연구 논문

과부하 보호기가 있는 점성 댐퍼의 다단계 진동 제어 메커니즘 및 실험 효과

DOI:

10.3791/68410

⸱

2025년 9월 5일

 ,  ,  , 
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

이 논문에서

요약

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

여기에서는 구조물의 내진 격리를 위한 과부하 보호기가 있는 점성 댐퍼(VD-OP)의 설계, 테스트 및 적용을 제시합니다. 여기에는 기계적 모델링, 프로토타입 테스트, 고감쇠 고무 베어링과의 통합이 포함되어 힘 전달을 제한하고 구조적 무결성을 유지하면서 내진 성능을 향상시킵니다.

초록

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이 연구는 내진 성능을 향상시키고 기존 격리 방법의 한계를 극복하기 위해 점성 댐퍼와 과부하 보호(VD-OP)를 통합하는 혁신적인 하이브리드 내진 시스템을 제시합니다. VD-OP는 변위 의존 비선형 감쇠 메커니즘과 힘 제한 기능을 통합하여 다양한 지진 강도로 인한 고속 이동 중에 과도한 감쇠력을 효과적으로 제어합니다. 실험 데이터를 사용하여 보정된 기계 모델은 VD-OP의 비선형 감쇠 및 과부하 보호 특성을 복제하기 위해 개발되었습니다. 수치 시뮬레이션은 실험 테스트를 통해 검증되어 매개변수를 최적화하고 성능을 평가하기 위한 견고한 기반을 제공합니다. 연구 결과는 힘 제한 기능이 격리층에 가해지는 과도한 힘을 줄이고 격리 효율을 개선하며 상부 구조의 가속도 응답을 제어하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 보여줍니다. 다양한 지진 시나리오에 대한 파라메트릭 연구 및 사례 분석을 통해 시스템의 강력한 에너지 소산 기능과 적응성이 확인되어 빈번한 지진 발생 시 효과적인 격리, 설계 수준 이벤트 시 변형 제어, 심한 지진 발생 시 구조적 보호를 보장합니다. 여기에서 제안된 성능 기반 설계 접근 방식은 VD-OP 시스템 구현을 위한 실용적인 지침을 제공하여 엔지니어링 구조물의 내진 탄력성을 향상시키는 신뢰할 수 있는 솔루션을 제시합니다.

서론

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면진 기술은 지진 발생 시 구조적 진동을 완화하고 엔지니어링 구조물의 안전성과 탄력성을 향상시키는 효과적인 전략으로 인식되고 있습니다 1,2,3. 상부 구조와 기초 사이에 유연한 격리층을 도입함으로써 내진 격리는 지진력의 전달을 줄여 건물 구조를 지반 운동으로부터 효과적으로 분리합니다 4,5,6. 이 메커니즘은 구조적 가속도와 층간 드리프트를 크게 줄여 구조물과 거주자 모두를 보호합니다. 적층 고무 베어링 7,8, 납심 고무 베어링 9,10,11, 마찰 진자 베어링 12,13,14,15 및 구름 베어링 16,17을 포함한 다양한 격리 장치는 고층 건물18, 교량19 및 기타 내진 설계에 일반적으로 사용됩니다 필수 인프라20,21.

