Adaptable dual control systems

Abstract

Η προσθήκη δευτερευόντων μελών εντός της πρωτεύουσας πλαισιακής κατασκευής για τη σύνθεση δυαδικών συστημάτων έναντι στατικών φορτίων έχει αποδειχθεί ότι υπερτερεί ως προς τη μείωση του ίδιου βάρους της κατασκευής, την ευκολία της ανέγερσης της και τη βελτιστοποίηση του δομικού σχεδιασμού μέσω ελκυστικών μορφοποιήσεων. Η φύση της δυαδικής μορφής της απόκρισης πλαισιακών συστημάτων επιφέρει βελτίωση στη συμπεριφορά κατά την απόκριση καθολικά έναντι στατικής φόρτισης, ενώ δεν έχει διερευνηθεί για δυναμικές φορτίσεις. Οι εισηγήσεις εντός του πλαισίου της λογικής μιας προσαρμόσιμης συμπεριφοράς κατά την απόκριση, ικανές να αναπτύξουν δυαδική λειτουργία, επιστρατεύουν καινοτόμες μεθόδους αντισεισμικής τεχνολογίας κατάλληλες για εφαρμογή σε βασικές μορφές γενικών αρχιτεκτονικών μορφοποιήσεων δομικών συστημάτων. Η τεχνολογία συστημάτων παθητικού σεισμικού ελέγχου γίνεται εφικτή μέσω της προσθήκης στοιχείων απόσβεσης με συνδέσμους ακαμψίας οι οποίοι συνιστούν ένα δευτερεύον σύστημα εντός του πρωτεύοντος πλαισίου. Ο δομικός στόχος των πρόσθετων μελών είναι η επιτυχής απόκριση έναντι σεισμικών εδαφικών δονήσεων μέσω της απόσβεσης της εισαγόμενης ενέργειας επιτρέποντας στο πρωτεύον πλαίσιο να συμπεριφερθεί ελαστικά. Η μέθοδος παρέχει λύσεις για μορφοποίηση συστημάτων απόσβεσης ενέργειας, οι οποίες εμπεριέχουν συμβατικές διατομές συνδέσμων. Συναφείς μηχανισμοί κάποτε αποτυγχάνουν να αναπτύσσουν αποτελεσματικά συνεχή ενεργοποίηση απόσβεσης ενέργειας καθ’ όλη τη διάρκεια ενός πλήρους κύκλου της επαναληπτικής φόρτισης της διέγερσης εξαιτίας του φαινομένου λυγισμού των θλιβόμενων μελών ακαμψίας. Εναλλακτικά έχουν εντοπιστεί σποραδικά πρόσφατες ερευνητικές προτάσεις που αφορούν τη χρήση εύκαμπτων μελών σαν συνδέσμους, οι οποίοι είναι ικανοί να αναπτύξουν κινητικούς μηχανισμούς κατά τη διαδικασία απόσβεσης ενέργειας ενώ ενεργοποιούνται μόνον σε εφελκυσμό. Συνεισφέροντας στο πεδίο έρευνας και ανάπτυξης των κινητικών μηχανισμών, η παρούσα ερευνητική εργασία διερευνά, μέσω αριθμητικής προσομοίωσης και παραμετρικών αναλύσεων, τις επιδράσεις της πιθανής εφαρμογής των προσαρμόσιμων συστημάτων δυαδικού ελέγχου σε πλαισιακές κατασκευές για σκοπούς παθητικού σεισμικού ελέγχου. Κοινός παρονομαστής για κάθε μέρος της παρούσας έρευνας αποτελεί η ένταξη εφελκυόμενων μελών ακαμψίας και υστερετικού μηχανισμού απόσβεσης ενέργειας από μεταλλικά ελάσματα, σε πλαισιακές κατασκευές, ώστε να είναι δυνατή η ανάπτυξη μιας προσαρμόσιμης και δυαδικής συμπεριφοράς κατά την απόκριση έναντι σχετικά ισχυρών, ιδιαιτέρως ακανόνιστων μετακινήσεων. Παρουσιάζονται οι επιδράσεις των προσαρμόσιμων συστημάτων δυαδικού ελέγχου χρησιμοποιώντας τέσσερις διαφορετικούς δυνατούς τρόπους μορφοποίησης. Η διερεύνηση επικεντρώνεται σε τεχνικές προσομοίωσης και μοντελοποίησης για την επιτελεστικότητα της ιδέας σχεδιασμού και της δυνατότητας εφαρμογής της. Οι βασικές αρχές της μηχανικής συμπεριφοράς των προσαρμόσιμων συστημάτων δυαδικού ελέγχου παρουσιάζονται χρησιμοποιώντας μονοβάθμιο στατικό μοντέλο στο απλοποιητικό λογισμικό ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων, SAP2000. Η αναλυτική διερεύνηση έχει αποκαλύψει τις δεσπόζουσες παραμέτρους σχεδιασμού των προσαρμόσιμων συστημάτων δυαδικού ελέγχου. Η μη γραμμική παράμετρος συνδέσμου που ορίζεται σαν ο λόγος της ακαμψίας ως προς τη δύναμη διαρροής του υστερητικού αποσβεστήρα, , καθορίζει τη συμπεριφορά των συστημάτων ελέγχου για κάθε δυνατή μορφοποίηση. Προτείνονται βέλτιστες τιμές για κάθε μία από τις δυνατές μορφοποιήσεις ώστε να προσδίδεται υψηλή ικανότητα απόσβεσης ενέργειας και να αποτρέπει πιθανή αύξηση της τέμνουσας και των σχετικών μετακινήσεων. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από διεξοδικές αναλύσεις ως προς τη δυναμική απόκριση υπό τρεις διαφορετικές σεισμικές διεγέρσεις από το διεθνή χώρο και η συμπεριφορά των συστημάτων επικυρώνεται υπό δέκα καταγραφές από την περιοχή της Μεσογείου. Επισημάνονται ενδιαφέροντα συμπεράσματα που σχετίζονται με την προοπτική χρήσης των εναλλακτικών μορφοποιήσεων προσαρμόσιμων συστημάτων δυαδικού ελέγχου σε εφαρμογές σεισμικού παθητικού ελέγχου που έχουν στόχο τη μεγιστοποίηση της δυνατότητας απόσβεσης ενέργειας και πρακτικά αμελητέας αλληλεπίδρασης των επιπρόσθετων δευτερευόντων εύκαμπτων συνδέσμων και ελασμάτων υστερητικής απόσβεσης με το πρωτεύον πλαίσιο.

