Исследовательская статья

Многоступенчатый механизм контроля вибрации и экспериментальная эффективность вязкостного демпфера с защитой от перегрузки

DOI:

10.3791/68410

⸱

5 сентября 2025 г.

 ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

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

В этой статье мы представляем проектирование, испытания и применение вязкостного демпфера с защитой от перегрузки (VD-OP) для сейсмической изоляции конструкций. Он включает в себя механическое моделирование, испытания прототипов и интеграцию с резиновыми подшипниками с высоким демпфированием для повышения сейсмических характеристик при ограничении передачи усилия и сохранении структурной целостности.

Аннотация

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

В данном исследовании представлена инновационная гибридная система сейсмической изоляции, в которой интегрирован вязкий демпфер с защитой от перегрузки (VD-OP) для улучшения сейсмических характеристик и преодоления ограничений традиционных методов изоляции. VD-OP включает в себя нелинейный механизм демпфирования, зависящий от смещения, и функцию ограничения силы, эффективно контролируя чрезмерные силы демпфирования при высокоскоростных движениях, вызванных переменной интенсивностью сейсмических импульсов. Разработана механическая модель, откалиброванная с использованием экспериментальных данных, для воспроизведения характеристик нелинейного демпфирования и защиты от перегрузки VD-OP. Численное моделирование подтверждается экспериментальными испытаниями, что обеспечивает прочную основу для оптимизации параметров и оценки производительности. Полученные данные показывают, что функция ограничения силы играет решающую роль в снижении избыточных сил на изоляционном слое, повышении эффективности изоляции и контроле реакции на ускорение в надстройке. Параметрические исследования и анализ различных сейсмических сценариев подтверждают высокую способность системы к рассеиванию энергии и адаптивность, обеспечивая эффективную изоляцию при частых землетрясениях, контролируемую деформацию при проектных событиях и защиту конструкций во время сильных землетрясений. Предлагаемый здесь подход к проектированию, основанный на производительности, предлагает практическое руководство по внедрению системы VD-OP, представляя собой надежное решение для повышения сейсмостойкости инженерных сооружений.

Введение

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

Технология сейсмоизоляции признана эффективной стратегией смягчения вибрации конструкций при землетрясениях, повышения безопасности и устойчивости инженерных сооружений 1,2,3. За счет введения гибкого изоляционного слоя между пролетным строением и его фундаментом, сейсмоизоляция снижает передачу сейсмических сил, эффективно отделяя строительные конструкции от движения грунта 4,5,6. Такой механизм приводит к значительному снижению ускорения конструкции и межэтажного дрейфа, обеспечивая защиту как конструкции, так и ее обитателей. Различные изолирующие устройства, в том числе многослойные резиновые подшипники 7,8, резиновые подшипники со свинцовым сердечником 9,10,11, фрикционные маятниковые подшипники 12,13,14,15 и подшипники качения16,17, обычно используются при сейсмическом проектировании высотных зданий18, мостов19 и др. Объекты первой необходимости 20,21.

Несмотря на широкое применение, традиционные системы сейсмической изоляции сталкиваются с проблемами в экстремальных сейсмических условиях. В частности, недостаточная избыточность в изоляционном слое и чрезмерная деформация во время крупных землетрясений могут поставить под угрозу эффективность изоляции и создать риски для безопасности. Для устранения этих ограничений были предложены гибридные изоляционные системы, сочетающие в себе демпферы, настроенные демпферы22 и заслонки на основе инертера 23,24,25. Эти системы сочетают в себе способность рассеивания энергии демпферов с возможностями контроля вибрации настроенных демпферов масс, повышая сейсмическую стойкость первичных конструкций 26,27,28. Тем не менее, многие из этих передовых систем по-прежнему ограничиваются теоретическим анализом и лабораторными исследованиями. Их сложная конфигурация и высокая стоимость внедрения препятствуют их широкому применению в практических инженерных проектах. Кроме того, гибридные изоляционные системы на базе классических вязкостных демпферов 29,30,31 имеют присущий им недостаток: чрезмерное демпфирующее усилие при высокоскоростной деформации. Эта проблема снижает эффективность изоляции во время многоуровневых землетрясений, усиливает реакцию пролетного строения на ускорение и повышает риск разрушения в изоляционном слое. Чрезмерное демпфирование не только подрывает предполагаемые преимущества сейсмической изоляции, но и создает новые уязвимости, особенно при редких, но интенсивных сейсмических возбуждениях. Как наблюдалось во время землетрясения магнитудой6,8 Лудинг 32,33 в 2022 году, здание, оснащенное системой изоляции вязких демпферов, столкнулось с неожиданной проблемой. Относительная скорость на демпфере превысила его расчетные пределы, что привело к силе демпфирования, значительно превышающей предполагаемые технические характеристики. Этот результат подчеркивает острую потребность в развитии устойчивых и надежных технологий демпфирования, способных выдерживать непредсказуемые сейсмические нагрузки. Поиск улучшенной сейсмической защиты продолжается, поскольку исследователи и инженеры стремятся разработать инновационные решения для защиты конструкций и жизней в будущих землетрясениях.

