Araştırma makalesi

Çok Aşamalı Titreşim Kontrol Mekanizması ve Aşırı Yük Koruyuculu Viskoz Damperin Deneysel Etkinliği

DOI:

10.3791/68410

⸱

5 Eylül 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

Bu makalede

Özet

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

Burada, yapılarda sismik izolasyon için Aşırı Yük Koruyuculu (VD-OP) Viskoz Damper tasarımını, testini ve uygulamasını sunuyoruz. Kuvvet iletimini sınırlarken ve yapısal bütünlüğü korurken sismik performansı artırmak için mekanik modelleme, prototip testi ve yüksek sönümlemeli kauçuk rulmanlarla entegrasyonu içerir.

Özet

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

Bu araştırma, sismik performansı iyileştirmek ve geleneksel izolasyon yöntemlerinin sınırlamalarının üstesinden gelmek için viskoz bir damperi aşırı yük korumalı (VD-OP) entegre eden yenilikçi bir hibrit sismik izolasyon sistemi sunmaktadır. VD-OP, değişen sismik yoğunlukların neden olduğu yüksek hızlı hareketler sırasında aşırı sönümleme kuvvetlerini etkin bir şekilde kontrol eden, yer değiştirmeye bağlı doğrusal olmayan bir sönümleme mekanizması ve kuvvet sınırlayıcı bir özellik içerir. VD-OP'nin doğrusal olmayan sönümleme ve aşırı yük koruma özelliklerini çoğaltmak için deneysel veriler kullanılarak kalibre edilen mekanik bir model geliştirilmiştir. Sayısal simülasyonlar, parametreleri optimize etmek ve performansı değerlendirmek için sağlam bir temel sağlayan deneysel testler yoluyla doğrulanır. Bulgular, kuvvet sınırlama fonksiyonunun, izolasyon tabakası üzerindeki aşırı kuvvetlerin azaltılmasında, izolasyon verimliliğinin iyileştirilmesinde ve üst yapıdaki hızlanma tepkilerinin kontrol edilmesinde kritik bir rol oynadığını göstermektedir. Farklı sismik senaryolarda yapılan parametrik çalışmalar ve vaka analizleri, sistemin güçlü enerji dağıtma yeteneklerini ve uyarlanabilirliğini, sık depremler sırasında etkili izolasyonu, tasarım düzeyindeki olaylar altında kontrollü deformasyonu ve şiddetli depremler sırasında yapısal korumayı doğrulamaktadır. Burada önerilen performansa dayalı tasarım yaklaşımı, mühendislik yapılarının sismik direncini artırmak için güvenilir bir çözüm sunan VD-OP sisteminin uygulanması için pratik rehberlik sunar.

Giriş

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

Sismik izolasyon teknolojisi, depremler sırasında yapısal titreşimi azaltmak, mühendislik yapılarının güvenliğini ve direncini artırmak için etkili bir strateji olarak kabul edilmektedir 1,2,3. Sismik izolasyon, üst yapı ile temeli arasına esnek bir izolasyon tabakası ekleyerek, sismik kuvvetlerin iletimini azaltır ve bina yapılarını yer hareketinden etkili bir şekilde ayırır 4,5,6. Bu mekanizma, yapısal ivmelenmede ve katlar arası kaymada önemli bir azalmaya yol açarak hem yapının hem de sakinlerinin korunmasını sağlar. Lamine kauçuk rulmanlar 7,8, kurşun çekirdekli kauçuk rulmanlar 9,10,11, sürtünme sarkaç yatakları 12,13,14,15 ve rulmanlı rulmanlar 16,17 dahil olmak üzere çeşitli izolasyon cihazları, yüksek binaların sismik tasarımında yaygın olarak kullanılır18, köprüler19, ve diğerleri Temel altyapılar 20,21.