광범위한 적용에도 불구하고 기존의 방진 시스템은 극한의 지진 조건에서 어려움에 직면해 있습니다. 특히, 격리층의 이중화가 부족하고 대지진 발생 시 과도한 변형으로 인해 격리 효율이 저하되고 안전 위험이 발생할 수 있습니다. 이러한 한계를 해결하기 위해, 댐퍼, 튜닝된 질량 댐퍼(22) 및 불활성 기반 댐퍼(23,24,25)를 결합하는 하이브리드 격리 시스템이 제안되었다. 이 시스템은 댐퍼의 에너지 소산 용량과 조정된 질량 댐퍼의 진동 제어 기능을 결합하여 1차 구조물의 내진 탄력성을 향상시킵니다 26,27,28. 그러나 이러한 발전된 시스템 중 다수는 이론적 분석과 실험실 연구에 국한되어 있습니다. 복잡한 구성과 높은 구현 비용으로 인해 실제 엔지니어링 프로젝트에 널리 적용되는 데 방해가 됩니다. 더욱이, 고전적인 점성 댐퍼 29,30,31을 기반으로 하는 하이브리드 격리 시스템은 고속 변형 하에서 과도한 감쇠력이라는 고유한 단점을 겪습니다. 이 문제는 다단계 지진 시 격리 효과를 감소시키고, 상부 구조의 가속 응답을 향상시키며, 격리층 내에서 고장 위험을 높입니다. 과도한 감쇠는 지진 격리의 의도된 이점을 훼손할 뿐만 아니라 특히 드물지만 강렬한 지진 여기 하에서 새로운 취약성을 유발합니다. 2022년 Ms 6.8 Luding 지진32,33에서 관찰된 바와 같이 점성 댐퍼 격리 시스템을 갖춘 건물은 예상치 못한 어려움을 겪었습니다. 댐퍼를 가로지르는 상대 속도가 설계 한계를 초과하여 의도한 사양을 훨씬 초과하는 감쇠력이 발생했습니다. 이러한 결과는 예측할 수 없는 지진력을 견딜 수 있는 견고하고 신뢰할 수 있는 감쇠 기술의 발전이 시급히 필요하다는 점을 강조합니다. 연구원과 엔지니어가 미래 지진에서 구조물과 생명을 보호하기 위한 혁신적인 솔루션을 개발하기 위해 노력함에 따라 향상된 지진 보호에 대한 탐구는 계속되고 있습니다.

이러한 문제를 극복하기 위해 이 연구에서는 과부하 보호 기능이 있는 점성 댐퍼(VD-OP)를 특징으로 하는 새로운 하이브리드 격리 시스템을 제안합니다. VD-OP는 고속에서 감쇠력을 제한하는 혁신적인 힘 제한 메커니즘을 통합하여 격리 시스템이 다양한 지진 강도에 걸쳐 효율성을 유지하도록 보장합니다. 실험 데이터로 보정된 기계 모델은 VD-OP의 비선형 감쇠 동작 및 과부하 보호 기능을 시뮬레이션하기 위해 생성됩니다. 일련의 수치 시뮬레이션은 실험 테스트를 통해 검증되어 매개변수 최적화 및 성능 평가를 위한 강력한 프레임워크를 제공합니다. 파라메트릭 분석은 성능 지향 설계 접근 방식이 제안된 경우 VD-OP의 비선형 매개변수에 대해 수행됩니다. 제안된 매개변수 세트와 설계 순서도에 따라 비교 설계 사례를 조사하여 다단계 지진 흥분에 대한 VD-OP 기반 격리 시스템의 효율성을 설명합니다.

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프로토콜

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과부하 보호기가 있는 점성 댐퍼(VD-OP)에 대한 기계적 시뮬레이션 방법
VD-OP의 장치 구성, 작동 원리 및 의의

외부 튜브, 피스톤 로드 및 댐핑 오일을 포함하여 VD-OP의 모든 구성 요소는 그림 1에 나와 있습니다. 외부 튜브는 고강도 재료로 만들어졌으며 내부 부품을 둘러싸는 데 사용되어 오일 누출을 방지하기 위해 밀봉된 환경을 보장합니다. 일반적으로 고장력강으로 구성된 피스톤 로드는 튜브 내에서 왕복운동을 하며, 제한적인 오리피스를 통해 감쇠 오일을 강제하는 피스톤에 연결되어 로드의 이동 속도에 비례하는 저항을 생성하여 가해진 힘에서 에너지를 소산할 수 있습니다. 과도한 하중이 발생하면 마찰면 메커니즘이 작동됩니다. 가해지는 힘이 설계 임계값을 초과하면 마찰면이 활성화되어 피스톤 로드의 변위 속도를 제한하는 추가 저항력이 생성됩니다.