Для решения этих проблем в данном исследовании предлагается новая гибридная изоляционная система с вязким демпфером с защитой от перегрузки (VD-OP). В VD-OP используется инновационный механизм ограничения силы, который ограничивает силу демпфирования при высоких скоростях, обеспечивая сохранение эффективности системы изоляции при различной интенсивности сейсмических импульсов. Создается механическая модель, откалиброванная с использованием экспериментальных данных, для моделирования нелинейного демпфирования и характеристик защиты от перегрузки VD-OP. Серия численных симуляций проверяется с помощью экспериментальных испытаний, обеспечивая надежную основу для оптимизации параметров и оценки производительности. Параметрический анализ выполнен по нелинейным параметрам VD-OP с учетом того, что предложен подход к проектированию, ориентированный на производительность. В соответствии с предложенными наборами параметров и технологической схемой проекта исследуются сравнительные сценарии проектирования, чтобы проиллюстрировать эффективность системы изоляции на основе VD-OP против многоуровневых сейсмических возбуждений.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

Метод механического моделирования вязкостного демпфера с защитой от перегрузки (VD-OP)
Устройство устройства, принцип работы и значение VD-OP

На рисунке 1 показаны все компоненты VD-OP, включая наружную трубу, поршневой шток и демпфирующее масло. Внешняя трубка изготовлена из высокопрочных материалов и используется для облицовки внутренних компонентов, обеспечивая герметичную среду для предотвращения утечки масла. Поршневой шток, обычно состоящий из высокопрочной стали, совершает возвратно-поступательное движение внутри трубы, соединенной с поршнем, который проталкивает демпфирующее масло через ограничительные отверстия, которые могут создавать сопротивление, пропорциональное скорости движения штока, тем самым рассеивая энергию приложенных сил. При возникновении чрезмерной нагрузки срабатывает механизм фрикционной поверхности. Если приложенная сила превышает расчетный порог, поверхность трения активируется, создавая дополнительные резистивные силы, ограничивающие скорость перемещения поршневого штока.

Предлагаемая конструкция и механический принцип VD-OP (рис. 1) способны гарантировать функционирование демпфера в безопасных пределах как в нормальных, так и в перегрузочных условиях, что дает заметные преимущества. Ограничивая усилие на Fmax, он предотвращает перегрузку, что имеет решающее значение для защиты демпфера от разрушения во время сильных сейсмических нагрузок. Эта функция не только повышает долговечность демпфера, но и улучшает контроль реакции конструкции во время землетрясений, тем самым повышая безопасность и стабильность конструкции. В заключение следует отметить, что VD-OP обеспечивает эффективное решение для рассеивания энергии в структурных приложениях, особенно в сейсмических условиях, за счет интеграции механизма, предотвращающего перегрузку. Это приводит к повышению надежности и безопасности, что делает его превосходным вариантом по сравнению с традиционными вязкостными демпферами.

