Artykuł badawczy

Wielostopniowy mechanizm kontroli drgań i eksperymentalna skuteczność tłumika wiskotycznego z zabezpieczeniem przed przeciążeniem

DOI:

10.3791/68410

⸱

5 września 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

W tym artykule

Podsumowanie

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

W tym miejscu przedstawiamy projektowanie, testowanie i zastosowanie przepustnicy lepkiej z zabezpieczeniem przed przeciążeniem (VD-OP) do izolacji sejsmicznej w konstrukcjach. Obejmuje modelowanie mechaniczne, testowanie prototypów i integrację z łożyskami gumowymi o wysokim tłumieniu w celu zwiększenia wydajności sejsmicznej przy jednoczesnym ograniczeniu przenoszenia sił i zachowaniu integralności strukturalnej.

Streszczenie

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

Badania te prezentują innowacyjny hybrydowy system izolacji sejsmicznej, który integruje klapę lepką z zabezpieczeniem przed przeciążeniem (VD-OP) w celu poprawy wydajności sejsmicznej i przezwyciężenia ograniczeń tradycyjnych metod izolacji. VD-OP zawiera nieliniowy mechanizm tłumienia zależny od przemieszczenia i funkcję ograniczania siły, skutecznie kontrolując nadmierne siły tłumienia podczas ruchów o dużej prędkości spowodowanych różnymi intensywnościami sejsmicznymi. Opracowano model mechaniczny, skalibrowany na podstawie danych eksperymentalnych, w celu odtworzenia nieliniowej charakterystyki tłumienia i ochrony przed przeciążeniem VD-OP. Symulacje numeryczne są weryfikowane za pomocą testów eksperymentalnych, co stanowi solidną podstawę do optymalizacji parametrów i oceny wydajności. Wyniki pokazują, że funkcja ograniczania siły odgrywa kluczową rolę w zmniejszaniu nadmiernych sił działających na warstwę izolacyjną, poprawie wydajności izolacji i kontrolowaniu reakcji przyspieszenia w nadbudówce. Badania parametryczne i analizy przypadków w różnych scenariuszach sejsmicznych potwierdzają silne zdolności systemu do rozpraszania energii i zdolności adaptacyjne, zapewniając skuteczną izolację podczas częstych trzęsień ziemi, kontrolowane deformacje w przypadku zdarzeń na poziomie projektu oraz ochronę konstrukcji podczas silnych trzęsień ziemi. Proponowane tutaj podejście do projektowania oparte na wydajnościach oferuje praktyczne wskazówki dotyczące wdrażania systemu VD-OP, prezentując niezawodne rozwiązanie zwiększające odporność sejsmiczną konstrukcji inżynierskich.

Wprowadzenie

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

Technologia izolacji sejsmicznej jest uznawana za skuteczną strategię łagodzenia drgań strukturalnych podczas trzęsień ziemi, zwiększając bezpieczeństwo i odporność konstrukcji inżynierskich 1,2,3. Wprowadzając elastyczną warstwę izolacyjną pomiędzy konstrukcją nośną a jej fundamentem, izolacja sejsmiczna zmniejsza przenoszenie sił sejsmicznych, skutecznie odsprzęgając konstrukcje budowlane od ruchów gruntu 4,5,6. Mechanizm ten prowadzi do znacznego zmniejszenia przyspieszenia konstrukcyjnego i dryfu międzykondygnacyjnego, zapewniając ochronę zarówno konstrukcji, jak i jej użytkowników. Różne urządzenia izolacyjne, w tym łożyska z gumy laminowanej 7,8, łożyska z gumy ołowiowej 9,10,11, łożyska wahadłowe cierne 12,13,14,15 i łożyska toczne16,17, są powszechnie stosowane w projektowaniu sejsmicznym wieżowców18, mostów19 i innych Kluczowa infrastruktura20,21.

