DE202022104747U1

DE202022104747U1 - Ein Prüfsystem für abgestimmte Massenreibungsdämpfer zur Kontrolle der Schwingungen von Gebäuden

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Publication number: DE202022104747U1
Application number: DE202022104747.2U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-08-22
Filing date: 2022-08-22
Publication date: 2022-09-12
Anticipated expiration: 2032-08-23

Abstract

Ein abgestimmtes Massenreibungsdämpfer-Testsystem zur Kontrolle der Schwingungen von Gebäuden, wobei das System Folgendes umfasst:
eine Vorverarbeitungseinheit zur Erzeugung eines mathematischen Modells zur Bewertung der Zustandsvariablen und zur Ermittlung der Dämpferplatzierungsmatrix und der Erregungsplatzierungsmatrix zur Ermittlung der Zustandsvariablen;
ein Bedienfeld zur Einstellung der Zustandsvariablen für das Zeitintervall von 0.02 Sekunden für die Erdbebendauer;
eine Benutzerschnittstelle zur Eingabe der Daten für die massenkritische Dämpfung, die Steifigkeit und die Zeitdauer sowie die Masse des Dämpfers, wobei ein Benutzer eine Vielzahl von Erdbebendaten eingeben kann; und
eine Kontrolleinheit für das Ergebnis in Bezug auf die Verschiebung der unkontrollierten und kontrollierten Struktur unter Verwendung von TMFD.

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein abgestimmtes Massenreibungsdämpfer-Prüfsystem zur Kontrolle der Gebäudeschwingungen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In der heutigen Zeit hat die Zahl der hoch aufragenden Gebäude stark zugenommen. Die natürliche Dämpfung dieser Strukturen ist gering. Um das Gebäude sicherer zu machen oder um Schäden durch äußere Einflüsse zu vermeiden, ist es notwendig, die Dämpfungskapazität der Gebäude zu erhöhen oder eine verfügbare mechanische Methode zur Erhöhung einzusetzen. Um dies bei der Planung des Bauwerks zu berücksichtigen, sollte die Planung des Dämpfungssystems zu einer Routineübung gemacht werden. Einige der verfügbaren Methoden zur Kontrolle der Schwingungen des Bauwerks, die durch Erdbeben oder Wind verursacht werden können, bestehen in der Verbesserung der Steifigkeit des Bauwerks, in der Veränderung der Massen, der Dämpfung oder der Form und in der Verwendung von gegenwirkenden passiven und aktiven Kräften. Viele Methoden wurden bis heute erfolgreich zur Kontrolle der Struktur eingesetzt, und viele neue Methoden sind in Vorbereitung, um die Anwendungsmöglichkeiten zu erweitern und die Effizienz der verwendeten Geräte oder Methoden zu verbessern. Bei der Auswahl des Schwingungsdämpfers sind viele Faktoren zu berücksichtigen: die Effizienz des Geräts, die verfügbaren Investitionskosten, das Gewicht, die erforderlichen Betriebskosten, die Wartung und die Sicherheit.
Dämpfer sind Vorrichtungen, die zusätzliche Dämpfung bieten und die Schwingungen von Bauwerken bei Erdbeben, starkem Wind usw. verringern.
In Anbetracht der vorstehenden Ausführungen wird deutlich, dass ein abgestimmtes Massenreibungsdämpfer-Prüfsystem zur Kontrolle der Gebäudeschwingungen erforderlich ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung zielt darauf ab, ein System zum Testen einer Struktur mit einem Freiheitsgrad und einer Struktur mit mehreren Freiheitsgraden bereitzustellen, die mit TMFD montiert ist.
In einer Ausführungsform wird ein abgestimmtes Massenreibungsdämpfer-Testsystem zur Kontrolle der Gebäudeschwingungen offenbart. Das System umfasst eine Vorverarbeitungseinheit zur Erzeugung eines mathematischen Modells, um die Zustandsvariable zu bewerten und eine Dämpferplatzierungsmatrix und eine Anregungsplatzierungsmatrix zu finden, um die Zustandsvariable zu erhalten. Das System umfasst ferner ein Bedienfeld zur Einstellung der Zustandsvariablen für ein Zeitintervall von 0.02 Sekunden für die Erdbebendauer. Das System umfasst ferner eine Benutzerschnittstelle zur Eingabe der Daten für die massenkritische Dämpfung, die Steifigkeit, die Zeitdauer und die Masse des Dämpfers, wobei ein Benutzer eine Vielzahl von Erdbebendaten eingeben kann. Das System umfasst außerdem eine Steuereinheit, die die Verschiebung der unkontrollierten und kontrollierten Struktur unter Verwendung von TMFD ermittelt.
In einer anderen Ausführungsform besteht der abgestimmte Massenreibungsdämpfer aus einem Dämpfer mit abgestimmter Masse und einem Reibungsdämpfer, wobei der Dämpfer, wenn er sich im Schlupfmodus befindet, was bedeutet, dass die Masse aufgrund der äußeren Kraft weiter rutscht, als Reibungsdämpfer arbeitet und als zusätzliche Masse wirkt, wenn sich der Dämpfer im Stick-Modus befindet.
In einer anderen Ausführungsform werden mehrere abgestimmte Massenreibungsdämpfer eingesetzt, um die minimale Auslenkung zu erreichen.
In einer anderen Ausführungsform wird das mathematische Modell sowohl für die steifigkeitsabbauenden Strukturen mit einem Freiheitsgrad (SDOF) als auch für die Strukturen mit mehreren Freiheitsgraden (MDOF) mit TMFD erstellt.
In einer anderen Ausführungsform wird die Auswirkung des Abstimmungsverhältnisses, des Massenverhältnisses und der Reibungskraft der Struktur beobachtet, indem der Wert der Werte von 0.01 bis 0.15 für das Massenverhältnis, von 0.1 bis 1 für das Abstimmungsverhältnis und von 0.1 bis 1 für die Reibungskraft geändert wird.
Ziel der vorliegenden Veröffentlichung ist es, das Verhalten von SDOF-Strukturen mit TMFD für verschiedene Erdbeben zu untersuchen und die Auswirkungen des Massenverhältnisses, der Reibungskraft und des Verhältnisses der Abstimmfrequenz zu bewerten.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Veröffentlichung ist es, das Verhalten von MDOF-Strukturen mit TMFD für verschiedene Erdbeben zu untersuchen und die Auswirkungen des Abstimmfrequenzverhältnisses, der Reibungskraft und des Massenverhältnisses zu bewerten.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung ist die Entwicklung eines abgestimmten Massenreibungsdämpfer-Testsystems zur Kontrolle der Schwingungen von Gebäuden.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein schnelles und kosteneffizientes System zum Vergleich des Verhaltens von unkontrollierten SDOF- und MDOF-Strukturen und von Strukturen, die mit TMD und TMFD montiert sind, bereitzustellen.
Zur weiteren Verdeutlichung der Vorteile und Merkmale der vorliegenden Offenbarung wird eine genauere Beschreibung der Erfindung durch Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen gegeben, die in den beigefügten Figuren dargestellt sind. Es wird davon ausgegangen, dass diese Figuren nur typische Ausführungsformen der Erfindung darstellen und daher nicht als Einschränkung des Umfangs der Erfindung zu betrachten sind. Die Erfindung wird mit zusätzlicher Spezifität und Detail mit den beigefügten Figuren beschrieben und erläutert werden.
Figurenliste
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren gelesen wird, in denen gleiche Zeichen gleiche Teile in den Figuren darstellen, wobei:

1 zeigt ein Blockdiagramm eines abgestimmten Massenreibungsdämpfer-Prüfsystems zur Kontrolle der Gebäudeschwingungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Prüfung der Schwingungsfestigkeit von Gebäuden gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
3 zeigt einen Vergleich der Verschiebung zwischen der unkontrollierten Struktur und der mit viskosem TMD befestigten Struktur;
4 zeigt eine Verschiebungsantwort für eine unkontrollierte Struktur und eine Struktur mit TMFD;
5 zeigt die Veränderung der Spitzenverschiebung mit dem Massenverhältnis;
6 zeigt die Veränderung der Verschiebung mit dem Abstimmfrequenzverhältnis;
7 zeigt die Variation der Spitzenverschiebung mit der Dämpferschlupfkraft;
8 zeigt die Veränderung der Verdrängung mit dem Massenverhältnis;
9 zeigt die Veränderung der Verschiebung mit dem Abstimmfrequenzverhältnis;
10 zeigt die Veränderung der Spitzenverschiebung mit der Dämpferschlupfkraft;
11 zeigt die Veränderung der Verdrängung in Abhängigkeit vom Massenverhältnis;
12 zeigt die Veränderung der Verschiebung mit dem Abstimmfrequenzverhältnis;
13 zeigt die Veränderung der Spitzenverschiebung mit der Dämpferschlupfkraft;
14 zeigt die Veränderung der Verdrängung in Abhängigkeit vom Massenverhältnis;
15 zeigt die Veränderung der Verschiebung mit dem Abstimmfrequenzverhältnis;
16 zeigt die Verschiebung aller Erdbeben und die durchschnittliche Verschiebung gegen die Rutschkraft.
17 veranschaulicht die in Tabelle 1 dargestellten Spitzenwerte der Verschiebung für das Erdbeben in El Centro;
18 veranschaulicht die in Tabelle 2 dargestellte Verschiebungsreduzierung des Bauwerks unter Verwendung von viskosem TMD und TMFD für das El Centro-Erdbeben;
19 veranschaulicht die Tabelle 3 mit den Spitzenverschiebungswerten für das Bonds Corner-Erdbeben;
20 veranschaulicht die in Tabelle 4 dargestellte Verschiebungsreduzierung des Bauwerks unter Verwendung von viskosem TMD und TMFD für das Bonds Corner-Erdbeben;
21 veranschaulicht Tabelle 5 zeigt den Spitzenwert der Verschiebung für das Parkfield-Erdbeben; und
22 veranschaulicht Tabelle 6 zeigt die Verringerung der Verschiebung des Bauwerks mit viskosem TMD und TMFD für das Parkfield-Erdbeben.