Yaygın uygulamasına rağmen, geleneksel sismik izolasyon sistemleri aşırı sismik koşullar altında zorluklarla karşı karşıyadır. Özellikle, izolasyon katmanındaki yetersiz yedeklilik ve büyük depremler sırasında aşırı deformasyon, izolasyon verimliliğini tehlikeye atabilir ve güvenlik riskleri oluşturabilir. Bu sınırlamaları ele almak için, damperleri, ayarlanmış kütle sönümleyicilerini22 ve atalet tabanlı sönümleyicileri 23,24,25 birleştiren hibrit izolasyon sistemleri önerilmiştir. Bu sistemler, damperlerin enerji dağıtma kapasitesini ayarlı kütle sönümleyicilerin titreşim kontrol yetenekleriyle birleştirerek birincil yapıların sismik direncini artırır 26,27,28. Bununla birlikte, bu gelişmiş sistemlerin çoğu teorik analizler ve laboratuvar çalışmaları ile sınırlı kalmaktadır. Karmaşık konfigürasyonları ve yüksek uygulama maliyetleri, pratik mühendislik projelerinde yaygın olarak uygulanmalarını engellemektedir. Ayrıca, klasik viskoz damperlere (29,30,31) dayanan hibrit izolasyon sistemleri, doğal bir dezavantajdan muzdariptir: yüksek hızlı deformasyon altında aşırı sönümleme kuvveti. Bu sorun, çok seviyeli depremler sırasında izolasyon etkinliğini azaltır, üst yapının ivme tepkisini arttırır ve izolasyon tabakası içinde arıza riskini artırır. Aşırı sönümleme, yalnızca sismik izolasyonun amaçlanan faydalarını baltalamakla kalmaz, aynı zamanda özellikle nadir fakat yoğun sismik uyarımlar altında yeni güvenlik açıkları ortaya çıkarır. 2022 Ms 6.8 Luding depremi 32,33'te gözlemlendiği gibi, viskoz damper izolasyon sistemi ile donatılmış bir bina beklenmedik bir zorlukla karşılaştı. Damper boyunca bağıl hız, tasarım sınırlarını aştı ve amaçlanan özelliklerin çok ötesinde bir sönümleme kuvveti ile sonuçlandı. Bu sonuç, öngörülemeyen sismik kuvvetlere dayanabilen sağlam ve güvenilir sönümleme teknolojilerinde ilerlemelere duyulan acil ihtiyacı vurgulamaktadır. Araştırmacılar ve mühendisler gelecekteki depremlerde yapıları ve yaşamları korumak için yenilikçi çözümler geliştirmeye çalışırken, gelişmiş sismik koruma arayışı devam ediyor.

Bu zorlukların üstesinden gelmek için bu çalışma, aşırı yük korumalı (VD-OP) viskoz bir damper içeren yeni bir hibrit izolasyon sistemi önermektedir. VD-OP, yüksek hızlarda sönümleme kuvvetini sınırlayan yenilikçi bir kuvvet sınırlama mekanizması içerir ve izolasyon sisteminin değişen sismik yoğunluklarda verimliliğini korumasını sağlar. VD-OP'nin doğrusal olmayan sönümleme davranışını ve aşırı yük koruma özelliklerini simüle etmek için deneysel verilerle kalibre edilmiş mekanik bir model oluşturulur. Bir dizi sayısal simülasyon, deneysel testler yoluyla doğrulanır ve parametre optimizasyonu ve performans değerlendirmesi için sağlam bir çerçeve sağlar. Parametrik analiz, performans odaklı bir tasarım yaklaşımının önerildiği göz önüne alındığında, VD-OP'nin doğrusal olmayan parametrelerine karşı gerçekleştirilir. Önerilen parametre setlerini ve tasarım akış şemasını takiben, VD-OP tabanlı izolasyon sisteminin çok seviyeli sismik uyarımlara karşı etkinliğini göstermek için karşılaştırmalı tasarım durumları araştırılmıştır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

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

Aşırı yük koruyuculu viskoz sönümleyici için mekanik simülasyon yöntemi (VD-OP)
Cihaz yapısı, çalışma prensibi ve VD-OP'nin önemi

VD-OP'nin tüm bileşenleri, bir dış boru, bir piston kolu ve sönümleme yağı dahil olmak üzere Şekil 1'de gösterilmektedir. Dış boru, yüksek mukavemetli malzemelerden yapılmıştır ve iç bileşenleri çevrelemek için kullanılır, bu da yağ sızıntısını önlemek için sızdırmaz bir ortam sağlar. Genellikle yüksek mukavemetli çelikten oluşan piston kolu, sönümleme yağını kısıtlayıcı deliklerden zorlayan bir pistona bağlı olarak boru içinde ileri geri hareket eder, bu da çubuğun hareketinin hızıyla orantılı direnç üretebilmekte ve böylece uygulanan kuvvetlerden enerjiyi dağıtmaktadır. Aşırı yükleme meydana geldiğinde, sürtünme yüzeyi mekanizması tetiklenir. Uygulanan kuvvet tasarım eşiğini aşarsa, sürtünme yüzeyi etkinleşir ve piston çubuğunun yer değiştirme hızını sınırlayan ek direnç kuvvetleri üretir.

