Meertraps trillingsbeheersingsmechanisme en experimentele effectiviteit van viskeuze demper met overbelastingsbeveiliging

Samenvatting

Hier presenteren we het ontwerp, het testen en de toepassing van een viskeuze demper met overbelastingsbeveiliging (VD-OP) voor seismische isolatie in constructies. Het omvat mechanische modellering, het testen van prototypes en integratie met rubberen lagers met hoge demping om de seismische prestaties te verbeteren en tegelijkertijd de krachtoverbrenging te beperken en de structurele integriteit te behouden.

Samenvatting

Dit onderzoek presenteert een innovatief hybride seismisch isolatiesysteem dat een viskeuze demper met overbelastingsbeveiliging (VD-OP) integreert om de seismische prestaties te verbeteren en de beperkingen van traditionele isolatiemethoden te overwinnen. De VD-OP bevat een verplaatsingsafhankelijk niet-lineair dempingsmechanisme en een krachtbeperkende functie, waardoor buitensporige dempingskrachten tijdens bewegingen met hoge snelheid die worden veroorzaakt door variërende seismische intensiteiten, effectief worden beheerst. Een mechanisch model, gekalibreerd met behulp van experimentele gegevens, wordt ontwikkeld om de niet-lineaire dempings- en overbelastingsbeveiligingskarakteristieken van de VD-OP te repliceren. Numerieke simulaties worden gevalideerd door middel van experimentele tests, waardoor een solide basis wordt gelegd voor het optimaliseren van parameters en het evalueren van prestaties. De bevindingen tonen aan dat de krachtbeperkende functie een cruciale rol speelt bij het verminderen van buitensporige krachten op de isolatielaag, het verbeteren van de isolatie-efficiëntie en het beheersen van versnellingsreacties in de bovenbouw. Parametrische studies en case-analyses in verschillende seismische scenario's bevestigen de sterke energiedissipatiemogelijkheden en het aanpassingsvermogen van het systeem, wat zorgt voor effectieve isolatie tijdens frequente aardbevingen, gecontroleerde vervorming onder gebeurtenissen op ontwerpniveau en structurele bescherming tijdens zware aardbevingen. De hier voorgestelde prestatiegerichte ontwerpbenadering biedt praktische richtlijnen voor de implementatie van het VD-OP-systeem en biedt een betrouwbare oplossing om de seismische veerkracht van technische constructies te verbeteren.

Inleiding

Seismische isolatietechnologie wordt erkend als een effectieve strategie voor het verminderen van structurele trillingen tijdens aardbevingen, waardoor de veiligheid en veerkracht van technische constructies worden verbeterd ^1,2,3. Door een flexibele isolatielaag tussen de bovenbouw en de fundering aan te brengen, vermindert seismische isolatie de overdracht van seismische krachten, waardoor de bouwconstructies effectief worden losgekoppeld van de grondbeweging ^4,5,6. Dit mechanisme leidt tot een aanzienlijke vermindering van de structurele versnelling en drift tussen de verdiepingen, waardoor de bescherming van zowel de constructie als de bewoners wordt gegarandeerd. Verschillende isolatieapparaten, waaronder gelamineerde rubberen lagers ^7,8, rubberen lagers met loden kern ^9,10,11, wrijvingslingerlagers^12,13,14,15 en rollagers^16,17, worden vaak gebruikt in het seismische ontwerp van hoogbouw ¹⁸, bruggen¹⁹ en andere essentiële infrastructuren ^20,21.

