Auswahl der Parameter des seismischen Isolationssystems für die Umgebung

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 14734 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die Vorteile der seismischen Isolierung sind vielfältig. Strukturen, die seismisch vom Boden isoliert sind, weisen eine bessere Leistung auf als solche, die dies nicht tun. Sie erfahren geringere Bodenbeschleunigungen und Drifts und sind weniger anfällig für Schäden an Strukturelementen. Zudem ist ihr Inhalt besser vor den Auswirkungen von Erdbeben geschützt. Die Auswahl und Konstruktion seismischer Isolationsgeräte ist komplex und erfordert ein gutes Verständnis ihres Verhaltens bei Erdbeben. Diese Studie untersucht die Auswirkung verschiedener Isolationssystemparameter und Bodenbewegungseigenschaften auf die seismische Reaktion von basisisolierten Strukturen, um rationale Verfahren für Design und Analyse zu entwickeln. Darüber hinaus untersucht die Studie das Problem der optimalen Gestaltung seismischer Isolationssysteme durch parametrische nichtlineare dynamische Analyse. Die Ergebnisse zeigten, dass die maximale Basisscherung und -verschiebung geschwindigkeitsabhängig waren und dass die maximale Bodengeschwindigkeit die Bewegung steuert. Die größte maximale Basisscherung trat auf, wenn Isolationssysteme mit hoher Streckgrenze und geringem Grad an Nichtlinearität verwendet wurden, während die kleinste maximale Basisscherung bei Verwendung niedriger Streckgrenze und hohem Grad an Nichtlinearität auftrat. Die Ergebnisse der Studie können verwendet werden, um die geeigneten Isolationsgeräte auszuwählen und sie richtig zu gestalten, um die Vorteile zu erzielen, die sie bieten.

Strukturschutz-Zusatzhardware, die zum Schutz von erdbebengefährdeten Bauwerken1,2 entwickelt wurde, wird in drei große Bereiche eingeteilt: Basisisolation, passive Energiedissipation und aktive Kontrolle. Passive Kontrollgeräte wurden erfolgreich eingesetzt, um die dynamische Reaktion von Bauwerken zu reduzieren, die schweren Erdbeben ausgesetzt sind. Ihr erster Einsatz begann seit den 1970er Jahren. Energieableitende Geräte können in drei Kategorien eingeteilt werden3: viskose und viskoelastische Dämpfer, metallische Dämpfer und Reibungsdämpfer.

Die seismische Isolierung ist eine relativ neue Technik zur erdbebensicheren Gestaltung von Gebäuden, Brückenkonstruktionen und Kernkraftwerken4. Die Idee der Schwingungsisolation existierte jedoch bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts; Nach verschiedenen Phasen und Entwicklungen, insbesondere in den letzten 30 Jahren, ist diese Technik mit der Erfindung verschiedener seismischer Isolationsvorrichtungen zur praktischen Realität geworden.

Das Prinzip der seismischen Isolation besteht darin, für eine Diskontinuität zwischen zwei sich berührenden Körpern zu sorgen, sodass die Bewegung eines der beiden Körper in Richtung der Diskontinuität nicht vollständig übertragen werden kann. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung der Bodenbeschleunigung und der Drifts zwischen den Stockwerken. Dadurch werden die wertvollen Inhalte und Komponenten des Gebäudes geschützt. Für seine großartige Leistung in den USA, Japan, Italien und Neuseeland. Die Technik der seismischen Isolierung ist inzwischen so weit fortgeschritten, dass sie oft für den Schutz neuer und bestehender Gebäude in Betracht gezogen wird5.

Moderne Gebäude enthalten kostspielige Ausrüstung und Inhalte, die vor Erdbeben geschützt und nach starken Bodenerschütterungen betriebsbereit sein müssen; Bei solchen Gebäuden handelt es sich um Gebäude, die für Forschung, Gesundheitswesen, Telekommunikation, Kernkraftwerke usw. bestimmt sind. Gebäude, die nach den alten seismischen Vorschriften mit herkömmlichen widerstandsfähigen Konstruktionsansätzen wie Scherwänden, verstrebten Rahmen und momentenbeständigen Rahmen errichtet wurden, können das Wertvolle nicht schützen Ausrüstung, die diese Gebäude enthält.

Die seismische Isolierung soll nicht die Kapazität eines Gebäudes erhöhen, sondern wird vielmehr als Mittel zur Reduzierung der seismischen Belastung des Bauwerks angesehen.

Die meisten bestehenden Gebäude und Brücken verwenden Elastomerlager, wobei das Elastomer entweder aus Naturkautschuk oder Neopren besteht, oder Gleitlager, wobei die Gleitfläche aus Teflon und Edelstahl besteht. Daher können Isolationssysteme in zwei Kategorien unterteilt werden; Die erste Kategorie umfasst die Familie der Elastomerlager6,7, in der wir das High Damping Rubber Bearing System (HDRB), das Lead Rubber Bearing System (LRBs) und andere Systeme finden. Die zweite Kategorie umfasst die Familie der Gleitlager, in der wir unter anderem das Reibungspendelsystem (FPS)8 und das Gleitlager9 mit und ohne System ohne Neuzentrierung (SI) finden10.

Die seitliche Steifigkeit eines Isolators ist im Vergleich zu seiner vertikalen Steifigkeit äußerst gering, und ein Isolator ist gegenüber seitlichen Verformungen innerhalb seines Radius nahezu elastisch. Es gibt sogar Geräte mit negativer Steifigkeit11,12. Das Isolationssystem absorbiert die Erdbebenenergie nicht, sondern lenkt sie durch die Dynamik des Isolationssystems ab.

Mehrere Faktoren beeinflussen die Auswahl und das Design von Isolationsgeräten. Die Auswahl des geeigneten Isolationsgeräts basiert auf einigen Anforderungen, die von der seitlichen und vertikalen Steifigkeit über Kostenvorteile bis hin zur Haltbarkeit reichen. Das Design des Isolationssystems basiert auf mehreren Anforderungen und Richtlinien. Es wurden mehrere Entwurfsmethoden vorgeschlagen, von denen einige auf elastischen Spektren basieren, andere auf dem linearisierten Verhalten isolierter Basisstrukturen und andere zur Aufnahme in seismische Codes.

Experimentelle13,14,15,16, numerische und analytische Studien17,18,19, die an einzelnen Isolationsvorrichtungen durchgeführt wurden, zeigten, dass ihre wichtigen Eigenschaften (horizontale und vertikale Steifigkeit, Festigkeit usw.) von den Lastfällen abhängen, und zeigten, dass axiale Belastungen einen signifikanten Einfluss haben Wirkung in Kombination mit seitlichen Belastungen. Beispielsweise zeigten Kalpakidis et al.20, dass die Festigkeit von Bleikautschuklagern abnimmt, wenn sie großen Verformungen ausgesetzt werden. Die Autoren führten den Festigkeitsabbau auf die Erwärmung des Bleikerns zurück und schlugen dann eine Methode vor, um den Festigkeitsabbau aufgrund der Erwärmung des Bleikerns in die Modellierung des Hystereseverhaltens von Blei-Gummi-Lagern einzubeziehen. Es hat sich auch gezeigt, dass Elastomerlager bei großen Zugbelastungen aufgrund der Bildung von Hohlräumen und Brüchen versagen. Kumar et al.21 führten eine Reihe von Tests an 16 Gummilagern mit geringer Dämpfung durch, um die Auswirkung von Kavitation auf die Scher- und Axialeigenschaften von Elastomerlagern zu untersuchen. Die Autoren entwickelten und validierten ein phänomenologisches Modell für Elastomerlager unter Spannung.

Diese Studie wurde durch die Notwendigkeit motiviert, die Leistung von basisisolierten Strukturen bei Erdbeben-Bodenbewegungen zu untersuchen. Einige bestehende Entwurfsverfahren22 und Entwurfsrichtlinien erfordern die Berechnung vieler Parameter und einen langen Weg, um das erforderliche Basisisolationssystem für ein Gebäude zu erreichen. Dies stellt eine weitere Motivation dar, über einen anderen Entwurfsansatz nachzudenken, der Ingenieuren im vorläufigen Entwurfsprozess dabei helfen kann, die nahezu optimalen Parameter der Isolationsvorrichtung auszuwählen, die später mithilfe einer nichtlinearen Zeitverlaufsanalyse überprüft werden können.

Einige der vorgeschlagenen Entwurfsverfahren23 sind komplex und weniger zuverlässig, während andere auf der linearen Theorie basieren und weniger genau sind, da Isolationssysteme von Natur aus nichtlinear sind, insbesondere Blei-Gummi-Lagersysteme und Reibungspendelsysteme. Um der inhärenten Unsicherheit der Entwurfsparameter von Isolationssystemen Rechnung zu tragen, wurden auf Zuverlässigkeit basierende Entwurfsmethoden vorgeschlagen. Beispielsweise entwickelten Castaldo et al.24,25,26 Techniken zur Analyse des Duktilitätsbedarfs auf Basis der seismischen Zuverlässigkeit für basisisolierte Strukturen mit Reibungspendelsystemen.

Seismische Isolationssysteme haben ihre Wirksamkeit bei mehreren Bauwerken, in die sie eingebaut wurden, bei jüngsten Erdbeben oder bei Tests27 unter Beweis gestellt, andere basisisolierte Bauwerke zeigten jedoch nicht die erwartete Leistung. FCLJC (Foothill Communities Law and Justice Center, USA) ist ein Beispiel für diese Strukturen, die unter dem jüngsten Erdbeben in Loma Prieta (Oktober 1989 und Februar 1990) nicht reagierten. Kelly et al.28 erklärten die Reaktion des FCLJC damit Diese effektive Isolationszeit auf der Ebene der im Elastomer induzierten Verformung ist ungefähr die gleiche wie die der Überstruktur mit fester Basis, daher funktionierte die Struktur mit geringeren Abweichungen und geringeren Kräften als die Struktur mit fester Basis, die dem gleichen Input ausgesetzt war Bewegung.

