INTERNATIONAL JOURNAL FOR NUMERICAL

INTERNATIONAL JOURNAL FOR NUMERICAL METHODS IN ENGINEERING, VOL. 40, 29-49 (1997)
FINITE ELEMENT FORMULATIONS FOR FRICTION
PENDULUM SEISMIC ISOLATION BEARINGS
C. S. TSAI
Department of Civil Engineering, Feng Chia University, Taichung, Taiwan, Republic of China
SUMMARY
In this paper, an advanced analytical model and finite element formulations including local bending moment effects for the Friction Pendulum System (FPS) are presented. Some important findings in these investigations reveal that local bending moments which result from the movements of the isolator, should be accounted for in the engineering design. The results presented in this paper show that if the effects of local bending moments are excluded from design considerations, it may endanger structures during earthquakes. The new formulations considering local effects provide an effective tool to simulate the behaviour of FPS-isolated structures subjected to earthquake loadings. The proposed formulations can be applied directly for both two- and three-dimensional analyses without any further assumption. It is easy to implement the proposed techniques in existing finite element programs. The results obtained from the numerical analyses suggest that the local bending moment effects are of significant importance, and should be taken into account to assure the safety of isolated structures during earthquakes.
INTRODUCTION
In recent years, the base isolation has been recognized as an effective means for the protection and retrofitting of an existing structure by the engineering profession. The earthquake energy attempting to impart to a structure can be largely reflected through the isolation mechanism. The stress responses of the structure to earthquakes are therefore significantly reduced. Extensive reviews on the applications of the isolation devices were provided by comprehensive studies conducted by Kelly and Buckle and Mayes.
Many research efforts have been carried out for structures with P-FBI (Teflon and polished stainless-steel interfaces) isolations, resilient-friction base isolator and helical-steel-spring system, etc. One of the alternate isolators is the Friction Pendulum System (FPS) of which sliding surface takes spherical shape. The device provides the sliding and recentering mechanism in one unit. None of previous formulations, to the best of the author's knowledge, have considered the effects of local bending moments for base-isolated structures. If this effect is excluded from structural designs, it may cause structural damage during earthquakes.
This paper is aimed at the development of an advanced analytical model for the prediction of the behaviour of the Teflon-metal interface subjected to seismic loadings. Also, a finite element formulation including local bending moment effects is proposed to simulate the behaviour of FPS-isolated structures. The proposed method is based on the observations of the experiment tests, viscoplasticity theory and finite element method through rigorous derivations. The paramount importance of this study is that some findings suggest the local effects should be taken into account to ensure the safety of structures during earthquakes. Examples are also given to gain insight into the behaviour of FPS-isolated structures under earthquake loadings. Results attained from analytical analyses show that inappropriate designs without considering the local bending effects may endanger isolated-structures.

Kết quả (Việt) 1:

CÁC TẠP CHÍ QUỐC TẾ CHO CÁC PHƯƠNG PHÁP SỐ TRONG CÔNG NGHỆ, VOL. 40, 29-49 (1997)PHẦN TỬ HỮU HẠN CÔNG THỨC CHO MA SÁTQUẢ LẮC SỰ CÔ LẬP ĐỊA CHẤN VÒNG BIC. S. TSAISở xây dựng, đại học Chia phong, Đài Trung, Đài Loan, Trung Hoa dân quốcTÓM TẮTTrong bài báo này, một mô hình phân tích tiên tiến và phần tử hữu hạn công thức bao gồm hiệu ứng thời điểm uốn địa phương cho hệ thống Pendulum ma sát (FPS) cũng được trình bày trong phòng. Một số những phát hiện quan trọng trong các cuộc điều tra tiết lộ rằng những khoảnh khắc uốn địa phương mà là kết quả của phong trào ly, nên được chiếm trong thiết kế kỹ thuật. Kết quả trình bày trong bài báo này cho thấy rằng nếu những ảnh hưởng của những khoảnh khắc uốn địa phương được loại trừ từ thiết kế cân nhắc, nó có thể gây nguy hiểm cho cấu trúc trong trận động đất. Các công thức mới xem xét địa phương tác dụng cung cấp một công cụ hiệu quả để mô phỏng các hành vi của FPS cô lập cấu trúc chịu các trận động đất khi. Các công thức được đề xuất có thể được áp dụng trực tiếp cho cả hai và ba dimensional phân tích mà không có bất kỳ giả định thêm. Nó rất dễ dàng để thực hiện các kỹ thuật được đề xuất trong chương trình hiện có phần tử hữu hạn. Kết quả thu được từ phân tích số đề nghị rằng những ảnh hưởng thời điểm uốn địa phương có tầm quan trọng đáng kể, và nên được đưa vào tài khoản để đảm bảo sự an toàn của cô lập cấu trúc trong trận động đất.GIỚI THIỆUNhững năm gần đây, sự cô lập cơ sở đã được công nhận như một phương tiện hiệu quả để bảo vệ và retrofitting một cấu trúc hiện có kỹ thuật chuyên nghiệp. Năng lượng động đất cố gắng truyền đạt cho một cấu trúc có thể được thể hiện chủ yếu thông qua các cơ chế cô lập. Các phản ứng căng thẳng của cấu trúc để trận động đất do đó giảm đáng kể. Các đánh giá rộng rãi trên các ứng dụng của các thiết bị cô lập được cung cấp bởi toàn diện nghiên cứu thực hiện bởi Kelly và khóa và Mayes.Nhiều nghiên cứu những nỗ lực đã được thực hiện cho các cấu trúc với P-FBI (Teflon và đánh bóng thép không gỉ giao diện) isolations, đàn hồi ma sát cơ sở ly và hệ thống xoắn thép lò xo, vv. Một trong các chất cách điện thay thế là hệ thống Pendulum ma sát (FPS) của bề mặt có hình cầu trượt. Điện thoại cung cấp cơ chế trượt và recentering trong một đơn vị. Không có công thức trước đó, để tốt nhất của kiến thức của tác giả, đã xem xét những ảnh hưởng của những khoảnh khắc uốn địa phương cho các cơ sở cô lập cấu trúc. Nếu hiệu ứng này loại trừ từ thiết kế cấu trúc, nó có thể gây ra thiệt hại cấu trúc trong trận động đất.Bài báo này là nhằm vào sự phát triển của một mô hình phân tích tiên tiến để dự đoán hành vi của giao diện Teflon-kim loại chịu lực địa chấn. Ngoài ra, một công thức phần tử hữu hạn trong đó có hiệu ứng thời điểm uốn địa phương được đề xuất để mô phỏng các hành vi của FPS cô lập cấu trúc. Các phương pháp được đề xuất dựa trên các quan sát của bài kiểm tra thử nghiệm, viscoplasticity lý thuyết và phương pháp phần tử hữu hạn thông qua từ pháp nghiêm ngặt. Tầm quan trọng tối thượng của nghiên cứu này là một số kết quả cho thấy những tác động địa phương nên được đưa vào tài khoản để đảm bảo sự an toàn của các cấu trúc trong trận động đất. Ví dụ cũng được đưa ra để đạt được cái nhìn sâu sắc vào các hành vi của FPS cô lập cấu trúc dưới khi trận động đất. Kết quả đạt được từ phân tích phân tích cho thấy rằng các thiết kế không phù hợp mà không xem xét những tác động uốn địa phương có thể gây nguy hiểm cho cô lập cấu trúc.

Kết quả (Việt) 2:

QUỐC TẾ JOURNAL CHO SỐ PHƯƠNG PHÁP IN KỸ THUẬT, VOL. 40, 29-49 (1997)
công thức phần tử hữu hạn cho ma sát
Con lắc địa chấn ISOLATION bi
C. S. Tsai
Sở Xây dựng, Đại học Feng Chia, Đài Trung, Đài Loan, Trung Hoa Dân Quốc
TÓM TẮT
Trong bài báo này, một mô hình phân tích tiên tiến và công thức phần tử hữu hạn bao gồm cả các hiệu ứng thời điểm uốn của địa phương cho ma sát Hệ thống Pendulum (FPS) được thể hiện. Một số kết quả quan trọng trong cuộc điều tra cho thấy những khoảnh khắc uốn địa phương là kết quả của sự vận động của các bộ phận cách ly, phải được hạch toán vào các thiết kế kỹ thuật. Các kết quả được trình bày trong báo cáo này cho thấy rằng nếu các hậu quả của những khoảnh khắc uốn cục bộ được loại trừ khỏi cân nhắc thiết kế, nó có thể gây nguy hiểm cho các cấu trúc trong trận động đất. Các công thức mới xem xét hiệu quả của địa phương cung cấp một công cụ hữu hiệu để mô phỏng các hành vi của các cấu trúc FPS-cô lập chịu tải trọng động đất. Các công thức được đề xuất có thể được áp dụng trực tiếp cho cả hai và ba chiều phân tích mà không có bất kỳ giả định thêm. Nó rất dễ dàng để thực hiện các kỹ thuật được đề xuất trong chương trình phần tử hữu hạn hiện tại. Các kết quả thu được từ những phân tích số gợi ý rằng các hiệu ứng thời điểm uốn trong nước có tầm quan trọng, và cần được đưa vào tài khoản để đảm bảo sự an toàn của các cấu trúc bị cô lập trong trận động đất.
GIỚI THIỆU
Trong những năm gần đây, sự cô lập cơ sở đã được công nhận như là một phương tiện hiệu quả cho việc bảo vệ và retrofitting của một cấu trúc hiện bởi các nghề kỹ thuật. Năng lượng động đất cố gắng truyền đạt cho một cấu trúc có thể được phản ánh phần lớn thông qua các cơ chế cách ly. Do đó, các phản ứng căng thẳng của các cấu trúc bị động đất được giảm đáng kể. Các ý kiến sâu rộng về các ứng dụng của các thiết bị cách li được cung cấp bởi các nghiên cứu toàn diện được thực hiện bởi Kelly và Buckle và Mayes.
Nhiều nỗ lực nghiên cứu đã được tiến hành cho các cấu trúc với P-FBI (Teflon và giao diện bằng thép không gỉ được đánh bóng) phân lập, cơ sở kiên cường ma sát cách ly và xoắn ốc thép xuân hệ thống, vv Một trong những chất cách thay thế là các ma sát Hệ thống Pendulum (FPS) trong đó bề mặt trượt có hình dạng hình cầu. Thiết bị này cung cấp cơ chế trượt và recentering trong một đơn vị. Không ai trong số các công thức trước đó, để tốt nhất của kiến thức của tác giả, đã xem xét ảnh hưởng của những khoảnh khắc uốn địa phương cho các cấu trúc cơ bản bị cô lập. Nếu hiệu ứng này được loại trừ từ các thiết kế kết cấu, nó có thể gây tổn thương cấu trúc trong trận động đất.
Bài viết này là nhằm vào việc phát triển một mô hình phân tích tiên tiến cho việc dự đoán hành vi của các giao diện Teflon-kim loại chịu tải trọng động đất. Ngoài ra, một công thức phần tử hữu hạn bao gồm cả các hiệu ứng thời điểm uốn của địa phương được đề xuất để mô phỏng các hành vi của các cấu trúc FPS-cô lập. Các phương pháp được đề xuất dựa trên những quan sát của các bài kiểm tra thử nghiệm, lý thuyết viscoplasticity và phương pháp phần tử hữu hạn thông qua Mục từ nghiêm ngặt. Việc tối quan trọng của nghiên cứu này là một số phát hiện cho thấy những tác động của địa phương nên được đưa vào tài khoản để đảm bảo sự an toàn của các cấu trúc trong trận động đất. Ví dụ này cũng được đưa ra để đạt được cái nhìn sâu sắc vào các hành vi của các cấu trúc FPS-cô lập dưới tải trọng động đất. Kết quả đạt được từ phân tích phân tích cho thấy rằng thiết kế không phù hợp mà không xem xét các tác động uốn địa phương có thể gây nguy hiểm cho cô lập các cấu trúc.