VD-OP'nin önerilen yapısı ve mekanik prensibi (Şekil 1), damperin hem normal hem de aşırı yük koşulları altında güvenli sınırlar içinde çalışmasını garanti edebilir ve dikkate değer avantajlar sunar. Kuvveti Fmax'ta sınırlayarak, güçlü sismik aktiviteler sırasında damperin arızalanmasını önlemek için çok önemli olan aşırı yüklenmeyi önler. Bu özellik sadece damperin dayanıklılığını artırmakla kalmaz, aynı zamanda depremler sırasında yapısal tepkinin kontrolünü de iyileştirir, böylece yapının güvenliğini ve stabilitesini artırır. Sonuç olarak, VD-OP, yapısal uygulamalarda, özellikle sismik koşullarda, aşırı yüklenmeyi önleyen bir mekanizmayı entegre ederek enerji dağılımı için etkili bir çözüm sunar. Bu, gelişmiş güvenilirlik ve güvenlik sağlar ve onu geleneksel viskoz damperlere göre üstün bir seçenek olarak konumlandırır.

VD-OP (Aşırı Yük Korumalı Viskoz Damper), geleneksel viskoz damperlerden (VD) farklı bir kuvvet-hız ilişkisi sergiler. Bu doygunluk, damperin tasarım kapasitesinin ötesinde kuvvetlere maruz kalmasını önler ve böylece aşırı koşullar sırasında olası arızalardan korur. Buna karşılık, geleneksel VD sistemleri bu doygunluk özelliğinden yoksundur ve kuvvet üzerinde herhangi bir sınırlama olmaksızın doğrusal bir kuvvet-hız ilişkisi sergilemeye devam eder. Bu, uygulanan kuvvetlerin damperin tasarım sınırlarını aştığı ve potansiyel olarak yapısal hasara neden olduğu durumlarda zararlı olabilir. Şekil 1'deki eğri, daha yüksek hızlar için kuvvetin Fmax'ta dengelendiği tipik bir döngüyü göstermektedir. Bu davranış, damperin çalışma sınırları içinde kalmasını sağlar, aşırı kuvvetlerin emilmesini önler ve böylece yapısal sistemin genel güvenliğini ve güvenilirliğini artırır.

figure-protocol-1
Şekil 1: Aşırı yük koruyuculu (VD-OP) önerilen viskoz damperin yapımı için çizim. (a) VD-OP şeması; (B) VD-OP'nin fiziksel görünümü; (C) Çıkış kuvveti ve iki terminal arasındaki bağıl hız; (D) VD-OP'nin tipik histeretik eğrisi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

VD-OP'nin kurucu ilişkisi

Şekil 1, VD-OP'nin mekanik modelini ve histeretik eğrisini göstermektedir. Başlangıçta, ilişki, F = CV olarak ifade edilen doğrusal bir bağımlılığı takip eder, burada F, VD-OP tarafından sağlanan sönümleme kuvvetidir, C, sönümleme katsayısıdır ve V, belirli bir eşiğin altındaki hızlar için VD-OP'nin iki ucu arasındaki bağıl hızdır. Bununla birlikte, hız bu eşiği aştığında, kuvvet maksimum değerde, Fmaks'ta doyurulur ve kritik bir aşırı yük koruma mekanizması sağlar. VD-OP ve konvansiyonel viskoz damperler arasındaki temel fark, cihaz içinde ek bir aşırı yük koruyucusunun entegre edilmesidir. VD-OP'nin temel tasarım özelliği, entegre sürtünme yüzeyinde üretilen sürtünme kuvveti tarafından yönetilen Fmax olarak gösterilen boşaltma kuvvetidir. Sürtünme malzemesi belirlendikten sonra, sürtünme katsayısı kolayca belirlenebilir. Coulomb yasasına göre, sürtünme kuvveti Fmax = μPpre olarak ifade edilir, burada μ sürtünme katsayısı ve Ppre, uygulanan ön basınçtır. Böylece, Ppre'yi ayarlayarak, Fmax, belirli tasarım gereksinimlerini karşılamak için hassas bir şekilde kalibre edilebilir, böylece cihazın işlevselliğini ve uyarlanabilirliğini artırır.

