مهندسی سازه و ساخت

مهندسی سازه و ساخت

طراحی بهینه و بررسی مکانیزم رفتاری میراگر ترکیبی اصطکاکی و فولادی جاری شونده برای کنترل سطوح مختلفی از ارتعاشات در سازه‌ها

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان
1 دانشیار، دانشکده مهندسی معدن، عمران و شیمی، دانشگاه صنعتی بیرجند، بیرجند، ایران
2 دانشجوی دکتری، دانشکده عمران و محیط زیست، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
چکیده
میراگرهای فولادی جاری شونده تحت ارتعاشاتی مانند بارهای لرزه‌ای خفیف یا بادهای شدید به دلیل باقی‌ماندن در حالت الاستیک، دارای اتلاف انرژی مناسبی نمی‌باشند. هدف از انجام پژوهش حاضر، توسعه نوعی از میراگر ترکیبی است که برای سطوح مختلفی از ارتعاشات لرزه‌ای و باد کاربرد داشته باشد. این نوع میراگر ترکیبی، متشکل از میراگر فولادی جاری شونده و اصطکاکی است که به‌صورت سری به یکدیگر متصل شده‌اند. مکانیزم رفتاری میراگر ترکیبی پیشنهادی به‌گونه‌ای است که برای ارتعاشات خفیف (که میراگر فلزی در حالت الاستیک باقی می‌ماند)، میراگر اصطکاکی عمل کرده و تحت بارهای لرزه‌ای شدید میراگر اصطکاکی همراه با میراگر فولادی اقدام به اتلاف انرژی می‌کنند. رویکرد طراحی میراگر اصطکاکی و فولادی جاری شونده به ترتیب بر اساس نیروی الاستیک میراگر فولادی و توزیع تنش یکنواخت در سرتاسر المان‌های فولادی است؛ لذا در این پژوهش ابتدا یک هندسه بهینه برای میراگر فولادی با ضریب شکل λ=1.6 (〖mm〗^0.5) پیشنهاد شد. سپس مکانیزم رفتاری میراگر ترکیبی پیشنهادی و هریک از اجزاء تحت پروتکل بارگذاری ASCE7 مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج حاصل نشان دهنده رفتار چرخه‌ای پایدار و ظرفیت بالای میراگر پیشنهادی برای استهلاک انرژی است. همچنین میراگر فولادی با ضریب شکل فوق توانایی تحمل حداکثر دامنه جابه‌جایی بیش از(mm) 40 و جابه‌جایی انباشت بیش از (mm) 1500 تحت پروتکل بارگذاری مورد نظر دارد؛ که بیانگر ظرفیت بالای استهلاک انرژی میراگر فوق نسبت به حجم فولاد مصرفی است. از طرف دیگر با در نظر گرفتن قیدهای کنترل کمانش، ظرفیت میراگر ترکیبی پیشنهادی افزایش یافته که می‌تواند چرخه‌های بارگذاری بیشتری را تحمل کند و باعث افزایش شکل‌پذیری میراگر ترکیبی پیشنهادی تا حدود 30% شده است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Optimum Design and Investigation of the Operational Mechanism of Hybrid Friction and Metallic Yielding Dampers for Multi-level Vibration Control

نویسندگان English

Mansour Bagheri 1
Omid Ranaei 2
1 Associate professor, Faculty of Mining, Civil and Chemical Engineering, Brijand University of Technology, Birjand, Iran
2 PhD student, Faculty of civil and Environmental Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده English

Metallic yielding dampers (MYD) often fail to provide adequate energy dissipation under mild vibrations, such as low seismic loads or strong winds, as they remain in an elastic state. This research aims to develop a hybrid damper suitable for various levels of seismic and wind vibrations. The proposed hybrid damper integrates metallic yielding dampers (MYD) and friction dampers (FD) in a series configuration. The behavior mechanism of this combined damper is tailored so that, under mild seismic vibrations and wind conditions where the MYD remains elastic, the friction damper engages. Conversely, under severe seismic loads, both the FD and MYD operate concurrently. The design methodology for the FD and MYD dampers is predicated on the elastic force of the metallic damper and the uniform stress distribution throughout the metallic element, respectively. This study proposes an optimal geometry for the metallic damper characterized by a specific shape factor, λ=1.6 (〖mm〗^0.5). Subsequently, the behavioral mechanism of the proposed hybrid damper was assessed using the ASCE loading protocol. The findings indicate that the proposed damper exhibits stable hysteretic behavior and a high energy dissipation capacity. Also, the MYD with the above shape factor is capable of withstanding a maximum displacement range of more than 40 (mm) and a cumulative displacement of more than 1500 (mm) under the desired loading protocol; which indicates the high energy dissipation capacity of the above damper relative to the volume of steel consumed. Additionally, by addressing buckling constraints, the capacity of the hybrid damper has been enhanced, allowing it to endure more cycles and has increased the ductility of the hybrid damper by about 30%.