VD-OP의 제안된 구조 및 기계적 원리(그림 1)는 댐퍼가 정상 및 과부하 조건 모두에서 안전한 한계 내에서 작동하도록 보장할 수 있어 주목할만한 이점을 제공합니다. 힘을 F max로 제한하여 과부하를 방지하며, 이는 강한 지진 활동 중에 댐퍼가 고장나지 않도록 보호하는 데 중요합니다. 이 기능은 댐퍼의 내구성을 향상시킬 뿐만 아니라 지진 발생 시 구조적 반응 제어를 향상시켜 구조물의 안전성과 안정성을 높여줍니다. 결론적으로 VD-OP는 과부하를 방지하는 메커니즘을 통합하여 구조 응용 분야, 특히 지진 조건에서 에너지 소산을 위한 효과적인 솔루션을 제공합니다. 이는 신뢰성과 안전성을 향상시켜 기존의 점성 댐퍼보다 우수한 옵션으로 자리매김합니다.

VD-OP(과부하 보호 기능이 있는 점성 댐퍼)는 기존의 점성 댐퍼(VD)와 다른 독특한 힘-속도 관계를 나타냅니다. 이러한 포화는 댐퍼가 설계 용량을 초과하는 힘을 받는 것을 방지하여 극한 조건에서 잠재적인 고장으로부터 댐퍼를 보호합니다. 대조적으로, 기존 VD 시스템에는 이러한 포화 기능이 부족하여 힘에 대한 상한 없이 선형 힘-속도 관계를 계속 나타냅니다. 이는 가해지는 힘이 댐퍼의 설계 한계를 초과하여 잠재적으로 구조적 손상을 일으킬 수 있는 상황에서 해로울 수 있습니다. 그림 1 의 곡선은 더 높은 속도에 대해 힘이 Fmax 에서 평준화되는 일반적인 루프를 보여줍니다. 이러한 동작은 댐퍼가 작동 한계 내에 유지되도록 하여 과도한 힘의 흡수를 방지하여 구조 시스템의 전반적인 안전성과 신뢰성을 향상시킵니다.

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그림 1: 과부하 보호기(VD-OP)가 있는 제안된 점성 댐퍼의 구성에 대한 그림. (A) VD-OP의 다이어그램; (B) VD-OP의 물리적 외관; (C) 출력력 대 두 단자 사이의 상대 속도; (D) VD-OP의 전형적인 히스테리시스 곡선. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

VD-OP의 구성 관계

그림 1 은 VD-OP의 기계적 모델과 히스테리시스 곡선을 보여줍니다. 처음에 관계는 F = CV로 표현되는 선형 의존성을 따르며, 여기서 F 는 VD-OP에 의해 제공되는 감쇠력, C 는 감쇠 계수, V 는 특정 임계값 미만의 속도에 대해 VD-OP의 두 끝 사이의 상대 속도입니다. 그러나 속도가 이 임계값을 초과하면 힘은 최대값인 Fmax에서 포화되어 중요한 과부하 보호 메커니즘을 제공합니다. VD-OP와 기존 점성 댐퍼의 주요 차이점은 장치 내에 추가 과부하 보호 장치가 통합되어 있다는 것입니다. VD-OP의 핵심 설계 특징은 Fmax로 표시되는 하역력으로, 이는 통합 마찰면에서 생성된 마찰력에 의해 좌우됩니다. 마찰재가 지정되면 마찰 계수를 쉽게 결정할 수 있습니다. 쿨롱의 법칙에 따르면 마찰력 Fmax 는 Fmax = μPpre로 표현되며, 여기서 μ 는 마찰 계수이고 Ppre는 적용된 예압입니다. 따라서 Ppre를 조정함으로써 특정 설계 요구 사항을 충족하도록 Fmax 를 정밀하게 보정할 수 있으므로 장치의 기능과 적응성이 향상됩니다.