VD-OP için parametre analizi

VD-OP'nin kurucu ilişkisine göre (Şekil 1), enerji yayılım özellikleri analiz edilmiştir. VD-OP'nin sönümleme katsayısını ve hız üssünü C = 500 kN•s0.6/mm 0.6 ve α = 0.6 olarak ayarlayın ve farklı maksimum boşaltma kuvvetlerini Fmaks ve yer değiştirmeleri δ değiştirin. VD-OP'nin histerezis eğrileri değişen parametreler altında gösterilmiştir (Şekil 2). Maksimum boşaltma kuvvetlerini ve yer değiştirmeleri Fmax = 200kN ve δ = 1.2mm olarak ayarlayın ve sönümleme katsayıları C ve hız üslerini α değiştirin. VD-OP'nin histerezis eğrileri değişen parametreler altında gösterilmiştir (Şekil 3).

figure-protocol-2
Şekil 2: Çeşitli yer değiştirme δ altında farklı Fmaks ile VD-OP'nin histerezis eğrileri: (A) δ = 0.8mm, Fmaks = 100kN; (B) δ = 1,2 mm, Fmaks = 100kN; (C) δ = 1.6mm, Fmaks = 100kN; (D) δ = 0,8 mm, Fmaks = 300kN; (E) δ = 1.2mm, Fmaks = 300kN; (F) δ = 1,6 mm, Fmaks = 300kN; (G) δ = 0,8 mm, Fmaks = 500kN; (H) δ = 1.2mm, Fmaks = 500kN; (I) δ = 1.6mm, Fmaks = 500kN . Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-protocol-3
Şekil 3: Farklı C ve α ile VD-OP'nin histerezis eğrileri: (A) C = 200kN•s0.3/mm0.3, α = 0.3; (B) C = 200kN•s0.6/mm0.6, α = 0.6 ; (C) C = 200kN•s1/mm1, α = 1 ; (D) C = 500kN•s0.3/mm0.3, α = 0.3 ; (E) C = 500kN•s0.6/mm0.6, α = 0.6 ; (F) C = 500kN•s1/mm1, α = 1 ; (G) C = 800kN•s0.3/mm0.3, α = 0.3 ; (H) C = 800kN•s0.6/mm0.6, α = 0.6 ; (I) C = 800kN•s1/mm1, α = 1 . Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

VD-OP'nin deneysel test prosedürleri
Prototipin ve cihazın test edilmesi

Daha önce bahsedilen VD-OP'nin cihaz yapısına göre, mekanik performansını incelemek için VD-OP cihazının bir prototipi oluşturulmuştur. VD-OP'nin mekanik davranışını test etmek için tek eksenli bir aktüatör (Şekil 4) kullanılır. Test cihazının hidrolik sistemi, PID kontrollü akış hızına sahip 100 kW'lık bir servo-hidrolik pompa, ±800 mm stroklu bir aktüatör, 3000 kN statik test kapasitesi ve ±2000 kN dinamik test kapasitesinden oluşmaktadır. Sensörler, kuvvet ölçümü için 3000 kN'lik bir yük hücresi ve yer değiştirme ölçümü için ±1000 mm aralığına sahip bir LVDT içerir. VD-OP'nin parametreleri (Tablo 1) ve yükleme protokolü (Tablo 2) verilmiştir.

Deneysel test ve sayısal simülasyon prosedürü

Şekil 4'te gösterilen deney, VD-OP'nin performans özellikleri hakkında değerli bilgiler sağlayabilir. Testten önce, bir ölü ağırlık kullanılarak dinamik kalibrasyon gerçekleştirilir ve ardından 30 dakikalık bir ısınma süresinden sonra sıfır noktası ayarı yapılır. VD-OP damperini üst ve alt plakalar arasına monte edin, koaksiyel olarak elde etmek için bir lazer hizalama aleti kullanılarak hizalama sağlandı. Mekanik gevşeklik, maksimum strokun %±5'i genliği ve 0.01 Hz frekansı ile üç ön döngü uygulanarak elimine edilir. Veri toplama ve son işleme, deneysel kontrol sistemi tarafından kuvvet, yer değiştirme ve sıcaklık sinyallerinin otomatik senkronizasyonunu içerir. Sensör kayması, önceden kalibre edilmiş katsayılar kullanılarak telafi edilir. Ek olarak, test sonuçlarının ve sonlu elemanlar analizinin doğruluğunu daha da doğrulamak için, VD-OP test koşullarını çoğaltmak için OpenSees kullanıldı. Sonlu elemanlar modelindeki cihaz parametreleri ve yükleme senaryoları, fiziksel testlerdekilerle tutarlı bir şekilde korunmuştur.