Ondanks de wijdverbreide toepassing worden conventionele seismische isolatiesystemen geconfronteerd met uitdagingen onder extreme seismische omstandigheden. Met name onvoldoende redundantie in de isolatielaag en overmatige vervorming tijdens grote aardbevingen kunnen de isolatie-efficiëntie in gevaar brengen en veiligheidsrisico's met zich meebrengen. Om deze beperkingen aan te pakken, zijn hybride isolatiesystemen voorgesteld die dempers, afgestemde massadempers²² en inerter-gebaseerde dempers 23,24,25 combineren. Deze systemen combineren het energiedissipatievermogen van dempers met de trillingsbeheersingsmogelijkheden van afgestemde massadempers, waardoor de seismische veerkracht van de primaire structuren wordt verbeterd 26,27,28. Veel van deze geavanceerde systemen blijven echter beperkt tot theoretische analyses en laboratoriumstudies. Hun complexe configuraties en hoge implementatiekosten belemmeren hun brede toepassing in praktische engineeringprojecten. Bovendien hebben hybride isolatiesystemen op basis van klassieke viskeuze dempers 29,30,31 een inherent nadeel: een te hoge dempingskracht bij vervorming met hoge snelheid. Dit probleem vermindert de isolatie-effectiviteit tijdens aardbevingen op meerdere niveaus, verbetert de versnellingsrespons van de bovenbouw en verhoogt het risico op falen binnen de isolatielaag. Overmatige demping ondermijnt niet alleen de beoogde voordelen van seismische isolatie, maar introduceert ook nieuwe kwetsbaarheden, met name bij zeldzame maar intense seismische excitaties. Zoals waargenomen in de 2022 Ms 6.8 Luding aardbeving^32,33, ondervond een gebouw dat was uitgerust met een viskeus demperisolatiesysteem een onverwachte uitdaging. De relatieve snelheid over de demper overschreed de ontwerplimieten, wat resulteerde in een dempingskracht die veel verder ging dan de beoogde specificaties. Deze uitkomst benadrukt de dringende behoefte aan vooruitgang in robuuste en betrouwbare dempingstechnologieën die bestand zijn tegen onvoorspelbare seismische krachten. De zoektocht naar verbeterde seismische bescherming gaat door, terwijl onderzoekers en ingenieurs ernaar streven innovatieve oplossingen te ontwikkelen om structuren en levens te beschermen bij toekomstige aardbevingen.

Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, stelt deze studie een nieuw hybride isolatiesysteem voor met een viskeuze demper met overbelastingsbeveiliging (VD-OP). De VD-OP bevat een innovatief krachtbeperkend mechanisme dat de dempingskracht onder hoge snelheden afdekt, zodat het isolatiesysteem zijn efficiëntie behoudt bij verschillende seismische intensiteiten. Een mechanisch model, gekalibreerd met experimentele gegevens, wordt gemaakt om het niet-lineaire dempingsgedrag en de overbelastingsbeveiligingsfuncties van de VD-OP te simuleren. Een reeks numerieke simulaties wordt gevalideerd door middel van experimentele tests, die een robuust kader bieden voor parameteroptimalisatie en prestatie-evaluatie. De parametrische analyse wordt uitgevoerd aan de hand van de niet-lineaire parameters van de VD-OP, aangezien een prestatiegerichte ontwerpbenadering wordt voorgesteld. Aan de hand van de voorgestelde parametersets en het ontwerpstroomdiagram worden de vergelijkende ontwerpcases onderzocht om de effectiviteit van het op VD-OP gebaseerde isolatiesysteem tegen seismische excitaties op meerdere niveaus te illustreren.

Protocol

Mechanische simulatiemethode voor de viskeuze demper met overbelastingsbeveiliging (VD-OP)
Apparaatconstructie, werkingsprincipe en betekenis van de VD-OP

Alle componenten van de VD-OP worden geïllustreerd in figuur 1, inclusief een buitenbuis, een zuigerstang en dempingsolie. De buitenste buis is gemaakt van zeer sterke materialen en wordt gebruikt om de interne componenten te omsluiten, waardoor een afgesloten omgeving wordt gegarandeerd om olielekkage te voorkomen. De zuigerstang, meestal samengesteld uit hoogwaardig staal, beweegt zich heen en weer in de buis, verbonden met een zuiger die de dempingsolie door beperkende openingen dwingt, die weerstand kan genereren die evenredig is met de snelheid van de beweging van de stang, waardoor energie wordt afgevoerd van uitgeoefende krachten. Wanneer overmatige belasting optreedt, wordt het wrijvingsvlakmechanisme geactiveerd. Als de uitgeoefende kracht de ontwerpdrempel overschrijdt, wordt het wrijvingsoppervlak geactiveerd, waardoor extra weerstandskrachten worden gegenereerd die de verplaatsingssnelheid van de zuigerstang beperken.

