مهندسی سازه و ساخت

مهندسی سازه و ساخت

تحلیل سامانه جداساز الاستومری – لغزشی ESI

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی رشته دکتری عمران-سازه، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد اصفهان (خوراسگان)، اصفهان، ایران
2 گروه سازه، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی اصفهان
چکیده
در این مقاله، سامانه جداساز لرزه‌ای الاستومری-لغزشی جدیدی معرفی گردیده است. جداساز مزبور از یک هسته لاستیکی که بین حلقه‌های فولادی لغزشی محصورشده، تشکیل گردیده است. در این سامانه، بار قائم مستقیماً بر روی هسته لاستیکی وارد می‌گردد. مکانیزم اصطکاکی موجود در سامانه یادشده، نیروهای جانبی ناشی از باد، ارتعاشات محیطی و زلزله‌های خفیف را کنترل کرده؛ هنگام وقوع زلزله‌های شدید سبب کاهش انتقال نیروهای جانبی به سازه فوقانی می‌گردد. پس از پایان ارتعاشات ناشی از زلزله، قابلیت کشسانی لاستیک باعث ایجاد نیروی بازگشتی شده، تغییرشکل‌های پس‌ماند در تکیه‌گاه را به‌شدت کاهش می‌دهد. از دیگر مزایای این سامانه، سهولت ساخت و ارزان‌تر بودن نسبت به جداسازهای متداول است. در این مقاله به کمک نرم‌افزار اجزای محدود انسیس تنش‌های اجزای مختلف سامانه پیشنهادی تحت بارگذاری فشاری و فشاری- برشی مطالعه شده است. برای مدل‌سازی سطوح تماس از المان‌های contact و برای شبیه‌سازی لاستیک از المان‌های Solid185 هشت گرهی با قابلیت ابرکشسانی استفاده شده است. مطالعات فوق نشان داد که سختی قائم و جانبی مناسبی توسط اندرکنش حلقه‌های فولادی و هسته الاستومری ایجاد می‌گردد؛ همچنین تحت بارگذاری قائم طراحی تمام تنش‌ها به مراتب کمتر از حد مجاز هستند. حلقه‌های فولادی با کنترل کرنش‌های جانبی لاستیک، سختی قائم سامانه را به‌صورت فوق‌العاده‌ای افزایش می‌دهند. به طوری که در نمونه مورد مطالعه تحت اثر بار قائم ۱۰۰ کیلونیوتن، مقدار سختی قائم سیستم به 131 کیلونیوتن بر میلیمتر می رسد. در اثر حرکت جانبی، بخشی از بار قائم به حلقه‌های فولادی منتقل‌شده که ضمن تنش‌زدایی از هسته لاستیکی، سبب افزایش میرایی اصطکاکی سامانه می‌گردد به طوری که در نمونه مورد مطالعه تحت اثر بار قائم ۱۰۰ کیلونیوتن، مقادیر تنشهای sx (در امتداد تغییرمکان جانبی) و sz و sy در هسته لاستیکی، تحت کرنش برشی 200 درصد ، به ترتیب ۲۵ و ۵۰ درصد و ۵1 درصد نسبت به حالت بدون تغییرمکان جانبی کاهش‌ می یابد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Finite element analysis of elastomeric sliding isolator system (ESI)

نویسندگان English

Seyed Alireza Mozaheb 1
ّFarhad Behnamfar 2
1 Department of Civil Engineering, Isfahan (Khorasgan) Branch, Islamic Azad University, Isfahan, Iran.
2 Professor, Department of Civil and Environment Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
چکیده English

This paper presents a new elastomeric sliding seismic isolator system. This isolator is made of a rubber core which is confined by sliding steel rings. In this system, the vertical load is applied directly on the rubber core. The friction mechanism existing in the mentioned system controls the lateral force due to winds, ambient vibrations and mild earthquakes, and also decreases transfer of lateral force to the superstructure during severe earthquakes. At the end of vibraion, the elasticity of rubber creates a restoring force and decreases residual deformation of the bearing device. Features of the proposed system are assessed by means of the finite element software ANSYS and the stress distribution of various components is obtained under compression and compression-shear loading. Contact elements were used to model the contact surfaces, and Solid185 elements were used to simulate the rubber. The studies show that an appropriate vertical and lateral stiffness is created by interaction of the steel rings and the elastomeric core. In addition, under vertical loading, all the stress components are far less than the allowable limit. Due to lateral movement, a part of the vertical load is transferred to the steel rings which not only de-escalates the stress at the rubber core, but also increases damping due to friction in the system. Steel rings effectively enhance the vertical stiffness of the system by controlling the lateral strains experienced by the rubber material. In the specific sample being examined, a vertical load of 100 kN leads to a vertical stiffness value of 131 kN/mm in the system. Under a vertical load of 100 kN, the stress values sx (along lateral displacement), sz, and sy in the rubber core, subjected to a 200% shear strain, were reduced by 25%, 50%, and 51%, respectively, compared to the scenario without lateral displacement.

