. גישת התכנון מבוססת הביצועים המוצעת כאן מציעה הדרכה מעשית ליישום מערכת VD-OP, ומציגה פתרון אמין לשיפור החוסן הסייסמי של מבנים הנדסיים.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

טכנולוגיית בידוד סייסמי מוכרת כאסטרטגיה יעילה להפחתת רעידות מבניות במהלך רעידות אדמה, ושיפור הבטיחות והחוסן של מבנים הנדסיים 1,2,3. על ידי הכנסת שכבת בידוד גמישה בין מבנה העל ליסודותיו, בידוד סייסמי מפחית את העברת הכוחות הסייסמיים, ולמעשה מנתק את מבני הבניין מתנועת הקרקע 4,5,6. מנגנון זה מוביל להפחתה משמעותית בתאוצה המבנית ובסחיפה בין הקומות, ומבטיח הגנה הן על המבנה והן על יושביו. התקני בידוד שונים, כולל מיסבי גומי למינציה 7,8, מיסבי גומי ליבת עופרת 9,10,11, מיסבי מטוטלת חיכוך 12,13,14,15 ומיסבים מתגלגלים 16,17, נמצאים בשימוש נפוץ בתכנון סייסמי של בניינים רבי קומות18, גשרים19 ועוד תשתיות חיוניות20,21.

למרות היישום הנרחב שלה, מערכות בידוד סייסמי קונבנציונליות מתמודדות עם אתגרים בתנאים סייסמיים קיצוניים. באופן ספציפי, יתירות לא מספקת בשכבת הבידוד ועיוות מוגזם במהלך רעידות אדמה גדולות עלולים לפגוע ביעילות הבידוד ולהוות סיכוני בטיחות. כדי להתמודד עם מגבלות אלו, הוצעו מערכות בידוד היברידיות המשלבות בולמים, בולמי מסה מכוונים22 ובולמים מבוססי אינרטר 23,24,25. מערכות אלו משלבות את יכולת פיזור האנרגיה של בולמים עם יכולות בקרת הרטט של בולמי מסה מכוונים, ומשפרות את העמידות הסייסמית של המבנים הראשוניים 26,27,28. עם זאת, רבות מהמערכות המתקדמות הללו נשארות מוגבלות לניתוחים תיאורטיים ומחקרי מעבדה. התצורות המורכבות שלהם ועלויות היישום הגבוהות שלהם מעכבים את יישומם הנרחב בפרויקטים הנדסיים. יתר על כן, מערכות בידוד היברידיות המבוססות על בולמי זעזועים צמיגיים קלאסיים 29,30,31 סובלות מחסרון מובנה: כוח שיכוך מוגזם בעיוות במהירות גבוהה. בעיה זו מפחיתה את יעילות הבידוד במהלך רעידות אדמה רב-מפלסיות, משפרת את תגובת התאוצה של מבנה-העל ומעלה את הסיכון לכשל בשכבת הבידוד. שיכוך יתר לא רק מערער את היתרונות המיועדים של בידוד סייסמי אלא גם מציג פגיעויות חדשות, במיוחד תחת עירורים סיסמיים נדירים אך אינטנסיביים. כפי שנצפה ברעידת האדמה Ms 6.8 Luding32,33 בשנת 2022, בניין המצויד במערכת בידוד בולמים צמיגה חווה אתגר בלתי צפוי. המהירות היחסית על פני הבולם חרגה מגבולות התכנון שלו, וכתוצאה מכך כוח שיכוך הרבה מעבר למפרט המיועד. תוצאה זו מדגישה את הצורך הדחוף בהתקדמות בטכנולוגיות שיכוך חזקות ואמינות המסוגלות לעמוד בכוחות סייסמיים בלתי צפויים. החיפוש אחר הגנה סיסמית משופרת נמשך, כאשר חוקרים ומהנדסים שואפים לפתח פתרונות חדשניים להגנה על מבנים וחיים ברעידות אדמה עתידיות.

כדי להתגבר על אתגרים אלה, מחקר זה מציע מערכת בידוד היברידית חדשה הכוללת בולם צמיג עם הגנת עומס יתר (VD-OP). ה-VD-OP משלב מנגנון חדשני להגבלת כוח המגביל את כוח השיכוך במהירויות גבוהות, ומבטיח שמערכת הבידוד שומרת על יעילותה בעוצמות סייסמיות משתנות. מודל מכני, מכויל עם נתונים ניסיוניים, נוצר כדי לדמות את התנהגות השיכוך הלא ליניארית ותכונות ההגנה מפני עומס יתר של ה-VD-OP. סדרה של סימולציות מספריות מאומתת באמצעות בדיקות ניסיוניות, המספקות מסגרת חזקה לאופטימיזציה של פרמטרים והערכת ביצועים. הניתוח הפרמטרי מבוצע כנגד הפרמטרים הלא ליניאריים של ה-VD-OP, בהתחשב בכך שמוצעת גישת עיצוב מוכוונת ביצועים. בעקבות ערכות הפרמטרים המוצעות ותרשים הזרימה העיצובי, מקרי התכנון ההשוואתי נחקרים כדי להמחיש את היעילות של מערכת הבידוד מבוססת VD-OP כנגד עירורים סיסמיים רב-שכבתיים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