figure-protocol-4
Şekil 4: Deney düzeneğinin akış şeması. Deneysel prosedür, 30 dakikalık bir ısınmadan sonra dinamik ölü ağırlık kalibrasyonu ve sıfır noktası ayarı ile başlar, ardından gevşekliği ortadan kaldırmak için %±5 ön döngülü (0,01 Hz) plakalar arasına lazerle hizalanmış VD-OP damper montajı yapılır. Kuvvet, yer değiştirme ve sıcaklık verileri, sapma telafisi ile eşzamanlı olarak elde edilirken, OpenSees simülasyonları, deneysel ve FEA tutarlılığını doğrulamak için test parametrelerini çoğaltır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

VD-OP izolasyon sisteminin geliştirilmesi
VD-OP izolasyon sisteminin konfigürasyonu

Daha önce bahsedilen VD-OP'ye dayalı olarak, yüksek sönümlemeli kauçuk yataklar (HDRB) ve VD-OP dahil olmak üzere VD-OP izolasyon sisteminin (Şekil 5) mekanik konfigürasyonu açıklanmaktadır. HDRB'ler, normal koşullar altında enerjiyi emmede ve sismik kuvvetleri azaltmada etkilidir, ancak nadir depremler sırasında büyük deformasyonlara uğrayabilir ve izolasyon performansını zayıflatabilecek sertlik sertleşmesi sergileyebilirler. Geleneksel viskoz damper ile ilgili olarak, aşırı kuvvetler nedeniyle bu tür aşırı koşullar altında da arızalanabilir. Bu nedenle, yapısal sismik kontrol için bir VD-OP izolasyon yöntemi önerilmiştir. Önerilen izolasyon sisteminde VD-OP, damperin kuvvet kapasitesini aşmasını önleyen ve böylece nadir depremler sırasında arızayı önleyen bir aşırı yük koruma mekanizması dahil ederek bu sorunları ele almaktadır. Ek olarak, damperin kuvvet çıkışını kısıtlayarak VD-OP, HDRB'nin sertlik sertleşmesini önlemeye yardımcı olur ve büyük deformasyonlar altında bile daha iyi izolasyon performansı sağlar. Özetle, VD-OP izolasyon sistemi, hem enerji dağılımının hem de kuvvet sınırlamalarının etkin bir şekilde yönetilmesini sağlayarak bina yapılarının güvenliğini ve performansını artırmak için geliştirilmiştir ve aşırı olaylar sırasında HDRB'lerin potansiyel eksikliklerini ele alır. VD-OP'nin izolasyon sistemi içindeki etkinliği, muhtemelen bu çalışmada yürütülen deneysel araştırma ile desteklenmektedir.

VD-OP izolasyon sisteminin mekanik prensibi

Sismik uyarılma altında doğrusal sönümlü bir SDOF yapısının yönetim hareket denklemi kurulur. Yapısal kütle m, doğrusal yay k ve viskoz sönümleme katsayısı

Sismik uyarılma altında doğrusal sönümlü bir SDOF yapısının yönetim hareket denklemi kurulur. Yapısal kütle m, doğrusal yay k ve viskoz sönümleme katsayısı c , eşdeğer havaalanı kontrol kulesini temsil ettiği kabul edilir. Hareket denklemi şu şekilde ifade edilebilir:

figure-protocol-5

burada mi izolasyon tabakasının kütlesidir, ui ve u sırasıyla izolasyon tabakasının ve birincil yapının yer değiştirmesidir, FVD-OP ve FHDRB , VD-OP ve HDRB'nin çıkış kuvvetleridir, figure-protocol-6 sismik ivmedir. FVD-OP çıkış kuvvetleri aşağıdaki gibi hesaplanabilir:

figure-protocol-7

FHDRB çıkış kuvveti, aşağıdaki denklemi takip eden DHI mekanik modeli aracılığıyla elde edilebilir:

FHDRB = τDHI • AHDRB (3)

burada τDHI ve AHDRB , DHI modeli ve HDRB'nin etkili alanı kullanılarak elde edilen kesme gerilimidir.