Die Hauptnachteile seismischer Isolationssysteme sind große seitliche Basisauslenkungen und unerwünschte Bewegungen unter Wind und anderen geringfügigen Anregungen. Um eine übermäßige seitliche Verformung bei kleinen Erdbeben zu verhindern und bei starken Erdbeben Energie abzuleiten, können spezielle Vorrichtungen eingesetzt und auf Fundamentebene und jeder anderen gewünschten Bodenebene angebracht werden. Experimente von Kelly et al. Anhand eines halbmaßstäblichen Modells einer Stahlrahmenkonstruktion mit energieabsorbierenden Vorrichtungen, die an den unteren Bodenträgern angebracht sind, wird gezeigt, dass sich die Struktur bei geringer Eingangsbewegung so verhält, als ob sie an einem starren Fundament befestigt wäre, wodurch die Bodenbewegung stark verstärkt wird. Im Gegensatz dazu gaben und absorbierten die Geräte bei starken Erdbeben große Energiemengen, die bis zu 30–35 % der kritischen Dämpfung ausmachten.

Bhatti et al.29 führten eine Optimierungsanalyse durch, um mithilfe nichtlinearer Programmiertechniken die besten Geräteparameter der energieabsorbierenden Geräte zu erhalten, ihre Studie bezog sich jedoch auf eine bestimmte Struktur. Jangid30 führte eine parametrische Studie von basisisolierten Strukturen mit unterschiedlichen Isolationssystemen durch und stellte fest, dass die Dämpfung und die Periode des Überbaus keine spürbaren Auswirkungen auf die Spitzenreaktion von basisisolierten Strukturen haben und die Effekte der viskosen Dämpfung nur geringen Einfluss haben wenn die zusätzliche Dämpfung im Isolationssystem in Form einer Hysterese vorhanden ist.

Diese Studie untersucht das Problem der optimalen Gestaltung seismischer Basisisolationssysteme durch parametrische nichtlineare dynamische Analyse. Zu diesem Zweck sind die Hauptziele dieser Studie folgende:

Überprüfung der seismischen Isolationstechnologie und verschiedener Arten von Isolationsgeräten.

Analyse des Verhaltens und der Leistung eines typischen isolierten Gebäudes.

Durchführung einer parametrischen Analyse, um den Einfluss jeder Variablen auf ausgewählte interessierende Reaktionsparameter zu bestimmen und nach den nahezu optimalen Entwurfsparametern für die seismische Isolation für eine ausgewählte Folge von Bodenbewegungen zu suchen.

Ein Erdbeben überträgt eine große Energiemenge auf die Struktur, die zu Schäden an Strukturelementen und deren Ausrüstung führt. Herkömmliche erdbebensichere Konstruktionsstrategien, bei denen Stahlbetonwände, Aussteifungen oder andere traditionelle Systeme zum Widerstand gegen Erdbeben eingesetzt wurden, schützten die Bauwerke nicht vor starken Bodenbewegungen. Das Konzept der seismischen Isolation ist eine relativ neue Technik in der Erdbebentechnik; Sein Prinzip besteht darin, eine Diskontinuität zwischen dem Fundament und dem Überbau zu schaffen, so dass die seismische Energie nicht vollständig in das Bauwerk übertragen werden kann. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung der Bodenbeschleunigung und der Verschiebungen zwischen den Stockwerken5.

Das herkömmliche erdbebensichere Design beruht auf der Festigkeit und Duktilität der Strukturkomponenten, um erdbebeninduzierten Kräften standzuhalten und die seismische Energie abzuleiten und so den Einsturz von Strukturen im Falle eines Erdbebens zu verhindern. Im Gegensatz dazu zielt der Ansatz der Basisisolierung darauf ab, die schädliche horizontale seismische Kraft zu reduzieren, die auf die Strukturen übertragen wird31.

Die seismische Isolierung soll nicht die Kapazität eines Gebäudes erhöhen, sondern wird vielmehr als Mittel zur Reduzierung der seismischen Belastung des Bauwerks angesehen. In den letzten Jahren hat sich die Sockelisolierung zu einer zunehmend angewandten Konstruktionstechnik für Gebäude und Brücken in stark erdbebengefährdeten Gebieten entwickelt. Viele Bauwerke wurden mit diesem Ansatz gebaut und viele andere befinden sich in der Entwurfsphase oder im Bau.

Ein praktisches seismisches Isolationssystem sollte die folgenden drei Anforderungen erfüllen32:

Ausreichende horizontale Flexibilität zur Erhöhung der Strukturperiode und der spektralen Anforderungen, außer bei sehr weichen Bodenstandorten;

Ausreichende Energiedissipationskapazität, um die Verschiebungen über die Isolatoren auf ein praktisches Maß zu begrenzen;

Ausreichende Steifigkeit, damit sich das isolierte Gebäude nicht von einem Gebäude mit festem Sockel unter allgemeiner Belastung unterscheidet.

Darüber hinaus sind nach Kelly et al.33 die grundlegenden Anforderungen an ein Basisisolationssystem zum Erdbebenschutz:

Die Lager müssen die Eigenlast der Struktur tragen und eine hohe vertikale Steifigkeit aufweisen;

Die horizontale Steifigkeit der Lager muss eine horizontale Eigenfrequenz bieten, die niedrig genug ist, dass das Gebäude nicht auf die zerstörerischen Komponenten der Bodenbewegung reagiert. Aus den Antwortspektren von Seed geht klar hervor, dass unter einer Vielzahl von Bedingungen eine horizontale Eigenfrequenz von 0,5 Hz angemessen ist;

Ein Teil der Erdbebenenergie wird immer bei oder nahe der horizontalen Eigenfrequenz auftreten, daher muss das System über eine ausreichende Dämpfung verfügen, um die Translationsbewegung auf ein akzeptables Maß zu begrenzen.

Das Isolationslagersystem muss eine übermäßige Bewegung des Gebäudes unter Windlast verhindern. Es muss klar sein, dass diese Anforderung nicht aus Gründen der Sicherheit erfolgt – das System soll Schäden aufgrund viel schwerwiegenderer Einwirkungen verhindern –, sondern in erster Linie dem Komfort der Insassen dient, da selbst eine leichte Schwankungsbewegung beunruhigend sein könnte.

Die am häufigsten verwendeten seismischen Isoliersysteme können alle oben genannten Anforderungen erfüllen. Sicherlich wird das System höchstwahrscheinlich zufriedenstellend sein, wenn das seismische Isoliersystem mit ausfallsicheren Vorrichtungen ausgestattet werden kann, um den vollständigen Zusammenbruch der isolierten Struktur im Falle übermäßiger Verschiebungen zu verhindern.

Die erste Periode eines R/C-Gebäudes beträgt etwa \(0,02\;H\;sec.\) (H: Höhe, m). Demnach beträgt die erste Periode eines 15 Meter hohen Gebäudes etwa 0,3 Sekunden. Dieser Zeitraum könnte leicht auf 3 Sekunden verlängert werden, indem das Gebäude mit Isolatoren abgestützt wird. Eine Periodenverschiebung von 0,3 auf 3 Sekunden sorgt für eine unterschiedliche seismische Kraft im Gebäude. Eine unterschiedliche seismische Kraft hängt in erster Linie von den Perioden- und Amplitudeneigenschaften der Bodenbewegung ab34.

Ideale Reaktionskurve.

Wenn die Bodenbewegung daher viele Komponenten enthält, deren Perioden nahe bei 3,0 Sekunden liegen, verstärken diese Komponenten die Gebäudebewegung, andere jedoch nicht. Seismische Merkmale verändern die Reaktion von Gebäuden; Die allgemeine Beziehung zwischen Bodenbewegung und Reaktion ist in Abb. 1 dargestellt. Die Abbildung zeigt große Unterschiede in der seismischen Kraft zwischen „einem Gebäude, das starr mit dem Boden verbunden ist (Beispiel: Zeitraum \(0,3\;Sek.\))“ und „ ein durch Isolatoren unterstütztes Gebäude (Beispiel: Zeitraum \(3\;Sek.\))“. Dies deutet auch darauf hin, dass die Dämpfung das Ansprechverhalten steuert.

Idealerweise sollten die Isolatoren so tief wie möglich in einer Struktur platziert werden, um so viel wie möglich von der Struktur zu schützen. Allerdings beeinflussen Kosten und praktische Überlegungen die Standortwahl. In einem Gebäude kann die Wahl zwischen der Isolierung auf Bodenniveau, unterhalb des Kellers oder an einer Stelle oberhalb der Säulen liegen. Jeder Standort hat Vor- und Nachteile in Bezug auf die Zugänglichkeit und andere sehr wichtige Designaspekte wie Verkleidung, Trennwände und Gebäudetechnik35.

Erdbebenisolatoren gibt es in verschiedenen Formen, von unendlich dünnen Gleitflächen (Lagern) bis hin zu mehreren, einige Zentimeter dicken Gummischichten, die an der Basis montiert sind, den flexiblen oder absorbierenden Strukturelementen beliebiger Tiefe. Da für die meisten Schwerkraftlasten im Allgemeinen eine vertikale Steifigkeit erforderlich ist, ist eine seismische Isolierung nur für horizontale Bewegungen geeignet35.

Im Allgemeinen gibt es zwei Kategorien von Isolationssystemen, die weit verbreitet sind. Die erste Kategorie umfasst die Familie der Elastomerlager, in der wir das High Damping Rubber Bearing System (HDRB), das Lead Rubber Bearing System (LRBs) usw. finden. Laut Kelly36 wird in dieser Kategorie das Gebäude oder die Struktur von entkoppelt Die horizontalen Komponenten der Erdbeben-Bodenbewegung werden durch die Zwischenlage einer Schicht mit geringer horizontaler Steifigkeit zwischen der Struktur und dem Fundament ausgeglichen. Diese Schicht verleiht der Struktur eine Grundfrequenz, die viel niedriger ist als ihre feste Basisfrequenz und viel niedriger als die vorherrschenden Frequenzen der Bodenbewegung. Der erste dynamische Modus der isolierten Struktur beinhaltet eine Verformung nur im Isolationssystem, wobei die darüber liegende Struktur starr ist. Die höheren Moden, die eine Verformung in der Struktur hervorrufen, sind orthogonal zur ersten Mode und zur Bodenbewegung. Diese höheren Moden sind nicht an der Bewegung beteiligt. Wenn also bei diesen höheren Frequenzen eine hohe Energie in der Bodenbewegung vorhanden ist, kann diese Energie nicht in die Struktur übertragen werden. Das Isolationssystem absorbiert die Erdbebenenergie nicht, sondern lenkt sie durch die Dynamik des Systems ab. Diese Art der Isolierung funktioniert bei linearem System und auch im ungedämpften Zustand; Eine gewisse Dämpfung ist jedoch von Vorteil, um mögliche Resonanzen bei der Isolationsfrequenz zu unterdrücken36.