שיטת סימולציה מכנית לבולם הצמיג עם מגן עומס יתר (VD-OP)
בניית מכשירים, עקרון עבודה ומשמעות ה- VD-OP

כל הרכיבים של ה-VD-OP מוצגים באיור 1, כולל צינור חיצוני, מוט בוכנה ושמן דעיכה. הצינור החיצוני עשוי מחומרים בעלי חוזק גבוה ומשמש לסגירת הרכיבים הפנימיים, מה שמבטיח סביבה אטומה למניעת דליפת שמן. מוט הבוכנה, המורכב בדרך כלל מפלדה בעלת חוזק גבוה, חוזר בתוך הצינור, מחובר לבוכנה המאלצת את שמן השיכוך דרך פתחים מגבילים, שיכולים ליצור התנגדות פרופורציונלית למהירות תנועת המוט, ובכך לפזר אנרגיה מכוחות מופעלים. כאשר מתרחשת עומס יתר, מופעל מנגנון משטח החיכוך. אם הכוח המופעל עולה על סף התכנון, משטח החיכוך מופעל, ויוצר כוחות התנגדות נוספים המגבילים את מהירות התזוזה של מוט הבוכנה.

העיקרון המכני והבנייה המוצע של VD-OP (איור 1) מסוגל להבטיח שהבולם פועל בגבולות בטוחים בתנאי עומס רגילים ועומס-יתר כאחד, ומציע יתרונות בולטים. מגביל את הכוח ל-Fmax, הוא מונע עומס יתר, שהוא חיוני בהגנה על הבולם מפני כשל במהלך פעילויות סיסמיות חזקות. תכונה זו לא רק משפרת את עמידות הבולם אלא גם משפרת את השליטה בתגובה המבנית במהלך רעידות אדמה, ובכך מגבירה את הבטיחות והיציבות של המבנה. לסיכום, ה-VD-OP נותן פתרון יעיל לפיזור אנרגיה ביישומים מבניים, במיוחד בתנאים סייסמיים, על ידי שילוב מנגנון המונע עומס יתר. זה מוביל לשיפור האמינות והבטיחות, וממצב אותו כאופציה עדיפה על פני בולמים צמיגים מסורתיים.

ה-VD-OP (בולם צמיג עם הגנת עומס יתר) מציג יחס כוח-מהירות מובהק השונה מהבולמים הצמיגים המסורתיים (VD). רוויה זו מונעת מהבולם לחוות כוחות מעבר ליכולת התכנון שלו, ובכך שומרת עליו מפני כשל פוטנציאלי בתנאים קיצוניים. לעומת זאת, מערכות VD מסורתיות חסרות תכונת רוויה זו, וממשיכות להציג יחסי כוח-מהירות ליניאריים ללא כל מכסה על הכוח. זה יכול להזיק במצבים שבהם הכוחות המופעלים חורגים מגבולות התכנון של הבולם, מה שעלול לגרום לנזק מבני. העקומה באיור 1 מציגה לולאה טיפוסית, כאשר הכוח מתיישר ב-Fmax עבור מהירויות גבוהות יותר. התנהגות זו מבטיחה שהבולם יישאר בגבולות התפעול שלו, מונע ספיגת כוחות מוגזמים ובכך משפר את הבטיחות והאמינות הכוללת של המערכת המבנית.

figure-protocol-1
איור 1: איור לבניית הבולם הצמיגי המוצע עם מגן עומס-יתר (VD-OP). (A) דיאגרמה של VD-OP; (ב) מראה פיזי של VD-OP; (ג) כוח פלט לעומת מהירות יחסית בין שני המסופים; (D) עקומה היסטרית טיפוסית של VD-OP. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

הקשר המכונן של VD-OP

איור 1 ממחיש את המודל המכני והעקומה ההיסטרית של VD-OP. בתחילה, הקשר עוקב אחר תלות ליניארית, המבוטאת כ-F = CV, כאשר F הוא כוח השיכוך המסופק על ידי ה-VD-OP, C הוא מקדם השיכוך, ו-V היא המהירות היחסית בין שני הקצוות של VD-OP, עבור מהירויות מתחת לסף מסוים. עם זאת, ברגע שהמהירות חורגת מסף זה, הכוח רווי בערך מקסימלי, Fmax, ומספק מנגנון הגנה מפני עומס יתר קריטי. ההבחנה העיקרית בין ה-VD-OP לבין בולמי זעזועים צמיגים קונבנציונליים היא השילוב של מגן עומס-יתר נוסף בתוך ההתקן. מאפיין העיצוב המרכזי של ה-VD-OP הוא כוח הפריקה שלו, המסומן כ-Fmax, הנשלט על ידי כוח החיכוך שנוצר במשטח החיכוך המשולב. לאחר ציון חומר החיכוך, ניתן לקבוע בקלות את מקדם החיכוך. על פי חוק קולומב, כוח החיכוך Fmax מתבטא כ-Fmax = μPpre, כאשר μ הוא מקדם החיכוך ו-Ppre, הוא הלחץ המקדים המופעל. לפיכך, על ידי התאמת Ppre, ניתן לכייל במדויק את Fmax כדי לעמוד בדרישות עיצוב ספציפיות, ובכך לשפר את הפונקציונליות ויכולת ההסתגלות של המכשיר.

