Meccanismo di controllo delle vibrazioni a più stadi ed efficacia sperimentale dello smorzatore viscoso con protezione da sovraccarico

Sommario

Qui presentiamo la progettazione, il collaudo e l'applicazione di uno smorzatore viscoso con protezione da sovraccarico (VD-OP) per l'isolamento sismico nelle strutture. Include la modellazione meccanica, i test dei prototipi e l'integrazione con cuscinetti in gomma ad alto smorzamento per migliorare le prestazioni sismiche limitando la trasmissione della forza e mantenendo l'integrità strutturale.

Abstract

Questa ricerca presenta un innovativo sistema ibrido di isolamento sismico che integra uno smorzatore viscoso con protezione da sovraccarico (VD-OP) per migliorare le prestazioni sismiche e superare i limiti dei metodi di isolamento tradizionali. Il VD-OP incorpora un meccanismo di smorzamento non lineare dipendente dallo spostamento e una funzione di limitazione della forza, che controlla efficacemente le forze di smorzamento eccessive durante i movimenti ad alta velocità causati da intensità sismiche variabili. Viene sviluppato un modello meccanico, calibrato sulla base di dati sperimentali, per replicare le caratteristiche di smorzamento non lineare e protezione da sovraccarico del VD-OP. Le simulazioni numeriche sono convalidate attraverso test sperimentali, fornendo una solida base per l'ottimizzazione dei parametri e la valutazione delle prestazioni. I risultati mostrano che la funzione di limitazione della forza svolge un ruolo fondamentale nel ridurre le forze eccessive sullo strato di isolamento, migliorare l'efficienza dell'isolamento e controllare le risposte di accelerazione nella sovrastruttura. Gli studi parametrici e le analisi dei casi in diversi scenari sismici confermano le forti capacità di dissipazione dell'energia e l'adattabilità del sistema, garantendo un isolamento efficace durante i terremoti frequenti, una deformazione controllata in caso di eventi a livello di progetto e una protezione strutturale durante i terremoti più gravi. L'approccio di progettazione basato sulle prestazioni qui proposto offre una guida pratica per l'implementazione del sistema VD-OP, presentando una soluzione affidabile per migliorare la resilienza sismica delle strutture ingegneristiche.

Introduzione

La tecnologia di isolamento sismico è riconosciuta come una strategia efficace per mitigare le vibrazioni strutturali durante i terremoti, migliorando la sicurezza e la resilienza delle strutture ingegneristiche ^1,2,3. Introducendo uno strato isolante flessibile tra la sovrastruttura e le sue fondamenta, l'isolamento sismico riduce la trasmissione delle forze sismiche, disaccoppiando efficacemente le strutture dell'edificio dal movimento del terreno ^4,5,6. Questo meccanismo porta a una significativa riduzione dell'accelerazione strutturale e della deriva tra i piani, garantendo la protezione sia della struttura che dei suoi occupanti. Vari dispositivi di isolamento, tra cui cuscinetti in gomma laminata ^7,8, cuscinetti in gomma con nucleo in piombo ^9,10,11, cuscinetti a pendolo ad attrito 12,13,14,15 e cuscinetti volventi ^16,17, sono comunemente usati nella progettazione sismica di grattacieli¹⁸, ponti¹⁹ e altri infrastrutture essenziali^20,21.