Die zweite Kategorie umfasst die Familie der Gleitlager, in der wir das Reibungspendelsystem (FPS) und das Gleitlagersystem ohne Nachzentrierung (SI)32 finden. Der Isolator dieser Kategorie begrenzt die Scherübertragung über die Isolationsschnittstelle. Viele Schiebesysteme wurden vorgeschlagen und einige wurden auch verwendet. In China verwenden mindestens drei Gebäude mit Schiebesystemen speziell ausgewählten Sand an der Gleitschnittstelle. Für ein Kernkraftwerk in Südafrika wurde eine Art Isolierung verwendet, die eine auf Edelstahl gleitende Bleibronzeplatte mit einem Elastomerlager enthält. Das Reibungspendelsystem ist ein Gleitsystem, bei dem ein spezielles Grenzflächenmaterial auf Edelstahl gleitet und das bei mehreren Projekten in den Vereinigten Staaten eingesetzt wurde, sowohl bei Neu- als auch bei Nachrüstungsprojekten31,33,36,37.

Konzeptionell müssen alle vorhandenen Isolationssysteme die folgenden Leistungsziele erfüllen:

Flexibilität;

Dämpfung;

Beständigkeit gegen Betriebslasten.

Das Grundkonzept der Basisisolationskonstruktion besteht darin, die in einen Überbau übertragene Erdbebenkraft zu minimieren und gleichzeitig die Verformung der Isolatoren innerhalb eines zulässigen Bereichs zu unterdrücken. Es wird erwartet, dass ein Überbau im Vergleich zur Basisisolation deutlich weniger Energie absorbiert. Die seismische Kapazität eines Überbaus entspricht der Reaktion eines Überbaus, der als starrer Körper betrachtet wird. Somit kann die Überstruktur von mehreren Bedingungen befreit werden, die herkömmliche Gebäude daran gehindert haben, eine ausreichende Energieabsorptionskapazität (dh Duktilität) aufzuweisen.

Durch die sorgfältige Auswahl und Platzierung von Isolationsvorrichtungen kann der Aufbau vom schädlichen Einfluss von Torsionsschwingungen befreit werden, die durch eine Exzentrizität zwischen dem Massenschwerpunkt und dem Steifigkeitsschwerpunkt im Aufbau entstehen. Daher kann ein Basisisolationssystem ein viel flexibleres und einfacheres Designverfahren bieten als ein herkömmliches System.

Das herkömmliche seismische Design bietet eine zusätzliche Tragfähigkeit für Lasten, mit Ausnahme seismischer Lasten. Tatsächlich handelt es sich bei dieser Last um die Hauptauslegungslast eines sockelisolierten Gebäudes. Diese Belastung sollte dann im Vorentwurf genau abgeschätzt werden.

Für eine Basisisolationsstruktur können verschiedene Modellierungsebenen eingerichtet werden, von einfachen Einzelmassenmodellen bis hin zu komplizierten 3D-Modellen. Die Zeitverlaufsanalyse mit diesen Modellen ist eine effiziente Möglichkeit, die tatsächliche Reaktion zu ermitteln. Je nach Zweck können verschiedene Ebenen von Reaktionsanalysemodellen erstellt werden, von einfach bis kompliziert38. Unabhängig vom Komplexitätsgrad des mathematischen Modells wird die Überstruktur im Allgemeinen als lineares Schersystem modelliert, wobei die Nichtlinearität auf der Basisisolationsebene konzentriert ist. Dadurch kann die Reaktion jedes Stockwerks nach einer nichtlinearen Zeitverlaufsanalyse ermittelt werden34.

Das Isolationssystem gilt als nichtlinear. Die nichtlinearen Kraft-Weg-Kennlinien der Isolationskomponenten werden explizit mithilfe von Federelementen oder einer Kombination aus Federn und Stoßdämpfern modelliert. Die Modelle für Isolationskomponenten werden hier beschrieben. Für die Modellierung des Isolationssystems38 wird folgende Annahme getroffen:

Das Isolationssystem ist in vertikaler Richtung starr und die Drehmomentfestigkeit der einzelnen Lager wird vernachlässigt.

Das von Wen39 entwickelte Differentialgleichungsmodell für das einachsige Verhalten und das von Park et al.40 entwickelte Differentialgleichungsmodell für das zweiachsige Verhalten.

Die wesentlichen Merkmale, die für das einachsige Verhalten von Elastomerlagern modelliert werden müssen, sind die geeignete Darstellung der Schubsteifigkeit im Bereich vor und nach dem Fließen sowie die Darstellung der Dehnungsabhängigkeit der Schersteifigkeit aufgrund von P-Delta-Effekten.

Es gibt viele Isolationselemente, die für die Modellierung von Isolationssystemen berücksichtigt werden können. Es gibt elastische, viskose, hysteretische Elemente für bilineare Elastomerlager und hysteretische Elemente für Gleitlager. Die hysteretischen Elemente können einachsig oder zweiachsig sein, und die linearen elastischen und viskosen Elemente werden für die Modellierung linearer Elastomerlager und Flüssigkeitsdämpfer berücksichtigt. Das biaxiale Hystereseverhalten von bilinearen Elastomerlagern und für Reibungslager wird mithilfe der biaxialen Wechselwirkungsgleichungen des Bouc-Wen-Modells39 modelliert.

Stellen Sie sich ein Lager unter einer Säule eines Gebäudes vor. Wenn die Struktur einem starken Erdbeben ausgesetzt ist, verschiebt sich das Lager mit den Verschiebungskomponenten \(U_x\) und \(U_y\) (siehe Abb. 2).

Eine Peilung unter der Säule, angeregt durch eine Erdbeben-Bodenbewegung.

Am Lager entsteht ein Torsionsmoment, aber der Beitrag dieses Torsionsmoments zum Gesamtdrehmoment, das auf die von mehreren Lagern getragene Struktur wirkt, ist unbedeutend und wird daher bei der Modellierung vernachlässigt. Darüber hinaus entwickeln sich seitliche Kräfte und weisen eine biaxiale Wechselwirkung auf. Diese Kräfte sind natürlich entgegengesetzt zur Richtung der Bodenbewegung.

Die Richtung der mobilisierten Kraft F in den Elastomerlagern ist gegeben durch:

Die Kraft-Weg-Kennlinien des Lagers sind in Abb. 3 dargestellt.

Die Kraft-Weg-Kennlinie des Lagers.

Jetzt können wir die Gleichungen unter Verwendung des Bouc-Wen-Modells der Hysrerese38,39 schreiben:

wobei: \(Z_{x}\), \( Z_{y}\) dimensionslose hysteretische Variablen sind, die durch Werte \(\pm 1\) begrenzt sind; \(\alpha,\; \beta,\; \gamma \) dimensionslose Größen, die die Form der Hystereseschleife steuern; \(\dot{U_{x}},\;\dot{U_{y}}\) sind die Geschwindigkeiten in X- bzw. Y-Richtung; \(U^y\) ist die Fließverschiebung.

Wenn das Nachgeben beginnt, gilt Gl. (3) führt zu \(Z_{x} = \cos {(\theta )}\) und \( Z_{y} =\sin {(\theta }\) (unter Berücksichtigung von \(\alpha =1\), \(\beta =0,1\) und \(\gamma =0,9\), was \(\alpha /(\beta +\gamma )\)=1 bedeutet, wie von38 empfohlen.

Die biaxiale Wechselwirkung kann vernachlässigt werden, wenn die nichtdiagonalen Terme der Matrix in Gl. (3) werden durch Nullen ersetzt. Dies führt zu einem einachsigen Modell mit zwei unabhängigen Elementen in zwei orthogonalen Richtungen.

Kräftegleichgewicht am Lager.

Nun können die in den Elastomerlagern mobilisierten Kräfte, wie in Abb. 4 dargestellt, durch ein elastisch-viskoplastisches Modell mit Kaltverfestigung modelliert werden. Die Gleichungen, die die mobilisierten Kräfte charakterisieren, sind gegeben durch:

wobei \(k_{e}\) die Steifigkeit vor der Streckgrenze ist; \(k_{p}\) ist die Nach-Fließsteifigkeit; \(c_{v}\) ist der viskose Dämpfungskoeffizient des Elastomerlagers oder der Elastomervorrichtung. Beachten Sie, dass Gl. (3) kann auch zur Modellierung von Gleitlagern mit flachen oder sphärischen Gleitflächen verwendet werden, indem eine kleine Fließverschiebung \(U^{y}\) (aufgrund des starren plastischen Verhaltens und der großen Steifigkeit) und \(c_{v }\) =0 und \((k_{e}-k_{p})U^{y}\)=\(\mu N\). Dabei ist \(\mu \) der Reibungskoeffizient und N stellt die durchschnittliche Normalkraft am Lager dar (Normalkraftschwankungen werden vernachlässigt).

Kräftegleichgewicht am Pendellager.

Vernachlässigbare Nachgiebigkeitssteifigkeit für FPS.

Abbildung 5 verdeutlicht das Kräftegleichgewicht am Lager. Die im Lager mobilisierten Kräfte können wie folgt geschrieben werden:

\(k_{p}U_{x}\) und \(k_{p}U_{y}\) stellen die Rückzentrierungskraft aufgrund der sphärischen Oberfläche eines Reibungspendellagers oder eines flachen Gleitstücks dar. Gleichung 6 kann weiter vereinfacht werden, wenn man \(k_{p}\) als vernachlässigbare Größe betrachtet (siehe Abb. 6). Die im Lager mobilisierten Kräfte werden wie folgt geschrieben:

Wir sind also zu derselben Gleichung gelangt, die von Constantinou et al.38 gefunden wurde. Beachten Sie auch hier, dass andere Isolationsgeräte wie nichtlineare Flüssigkeitsdämpfer ebenfalls mit Gleichung modelliert werden können. (3).