VD-OP (вязкостный демпфер с защитой от перегрузки) демонстрирует характерное соотношение силы и скорости, которое отличается от традиционных вязкостных демпферов (VD). Это насыщение предотвращает воздействие на демпфер сил, превышающих его проектную мощность, тем самым защищая его от потенциального выхода из строя в экстремальных условиях. В отличие от них, традиционные системы VD лишены этой функции насыщения, продолжая демонстрировать линейную зависимость силы и скорости без какого-либо ограничения силы. Это может быть вредно в ситуациях, когда приложенные силы выходят за пределы проектных пределов демпфера, что может привести к повреждению конструкции. Кривая на рисунке 1 показывает типичную петлю, в которой сила выравнивается на Fmax для более высоких скоростей. Такое поведение гарантирует, что демпфер остается в пределах своих эксплуатационных пределов, предотвращая поглощение чрезмерных усилий и тем самым повышая общую безопасность и надежность конструктивной системы.

figure-protocol-1
Рисунок 1: Иллюстрация конструкции предлагаемого вязкостного демпфера с предохранителем от перегрузки (VD-OP). (A) Схема VD-OP; (B) Внешний вид VD-OP; (C) Выходное усилие в зависимости от относительной скорости между двумя выводами; (D) Типичная гистеретическая кривая VD-OP. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Конститутивные отношения VD-OP

На рисунке 1 показана механическая модель и гистеретическая кривая VD-OP. Первоначально зависимость следует линейной зависимости, выраженной как F = CV, где F — сила демпфирования, обеспечиваемая VD-OP, C — коэффициент демпфирования, а V — относительная скорость между двумя концами VD-OP для скоростей ниже определенного порога. Однако, как только скорость превышает этот порог, сила насыщается на максимальном значении, Fmax, обеспечивая критический механизм защиты от перегрузки. Основное различие между VD-OP и обычными вязкостными демпферами заключается в том, что в устройство встроен дополнительный фильтр от перегрузки. Основной конструктивной особенностью VD-OP является его усилие разгрузки, обозначаемое как Fmax, которое регулируется силой трения, возникающей на интегрированной поверхности трения. После указания материала трения можно легко определить коэффициент трения. Согласно закону Кулона, сила трения Fmax выражается как Fmax = μPpre, где μ — коэффициент трения, а Ppre — приложенное предварительное давление. Таким образом, регулируя P pre, Fmax может быть точно откалиброван в соответствии с конкретными требованиями к конструкции, тем самым повышая функциональность и адаптируемость устройства.

Анализ параметров для VD-OP

В соответствии с конститутивной зависимостью VD-OP (рис. 1) были проанализированы свойства диссипации энергии. Установите коэффициент демпфирования и показатель скорости VD-OP C = 500 кН•s0,6/мм0,6 и α = 0,6, а также измените различные максимальные усилия разгрузки Fmax и перемещения δ. Кривые гистерезиса VD-OP изображаются при различных параметрах (рис. 2). Установите максимальные усилия разгрузки и перемещения Fmax = 200 кН и δ = 1,2 мм, а коэффициенты демпфирования C и экспоненты скорости измените α. Кривые гистерезиса VD-OP изображаются при различных параметрах (рис. 3).

figure-protocol-2
Рисунок 2: Кривые гистерезиса VD-OP с различным Fmax при различных δ перемещения: (A) δ = 0,8 мм, Fmax = 100 кН; (B) δ = 1,2 мм, Fmax = 100 кН; (C) δ = 1,6 мм, Fmax = 100 кН; (D) δ = 0,8 мм, Fmax = 300 кН; (E) δ = 1,2 мм, Fmax = 300 кН; (F) δ = 1,6 мм, Fmax = 300 кН; (G) δ = 0,8 мм, Fmax = 500 кН; (H) δ = 1,2 мм, Fmax = 500 кН; (I) δ = 1,6 мм, Fmax = 500 кН. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-protocol-3
Рисунок 3: Кривые гистерезиса VD-OP при различных C и α: (A) C = 200 кН•с0,3/мм0,3, α = 0,3; (B) C = 200 кН•s0,6/мм0,6, α = 0,6; (C) C = 200 кН•s1/мм1, α = 1; (D) C = 500 кН с0,3/мм0,3, α = 0,3; (E) C = 500 кНс 0,6/мм0,6, α = 0,6; (F) C = 500 кН•s1/мм1, α = 1; (G) C = 800 кН•s0,3/мм0,3, α = 0,3; (H) C = 800 кН•s0,6/мм0,6, α = 0,6; (I) C = 800 кН1/мм1, α = 1 . Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Методика экспериментальных испытаний ВД-ОП
Тестирование прототипа и устройства

