Σύστημα απομόνωσης βάσης για σεισμό: ένα περίγραμμα στις αρχές, τους τύπους, τα πλεονεκτήματα και τις εφαρμογές

Ένας σεισμός ή η γη από μόνη της δεν είναι καταστροφή, είναι ένα φυσικό φαινόμενο που προκύπτει από την κίνηση του εδάφους, μερικές φορές βίαιη. Αυτά παράγουν επιφανειακά κύματα, τα οποία προκαλούν δόνηση του εδάφους και των δομών που στέκονται στην κορυφή. Ανάλογα με τα χαρακτηριστικά αυτών των δονήσεων, το έδαφος μπορεί να αναπτύξει ρωγμές, ρωγμές και οικισμούς. Ο πιθανός κίνδυνος απώλειας ζωής προσθέτει μια πολύ σοβαρή διάσταση στον σεισμικό σχεδιασμό, θέτοντας ηθική ευθύνη στους διαρθρωτικούς μηχανικούς. Τον τελευταίο καιρό έχουν αναπτυχθεί πολλά νέα συστήματα, είτε για να μειώσουν τις δυνάμεις του σεισμού που δρουν στη δομή είτε να απορροφήσουν ένα μέρος της σεισμικής ενέργειας.
Ένα από τα πιο ευρέως εφαρμοζόμενα και αποδεκτά συστήματα σεισμικής προστασίας είναι η απομόνωση βάσης.

Η απομόνωση βάσης είναι ένα από τα πιο αποδεκτά συστήματα σεισμικής προστασίας σε περιοχές επιρρεπείς σε σεισμό. Μετατοπίζει την επίδραση ενός σεισμού με ουσιαστικά απομονώστε τη δομή από δυνητικά επικίνδυνες κινήσεις εδάφους. Η σεισμική απομόνωση είναι μια στρατηγική σχεδιασμού, η οποία αποσυνδέει τη δομή για τις επιζήμιες επιδράσεις της κίνησης του εδάφους. Ο όρος απομόνωση αναφέρεται σε μειωμένη αλληλεπίδραση μεταξύ δομής και εδάφους.

Όταν το σεισμικό σύστημα απομόνωσης βρίσκεται κάτω από τη δομή, αναφέρεται ως "βασική απομόνωση".
Ο άλλος σκοπός ενός συστήματος απομόνωσης είναι η παροχή πρόσθετων μέσων απορρόφησης ενέργειας, μειώνοντας έτσι τη μεταδιδόμενη επιτάχυνση στην υπερκατασκευή. Η αποσύνδεση επιτρέπει στο κτίριο να συμπεριφέρεται πιο ευέλικτα, γεγονός που βελτιώνει την ανταπόκρισή του σε σεισμό. Η έννοια της απομόνωσης βάσης εξηγείται από ένα παράδειγμα ενός κτιρίου που στηρίζεται σε κυλίνδρους χωρίς τριβή. Όταν το έδαφος κουνάει, οι κύλινδροι κυλούν ελεύθερα, αλλά το παραπάνω κτίριο δεν κινείται.
Έτσι, καμία δύναμη δεν μεταφέρεται στο κτίριο λόγω της ανακίνησης του εδάφους. Απλά, το κτίριο δεν βιώνει σεισμό.

Η έννοια της απομόνωσης βάσης εξηγείται από ένα παράδειγμα ενός κτιρίου που στηρίζεται σε κυλίνδρους χωρίς τριβή. Όταν το έδαφος κουνάει, οι κύλινδροι κυλούν ελεύθερα, αλλά το παραπάνω κτίριο δεν κινείται. Έτσι, καμία δύναμη δεν μεταφέρεται στο κτίριο λόγω της ανακίνησης του εδάφους. Απλά, το κτίριο δεν βιώνει σεισμό.
Τώρα, εάν το ίδιο κτίριο στηρίζεται σε εύκαμπτα μαξιλάρια που προσφέρουν αντίσταση ενάντια στις πλευρικές κινήσεις, τότε κάποια επίδραση της ανακίνησης του εδάφους θα μεταφερθεί στο παραπάνω κτίριο.
Τα ευέλικτα μαξιλαράκια ονομάζονται βασικοί ισότιμοι, ενώ οι δομές που προστατεύονται με τη χρήση αυτών των συσκευών ονομάζονται κτίρια απομόνωσης βάσης. Το κύριο χαρακτηριστικό της τεχνολογίας απομόνωσης βάσης είναι ότι εισάγει ευελιξία στη δομή.