Basisisolierte Gebäude können so entworfen werden, dass der Überbau elastisch bleibt, und können auch durch ein kondensiertes lineares elastisches System mit konzentrierten Nichtlinearitäten auf der Isolationsebene modelliert werden. Diese Technik ermöglicht die Verwendung der Fast Nonlinear Analysis (FNA)41. Wenn man zusätzlich berücksichtigt, dass die Basis und die Böden in der Ebene unendlich starr sind (Verschiebungen in der Vertikalen werden vernachlässigt), ergeben sich drei Freiheitsgrade für jeden Boden im Massenschwerpunkt.

Die Bewegungsgleichungen der festen Grundstruktur (Abb. 7) lauten wie folgt:

Dabei sind: M, C, K die Masse-, Dämpfungs- und Steifigkeitsmatrizen der Struktur; R ist die Matrix der Erdbebeneinflusskoeffizienten. Durch die Modenüberlagerungsmethode gilt \(U=\sum _{i}^N Y_{i}\phi _{i}\). Die Eigenschaften der Orthogonalität helfen uns beim Schreiben:

Modell einer festen Grundstruktur.

Die Bewegungsgleichungen können in der alternativen Form umgeschrieben werden:

Die C-Matrix kann mithilfe der Rayleigh-Dämpfung ermittelt werden:

wobei \(\omega _1\) die erste Kreisfrequenz und \(\omega _{N}\) die höhere vorherrschende Frequenz ist.

Die Bewegungsgleichungen einer basisisolierten Struktur können in zwei Sätze unterteilt werden, einen für den Überbau und einen für die Basis. Die Bewegungsgleichungen des elastischen Überbaus lauten (Abb. 8):

Die Bewegungsgleichungen der Basis lauten:

wobei \(M_{b}\), \(C_{b}\), \(K_{b}\) jeweils die diagonalen Massen-, Dämpfungs- und Steifigkeitsmatrizen der starren Basis sind; f ist der Vektor, der die in den nichtlinearen Elementen des Isolationssystems mobilisierten Kräfte enthält.

Modell einer basisisolierten Struktur.

Verwendung der Modalreduktionstechnik:

Dabei ist \(\phi \) die Modellmatrix und \(U^*\) der Modellverschiebungsvektor relativ zur Basis und m die Anzahl der in der Analyse beibehaltenen Eigenvektoren, Gl. (17) kombiniert mit Gl. (18) ergibt:

\(\xi _{i}\) und \(\omega _{i}\) sind das Dämpfungsverhältnis und die Kreisfrequenz für die feste Basisstruktur im Modus i. Beachten Sie, dass die Matrizen \(\left[ 2\xi _{i}\right] \) und \(\left[ \omega _{i}^2\right] \) diagonal sind. Nagarajiah et al.38 verwendeten die Pseudokraftmethode42,43 in ihrer Software 3D-BASIS38, um die oben genannten Bewegungsgleichungen zu lösen. Begründet wurde dies mit den nachgewiesenen Nachteilen der herkömmlichen Methoden. Beispielsweise stellten die Autoren fest, dass die Newton-Raphson-Methode im Gegensatz zur Pseudokraftmethode bei schwerwiegenden Nichtlinearitäten, wie sie in gleitenden Isolationssystemen auftreten, nicht zur Lösung konvergiert.

Bei der Pseudokraftmethode werden die Bewegungsgleichungen zunächst in inkrementeller Form geschrieben, dann wird der Vektor der nichtlinearen Kräfte auf die rechte Seite der Bewegungsgleichungen gebracht und als Pseudokraftvektor behandelt. Der Lösungsalgorithmus verwendet die Methode der konstanten durchschnittlichen Beschleunigung von Newmark, die selbst für negative Tangentensteifigkeit bedingungslos stabil ist44. In jedem Zeitschritt wird ein iterativer Schritt ausgeführt, bis das Gleichgewicht erreicht ist. Der vollständige Lösungsalgorithmus ist in38 zu finden.

Zur Lösung von Gl. wurde ein Matlab-Code entwickelt. (19) unter Verwendung der Pseudo-Force-Methode. Der Code wurde verwendet, um die dynamische Reaktion eines dreistöckigen, isolierten Stahlbetongebäudes zu analysieren, das der Bodenbewegung von El Centro 1940 (NS-Komponente) ausgesetzt war. Das Isolationssystem besteht aus einem Blei-Gummi-Lagersystem, das durch einen Nichtlinearitätsgrad von \(1/\alpha = 13,5\) und eine Streckgrenze von \(\mu = 7\%\) gekennzeichnet ist und so ausgelegt ist, dass eine Isolationsdauer von erreicht wird Vibration \(T_b = 2,5\) Sekunden. Abbildung X zeigt die Basis-Scher-Basis-Verschiebungs-Hysteresekurve.

Basis-Scher-Basis-Verschiebungshysterese.

Um die letzten Ziele dieser Studie zu erreichen, suchen wir in diesem Abschnitt anhand einer umfassenden parametrischen Analyse unter Berücksichtigung der Parameter des Isolationssystems und verschiedener Erdbeben-Bodenbewegungen nach den nahezu besten (dh nahezu optimalen) Designparametern für Isolationssysteme für Bauwerke.

Fünfstöckiges isoliertes Gebäude auf RC-Basis.

Das in der vorliegenden parametrischen Studie angewandte Analyseverfahren wird nachstehend beschrieben:

Strukturmodell: Abbildung 10 zeigt die Struktur, die für die analysierte parametrische Analyse ausgewählt wurde. Es handelt sich um ein fünfstöckiges Stahlbetongebäude mit einer Gesamtmasse von 1313,38 kN.s\(^2\)/m, die gleichmäßig über die Stockwerke verteilt ist. Die Grundperiode des festen Grundgebäudes modelliert als Schubstruktur \(T_s = 0,38\) s. Die seismischen Isolationsvorrichtungen werden auf Sockelebene mit gleicher Bodenmasse unter jeder Säule des Sockels montiert.

Interessante Reaktionsparameter: Die interessierenden Reaktionsparameter, die als Indikatoren für die Wirksamkeit einer seismischen Isolierung gelten, sind: die maximale Basisverschiebung, die maximale Strukturbeschleunigung und die maximale Basisscherung. Auch andere Parameter werden kurz analysiert.

Nichtlineare dynamische Zeitverlaufsanalyse: High-Fidelity-Analysen und eine umfassende Bewertung des Einflusses ausgewählter Parameter wurden als entscheidend für eine erfolgreiche Untersuchung angesehen. Zu diesem Zweck wurde der entwickelte numerische Integrationscode mit einer festen Zeitschrittlänge von 0,005 s für die linearen und nichtlinearen Analysen ausgeführt.

Grundlegender Analyseansatz: Zuerst wird die Struktur als an ihrer Basis fixiert untersucht, dann wird ein Isolationssystem mit unterschiedlichen Parametern hinzugefügt und eine nichtlineare Zeitverlaufsanalyse für die basisisolierte Struktur und eine lineare Zeitverlaufsanalyse für die feste Basisstruktur durchgeführt, wobei acht angenommen werden Erdbeben. Die Gesamtzahl der im Verlauf der Studie für beide Strukturen durchgeführten Analysen beträgt 11+288=299 Zeitverlaufsanalysen.

Entwurfsparameter für die seismische Isolierung: Die Entwurfsparameter für die seismische Isolierung sind: (1) der Grad der Nichtlinearität \(1/\alpha \), \(\alpha \) ist definiert als die Steifigkeit nach der Streckgrenze (\(k_p\)) zur Vorstreckgrenze ( \(k_e\))-Verhältnis und (2) das Streckgrenzenniveau \(\mu \), definiert als das Verhältnis der Streckgrenze (Q) zum Gesamtgewicht der Struktur einschließlich der Basis (W).

Eingegebene Bodenbewegungen: Die acht in dieser Studie verwendeten Erdbebenaufzeichnungen sind die starken Komponenten der Reihe von Erdbeben, die speziell von der CDMG (California Division of Mines and Geology, Sacramento, USA) für den Entwurf seismisch isolierter Strukturen vorgeschlagen wurden5.

Das Hauptziel der parametrischen Studie besteht darin, die nahezu optimalen Entwurfsparameter für die seismische Isolierung zu identifizieren. Das Verhalten isolierter Gebäude bei erdbebenbedingten Bodenbewegungen wird durch eine Reihe von Variablen beeinflusst, die hauptsächlich mit den Parametern des Isolationssystems und den Eigenschaften der Bodenbewegung zusammenhängen. Jangid30 kam aus seiner parametrischen Studie zu dem Schluss, dass die Dämpfung und die Periode des Überbaus keine spürbaren Auswirkungen auf die isolierte Struktur mit Spitzenreaktionsbasis haben. Daher wurden in der vorliegenden Studie die Parameter des Überbaus unverändert gehalten, während die Variablen, von denen erwartet wird, dass sie einen signifikanten Einfluss auf die Reaktion des Aufbaus haben, variiert wurden. Die Nachgiebigkeitssteifigkeit \(k_p\) des Isolationssystems wurde so festgelegt, dass eine Isolationsperiode \(T_b=2,5\) s erreicht wird:

Bei den in dieser Studie verwendeten acht Erdbebenaufzeichnungen handelt es sich um solche, die von der CDMG speziell für den Entwurf seismisch isolierter Strukturen vorgeschlagen wurden. Tabelle 1 gibt die starke Komponente jeder berücksichtigten Erdbeben-Bodenbewegung mit ihren Parametern an. Die Zeitverläufe der Bodenbeschleunigung, ihre Fourier-Spektren und Pseudobeschleunigungs-Reaktionsspektren sind in den Abbildungen dargestellt. 11, 12 und 13.

Wie wir später sehen werden, hängt die Schwere eines Erdbebens für basisisolierte Strukturen nicht von der maximalen Bodenbeschleunigung (PGA) ab, sondern hängt stark von der maximalen Bodengeschwindigkeit (PGV) und der maximalen Bodenverschiebung (PGD) ab. Da die Grundfrequenz einer basisisolierten Struktur im Bereich niedriger Frequenz (unter \(1\;Hz\)) liegt, sind die Bodenbewegungen (Abb. 12) mit beträchtlicher Niederfrequenzenergie ein äußerst schwerwiegender Einfluss auf die Isolierung Systeme. Für jede Kombination der Entwurfsvariablen wurden nichtlineare dynamische Zeitverlaufsanalysen durchgeführt. Für jede Bodenbewegungseingabe beträgt die Gesamtzahl der durchgeführten Analysen \(6\times 6\times 8=288\) nichtlineare Zeitverlaufsanalysen, unter der Annahme 1/\(\alpha \)=5, 7, 10, 12, 15 , 20 (6 Variationen) und \(\mu \)=4 %, 5 %, 8 %, 10 %, 12 % und 15 % (6 Variationen). Die Strategie der Parametervariationen hat ihre Grundlage; Die resultierenden Parameter des Isolationssystems sind die sinnvollsten und praktischsten.