Nonostante la loro ampia applicazione, i sistemi di isolamento sismico convenzionali devono affrontare sfide in condizioni sismiche estreme. In particolare, un'insufficiente ridondanza nello strato isolante e un'eccessiva deformazione durante i grandi terremoti possono compromettere l'efficienza dell'isolamento e comportare rischi per la sicurezza. Per affrontare queste limitazioni, sono stati proposti sistemi di isolamento ibridi che combinano ammortizzatori, smorzatori a massa sintonizzata²² e smorzatori a base inertere 23,24,25. Questi sistemi combinano la capacità di dissipazione dell'energia degli smorzatori con le capacità di controllo delle vibrazioni degli smorzatori a massa sintonizzata, migliorando la resilienza sismica delle strutture primarie 26,27,28. Tuttavia, molti di questi sistemi avanzati rimangono confinati alle analisi teoriche e agli studi di laboratorio. Le loro configurazioni complesse e gli elevati costi di implementazione ne ostacolano l'ampia applicazione in progetti di ingegneria pratica. Inoltre, i sistemi di isolamento ibridi basati sui classici smorzatori viscosi 29,30,31 soffrono di uno svantaggio intrinseco: un'eccessiva forza di smorzamento in caso di deformazione ad alta velocità. Questo problema diminuisce l'efficacia dell'isolamento durante i terremoti a più livelli, migliora la risposta all'accelerazione della sovrastruttura e aumenta il rischio di cedimento all'interno dello strato di isolamento. Uno smorzamento eccessivo non solo mina i benefici previsti dell'isolamento sismico, ma introduce anche nuove vulnerabilità, in particolare in caso di rare ma intense eccitazioni sismiche. Come osservato nel terremoto di magnitudo 6.8 Luding^del 2022 ^32,33, un edificio dotato di un sistema di isolamento viscoso a smorzamento ha dovuto affrontare una sfida inaspettata. La velocità relativa attraverso l'ammortizzatore ha superato i suoi limiti di progetto, risultando in una forza di smorzamento ben oltre le specifiche previste. Questo risultato evidenzia l'urgente necessità di progressi in tecnologie di smorzamento robuste e affidabili in grado di resistere a forze sismiche imprevedibili. La ricerca di una maggiore protezione sismica continua, mentre ricercatori e ingegneri si sforzano di sviluppare soluzioni innovative per salvaguardare le strutture e le vite nei futuri terremoti.

Per superare queste sfide, questo studio propone un nuovo sistema di isolamento ibrido dotato di uno smorzatore viscoso con protezione da sovraccarico (VD-OP). Il VD-OP incorpora un innovativo meccanismo di limitazione della forza che limita la forza di smorzamento ad alte velocità, garantendo che il sistema di isolamento mantenga la sua efficienza al variare delle intensità sismiche. Viene creato un modello meccanico, calibrato con dati sperimentali, per simulare il comportamento di smorzamento non lineare e le caratteristiche di protezione da sovraccarico del VD-OP. Una serie di simulazioni numeriche viene convalidata attraverso test sperimentali, fornendo un solido framework per l'ottimizzazione dei parametri e la valutazione delle prestazioni. L'analisi parametrica viene eseguita rispetto ai parametri non lineari del VD-OP, dato che viene proposto un approccio progettuale orientato alle prestazioni. Seguendo i set di parametri suggeriti e il diagramma di flusso di progettazione, vengono esaminati i casi di progettazione comparativa per illustrare l'efficacia del sistema di isolamento basato su VD-OP contro le eccitazioni sismiche multilivello.

Protocollo

Metodo di simulazione meccanica per lo smorzatore viscoso con protezione da sovraccarico (VD-OP)
Costruzione del dispositivo, principio di funzionamento e significato del VD-OP

Tutti i componenti del VD-OP sono illustrati nella Figura 1, compreso un tubo esterno, uno stelo del pistone e l'olio di smorzamento. Il tubo esterno è realizzato con materiali ad alta resistenza e utilizzato per racchiudere i componenti interni, garantendo un ambiente sigillato per evitare perdite d'olio. Lo stelo del pistone, solitamente composto da acciaio ad alta resistenza, si alterna all'interno del tubo, collegato a un pistone che forza l'olio di smorzamento attraverso orifizi restrittivi, in grado di generare una resistenza proporzionale alla velocità di movimento dello stelo, dissipando così l'energia dalle forze applicate. Quando si verifica un carico eccessivo, viene attivato il meccanismo della superficie di attrito. Se la forza applicata supera la soglia di progetto, la superficie di attrito si attiva, generando forze resistive aggiuntive che limitano la velocità di spostamento dello stelo del pistone.

Il principio costruttivo e meccanico proposto del VD-OP (Figura 1) è in grado di garantire che la serranda funzioni entro limiti di sicurezza sia in condizioni normali che di sovraccarico, offrendo notevoli vantaggi. Limitando la forza a F_max, previene il sovraccarico, che è fondamentale per salvaguardare la serranda dal cedimento durante le forti attività sismiche. Questa caratteristica non solo migliora la durata della serranda, ma migliora anche il controllo della risposta strutturale durante i terremoti, aumentando così la sicurezza e la stabilità della struttura. In conclusione, il VD-OP fornisce una soluzione efficace per la dissipazione di energia in applicazioni strutturali, soprattutto in condizioni sismiche, integrando un meccanismo che impedisce il sovraccarico. Ciò porta a una maggiore affidabilità e sicurezza, posizionandolo come un'opzione superiore rispetto ai tradizionali smorzatori viscosi.