کلیدواژه‌ها English

Energy dissipation
Hybrid damper
Friction damper
Metallic yielding damper
Numerical modelling
[1]        Titirla MD (2023) A state-of-the-art review of passive energy dissipation systems in steel braces. Buildings 13:851
[2]        Almajhali KYM (2023) Review on passive energy dissipation devices and techniques of installation for high rise building structures. Structures, Bd. 51 1019–1029
[3]        Gong N, Freddi F, Li P (2024) Shaking table tests and numerical analysis of RC coupled shear wall structure with hybrid replaceable coupling beams. Earthq Eng Struct Dyn 53:1742–1766
[4]        Ghandil M, Riahi HT, Behnamfar F (2023) Numerical and experimental studies on a new metallic-yielding pistonic damper based on pure-bending flexural yielding mechanism. Journal of Building Engineering 78:107690
[5]        Yan X, Yang Y, Guo T, Lan G, Mao H (2023) Numerical and Theoretical Analyses of Friction-Oval Section Mild Steel Rod Composite Dampers. Buildings 13:2401
[6]        Baduidana M, Wang X, Kenfack-Jiotsa A (2022) Parameters optimization of series–parallel inerter system with negative stiffness in controlling a single–degree–of–freedom system under base excitation. Journal of Vibration and Control 28:864–881
[7]        Kim D-H, Ju YK, Kim M-H, Kim S-D (2014) Wind-induced vibration control of tall buildings using hybrid buckling-restrained braces. The Structural Design of Tall and Special Buildings 23:549–562
[8]        Montgomery MS (2012) Fork Configuration Damper (FCDs) for Enhanced Dynamic Performance of High-rise Buildings. University of Toronto
[9]        Marshall JD, Charney FA (2012) Seismic response of steel frame structures with hybrid passive control systems. Earthq Eng Struct Dyn 41:715–733
[10]      Yamamoto M, Sone T (2014) Damping systems that are effective over a wide range of displacement amplitudes using metallic yielding component and viscoelastic damper in series. Earthq Eng Struct Dyn 43:2097–2114
[11]      Ranaei O, Aghakouchak AA (2019) A new hybrid energy dissipation system with viscoelastic and flexural yielding strips dampers for multi-level vibration control. Archives of Civil and Mechanical Engineering 19:584–597
[12]      Ranaei O, Aghakouchak AA (o. J.) Experimental and numerical study on developed elastomeric layers based on natural and butyl matrix rubbers for viscoelastic dampers. Mech Time Depend Mater 1–23
[13]      Lee C-H, Kim J, Kim D-H, Ryu J, Ju YK (2016) Numerical and experimental analysis of combined behavior of shear-type friction damper and non-uniform strip damper for multi-level seismic protection. Eng Struct 114:75–92
[14]      Kim J, Shin H (2017) Seismic loss assessment of a structure retrofitted with slit-friction hybrid dampers. Eng Struct 130:336–350
[15]      Avestaeifar P, Khezrzadeh H (2021) Experimental and numerical assessment of piston hybrid frictional metallic damper (PHFMD). Eng Struct 243:112669
[16]      Guo JWW, Christopoulos C (2016) Response prediction, experimental characterization and P-spectra design of frames with viscoelastic–plastic dampers. Earthq Eng Struct Dyn 45:1855–1874
[17]      Hedayat AA (2015) Prediction of the force displacement capacity boundary of an unbuckled steel slit damper. J Constr Steel Res 114:30–50
[18]      Garivani S, Aghakouchak AA, Shahbeyk S (2016) Numerical and experimental study of comb-teeth metallic yielding dampers. International Journal of Steel Structures 16:177–196
[19]      Khoshkalam M, Mortezagholi MH, Zahrai SM (2022) Proposed modification for ADAS damper to eliminate axial force and improve seismic performance. Journal of earthquake engineering 26:5130–5152
[20]      Mohammadi RK, Nasri A, Ghaffary A (2017) TADAS dampers in very large deformations. International Journal of Steel Structures 17:515–524
[21]      American society of Civil Engineers (2017) Minimum design loads and associated criteria for buildings and other structures
[22]      Abaqus G (2020) Abaqus 6.11. Dassault Systemes Simulia Corporation, Providence, RI, USA 3
 

  • تاریخ دریافت 06 شهریور 1403
  • تاریخ بازنگری 28 آبان 1403
  • تاریخ پذیرش 14 آذر 1403