Pomimo szerokiego zastosowania, konwencjonalne systemy izolacji sejsmicznej stoją przed wyzwaniami w ekstremalnych warunkach sejsmicznych. W szczególności niewystarczająca redundancja warstwy izolacyjnej i nadmierne odkształcenia podczas dużych trzęsień ziemi mogą zagrozić skuteczności izolacji i stanowić zagrożenie dla bezpieczeństwa. Aby zaradzić tym ograniczeniom, zaproponowano hybrydowe systemy izolacji, które łączą przepustnice, dostrojone przepustnice masowe22 i amortyzatory oparte na bezwładności 23,24,25. Systemy te łączą zdolność tłumienia energii do rozpraszania energii z możliwościami kontroli drgań dostrojonych tłumików masy, zwiększając odporność sejsmiczną konstrukcji pierwotnych 26,27,28. Jednak wiele z tych zaawansowanych systemów ogranicza się do analiz teoretycznych i badań laboratoryjnych. Ich skomplikowane konfiguracje i wysokie koszty wdrożenia utrudniają ich szerokie zastosowanie w praktycznych projektach inżynierskich. Ponadto hybrydowe systemy izolacyjne oparte na klasycznych amortyzatorach lepkości 29,30,31 mają nieodłączną wadę: nadmierną siłę tłumienia przy odkształceniach przy dużej prędkości. Problem ten zmniejsza skuteczność izolacji podczas wielopoziomowych trzęsień ziemi, zwiększa reakcję przyspieszenia nadbudowy i zwiększa ryzyko uszkodzenia w warstwie izolacyjnej. Nadmierne tłumienie nie tylko podważa zamierzone korzyści płynące z izolacji sejsmicznej, ale także stwarza nowe podatności, szczególnie w przypadku rzadkich, ale intensywnych wzbudzeń sejsmicznych. Jak zaobserwowano w 2022 r. Ms 6.8 Luding earthquake32,33, budynek wyposażony w system izolacji amortyzatora wiskotycznego doświadczył nieoczekiwanego wyzwania. Prędkość względna na przepustnicy przekroczyła jej limity projektowe, co spowodowało, że siła tłumienia znacznie przekroczyła zamierzone specyfikacje. Wynik ten podkreśla pilną potrzebę postępów w zakresie solidnych i niezawodnych technologii tłumienia, które są w stanie wytrzymać nieprzewidywalne siły sejsmiczne. Dążenie do wzmocnienia ochrony sejsmicznej trwa, ponieważ naukowcy i inżynierowie dążą do opracowania innowacyjnych rozwiązań w celu ochrony konstrukcji i życia podczas przyszłych trzęsień ziemi.

Aby sprostać tym wyzwaniom, w niniejszym badaniu zaproponowano nowatorski hybrydowy system izolacyjny z klapą wiskotyczną z zabezpieczeniem przed przeciążeniem (VD-OP). VD-OP zawiera innowacyjny mechanizm ograniczający siłę, który ogranicza siłę tłumienia przy dużych prędkościach, zapewniając, że system izolacji zachowuje swoją skuteczność przy różnych intensywnościach sejsmicznych. Tworzony jest model mechaniczny, skalibrowany na podstawie danych eksperymentalnych, w celu symulacji nieliniowego tłumienia i funkcji ochrony przed przeciążeniem VD-OP. Seria symulacji numerycznych jest weryfikowana za pomocą testów eksperymentalnych, zapewniając solidne ramy do optymalizacji parametrów i oceny wydajności. Analizę parametryczną przeprowadza się w odniesieniu do parametrów nieliniowych VD-OP, biorąc pod uwagę, że zaproponowano podejście projektowe zorientowane na wydajność. Zgodnie z sugerowanymi zestawami parametrów i schematem blokowym projektu, badane są porównawcze przypadki projektowe w celu zilustrowania skuteczności systemu izolacji opartego na VD-OP przeciwko wielopoziomowym wzbudzeniom sejsmicznym.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

Metoda symulacji mechanicznej dla przepustnicy wiskotycznej z zabezpieczeniem przed przeciążeniem (VD-OP)
Budowa urządzenia, zasada działania i znaczenie VD-OP

Wszystkie elementy VD-OP są zilustrowane na rysunku 1, w tym rura zewnętrzna, tłoczysko i olej tłumiący. Rura zewnętrzna jest wykonana z materiałów o wysokiej wytrzymałości i służy do zamykania elementów wewnętrznych, zapewniając szczelne środowisko zapobiegające wyciekom oleju. Tłoczysko, zwykle wykonane ze stali o wysokiej wytrzymałości, wykonuje ruch posuwisto-zwrotny w rurze, połączone z tłokiem, który przepycha olej tłumiący przez otwory ograniczające, które mogą generować opór proporcjonalny do prędkości ruchu pręta, rozpraszając w ten sposób energię z przyłożonych sił. Gdy dochodzi do nadmiernego obciążenia, uruchamiany jest mechanizm powierzchni ciernej. Jeśli przyłożona siła przekroczy próg projektowy, powierzchnia cierna aktywuje się, generując dodatkowe siły oporu, które ograniczają prędkość przemieszczenia tłoczyska.