ניתוח פרמטרים עבור VD-OP

על פי הקשר המכונן של VD-OP (איור 1), תכונות פיזור האנרגיה נותחו. הגדר את מקדם השיכוך ומעריך המהירות של VD-OP הם C = 500 kN•s0.6/mm0.6 ו-α = 0.6, ושנה את כוחות הפריקה המרביים השונים Fמקסימום ותזוזות δ. עקומות ההיסטרזיס של ה-VD-OP מתוארות תחת פרמטרים משתנים (איור 2). הגדר את כוחות הפריקה והתזוזה המקסימליים הם Fmax = 200kN ו-δ = 1.2 מ"מ, ושנה את מקדמי השיכוך C ואקספוננטים של המהירות α. עקומות ההיסטרזיס של ה-VD-OP מתוארות תחת פרמטרים משתנים (איור 3).

figure-protocol-2
איור 2: עקומות היסטרזיס של VD-OP עם Fmax שונה תחת δ תזוזה שונים: (A) δ = 0.8 מ"מ, Fmax = 100kN; (B) δ = 1.2 מ"מ, Fמקסימום = 100kN ; (C) δ = 1.6 מ"מ, Fמקסימום = 100kN; (D) δ = 0.8 מ"מ, Fמקסימום = 300kN ; (E) δ = 1.2 מ"מ, Fמקסימום = 300kN ; (F) δ = 1.6 מ"מ, Fמקסימום = 300kN ; (G) δ = 0.8 מ"מ, Fמקסימום = 500kN ; (H) δ = 1.2 מ"מ, Fמקסימום = 500kN ; (I) δ = 1.6 מ"מ, Fמקסימום = 500kN . אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-protocol-3
איור 3: עקומות היסטרזיס של VD-OP עם C ו-α שונים: (A) C = 200kN•s0.3/mm0.3, α = 0.3; (B) C = 200kN•s0.6/mm0.6, α = 0.6 ; (C) C = 200kN•s1/mm1, α = 1 ; (D) C = 500kN•s0.3/mm0.3, α = 0.3 ; (E) C = 500kN•s0.6/mm0.6, α = 0.6 ; (F) C = 500kN•s1/mm1, α = 1 ; (G) C = 800kN•s0.3/mm0.3, α = 0.3 ; (H) C = 800kN•s0.6/mm0.6, α = 0.6 ; (I) C = 800kN•s1/mm1, α = 1 . אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

הליכי בדיקה ניסיוניים של VD-OP
בדיקת אב הטיפוס והמכשיר

על פי בניית המכשיר של VD-OP שהוזכרה קודם לכן, נוצר אב טיפוס של מכשיר VD-OP כדי לחקור את הביצועים המכניים שלו. מפעיל חד-צירי (איור 4) משמש לבדיקת ההתנהגות המכנית של VD-OP. המערכת ההידראולית של מכשיר הבדיקה כוללת משאבת סרוו-הידראולית של 100 קילוואט עם קצב זרימה מבוקר PID, מפעיל עם מהלך של ±800 מ"מ, יכולת בדיקה סטטית של 3000 קילוואט ויכולת בדיקה דינמית של ±2000 קילוואט. החיישנים כוללים תא עומס של 3000 kN למדידת כוח ו- LVDT עם תחום של ±1000 מ"מ למדידת תזוזה. הפרמטרים (טבלה 1) ופרוטוקול הטעינה (טבלה 2) של VD-OP ניתנים.

בדיקות ניסיוניות והליך סימולציה נומרית

הניסוי המוצג באיור 4 יכול לספק תובנות חשובות לגבי מאפייני הביצועים של VD-OP. לפני הבדיקה, כיול דינמי מתבצע באמצעות משקל מת, ואחריו התאמת נקודת אפס לאחר תקופת חימום של 30 דקות. התקן את ה-VD-OP דampבין המשטח העליון והתחתון, עם יישור מובטח באמצעות כלי יישור לייזר להשגה קואקסיאלית. רפיון מכני מתבטל על ידי החלת שלושה מחזורים מקדימים עם משרעת של ±5% מהמהלך המרבי ותדר של 0.01 הרץ. רכישת נתונים ועיבוד לאחר כרוכים בסנכרון אוטומטי של אותות כוח, תזוזה וטמפרטורה על ידי מערכת הבקרה הניסיונית. סחיפת החיישן מתוגמלת באמצעות מקדמים מכוילים מראש. בנוסף, כדי לאמת עוד יותר את הדיוק של תוצאות הבדיקה וניתוח האלמנטים הסופיים, נעשה שימוש ב-OpenSees כדי לשכפל את תנאי הבדיקה של VD-OP. פרמטרי המכשיר ותרחישי הטעינה במודל האלמנטים הסופיים נשמרו בהתאם לאלה שבבדיקות הפיזיות.