Die in der vorliegenden Arbeit beschriebene parametrische Analyse berücksichtigte die Auswirkung der Variation der Entwurfsparameter auf die Hauptreaktionsparameter der basisisolierten Struktur, wie z. B. Basisscherung und effektive Dämpfung. Es ist jedoch wichtig, die mit den Entwurfsparametern selbst verbundenen Unsicherheiten zu berücksichtigen. Obwohl sich diese Studie auf die im deterministischen Fall diskreten Variationen der Entwurfsparameter beschränkt, stehen bei der Betrachtung der Unsicherheitsquantifizierung (UQ) ausgefeilte Ansätze zur Verfügung.

Beschleunigungszeitverläufe der CDMG-Erdbebenreihe.

Fourier-Spektren für die CDMG-Reihe von Erdbeben.

Pseudobeschleunigungs-Reaktionsspektren für die CDMG-Erdbebenfolge, \(\zeta =5\%\).

Daten aus dynamischen Analysen bestehen aus Diagrammen von Antwortgrößen, die in direktem Zusammenhang mit den spezifischen Zielen dieser Studie stehen. Die Ergebnisse und Diskussionen werden für jeden Erdbebeneingang gegeben und am Ende wird eine Gesamtanalyse für die CDMG-Suite gegeben, um die Auswirkung von Bodenbewegungsparametern auf die Spitzenreaktion von basisisolierten Strukturen zu analysieren.

El Centro 1979 (Station Nr. 6) \(230^o\) Die maximale Strukturbeschleunigung (Dachbeschleunigung) und die maximale Basisverschiebung von basisisolierten Strukturen, die dem El Centro 1979 \(230^o\) ausgesetzt sind, sind in Abb. dargestellt. 14 (Doppelachsendiagramme) für feste Werte von \(1/\alpha \). Aus diesen Diagrammen ist ersichtlich, dass für niedrige Streckgrenzenniveaus (\(\mu =4\) % bis 6 % der Grad der Nichtlinearität \(1/\alpha \) und damit die Vorstrecksteifigkeit \(k_e\) ) hat keinen merklichen Einfluss auf die Maxima der Basisverschiebung und der Strukturbeschleunigung. In diesem Fall wird die Reaktion hauptsächlich durch das Niveau der Streckgrenze gesteuert. Abbildung 15, die die Diagramme der maximalen Basisscherung mit Variation der Parameter des Basisisolationssystems zeigt, beweist die obige Interpretation. Die Verringerung der maximalen Basisscherung, die bei einer Erhöhung von \(\mu \) von 4 auf 5 % beobachtet wird (wobei wir uns immer noch im gleichen Bereich niedriger Streckgrenzenniveaus befinden), ist hauptsächlich auf das Ausmaß der zusätzlichen Dämpfung zurückzuführen, was in Abb. gut zu sehen ist . 16, sogar die Wirkungsdauer wird leicht verkürzt (siehe Abb. 17).

Im Gegensatz dazu steuert bei hohen Streckgrenzenniveaus (von \(\mu =8\) % bis 15 %) der Grad der Nichtlinearität und damit die Vorstrecksteifigkeit die maximale Basisscherung, und es gibt keinen merklichen Effekt von \(\mu \) in diesem Bereich beobachtet. Darüber hinaus sind die maximale Beschleunigung und die Drift zwischen den Stockwerken in diesem Fall leicht konstant. Etwas anders verhält es sich bei der maximalen Basisverschiebung, bei der weiterhin auch die Streckgrenze maßgebend ist. Darüber hinaus hat in diesem Fall die Erhöhung der effektiven Dämpfung keinen signifikanten Einfluss auf die Reduzierung der Grundscherung und der Strukturbeschleunigung, selbst wenn sie Werte über 20 % erreicht.

Aus diesen Zahlen geht klar hervor, dass selbst die Vorstrecksteifigkeit die Spitzenreaktion im Bereich hoher Streckgrenze steuert, eine kleine Änderung von 1/\(\alpha \) die Ergebnisse nicht dramatisch verändert, sondern sie mit verändert sehr kleine Mengen. Es ist also offensichtlich, dass ein Wert von \(\mu \) in diesem Fall und jeder Wert von \(1/\alpha \) ungefähr die gleiche Größe der Spitzenreaktion ergeben.

Die optimalen Entwurfsparameter für die seismische Isolierung sind normalerweise diejenigen, bei denen die Basisverschiebung, die Strukturbeschleunigung und die Basisscherung am kleinsten sind. Basierend auf diesen Kriterien und den Abbildungen. 14, 15, 16, 17 lässt sich leicht erkennen, dass der Bereich der optimalen Entwurfsparameter bei jedem Wert der Vorstrecksteifigkeit (oder \(1/\alpha \) genau zwischen \(\mu =10\)% und 15% liegt. )), da es die Ergebnisse nicht dramatisch verändert.

Ein Wert von \(\mu =15\)% und \(1/\alpha =7\) sind die optimalen Entwurfsparameter, da wir für dieses Paar die kleinste Strukturbeschleunigung, die kleinste Basisverschiebung und die zweitkleinste Basisscherung haben und ein kleiner Drift zwischen den Geschichten.

Spitzenreaktionen von BI-Strukturen, die El Centro 1979 ausgesetzt waren.

Maximale Basisscherung für verschiedene Isolationssystemparameter (El Centro 1979).

Effektive Dämpfung für verschiedene Isolationssystemparameter (El Centro 1979).

Wirkungszeitraum für verschiedene Isolationssystemparameter (El Centro 1979).

Loma Prieta 1989 (Hollister-Station) \(0^o\) Die maximale Strukturbeschleunigung (Dachbeschleunigung) und die maximale Basisverschiebung von isolierten Basisstrukturen, die dem an der Hollister-Station aufgezeichneten Erdbeben von Loma Prieta 1989 ausgesetzt waren, sind in Abb. 18 für feste Werte dargestellt von \(1/\alpha \). Außerdem ist in Abb. 19 die maximale Basisscherung für verschiedene seismische Isolationsparameter dargestellt. 20 und 21 zeigen den Verlauf der effektiven Dämpfung und der effektiven Periode bei gleichen Parametern.

Niedrige Streckgrenzen führen aufgrund der geringen effektiven Dämpfung \(\beta _{eff}\) zu einer großen Basisverschiebung (Abb. 18) (Abb. 20); sogar die größte effektive Periode \(T_{eff}\) (Abb. 21) liegt in diesem Bereich. Mit zunehmender Streckgrenze wird die maximale Basisverschiebung kleiner; Dies ist hauptsächlich auf die zusätzliche Hysteresedämpfung zurückzuführen.

Ein Basisisolationssystem mit hohen Streckgrenzenniveaus induziert eine größere Basisscherung, eine große Strukturbeschleunigung und eine geringe Basisverschiebung. Der Anstieg der Basisscherung ist hauptsächlich auf die kürzere Wirkungsdauer zurückzuführen. Im Allgemeinen ist der Einfluss des Grades der Nichtlinearität bei basisisolierten Strukturen, die diesem Erdbeben ausgesetzt sind, nicht signifikant auf die Spitzenreaktion. Das Niveau der Streckgrenze hat einen spürbaren Einfluss auf die maximale Basisverschiebung und die maximale Basisscherung, bei maximaler Strukturbeschleunigung nimmt ihr Einfluss jedoch ab; da die größte und die kleinste maximale Strukturbeschleunigung nahe beieinander liegen (Unterschied von \(0,77\;m/sec^2\)).

Basierend auf Abb. 18, 19, 20, 21 ist klar, dass der Bereich optimaler Entwurfsparameter bei jedem Wert der Vorstrecksteifigkeit (oder \(1/\alpha \)) genau zwischen \(\mu \)=6 % und 10 % liegt. ), da es keinen nennenswerten Einfluss auf die Spitzenreaktion hat. Ein Wert von \(\mu \)=8 % und \(1/\alpha \)=20 sind die optimalen Entwurfsparameter, da wir für dieses Paar die kleinste Strukturbeschleunigung, die kleinste intergeschossige Drift, eine kleine Basisscherung usw. haben eine kleine Basisverschiebung.

Spitzenreaktionen von BI-Strukturen unter Loma Prieta 1989 (Hollister-Station).

Maximale Basisscherung für verschiedene Isolationssystemparameter (Hollister).

Effektive Dämpfung für verschiedene Isolationssystemparameter (Hollister).

Wirkungszeitraum für verschiedene Isolationssystemparameter (Hollister).

Loma Prieta 1989 (Station Lexington Dam) \(0^o\) Die maximale Strukturbeschleunigung (Dachbeschleunigung) und die maximale Basisverschiebung von basisisolierten Strukturen, die dem Erdbeben von Loma Prieta 1989 ausgesetzt waren, aufgezeichnet an der Station Lexington Dam, sind in Abb. 22 für dargestellt feste Werte von \(1/\alpha \). Außerdem ist in Abb. 23 die maximale Basisscherung für verschiedene seismische Isolationsparameter dargestellt. 24 und 25 zeigen den Verlauf der effektiven Dämpfung und der effektiven Periode bei gleichen Parametern.

Bei niedrigen Streckgrenzenniveaus hat der Grad der Nichtlinearität und damit die Vorstrecksteifigkeit keinen nennenswerten Einfluss auf die Spitzenreaktion im Allgemeinen (Abb. 22 und 23), hat aber einen geringen Einfluss auf die maximale Strukturbeschleunigung und die maximale Verschiebung (Abb . 22).

Wenn das Niveau der Streckgrenze mit der maximalen Basisscherung zunimmt, beginnt die Vorstrecksteifigkeit (oder \(1/\alpha \)) Einfluss zu nehmen (Abb. 23). Bei hohen Streckgrenzenniveaus steuert daher die Vorstrecksteifigkeit die Bewegung in Verbindung mit dem Streckgrenzenniveau nur geringfügig. In diesem Fall wird die Basisscherung größer und die Basisverschiebung nimmt ab, allerdings mit einem kleinen Betrag, verglichen mit dem größten beobachteten Wert niedrigstes Streckgrenzenniveau.