Proponowana konstrukcja i zasada działania VD-OP (ilustracja 1) jest w stanie zagwarantować, że przepustnica działa w bezpiecznych granicach zarówno w warunkach normalnych, jak i przeciążeniowych, oferując znaczące korzyści. Ograniczając siłę na poziomie Fmax, zapobiega przeciążeniu, co ma kluczowe znaczenie w zabezpieczeniu przepustnicy przed uszkodzeniem podczas silnych aktywności sejsmicznych. Ta cecha nie tylko zwiększa trwałość amortyzatora, ale także poprawia kontrolę reakcji konstrukcji podczas trzęsień ziemi, zwiększając w ten sposób bezpieczeństwo i stabilność konstrukcji. Podsumowując, VD-OP zapewnia skuteczne rozwiązanie do rozpraszania energii w zastosowaniach konstrukcyjnych, zwłaszcza w warunkach sejsmicznych, poprzez integrację mechanizmu zapobiegającego przeciążeniu. Prowadzi to do poprawy niezawodności i bezpieczeństwa, pozycjonując go jako lepszą opcję w stosunku do tradycyjnych amortyzatorów lepkich.

VD-OP (Viscous Damper with Overload Protection) wykazuje charakterystyczny stosunek siły do prędkości, który różni się od tradycyjnych amortyzatorów lepkości (VD). To nasycenie zapobiega działaniu sił przekraczających jego nośność projektową, chroniąc ją w ten sposób przed potencjalną awarią w ekstremalnych warunkach. W przeciwieństwie do tego, tradycyjne systemy VD nie mają tej cechy nasycenia, nadal wykazując liniową zależność siła-prędkość bez żadnego ograniczenia siły. Może to być szkodliwe w sytuacjach, gdy przyłożone siły przekraczają limity konstrukcyjne przepustnicy, potencjalnie powodując uszkodzenia konstrukcji. Krzywa na rysunku 1 przedstawia typową pętlę, w której siła wyrównuje się na poziomie Fmax dla wyższych prędkości. Takie zachowanie zapewnia, że przepustnica pozostaje w swoich granicach działania, zapobiegając absorpcji nadmiernych sił, a tym samym poprawiając ogólne bezpieczeństwo i niezawodność systemu konstrukcyjnego.

figure-protocol-1
Rysunek 1: Ilustracja przedstawiająca konstrukcję proponowanej przepustnicy wiskotycznej z zabezpieczeniem przed przeciążeniem (VD-OP). (A) Schemat VD-OP; B) Wygląd fizyczny VD-OP; (C) Siła wyjściowa w funkcji prędkości względnej między dwoma zaciskami; (D) Typowa krzywa histeretyczna VD-OP. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Konstytutywny stosunek VD-OP

Rysunek 1 ilustruje model mechaniczny i krzywą histeretyczną VD-OP. Początkowo zależność jest zgodna z zależnością liniową, wyrażoną jako F = CV, gdzie F jest siłą tłumiącą zapewnianą przez VD-OP, C jest współczynnikiem tłumienia, a V jest prędkością względną między dwoma końcami VD-OP dla prędkości poniżej pewnego progu. Jednak gdy prędkość przekroczy ten próg, siła nasyca się do maksymalnej wartości, Fmax, zapewniając krytyczny mechanizm zabezpieczający przed przeciążeniem. Podstawową różnicą między przepustnicami VD-OP a konwencjonalnymi przepustnicami wiskotycznym jest integracja dodatkowego zabezpieczenia przed przeciążeniem w urządzeniu. Podstawową cechą konstrukcyjną VD-OP jest jego siła odciążająca, oznaczona jako Fmax, która jest regulowana przez siłę tarcia generowaną na zintegrowanej powierzchni ciernej. Po określeniu materiału ciernego można łatwo określić współczynnik tarcia. Zgodnie z prawem Coulomba siła tarcia Fmax jest wyrażona jako Fmax = μPpre, gdzie μ jest współczynnikiem tarcia, a Ppre jest przyłożonym ciśnieniem wstępnym. W ten sposób, poprzez regulację Ppre, Fmax można precyzyjnie skalibrować, aby spełnić określone wymagania projektowe, zwiększając w ten sposób funkcjonalność i możliwości adaptacji urządzenia.