figure-protocol-4
איור 4: תרשים זרימה של מערך הניסוי. הליך הניסוי מתחיל בכיול דינמי של משקל מת והתאמת נקודת אפס לאחר חימום של 30 דקות, ואחריו התקנת מנחת VD-OP מיושרת לייזר בין פלטות עם ±5% טרום מחזור (0.01 הרץ) כדי למנוע רפיון. נתוני כוח, תזוזה וטמפרטורה נרכשים באופן סינכרוני עם פיצוי סחיפה, בעוד שסימולציות OpenSees משכפלות פרמטרי בדיקה כדי לאמת עקביות ניסויית ו-FEA. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

פיתוח מערכת הבידוד VD-OP
תצורת מערכת הבידוד VD-OP

בהתבסס על ה-VD-OP שהוזכר קודם, מתוארת התצורה המכנית של מערכת הבידוד VD-OP (איור 5), כולל מיסבי גומי עם שיכוך גבוה (HDRB) ו-VD-OP. HDRBs יעילים בספיגת אנרגיה והפחתת כוחות סייסמיים בתנאים רגילים, אך במהלך רעידות אדמה נדירות, הם עלולים לעבור עיוותים גדולים ולהפגין התקשות נוקשה, מה שעלול לערער את ביצועי הבידוד. לגבי הבולם הצמיג המסורתי, הוא עלול להיכשל גם בתנאים קיצוניים כאלה עקב כוחות מוגזמים. לכן, מוצעת שיטת בידוד VD-OP לבקרה סייסמית מבנית. במערכת הבידוד המוצעת, VD-OP מטפל בבעיות אלו על ידי שילוב מנגנון הגנה מפני עומס יתר המונע מהבולם לחרוג מיכולת הכוח שלו, ובכך למנוע כשל במהלך רעידות אדמה נדירות. בנוסף, על ידי הגבלת תפוקת הכוח של הבולם, ה-VD-OP מסייע לנטרל את התקשות הנוקשות של ה-HDRB, ושומר על ביצועי בידוד טובים יותר גם תחת עיוותים גדולים. לסיכום, מערכת הבידוד VD-OP פותחה כדי לשפר את הבטיחות והביצועים של מבני בניין על ידי הבטחת ניהול יעיל של פיזור האנרגיה ומגבלות הכוח, תוך התייחסות לחסרונות הפוטנציאליים של HDRB במהלך אירועי קיצון. היעילות של VD-OP בתוך מערכת הבידוד נתמכת ככל הנראה על ידי המחקר הניסיוני שבוצע במחקר זה.

עקרון מכני של מערכת הבידוד VD-OP

משוואת התנועה השולטת של מבנה SDOF ליניארי תחת עירור סייסמי נקבעת. המסה המבנית m, הקפיץ הליניארי k ומקדם השיכוך הצמיגי

משוואת התנועה השולטת של מבנה SDOF ליניארי תחת עירור סייסמי נקבעת. המסה המבנית m, הקפיץ הליניארי k ומקדם השיכוך הצמיגי c נחשבים לייצוג מגדל הפיקוח המקביל של שדה התעופה. ניתן לבטא את משוואת התנועה כך:

figure-protocol-5

כאשר mi היא המסה של שכבת הבידוד, ui ו - u הם התזוזה של שכבת הבידוד והמבנה הראשוני, בהתאמה, FVD-OP ו- FHDRB הם כוחות הפלט של VD-OP ו- HDRB, figure-protocol-6 היא התאוצה הסייסמית. ניתן לחשב את כוחות הפלט FVD-OP באופן הבא:

figure-protocol-7

ניתן להשיג את כוח הפלט FHDRB באמצעות המודל המכני DHI, העוקב אחר המשוואה:

FHDRB = τDHI • AHDRB (3)

כאשר τDHI ו - AHDRB הם מתח הגזירה באמצעות מודל DHI והאזור היעיל של HDRB.

figure-protocol-8
איור 5: איור של מערכת הבידוד המוצעת מבוססת VD-OP עבור מבנים. (A) דיאגרמה של מערכת הבידוד VD-OP, (B) עקומת היסטרזיס טיפוסית של HDRB, (C) מודל מכני של מערכת דרגת חופש יחידה עם מערכת בידוד מבוססת VD-OP. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

ניתוח פרמטרים למערכת הבידוד VD-OP

ניתוח פרמטרי נערך על מודל מבני של 2 דרגות חופש כדי לחקור את תכונת העומס של VD-OP כנגד עיוותים מבודדים שונים. למבנה העליון יש מסה של 154666.67 ק"ג, תקופה של 0.66 שניות ויחס שיכוך מובנה של 0.05, בעוד שלשכבת הבידוד יש מסה של 38666.67 ק"ג. מערכת הבידוד משלבת HDRB 34,35,36 כמיסבי בידוד ו-VD-OP. הסימולציות בוצעו באמצעות OpenSees37. ה-HDRB עוצב באמצעות חומר KikuchiAikenHDR, עם קוטר מיסב של 400 מ"מ ועובי גומי כולל של 74 מ"מ. הגלים הסייסמיים עם PGA=0.4 g משמשים כדי לדמות רעידת אדמה נדירה. התגובה של שכבת הבידוד בתנאים נדירים אלה מתוארת (איור 5).

