میراگر فلزی پوسته‌ای تودرتو با رویکرد بهبود در رفتار هیسترزیس

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته دکتری سازه، گروه مهندسی عمران، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد اصفهان، اصفهان، ایران

2 دانشیار دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران

3 دانشیار دانشکده مهندسی عمران و حمل ونقل، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران

چکیده

با بهره‌گیری از ایده‌ی مهار سازه‌ها با استفاده از ابزارهای میراکننده‌ی انرژی زلزله، میراگر نوینی به نام میراگر پوسته‌ای تودرتوی ناهم‌راستا توسط نگارندگان این پژوهش پیشنهاد شده است. ساختمان این میراگر از یک پوسته‌ی استوانه‌ای بزرگ فلزی که سه پوسته‌ی استوانه‌ای کوچک را در برگرفته است، ساخته شده است. برای ساخت این میراگر از روش‌های جوشکاری یا ریخته‌گری فلز می‌توان بهره‌ برد. چیدمان عضوهای پوسته‌ای این میراگر در فرایند بارگذاری لرزه‌ای می‌توانند به‌سان فنرهای فرابازگشتی با ترکیب سری و موازی سبب بالارفتن عملکرد دستگاه شوند. برای ارزیابی عملکرد دستگاه، مدل‌هایی از این میراگر به روش آنالیز عددی (اجزا محدود) آنالیز و داده‌های بدست آمده با دو نمونه‌ی آزمایشگاهی هم‌سنجی شده است. نمودارهای چرخه‌ای بدست آمده از آزمایش در هم­سنجی نتایج عددی به کارگرفته شده است تا داده­های مهم مکانیکی مانند میرایی، سختی مؤثر و نیروی تسلیم که برای استفاده از میراگرها در سازه­ها مورد نیاز است از آنالیز عددی معتبر بدست آید. دراین پژوهش برای ارتقا در عملکرد دستگاه و اندرکنش بیشتر عضوهای داخلی این میراگر، نسبتی برای ضخامت پوسته‌ها پیشنهاد شده است و با تحلیل­های عددی، سودمندی درنظر گرفتن این نسبت در ضخامت عضوهای داخلی میراگر با ارزیابی داده های مکانیکی بدست آمده و مقایسه آنها با نمونه­های ابتدایی به اثبات رسیده است. همچنین در نمودارهای چرخه‌ای بارگذاری که از تحلیل های عددی بر روی این میراگر ارتقا یافته حاصل شده است، نتایج مناسب­تری در میرایی انرژی و سایر ویژگی­های مکانیکی برای این میراگر به­ دست آمده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

The Nested-Eccentric-Shells Damper with an Improved Approach to Increasing Hysteresis Behavior

نویسندگان [English]

  • Alireza Reisi 1
  • Hamid Reza mirdamadi 2
  • Mohammad Ali Rahgozar 3
1 Ph.D., Department of Civil Engineering, Isfahan Branch, Islamic Azad University, Isfahan, Iran
2 Associate Professor, Department of Mechanical Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
3 Associate Professor, Department of Civil Engineering and Transportation, University of Isfahan, Isfahan, Iran
چکیده [English]