Der Fachmann wird verstehen, dass die Elemente in den Figuren der Einfachheit halber dargestellt sind und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet wurden. Die Flussdiagramme veranschaulichen beispielsweise das Verfahren anhand der wichtigsten Schritte, um das Verständnis der Aspekte der vorliegenden Offenbarung zu verbessern. Darüber hinaus kann es sein, dass eine oder mehrere Komponenten der Vorrichtung in den Figuren durch herkömmliche Symbole dargestellt sind, und dass die Figuren nur die spezifischen Details zeigen, die für das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung relevant sind, um die Figuren nicht mit Details zu überfrachten, die für Fachleute, die mit der vorliegenden Beschreibung vertraut sind, leicht erkennbar sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Um das Verständnis der Erfindung zu fördern, wird nun auf die in den Figuren dargestellte Ausführungsform Bezug genommen und diese mit bestimmten Worten beschrieben. Es versteht sich jedoch von selbst, dass damit keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist, wobei solche Änderungen und weitere Modifikationen des dargestellten Systems und solche weiteren Anwendungen der darin dargestellten Grundsätze der Erfindung in Betracht gezogen werden, wie sie einem Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung normalerweise einfallen würden.
Der Fachmann wird verstehen, dass die vorstehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und erläuternd für die Erfindung sind und nicht als einschränkend angesehen werden.
Wenn in dieser Beschreibung von „einem Aspekt“, „einem anderen Aspekt“ oder ähnlichem die Rede ist, bedeutet dies, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, die im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthalten ist. Daher können sich die Ausdrücke „in einer Ausführungsform“, „in einer anderen Ausführungsform“ und ähnliche Ausdrücke in dieser Beschreibung alle auf dieselbe Ausführungsform beziehen, müssen es aber nicht.
Die Ausdrücke „umfasst“, „enthaltend“ oder andere Variationen davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken, so dass ein Verfahren oder eine Methode, die eine Liste von Schritten umfasst, nicht nur diese Schritte einschließt, sondern auch andere Schritte enthalten kann, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder zu einem solchen Verfahren oder einer solchen Methode gehören. Ebenso schließen eine oder mehrere Vorrichtungen oder Teilsysteme oder Elemente oder Strukturen oder Komponenten, die mit „umfasst...a“ eingeleitet werden, nicht ohne weitere Einschränkungen die Existenz anderer Vorrichtungen oder anderer Teilsysteme oder anderer Elemente oder anderer Strukturen oder anderer Komponenten oder zusätzlicher Vorrichtungen oder zusätzlicher Teilsysteme oder zusätzlicher Elemente oder zusätzlicher Strukturen oder zusätzlicher Komponenten aus.
Sofern nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, allgemein verstanden wird. Das System, die Methoden und die Beispiele, die hier angegeben werden, dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht als Einschränkung gedacht.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren im Detail beschrieben.
In 1 ist ein Blockdiagramm eines abgestimmten Massenreibungsdämpfer-Testsystems zur Kontrolle der Gebäudeschwingungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Das System 100 umfasst eine Vorverarbeitungseinheit 102 zur Erzeugung eines mathematischen Modells zur Bewertung der Zustandsvariablen und zur Ermittlung der Dämpferplatzierungsmatrix und der Erregungsplatzierungsmatrix, um die Zustandsvariablen zu erhalten.
In einer Ausführungsform ist ein Bedienfeld 104 mit der Vorverarbeitungseinheit 102 verbunden, um die Zustandsvariable für das Zeitintervall von 0.02 Sekunden für die Erdbebendauer einzustellen.
In einer Ausführungsform ist eine Benutzerschnittstelle 106 mit dem Bedienfeld 104 verbunden, um die Daten für die massenkritische Dämpfung, die Steifigkeit und die Zeitdauer sowie die Masse des Dämpfers einzugeben, wobei ein Benutzer eine Vielzahl von Erdbebendaten eingeben kann.
In einer Ausführungsform ist eine Steuereinheit 108 mit der Benutzerschnittstelle 106 verbunden, um die Verschiebung der unkontrollierten und kontrollierten Struktur mit Hilfe von TMFD zu bestimmen.
In einer anderen Ausführungsform besteht der abgestimmte Massenreibungsdämpfer aus einem Dämpfer mit abgestimmter Masse und einem Reibungsdämpfer, wobei der Dämpfer, wenn er sich im Schlupfmodus befindet, was bedeutet, dass die Masse aufgrund der äußeren Kraft weiter rutscht, als Reibungsdämpfer arbeitet und als zusätzliche Masse wirkt, wenn sich der Dämpfer im Stick-Modus befindet.
In einer anderen Ausführungsform werden mehrere abgestimmte Massenreibungsdämpfer eingesetzt, um die minimale Auslenkung zu erreichen.
In einer anderen Ausführungsform wird das mathematische Modell sowohl für die steifigkeitsabbauenden Strukturen mit einem Freiheitsgrad (SDOF) als auch für die Strukturen mit mehreren Freiheitsgraden (MDOF) mit TMFD erstellt.
In einer anderen Ausführungsform wird die Auswirkung des Abstimmungsverhältnisses, des Massenverhältnisses und der Reibungskraft der Struktur beobachtet, indem der Wert der Werte von 0.01 bis 0.15 für das Massenverhältnis, von 0.1 bis 1 für das Abstimmungsverhältnis und von 0.1 bis 1 für die Reibungskraft geändert wird.
2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Prüfung der Schwingungsfestigkeit von Gebäuden in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Unter der seismischen Anregung lautet die maßgebliche Bewegungsgleichung für die SDOF mit Reibungsdämpfer - $m_{p} {\ddot{x}}_{p} + c_{p} {\dot{x}}_{p} + k_{p} x_{p} + k_{d} (x_{p} - x_{d}) = - m_{p} {\ddot{x}}_{g} (t) + ƒ_{s} s g n ({\dot{x}}_{d} - {\dot{x}}_{p}),$
$m_{p} {\ddot{x}}_{p} - k_{d} (x_{p} - x_{d}) = - m_{d} {\ddot{x}}_{g} (t) + ƒ_{s} s g n ({\dot{x}}_{d} - {\dot{x}}_{p})$
Dabei sind m_p, c_p, k_p die Strukturmasse, die Dämpfung des Systems und die Struktursteifigkeit und md, f_s und k_d die Masse des TMFD, die Rutschkraft und die Steifigkeit des TMFD-Systems. $s g n ({\dot{x}}_{d} - {\dot{x}}_{p}) = {\begin{matrix} - 1, & ({\dot{x}}_{d} - {\dot{x}}_{p}) < 0 \\ 0, & ({\dot{x}}_{d} - {\dot{x}}_{p}) = 0 \\ 1 & ({\dot{x}}_{d} - {\dot{x}}_{p}) > 0 \end{matrix}$
Schreiben Sie die obige Gleichung (1) und (2) in Matrixform, $M \ddot{x} + C \dot{x} + Kx = Ew (t) + BFs$
$X (t) = (\begin{matrix} x_{p} (t) \\ x_{d} (t) \end{matrix})$