De voorgestelde constructie en het mechanische principe van VD-OP (Figuur 1) kunnen garanderen dat de klep binnen veilige grenzen functioneert, zowel onder normale omstandigheden als onder overbelasting, wat aanzienlijke voordelen biedt. Door de kracht te beperken tot F_max, wordt overbelasting voorkomen, wat cruciaal is om de demper te beschermen tegen falen tijdens sterke seismische activiteiten. Deze functie verbetert niet alleen de duurzaamheid van de demper, maar verbetert ook de beheersing van de structurele respons tijdens aardbevingen, waardoor de veiligheid en stabiliteit van de constructie wordt verhoogd. Kortom, de VD-OP biedt een effectieve oplossing voor energiedissipatie in structurele toepassingen, vooral in seismische omstandigheden, door een mechanisme te integreren dat overbelasting voorkomt. Dit leidt tot verbeterde betrouwbaarheid en veiligheid, waardoor het een superieure optie is ten opzichte van traditionele viskeuze dempers.

De VD-OP (Viscous Damper with Overload Protection) vertoont een kenmerkende kracht-snelheidsrelatie die verschilt van traditionele viskeuze dempers (VD). Deze verzadiging voorkomt dat de demper krachten ondervindt die zijn ontwerpcapaciteit te boven gaan, waardoor deze wordt beschermd tegen mogelijke uitval onder extreme omstandigheden. Traditionele VD-systemen daarentegen missen deze verzadigingsfunctie en blijven een lineaire kracht-snelheidsrelatie vertonen zonder enige limiet op de kracht. Dit kan schadelijk zijn in situaties waarin de uitgeoefende krachten de ontwerplimieten van de demper overschrijden en mogelijk structurele schade kunnen veroorzaken. De curve in figuur 1 toont een typische lus, waarbij de kracht afvlakt op F_max voor hogere snelheden. Dit gedrag zorgt ervoor dat de demper binnen zijn operationele grenzen blijft, waardoor de absorptie van buitensporige krachten wordt voorkomen en daardoor de algehele veiligheid en betrouwbaarheid van het structurele systeem wordt verbeterd.

Figuur 1: Illustratie voor de constructie van de voorgestelde viskeuze demper met overbelastingsbeveiliging (VD-OP). (A) Schema van VD-OP; (B) Fysieke verschijning van VD-OP; (C) Uitgangskracht versus relatieve snelheid tussen de twee terminals; (D) Typische hysteretische curve van VD-OP. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Constitutieve relatie van de VD-OP

Figuur 1 illustreert het mechanische model en de hysteretische curve van VD-OP. Aanvankelijk volgt de relatie een lineaire afhankelijkheid, uitgedrukt als F = CV, waarbij F de dempingskracht is die wordt geleverd door de VD-OP, C de dempingscoëfficiënt is en V de relatieve snelheid tussen de twee uiteinden van VD-OP, voor snelheden onder een bepaalde drempel. Zodra de snelheid deze drempel echter overschrijdt, verzadigt de kracht op een maximale waarde, F_max, wat een kritisch overbelastingsbeveiligingsmechanisme biedt. Het belangrijkste onderscheid tussen de VD-OP en conventionele viskeuze dempers is de integratie van een extra overbelastingsbeveiliging in het apparaat. Het belangrijkste ontwerpkenmerk van de VD-OP is de loskracht, aangeduid als F_max, die wordt bepaald door de wrijvingskracht die wordt gegenereerd op het geïntegreerde wrijvingsoppervlak. Zodra het frictiemateriaal is gespecificeerd, kan de wrijvingscoëfficiënt gemakkelijk worden bepaald. Volgens de wet van Coulomb wordt de wrijvingskracht F_max uitgedrukt als F_max = μP_pre, waarbij μ de wrijvingscoëfficiënt is en P_pre de uitgeoefende voordruk. Door de P_pre aan te passen, kan de F_max dus nauwkeurig worden gekalibreerd om aan specifieke ontwerpvereisten te voldoen, waardoor de functionaliteit en het aanpassingsvermogen van het apparaat worden verbeterd.