figure-protocol-8
Şekil 5: Bina yapıları için önerilen VD-OP tabanlı izolasyon sisteminin gösterimi. (A) VD-OP izolasyon sisteminin diyagramı, (B) HDRB'nin tipik histerezis eğrisi, (C) VD-OP tabanlı izolasyon sistemi ile tek serbestlik dereceli sistemin mekanik modeli. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

VD-OP izolasyon sistemi için parametre analizi

VD-OP'nin çeşitli izolasyon deformasyonlarına karşı aşırı yük özelliğini araştırmak için 2 serbestlik dereceli bir yapısal model üzerinde parametrik bir analiz yapılmıştır. Üst yapı 154666.67 kg kütleye, 0.66 s'lik bir periyoda ve 0.05'lik bir doğal sönümleme oranına sahipken, izolasyon tabakası 38666.67 kg'lık bir kütleye sahiptir. İzolasyon sistemi, izolasyon yatakları olarak HDRB 34,35,36 ve VD-OP içerir. Simülasyonlar OpenSees37 kullanılarak gerçekleştirildi. HDRB, 400 mm yatak çapı ve toplam 74 mm kauçuk kalınlığı ile KikuchiAikenHDR malzemesi kullanılarak modellenmiştir. PGA=0.4 g olan sismik dalgalar, nadir bir depremi simüle etmek için kullanılır. İzolasyon tabakasının bu nadir koşullar altında verdiği tepki tasvir edilmiştir (Şekil 5).

Sistemin performansını artırmak için, temel tasarım parametresi maksimum aşırı yük koruma kuvveti, Fmaks. Boyutsuz parametre, eşik kuvvet oranı ρ = Fmaks/FBR , 0 ile 1.0 arasında değiştirildi ve VD-OP'nin sönümleme indeksi 0.6'da sabitlendi. Farklı rho değerleri için yer değiştirme, hızlanma, izolasyon tabakasının deformasyonu ve taban kesme kuvveti dahil olmak üzere yapısal tepkiler gösterilmektedir (Tablo 3 ve Şekil 6). ρ parametresinin farklı değerleri altında HDRB ve VD-OP için histeretik eğriler sunulmuştur (Şekil 7). Şekil 8'deki histerezis eğrileri, farklı deprem şiddeti seviyeleri altında ρ = 0.5 olan VD-OP damperinin performansını göstermektedir.

figure-protocol-9
Şekil 6: Farklı ρ ile sistemin sismik tepkileri. Eşik kuvvet oranı ρ arttıkça, yapısal yer değiştirme başlangıçta azalır ve hafifçe artmadan önce minimuma ulaşır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-protocol-10
Şekil 7: HDRB ve VD-OP'nin farklı ρ ile histeretik eğrileri: (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. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-protocol-11
Şekil 8: Sık, tahkimat ve nadir depremler altında ρ = 0.5 olan VD-OP'nin histeretik eğrileri. (A) Sık sık deprem; (B) Tasarım düzeyindeki etkinlikler; (C) Şiddetli deprem. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

VD-OP ile birleştirilmiş izole yapıların sayısal örnek kurulumu
Orijinal yapının simülasyonu

VD-OP izolasyon sisteminin etkinliğini ve uygulanabilirliğini değerlendirmek için sismik izolasyon analizi yapmak için üç katlı bir beton çerçeve yapısı kullanılır. Yapısal analiz işlemi ETABSyazılımı 38 kullanılarak gerçekleştirilmiş ve yapısal model ve plan düzeni gösterilmiştir (Şekil 9). Yapı yaklaşık 32 m'ye 15.6 m ölçülerindedir ve toplam kütlesi yaklaşık 1856 tondur. Döşemelerde, kirişlerde ve kolonlarda kullanılan betonun basınç dayanımı 30 MPa'dır. Yapısal titreşim modları, karşılık gelen 0,66 s ve 0,61 s'lik periyotlarla X ve Y yönlerinde öteleme hareketlerini ve 0,54 s'lik bir periyotla Z ekseni etrafında bir burulma modunu içerir. Birinci ve üçüncü modların periyotlarının oranının 0.9'u aştığı göz önüne alındığında, bu, sismik tepki araştırması için zayıf burulma performansını gösterir.