Wo,
M= Massenmatrix des Systems
C= Dämpfungsmatrix des Systems
K= Steifigkeitsmatrix des Systems
w (t)= Bodenerregung
Fs= Dämpferkraft
ẍ= Beschleunigung des Systems
x= Geschwindigkeit des Systems
x= Verschiebung des Systems
x_p = Relativverschiebung der Primärstruktur
x_d = Relativverschiebung des TMFD

Die Massenmatrix, die Dämpfungsmatrix und die Steifigkeitsmatrix des Systems werden wie folgt ausgedrückt: $M = [\begin{matrix} m_{p} & 0 \\ 0 & m_{d} \end{matrix}]$
$C = [\begin{matrix} c_{p} & 0 \\ 0 & 0 \end{matrix}]$
$K = [\begin{matrix} k_{p} + k_{d} & - k_{d} \\ - k_{d} & k_{d} \end{matrix}]$
Mit Hilfe der Zustandsraummethode wird die Gleichung (3) gelöst und als- $\dot{E} = A (E) + Uw (t) + BFs$

Wo,
B= Dämpfer-Platzierungsmatrix
U= Erregungsplatzierungsmatrix
E ist die Zustandsvariable -

E = {\begin{matrix} x \\ \dot{x} \end{matrix}}

A ist die Zustandsmatrix, die die Masse, die Steifigkeit und das Dämpfungsverhältnis der Struktur enthält. $A = [\begin{matrix} 0 & I \\ - M^{- 1} K & - M^{- 1} C \end{matrix}]$
0 und I sind 2x2 Null- bzw. Einheitsmatrizen.
Durch Diskretisierung der Gleichung Gl. 4 im Zeitbereich unter der Annahme, dass die Erregungskraft und die Steuerkräfte in jedem Zeitintervall konstant sind, ergibt sich die Lösung (Lu 2004, Pisal und Jangid 2006) als - $E (i + 1) = A_{d} E (i) + U_{d} w (t) (i) + B_{d} Fs (i)$
Dabei bedeuten (i) und (i+1), dass die Antwort zum (i)^ten und (i+1)^ten Zeitschritt berechnet wird.
A_d = e^AΔt, ist die zeitdiskrete Systemmatrix mit Δt als Zeitintervall. $B_{d} = A^{- 1} (A_{d} - I) B$
$U_{d} = A^{- 1} (A_{d} - I) E$
Nach Erhalt der Ergebnisse wird die Auswirkung des Abstimmungsverhältnisses, des Massenverhältnisses und der Reibungskraft der Struktur beobachtet, indem der Wert der Werte von 0.01 bis 0.15 für das Massenverhältnis, von 0.1 bis 1 für das Abstimmungsverhältnis und von 0.1 bis 1 für die Reibungskraft geändert wird.
In einer anderen Ausführungsform wird die mathematische Modellierung für eine MDOF-Struktur durchgeführt, die mit einem einzigen TMFD montiert ist. Für das Gebäude mit i Stockwerken ist die Formulierung ähnlich wie die für die SDOF-Struktur in der vorherigen.
Für die i-te Etage $m_{i} {\ddot{x}}_{i} + c_{i} {\dot{x}}_{i} + k_{i} x_{i} + k_{d} (x_{i} - x_{d}) = - m_{1} {\ddot{x}}_{g} (t) + ƒ_{s} s g n ({\dot{x}}_{d} - {\dot{x}}_{i}),$
$m_{d} {\ddot{x}}_{d} - k_{d} (x_{i} - x_{d}) = - m_{d} {\ddot{x}}_{g} (t) + ƒ_{s} s g n ({\dot{x}}_{d} - {\dot{x}}_{i})$
Die obige Gleichung ergibt eine verallgemeinerte Form für eine Struktur mit i-Etagen. Wobei

m_i = Masse des i-ten Bodens
c_i = Dämpfung des i-ten Bodens
k_i= Steifigkeit des i-ten Bodens
ẍ_i= Beschleunigung des i-ten Bodens
ẍ_i= Geschwindigkeit der i-ten Etage
x_i= Verschiebung der i-ten Etage