Il VD-OP (Viscous Damper with Overload Protection) presenta un caratteristico rapporto forza-velocità che differisce dai tradizionali smorzatori viscosi (VD). Questa saturazione impedisce all'ammortizzatore di subire forze oltre la sua capacità di progetto, salvaguardandolo così da potenziali guasti in condizioni estreme. Al contrario, i sistemi VD tradizionali mancano di questa caratteristica di saturazione, continuando a mostrare una relazione forza-velocità lineare senza alcun limite alla forza. Ciò può essere dannoso in situazioni in cui le forze applicate superano i limiti di progettazione dell'ammortizzatore, causando potenzialmente danni strutturali. La curva nella Figura 1 mostra un tipico loop, con la forza che si livella a F_max per velocità più elevate. Questo comportamento garantisce che l'ammortizzatore rimanga entro i suoi limiti operativi, impedendo l'assorbimento di forze eccessive e migliorando così la sicurezza e l'affidabilità complessive del sistema strutturale.

Figura 1: Illustrazione per la costruzione della proposta di smorzatore viscoso con protezione da sovraccarico (VD-OP). (A) Schema di VD-OP; (B) Aspetto fisico di VD-OP; (C) Forza di uscita vs velocità relativa tra i due terminali; (D) Curva isteretica tipica di VD-OP. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Relazione costitutiva del VD-OP

La Figura 1 illustra il modello meccanico e la curva isteretica di VD-OP. Inizialmente, la relazione segue una dipendenza lineare, espressa come F = CV, dove F è la forza di smorzamento fornita dal VD-OP, C è il coefficiente di smorzamento e V è la velocità relativa tra le due estremità del VD-OP, per velocità inferiori a una certa soglia. Tuttavia, una volta che la velocità supera questa soglia, la forza si satura a un valore massimo, F_max, fornendo un meccanismo critico di protezione da sovraccarico. La distinzione principale tra il VD-OP e gli smorzatori viscosi convenzionali è l'integrazione di un ulteriore dispositivo di protezione da sovraccarico all'interno del dispositivo. La caratteristica principale del design del VD-OP è la sua forza di scarico, indicata come F_max, che è governata dalla forza di attrito generata sulla superficie di attrito integrata. Una volta specificato il materiale di attrito, il coefficiente di attrito può essere facilmente determinato. Secondo la legge di Coulomb, la forza di attrito F_max è espressa come F_max = μP_pre, dove μ è il coefficiente di attrito e P_pre è la prepressione applicata. Pertanto, regolando P_pre, F_max può essere calibrato con precisione per soddisfare specifici requisiti di progettazione, migliorando così la funzionalità e l'adattabilità del dispositivo.

Analisi dei parametri per il VD-OP

In base alla relazione costitutiva di VD-OP (Figura 1), sono state analizzate le proprietà di dissipazione dell'energia. Impostare il coefficiente di smorzamento e l'esponente di velocità di VD-OP sono C = 500 kN•s^0,6/mm^0,6 e α = 0,6 e modificare le diverse forze massime di scarico F_max e gli spostamenti δ. Le curve di isteresi del VD-OP sono rappresentate in base a parametri variabili (Figura 2). Impostare le forze massime di scarico e gli spostamenti F_max = 200kN e δ = 1,2 mm e modificare i coefficienti di smorzamento C e gli esponenti di velocità α. Le curve di isteresi del VD-OP sono rappresentate in base a parametri variabili (Figura 3).