Für Streckgrenzenniveaus zwischen \(\mu \) = 4 und 5 % ist die effektive Steifigkeit einigermaßen konstant, selbst wenn die Vor-Strecksteifigkeit ihren größten Wert erreicht, auch die effektive Dämpfung (Abb. 24 und 25), also eine kleinste Energie Dissipationskapazität. In diesem Fall wird die maximale Strukturbeschleunigung hauptsächlich durch das Niveau der Streckgrenze beeinflusst. Der signifikante Effekt der Vorstrecksteifigkeit wird im Bereich hoher Streckgrenzenniveaus (\(\mu \) = 8 bis 15 %) beobachtet, wo die beiden Parameter die Spitzenreaktion beeinflussen, jedoch nicht so dramatisch wie der Anstieg des Maximums Basisscherung. In diesem Bereich reduziert die Vornachgiebigkeitssteifigkeit die Strukturbeschleunigung.

Der wirksame Dämpfungseffekt wird im Allgemeinen verringert, wenn dem seismischen Isolationssystem eine hohe Streckgrenze verliehen wird; in diesem Fall ist sogar die Fähigkeit zur Energiedissipation höher; Dies ist vor allem auf die kürzere systembedingte Zeitspanne zurückzuführen.

Basierend auf Abb. 22, 23, 24, 25 ist klar, dass der Bereich der optimalen Entwurfsparameter bei jedem Wert der Vorstrecksteifigkeit (oder \(1/\alpha \)) genau zwischen \(\mu \)=4 % und 5 % liegt. ), da es keinen großen Einfluss auf die Spitzenreaktion in diesem Bereich hat.

Ein Wert von \(\mu \)=4 % und \(1/\alpha \)=20 sind die optimalen Entwurfsparameter, da wir für dieses Paar einen der kleinsten Werte der maximalen Basisscherung und einen der kleinsten Werte zwischen den Stockwerken haben Drift, eine kleine Strukturbeschleunigung und eine kleine Basisverschiebung.

Spitzenreaktionen von BI-Strukturen, die Loma Prieta 1989 (Staudammstation Lexington) ausgesetzt sind.

Maximale Basisscherung für verschiedene Isolationssystemparameter (Lexington-Staudamm).

Effektive Dämpfung für verschiedene Isolationssystemparameter (Lexington-Staudamm).

Wirkungszeitraum für verschiedene Parameter des Isolationssystems (Lexington-Staudamm).

Landers 1992 (Talstation Luzern) Long. Die maximale Strukturbeschleunigung und maximale Basisverschiebung von basisisolierten Strukturen, die dem Landers-Erdbeben von 1992 ausgesetzt waren, aufgezeichnet an der Luzerner Talstation (Längskomponente), sind in Abb. 26 für feste Werte von \(1/\alpha \) dargestellt. Außerdem ist in Abb. 27 die maximale Basisscherung für verschiedene seismische Isolationsparameter dargestellt. 28 und 29 zeigen den Verlauf der effektiven Dämpfung und der effektiven Periode bei gleichen Parametern.

Die in Abb. 26 beobachtete maximale Basisverschiebung beträgt \(7,89\;cm\), was im Vergleich zu den anderen Werten, die für den Rest der Erdbebenreihe beobachtet wurden, eine sehr kleine Verschiebung ist; Dies kann durch die kleine maximale Bodenverschiebung interpretiert werden, die \(8,82\;cm\) beträgt.

Bei niedrigen Streckgrenzenniveaus tragen eine große Vorstrecksteifigkeit und damit ein hoher Grad an Nichtlinearität nicht merklich zur maximalen Basisscherung (Abb. 27) und maximalen Strukturbeschleunigung (Abb. 26) bei. Dies liegt daran, dass sich die effektive Periode und die Energiedissipationskapazität der Struktur in diesem Bereich (\(\mu \)=4 % bis 5 %) nicht ändern. Auch in diesem Fall (\(\mu \)=4 % bis 5 %) ist die maximale Basis konstant und es wird kein Effekt von \(1/\alpha \) beobachtet.

Im Gegensatz dazu macht sich bei hohen Streckgrenzenniveaus (\(\mu \ge \)8 %) der Effekt des Grades der Nichtlinearität durch die Verringerung der Basisverschiebung bemerkbar, da dadurch ein zusätzlicher Betrag an effektiver Dämpfung entsteht (Abb. 28). und damit die Fähigkeit, mehr Bodenbewegungsenergie abzuleiten. Neben dem signifikanten Einfluss des Streckgrenzenniveaus auf die maximale Strukturbeschleunigung hat auch der Grad der Nichtlinearität (d. h. die Vorstrecksteifigkeit) Einfluss, sodass das Isolationssystem bei einem hohen Grad an Nichtlinearität eine zusätzliche Beschleunigung auf den Überbau induziert Standbilder klein (Abb. 26). Die maximale Basisscherung wird jedoch hauptsächlich von der Streckgrenze und wenig von der Vorstrecksteifigkeit bestimmt.

Basierend auf Abb. 26, 27, 28, 29 ist klar, dass der Bereich der optimalen Designparameter zwischen \(\mu \)= [4%, 5%] und \(1/\alpha \) = [10,20] liegt. . Ein Wert von \(\mu \) = 4 % und \(1/\alpha \) = 10 sind die optimalen Entwurfsparameter, da wir für dieses Paar die kleinste maximale Basisscherung, die kleinste intergeschossige Drift und eine kleine Strukturbeschleunigung haben , aber dieses Paar ergibt im Vergleich zu anderen Paaren keine kleine Basisverschiebung. Die mit diesem Paar verbundene Basisverschiebung beträgt jedoch \(6,17\;cm\), was immer noch klein genug ist, wenn auch das Problem des Stampfens berücksichtigt wird. Bei kleinen Verschiebungen muss man sich also der Basisscherung und Strukturbeschleunigungen bewusst sein, da diese die besseren Indikatoren für die Wirksamkeit eines solchen seismischen Isolationssystems sind.

Spitzenreaktionen von BI-Strukturen unter Landers 1992 (Bahnhof Luzern).

Maximaler Grundschub für verschiedene Isolationssystemparameter (Luzern).

Effektive Dämpfung für verschiedene Isolationssystemparameter (Luzern).

Wirkungszeitraum für verschiedene Parameter des Isolationssystems (Luzern).

Northridge 1994 (Station Newhall) \(360^o\) Die maximale Strukturbeschleunigung und maximale Basisverschiebung von basisisolierten Strukturen, die dem Northridge-Erdbeben von 1994 ausgesetzt waren, aufgezeichnet an der Newhall-Station \(360^o\), sind in Abb. 30 dargestellt feste Werte von \(1/\alpha \). Außerdem ist in Abb. 31 die maximale Basisscherung für verschiedene seismische Isolationsparameter dargestellt. 32 und 33 zeigen den Verlauf der effektiven Dämpfung und der effektiven Periode bei gleichen Parametern.

Bei niedrigen Werten der Streckgrenze (\(\mu \)=4 %–5 % wird die maximale Basisscherung (Abb. 31) hauptsächlich durch den Grad der Nichtlinearität (d. h. Steifigkeit vor der Streckgrenze) bestimmt, in diesem Fall hoch Der Grad der Nichtlinearität verringert die maximale Basisscherung, ihre Auswirkung ist jedoch für höhere Bereiche tendenziell nicht signifikant. wenn die Steifigkeit vor der Streckgrenze mehr als das Zehnfache der Steifigkeit nach der Streckgrenze erreicht. Allerdings ist in diesem Fall (geringe Streckgrenzen) der Grad der Nichtlinearität nicht mehr maßgebend für die maximale Basisverschiebung (Abb. 30); Vielmehr ist es in diesem Fall die Streckgrenze, die diese Antwortgröße bestimmt. Darüber hinaus gilt dies nicht für die Strukturbeschleunigung (Abb. 30), die streng vom Grad der Nichtlinearität bestimmt wird, wenn die Steifigkeit vor der Streckgrenze weniger als das Siebenfache der Steifigkeit nach der Streckgrenze beträgt. Wenn dieses Verhältnis größer wird, bedeutet dies einen hohen Grad an Nichtlinearität beginnt die Streckgrenze auch die Bewegung zu bestimmen, aber bei einem höheren Grad an Nichtlinearität wird die maximale Strukturbeschleunigung streng durch das Streckgrenzeniveau gesteuert.

Letztere beeinflusst bei hohen Streckgrenzen (\(\mu \ge \)8 %) deutlich die maximale Basisscherung und maximale Basisverschiebung in Verbindung mit dem Grad der Nichtlinearität. Der Einfluss der Vor-Fließsteifigkeit wird jedoch unbedeutend, wenn sie größer als das Zehnfache der Nach-Fließsteifigkeit ist. Dies kann durch die Tatsache erklärt werden, dass ein kleiner zusätzlicher Betrag an effektiver Dämpfung hinzugefügt wird (Abb. 32). Bei diesen Streckgrenzenniveaus wird die Strukturbeschleunigung hauptsächlich durch den Grad der Nichtlinearität bestimmt; Ein hoher Grad an Nichtlinearität verringert die maximale Strukturbeschleunigung. Die Streckgrenze wird nur für seismische Isolationssysteme mit einem sehr hohen Grad an Nichtlinearität, sagen wir mehr als 15 %, wirksam.

Bei diesem Erdbeben ist es ziemlich schwierig, den Bereich optimaler Entwurfsparameter auszuwählen, der zur besten Leistung führt. weil die kleinste maximale Strukturbeschleunigung und Basisverschiebung für seismische Isolationssysteme mit hoher Streckgrenze (\(\mu \)=15 %) und hohem Grad an Nichtlinearität (\(1/\alpha \)=20) erreicht werden, aber Die maximale Basisscherung wird erreicht, wenn das Isolationssystem eine niedrige Streckgrenze (\(\mu \)=5 %) und einen hohen Grad an Nichtlinearität (\(1/\alpha \)=20) aufweist. Basierend auf Abb. 30 bis 33 kann der Bereich optimaler Entwurfsparameter irgendwo zwischen \(\mu \)=5 % und 10 % liegen, mit dem höchsten Grad an Nichtlinearität, \(1/\alpha \)=20. Allerdings kann das Paar (\(\mu \)=8 %, \(1/\alpha \)=20) als optimale Designparameter angesehen werden.