Analiza parametrów dla VD-OP

Zgodnie z konstytutywną zależnością VD-OP (rysunek 1) przeanalizowano właściwości rozpraszania energii. Ustaw współczynnik tłumienia i wykładnik prędkości VD-OP na C = 500 kN•s0,6/mm0,6 i α = 0,6 i zmień różne maksymalne siły odciążające Fmax i przemieszczenia δ. Krzywe histerezy VD-OP są przedstawione przy różnych parametrach (rysunek 2). Ustaw maksymalne siły rozciążające i przemieszczenia na Fmax = 200 kN i δ = 1,2 mm, a także zmień współczynniki tłumienia C i wykładniki prędkości α. Krzywe histerezy VD-OP są przedstawione przy różnych parametrach (rysunek 3).

figure-protocol-2
Rysunek 2: Krzywe histerezy VD-OP o różnym Fmax przy różnych δ przemieszczenia: (A) δ = 0,8 mm, Fmax = 100 kN; (B) δ = 1,2 mm, Fmax = 100 kN ; (C) δ = 1,6mm, Fmax = 100kN ; (D) δ = 0,8mm, Fmax = 300kN ; (E) δ = 1,2mm, Fmax = 300kN ; (F) δ = 1,6mm, Fmax = 300kN ; (G) δ = 0,8mm, Fmax = 500kN ; (H) δ = 1,2mm, Fmax = 500kN ; (I) δ = 1,6mm, Fmax = 500kN . Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-protocol-3
Rysunek 3: Krzywe histerezy VD-OP o różnych C i α: (A) C = 200 kN• s0,3 / mm0,3, α = 0,3; (B) C = 200 kN•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 = 800 kN•s1/mm1, α = 1 . Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Eksperymentalne procedury badawcze VD-OP
Testowanie prototypu i urządzenia

Zgodnie ze wspomnianą wcześniej konstrukcją urządzenia VD-OP, prototyp urządzenia VD-OP jest tworzony w celu zbadania jego wydajności mechanicznej. Jednoosiowy siłownik (ilustracja 4) służy do testowania mechanicznego zachowania VD-OP. Układ hydrauliczny urządzenia wytrzymałościowego składa się z pompy serwohydraulicznej o mocy 100 kW o natężeniu przepływu regulowanym przez PID, siłownika o skoku ±800 mm, statycznej zdolności próbnej 3000 kN oraz dynamicznej zdolności testowej ±2000 kN. Czujniki zawierają czujnik wagowy 3000 kN do pomiaru siły i LVDT o zakresie ±1000 mm do pomiaru przemieszczenia. Podano parametry (tabela 1) i protokół obciążenia (tabela 2) VD-OP.

Procedura badań eksperymentalnych i symulacji numerycznych

Eksperyment pokazany na rysunku 4 może dostarczyć cennych informacji na temat charakterystyki wydajności VD-OP. Przed testowaniem przeprowadzana jest kalibracja dynamiczna przy użyciu balastu, a następnie regulacja punktu zerowego po 30-minutowym okresie rozgrzewania. Zamontuj przepustnicę VD-OP między górną i dolną płytą dociskową, zapewniając wyrównanie za pomocą laserowego narzędzia do osiowania, aby uzyskać współosiowość. Luz mechaniczny jest eliminowany przez zastosowanie trzech cykli wstępnych o amplitudzie ±5% maksymalnego skoku i częstotliwości 0,01 Hz. Akwizycja danych i przetwarzanie końcowe obejmują automatyczną synchronizację sygnałów siły, przemieszczenia i temperatury przez eksperymentalny system sterowania. Dryft czujnika jest kompensowany za pomocą wstępnie skalibrowanych współczynników. Dodatkowo, aby jeszcze bardziej zweryfikować dokładność wyników testów i analizę metodą elementów skończonych, wykorzystano OpenSees do odtworzenia warunków testowych VD-OP. Parametry urządzenia i scenariusze obciążeń w modelu elementów skończonych zostały utrzymane w zgodzie z tymi w testach fizycznych.

figure-protocol-4
Rysunek 4: Schemat blokowy konfiguracji eksperymentalnej. Procedura eksperymentalna rozpoczyna się od dynamicznej kalibracji nośności i regulacji punktu zerowego po 30-minutowej rozgrzewce, a następnie następuje laserowa instalacja przepustnicy VD-OP między płytami z ±5% cyklem wstępnym (0,01 Hz) w celu wyeliminowania luzów. Dane dotyczące siły, przemieszczenia i temperatury są pozyskiwane synchronicznie z kompensacją dryftu, podczas gdy symulacje OpenSees replikują parametry testowe w celu sprawdzenia spójności eksperymentalnej i MES. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Opracowanie systemu izolacji VD-OP
Konfiguracja systemu izolacji VD-OP

Na podstawie wspomnianego wcześniej VD-OP opisano konfigurację mechaniczną systemu izolacji VD-OP (ilustracja 5), w tym łożyska gumowe o wysokim tłumieniu (HDRB) i VD-OP. HDRB są skuteczne w pochłanianiu energii i zmniejszaniu sił sejsmicznych w normalnych warunkach, ale podczas rzadkich trzęsień ziemi mogą ulegać dużym odkształceniom i wykazywać utwardzenie sztywnościowe, co może pogorszyć wydajność izolacji. Jeśli chodzi o tradycyjny tłumik lepki, może on również ulec awarii w tak ekstremalnych warunkach z powodu nadmiernych sił. W związku z tym zaproponowana jest metoda izolacji VD-OP do strukturalnej kontroli sejsmicznej. W proponowanym systemie izolacji, VD-OP rozwiązuje te problemy, wprowadzając mechanizm zabezpieczający przed przeciążeniem, który zapobiega przekroczeniu siły przepustnicy, unikając w ten sposób awarii podczas rzadkich trzęsień ziemi. Dodatkowo, ograniczając siłę wyjściową amortyzatora, VD-OP pomaga przeciwdziałać utwardzaniu sztywności HDRB, utrzymując lepszą izolację nawet przy dużych odkształceniach. Podsumowując, system izolacji VD-OP został opracowany w celu zwiększenia bezpieczeństwa i wydajności konstrukcji budowlanych poprzez zapewnienie skutecznego zarządzania zarówno rozpraszaniem energii, jak i ograniczeniami siły, rozwiązując potencjalne niedociągnięcia HDRB podczas ekstremalnych zdarzeń. Skuteczność VD-OP w systemie izolacji jest prawdopodobnie poparta badaniami eksperymentalnymi przeprowadzonymi w tym badaniu.

Zasada działania systemu izolacji VD-OP

Ustalono równanie ruchu rządzącego liniową tłumioną strukturą SDOF pod wpływem wzbudzenia sejsmicznego. Masa konstrukcyjna m, sprężyna liniowa k i współczynnik tłumienia lepkości

Ustalono równanie ruchu rządzącego liniową tłumioną strukturą SDOF pod wpływem wzbudzenia sejsmicznego. Uważa się, że masa konstrukcyjna m, sprężyna liniowa k i współczynnik tłumienia lepkości c reprezentują równoważną wieżę kontroli lotów na lotnisku. Równanie ruchu można wyrazić jako:

figure-protocol-5

gdzie mi jest masą warstwy izolacyjnej, ui u są odpowiednio przemieszczeniem warstwy izolacyjnej i struktury pierwotnej, FVD-OP i FHDRB są siłami wyjściowymi VD-OP i HDRB, figure-protocol-6 to przyspieszenie sejsmiczne. Siły wyjściowe FVD-OP można obliczyć w następujący sposób:

figure-protocol-7

Siłę wyjściową FHDRB można uzyskać za pomocą modelu mechanicznego DHI, który jest zgodny z równaniem:

FHDRB = τDHI • A HDRB ( 3)

gdzie τDHI i AHDRB są naprężeniem ścinającym przy użyciu modelu DHI i efektywnej powierzchni HDRB.

figure-protocol-8
Rysunek 5: Ilustracja proponowanego systemu izolacji konstrukcji budowlanych opartego na VD-OP. (A) Schemat systemu izolacji VD-OP, (B) typowa krzywa histerezy HDRB, (C) model mechaniczny systemu o pojedynczym stopniu swobody z systemem izolacyjnym opartym na VD-OP. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Analiza parametrów dla systemu izolacji VD-OP

Przeprowadzono analizę parametryczną modelu konstrukcyjnego o 2 stopniach swobody w celu zbadania właściwości przeciążeniowych VD-OP wobec różnych odkształceń izolacyjnych. Górna konstrukcja ma masę 154666,67 kg, okres 0,66 s i własny współczynnik tłumienia 0,05, podczas gdy warstwa izolacyjna ma masę 38666,67 kg. System izolacyjny obejmuje HDRB 34,35,36 jako łożyska izolacyjne i VD-OP. Symulacje przeprowadzono przy użyciu oprogramowania OpenSees37. HDRB został wymodelowany przy użyciu materiału KikuchiAikenHDR, o średnicy łożyska 400 mm i całkowitej grubości gumy 74 mm. Fale sejsmiczne o PGA=0.4 g są wykorzystywane do symulacji rzadkiego trzęsienia ziemi. Przedstawiono reakcję warstwy izolacyjnej w tych rzadkich warunkach (ryc. 5).

Aby poprawić wydajność systemu, zastosowano VD-OP, w którym kluczowym parametrem konstrukcyjnym jest maksymalna siła ochrony przed przeciążeniem, Fmax. Parametr bezwymiarowy, stosunek siły progowej ρ = Fmax/FBR wahał się od 0 do 1,0, przy czym współczynnik tłumienia VD-OP ustalono na poziomie 0,6. Przedstawiono reakcje konstrukcyjne, w tym przemieszczenie, przyspieszenie, odkształcenie warstwy izolacyjnej i podstawową siłę tnącą, dla różnych wartości rho (tabela 3 i rysunek 6). Przedstawiono krzywe histeretyczne dla HDRB i VD-OP przy różnych wartościach parametru ρ (rys. 7). Krzywe histerezy na rysunku 8 ilustrują działanie tłumika VD-OP przy ρ = 0,5 przy różnych poziomach intensywności trzęsienia ziemi.

figure-protocol-9
Rysunek 6: Reakcje sejsmiczne układu o różnych ρ. Wraz ze wzrostem stosunku siły progowej ρ przemieszczenie konstrukcyjne początkowo maleje, osiągając minimum, a następnie nieznacznie wzrasta. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-protocol-10
Rysunek 7: Krzywe histeretyczne HDRB i VD-OP o różnych 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. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-protocol-11
Rysunek 8: Krzywe histeretyczne VD-OP z ρ = 0,5 przy częstych, fortyfikacjach i rzadkich trzęsieniach ziemi. (A) Częste trzęsienia ziemi; B) wydarzenia na poziomie projektu; (C) Silne trzęsienie ziemi. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Przykładowa konfiguracja numeryczna izolowanych struktur wbudowanych w VD-OP
Symulacja oryginalnej konstrukcji

Trzykondygnacyjna konstrukcja szkieletowa służy do przeprowadzenia analizy izolacji sejsmicznej w celu oceny skuteczności i możliwości zastosowania systemu izolacji VD-OP. Proces analizy statyczno-wytrzymałościowej został przeprowadzony przy użyciu oprogramowania ETABS38, a model konstrukcyjny i układ planu są przedstawione (rysunek 9). Konstrukcja ma wymiary około 32 m na 15,6 m i masę całkowitą około 1856 ton. zastosowany w stropach, belkach i słupach ma wytrzymałość na ściskanie 30 MPa. Mody drgań strukturalnych obejmują ruchy translacyjne w kierunkach X i Y, z odpowiednimi okresami 0,66 s i 0,61 s, oraz tryb skręcania wokół osi Z z okresem 0,54 s. Biorąc pod uwagę, że stosunek okresów pierwszego i trzeciego trybu przekracza 0,9, wskazuje to na słabą wydajność skręcania w badaniach odpowiedzi sejsmicznych.

figure-protocol-12
Rysunek 9: Schemat analizy izolacji sejsmicznej trzykondygnacyjnej konstrukcji szkieletowej w celu oceny skuteczności i możliwości zastosowania systemu izolacji VD-OP. (A) Perspektywiczny widok modelu elementów skończonych oryginalnej konstrukcji; (B) Plan konstrukcyjny typowej kondygnacji; (C) Znormalizowane widma przyspieszenia pięciu wejściowych ruchów gruntu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Budowa systemu izolacji VD-OP
System izolacji VD-OP został wdrożony w celu zwiększenia strukturalnej odporności sejsmicznej poprzez ograniczenie przenoszonych reakcji przyspieszenia w warstwie izolacyjnej. Projektowanie VD-OP w oparciu o osiągi obejmuje kompleksowy proces składający się z czterech kluczowych etapów: (1) oceny wydajności pierwotnej konstrukcji, (2) ustalenia celu poprawy wydajności, (3) zaprojektowania izolowanej konstrukcji opartej na VD-OP oraz (4) walidacji jej wytrzymałości sejsmicznej. Stosunek siły tnącej γSF i współczynnik przyspieszenia konstrukcyjnego γACC , które reprezentują docelowy poziom poprawy wydajności, można ustalić przy użyciu wcześniej określonych wartości typowych lub określonych wymagań inżynierskich. Ten γSF można obliczyć jako stosunek szczytowych reakcji siły ścinającej struktury podstawowej do reakcji struktury izolowanej opartej na VD-OP, podczas gdy γACC można obliczyć jako stosunek reakcji na przyspieszenie szczytowe struktury podstawowej do reakcji struktury izolowanej opartej na VD-OP. Projektowanie parametrów VD-OP polega na doborze reprezentatywnych zestawów parametrów w celu uzyskania pożądanej sztywności i charakterystyki tłumienia, w tym współczynnika tłumienia, wykładnika tłumienia i siły progowej zabezpieczenia przeciążeniowego Fmax . Wspomniane parametry można określić zgodnie z parametrycznymi wynikami badań właściwości mechanicznych i zasadą projektowania, która minimalizuje reakcje przyspieszenia izolowanej struktury opartej na VD-OP podczas rzadkich trzęsień ziemi. Zgodnie z procedurą projektowania zilustrowaną powyżej, schemat blokowy projektu parametrów jest podsumowany (Rysunek 10).

figure-protocol-13
Rysunek 10: Schemat blokowy projektu proponowanego hybrydowego systemu izolacji opartego na VD-OP. Projektowanie VD-OP obejmuje: (1) ocenę pierwotnej konstrukcji, (2) zdefiniowanie docelowych współczynników poprawy (α siły tnącej i przyspieszenia β), (3) optymalizację parametrów tłumienia (współczynnik, wykładnik, siła progowa) w celu zminimalizowania reakcji sejsmicznej oraz (4) walidację wydajności. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Ustawiając docelową skuteczność izolacji, ocenianą za pomocą docelowej siły ścinającej podstawy γSF, Tar i współczynnika przyspieszenia strukturalnego γACC, Tar na 0,35 pod wpływem częstych trzęsień ziemi, u podstawy pierwotnej konstrukcji dodano warstwę izolacji sejsmicznej zawierającą HDRB i nowatorski VD-OP. Szczegółowe parametry HDRB i VD-OP są szczegółowo i zilustrowane (tabela 4 i tabela 5).

Analiza dynamiczna konstrukcji za pomocą systemu izolacji VD-OP

Konstrukcja została zaprojektowana tak, aby wytrzymać intensywność fortyfikacji sejsmicznej wynoszącą siedem stopni (0,15 g) i znajduje się na terenie kategorii IV, który jest klasyfikowany jako teren z miękką glebą39. Spektrum odpowiedzi miejsca ma charakterystyczny okres Tg = 0,75 s. 4,16 Biorąc pod uwagę te warunki terenowe, do analizy wybrano siedem zapisów historii czasu sejsmicznego, w tym dwie historie czasu sztucznych ruchów ziemi i pięć historii czasu naturalnych ruchów ziemi pochodzących z bazy danych K-KET w Japonii40. Przedstawiono szczegółowe informacje na temat tych zapisów sejsmicznych (Tabela 6), a także podano ich widma reakcji na przyspieszenie (Rysunek 9).

Aby ocenić wydajność HDRB w różnych scenariuszach trzęsień ziemi, historie czasowe ruchu gruntu zostały przeskalowane w celu osiągnięcia szczytowego przyspieszenia gruntu (PGA) na poziomie 35 galonów, 100 gal i 220 gal39. Te wartości PGA, odpowiadające odpowiednio częstym trzęsieniom ziemi, trzęsieniom ziemi fortyfikacyjnym i rzadkim trzęsieniom ziemi, zostały wybrane, aby zapewnić dokładną ocenę odporności sejsmicznej izolowanej konstrukcji. Dynamiczne reakcje oryginalnych konstrukcji, konstrukcji z systemem izolacji VD-OP opartym na HDRB oraz struktur izolowanych LRB zostały dokładnie przeanalizowane w warunkach częstych, fortyfikacji i rzadkich trzęsień ziemi, koncentrując się na przemieszczeniu międzykondygnacyjnym, przyspieszeniu i sile ścinającej. Szczegółowe odpowiedzi porównawcze przedstawiono (ryc. 11). Przedstawiono krzywe histerezy VD-OP pod wejściem ruchu gruntu NW3 dla częstych, fortyfikacyjnych i rzadkich trzęsień ziemi (Rysunek 12).