Schreibt man die obige Gleichung in Matrixform - $M \ddot{X} (t) + C \dot{X} (t) + K X (t) = E {\ddot{x}}_{g} (t) + B F_{s} (t)$
$X (t) = (\begin{matrix} x_{p} \\ x_{d} \end{matrix})$

M= Massenmatrix des Systems
C= Dämpfungsmatrix des Systems
K= Steifigkeitsmatrix des Systems
ẍ_g{ t)= Bodenerregung
Fs= Dämpferkraft
X= Beschleunigung des Systems
X = Geschwindigkeit des Systems
X= Verschiebung des Systems
x_p = Relativverschiebung der Primärstruktur
x_d = Relativverschiebung des TMFD

Für ein 5-stöckiges Gebäude, das in der numerischen Studie berücksichtigt wird, lauten die Matrizen $M = [\begin{matrix} m_{11} & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & m_{22} & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & m_{33} & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & m_{44} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & m_{55} & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & m_{d} \end{matrix}]$
$C = [\begin{matrix} c_{11} + c_{22} & - c_{22} & 0 & 0 & 0 \\ - c_{22} & c_{22} + c_{33} & - c_{33} & 0 & 0 \\ 0 & - c_{33} & c_{33} + c_{44} & - c_{44} & 0 \\ 0 & 0 & - c_{4} & c_{44} + c_{55} & - c_{55} \\ 0 & 0 & 0 & - c_{55} & c_{55} \end{matrix}]$
$K = [\begin{matrix} k_{11} + k_{22} & - k_{22} & 0 & 0 & 0 & 0 \\ - k_{2} & k_{22} + k_{33} & - k_{33} & 0 & 0 & 0 \\ 0 & - k_{33} & k_{33} + k_{44} & - k_{44} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & - k_{44} & k_{44} + k_{55} & - k_{55} & 0 \\ 0 & 0 & 0 & - k_{55} & k_{55} + k_{d} & - k_{d} \\ 0 & 0 & 0 & 0 & - k_{d} & k_{d} \end{matrix}]$
Durch Lösen der Gleichung (8) mit einem ähnlichen Verfahren wie bei der SDOF-Struktur kann die Reaktion des Gebäudes berechnet werden.
Wie oben erwähnt, wird für die numerische Studie ein 5-stöckiges Gebäude mit einer Masse von 3000 kg pro Stockwerk und einer kritischen Dämpfung von 2% betrachtet. Die Steifigkeit des Gebäudes beträgt 5830000 N/m.
3 zeigt einen Vergleich der Verschiebung zwischen der unkontrollierten Struktur und der mit viskosem TMD befestigten Struktur. 3 zeigt die Vergleichsgrafik für eine mit viskosem TMD angebrachte MDOF-Struktur und eine unkontrollierte Struktur für das El Centro-Erdbeben. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass die Verschiebung der unkontrollierten Struktur hoch ist. Mit dem viskosen TMD wird die Verschiebung also unter Kontrolle gebracht.
4 zeigt die Verschiebungsreaktion für ein unkontrolliertes Bauwerk und ein Bauwerk mit TMFD. 4 zeigt den Vergleich der Reaktion des untersuchten Bauwerks und des TMFD für das El Centro-Erdbeben. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass durch die Montage des TMFD auf dem Bauwerk die Verschiebung auf ein sehr niedriges Niveau sinkt. Auch wenn der viskose TMD, wie in 3 dargestellt, die Verschiebung gut reduziert, ist der TMFD effektiver bei der Reduzierung der Verschiebung.
Tabelle 1 enthält die Werte der Spitzenverschiebung für die mit viskosem TMD und TMFD kontrollierte MDOF-Struktur für das El Centro-Erdbeben.
5 zeigt die Variation der Spitzenverschiebung mit dem Massenverhältnis. 5 zeigt den Vergleich zwischen der Verschiebung des Bauwerks mit viskosem TMD und TMFD und dem Massenverhältnis mit zunehmenden Werten für das El Centro Erdbeben. Das Diagramm zeigt, dass mit zunehmendem Wert des Massenverhältnisses die Verschiebung sowohl bei viskosem TMD als auch bei TMFD allmählich abnimmt. Bei maximaler Abstimmung des Massenverhältnisses ist jedoch zu erkennen, dass die Verschiebung des TMFD geringer ist als die des viskosen TMD.
Für das El Centro-Erdbeben ist aus Tabelle 2 ersichtlich, dass mit dem Anstieg des Massenverhältnisses die prozentuale Verringerung der Verschiebung von Strukturen mit viskosem TMD und Strukturen mit TMFD effizient erfolgt.
6 zeigt die Veränderung der Verschiebung mit dem Abstimmungsverhältnis. Für das El Centro-Erdbeben ist der Vergleich der Verschiebung mit dem variierenden Abstimmungsverhältnis in 6 dargestellt. Der Vergleich wird für die MDOF-Struktur mit TMD und mit TMFD durchgeführt. Mit zunehmendem Abstimmungsverhältnis beginnt die Verschiebung zu sinken. Bei der viskosen TMD erreicht die Verschiebung an einem bestimmten Punkt ein Minimum und steigt danach nur noch minimal an.
7 zeigt die Variation der Spitzenverschiebung mit der Schlupfkraft des Dämpfers. Die Auswirkung der Schlupfkraft des Dämpfers auf die Struktur mit TMFD ist in 7 für El Centro zu sehen. Mit zunehmender Reibungskraft kommt es zu einer Abnahme der Verschiebung.
Die für das Bonds-Corner-Erdbeben ermittelten Spitzenverschiebungswerte sind in Tabelle 3 für die Primärstruktur ohne Dämpfer und die mit viskosem TMD und TMFD kontrollierte Struktur angegeben.
8 zeigt die Veränderung der Verschiebung mit dem Massenverhältnis. 8 zeigt den Vergleich der Veränderung der Verschiebung mit der Veränderung des Massenverhältnisses für das Bonds-Corner-Erdbeben. Bei der Struktur mit viskosem TMD nimmt die Spitzenverschiebung mit zunehmendem Massenverhältnis immer weiter ab. Die gleiche Bedingung gilt für den TMFD, mit der Zunahme des Massenverhältnisses nimmt die Spitzenverschiebung ab. Im Vergleich zueinander ist jedoch deutlich zu erkennen, dass die maximale Verschiebung im Falle des TMFD stärker abnimmt.
Tabelle 4 zeigt die prozentuale Verringerung der Verschiebung der Struktur mit viskosem TMD und der Struktur mit TMFD gegenüber der unkontrollierten Struktur für das Bonds Corner Erdbeben. Die Verschiebung nimmt mit der Erhöhung des Massenverhältnisses ab. Die prozentuale Verringerung ist bei der Struktur mit TMFD größer.
9 zeigt die Veränderung der Verschiebung in Abhängigkeit vom Abstimmungsverhältnis. 9 zeigt den Vergleich zwischen der Veränderung der Spitzenverschiebung eines mit viskosem TMD gelagerten Bauwerks und eines mit TMFD gelagerten Bauwerks in Abhängigkeit vom Abstimmfrequenzverhältnis für das Bonds Corner Erdbeben. Wenn das Abstimmfrequenzverhältnis erhöht wird, nimmt die Verschiebung der Struktur mit viskosem TMD und TMFD ab. Vergleicht man die Kurve, so wird deutlich, dass die Verschiebung im Falle der Struktur mit TMFD stärker abnimmt.
10 zeigt die Veränderung der Spitzenverschiebung mit der Dämpferschlupfkraft. 10 zeigt die Reaktion des Bauwerks mit TMFD, wenn die Reibungskraft variiert wird. 10 bezieht sich auf das Erdbeben in der Bonds Corner. Es gibt einen Punkt mit minimaler Verschiebung bei einer bestimmten Reibungskraft, nach dem die Verschiebung fast konstant ist. Diese bestimmte Reibung ist der optimale Wert für dieses Erdbeben.
Tabelle 5 zeigt den Wert der Spitzenverschiebung für die unkontrollierte Struktur und die reduzierte Verschiebung der Struktur mit montiertem viskosem TMD und der Struktur mit TMFD.
11 zeigt die Veränderung der Verschiebung in Abhängigkeit vom Massenverhältnis. 11 zeigt den Vergleich der Reaktion der Struktur für viskose TMD und TMFD für das Parkfield-Erdbeben mit dem Anstieg des Massenverhältnisses. Eine Erhöhung des Massenverhältnisses zeigt, dass die Verschiebung beider Strukturen abnimmt. Die Verschiebung des Bauwerks mit TMFD nimmt im Vergleich zu der des Bauwerks mit viskosem TMD stärker ab.
Für das Parkfield-Erdbeben sind die prozentualen Reduktionswerte in Tabelle 6 sowohl für die Struktur mit viskosem TMD als auch für die Struktur mit TMFD im Vergleich zur unkontrollierten Struktur angegeben. Die prozentuale Verringerung der Verschiebung nimmt mit der Erhöhung des Massenverhältnisses ab. Die prozentuale Verringerung ist bei der Struktur mit TMFD größer.