כדי לשפר את ביצועי המערכת, שולב VD-OP, כאשר פרמטר העיצוב העיקרי הוא כוח ההגנה המרבי מפני עומס יתר, Fmax. הפרמטר חסר הממד, יחס כוח הסף ρ = Fmax/FBR השתנה בין 0 ל-1.0, כאשר מדד השיכוך של VD-OP קבוע על 0.6. התגובות המבניות, כולל תזוזה, תאוצה, עיוות של שכבת הבידוד וכוח הגזירה הבסיסי, עבור ערכי rho שונים מוצגות (טבלה 3 ואיור 6). העקומות ההיסטריות עבור HDRB ו-VD-OP תחת ערכים שונים של הפרמטר ρ מוצגות (איור 7). עקומות ההיסטרזיס באיור 8 ממחישות את הביצועים של בולם VD-OP עם ρ = 0.5 ברמות שונות של עוצמת רעידת אדמה.

figure-protocol-9
איור 6: תגובות סייסמיות של המערכת עם ρ שונה. ככל שיחס כוח הסף ρ עולה, התזוזה המבנית פוחתת בתחילה, ומגיעה למינימום, לפני שהיא עולה מעט. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-protocol-10
איור 7: עקומות היסטריות של HDRB ו-VD-OP עם ρ שונה: (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. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-protocol-11
איור 8: עקומות היסטריות של VD-OP עם ρ = 0.5 תחת רעידות אדמה תכופות, ביצורים ונדירות. (A) רעידות אדמה תכופות; (ב) אירועים ברמת העיצוב; (ג) רעידת אדמה קשה. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

הגדרה מספרית לדוגמה של מבנים מבודדים המשולבים ב-VD-OP
הדמיה של המבנה המקורי

מבנה מסגרת בטון בן שלוש קומות משמש לביצוע ניתוח בידוד סייסמי כדי להעריך את היעילות והישימות של מערכת הבידוד VD-OP. תהליך הניתוח המבני הושלם באמצעות תוכנת ETABS38, והמודל המבני ופריסת התוכנית מתוארים (איור 9). מידות המבנה כ-32 מ' על 15.6 מ' ומשקלו הכולל כ-1856 טון. הבטון המשמש ברצפות, בקורות ובעמודים הוא בעל חוזק דחיסה של 30 מגה פיקסל. מצבי הרטט המבניים כוללים תנועות תרגום בכיווני X ו-Y, עם תקופות תואמות של 0.66 שניות ו-0.61 שניות, ומצב פיתול סביב ציר ה-Z עם תקופה של 0.54 שניות. בהתחשב בכך שהיחס בין התקופות של המצב הראשון והשלישי עולה על 0.9, הדבר מצביע על ביצועי פיתול חלשים לחקירת תגובה סייסמית.

figure-protocol-12
איור 9: סכמת ניתוח בידוד סייסמי של מבנה מסגרת בטון בן שלוש קומות כדי להעריך את היעילות והישימות של מערכת הבידוד VD-OP. (א) מבט פרספקטיבי של מודל האלמנטים הסופיים של המבנה המקורי; (ב) תוכנית מבנית של הסיפור הטיפוסי; (C) ספקטרום תאוצה מנורמל של חמש תנועות הקרקע הקלט. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

תכנון מערכת הבידוד VD-OP
מערכת הבידוד VD-OP מיושמת כדי לשפר את החוסן הסייסמי המבני על ידי הגבלת תגובות ההאצה המועברות בתוך שכבת הבידוד. התכנון מבוסס הביצועים של ה-VD-OP כולל תהליך מקיף הכולל ארבעה שלבים מרכזיים: (1) הערכת ביצועי המבנה המקורי, (2) קביעת היעד לשיפור הביצועים, (3) תכנון המבנה המבודד מבוסס VD-OP, ו-(4) אימות הביצועים הסייסמיים שלו. ניתן לקבוע את יחס כוח הגזירה γSF ויחס התאוצה המבני γACC , המייצגים את רמת היעד של שיפורי ביצועים, באמצעות ערכים אופייניים שנקבעו מראש או דרישות הנדסיות ספציפיות. ניתן לחשב SF γ זה כיחס בין תגובות כוח הגזירה השיא של המבנה הראשוני לאלו של המבנה המבודד המבוסס על VD-OP, ואילו ניתן לחשב γ-ACC כיחס בין תגובות התאוצה השיא של המבנה הראשוני לאלו של המבנה המבודד המבוסס על VD-OP. תכנון הפרמטרים של ה-VD-OP כולל בחירת ערכות פרמטרים מייצגות כדי להשיג את מאפייני הקשיחות והשיכוך הרצויים, כולל מקדם השיכוך, מעריך השיכוך וכוח הסף של מגן עומס יתר Fmax. ניתן לקבוע את הפרמטרים שהוזכרו על פי הממצאים הפרמטריים מחקירות המאפיינים המכניים ועקרון התכנון הממזער את תגובות התאוצה של המבנה המבודד מבוסס VD-OP ברעידות אדמה נדירות. על פי נוהל התכנון המוצג לעיל, תרשים הזרימה של עיצוב הפרמטרים מסוכם (איור 10).