Figura 2: Curve di isteresi di VD-OP con F_max diverso a vari δ di spostamento: (A) δ = 0,8 mm, F_max = 100kN; (B) δ = 1,2 mm, F_max = 100kN ; (C) δ = 1,6 mm, F_max = 100 kN; (D) δ = 0,8 mm, F_max = 300kN ; (E) δ = 1,2 mm, F_max = 300kN ; (F) δ = 1,6 mm, F_max = 300kN; (G) δ = 0,8 mm, F_max = 500kN ; (H) δ = 1,2 mm, F_max = 500kN ; (I) δ = 1,6 mm, F_max = 500 kN. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Curve di isteresi di VD-OP con C e α diversi: (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 . Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Procedure di prova sperimentale del VD-OP
Test del prototipo e del dispositivo

In base alla costruzione del dispositivo VD-OP menzionata in precedenza, viene creato un prototipo del dispositivo VD-OP per studiarne le prestazioni meccaniche. Un attuatore uniassiale (Figura 4) viene utilizzato per testare il comportamento meccanico di VD-OP. L'impianto idraulico del dispositivo di prova comprende una pompa servoidraulica da 100 kW con portata controllata da PID, un attuatore con una corsa di ±800 mm, una capacità di prova statica di 3000 kN e una capacità di prova dinamica di ±2000 kN. I sensori includono una cella di carico da 3000 kN per la misurazione della forza e un LVDT con una portata di ±1000 mm per la misurazione dello spostamento. Vengono forniti i parametri (Tabella 1) e il protocollo di caricamento (Tabella 2) del VD-OP.

Prove sperimentali e procedura di simulazione numerica

L'esperimento mostrato nella Figura 4 può fornire preziose informazioni sulle caratteristiche prestazionali di VD-OP. Prima del test, la calibrazione dinamica viene eseguita utilizzando un peso morto, seguita da una regolazione del punto zero dopo un periodo di riscaldamento di 30 minuti. Installare l'ammortizzatore VD-OP tra le piastre superiore e inferiore, con l'allineamento assicurato utilizzando uno strumento di allineamento laser per ottenere coassialmente. L'allentamento meccanico viene eliminato applicando tre pre-cicli con un'ampiezza del ±5% della corsa massima e una frequenza di 0,01 Hz. L'acquisizione dei dati e la post-elaborazione comportano la sincronizzazione automatica dei segnali di forza, spostamento e temperatura da parte del sistema di controllo sperimentale. La deriva del sensore viene compensata utilizzando coefficienti pre-calibrati. Inoltre, per convalidare ulteriormente l'accuratezza dei risultati dei test e l'analisi degli elementi finiti, OpenSees è stato utilizzato per replicare le condizioni di test VD-OP. I parametri del dispositivo e gli scenari di carico nel modello agli elementi finiti sono stati mantenuti coerenti con quelli dei test fisici.

Figura 4: Diagramma di flusso del setup sperimentale. La procedura sperimentale inizia con la calibrazione dinamica del peso morto e la regolazione del punto zero dopo un riscaldamento di 30 minuti, seguita dall'installazione di uno smorzatore VD-OP allineato al laser tra le piastre con un pre-ciclo del ±5% (0,01 Hz) per eliminare l'allentamento. I dati di forza, spostamento e temperatura vengono acquisiti in modo sincrono con la compensazione della deriva, mentre le simulazioni OpenSees replicano i parametri di test per convalidare la coerenza sperimentale e FEA. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Sviluppo del sistema di isolamento VD-OP
Configurazione del sistema di isolamento VD-OP

Sulla base del VD-OP menzionato in precedenza, viene descritta la configurazione meccanica del sistema di isolamento VD-OP (Figura 5), compresi i cuscinetti in gomma ad alto smorzamento (HDRB) e VD-OP. Gli HDRB sono efficaci nell'assorbire energia e ridurre le forze sismiche in condizioni normali, ma durante rari terremoti possono subire grandi deformazioni e mostrare un indurimento della rigidità, che potrebbe minare le prestazioni di isolamento. Per quanto riguarda il tradizionale smorzatore viscoso, potrebbe anche guastarsi in condizioni così estreme a causa di forze eccessive. Pertanto, viene proposto un metodo di isolamento VD-OP per il controllo sismico strutturale. Nel sistema di isolamento proposto, VD-OP affronta questi problemi incorporando un meccanismo di protezione da sovraccarico che impedisce allo smorzatore di superare la sua capacità di forza, evitando così guasti durante rari terremoti. Inoltre, limitando l'uscita di forza dell'ammortizzatore, il VD-OP aiuta a contrastare l'indurimento della rigidità dell'HDRB, mantenendo migliori prestazioni di isolamento anche in caso di grandi deformazioni. In sintesi, il sistema di isolamento VD-OP è stato sviluppato per migliorare la sicurezza e le prestazioni delle strutture edilizie, garantendo che sia la dissipazione di energia che le limitazioni di forza siano gestite in modo efficace, affrontando le potenziali carenze degli HDRB durante gli eventi estremi. L'efficacia del VD-OP all'interno del sistema di isolamento è probabilmente supportata dall'indagine sperimentale eseguita in questo studio.

Principio meccanico del sistema di isolamento VD-OP

Viene stabilita l'equazione del moto che governa una struttura SDOF lineare smorzata sotto eccitazione sismica. La massa strutturale m, la molla lineare k e il coefficiente di smorzamento viscoso

Viene stabilita l'equazione del moto che governa una struttura SDOF lineare smorzata sotto eccitazione sismica. Si ritiene che la massa strutturale m, la molla lineare k e il coefficiente di smorzamento viscoso c rappresentino la torre di controllo aeroportuale equivalente. L'equazione del moto può essere espressa come:

dove m_i è la massa dello strato di isolamento, u_i e u sono lo spostamento dello strato di isolamento e la struttura primaria, rispettivamente, F_VD-OP e F_HDRB sono le forze di uscita di VD-OP e HDRB, è l'accelerazione sismica. Le forze di uscita F_VD-OP possono essere calcolate come segue:

La forza di uscita F_HDRB può essere ottenuta per mezzo del modello meccanico DHI, che segue l'equazione:

F_HDRB = τ_DHI • A_HDRB (3)

dove τ_DHI e A_HDRB sono la sollecitazione di taglio utilizzando il modello DHI e l'area efficace di HDRB.

Figura 5: Illustrazione del sistema di isolamento basato su VD-OP proposto per le strutture edilizie. (A) Diagramma del sistema di isolamento VD-OP, (B) curva di isteresi tipica di HDRB, (C) modello meccanico di un sistema a singolo grado di libertà con sistema di isolamento basato su VD-OP. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Analisi dei parametri per il sistema di isolamento VD-OP

È stata condotta un'analisi parametrica su un modello strutturale a 2 gradi di libertà per studiare la proprietà di sovraccarico di VD-OP rispetto a varie deformazioni isolanti. La struttura superiore ha una massa di 154666,67 kg, un periodo di 0,66 s e un rapporto di smorzamento intrinseco di 0,05, mentre lo strato isolante ha una massa di 38666,67 kg. Il sistema di isolamento incorpora HDRB 34,35,36 come cuscinetti di isolamento e VD-OP. Le simulazioni sono state eseguite utilizzando OpenSees³⁷. L'HDRB è stato modellato utilizzando il materiale KikuchiAikenHDR, con un diametro del cuscinetto di 400 mm e uno spessore totale della gomma di 74 mm. Le onde sismiche con PGA=0.4 g vengono impiegate per simulare un terremoto raro. Viene illustrata la risposta dello strato di isolamento in queste rare condizioni (Figura 5).

Per migliorare le prestazioni del sistema, è stato incorporato VD-OP, con il parametro chiave di progettazione che è la forza massima di protezione da sovraccarico, F_max. Il parametro adimensionale, rapporto di forza di soglia ρ = F_max/F_BR è stato variato da 0 a 1,0, con l'indice di smorzamento di VD-OP fissato a 0,6. Vengono mostrate le risposte strutturali, tra cui lo spostamento, l'accelerazione, la deformazione dello strato isolante e la forza di taglio alla base, per diversi valori di rho (Tabella 3 e Figura 6). Vengono presentate le curve isteriche per HDRB e VD-OP sotto diversi valori del parametro ρ (Figura 7). Le curve di isteresi nella Figura 8 illustrano le prestazioni dello smorzatore VD-OP con ρ = 0,5 a diversi livelli di intensità sismica.