В соответствии с упомянутой выше конструкцией устройства VD-OP создается опытный образец устройства VD-OP для изучения его механических характеристик. Одноосный привод (Рисунок 4) используется для проверки механических характеристик VD-OP. Гидравлическая система испытательного устройства состоит из сервогидравлического насоса мощностью 100 кВт с ПИД-регулируемым расходом, привода с ходом ±800 мм, статической испытательной мощностью 3000 кН и динамической испытательной мощностью ±2000 кН. Датчики включают в себя тензодатчик мощностью 3000 кН для измерения силы и LVDT с диапазоном ±1000 мм для измерения перемещения. Приведены параметры (Таблица 1) и протокол нагружения (Таблица 2) VD-OP.

Процедура экспериментальной проверки и численного моделирования

Эксперимент, показанный на рисунке 4 , может дать ценную информацию о эксплуатационных характеристиках VD-OP. Перед тестированием выполняется динамическая калибровка с использованием собственного груза, за которой следует регулировка нулевой точки после 30-минутного периода прогрева. Установите демпфер VD-OP между верхней и нижней плитами, при этом выравнивание обеспечивается с помощью лазерного инструмента для выравнивания для достижения коаксиальности. Механическая слабина устраняется за счет применения трех предциклов с амплитудой ±5% от максимального хода и частотой 0,01 Гц. Сбор и постобработка данных предполагают автоматическую синхронизацию сигналов силы, смещения и температуры экспериментальной системой управления. Дрейф датчика компенсируется с помощью предварительно откалиброванных коэффициентов. Кроме того, для дальнейшей проверки точности результатов испытаний и анализа методом конечных элементов компания OpenSees использовала OpenSees для воспроизведения условий тестирования VD-OP. Параметры устройства и сценарии нагружения в конечно-элементной модели поддерживались в соответствии с параметрами физических испытаний.

figure-protocol-4
Рисунок 4: Блок-схема экспериментальной установки. Экспериментальная процедура начинается с динамической калибровки собственного груза и регулировки нулевой точки после 30-минутного прогрева, за которой следует лазерная установка демпфера VD-OP между плитами с предварительным циклированием ±5% (0,01 Гц) для устранения провисания. Данные о силе, смещении и температуре собираются синхронно с компенсацией дрейфа, в то время как моделирование OpenSees воспроизводит параметры испытаний для проверки согласованности экспериментов и МКЭ. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Разработка системы изоляции VD-OP
Конфигурация изоляционной системы VD-OP

На основе упомянутого выше VD-OP описывается механическая конфигурация изоляционной системы VD-OP (Рисунок 5), включающей резиновые подшипники с высоким демпфированием (HDRB) и VD-OP. HDRB эффективны в поглощении энергии и снижении сейсмических сил в нормальных условиях, но во время редких землетрясений они могут подвергаться большим деформациям и проявлять жесткое упрочнение, что может ухудшить изоляционные характеристики. Что касается традиционного вязкостного демпфера, то он также может выйти из строя в таких экстремальных условиях из-за чрезмерных усилий. Поэтому для структурного сейсмического контроля предложен метод изоляции VD-OP. В предлагаемой системе изоляции VD-OP решает эти проблемы за счет включения механизма защиты от перегрузки, который предотвращает превышение силовой емкости демпфера, тем самым предотвращая выход из строя во время редких землетрясений. Кроме того, ограничивая выходное усилие демпфера, VD-OP помогает противодействовать упрочнению жесткости HDRB, сохраняя лучшие изоляционные характеристики даже при больших деформациях. Таким образом, изолирующая система VD-OP разработана для повышения безопасности и производительности строительных конструкций за счет эффективного управления как рассеиванием энергии, так и ограничениями силы, устраняя потенциальные недостатки HDRB во время экстремальных явлений. Эффективность VD-OP в системе изоляции, вероятно, подтверждается экспериментальным исследованием, проведенным в этом исследовании.