Spitzenreaktionen von BI-Strukturen wurden Northridge 1994 (Station Newhall) unterzogen.

Maximale Basisscherung für verschiedene Isolationssystemparameter (Newhall).

Effektive Dämpfung für verschiedene Isolationssystemparameter (Newhall).

Wirkungszeitraum für verschiedene Parameter des Isolationssystems (Newhall).

Petrolia 1992 (Petrolia-Station) \(90^o\) Die maximale Strukturbeschleunigung und maximale Basisverschiebung von basisisolierten Strukturen, die dem Erdbeben von Petrolia 1992 ausgesetzt waren, aufgezeichnet an der Petrolia-Station \(90^o\), sind in Abb. 34 für dargestellt feste Werte von \(1/\alpha \). Außerdem ist in Abb. 35 die maximale Basisscherung für verschiedene seismische Isolationsparameter dargestellt. 36 und 37 zeigen den Verlauf der effektiven Dämpfung und der effektiven Periode bei gleichen Parametern.

Wie aus den Abb. ersichtlich ist. Aus den Abbildungen 34 und 35 geht klar hervor, dass die Spitzenreaktion vom Niveau der Streckgrenze bestimmt wird und der Grad der Nichtlinearität beginnt, zur Steuerung der Spitzenreaktion im Bereich hoher Streckgrenzen beizutragen. Die maximale Basisscherung ist tendenziell kleiner, wenn die Streckgrenze 5 % erreicht, danach wird das Maximum größer, wenn die Streckgrenze erreicht wird. Die maximale Strukturbeschleunigung folgt in diesem Fall den Streckgrenzenniveaus. Im Gegensatz dazu wird die maximale Verschiebung kleiner, wenn die Streckgrenze bei höherem Grad der Nichtlinearität ihren größten Wert (\(\mu \)=15 %) erreicht.

Um den Bereich optimaler Designparameter auszuwählen, muss man entscheiden, welche Hauptreaktionsgröße die Wahl des zu verwendenden Basisisolationssystems dominiert. Wenn die Basisverschiebung sehr wichtig ist und das Problem des Stampfens besteht, müssen wir ein Isolationssystem mit hoher Streckgrenze und hohem Grad an Nichtlinearität wählen; In diesem Fall gehen die Vorteile einer stärkeren Reduzierung der Basisscherung und der Strukturbeschleunigung verloren. Wenn das oben genannte Problem hingegen nicht von Bedeutung ist, kann man durch die gleichzeitige Reduzierung der Strukturbeschleunigung und der Basisscherung mit denselben Parametern, aber mit größerer Basisverschiebung, mehr Vorteile erzielen; In diesem Fall ist die Wahl eines Isolationssystems mit niedriger Streckgrenze und hohem Grad an Nichtlinearität die beste Wahl.

In unserem Fall ist jedoch ein Streckgrenzenniveau zwischen 4 % und 10 % mit einem beliebigen Grad an Nichtlinearität (oder \(1/\alpha \)=15−20) die nahezu optimale Wahl. Das Paar (\(\mu \)=5 %, \(1/\alpha \)=20) kann als optimale Entwurfsparameter angesehen werden, da sie eine kleinste maximale Basisscherung, eine kleinste Strukturbeschleunigung und den kleinsten Zwischengeschosswert bewirken Drift.

Spitzenreaktionen von BI-Strukturen unter Petrolia 1992 (Petrolia-Tankstelle).

Maximale Basisscherung für verschiedene Isolationssystemparameter (Petrolia).

Effektive Dämpfung für verschiedene Parameter des Isolationssystems (Petrolia).

Wirkungszeitraum für verschiedene Parameter des Isolationssystems (Petrolia).

Northridge 1994 (Sylmar-Station) \(360^o\) Die maximale Strukturbeschleunigung und maximale Basisverschiebung von basisisolierten Strukturen, die dem Northridge-Erdbeben von 1994 ausgesetzt waren, aufgezeichnet an der Sylmar-Station \(360^o\), sind in Abb. 38 für dargestellt feste Werte von \(1/\alpha \). Außerdem ist in Abb. 39 die maximale Basisscherung für verschiedene seismische Isolationsparameter dargestellt. 40 und 41 zeigen den Verlauf der effektiven Dämpfung und der effektiven Periode bei gleichen Parametern.

Bei niedrigen Streckgrenzenniveaus hat der Grad der Nichtlinearität keinen Einfluss auf die Spitzenreaktion von basisisolierten Strukturen (Abb. 38 und 39); Die Kontrolle gehört in diesem Fall allein zum Niveau der Streckgrenze. Von \(\mu \)=4 % bis 5 % wird ein starker Rückgang der Spitzenreaktionen beobachtet.

Bei hohen Streckgrenzenniveaus hat der Grad der Nichtlinearität einen vernachlässigbaren Einfluss auf die maximale Basisverschiebung und maximale Strukturbeschleunigung. Der Einfluss des Grades der Nichtlinearität macht sich bei sehr hohen Streckgrenzen in der Reduzierung der maximalen Grundscherung bemerkbar. Im Allgemeinen wird die Spitzenreaktion von isolierten Bauwerken, die diesem besonderen Erdbeben ausgesetzt sind, jedoch hauptsächlich von der Höhe der Streckgrenze bestimmt. Die effektive Dämpfung ist nicht so groß wie bei anderen Erdbeben, in diesem Fall beträgt die maximale effektive Dämpfung etwa 10 %, was gering ist.

Die Fähigkeit, mehr Energie abzuleiten, ist in diesem Fall sehr groß; Wenn man bedenkt, dass die pro Zyklus verlorene Energie etwa \(2824,25\;kN.m\) beträgt, ist das im Vergleich zu den gleichen Strukturen, die anderen Erdbeben ausgesetzt waren, ein großer Unterschied. Ein schweres Erdbeben vom Typ Northridge 1994 (aufgezeichnet im Sylmar County) führt dazu, dass die Struktur mehr Energie dissipiert, sodass die maximale Basisscherung auf 15 % der entsprechenden festen Basisstruktur reduziert werden kann. Dieses Ausmaß der Reduzierung der Basisscherung ist die beste Reduzierung, die für die gesamte CDMG-Erdbebenreihe beobachtet wurde.

Der Bereich optimaler seismischer Isolationsparameter kann in diesem Fall einfach ausgewählt werden. Wir können die kleinste maximale Basisscherung mit der kleinsten Basisverschiebung erreichen, wobei das Paar von Isolationssystemparametern im Bereich von \(\mu \)=10 %− liegt 15 % und ein sehr hoher Grad an Nichtlinearität, sagen wir \(1/\alpha \)=15−20. Die maximale Strukturbeschleunigung variiert in diesem Bereich geringfügig. Das Paar [\(\mu \)=15 %, \(1/\alpha \)=20] ergibt die kleinste maximale Basisschubkraft, die 15 % der maximalen Basisschubkraft der entsprechenden festen Basisstruktur ausmacht, und die kleinste maximale Basisverschiebung, außerdem ergibt dieses Paar die kleinste interstöckige Drift.

Spitzenreaktionen von BI-Strukturen, die Northridge 1994 (Sylmar-Station) ausgesetzt waren.

Maximale Basisscherung für verschiedene Isolationssystemparameter (Sylmar).

Effektive Dämpfung für verschiedene Isolationssystemparameter (Sylmar).

Wirkungszeitraum für verschiedene Isolationssystemparameter (Sylmar).

Landers 1992 (Yermo-Station) \(270^o\) Die maximale Strukturbeschleunigung und die maximale Basisverschiebung von basisisolierten Strukturen, die dem Erdbeben von Landers 1992 ausgesetzt waren, aufgezeichnet an der Yermo-Station \(270^o\), sind in Abb. 42 für dargestellt feste Werte von \(1/\alpha \). Außerdem ist in Abb. 43 die maximale Basisscherung für verschiedene seismische Isolationsparameter dargestellt. 44 und 45 zeigen den Verlauf der effektiven Dämpfung und der effektiven Periode bei gleichen Parametern.

Bei niedrigen Streckgrenzenniveaus hat ein geringer Grad an Nichtlinearität nur geringe Auswirkungen auf die Spitzenreaktion von basisisolierten Strukturen (Abb. 42 und 43). In diesem Fall führt die geringe Erhöhung der Streckgrenze zu einer größeren maximalen Basisscherung sowie zu einer größeren Basisverschiebung und Strukturbeschleunigung, da die effektive Periode verkürzt wird (Abb. 45) und eine sehr kleine zusätzliche effektive Dämpfung keine Wirkung hat.

Ein Isolationssystem mit einem hohen Grad an Nichtlinearität hat jedoch keinen Einfluss auf die Spitzenreaktion, nämlich die maximale Basisscherung, die maximale Basisverschiebung und die maximale Strukturbeschleunigung. Wenn für das Isolationssystem eine hohe Streckgrenze verwendet wird, liegt dies an der Tatsache, dass Die effektive Dämpfung ändert sich nicht wesentlich, ebenso wie die effektive Periode, die für eine konstant hohe Streckgrenze konstant zu sein scheint und sich nicht mit dem Grad der Nichtlinearität ändert (Abb. 44 und 45).

Aufgrund der geringen Variation der maximalen Strukturbeschleunigung, deren Variation zwischen 0,25 g und 0,36 g liegt, und weil die größere maximale Basisverschiebung in einem vernünftigen Bereich (19,5 cm) liegt, ist die maximale Basisscherung dabei Der Fall ist der Hauptleistungsindikator eines seismischen Isolationssystems.

Basierend auf der obigen Überlegung kann der Bereich optimaler Entwurfsparameter zwischen \(\mu \)=4 % − 5 % und jedem Wert von \(1/\alpha \) oder zwischen \(\mu \)= liegen 4 % − 8 % mit einem hohen Grad an Nichtlinearität (sagen wir \(1/\alpha \)=10−20). Das Paar [\(\mu \)=4 %, \(1/\alpha \)=20] ergibt den kleinsten maximalen Basisschub, der 37,4 % des maximalen Basisschubs der entsprechenden festen Basisstruktur und des kleinsten Zwischengeschosses ausmacht Drift.