figure-protocol-14
Rysunek 11: Story dryfuje pod wpływem różnych poziomów trzęsień ziemi. (A) Story dryfuje pod wpływem częstych trzęsień ziemi; (B) Fabuła dryfuje pod wpływem wydarzeń na poziomie projektu; (C) Story dryfuje pod wpływem silnych trzęsień ziemi. (D) Nożyce do podłóg pod wpływem częstych trzęsień ziemi; (E) Nożyce do historii w ramach zdarzeń na poziomie projektu; (F) Nożyce do gałęzi pod wpływem silnego trzęsienia ziemi; (G) Historie bezwzględnych przyspieszeń pod wpływem częstych trzęsień ziemi; (H) Bezwzględne przyspieszenia fabuły w przypadku zdarzeń na poziomie projektu; (I) Historia bezwzględnych przyspieszeń pod wpływem silnego trzęsienia ziemi. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-protocol-15
Rysunek 12: Krzywe histerezy w warstwie izolacyjnej pod różnymi poziomami trzęsień ziemi, NW3. (A) VD-OP w warunkach częstych trzęsień ziemi; B) VD-OP w ramach wydarzeń na poziomie projektowym; C) VD-OP w przypadku silnego trzęsienia ziemi; D) HDRB w warunkach częstych trzęsień ziemi; E) HDRB w ramach wydarzeń na poziomie projektu; (F) HDRB w przypadku silnego trzęsienia ziemi. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Wyniki analizy parametrycznej urządzenia VD-OP
Zależność siła-prędkość i zachowanie histeretyczne (rysunek 2):

Jak pokazano na rysunku 2, krzywe histerezy pokazują, jak zmienia się zachowanie przepustnicy w zakresie rozpraszania energii przy różnych wartościach Fmax i amplitudach przemieszczenia. W przypadku...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Badanie to pokazuje skuteczność VD-OP (Rysunek 1, Rysunek 2 i Rysunek 3) w zwiększaniu odporności sejsmicznej poprzez kontrolowane rozpraszanie energii i ograniczanie siły. Wyniki eksperymentów (Rysunek 4, Rysunek 13 i Rysunek 14) potwierdzają, że VD-OP łagodzi nadmierne siły tłumienia przy ruchach z dużą prędkością, zmniejszając ryzyko uszkodz...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy oświadczają, że nie występuje konflikt interesów w związku z publikacją niniejszej pracy.

Podziękowania

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

Badania te są wspierane przez Projekt Badań Podstawowych Państwowego Laboratorium Kluczowego Ministerstwa Nauki i Technologii (nr grantu SLDRCE19-A-10). Wszelkie wsparcie jest z wdzięcznością przyjmowane.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Oprogramowanie do testów dynamicznychSzanghaj HualongHDTS-v3.0Zgodny z GB / T 20688.1-2007
ETABS-Analiza i projektowanie budynków Komputer i konstrukcje, Inc19.0.2Do modelowania wydajności i analizy statyczno-wytrzymałościowej
Ogniwo obciążnikoweNingbo SaishiZobacz materiał C3M-3000Do eksperymentów o nośności 3000 kN
LVDT (Biblioteka LVDT)Szanghaj HualongHLVDT1000W przypadku eksperymentów z ± Zakres 1000 mm i rozdzielczość 0,01 mm
Czujnik magnetostrykcyjnyMTS (Stany Zjednoczone)Seria MTS-RW przypadku eksperymentów z ± Skok 800 mm
MATLAB (MATLAB)MathWorks (Prace matematyczne)2024Do obliczania doświadczeń
Siłownik serwohydraulicznySzanghaj HualongYJW-20000W przypadku eksperymentów z ± Skok 800 mm, ± Udźwig dynamiczny 2000 kN

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Seismic IsolationNonlinear DampingForce LimitingEnergy DissipationMechanical ModelExperimental ValidationParametric StudyStructural Protection

Powiązane artykuły