12 zeigt die Veränderung der Verschiebung mit dem Abstimmfrequenzverhältnis. 12 zeigt den Vergleich der Verschiebung mit variierendem Abstimmungsverhältnis sowohl für die Struktur mit viskosem TMD als auch für die Struktur mit TMFD für das Parkfield-Erdbeben. Mit zunehmendem Abstimmungsverhältnis nimmt die Verschiebung beider Strukturen ab. Der TMFD ist zuverlässiger bei der Reduzierung mit der Variation des Abstimmfrequenzverhältnisses.
13 zeigt die Veränderung der Spitzenverschiebung mit der Dämpfergleitkraft. In 13 ist die Verschiebung des Bauwerks in Abhängigkeit von der Reibungskraft für das Parkfield-Erdbeben grafisch dargestellt. Für das Erdbeben mit geringer Stärke sind die erhaltenen Daten nicht geeignet, so dass man sagen kann, dass die Verwendung von TMFD für ein Erdbeben geringer Stärke nicht geeignet ist.
14 zeigt die Veränderung der Verschiebung in Abhängigkeit vom Massenverhältnis. In 14 ist für die drei Erdbeben die Verschiebung der Struktur mit TMFD in Abhängigkeit vom Massenverhältnis zusammen mit der durchschnittlichen Verschiebung aufgetragen. Es ist zu erkennen, dass die durchschnittliche Verschiebung bei der MDOF-Struktur geringer ist.
15 zeigt die Veränderung der Verschiebung in Abhängigkeit vom Abstimmungsverhältnis. 15 zeigt die Verschiebung des gesamten Erdbebens und den Mittelwert, aufgetragen gegen das Abstimmfrequenzverhältnis. Die durchschnittliche Verschiebung für die MDOF-Struktur ist geringer als die der beiden Erdbeben mit einer Magnitude von mehr als 6.5.
16 veranschaulicht die Verschiebung aller Erdbeben und die durchschnittliche Verschiebung gegen die Rutschkraft. 16 zeigt die Verschiebung aller Erdbeben und die durchschnittliche Verschiebung gegen die Rutschkraft. Die durchschnittliche Verschiebung ist größer als beim Parkfield-Erdbeben der Magnitude 6.1.
17 veranschaulicht die in Tabelle 1 dargestellten Spitzenwerte der Verschiebung für das Erdbeben in El Centro.
18 veranschaulicht die in Tabelle 2 dargestellte Verschiebungsreduzierung des Bauwerks unter Verwendung von viskosem TMD und TMFD für das El Centro-Erdbeben.
19 veranschaulicht die Tabelle 3 mit den Spitzenverschiebungswerten für das Bonds Corner-Erdbeben.
20 veranschaulicht die in Tabelle 4 dargestellte Verschiebungsreduzierung des Bauwerks unter Verwendung von viskosem TMD und TMFD für das Bonds Corner-Erdbeben.
21 veranschaulicht Tabelle 5 zeigt die Spitzenverschiebungswerte für das Parkfield-Erdbeben.
22 veranschaulicht Tabelle 6 zeigt die Verringerung der Verschiebung des Bauwerks mit viskosem TMD und TMFD für das Parkfield-Erdbeben.
Es wird ein mit TMFD montiertes SDOF-System genommen. Das mathematische Modell wird für diese Struktur erstellt. Für die numerische Studie dieses Gebäudes werden drei Erdbeben, nämlich El Centro 1940, Bonds Corner 1979 und Parkfield 1966, herangezogen. Die Studie wird durchgeführt, um die Antwort der Struktur zu erhalten. Die Reaktion der mit viskosem TMD und TMFD gelagerten Struktur wird miteinander und auch mit der unkontrollierten Struktur verglichen. Die Auswirkungen des Massenverhältnisses, des Abstimmfrequenzverhältnisses und der Reibungskraft des Dämpfers werden ebenfalls analysiert. Die gleiche Analyse wird auch für das mit TMFD gelagerte MDOF-System durchgeführt.
Es wird festgestellt, dass die numerische Studie für SDOF-Strukturen und MDOF-Strukturen, die mit TMFD montiert sind, durchgeführt wird. Es wurden drei Erdbebendaten genommen, um die Reaktion der Struktur zu erhalten. Die berechnete Antwort ist in beiden Fällen in Form von Spitzenverschiebungen. Es ist zu erkennen, dass die Reaktion der Struktur mit TMFD im Vergleich zur unkontrollierten Struktur geringer ist. Der TMFD reduziert also wirksam die Verschiebung des Bauwerks während der Dauer des Erdbebens. Dieses Ergebnis gilt für alle drei Erdbeben.
Die Wirkung des Massenverhältnisses wird ebenfalls für beide Systeme verglichen. Es zeigt sich, dass mit zunehmendem Massenverhältnis die Verschiebung des Gebäudes immer weiter abnimmt. Im Falle der Struktur mit viskosem TMD ist die Verschiebung größer als die der Struktur mit TMFD. Das Abstimmfrequenzverhältnis wird ebenfalls berücksichtigt, um die Veränderung der Verschiebung zu sehen. Bei viskosem TMD fällt die Auslenkung plötzlich ab, während sie bei TMFD allmählich abnimmt. Bei der Struktur mit TMFD ist die Verringerung der Reaktion stärker als bei der Struktur mit viskosem TMD. Die Wirkung der Reibungskraft des Dämpfers wird ebenfalls beobachtet. Sowohl bei der SDOF- als auch bei der MDOF-Struktur kommt es mit zunehmender Reibungskraft zu einer Abnahme der Verschiebung.
Für die SDOF-Struktur beträgt die höchste Verschiebungsreduzierung 71.21 % für die Struktur mit viskoser TMD und 74.91 % für die Struktur mit TMFD für das El Centro-Erdbeben und 73.87 % für die Struktur mit viskoser TMD und 78.73 % für die Struktur für das Bonds Corner-Erdbeben und 68.20 % für die Struktur mit viskoser TMD und 76.49 % für die Struktur für das Parkfield-Erdbeben.
Auch für die MDOF-Struktur beträgt die Verschiebungsreduzierung 69.41 % für die Struktur mit viskosem TMD und 71.82 % für die Struktur mit TMFD für das El Centro-Erdbeben und 65.40 % für die Struktur mit viskosem TMD und 70.50 % für die Struktur mit TMFD für das Bonds Corner-Erdbeben und 74.52 % für die Struktur mit viskosem TMD und 76.70 % für die Struktur mit TMFD für das Parkfield-Erdbeben
Im Falle der MDOF-Struktur ist die prozentuale Reduktion bei den drei Erdbeben größer, wenn TMFD verwendet wird. Insgesamt ist die Leistung des TMFD bei der Reduzierung der Verschiebung zufriedenstellender. Auch nach Berücksichtigung der Auswirkungen der Änderung des Massenverhältnisses, der Reibungskraft und des Verhältnisses der Abstimmfrequenz wird die Verschiebung durch die Verwendung von TMFD reduziert.
Die Figuren und die vorangehende Beschreibung geben Beispiele für Ausführungsformen. Der Fachmann wird verstehen, dass eines oder mehrere der beschriebenen Elemente durchaus zu einem einzigen Funktionselement kombiniert werden können. Alternativ dazu können bestimmte Elemente in mehrere Funktionselemente aufgeteilt werden. Elemente aus einer Ausführungsform können einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. So kann beispielsweise die Reihenfolge der hier beschriebenen Prozesse geändert werden und ist nicht auf die hier beschriebene Weise beschränkt. Darüber hinaus müssen die Aktionen eines Flussdiagramms nicht in der gezeigten Reihenfolge ausgeführt werden; auch müssen nicht unbedingt alle Aktionen durchgeführt werden. Auch können die Handlungen, die nicht von anderen Handlungen abhängig sind, parallel zu den anderen Handlungen ausgeführt werden. Der Umfang der Ausführungsformen ist durch diese spezifischen Beispiele keineswegs begrenzt. Zahlreiche Variationen sind möglich, unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung explizit aufgeführt sind oder nicht, wie z. B. Unterschiede in der Struktur, den Abmessungen und der Verwendung von Materialien. Der Umfang der Ausführungsformen ist mindestens so groß wie in den folgenden Ansprüchen angegeben.
Vorteile, andere Vorzüge und Problemlösungen wurden oben im Hinblick auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben. Die Vorteile, Vorzüge, Problemlösungen und Komponenten, die dazu führen können, dass ein Vorteil, ein Nutzen oder eine Lösung auftritt oder ausgeprägter wird, sind jedoch nicht als kritisches, erforderliches oder wesentliches Merkmal oder Komponente eines oder aller Ansprüche zu verstehen.
Bezugszeichenliste