In this study, by the concept of control structures, a new shell configuration is designed for steel energy dissipative devices. This device is proposed for the protection of structures against earthquake forces. This device is named a nested-eccentric-shells damper (NESD). This damper is made of a large cylindrical shell that surrounded three small cylindrical shells. The conventional methods of welding or metal casting can be applied in constructing the NESD. The configuration of the shell-type components is designed in such a way that to be able as a combination of series and parallel springs. To assess the performance of this damper, numerical analysis, and full-scale testing are applied. Hysteretic loops obtained from the analysis with highly ductile performance are applied to determine the behavior of this proposed damper. The results indicate that the nested-eccentric-shells damper is of a stable behavior in hysteretic loops, and can provide appropriate damped energy subject to cyclic loading. However, to improve the performance and interaction of the internal members of this damper, a thickness ratio modification is proposed for the inner shells. The effectiveness and the usefulness of this modification in the numerical analysis have been proven in this study.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Passive control
  • hysteretic damper
  • energy dissipation
  • finite element method
  • loading test
[1]  Calvi, G., M. Priestley, and M. Kowalsky, Displacement–based seismic design of structures. Earthquake spectra, 2007. 24(2): p. 1-24.
[2]  Plevris, V., G. Kremmyda, and Y. Fahjan, Performance-Based Seismic Design of Concrete Structures and Infrastructures. 2017: IGI Global.
[3] Soong, T.T. and M.C. Costantinou, Passive and active structural vibration control in civil engineering. Vol. 345. 2014: Springer.
[4]  Soong, T.T. and G.F. Dargush, * Passive Energy Dissipation Systems in Structural Engineering. 1997: Wiley.
[5] Soong, T. and B. Spencer Jr, Supplemental energy dissipation: state-of-the-art and state-of-the-practice. Engineering structures, 2002. 24(3): p. 243-259.
[6] Bergman, D.M. and S.C. Goel, Evaluation of cyclic testing of steel-plate devices for added damping and stiffness. 1987: Department of Civil Engineering, University of Michigan.
[7] Tsai, K.-C., et al., Design of steel triangular plate energy absorbers for seismic-resistant construction. Earthquake spectra, 1993. 9(3): p. 505-528.
[8] Suzuki, K. and A. Watanabe. Experimental Study of U-shaped Steel Damper [J]. in Summary of Technical Papers of Annual Meeting, Architectural Institute of Japan, B-2. 2000.
[9] Chan, R.W. and F. Albermani, Experimental study of steel slit damper for passive energy dissipation. Engineering Structures, 2008. 30(4): p. 1058-1066.
[10]  Garivani, S., A. Aghakouchak, and S. Shahbeyk, Numerical and experimental study of comb-teeth metallic yielding dampers. International Journal of Steel Structures, 2016. 16(1): p. 177-196.
[11] Motamedi, M. and F. Nateghi-A, Study on mechanical characteristics of accordion metallic damper. Journal of Constructional Steel Research, 2018. 142: p. 68-77.
[12] Amiri, H.A., E.P. Najafabadi, and H.E. Estekanchi, Experimental and analytical study of block slit damper. Journal of Constructional Steel Research, 2018. 141: p. 167-178.
[13]  Iwata, M., T. Kato, and A. Wada, Buckling-restrained braces as hysteretic dampers. Behavior of steel structures in seismic areas, 2000: p. 33-38.
[14] Jahangir, H., Daneshvar Khorram, M.H., Ghalehnovi, M., , Influence of Geometric Parameters on Perforated Core Buckling Restrained Braces Behavior (In Persian). Journal of Structural and Construction Engineering, 2018. 6.
[15] Asgarian, B. and S. Moradi, Seismic response of steel braced frames with shape memory alloy braces. Journal of Constructional Steel Research, 2011. 67(1): p. 65-74.
[16] Jahangir, H. and M. Bagheri, Evaluation of Seismic Response of Concrete Structures Reinforced by Shape Memory Alloys. International Journal of Engineering, 2020. 33(3): p. 410-418.
[17] Maleki, S. and S. Bagheri, Pipe damper, Part I: Experimental and analytical study. Journal of Constructional Steel Research, 2010. 66(8-9): p. 1088-1095.
[18] Maleki, S. and S. Mahjoubi, Dual-pipe damper. Journal of Constructional Steel Research, 2013. 85: p. 81-91.
[19]  Mahjoubi, S. and S. Maleki, Seismic performance evaluation and design of steel structures equipped with dual-pipe dampers. Journal of Constructional Steel Research, 2016. 122: p. 25-39.
[20] Cheraghi, A. and S.M. Zahrai, Innovative multi-level control with concentric pipes along brace to reduce seismic response of steel frames. Journal of Constructional Steel Research, 2016. 127: p. 120-135.
[21] Reisi, A., H.R. Mirdamadi, and M.A. Rahgozar, Numerical and experimental study of the nested-eccentric-cylindrical shells damper. Earthquakes and Structures, 2020. 18(5): p. 637-648.
[22]  Specification, A., 5L. 2004. Specification for Line Pipe, 43rd Edition. Washington DC: American Petroleum Institute, 2004.
[23] ABAQUS Finite Element Analysis Program 2013.
[24] Abbasnia, R., et al., Experimental and analytical investigation on the steel ring ductility. Sharif J. Sci. Technol, 2008. 52: p. 41-48.
[25] GOST (ГОСТ) 8733, Seamless cold and warm deformed pipes. 1976. GOST Standards of the Russian Federation, Russia
[26] FEMA, FEMA 461: Interim protocols for determining seismic performance characteristics of structural and nonstructural components through laboratory testing. 2006, Applied Technology Council Redwood City, CA.
[27] Whidden, W.R. Buried flexible steel pipe: Design and structural analysis. 2009. American Society of Civil Engineers.
[28] Krawinkler, H., ATC-24: Guidelines for Cyclic Seismic Testing of Components of Steel Structures. Redwood City, Report prepared for the Applied Technology Council, 1992.
[29] Chopra, A.K., Dynamics of Structures: Theory and Applications to Earthquake Engineering, Prentice Hall. Inc., Upper Saddle River, NJ, 1995.