Механический принцип работы изолирующей системы VD-OP

Установлено уравнение определяющего движения линейной демпфированной структуры SDOF при сейсмическом возбуждении. Конструкционная масса m, линейная пружина k и коэффициент вязкого демпфирования

Установлено уравнение определяющего движения линейной демпфированной структуры SDOF при сейсмическом возбуждении. Конструкционная масса m, линейная пружина k и коэффициент вязкого демпфирования c представляют собой эквивалентную диспетчерскую вышку аэропорта. Уравнение движения может быть выражено следующим образом:

figure-protocol-5

где mi – масса изолирующего слоя, ui и u – смещение изолирующего слоя и первичной структуры, соответственно, FVD-OP и FHDRB – выходные силы VD-OP и HDRB, figure-protocol-6 – сейсмическое ускорение. Выходные силы FVD-OP можно рассчитать следующим образом:

figure-protocol-7

Выходная сила FHDRB может быть получена с помощью механической модели DHI, которая следует уравнению:

FHDRB = τDHI • AHDRB (3)

где τDHI и AHDRB — напряжение сдвига с использованием модели DHI и эффективная площадь HDRB.

figure-protocol-8
Рисунок 5: Иллюстрация предлагаемой системы изоляции на основе VD-OP для строительных конструкций. (A) Схема системы изоляции VD-OP, (B) типичная кривая гистерезиса HDRB, (C) механическая модель системы с одной степенью свободы с системой изоляции на основе VD-OP. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Анализ параметров для системы изоляции VD-OP

Был проведен параметрический анализ структурной модели с 2 степенями свободы для исследования перегрузочных свойств VD-OP по отношению к различным изолирующим деформациям. Верхняя конструкция имеет массу 154666,67 кг, период 0,66 с и собственный коэффициент демпфирования 0,05, в то время как изоляционный слой имеет массу 386666,67 кг. Система изоляции включает в себя HDRB 34,35,36 в качестве изоляционных подшипников и VD-OP. Моделирование проводилось с использованием OpenSees37. HDRB был смоделирован с использованием материала KikuchiAikenHDR с диаметром подшипника 400 мм и общей толщиной резины 74 мм. Для моделирования редкого землетрясения используются сейсмические волны с PGA=0,4 g. Показана реакция изоляционного слоя в этих редких условиях (рис. 5).

Для повышения производительности системы была внедрена система VD-OP, ключевым конструктивным параметром которой является максимальная сила защиты от перегрузки, Fmax. Безразмерный параметр, отношение пороговой силы ρ = Fmax/FBR , варьировался от 0 до 1,0, при этом индекс демпфирования VD-OP был зафиксирован на уровне 0,6. Показаны структурные реакции, включая смещение, ускорение, деформацию изоляционного слоя и силу сдвига основания, для различных значений rho (Таблица 3 и Рисунок 6). Представлены гистеретические кривые для HDRB и VD-OP при различных значениях параметра ρ (рис. 7). Кривые гистерезиса на рисунке 8 иллюстрируют работу демпфера VD-OP с ρ = 0,5 при различных уровнях интенсивности землетрясений.

figure-protocol-9
Рисунок 6: Сейсмические отклики системы с различными ρ. По мере увеличения отношения пороговых сил ρ структурное смещение сначала уменьшается, достигая минимума, а затем немного увеличивается. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-protocol-10
Рисунок 7: Гистеретические кривые HDRB и VD-OP при различных 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. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-protocol-11
Рисунок 8: Гистеретические кривые VD-OP с ρ = 0,5 при частых, фортификационных и редких землетрясениях. (A) Частые землетрясения; (B) мероприятия на уровне дизайна; (В) Сильное землетрясение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Численный пример установки изолированных конструкций, включенных в состав VD-OP
Моделирование исходной структуры