100: Ein System zur Prüfung von abgestimmten Massenreibungsdämpfern zur Kontrolle von Gebäudeschwingungen.
102: Vorverarbeitungseinheit.
104: Bedienfeld
106: Benutzerschnittstelle
108: Steuereinheit
202: Mathematische Formulierung unter Verwendung der Gleichungen 3.1, 3.2, 3.3 und 3.4 zur Bewertung der Zustandsvariablen E
204: Ermitteln der Konstanten Ud und Bd, um Gleichung 3.5 zu erhalten
206: Programmieren der Gleichung 3.5 in Matlab für das Zeitintervall
0.02: Sekunden für die Erdbebendauer
208: Eingabe der Daten für die massenkritische Dämpfung, die Steifigkeit, die Zeitdauer und die Masse des Dämpfers
210: Eingabe der Erdbebendaten (1)
212: Eingabe der Erdbebendaten (2)
214: Eingabe der Erdbebendaten (3)
216: Ergebnis in Bezug auf die Verschiebung der unkontrollierten und kontrollierten Struktur unter Verwendung von TMFD
302: Unkontrolliertes Tragwerk
304: Struktur mit viskosem TMD
502: Mit viskosem TMD
504: Mit TMFD
602: El Centro, 1940
604: Anleihen Ecke ,1979
606: Parkfiled ,1966
608: Durchschnittlich