figure-protocol-12
Şekil 9: VD-OP izolasyon sisteminin etkinliğini ve uygulanabilirliğini değerlendirmek için üç katlı beton çerçeve yapısının sismik izolasyon analiz şeması. (A) Orijinal yapının sonlu elemanlar modelinin perspektif görünümü; (B) Tipik hikayenin yapısal planı; (C) Beş giriş yer hareketinin normalleştirilmiş ivme spektrumları. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

VD-OP izolasyon sisteminin tasarımı
VD-OP izolasyon sistemi, izolasyon tabakası içinde aktarılan ivme tepkilerini kısıtlayarak yapısal sismik direnci artırmak için uygulanır. VD-OP'nin performansa dayalı tasarımı, dört temel adımdan oluşan kapsamlı bir süreci içerir: (1) orijinal yapının performansını değerlendirmek, (2) performans iyileştirme hedefini belirlemek, (3) VD-OP tabanlı izole yapıyı tasarlamak ve (4) sismik performansını doğrulamak. Performans iyileştirmelerinin hedef seviyesini temsil eden SF'γ kesme kuvveti oranı ve ACC'γ yapısal ivme oranı, önceden belirlenmiş tipik değerler veya özel mühendislik gereksinimleri kullanılarak belirlenebilir. Bu γSF, birincil yapının tepe kesme kuvveti tepkilerinin VD-OP tabanlı izole yapınınkilere oranı olarak hesaplanabilirken, γACC, birincil yapının tepe ivme tepkilerinin VD-OP tabanlı izole yapınınkilere oranı olarak hesaplanabilir. VD-OP'nin parametre tasarımı, sönümleme katsayısı, sönümleme üssü ve aşırı yük koruyucusu Fmax'ın eşik kuvveti dahil olmak üzere istenen sertlik ve sönümleme özelliklerini elde etmek için temsili parametre setlerinin seçilmesini içerir. Söz konusu parametreler, mekanik özellik araştırmalarından elde edilen parametrik bulgulara ve VD-OP tabanlı izole yapının nadir depremler altında ivme tepkilerini en aza indiren tasarım ilkesine göre belirlenebilmektedir. Yukarıda gösterilen tasarım prosedürüne göre, parametre tasarım akış şeması özetlenmiştir (Şekil 10).

figure-protocol-13
Şekil 10: Önerilen hibrit VD-OP tabanlı izolasyon sisteminin tasarım akış şeması. VD-OP tasarımı şunları içerir: (1) orijinal yapının değerlendirilmesi, (2) hedef iyileştirme oranlarının tanımlanması (kesme kuvveti α ve ivme β), (3) minimum sismik tepki için sönümleme parametrelerinin (katsayı, üs, eşik kuvveti) optimize edilmesi ve (4) performansın doğrulanması. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Sık sık meydana gelen deprem altında hedef taban kesme kuvveti γSF,Tar ve ACC,Tar γ yapısal ivme oranı ile değerlendirilen hedef izolasyon verimliliği 0.35 olarak ayarlanarak, birincil yapının tabanına HDRB ve yeni VD-OP'yi içeren bir sismik izolasyon tabakası eklenmiştir. HDRB ve VD-OP için spesifik parametreler ayrıntılı ve gösterilmiştir (Tablo 4 ve Tablo 5).

VD-OP izolasyon sistemi ile yapının dinamik analizi

Yapı, yedi derecelik (0.15g) bir sismik tahkimat yoğunluğuna dayanacak şekilde tasarlanmıştır ve yumuşak toprak sahası39 olarak sınıflandırılan bir Kategori IV sahasında yer almaktadır. Sitenin tepki spektrumu, Tg = 0.75 s'lik bir karakteristik periyoda sahiptir. 4.16 Bu saha koşulları göz önüne alındığında, analiz için iki yapay yer hareketi zaman geçmişi ve Japonya'daki K-KET veritabanından elde edilen beş doğal yer hareketi zaman geçmişi dahil olmak üzere yedi sismik zaman geçmişi kaydı seçilmiştir40. Bu sismik kayıtlar hakkında ayrıntılı bilgi sunulmuştur (Tablo 6) ve ivme tepki spektrumları da verilmiştir (Şekil 9).