Parameteranalyse voor de VD-OP

Volgens de constitutieve relatie van VD-OP (Figuur 1) werden de energiedissipatie-eigenschappen geanalyseerd. Stel de dempingscoëfficiënt en snelheidsexponent van VD-OP in op C = 500 kN•s^0,6/mm^0,6 en α = 0,6, en verander de verschillende maximale ontlastingskrachten F_max en verplaatsingen δ. De hysteresecurven van de VD-OP worden weergegeven onder variërende parameters (Figuur 2). Stel de maximale ontlastingskrachten en verplaatsingen in op F_max = 200kN en δ = 1,2 mm, en verander de dempingscoëfficiënten C en snelheidsexponenten α. De hysteresecurven van de VD-OP worden weergegeven onder verschillende parameters (Figuur 3).

Figuur 2: Hysteresecurven van VD-OP met verschillende F_max onder verschillende verplaatsingen δ: (A) δ = 0,8 mm, F_max = 100 kN; (B) δ = 1,2 mm, F_max = 100 kN; (C) δ = 1,6 mm, F_max = 100 kN; (D) δ = 0,8 mm, F_max = 300 kN; (E) δ = 1,2 mm, F_max = 300 kN; (F) δ = 1,6 mm, F_max = 300 kN; (G) δ = 0,8 mm, F_max = 500 kN; (H) δ = 1,2 mm, F_max = 500 kN; (I) δ = 1,6 mm, F_max = 500 kN. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3: Hysteresecurven van VD-OP met verschillende C en 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 . Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Experimentele testprocedures van de VD-OP
Testen van het prototype en het apparaat

Volgens de eerder genoemde apparaatconstructie van VD-OP, wordt een prototype van het VD-OP-apparaat gemaakt om de mechanische prestaties te bestuderen. Een uniaxiale actuator (Figuur 4) wordt gebruikt om het mechanische gedrag van VD-OP te testen. Het hydraulische systeem van de testinrichting bestaat uit een servohydraulische pomp van 100 kW met een PID-geregeld debiet, een actuator met een slag van ±800 mm, een statische testcapaciteit van 3000 kN en een dynamische testcapaciteit van ±2000 kN. Sensoren omvatten een 3000 kN krachtcel voor krachtmeting en een LVDT met een bereik van ±1000 mm voor verplaatsingsmeting. De parameters (Tabel 1) en het laadprotocol (Tabel 2) van VD-OP worden gegeven.

Experimentele test- en numerieke simulatieprocedure

Het experiment in figuur 4 kan waardevolle inzichten opleveren in de prestatiekenmerken van VD-OP. Voorafgaand aan het testen wordt dynamische kalibratie uitgevoerd met behulp van een deadweight, gevolgd door een nulpuntaanpassing na een opwarmperiode van 30 minuten. Installeer de VD-OP-demper tussen de bovenste en onderste platen, waarbij de uitlijning wordt gegarandeerd met behulp van een laseruitlijningstool om coaxiaal te bereiken. Mechanische speling wordt geëlimineerd door drie voorcycli toe te passen met een amplitude van ±5% van de maximale slag en een frequentie van 0,01 Hz. Gegevensverzameling en nabewerking omvatten automatische synchronisatie van kracht-, verplaatsings- en temperatuursignalen door het experimentele besturingssysteem. Sensordrift wordt gecompenseerd met behulp van vooraf gekalibreerde coëfficiënten. Om de nauwkeurigheid van de testresultaten en de eindige-elementenanalyse verder te valideren, werd bovendien OpenSees gebruikt om de VD-OP-testomstandigheden te repliceren. De apparaatparameters en belastingsscenario's in het eindige-elementenmodel werden consistent gehouden met die in de fysieke tests.

