مهاربندهای کنترل شده با کمانش برای مقاومت لرزه ای با الهام از الگوهای اوریگامی

با توجه به تأثیر منفی گسترده ای که زمین لرزه ممکن است بر جامعه ما داشته باشد، توسعه فناوری های ضد لرزه ای ایمن تر و مطمئن تر برای سازه های مهندسی از اهمیت بالایی برخوردار است. فن‌آوری‌های جدید [1]، [2]، [3]، [4] برای بهبود اتلاف انرژی ساختاری قبلاً در سناریوهای زندگی واقعی استفاده شده‌اند. مهاربند کمانشی (BRB) نوعی دمپر فلزی است که اغلب در سازه های قاب استفاده می شود [5]. یکی از ویژگی های آن مهار کمانش جهانی درجه پایین هسته داخلی تحت فشار توسط اجزای محدودیت خارجی است. آزمایش‌ها و تحلیل‌های عددی زیادی برای تأیید توانایی آنها در اتلاف انرژی و کاهش پاسخ لرزه‌ای انجام شده است [6]، [7]، [8]. علاوه بر این، سوراخ‌ها در هسته زودتر به حالت پلاستیکی می‌رسند که ظرفیت اتلاف انرژی را افزایش می‌دهد [9]. مطالعات تجربی بر روی مهاربندهای کمانشی سوراخ دار (PBRBs) تحت بارگذاری چرخه ای انجام شد و خواص هیسترتیک پایدار و ظرفیت اتلاف انرژی را تأیید کرد [10]، [11]. برای هدف اتلاف انرژی تحت سطوح مختلف خطر زلزله، BRBهای دو مرحله ای با تسلیم با ترکیب دو نوع مؤلفه اتلاف کننده انرژی [12]، [13] یا با طرح های مختلف شکل هسته [14] پیشنهاد شدند. علیرغم پتانسیل آنها، کاستی هایی مانند فرآیندهای ساخت پیچیده، نامشخص بودن کمانش به دلیل خطاهای ساخت و ضایعات ناشی از طراحی تقویت کننده در انتهای آن، اغلب کاربردهای آنها را محدود می کند [15]، [16]. برای هدف اتلاف انرژی تحت سطوح مختلف خطر زلزله، BRBهای دو مرحله ای با تسلیم با ترکیب دو نوع مؤلفه اتلاف کننده انرژی [12]، [13] یا با طرح های مختلف شکل هسته [14] پیشنهاد شدند. علیرغم پتانسیل آنها، کاستی هایی مانند فرآیندهای ساخت پیچیده، نامشخص بودن کمانش به دلیل خطاهای ساخت و ضایعات ناشی از طراحی تقویت کننده در انتهای آن، اغلب کاربردهای آنها را محدود می کند [15]، [16]. برای هدف اتلاف انرژی تحت سطوح مختلف خطر زلزله، BRBهای دو مرحله ای با تسلیم با ترکیب دو نوع مؤلفه اتلاف کننده انرژی [12]، [13] یا با طرح های مختلف شکل هسته [14] پیشنهاد شدند. علیرغم پتانسیل آنها، کاستی هایی مانند فرآیندهای ساخت پیچیده، نامشخص بودن کمانش به دلیل خطاهای ساخت و ضایعات ناشی از طراحی تقویت کننده در انتهای آن، اغلب کاربردهای آنها را محدود می کند [15]، [16].

علاوه بر این، وارد کردن مصنوعی عیوب هندسی به مهاربندها برای هدایت کمانش در موقعیت های مورد نظر نیز معمول است. راه راه روی سطح لوله ها کاندید خوبی برای توسعه عناصر جذب انرژی قابل کنترل است [17]، [18]. مطالعات بیشتر اثر شیارها را در لوله‌های مختلف بررسی کردند [19]، [20]، [21]. با توجه به پیکربندی‌های نقص، اشکال مختلف سوراخ‌های چیده شده روی لوله‌ها نیز مورد مطالعه قرار گرفت [22، [23]، [24]، [25]. به طور کلی، ادبیات نشان می دهد که معرفی عیوب به لوله ها به خوبی با فناوری های کنترل کمانش مطابقت دارد.

اوریگامی سنتی هنر دست ساز تا کردن کاغذ به اشکال مختلف هندسی فضایی با چین های از پیش تنظیم شده است [26]. با توجه به تنوع پیکربندی‌های هندسی و خواص مکانیکی منحصر به فرد مربوطه، اوریگامی به تدریج به یک فناوری مهندسی امیدوارکننده در زمینه‌های مختلف تبدیل شده است [27]، [28]، [29]. الگوهای اوریگامی را می توان به عنوان نقص هندسی به سطح لوله های معمولی نیز وارد کرد. از پیش تنظیم چین ها برای القای الگوهای تغییر شکل از پیش تعیین شده، در نتیجه بهبود عملکرد مکانیکی لوله ها. خواص مکانیکی لوله‌های فولادی مربعی معمولی و لوله‌های مربوطه که الگوی تاچی را تحت فشار محوری اتخاذ می‌کنند، مقایسه شدند، که نشان داد که دومی تغییر شکل محوری و ظرفیت اتلاف انرژی لوله‌ها را بهبود می‌بخشد [30]. اعمال یک الگوی اوریگامی هرمی بر روی لوله مربع نیز نشان داد که حالت کمانش هشت ضلعی می تواند به طور موثری بار کمانش اولیه را کاهش دهد و ظرفیت اتلاف انرژی را به طور قابل توجهی افزایش دهد [31]. علاوه بر این، تأیید شد که الگوهای اوریگامی کرش باکس با مقطع مستطیلی یا چند ضلعی در حالت الماسی شکل فرو می‌روند [32]. علیرغم نشان دادن نتایج امیدوارکننده، مطالعات اخیر بر ظرفیت اتلاف انرژی لوله‌های اوریگامی با نسبت باریکی کوچک تحت فشار تک محوری یا بار ضربه متمرکز شده‌اند. به دلیل باریک بودن و نیازهای بار رفت و برگشتی، سیستم های ذکر شده قبلی برای طراحی مهاربندهای اتلاف انرژی ضد لرزه در معماری مناسب نیستند.

یک مهاربند جدید با کنترل کمانش با الهام از اوریگامی (O-BCB) برای سازه‌های ضد لرزه پیشنهاد شد. این مقاله به بررسی طراحی هندسی، آزمایش‌ها، شبیه‌سازی‌ها و تحلیل مقایسه‌ای O-BCB بر اساس الگوهای مختلف اوریگامی می‌پردازد. یک استراتژی تحقیقاتی که با اوریگامی سفت و سخت و غیر صلب سروکار دارد برای متعادل کردن رابطه بین ظرفیت باربری و عملکرد اتلاف انرژی O-BCB ها اجرا شد. ابتدا، مواد و روش‌هایی برای مطالعه O-BCB با الهام از الگوهای مختلف اوریگامی شرح داده شد. سپس آزمایش و شبیه‌سازی عملکرد هیسترتیک O-BCB بر اساس الگوی اوریگامی صلب (الگوی تاچی) ارائه شد. برای بررسی بهبود توزیع تغییر شکل، یک مفهوم طراحی گرادیان برای طراحی O-BCB با الگوی اوریگامی سفت و سخت اتخاذ شد. سرانجام،