Claims

Ein abgestimmtes Massenreibungsdämpfer-Testsystem zur Kontrolle der Schwingungen von Gebäuden, wobei das System Folgendes umfasst: eine Vorverarbeitungseinheit zur Erzeugung eines mathematischen Modells zur Bewertung der Zustandsvariablen und zur Ermittlung der Dämpferplatzierungsmatrix und der Erregungsplatzierungsmatrix zur Ermittlung der Zustandsvariablen; ein Bedienfeld zur Einstellung der Zustandsvariablen für das Zeitintervall von 0.02 Sekunden für die Erdbebendauer; eine Benutzerschnittstelle zur Eingabe der Daten für die massenkritische Dämpfung, die Steifigkeit und die Zeitdauer sowie die Masse des Dämpfers, wobei ein Benutzer eine Vielzahl von Erdbebendaten eingeben kann; und eine Kontrolleinheit für das Ergebnis in Bezug auf die Verschiebung der unkontrollierten und kontrollierten Struktur unter Verwendung von TMFD.
System nach Anspruch 1, wobei der abgestimmte Massenreibungsdämpfer aus einem abgestimmten Massendämpfer und einem Reibungsdämpfer besteht, wobei der Dämpfer, wenn er sich im Schlupfmodus befindet, was bedeutet, dass die Masse aufgrund der externen Kraft weiter rutscht, als Reibungsdämpfer arbeitet und als zusätzliche Masse wirkt, wenn sich der Dämpfer im Stick-Modus befindet.
System nach Anspruch 1, wobei mehrere abgestimmte Massenreibungsdämpfer eingesetzt werden, um die minimale Auslenkung zu erreichen.
System nach Anspruch 1, wobei das mathematische Modell sowohl für die steifigkeitsabbauenden Strukturen mit einem Freiheitsgrad (SDOF) als auch für die Strukturen mit mehreren Freiheitsgraden (MDOF) mit TMFD erzeugt wird.
System nach Anspruch 1, wobei die Auswirkung des Abstimmungsverhältnisses, des Massenverhältnisses und der Reibungskraft der Struktur beobachtet wird, indem der Wert der Werte von 0.01 bis 0.15 für das Massenverhältnis, von 0.1 bis 1 für das Abstimmungsverhältnis und von 0.1 bis 1 für die Reibungskraft geändert wird.