Figura 6: Risposte sismiche del sistema con ρ diverso. All'aumentare del rapporto forza di soglia ρ, lo spostamento strutturale inizialmente diminuisce, raggiungendo un minimo, prima di aumentare leggermente. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 7: Curve isteriche di HDRB e VD-OP con ρ diverso: (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. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 8: Curve isteretiche di VD-OP con ρ = 0,5 in caso di terremoti frequenti, di fortificazione e rari. (A) Terremoti frequenti; (B) Eventi a livello di progettazione; (C) Forte terremoto. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Esempio numerico di configurazione di strutture isolate incorporate VD-OP
Simulazione della struttura originale

Una struttura a telaio in calcestruzzo a tre piani viene utilizzata per eseguire l'analisi di isolamento sismico per valutare l'efficacia e l'applicabilità del sistema di isolamento VD-OP. Il processo di analisi strutturale è stato eseguito utilizzando il software ETABS³⁸ e sono illustrati il modello strutturale e il layout della pianta (Figura 9). La struttura misura circa 32 m per 15,6 m e ha una massa totale di circa 1856 tonnellate. Il calcestruzzo utilizzato nei pavimenti, nelle travi e nelle colonne ha una resistenza alla compressione di 30 MPa. I modi di vibrazione strutturale comportano movimenti di traslazione nelle direzioni X e Y, con periodi corrispondenti di 0,66 s e 0,61 s, e un modo torsionale attorno all'asse Z con un periodo di 0,54 s. Dato che il rapporto tra i periodi del primo e del terzo modo supera 0,9, ciò indica una debole prestazione torsionale per l'indagine della risposta sismica.

Figura 9: Schema di analisi dell'isolamento sismico della struttura a telaio in calcestruzzo a tre piani per valutare l'efficacia e l'applicabilità del sistema di isolamento VD-OP. (A) Vista prospettica del modello agli elementi finiti della struttura originaria; (B) Piano strutturale del racconto tipico; (C) Spettri di accelerazione normalizzati dei cinque moti del suolo in ingresso. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Progettazione del sistema di isolamento VD-OP
Il sistema di isolamento VD-OP è implementato per migliorare la resilienza sismica strutturale limitando le risposte di accelerazione trasferite all'interno dello strato di isolamento. La progettazione basata sulle prestazioni del VD-OP prevede un processo completo che comprende quattro passaggi chiave: (1) valutazione delle prestazioni della struttura originale, (2) definizione dell'obiettivo per il miglioramento delle prestazioni, (3) progettazione della struttura isolata basata su VD-OP e (4) convalida delle sue prestazioni sismiche. Il rapporto γ_forza di taglio e il rapporto di accelerazione strutturale γ_ACC , che rappresentano il livello target di miglioramento delle prestazioni, possono essere stabiliti utilizzando valori tipici predeterminati o requisiti ingegneristici specifici. Questo γ_SF può essere calcolato come il rapporto tra le risposte alla forza di taglio di picco della struttura primaria e quelle della struttura isolata basata su VD-OP, mentre γ_ACC può essere calcolato come il rapporto tra le risposte di accelerazione di picco della struttura primaria e quelle della struttura isolata basata su VD-OP. La progettazione dei parametri del VD-OP prevede la selezione di set di parametri rappresentativi per ottenere le caratteristiche di rigidità e smorzamento desiderate, tra cui il coefficiente di smorzamento, l'esponente di smorzamento e la forza di soglia del protettore di sovraccarico F_max . I parametri menzionati possono essere determinati in base ai risultati parametrici delle indagini sulle proprietà meccaniche e al principio di progettazione che minimizza le risposte all'accelerazione della struttura isolata basata su VD-OP in caso di terremoti rari. Secondo la procedura di progettazione illustrata sopra, viene riassunto il diagramma di flusso di progettazione dei parametri (Figura 10).

Figura 10: Diagramma di flusso di progettazione del sistema di isolamento ibrido basato su VD-OP proposto. La progettazione VD-OP comporta: (1) la valutazione della struttura originale, (2) la definizione dei rapporti di miglioramento target (α della forza di taglio e β di accelerazione), (3) l'ottimizzazione dei parametri di smorzamento (coefficiente, esponente, forza di soglia) per una risposta sismica minima e (4) la convalida delle prestazioni. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Impostando l'efficienza di isolamento target, valutata dalla forza di taglio di base target γ_{SF, Tar} e dal rapporto di accelerazione strutturale γ_{ACC, Tar} come 0,35 sotto il terremoto frequente, è stato aggiunto uno strato di isolamento sismico che incorpora l'HDRB e il nuovo VD-OP alla base della struttura primaria. I parametri specifici per HDRB e VD-OP sono dettagliati e illustrati (Tabella 4 e Tabella 5).