VD-OP에 대한 매개변수 분석

VD-OP의 구성 관계(그림 1)에 따라 에너지 소산 특성을 분석했습니다. VD-OP의 감쇠 계수 및 속도 지수를 C = 500kN•s0.6/mm0.6 및 α = 0.6으로 설정하고 다른 최대 언로딩 힘 Fmax 와 변위 δ로 변경합니다. VD-OP의 히스테리시스 곡선은 다양한 매개변수에서 표시됩니다(그림 2). 최대 언로드 힘과 변위를 Fmax = 200kN 및 δ = 1.2mm로 설정하고 감쇠 계수 C 와 속도 지수를 α 변경합니다. VD-OP의 히스테리시스 곡선은 다양한 매개변수에서 표시됩니다(그림 3).

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그림 2: 다양한 변위 δ에서 Fmax 가 다른 VD-OP의 히스테리시스 곡선: (A) δ = 0.8mm, Fmax = 100kN; (B) δ = 1.2mm, F최대 = 100kN ; (C) δ = 1.6mm, F최대 = 100kN ; (D) δ = 0.8mm, F최대 = 300kN ; (E) δ = 1.2mm, F최대 = 300kN ; (F) δ = 1.6mm, F최대 = 300kN ; (G) δ = 0.8mm, F최대 = 500kN ; (H) δ = 1.2mm, F최대 = 500kN ; (I) δ = 1.6mm, F최대 = 500kN . 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 3: C 및 α이 다른 VD-OP의 히스테리시스 곡선: (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 . 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

VD-OP의 실험적 테스트 절차
프로토타입 및 장치 테스트

앞서 언급한 VD-OP의 장치 구성에 따라 기계적 성능을 연구하기 위해 VD-OP 장치의 프로토타입이 만들어집니다. 단축 액추에이터(그림 4)는 VD-OP의 기계적 거동을 테스트하는 데 사용됩니다. 테스트 장치의 유압 시스템은 PID 제어 유량의 100kW 서보 유압 펌프, 스트로크 ±800mm의 액추에이터, 정적 테스트 용량 3000kN, 동적 테스트 용량 ±2000kN으로 구성됩니다. 센서에는 힘 측정을 위한 3000kN 로드셀과 변위 측정을 위한 ±1000mm 범위의 LVDT가 포함됩니다. VD-OP의 매개변수(표 1)와 로딩 프로토콜(표 2)이 제공됩니다.

실험 테스트 및 수치 시뮬레이션 절차

그림 4에 표시된 실험은 VD-OP의 성능 특성에 대한 귀중한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 테스트 전에 중동을 사용하여 동적 교정을 수행한 다음 30분의 예열 기간 후에 영점 조정을 수행합니다. 상부 플래튼과 하부 플래튼 사이에 VD-OP 댐퍼를 설치하고 레이저 정렬 도구를 사용하여 정렬을 보장하여 동축으로 달성합니다. 기계적 느슨함은 최대 스트로크의 ±5%의 진폭과 0.01Hz의 주파수로 3개의 사전 사이클을 적용하여 제거됩니다. 데이터 수집 및 후처리에는 실험 제어 시스템에 의한 힘, 변위 및 온도 신호의 자동 동기화가 포함됩니다. 센서 드리프트는 사전 보정된 계수를 사용하여 보상됩니다. 또한 테스트 결과 및 유한 요소 분석의 정확성을 추가로 검증하기 위해 OpenSees를 사용하여 VD-OP 테스트 조건을 복제했습니다. 유한 요소 모델의 장치 매개변수 및 하중 시나리오는 물리적 테스트의 매개변수와 일관되게 유지되었습니다.