کلیدواژه‌ها English

Sliding-elastomeric isolator
vertical and lateral stiffness
confined rubber core
frictional damping
finite element analysis
[1] Shakib, H. and Alirezaei, M. (2012). Fundamentals of Earthquake Engineering. Tehran: Azarin Mehr, 697.
[2] Kelly, J. M., and Konstantinidis, D. (2011). Mechanics of rubber bearings for seismic and vibration isolation. John Wiley & Sons.
[3] Li, L. (1984). Base isolation measure for aseismic buildings in China. In Proceedings of the 8th World conference on earthquake engineering. San Francisco: Prentice-Hall ,791-798.
[4] Mostaghel, N., Hejazi, M., Tanbakuchi, J. (1983). Response of sliding structures to harmonic support motion. Earthquake engineering & structural dynamics11(3), 355-366.
[5] Mostaghel, N. and Tanbakuchi, J. (1983). Response of sliding structures to earthquake support motion. Earthquake engineering & structural dynamics11(6), 729-748.
[6] Zhang, J. Ding, Y. Guan, X. Ou, J. (2023). Mechanical properties of innovative prefabricated friction pendulum bearing with concrete-filled steel tube system. Journal of Building Engineering, 69, 106170.
[7] Afrough, S. Yazdian, M. Tajammolian, H. (2018). Seismic Fragility Assessment of Steel Structures Supported on Friction Pendulum Isolators Subjected to Far-Field Ground Motions. Journal of Structural and Construction Engineering, 7(2), 95-114.
[8] Peng, T. Yan, B, Li, F. (2022). The hysteresis model of the friction pendulum bearing based on the moment balance theory. Ain Shams Engineering Journal 13(4), 101707.
[9] Gueraud, R., Noel-Leroux, J. P., Livolant, M., Michalopoulos, A. P. (1985). Seismic isolation using sliding-elastomer bearing pads. Nuclear Engineering and Design84(3), 363-377.
[10] Mostaghel, N. and Khodaverdian, M. (1988). Seismic response of structures supported on R‐FBI system. Earthquake engineering & structural dynamics16(6), 839-854.
[11] Chen, Y. and Ahmadi, G. (1992). Stochastic earthquake response of secondary systems in base‐isolated structures. Earthquake engineering & structural dynamics21(12), 1039-1057.
[12] Naeim, F. and Kelly, J. M. (1999). Design of seismic isolated structures: from theory to practice. John Wiley & Sons.
[13] Mostaghel, N. and Khodaverdian, M. (1987). Dynamics of resilient‐friction base isolator (R‐FBI). Earthquake engineering & structural dynamics15(3), 379-390.
[14] Fan, F. G., Ahmadi, G., Mostaghel, N., Tadjbakhsh, I. G. (1991). Performance analysis of aseismic base isolation systems for a multi-story building. Soil Dynamics and Earthquake Engineering10(3), 152-171.
[15] Hong, W. K. and Kim, H. C. (2004). Performance of a multi-story structure with a resilient-friction base isolation system. Computers and Structures, 82, 2271–2283.
[16] Pourmohammad, H., Ziaei, F. M., Ghafouri, A. M. (2006). Elastomeric Isolators with Steel Rings: A Theoretical, Experimental and Numerical Study. Journal of Seismology and Earthquake Engineering, 8(2), 135-144.
[17] Mozaheb, S. A. and Behnamfar, F. (2018). A new elastomeric-sliding seismic isolation system. Journal of Vibroengineering20(2), 1063-1074.
[18] ANSYS documentation, release 14. (2013), ANSYS Ltd.
[19] Youssef, G. (2022). Applied Mechanics of Polymers Properties, Processing, and Behavior. First Edition. Amsterdam, Elsevier, 305.
[20] Logan,, D.L. (2016). A first course in the finite element method. 6, Boston, Cengage Learning, 992.

  • تاریخ دریافت 11 مرداد 1402
  • تاریخ بازنگری 12 بهمن 1402
  • تاریخ پذیرش 11 اسفند 1402