Figuur 4: Stroomschema van de experimentele opstelling. De experimentele procedure begint met dynamische kalibratie van het eigen gewicht en nulpuntafstelling na een warming-up van 30 minuten, gevolgd door een laseruitgelijnde VD-OP-demperinstallatie tussen platen met ±5% voorcycli (0,01 Hz) om speling te elimineren. Kracht-, verplaatsings- en temperatuurgegevens worden synchroon verkregen met driftcompensatie, terwijl OpenSees-simulaties testparameters repliceren om experimentele en FEA-consistentie te valideren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Ontwikkeling van het VD-OP isolatiesysteem
Configuratie van het VD-OP isolatiesysteem

Op basis van de eerder genoemde VD-OP wordt de mechanische configuratie van het VD-OP-isolatiesysteem (Figuur 5), inclusief sterk dempende rubberen lagers (HDRB) en VD-OP, beschreven. HDRB's zijn effectief in het absorberen van energie en het verminderen van seismische krachten onder normale omstandigheden, maar tijdens zeldzame aardbevingen kunnen ze grote vervormingen ondergaan en stijfheidsverharding vertonen, wat de isolatieprestaties zou kunnen ondermijnen. Wat betreft de traditionele viskeuze demper, deze kan ook onder dergelijke extreme omstandigheden falen als gevolg van buitensporige krachten. Daarom wordt een VD-OP-isolatiemethode voorgesteld voor structurele seismische controle. In het voorgestelde isolatiesysteem pakt VD-OP deze problemen aan door een overbelastingsbeveiligingsmechanisme op te nemen dat voorkomt dat de demper zijn krachtcapaciteit overschrijdt, waardoor uitval tijdens zeldzame aardbevingen wordt voorkomen. Door de krachtafgifte van de demper te beperken, helpt de VD-OP bovendien de stijfheidsverharding van de HDRB tegen te gaan, waardoor betere isolatieprestaties behouden blijven, zelfs bij grote vervormingen. Samenvattend is het VD-OP-isolatiesysteem ontwikkeld om de veiligheid en prestaties van gebouwconstructies te verbeteren door ervoor te zorgen dat zowel energiedissipatie als krachtbeperkingen effectief worden beheerd, waardoor de mogelijke tekortkomingen van HDRB's tijdens extreme gebeurtenissen worden aangepakt. De effectiviteit van de VD-OP binnen het isolatiesysteem wordt waarschijnlijk ondersteund door het experimentele onderzoek dat in deze studie is uitgevoerd.

Mechanisch principe van het VD-OP isolatiesysteem

De heersende bewegingsvergelijking van een lineaire gedempte SDOF-structuur onder seismische excitatie wordt vastgesteld. De structurele massa m, lineaire veer k en viskeuze dempingscoëfficiënt

De heersende bewegingsvergelijking van een lineaire gedempte SDOF-structuur onder seismische excitatie wordt vastgesteld. De structurele massa m, lineaire veer k en viskeuze dempingscoëfficiënt c worden beschouwd als de equivalente verkeerstoren van de luchthaven. De bewegingsvergelijking kan worden uitgedrukt als:

waarbij m_i de massa van de isolatielaag is, u_i en u de verplaatsing van de isolatielaag en de primaire structuur zijn, respectievelijk F_VD-OP en F_HDRB zijn de outputkrachten van VD-OP en HDRB, is de seismische versnelling. De uitgangskrachten F_VD-OP kunnen als volgt worden berekend:

De uitgangskracht F_HDRB kan worden verkregen door middel van het mechanische DHI-model, dat de vergelijking volgt:

F_HDRB = τ_DHI • A_HDRB (3)

waarbij τ_DHI en A_HDRB de schuifspanning zijn door gebruik te maken van het DHI-model en het effectieve gebied van HDRB.