HDRB'nin çeşitli deprem senaryoları altındaki performansını değerlendirmek için, yer hareketi zaman geçmişleri, 35 gal, 100 gal ve 220 gal39'luk En Yüksek Yer İvmelerini (PGA) elde edecek şekilde ölçeklendirildi. Sırasıyla sık depremlere, tahkimat depremlerine ve nadir depremlere karşılık gelen bu PGA değerleri, izole yapının sismik direncinin kapsamlı bir değerlendirmesini sağlamak için seçilmiştir. Orijinal yapıların, HDRB tabanlı VD-OP izolasyon sistemine sahip yapıların ve LRB izole yapıların dinamik tepkileri, katlar arası yer değiştirme, ivme ve kesme kuvvetine odaklanarak sık, tahkimat ve nadir deprem koşulları altında kapsamlı bir şekilde analiz edildi. Ayrıntılı karşılaştırmalı yanıtlar gösterilmiştir (Şekil 11). Sık, tahkimat ve nadir depremler için NW3 yer hareketi girişi altında VD-OP'nin histerezis eğrileri gösterilmiştir (Şekil 12).

figure-protocol-14
Şekil 11: Farklı seviyedeki depremler altında kat kaymaları. (A) Sık sık meydana gelen depremler altında kat sürüklenmeleri; (B) Tasarım düzeyindeki olaylar altında hikaye sürüklenmeleri; (C) Şiddetli depremler altında hikaye sürüklenir. (D) Sık sık deprem altında kat makası; (E) Tasarım düzeyindeki olaylar altında öykü kesmeleri; (F) Şiddetli deprem altında kat makası; (G) Sık sık meydana gelen deprem altında kat mutlak ivmeleri; (H) Tasarım düzeyindeki olaylar altında öykü mutlak ivmeleri; (I) Şiddetli deprem altında kat mutlak ivmeleri. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-protocol-15
Şekil 12: Farklı deprem seviyeleri altında izolasyon tabakasındaki histerezis eğrileri, NW3. (A) Sık sık deprem altında VD-OP; (B) Tasarım düzeyindeki olaylar altında VD-OP; (C) Şiddetli deprem altında VD-OP; (D) Sık sık deprem altında HDRB; (E) Tasarım düzeyindeki olaylar altında HDRB; (F) Şiddetli deprem altında HDRB. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

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

VD-OP Cihazının Parametrik Analiz Sonuçları
Kuvvet-Hız İlişkisi ve Histeretik Davranış (Şekil 2):

Şekil 2'de gösterildiği gibi, histerezis eğrileri, damperin enerji dağıtma davranışının farklı Fmaksimum değerleri ve yer değiştirme genlikleri ile nasıl değiştiğini göstermektedir. Daha küçük Fmaksimum...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

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

Bu çalışma, VD-OP'nin (Şekil 1, Şekil 2 ve Şekil 3) kontrollü enerji dağılımı ve kuvvet sınırlaması yoluyla sismik dayanıklılığı artırmadaki etkinliğini göstermektedir. Deneysel sonuçlar (Şekil 4, Şekil 13 ve Şekil 14), VD-OP'nin yüksek hızlı hareketler altında aşırı sönümleme kuvvetlerini azalttığını ve yapısa...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

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

Yazarlar, bu makalenin yayınlanması ile ilgili herhangi bir çıkar çatışması olmadığını beyan ederler.

Teşekkürler

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

Bu araştırma, Bilim ve Teknoloji Bakanlığı Devlet Anahtar Laboratuvarı Temel Araştırma Projesi (hibe numarası SLDRCE19-A-10) tarafından desteklenmektedir. Tüm destek minnetle kabul edilir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Dinamik test yazılımıŞanghay HualongHDTS-3.0 sürümüGB/T 20688.1-2007 ile uyumlu
ETABS-Bina analizi ve tasarımı Bilgisayar ve Yapılar A.Ş.19.0.2Performans modelleme ve yapısal analiz için
Yük hücresiNingbo SaishiC3M-3000 Serisi3000 kN kapasiteli deneyler için
LVDTŞanghay HualongHLVDT1000± 1000 mm aralık ve 0,01 mm çözünürlük
Manyetostriktif sensörMTS (ABD)MTS-R-Serisi± 800 mm hareket mesafesi
MATLABMatematik İşleri2024Deneylerin hesaplanması için
Servo-hidrolik aktüatörŞanghay HualongYJW-20000 Serisi± 800 mm strok, ± 2000 kN dinamik kapasite

Kaynaklar

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

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Seismic IsolationNonlinear DampingForce LimitingEnergy DissipationMechanical ModelExperimental ValidationParametric StudyStructural Protection

İlgili makaleler