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그림 4: 실험 설정의 순서도. 실험 절차는 30분 워밍업 후 동적 자중량 보정 및 영점 조정으로 시작한 다음 느슨함을 제거하기 위해 ±5% 사전 사이클링(0.01Hz)으로 플래튼 사이에 레이저 정렬 VD-OP 댐퍼 설치가 이어집니다. 힘, 변위 및 온도 데이터는 드리프트 보정을 통해 동기식으로 수집되는 반면, OpenSees 시뮬레이션은 테스트 매개변수를 복제하여 실험 및 FEA 일관성을 검증합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

VD-OP 절연 시스템 개발
VD-OP 격리 시스템 구성

앞서 언급한 VD-OP를 기반으로 고감쇠 고무 베어링(HDRB) 및 VD-OP를 포함한 VD-OP 절연 시스템(그림 5)의 기계적 구성이 설명되어 있습니다. HDRB는 정상적인 조건에서는 에너지를 흡수하고 지진력을 줄이는 데 효과적이지만 드문 지진 발생 시 큰 변형을 겪고 강성 경화를 나타내 격리 성능을 저하시킬 수 있습니다. 기존의 점성 댐퍼의 경우 과도한 힘으로 인해 이러한 극한 조건에서도 고장날 수 있습니다. 따라서 구조적 지진 제어를 위해 VD-OP 격리 방법이 제안됩니다. 제안된 격리 시스템에서 VD-OP는 댐퍼가 힘 용량을 초과하는 것을 방지하는 과부하 보호 메커니즘을 통합하여 드문 지진 발생 시 고장을 방지함으로써 이러한 문제를 해결합니다. 또한 VD-OP는 댐퍼의 힘 출력을 제한함으로써 HDRB의 강성 경화에 대응하여 큰 변형 하에서도 더 나은 절연 성능을 유지하는 데 도움이 됩니다. 요약하면, VD-OP 격리 시스템은 에너지 소산과 힘 제한을 모두 효과적으로 관리하여 건물 구조의 안전성과 성능을 향상시켜 극한 상황 시 HDRB의 잠재적인 단점을 해결하기 위해 개발되었습니다. 격리 시스템 내에서 VD-OP의 효과는 이 연구에서 실행된 실험적 조사에 의해 뒷받침될 가능성이 높습니다.

VD-OP 절연 시스템의 기계적 원리

지진 여기 하에서 선형 감쇠 SDOF 구조의 지배 운동 방정식이 설정됩니다. 구조 질량 m, 선형 스프링 k 및 점성 감쇠 계수

지진 여기 하에서 선형 감쇠 SDOF 구조의 지배 운동 방정식이 설정됩니다. 구조질량 m, 선형 스프링 k 및 점성 감쇠 계수 c 는 등가 공항 관제탑을 나타내는 것으로 간주됩니다. 동작 방정식은 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

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여기서 mi 는 격리층의 질량, u, i , u 는 각각 격리층과 1차 구조의 변위, FVD-OP 와 FHDRB 는 VD-OP와 HDRB의 출력력, figure-protocol-6 지진 가속도입니다. 출력 힘 FVD-OP 는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

figure-protocol-7

출력력 FHDRB 는 다음 방정식을 따르는 DHI 기계 모델을 통해 얻을 수 있습니다.

FHDRB = τDHI • AHDRB (3)

여기서 τDHI 와 AHDRB 는 DHI 모델과 HDRB의 유효 면적을 사용한 전단 응력입니다.