Figuur 5: Illustratie van het voorgestelde VD-OP-gebaseerde isolatiesysteem voor bouwconstructies. (A) Diagram van het VD-OP-isolatiesysteem, (B) typische hysteresecurve van HDRB, (C) mechanisch model van een systeem met één vrijheidsgraad en VD-OP-gebaseerd isolatiesysteem. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Parameteranalyse voor het VD-OP isolatiesysteem

Er werd een parametrische analyse uitgevoerd op een structuurmodel met 2 vrijheidsgraden om de overbelastingseigenschap van VD-OP te onderzoeken tegen verschillende isolerende vervormingen. De bovenstructuur heeft een massa van 154666,67 kg, een periode van 0,66 s en een inherente dempingsverhouding van 0,05, terwijl de isolatielaag een massa heeft van 38666,67 kg. Het isolatiesysteem bevat HDRB 34,35,36 als isolatielagers en VD-OP. De simulaties zijn uitgevoerd met behulp van OpenSees³⁷. De HDRB is gemodelleerd met behulp van het KikuchiAikenHDR-materiaal, met een draagdiameter van 400 mm en een totale rubberdikte van 74 mm. De seismische golven met PGA=0,4 g worden gebruikt om een zeldzame aardbeving te simuleren. De respons van de isolatielaag onder deze zeldzame omstandigheden is weergegeven (Figuur 5).

Om de prestaties van het systeem te verbeteren, werd VD-OP geïntegreerd, met als belangrijkste ontwerpparameter de maximale overbelastingsbeveiligingskracht, F_max. De dimensieloze parameter, drempelkrachtverhouding ρ = F_max/F_BR werd gevarieerd van 0 tot 1,0, waarbij de dempingsindex van VD-OP werd vastgesteld op 0,6. De structurele reacties, waaronder verplaatsing, versnelling, vervorming van de isolatielaag en basisafschuifkracht, voor verschillende rho-waarden worden weergegeven (Tabel 3 en Figuur 6). De hysteretische curven voor HDRB en VD-OP onder verschillende waarden van de parameter ρ worden weergegeven (figuur 7). De hysteresecurven in figuur 8 illustreren de prestaties van de VD-OP-demper met ρ = 0,5 onder verschillende niveaus van aardbevingsintensiteit.

Figuur 6: Seismische responsen van het systeem met verschillende ρ. Naarmate de drempelkrachtverhouding ρ toeneemt, neemt de structurele verplaatsing aanvankelijk af tot een minimum, alvorens licht toe te nemen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 7: Hysteretische curven van HDRB en VD-OP met verschillende 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. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 8: Hysteretische krommen van VD-OP met ρ = 0,5 onder frequente, versterkings- en zeldzame aardbevingen. (A) Frequente aardbeving; (B) evenementen op ontwerpniveau; (C) Zware aardbeving. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Cijfervoorbeeld opstelling van VD-OP-opgenomen geïsoleerde structuren
Simulatie van de originele structuur

Een betonnen framestructuur van drie verdiepingen wordt gebruikt om seismische isolatieanalyses uit te voeren om de effectiviteit en toepasbaarheid van het VD-OP-isolatiesysteem te beoordelen. Het structurele analyseproces werd uitgevoerd met behulp van ETABS-software³⁸ en het structurele model en de lay-out van het plan worden weergegeven (Figuur 9). De structuur meet ongeveer 32 m bij 15,6 m en heeft een totale massa van ongeveer 1856 ton. Het beton dat is gebruikt in de vloeren, balken en kolommen heeft een druksterkte van 30 MPa. De structurele trillingsmodi omvatten translatiebewegingen in de X- en Y-richtingen, met overeenkomstige perioden van 0,66 s en 0,61 s, en een torsiemodus rond de Z-as met een periode van 0,54 s. Aangezien de verhouding van de perioden van de eerste en derde modus meer dan 0,9 bedraagt, duidt dit op zwakke torsieprestaties voor onderzoek naar seismische respons.

Figuur 9: Seismisch isolatieanalyseschema van de drie verdiepingen tellende betonnen framestructuur om de effectiviteit en toepasbaarheid van het VD-OP-isolatiesysteem te beoordelen. (A) Perspectiefweergave van het eindige-elementenmodel van de oorspronkelijke structuur; (B) Structuurplan van het typische verhaal; (C) Genormaliseerde versnellingsspectra van de vijf ingangsgrondbewegingen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Ontwerp van het VD-OP isolatiesysteem
Het VD-OP-isolatiesysteem is geïmplementeerd om de structurele seismische veerkracht te verbeteren door de overgedragen versnellingsresponsen binnen de isolatielaag te beperken. Het op prestaties gebaseerde ontwerp van de VD-OP omvat een uitgebreid proces dat uit vier belangrijke stappen bestaat: (1) het beoordelen van de prestaties van de oorspronkelijke structuur, (2) het vaststellen van het doel voor prestatieverbetering, (3) het ontwerpen van de op VD-OP gebaseerde geïsoleerde structuur, en (4) het valideren van de seismische prestaties. De afschuifkrachtverhouding γ_SF en de structurele versnellingsverhouding γ_ACC , die het beoogde niveau van prestatieverbeteringen vertegenwoordigen, kunnen worden vastgesteld aan de hand van vooraf bepaalde typische waarden of specifieke technische vereisten. Deze γ_SF kan worden berekend als de verhouding van de piekafschuifkrachtresponsen van de primaire structuur tot die van de op VD-OP gebaseerde geïsoleerde structuur, terwijl γ_ACC kan worden berekend als de verhouding van de piekversnellingsresponsen van de primaire structuur tot die van de op VD-OP gebaseerde geïsoleerde structuur. Het parameterontwerp van de VD-OP omvat het selecteren van representatieve parametersets om de gewenste stijfheid en dempingskarakteristieken te bereiken, inclusief de dempingscoëfficiënt, dempingsexponent en de drempelkracht van de overbelastingsbeveiliging F_max . De genoemde parameters kunnen worden bepaald aan de hand van de parametrische bevindingen van het onderzoek naar mechanische eigenschappen en het ontwerpprincipe dat de versnellingsreacties van de op VD-OP gebaseerde geïsoleerde structuur onder zeldzame aardbevingen minimaliseert. Volgens de hierboven geïllustreerde ontwerpprocedure wordt het stroomdiagram van de parameter ontwerp samengevat (Figuur 10).

Figuur 10: Ontwerpstroomschema van het voorgestelde hybride VD-OP-gebaseerde isolatiesysteem. VD-OP-ontwerp omvat: (1) het beoordelen van de oorspronkelijke structuur, (2) het definiëren van doelverbeteringsratio's (afschuifkracht α en versnelling β), (3) het optimaliseren van dempingsparameters (coëfficiënt, exponent, drempelkracht) voor minimale seismische respons, en (4) het valideren van prestaties. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Door het doel van de isolatie-efficiëntie vast te stellen, zoals geëvalueerd door de afschuifkracht van de doelbasis γ_SF,Tar en de structurele versnellingsverhouding γ_ACC,Tar als 0,35 onder de frequente aardbeving, werd een seismische isolatielaag met de HDRB en de nieuwe VD-OP toegevoegd aan de basis van de primaire structuur. De specifieke parameters voor de HDRB en VD-OP worden gedetailleerd en geïllustreerd (Tabel 4 en Tabel 5).

Dynamische analyse van de structuur met het VD-OP isolatiesysteem

De structuur is ontworpen om een seismische vestingintensiteit van zeven graden (0,15 g) te doorstaan en bevindt zich op een site van categorie IV, die is geclassificeerd als een site met zachte grond³⁹. Het responsspectrum van de locatie heeft een karakteristieke periode van T_g = 0,75 s. 4,16 Gezien deze locatieomstandigheden werden zeven seismische tijdgeschiedenisrecords gekozen voor analyse, waaronder twee kunstmatige tijdgeschiedenissen van grondbewegingen en vijf tijdgeschiedenissen van natuurlijke grondbewegingen afkomstig uit de K-KET-database in Japan⁴⁰. Gedetailleerde informatie over deze seismische gegevens wordt gepresenteerd (Tabel 6) en hun versnellingsresponsspectra worden ook gegeven (Figuur 9).