Трехэтажная бетонная каркасная конструкция используется для выполнения сейсмоизоляционного анализа для оценки эффективности и применимости изоляционной системы VD-OP. Процесс структурного анализа был выполнен с использованием программного обеспечения ETABS38, и на нем изображены структурная модель и план (рисунок 9). Конструкция имеет размеры примерно 32 м на 15,6 м и общую массу около 1856 тонн. Бетон, используемый в перекрытиях, балках и колоннах, имеет прочность на сжатие 30 МПа. Моды структурных колебаний включают поступательные движения в направлениях X и Y с соответствующими периодами 0,66 с и 0,61 с, а также крутильную моду вокруг оси Z с периодом 0,54 с. Учитывая, что соотношение периодов первой и третьей мод превышает 0,9, это свидетельствует о слабых крутильных характеристиках для исследования сейсмических откликов.

figure-protocol-12
Рисунок 9: Схема анализа сейсмоизоляции трехэтажной бетонной каркасной конструкции для оценки эффективности и применимости системы изоляции VD-OP. (А) Перспективный вид конечно-элементной модели исходной конструкции; (Б) Структурный план типичного рассказа; (C) Нормализованные спектры ускорения пяти входных движений грунта. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Проектирование системы изоляции VD-OP
Изолирующая система VD-OP реализована для повышения структурной сейсмостойкости за счет ограничения передаваемых ускорений в изоляционном слое. Проектирование VD-OP с учетом эксплуатационных характеристик включает в себя комплексный процесс, состоящий из четырех ключевых этапов: (1) оценка характеристик исходной конструкции, (2) определение цели для улучшения характеристик, (3) проектирование изолированной структуры на основе VD-OP и (4) проверка ее сейсмических характеристик. Отношение поперечных сил γSF и отношение ускорения конструкции γACC, которые представляют собой целевой уровень улучшения характеристик, могут быть установлены с использованием заранее определенных типичных значений или конкретных инженерных требований. Этот γSF может быть рассчитан как отношение откликов пиковой поперечной силы первичной конструкции к реакциям изолированной структуры на основе VD-OP, тогда как γ ACC может быть рассчитан как отношение откликов на пиковое ускорение первичной структуры к откликам изолированной структуры на основе VD-OP. Расчет параметров VD-OP включает в себя выбор репрезентативных наборов параметров для достижения желаемой жесткости и демпфирующих характеристик, включая коэффициент демпфирования, показатель демпфирования и пороговую силу защиты от перегрузки Fmax . Указанные параметры могут быть определены в соответствии с параметрическими данными, полученными в результате исследований механических свойств, и принципом проектирования, который минимизирует ускорение изолированной структуры на основе VD-OP при редких землетрясениях. В соответствии с проиллюстрированной выше процедурой проектирования блок-схема проектирования параметров суммируется (рис. 10).

figure-protocol-13
Рисунок 10: Схема проектирования предлагаемой гибридной системы изоляции на основе VD-OP. Проектирование VD-OP включает в себя: (1) оценку исходной структуры, (2) определение коэффициентов улучшения цели (α сдвиговой силы и ускорения β), (3) оптимизацию параметров демпфирования (коэффициент, экспонента, пороговая сила) для минимальной сейсмической реакции, и (4) проверку характеристик. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Установив целевую эффективность изоляции, оцениваемую по целевой силе сдвига основания γSF,Tar и коэффициенту ускорения конструкции γACC,Tar равным 0,35 при частых землетрясениях, в основании первичной конструкции был добавлен сейсмоизоляционный слой, включающий HDRB и новый VD-OP. Конкретные параметры HDRB и VD-OP подробно описаны и проиллюстрированы (Таблица 4 и Таблица 5).

Динамический расчет конструкции с помощью изолирующей системы VD-OP

Сооружение рассчитано на устойчивость к интенсивности сейсмических укреплений в семь градусов (0,15 г) и расположено на участке категории IV, который классифицируется как участок с мягким грунтом39. Спектр реакции участка имеет характерный период Tg = 0,75 с. 4.16 Учитывая эти условия участка, для анализа было выбрано семь записей сейсмического времени, в том числе две истории времени искусственного движения грунта и пять историй времени естественного движения грунта, взятых из базы данных K-KET в Японии40. Представлена подробная информация об этих сейсмических записях (табл. 6), а также приведены спектры их ускоренной реакции (рис. 9).