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그림 5: 건물 구조를 위해 제안된 VD-OP 기반 격리 시스템의 그림. (A) VD-OP 격리 시스템의 다이어그램, (B) HDRB의 일반적인 히스테리시스 곡선, (C) VD-OP 기반 격리 시스템을 갖춘 단일 자유도 시스템의 기계적 모델. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

VD-OP 격리 시스템에 대한 파라미터 분석

다양한 격리 변형에 대한 VD-OP의 과부하 특성을 조사하기 위해 2자유도 구조 모델에서 파라메트릭 분석을 수행했습니다. 상부 구조의 질량은 154666.67kg, 주기는 0.66초, 고유 감쇠비는 0.05이고 격리층의 질량은 38666.67kg입니다. 절연 시스템은 HDRB 34,35,36을 절연 베어링 및 VD-OP로 통합합니다. 시뮬레이션은 OpenSees37을 사용하여 수행되었습니다. HDRB는 베어링 직경 400mm, 총 고무 두께 74mm의 KikuchiAikenHDR 소재를 사용하여 모델링되었습니다. PGA=0.4g의 지진파는 희귀 지진을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. 이러한 드문 조건에서 절연층의 반응이 묘사되어 있습니다(그림 5).

시스템 성능을 향상시키기 위해 VD-OP가 통합되었으며, 주요 설계 매개변수는 최대 과부하 보호력인 Fmax입니다. 무차원 매개변수인 임계값 힘 비율 ρ = Fmax/FBR 은 0에서 1.0까지 다양했으며 VD-OP의 감쇠 지수는 0.6으로 고정되었습니다. 다양한 rho 값에 대한 변위, 가속도, 격리층의 변형 및 기본 전단력을 포함한 구조적 반응이 표시됩니다(표 3 및 그림 6). 매개변수 ρ의 서로 다른 값에서 HDRB 및 VD-OP에 대한 히스테리시스 곡선이 제시됩니다(그림 7). 그림 8의 히스테리시스 곡선은 다양한 수준의 지진 강도에서 ρ = 0.5인 VD-OP 댐퍼의 성능을 보여줍니다.

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그림 6: ρ가 다른 시스템의 지진 반응. 임계값 힘 비율 ρ가 증가함에 따라 구조적 변위는 처음에 감소하여 최소값에 도달한 후 약간 증가합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 7: ρ가 다른 HDRB 및 VD-OP의 히스테리시스 곡선: (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. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 8: 빈번하고 요새화되고 희귀한 지진에서 ρ = 0.5인 VD-OP의 히스테리즘 곡선. (A) 잦은 지진; (B) 디자인 수준 이벤트; (C) 심한 지진. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

VD-OP 통합 절연 구조의 수치 예제 설정
원래 구조의 시뮬레이션

3층 콘크리트 프레임 구조를 사용하여 VD-OP 격리 시스템의 효과와 적용 가능성을 평가하기 위해 내진 해석을 수행합니다. 구조 해석 프로세스는 ETABS 소프트웨어(38)를 사용하여 수행되었으며 구조 모델 및 평면 레이아웃이 묘사되어 있습니다(그림 9). 구조물의 크기는 약 32m x 15.6m이고 총 질량은 약 1856톤입니다. 바닥, 보, 기둥에 사용되는 콘크리트의 압축강도는 30MPa입니다. 구조적 진동 모드에는 0.66초 및 0.61초의 해당 주기를 갖는 X 및 Y 방향의 병진 이동과 0.54초 주기의 Z축 주위의 비틀림 모드가 포함됩니다. 제1모드와 제3모드의 주기 비율이 0.9를 초과한다는 점을 감안할 때 이는 지진 반응 조사에 대한 비틀림 성능이 약하다는 것을 나타냅니다.

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그림 9: VD-OP 격리 시스템의 효과와 적용 가능성을 평가하기 위한 3층 콘크리트 프레임 구조의 내진 분석 방식. (A) 원래 구조의 유한 요소 모델의 사시도; (B) 전형적인 이야기의 구조 계획; (C) 5가지 입력 지반 운동의 정규화된 가속도 스펙트럼. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

VD-OP 절연 시스템 설계
VD-OP 격리 시스템은 격리층 내에서 전달되는 가속도 반응을 제한하여 구조적 내진 탄력성을 향상시키기 위해 구현됩니다. VD-OP의 성능 기반 설계에는 (1) 원래 구조물의 성능 평가, (2) 성능 개선 목표 설정, (3) VD-OP 기반 격리 구조물 설계, (4) 내진 성능 검증의 네 가지 주요 단계로 구성된 포괄적인 프로세스가 포함됩니다. 성능 향상의 목표 수준을 나타내는 전단력 비율 γSF 및 구조 가속도 비율 γACC는 미리 결정된 일반 값 또는 특정 엔지니어링 요구 사항을 사용하여 설정할 수 있습니다. 이 γSF는 VD-OP 기반 절연 구조의 피크 전단력 응답에 대한 1차 구조의 피크 전단력 응답의 비율로 계산할 수 있는 반면, ACC γ VD-OP 기반 절연 구조의 피크 가속도 응답에 대한 1차 구조의 피크 가속도 응답의 비율로 계산할 수 있습니다. VD-OP의 매개변수 설계에는 감쇠 계수, 감쇠 지수 및 과부하 보호기 Fmax의 임계값을 포함하여 원하는 강성 및 감쇠 특성을 달성하기 위한 대표적인 매개변수 세트를 선택하는 것이 포함됩니다. 언급된 매개변수는 기계적 특성 조사의 파라메트릭 결과와 희귀 지진 시 VD-OP 기반 고립 구조물의 가속 응답을 최소화하는 설계 원리에 따라 결정될 수 있습니다. 위에 설명된 설계 절차에 따라 매개변수 설계 순서도가 요약됩니다(그림 10).

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그림 10: 제안된 하이브리드 VD-OP 기반 절연 시스템의 설계 순서도. VD-OP 설계에는 (1) 원래 구조 평가, (2) 목표 개선 비율(전단력 α 및 가속도 β) 정의, (3) 최소 지진 반응을 위한 감쇠 매개변수(계수, 지수, 임계값 힘) 최적화, (4) 성능 검증이 포함됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

목표 격리 효율을 목표 면조 효율로 평가한 목표 면조 효율을 SF,Tar γ SF,Tar 및 구조 가속도 γACC,Tar로 0.35로 설정하여 HDRB와 새로운 VD-OP를 통합한 면진층을 1차 구조물의 바닥에 추가했습니다. HDRB 및 VD-OP에 대한 특정 매개변수가 자세히 설명되어 있습니다(표 4 및 표 5).

VD-OP 격리 시스템을 사용한 구조의 동적 분석

이 구조물은 7도(0.15g)의 지진 요새화 강도를 견딜 수 있도록 설계되었으며 연약토부지 39로 분류되는 카테고리 IV 부지에 위치하고 있습니다. 현장의 응답 스펙트럼은 Tg = 0.75 s의 특성 주기를 갖습니다. 4.16 이러한 현장 조건을 감안할 때 일본의 K-KET 데이터베이스에서 가져온 2개의 인공 지반 동 시간 이력과 5개의 자연 지반 동 시간 이력을 포함하여 7개의 지진 시간사 기록이 분석을 위해 선택되었습니다40. 이러한 지진 기록에 대한 자세한 정보가 제시되어 있으며(표 6), 가속 응답 스펙트럼도 제공됩니다(그림 9).

다양한 지진 시나리오에서 HDRB의 성능을 평가하기 위해 지반 운동 시간 기록을 조정하여 35gal, 100gal 및 220gal39의 최대 지상 가속도(PGA)를 달성했습니다. 이러한 PGA 값은 각각 빈번한 지진, 요새화 지진 및 희귀 지진에 해당하며 고립된 구조물의 내진 탄력성을 철저히 평가하기 위해 선택되었습니다. 원래의 구조물, HDRB 기반 VD-OP 격리 시스템을 갖춘 구조물, LRB 고리 구조물의 동적 반응은 층간 변위, 가속도 및 전단력에 초점을 맞춰 빈번하고 요새화되고 희귀한 지진 조건에서 철저히 분석되었습니다. 자세한 비교 응답이 설명되어 있습니다(그림 11). 빈번한 지진, 요새화 지진 및 희귀한 지진에 대한 NW3 지진 입력 하에서 VD-OP의 히스테리시스 곡선이 묘사되어 있습니다(그림 12).

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그림 11: 다양한 수준의 지진에서 스토리가 드리프트됩니다. (A) 빈번한 지진에서 스토리가 드리프트됩니다. (B) 디자인 수준 이벤트에서 스토리 드리프트; (C) 이야기는 심한 지진 아래에서 표류합니다. (D) 잦은 지진으로 인해 스토리 가위; (E) 디자인 수준 이벤트의 스토리 가위; (F) 심한 지진으로 스토리 가위; (G) 빈번한 지진 하에서 이야기 절대 가속도; (H) 설계 수준 이벤트에서 스토리 절대 가속도; (I) 심한 지진에서의 이야기 절대 가속도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 12: 다양한 수준의 지진, NW3에서 격리층의 히스테리시스 곡선. (A) 빈번한 지진 하의 VD-OP; (B) 설계 수준 이벤트에 따른 VD-OP; (C) 심한 지진이 발생한 VD-OP; (D) 빈번한 지진 하의 HDRB; (E) 설계 수준 이벤트의 HDRB; (F) 심한 지진이 있는 HDRB. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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결과

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VD-OP 장치의 파라메트릭 분석 결과
힘-속도 관계 및 히스테리틱 동작(그림 2):

그림 2에서 볼 수 있듯이 히스테리시스 곡선은 댐퍼의 에너지 소산 동작이 다양한 F최대 값과 변위 진폭에 따라 어떻게 변하는지 보여줍니다. 더 작은 F최대 값(예: 100kN)의 경우 댐퍼는 더 작은 변위(예: δ = 0.8mm)에서도 언로딩 임계값에 더 쉽게 도달합니다. 이로 인해 힘이 Fmax에서 포화되어 추가 힘 증가가 제한되는 언로딩 단계가 더욱 뚜렷해집니다. 반대로,

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토론

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이 연구는 제어된 에너지 소산 및 힘 제한을 통해 지진 탄력성을 향상시키는 VD-OP(그림 1, 그림 2 및 그림 3)의 효과를 보여줍니다. 실험 결과(그림 4, 그림 13 및 그림 14)는 VD-OP가 고속 이동 시 과도한 감쇠력을 완화하여 구조적 손상 위험을 줄이는 것을 확인합니다. 파라메트릭 연구는 최적의 임계값 힘 비율이 에너지 소산과 안정성 사이의 균형을 보장한다는 것을 추가로 나타냅니다(그림 6, 그림 7 및

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공개 사항

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

저자는 이 논문의 출판과 관련하여 이해 상충이 없음을 선언합니다.

감사의 글

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본 연구는 과학기술부 국가중점연구소 기초연구사업(보조금 번호 SLDRCE19-A-10)의 지원을 받고 있다. 모든 지원에 감사드립니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
동적 테스트 소프트웨어상하이 화롱HDTS-v3.0GB/T 20688.1-2007 준수
ETABS-건물 분석 및 설계 컴퓨터 및 구조, Inc19.0.2성능 모델링 및 구조 해석용
로드셀닝보 사이시C3M-3000 시리즈3000kN 용량의 실험용
LVDT상하이 화롱HLVDT1000±을 사용한 실험의 경우; 1000mm 범위 및 0.01mm 분해능
자기 변형 센서MTS(미국)MTS-R-시리즈±을 사용한 실험의 경우; 800mm 트래블
매트랩매스웍스2024실험 계산을 위해
서보 유압 액추에이터상하이 화롱YJW-20000±을 사용한 실험의 경우; 800mm 스트로크, ± 2000kN 동적 용량

참고문헌

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