Om de prestaties van de HDRB onder verschillende aardbevingsscenario's te evalueren, werden de tijdgeschiedenissen van de grondbeweging geschaald om Peak Ground Accelerations (PGA) van 35 gal, 100 gal en 220 gal³⁹ te bereiken. Deze PGA-waarden, die overeenkomen met respectievelijk frequente aardbevingen, aardbevingen en zeldzame aardbevingen, werden geselecteerd om een grondige beoordeling van de seismische veerkracht van de geïsoleerde structuur te garanderen. De dynamische reacties van oorspronkelijke structuren, structuren met een HDRB-gebaseerd VD-OP-isolatiesysteem en LRB-geïsoleerde structuren werden grondig geanalyseerd onder frequente, versterkings- en zeldzame aardbevingsomstandigheden, met de nadruk op verplaatsing tussen verdiepingen, versnelling en afschuifkracht. De gedetailleerde vergelijkende antwoorden worden geïllustreerd (figuur 11). De hysteresecurven van VD-OP onder de NW3-grondbewegingsinvoer voor frequente, versterkings- en zeldzame aardbevingen worden weergegeven (Figuur 12).

Figuur 11: Verhaal drijft onder verschillende niveaus van aardbevingen. (A) Verhaal drijft af onder frequente aardbevingen; (B) Verhaal drijft af onder gebeurtenissen op ontwerpniveau; (C) Verhaal drijft onder zware aardbevingen. (D) Verhaalschaar onder frequente aardbeving; (E) Verhaalschaar onder gebeurtenissen op ontwerpniveau; (F) Verhaalschaar onder zware aardbeving; (G) Verhaal absolute versnellingen onder frequente aardbeving; (H) Absolute versnellingen van het verhaal onder gebeurtenissen op ontwerpniveau; (I) Verhaal absolute versnellingen onder zware aardbeving. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 12: Hysteresecurven in de isolatielaag onder verschillende niveaus van aardbevingen, NW3. (A) VD-OP onder frequente aardbeving; (B) VD-OP in het kader van evenementen op ontwerpniveau; (C) VD-OP onder zware aardbeving; (D) HDRB onder frequente aardbevingen; (E) HDRB in het kader van evenementen op ontwerpniveau; (F) HDRB onder zware aardbeving. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Resultaten

Resultaten van de parametrische analyse van het VD-OP-apparaat
Kracht-snelheidsrelatie en hysteretisch gedrag (Figuur 2):

Zoals te zien is in figuur 2, laten de hysteresecurven zien hoe het energiedissipatiegedrag van de demper verandert bij verschillende F_max-waarden en verplaat...

Discussie

Deze studie toont de effectiviteit aan van de VD-OP (Figuur 1, Figuur 2 en Figuur 3) bij het verbeteren van de seismische veerkracht door middel van gecontroleerde energiedissipatie en krachtbeperking. Experimentele resultaten (Figuur 4, Figuur 13 en Figuur 14) bevestigen dat de VD-OP overmatige dempingskrachte...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Dynamisch testsoftware	Shanghai Hualong	HDTS-v3.0	Voldoet aan GB/T 20688.1-2007
ETABS-Bouwanalyse en ontwerp	Computer en Structures, Inc	19.0.2	Voor prestatiemodellering en structurele analyse
Loadcell	Ningbo Saishi	C3M-3000	Voor experimenten met een capaciteit van 3000 kN
LVDT	Shanghai Hualong	HLVDT1000	Voor experimenten met een bereik van ±1000 mm en een resolutie van 0,01 mm
Magnetostrictieve sensor	MTS (USA)	MTS-R-Series	Voor experimenten met een ±800 mm reis
MATLAB	MathWorks	2024	Voor de berekening van de experimenten
Servo-hydraulische actuator	Shanghai Hualong	YJW-20000	Voor experimenten met een ±800 mm slag, ±2000 kN dynamische capaciteit