figure-protocol-13
איור 10: תרשים זרימה מתוכנן של מערכת הבידוד ההיברידית המוצעת מבוססת VD-OP. תכנון VD-OP כולל: (1) הערכת המבנה המקורי, (2) הגדרת יחסי שיפור יעד (α כוח גזירה ותאוצה β), (3) אופטימיזציה של פרמטרי שיכוך (מקדם, מעריך, כוח סף) לתגובה סייסמית מינימלית, ו-(4) אימות ביצועים. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

על ידי קביעת יעילות בידוד המטרה, כפי שהוערכה על ידי כוח הגזירה של בסיס המטרה γSF, Tar ויחס התאוצה המבנית γACC,Tar כ-0.35 תחת רעידת האדמה התכופה, נוספה שכבת בידוד סייסמית המשלבת את ה-HDRB וה-VD-OP החדש בבסיס המבנה הראשוני. הפרמטרים הספציפיים עבור HDRB ו-VD-OP מפורטים ומומחשים (טבלה 4 וטבלה 5).

ניתוח דינמי של המבנה עם מערכת הבידוד VD-OP

המבנה מתוכנן לעמוד בעוצמת ביצור סיסמית של שבע מעלות (0.15 גרם) והוא ממוקם באתר מקטגוריה IV, המסווג כאתר אדמה רכה39. לספקטרום התגובה של האתר יש תקופה אופיינית של Tg = 0.75 s. 4.16 בהתחשב בתנאי האתר הללו, נבחרו שבע רשומות היסטוריה של זמן סייסמי לניתוח, כולל שתי היסטוריות זמן של תנועת קרקע מלאכותית וחמש היסטוריות זמן של תנועת קרקע טבעית שמקורן במסד הנתונים K-KET ביפן40. מידע מפורט על רשומות סייסמיות אלה מוצג (טבלה 6), וספקטרום תגובת התאוצה שלהם ניתן גם כן (איור 9).

כדי להעריך את ביצועי ה-HDRB בתרחישי רעידת אדמה שונים, היסטוריית זמן התנועה הקרקעית הותאמה כדי להשיג תאוצות קרקע שיא (PGA) של 35 גל, 100 גל ו-220 גל39. ערכי PGA אלה, המתאימים לרעידות אדמה תכופות, רעידות אדמה של ביצורים ורעידות אדמה נדירות, בהתאמה, נבחרו כדי להבטיח הערכה יסודית של העמידות הסייסמית של המבנה המבודד. התגובות הדינמיות של מבנים מקוריים, מבנים עם מערכת בידוד VD-OP מבוססת HDRB ומבנים מבודדים LRB נותחו ביסודיות בתנאי רעידות אדמה תכופות, ביצורים ונדירים, תוך התמקדות בתזוזה בין קומות, תאוצה וכוח גזירה. התשובות ההשוואתיות המפורטות מומחשות (איור 11). עקומות ההיסטרזיס של VD-OP מתחת לכניסת תנועת הקרקע NW3 עבור רעידות אדמה תכופות, ביצורים ונדירות מתוארות (איור 12).

figure-protocol-14
איור 11: סחיפות הסיפור תחת רמות שונות של רעידות אדמה. (A) סחיפות הסיפור תחת רעידות אדמה תכופות; (ב) סיפור נסחף תחת אירועים ברמת התכנון; (C) סחף קומה תחת רעידות אדמה קשות. (ד) מזמרות קומה תחת רעידת אדמה תכופה; (ה) מזמרה לסיפורים תחת אירועים ברמת התכנון; (ו) מזמרות קומה ברעידת אדמה קשה; (ז) תאוצות אבסולוטיות בסיפור תחת רעידות אדמה תכופות; (ח) תאוצות מוחלטות של סיפור תחת אירועים ברמת התכנון; (I) תאוצות אבסולוטיות בסיפור תחת רעידת אדמה קשה. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-protocol-15
איור 12: עקומות היסטרזיס בשכבת הבידוד ברמות שונות של רעידות אדמה, NW3. (א) VD-OP תחת רעידת אדמה תכופה; (ב) VD-OP תחת אירועים ברמת התכנון; (ג) VD-OP תחת רעידת אדמה קשה; (ד) HDRB תחת רעידת אדמה תכופה; (ה) HDRB תחת אירועים ברמת התכנון; (F) HDRB תחת רעידת אדמה קשה. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

תוצאות ניתוח פרמטרי של מכשיר VD-OP
יחסי כוח-מהירות והתנהגות היסטרית (איור 2):

כפי שמוצג באיור 2, עקומות ההיסטרזיס מדגימות כיצד התנהגות פיזור האנרגיה של הבולם משתנה עם ערכי Fמקסימליים שונים ומשרעות תזוזה. עבור ערכי Fמקסימליים קטנים יותר (למשל, 100 קילו-ניוטון), הבולם מגיע לסף הפריקה ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מחקר זה מדגים את היעילות של VD-OP (איור 1, איור 2 ואיור 3) בשיפור העמידות הסייסמית באמצעות פיזור אנרגיה מבוקר והגבלת כוח. תוצאות הניסוי (איור 4, איור 13 ואיור 14) מאשרות כי ה-VD-OP מפחית כוחות שיכוך מוגזמים בתנועות במהירות גבוהה, ומפחית את סיכוני הנזק המבני. מחקרים פרמטריים מצביעים עוד על כך שיחס כוח סף אופטימל...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים מצהירים כי אין ניגוד עניינים בנוגע לפרסום מאמר זה.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מחקר זה נתמך על ידי פרויקט המחקר הבסיסי של מעבדת המפתח הממלכתית של משרד המדע והטכנולוגיה (מענק מספר SLDRCE19-A-10). כל התמיכה מודה בהכרת תודה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
תוכנת בדיקה דינמיתשנחאי הואלונגHDTS-v3.0תואם ל-GB/T 20688.1-2007
ETABS-ניתוח ועיצוב מבנים מחשבים ומבנים, בע"מ19.0.2למידול ביצועים וניתוח מבני
תא עומסנינגבו סאישיC3M-3000לניסויים עם קיבולת של 3000 kN
LVDTשנחאי הואלונגHLVDT1000לניסויים עם ± טווח של 1000 מ"מ ורזולוציה של 0.01 מ"מ
חיישן מגנטוסטריקטיMTS (ארה"ב)סדרת MTS-Rלניסויים עם ± מרחק נסיעה של 800 מ"מ
מטלאבמת'וורקס2024לחישוב הניסויים
מפעיל סרוו-הידראולישנחאי הואלונגYJW-20000לניסויים עם ± מהלך של 800 מ"מ, ופלוסמן; קיבולת דינמית של 2000 kN

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Chen, X., Yang, H. T. Y., Shan, J. Z., Hansma, P. K. Bio-inspired passive optimized base-isolation system for seismic mitigation of building structures. J Eng Mech. 142 (1), 1-12 (2015).
  2. De Domenico, D., Ricciardi, G. An enhanced base isolation system equipped with optimal tuned mass damper inerter (tmdi). Earthq Eng Struct Dyn. 47 (5), 1169-1192 (2018).
  3. Xu, W., Du, D., Wang, S., Liu, W., Li, W. Shaking table tests on the multi-dimensional seismic response of long-span grid structure with base-isolation. Eng Struct. 201, 109802(2019).
  4. Zelleke, D. H., Matsagar, V. A. Multi-hazard stochastic response assessment of base-isolated buildings. Struct Infrastruct Eng. 20 (3), 301-325 (2022).
  5. Chen, P., Wang, B., Karavasilis, T. L., Dai, K. S. A compatible uniaxial Bouc-Wen model for accurate estimation of residual deformation of seismically isolated structures. Eng Struct. 297, 117021(2023).
  6. Han, Q., Jing, M., Lu, Y. Shaking table tests on the seismic response of truss structure with air spring-fps three-dimensional isolation bearing. Earthq Eng Struct Dyn. 52 (15), 4964-4986 (2023).
  7. Zhang, R., Wu, M., Lu, W., Li, X., Lu, X. Seismic retrofitting of a historic building by using an isolation system with a weak restoring force. Soil Dyn Earthq Eng. 148, 106836(2021).
  8. Wu, D., Tesfamariam, S., Xiong, Y. FRP-laminated rubber isolator: Theoretical study and shake table test on isolated building. J Earthq Eng. 27 (5), 1302-1323 (2022).
  9. Robinson, W. H. Lead rubber hysteretic bearings suitable for protecting structures during earthquakes. Earthq Eng Struct Dyn. 10 (4), 593-604 (1982).
  10. Cao, S., Ozbulut, O. E., Wu, S., Sun, Z., Deng, J. Multi-level SMA/lead rubber bearing isolation system for seismic protection of bridges. Smart Mater Struct. 29, 055045(2020).
  11. Yavas, M. S., Gao, Z., Mekaoui, N., Saito, T. A machine learning-based hybrid seismic analysis of a lead rubber bearing isolated building specimen. Soil Dyn Earthq Eng. 174, 108217(2023).
  12. Mokha, A., Constantinou, M. C., Reinhorn, A. M., Zayas, V. A. Experimental study of friction-pendulum isolation system. J Struct Eng. 117 (4), 1201-1217 (1991).
  13. Chen, X., Xiong, J. F. Seismic resilient design with base isolation device using friction pendulum bearing and viscous damper. Soil Dyn Earthq Eng. 153, 107073(2022).
  14. Shang, J., Tan, P., Han, J., Zhang, Y., Li, Y. Performance of seismically isolated buildings with variable friction pendulum bearings under near-fault ground motions. J Build Eng. 45, 103584(2022).
  15. Hu, X., Zhao, Z., Yang, K., Wang, L., Chen, Q. Novel triple friction pendulum-tuned liquid damper for the wind-induced vibration control of airport control towers. Thin wall Struct. 182 (part B), 110337(2023).
  16. Tsai, M. H., Wu, S. Y., Chang, K. C., Lee, G. C. Shaking table tests of a scaled bridge model with rolling-type seismic isolation bearings. Eng Struct. 29 (5), 694-702 (2007).
  17. Lu, Y., et al. Study on the vibration isolation performance of sliding-rolling friction composite vibration isolation bearing. Build. 14 (7), 2053(2024).
  18. Li, Z., Chen, X., Huang, G., Kareem, A., Zhou, X. Alongwind and crosswind response of friction-pendulum base-isolated high-rise buildings. Eng Struct. 293, 116564(2023).
  19. Zhong, J., Zhu, Y., Han, Q. Impact of vertical ground motion on the statistical analysis of seismic demand for frictional isolated bridge in near-fault regions. Eng Struct. 278, 115512(2023).
  20. Zhao, Z., Wang, Y., Hu, X., Weng, D. Seismic performance upgrading of containment structures using a negative-stiffness amplification system. Eng Struct. 262, 114394(2022).
  21. Jiang, Y., Zhao, Z., Zhang, R., De Domenico, D., Pan, C. Optimal design based on analytical solution for storage tank with inerter isolation system. Soil Dyn Earthq Eng. 129, 105924(2020).
  22. Engle, T., Mahmoud, H., Chulahwat, A. Hybrid tuned mass damper and isolation floor slab system optimized for vibration control. J Earthq Eng. 19 (8), 1197-1221 (2015).
  23. De Domenico, D., Ricciardi, G. Optimal design and seismic performance of tuned mass damper inerter (tmdi) for structures with nonlinear base isolation systems. Earthq Eng Struct Dyn. 47 (12), 2539-2560 (2018).
  24. Qian, F., Luo, Y. F., Sun, H. X., Tai, W. C., Zuo, L. Optimal tuned inerter dampers for performance enhancement of vibration isolation. Eng Struct. 198, 109464(2019).
  25. Sheng, P., Zhang, Z. H., Jing, S. X., Zhao, F. Isolation performance of the quasi-zero stiffness isolation system enhanced by mixed tuned inerter damper. Int J Struct Stability Dyn. , (2024).
  26. Tai, Y. J., He, X. H., Huang, Z. W., Wang, W. X., Hua, X. G. Nonlinear dynamic characteristics of crank train inerters for vibration isolation. Nonlinear Dyn. 112 (1), 197-214 (2024).
  27. Tan, Y., Chen, T., Li, Z. Performance of optimum accelerated oscillator damper-based isolation system for buildings. Eng Struct. 235, 112044(2021).
  28. Wang, H., Shen, W. A., Zhu, H. P., Luo, H. Stochastic optimization of a nonlinear base isolation system with LRB and EIMD for building structures. Struct Control Health Monit. 2023, 8392421(2023).
  29. Zhang, R. H., Soong, T. T. Seismic design of viscoelastic dampers for structural applications. J Struct Eng. 118 (5), 1375-1392 (1992).
  30. Silvestri, S., Trombetti, T. Physical and numerical approaches for the optimal insertion of seismic viscous dampers in shear-type structures. J Earthq Eng. 11 (5), 787-828 (2007).
  31. Dong, B., Sause, R., Ricles, J. M. Modeling of nonlinear viscous damper response for analysis and design of earthquake-resistant building structures. Bull Earthq Eng. 20 (3), 1841-1864 (2022).
  32. Chen, M., et al. Identifying potential debris flow hazards after the 2022 Mw 6.8 Luding earthquake in southwestern China. Bull Eng Geol Environ. 83, 241(2024).
  33. Yao, C., et al. Damages of highway tunnels during 2022 Luding earthquake (Mw=6.6). Soil Dyn Earthq Eng. 177, 108357(2024).
  34. Dai, K., et al. Seismic analysis of a base-isolated reinforced concrete frame using high damping rubber bearings considering hardening characteristics and bidirectional. Struct. 46, 698-712 (2022).
  35. Chen, B., Dai, J., Song, T., Guan, Q. Research and development of high-performance high-damping rubber materials for high-damping rubber isolation bearings: A review. Polymers. 14 (12), 2427(2022).
  36. Wang, S. J., Lin, W. C., Chiang, Y. S., Hwang, J. S. Coupled bilateral hysteretic behavior of high-damping rubber bearings under non-proportional plane loading. J Earthq Eng. 26 (9), 4421-4448 (2022).
  37. Mckenna, F., Fenves, G. L., Scott, M. H. Open system for earthquake engineering simulation. , http://opensees.berkeley.edu (2003).
  38. Etabs, building analysis and design, 2021. , Available from: Https://www.Csiamerica.Com/products/etabs (2021).
  39. MOHURD. Code for Seismic Design of Buildings (GB/T 50011-2010). , Architecture and Building Press. (2016).
  40. Okada, Y., et al. Recent progress of seismic observation networks in Japan - Hi-net, F-net, K-net and KiK-net. Earth Planets Space. 56, xv-xxviii (2004).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

Seismic IsolationNonlinear DampingForce LimitingEnergy DissipationMechanical ModelExperimental ValidationParametric StudyStructural Protection

מאמרים קשורים