Analisi dinamica della struttura con il sistema di isolamento VD-OP

La struttura è progettata per resistere a un'intensità di fortificazione sismica di sette gradi (0,15 g) e si trova su un sito di categoria IV, classificato come sito di terreno soffice³⁹. Lo spettro di risposta del sito ha un periodo caratteristico di T_g = 0,75 s. 4.16 Date queste condizioni del sito, sono state scelte per l'analisi sette registrazioni storiche sismiche, tra cui due cronologie artificiali del movimento del suolo e cinque cronologie naturali del movimento del suolo provenienti dal database K-KET in Giappone⁴⁰. Vengono presentate informazioni dettagliate su queste registrazioni sismiche (Tabella 6) e vengono forniti anche i loro spettri di risposta all'accelerazione (Figura 9).

Per valutare le prestazioni dell'HDRB in vari scenari sismici, le storie temporali del movimento del suolo sono state scalate per ottenere accelerazioni di picco al suolo (PGA) di 35 gal, 100 gal e 220 gal³⁹. Questi valori PGA, corrispondenti rispettivamente a terremoti frequenti, terremoti di fortificazione e terremoti rari, sono stati selezionati per garantire una valutazione approfondita della resilienza sismica della struttura isolata. Le risposte dinamiche delle strutture originali, delle strutture con un sistema di isolamento VD-OP basato su HDRB e delle strutture isolate da LRB sono state analizzate a fondo in condizioni di terremoto frequente, di fortificazione e raro, concentrandosi sullo spostamento tra piani, sull'accelerazione e sulla forza di taglio. Vengono illustrate le risposte comparative dettagliate (Figura 11). Vengono illustrate le curve di isteresi di VD-OP sotto l'input di movimento del suolo NW3 per terremoti frequenti, di fortificazione e rari (Figura 12).

Figura 11: La storia si sposta sotto diversi livelli di terremoti. (A) La storia si sposta sotto frequenti terremoti; (B) La storia si sposta sotto gli eventi a livello di progettazione; (C) La storia va alla deriva sotto forti terremoti. (D) Cesoie per storie in caso di terremoti frequenti; (E) Cesoie per storie in eventi a livello di progettazione; (F) Cesoie per storie in caso di forte terremoto; (G) Accelerazioni assolute in caso di terremoti frequenti; (H) Accelerazioni assolute della storia in eventi a livello di progettazione; (I) Storia delle accelerazioni assolute in caso di forte terremoto. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 12: Curve di isteresi nello strato di isolamento sotto diversi livelli di terremoti, NW3. (A) VD-OP in caso di terremoto frequente; (B) VD-OP in eventi a livello di progettazione; (C) VD-OP in caso di forte terremoto; (D) HDRB in caso di terremoti frequenti; (E) HDRB in occasione di eventi a livello di progettazione; (F) HDRB in caso di forte terremoto. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Risultati

Risultati dell'analisi parametrica del dispositivo VD-OP
Relazione forza-velocità e comportamento isteretico (Figura 2):

Come mostrato nella Figura 2, le curve di isteresi dimostrano come il comportamento di dissipazione dell'energia dello smorzatore cambi con diversi valori _{F max} e ampiezze di spostamento. Per<...

Discussione

Questo studio dimostra l'efficacia del VD-OP (Figura 1, Figura 2 e Figura 3) nel migliorare la resilienza sismica attraverso la dissipazione controllata dell'energia e la limitazione della forza. I risultati sperimentali (Figura 4, Figura 13 e Figura 14) confermano che il VD-OP mitiga le forze di smorzamento ec...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Software di test dinamico	Shanghai Hualong	HDTS-v3.0	Conforme a GB/T 20688.1-2007
ETABS-Analisi e progettazione di edifici	Computer e strutture, Inc	19.0.2	Per la modellazione delle prestazioni e l'analisi strutturale
Cella di carico	Ningbo Saishi	C3M-3000	Per esperimenti con capacità di 3000 kN
LVDT	Shanghai Hualong	HLVDT1000	Per esperimenti con ± Portata di 1000 mm e risoluzione di 0,01 mm
Sensore magnetostrittivo	MTS (Stati Uniti)	Serie MTS-R	Per esperimenti con ± Escursione 800 mm
MATLAB	MathWorks	2024	Per il calcolo degli esperimenti
Attuatore servoidraulico	Shanghai Hualong	YJW-20000	Per esperimenti con ± Corsa 800 mm, ± Capacità dinamica di 2000 kN