Spitzenreaktionen von BI-Strukturen unter Landers 1992 (Yermo-Station).

Maximale Basisscherung für verschiedene Isolationssystemparameter (Yermo).

Effektive Dämpfung für verschiedene Isolationssystemparameter (Yermo).

Wirkungszeitraum für verschiedene Parameter des Isolationssystems (Yermo).

Tabelle 2 fasst die nahezu optimalen Entwurfsparameter für die seismische Isolation (Region und diskrete Werte) für jedes Erdbeben der CDMG-Suite zusammen mit ihren Eigenschaften zusammen (Einheiten für PGA, PGV und PGD sind cm und s und die Mittelwerte des Zeichens \(*\). (beliebiger Wert), der aus der parametrischen Analyse erhalten wurde.

Tabelle 3 Die Tabelle zeigt die kleinste maximale Basisscherung für jede Erdbebenaufzeichnung sowie die größte maximale Basisscherung und das entsprechende Paar von Isolationssystemparametern. Das PGV steuert in Verbindung mit dem PGD die maximale Basisscherung, letzteres hat jedoch einen sehr geringen Einfluss. Die PGA hat keinen Einfluss auf die maximale Basisscherung von basisisolierten Strukturen, da sie eine lange Periode haben, die sie in die Geschwindigkeitsempfindlichkeit (bei solchen mit langer Isolationsperiode) und in die Verschiebungsempfindlichkeit (bei solchen mit sehr langer Periode) einbezieht. Auch dies geht aus der Tabelle hervor. Die maximale Basisscherung ist für das Newhall-Erdbeben leicht reduziert (im Vergleich zu Petrolia), auch wenn es einen größeren PGV als Petrolia aufweist, kann dies nicht durch die Reduzierung des PGA interpretiert werden, da es keine Auswirkung hat (siehe zum Beispiel Lucerne und Yermo in der Tabelle). , kann von der PGD ebenfalls nicht interpretiert werden, da die Reduzierung in diesem Fall vernachlässigbar ist. Dies kann durch den Frequenzinhalt interpretiert werden.

Die isolierte Basisstruktur (mit \(\mu \)=4 % und \(1/\alpha =10\)), die dem Lexington-Erdbeben (PGV = 84,43 cm/s) ausgesetzt war, weist eine maximale Basisscherung auf, die kleiner ist als die von die basisisolierte Struktur (mit \(\mu \)=5 % und \(1/\alpha \)), wenn sie dem Hollister (PGV = 62,78 cm/s) ausgesetzt wird; Dies kann durch die PGD interpretiert werden, die in Lexington kleiner ist. In diesem Fall können wir verstehen, warum PGA keine Auswirkung hat, da in Lexington die PGA größer ist als in Hollister und die maximale Basisscherung kleiner ist, wenn die Struktur ihr ausgesetzt wird.

Die CDMG-Erdbebenreihe kann in zwei Hauptkategorien unterteilt werden; Die erste Kategorie umfasst El Centro und Sylmar und die zweite Kategorie umfasst den Rest der Erdbeben. Die erste Kategorie weist einen hohen PGV auf und umfasst daher schwere Erdbeben. Die zweite Kategorie umfasst Erdbeben mittlerer und geringerer Stärke.

Die größte maximale Basisscherung tritt bei Verwendung von Isolationssystemen mit \(\mu \)=15 auf, das bedeutet ein hohes Streckgrenzenniveau und \(1/\alpha =5\), das bedeutet ein geringer Grad an Nichtlinearität für die zweite Kategorie. Daher sollte man ein Isolationssystem mit niedriger Streckgrenze (z. B. 4–5 %) und hohem Grad an Nichtlinearität (z. B. \(1/\alpha =10-20\) oder sogar mehr) wählen, um die kleinste maximale Basis zu erhalten scheren. Im Gegensatz dazu weist eine isolierte Basisstruktur, die einem Erdbeben der zweiten Kategorie ausgesetzt ist, eine große maximale Basisscherung auf, wenn das Isolationssystem durch eine niedrige Streckgrenze (\(\mu =4\%\)) und einen sehr geringen Grad an Nichtlinearität gekennzeichnet ist . Daher muss das entsprechende Isolationssystem einen hohen Grad an Nichtlinearität sowie eine hohe Streckgrenze aufweisen, um die von dem seismischen Isolationssystem erwartete Leistung zu erfüllen.

In Tabelle 4 sind die Parameter des Isolationssystems aufgeführt, die die kleinste maximale Basisverschiebung und die entsprechende maximale Basisverschiebung für jeden Erdbebendatensatz ergeben. In derselben Tabelle sind außerdem die größte maximale Basisverschiebung und das entsprechende Paar von Isolationssystemparametern aufgeführt.

Tabellen 2 und 3 zeigen, dass die maximale Basisverschiebung geschwindigkeitsabhängig ist, was bedeutet, dass das PGV die Bewegung steuert. Der Einfluss der PID ist nicht so deutlich; es beeinflusst die Reaktion, wenn der PGV moderat ist. Es besteht ein Kompromiss zwischen der Reduzierung der Basisscherung und der Erhöhung der Basisverschiebung, der durch die Wahl der Parameter entsprechend dem primären Bedarf überwunden werden kann. In unserer Studie haben wir Parameter ausgewählt, die nahezu optimal sind und die beste Leistung erbringen, die von der Verwendung eines Isolationssystems erwartet wird. Im Allgemeinen wird bei der Auswahl der geeigneten Parameter des Isolationssystems die Basisscherung als Hauptparameter betrachtet, ebenso wie die Strukturbeschleunigung, die verstärkt werden kann (Effekt höherer Moden). Die Basisverschiebung ist weniger wichtig, da die Drift zwischen den Stockwerken mit der Basisscherung zusammenhängt.

Bei der Sockelisolierung handelt es sich um eine Technik zur Verhinderung erdbebenbedingter Schäden an einem Gebäude. Isolationsvorrichtungen dienen der Entkopplung des Gebäudes vom Boden und verhindern so die Übertragung von Erdbebenkräften auf das Gebäude. Dadurch kann sich das Gebäude freier bewegen und Schäden werden minimiert. Es gibt eine Vielzahl von Isolationsgeräten, jedes mit seinen eigenen Vor- und Nachteilen. Die Auswahl eines geeigneten Geräts ist entscheidend für den Erfolg eines Basisisolationssystems.

In der vorliegenden Studie wurden eine nichtlineare Zeitverlaufsanalyse und ein energetischer Ansatz eingesetzt, um die Vor- und Nachteile der seismischen Basisisolationstechnologie zu untersuchen. Es hat sich gezeigt, dass eine Sockelisolierung die Auswirkungen von Erdbeben auf Gebäude wirksam reduziert. Die Auswahl des geeigneten Isolationsgeräts unterliegt jedoch einer Reihe von Anforderungen, die komplex sein können. Ziel dieser Studie war es, mithilfe einer parametrischen Analyse einer Reihe von Bodenbewegungen die nahezu optimalen Entwurfsparameter für ein isoliertes Gebäude zu ermitteln. Die Ergebnisse zeigten, dass die maximale Basisscherung und -verschiebung geschwindigkeitsabhängig waren und dass das PGV die Bewegung kontrollierte. Die größte maximale Basisscherung trat auf, wenn Isolationssysteme mit hoher Streckgrenze und geringem Grad an Nichtlinearität verwendet wurden, während die kleinste maximale Basisscherung bei Verwendung niedriger Streckgrenze und hohem Grad an Nichtlinearität auftrat.

Diese Studie ergab, dass die Streckgrenze bei einem festen Wert des Grades der Nichtlinearität bei niedrigen Streckgrenzenverhältnissen (4–6 %) keinen merklichen Einfluss auf die maximale Basisverschiebung oder Strukturbeschleunigung hat. Bei hohen Streckgrenzenverhältnissen (8–15 %) bestimmt jedoch der Grad der Nichtlinearität die maximale Basisscherung. Ein Basisisolationssystem mit hohen Streckgrenzenniveaus induziert eine größere Basisscherung, eine große Strukturbeschleunigung und eine geringe Basisverschiebung. Die Studie ergab außerdem, dass der Bereich der optimalen Designparameter bei jedem Wert der Vorstrecksteifigkeit genau zwischen \(\mu =6\%\) und 10 % liegt. Ein Wert von \(\mu =8\%\) und \(1/\alpha =20\) sind die optimalen Designparameter. Zusammenfassen:

Die Basisscherung ist der wichtigste Parameter, der bei der Auswahl der geeigneten Parameter des Isolationssystems von Interesse ist.

Die Basisverschiebung ist weniger wichtig, da die Drift zwischen den Stockwerken mit der Basisscherung zusammenhängt.

Das PGV regelt die Bewegung und der Einfluss der PID ist nicht so deutlich; es beeinflusst die Reaktion, wenn der PGV moderat ist.

Es besteht ein Kompromiss zwischen der Verringerung der Basisscherung und der Erhöhung der Basisverschiebung, der durch die Auswahl der Parameter entsprechend dem primären Bedarf überwunden werden kann.

In unserer Studie haben wir Parameter ausgewählt, die nahezu optimal sind und die beste Leistung erbringen, die von der Verwendung eines Isolationssystems erwartet wird.

Im Allgemeinen wird bei der Auswahl der geeigneten Parameter des Isolationssystems die Basisscherung als Hauptparameter betrachtet, ebenso wie die Strukturbeschleunigung, die verstärkt werden kann (Effekt höherer Moden).

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Studie wurde vom algerischen Ministerium für Hochschulbildung und wissenschaftliche Forschung und der rumänischen Regierung finanziert. Teilweise Unterstützung wurde von der Universität Sharjah, Vereinigte Arabische Emirate, bereitgestellt.

Abteilung für Bau- und Umweltingenieurwesen, College of Engineering, Universität Sharjah, POBOX 27272, Sharjah, Vereinigte Arabische Emirate

Moussa Leblouba

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ML war an der Erstellung des Manuskripts beteiligt, von der Konzeption bis zum Schreiben.

Korrespondenz mit Moussa Leblouba.

Der Autor gibt keine Interessenkonflikte an.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 22. Mai 2022

Angenommen: 24. August 2022

Veröffentlicht: 30. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19114-7

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