Чтобы оценить производительность HDRB при различных сценариях землетрясений, временные истории движения грунта были масштабированы для достижения пиковых ускорений грунта (PGA) в 35 галлонов, 100 галлонов и 220 галлонов39 галлонов. Эти значения PGA, соответствующие частым землетрясениям, фортификационным землетрясениям и редким землетрясениям, соответственно, были выбраны для обеспечения тщательной оценки сейсмической устойчивости изолированного сооружения. Динамические реакции исходных конструкций, конструкций с изолирующей системой VD-OP на основе HDRB и изолированных конструкций LRB были тщательно проанализированы в частых, фортификационных и редких условиях землетрясений, уделяя особое внимание межэтажному смещению, ускорению и поперечной силе. Подробные сравнительные ответы проиллюстрированы (Рисунок 11). Изображены кривые гистерезиса VD-OP при входе движения грунта NW3 для частых, фортификационных и редких землетрясений (рис. 12).

figure-protocol-14
Рисунок 11: Дрейф этажа при различных уровнях землетрясений. (A) Дрейф этажа при частых землетрясениях; (B) Дрейф сюжета под действием событий дизайнерского уровня; (В) Дрейф истории при сильных землетрясениях. (D) Ножницы этажей при частых землетрясениях; (E) Ножницы историй в рамках событий на уровне дизайна; (F) Ножницы при сильном землетрясении; (G) История абсолютных ускорений при частых землетрясениях; (H) Абсолютное ускорение сюжета при событиях на уровне дизайна; (I) История абсолютных ускорений при сильном землетрясении. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

figure-protocol-15
Рисунок 12: Кривые гистерезиса в изоляционном слое при различных уровнях землетрясений, NW3. (А) ВД-ОП при частых землетрясениях; (B) VD-OP в рамках событий проектного уровня; (В) ВД-ОП при сильном землетрясении; d) HDRB в условиях частых землетрясений; e) HDRB в рамках мероприятий, посвященных проектированию; (F) HDRB в условиях сильного землетрясения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Результаты параметрического анализа прибора VD-OP
Соотношение силы и скорости и истеретическое поведение (рис. 2):

Как показано на рисунке 2, кривые гистерезиса демонстрируют, как изменяется поведение демпфера при рассеивании энергии при различных значениях Fmax и амплитудах смещения. При меньших значе...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Данное исследование демонстрирует эффективность VD-OP (рис. 1, рис. 2 и рис. 3) в повышении сейсмостойкости за счет контролируемого рассеивания энергии и ограничения силы. Результаты экспериментов (Рисунок 4, Рисунок 13 и Рисунок 14) подтверждают, что VD-OP смягчает чрезмерные силы демпфирования при высокоскоро...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в связи с публикацией данной статьи.

Благодарности

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

Данное исследование проводится при поддержке Проекта фундаментальных исследований Государственной ключевой лаборатории Министерства науки и технологий (грант No SLDRCE19-А-10). Мы с благодарностью признаем всю поддержку.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Программное обеспечение для динамического тестированияШанхай ХуалунHDTS-v3.0Соответствует стандарту GB/T 20688.1-2007
ETABS-Проектирование и проектирование зданий Компьютер и структуры, Инк19.0.2Для моделирования производительности и структурного анализа
ТензодатчикНинбо СайшиС3М-3000Для экспериментов с мощностью 3000 кН
ЛВДТШанхай ХуалунHLVDT1000Для экспериментов с ± Диапазон 1000 мм и разрешение 0,01 мм
Магнитострикционный датчикMTS (США)Серия MTS-RДля экспериментов с ± Ход 800 мм
МАТЛАБМатематические работы2024Для расчета экспериментов
Сервогидравлический приводШанхай ХуалунYJW-20000Для экспериментов с ± Ход 800 мм, ± Динамическая емкость 2000 кН

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи