Springs of Variable Stiffness in the Control of Seismic Actions in Buildings
Loading...
Date
2023
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
University of Zagreb, Faculty of Mining, Geology and Petroleum Engineering
Abstract
ENG: Many regions in the world have experienced the presence of intensive geological events. Given this reality, the control of
vibrations caused by earthquakes on buildings is one of the great challenges in seismic regions, as they can cause structural,
material, and personal damage, and must be considered with special attention when carrying out a structural
project. For this reason, it is necessary to minimize the deleterious effects caused by earthquakes on buildings. In this
sense, the present study seeks to evaluate, through the theory of mechanical vibrations, the use of springs of variable
stiffness in the control of accelerations induced by seismic action, because springs introduce restoring forces in the system.
The evaluation is done through numerical-computational simulation using the finite element method. The frame
structure of an idealized building is used in the modelling, where columns and beams are represented by linear elements
and the floors by shell elements. In the simulation, springs of variable stiffness are inserted into the joints to control the
vibrations produced by earthquakes. These devices are added to the structural system at different heights and directions,
aiming to keep the structure’s behaviour unchanged, neutralizing the effects of the earthquake. Based on the obtained
results, it is possible to verify the required stiffness and the position in which the springs must be inserted to obtain the
constancy of the structural frequency of vibration during the earthquake action.
BOS: Mnoge regije u svijetu imaju iskustva s geohazardima i potresima. Kontrola vibracija uzrokovanih potresima na zgradama jedan je od velikih izazova u seizmičkim regijama, budući da mogu uzrokovati strukturnu, materijalnu i osobnu štetu, te se moraju uzeti u obzir s posebnom pozornošću prilikom projekata gradnje. Iz tog razloga potrebno je maksimalno umanjiti štetne učinke potresa na građevine. Ova studija nastoji procijeniti, kroz teoriju mehaničkih vibracija, primjenu opruga promjenjive krutosti u kontroli ubrzanja izazvanih seizmičkim djelovanjem, budući da ova vrsta opruga uvodi restorativne sile u sustav. Evaluacija modela je provedena numeričkom simulacijom metodom konačnih elemenata. U modeliranju je korištena okvirna konstrukcija idealizirane građevine, gdje su stupovi i grede prikazani linijskim elementima, a podovi površinskim elementima. U simulaciji, opruge promjenjive krutosti umetnute su u čvorove kako bi se kontrolirale vibracije uzrokovane potresima. Ti su uređaji dodani strukturi građevine na različitim visinama i u različitim smjerovima, s ciljem da se ponašanje strukture održi nepromijenjenim, neutralizirajući učinke potresa. Na temelju rezultata istraživanja moguće je definirati optimalnu krutost i položaje u koji moraju biti postavljene opruge kako bi se postigla stabilnost konstrukcije tijekom djelovanja potresa.
UKR: Багато регіонів світу зазнали інтенсивних геологічних подій. Враховуючи цю реальність, контроль вібрації, спричиненої землетрусами на будівлях, є однією з найбільших проблем у сейсмічних регіонах, оскільки вони можуть спричинити структурні, матеріальні та особисті збитки, і їх слід враховувати з особливою увагою під час виконання будівельного проєкту. З цієї причини необхідно звести до мінімуму шкідливий вплив землетрусів на будівлі. У цьому сенсі дане дослідження має на меті оцінити за допомогою теорії механічних коливань використання пружин змінної жорсткості для контролю прискорень, спричинених сейсмічним впливом, оскільки пружини створюють відновлювальні сили в системі. Оцінка виконується за допомогою чисельно-обчислювального моделювання з використанням методу скінченних елементів. При моделюванні використано каркасну конструкцію ідеалізованої будівлі, де колони та балки представлені лінійними елементами, а перекриття – оболонковими елементами. Під час моделювання пружини змінної жорсткості вставляють у з’єднання, щоб контролювати вібрації, спричинені землетрусами. Ці пристрої додаються до структурної системи на різних висотах і в різних напрямках, щоб зберегти поведінку конструкції незмінною, нейтралізуючи наслідки землетрусу. Виходячи з отриманих результатів можна перевірити необхідну жорсткість і положення, в якому повинні бути вставлені пружини, щоб отримати постійність структурної частоти вібрації під час дії землетрусу.
BOS: Mnoge regije u svijetu imaju iskustva s geohazardima i potresima. Kontrola vibracija uzrokovanih potresima na zgradama jedan je od velikih izazova u seizmičkim regijama, budući da mogu uzrokovati strukturnu, materijalnu i osobnu štetu, te se moraju uzeti u obzir s posebnom pozornošću prilikom projekata gradnje. Iz tog razloga potrebno je maksimalno umanjiti štetne učinke potresa na građevine. Ova studija nastoji procijeniti, kroz teoriju mehaničkih vibracija, primjenu opruga promjenjive krutosti u kontroli ubrzanja izazvanih seizmičkim djelovanjem, budući da ova vrsta opruga uvodi restorativne sile u sustav. Evaluacija modela je provedena numeričkom simulacijom metodom konačnih elemenata. U modeliranju je korištena okvirna konstrukcija idealizirane građevine, gdje su stupovi i grede prikazani linijskim elementima, a podovi površinskim elementima. U simulaciji, opruge promjenjive krutosti umetnute su u čvorove kako bi se kontrolirale vibracije uzrokovane potresima. Ti su uređaji dodani strukturi građevine na različitim visinama i u različitim smjerovima, s ciljem da se ponašanje strukture održi nepromijenjenim, neutralizirajući učinke potresa. Na temelju rezultata istraživanja moguće je definirati optimalnu krutost i položaje u koji moraju biti postavljene opruge kako bi se postigla stabilnost konstrukcije tijekom djelovanja potresa.
UKR: Багато регіонів світу зазнали інтенсивних геологічних подій. Враховуючи цю реальність, контроль вібрації, спричиненої землетрусами на будівлях, є однією з найбільших проблем у сейсмічних регіонах, оскільки вони можуть спричинити структурні, матеріальні та особисті збитки, і їх слід враховувати з особливою увагою під час виконання будівельного проєкту. З цієї причини необхідно звести до мінімуму шкідливий вплив землетрусів на будівлі. У цьому сенсі дане дослідження має на меті оцінити за допомогою теорії механічних коливань використання пружин змінної жорсткості для контролю прискорень, спричинених сейсмічним впливом, оскільки пружини створюють відновлювальні сили в системі. Оцінка виконується за допомогою чисельно-обчислювального моделювання з використанням методу скінченних елементів. При моделюванні використано каркасну конструкцію ідеалізованої будівлі, де колони та балки представлені лінійними елементами, а перекриття – оболонковими елементами. Під час моделювання пружини змінної жорсткості вставляють у з’єднання, щоб контролювати вібрації, спричинені землетрусами. Ці пристрої додаються до структурної системи на різних висотах і в різних напрямках, щоб зберегти поведінку конструкції незмінною, нейтралізуючи наслідки землетрусу. Виходячи з отриманих результатів можна перевірити необхідну жорсткість і положення, в якому повинні бути вставлені пружини, щоб отримати постійність структурної частоти вібрації під час дії землетрусу.
Description
A. Wahrhaftig: ORCID 0000-0002-7144-1917,
J. Dantas: ORCID 0000-0002-2520-3176,
C. Menezes: ORCID 0000-0002-3559-1803,
L. Neduzha: ORCID 0000-0002-7038-3006
Keywords
spring supports, variable stiffness, seismic action, computational simulation, structural vibrations, opružni nosači, promjenjiva krutost, seizmičko djelovanje, numerička simulacija, strukturalne vibracije, пружинні опори, змінна жорсткість, сейсмічна дія, обчислювальне моделювання, структурні коливання, КТМ
Citation
Wahrhaftig A., Dantas J., Menezes C., Neduzha L. Springs of Variable Stiffness in the Control of Seismic Actions in Buildings. Rudarsko Geolosko Naftni Zbornik. 2023. Vol. 38, Iss. 2. P. 23–52. DOI: 10.17794/rgn.2023.2.2.