The addition of secondary members within the primary frame to compose dual systems has proven to be beneficial under static loading in terms of reduction of self-weight of members, ease of construction and structural design optimization through attractive design configurations. The nature of dual response in frame systems leads to an overall improved behavior under static loading, but has not been investigated for dynamic excitations. Concerned with the logic of adaptable response through a dual action of frame systems the proposals made refer to the use of inventive seismic resisting technology methods suitable for basic forms of general architectural design applications. The technology of passive seismic control systems is realized though the addition of damping devices with bracings to compose a secondary system within the primary frame. The structural aim of the added members is to succeed in resisting seismic ground motions through dissipation of the input energy leaving the primary frame to resist in its elastic region. The method provides configuration designs of energy dissipation systems, which incorporate conventional sections of braces. Such mechanisms sometimes fail to effectively develop a continuous activation of energy dissipation during a complete cycle of vibration, due to compression buckling of the bracings members. Alternatively, a few most recently developed research proposals involve the use of flexible members as bracings, which are able to develop kinetic mechanisms during the energy dissipation process while working only in tension. Contributing to the field of research and development of kinetic mechanisms, the current research work investigates, through numerical simulations and parametric studies, the effects of potential application of Adaptable Dual Control Systems in frame structures for seismic passive control. Common denominator for every aspect of the present research comprises the integration of a bracing-damper mechanism in frame structures that consists of tension-only members and hysteretic steel plates, for the development of an adaptable dual response behavior against moderately strong, extremely irregular motions. The effects of Adaptable Dual Control Systems on the performance of frame structures are demonstrated using four different configuration design alternatives. The investigation is concentrated in simulation and modeling research techniques to test the conceptual design idea and its implementation potential. The basic mechanical behavior principles of ADCS are illustrated using a single degree of freedom structural model utilized in a finite-element analysis software, SAP2000. The analytical investigations revealed the dominating design parameters for ADCS. The non-linear link parameter, defined as the ratio of the stiffness to the yield force of the hysteretic damper, , characterizes the behavior of the controlled systems in each configuration. Optimum values are proposed for each system configuration in achieving high energy dissipation capacity, while preventing possible increase of the maximum base shear and relative displacements. ADCS dynamic behavior is analytically provided when under three international seismic records and it is verified under ten records of the Mediterranean region. Some interesting conclusions are indicated as regards the potential use of ADCS alternative configuration designs in passive seismic control applications, aiming at maximization of the energy dissipation capacity and practically a negligible coupling effect of the added secondary slender bracings and hysteretic damper plates to the primary frame.