Απαιτείται προσεκτική μελέτη για τον προσδιορισμό του καταλληλότερου τύπου συσκευής για ένα συγκεκριμένο κτίριο. Επίσης, η απομόνωση βάσης δεν είναι κατάλληλη για όλα τα κτίρια. Οι καταλληλότερες δομές για την απομόνωση βάσης είναι κτίρια χαμηλής έως μεσαίου ύψους που στηρίζονται σε σκληρό έδαφος από κάτω. Τα πολυώροφα κτίρια ή τα κτίρια που στηρίζονται σε μαλακό έδαφος δεν είναι κατάλληλα για απομόνωση βάσης.

Η θεμελιώδη αρχή της απομόνωσης βάσης είναι να τροποποιηθεί η ανταπόκριση του κτιρίου έτσι ώστε το έδαφος να μπορεί να μετακινηθεί κάτω από το κτίριο χωρίς να μεταδίδει αυτές τις κινήσεις στο κτίριο. Ένα απόλυτα άκαμπτο κτίριο θα έχει μηδενική περίοδο. Όταν το έδαφος μετακινείται η επιτάχυνση που προκαλείται στη δομή θα είναι ίση με την επιτάχυνση του εδάφους και θα υπάρξουν μηδενικές σχετικές μετατοπίσεις μεταξύ της δομής και του εδάφους. Η δομή και το έδαφος μετακινούν το ίδιο ποσό. Ένα απόλυτα ευέλικτο κτίριο θα έχει άπειρη περίοδο.
Για αυτόν τον τύπο δομής, όταν κινείται το έδαφος κάτω από τη δομή, θα προκαλέσει μηδενική επιτάχυνση στη δομή και η σχετική μετατόπιση μεταξύ της δομής και του εδάφους θα είναι ίση με την μετατόπιση του εδάφους. Τόσο άκαμπτες δομές Η δομή δεν θα κινηθεί, το έδαφος θα.

Οι βασικές απαιτήσεις ενός συστήματος απομόνωσης είναι
1). Ευκαμψία
2). Απόπαυση
3). Αντίσταση σε κατακόρυφα ή άλλα φορτία υπηρεσιών.

Η προστασία των σεισμού των δομών που χρησιμοποιούν τεχνική απομόνωσης βάσης είναι γενικά κατάλληλη εάν εκπληρωθούν οι ακόλουθες συνθήκες
1. Το υπόγειο δεν παράγει κυριαρχία της κίνησης εδάφους μακράς περιόδου.
2. Η δομή είναι αρκετά συνδεδεμένη με ένα επαρκώς υψηλό φορτίο στήλης.
3. Η τοποθεσία επιτρέπει οριζόντιες μετατοπίσεις στη βάση της τάξης των 200mm ή περισσότερο.
4. Τα πλευρικά φορτία λόγω του ανέμου είναι μικρότερα από περίπου το 10% του βάρους της δομής.
 

· Όταν ο σεισμός επηρεάζεται από τη σταθερή δομή βάσης εκείνη τη στιγμή η δομή δεν υπερασπίζεται κατά του σεισμού.
· Αλλά σε μια δομή με βάση βάσης, όταν ένας σεισμός επηρεάζεται στο κτίριο δομής υπερασπίζεται πολύ καλά τον σεισμό.
· Σε σταθερή δομή, η δομή κινείται με κίνηση εδάφους.
· Σε μια απομονωμένη δομή, η δομή δεν κινείται με κίνηση εδάφους. Αλλά η απομόνωση του ρουλεμάν κινείται με κίνηση εδάφους. Έτσι μπορούμε να πούμε ότι η δομή είναι ασφαλής.

Σεισμικοί απομονωτές

Ελαστομερές απομονωτές
▶ Γραμμικά φυσικά εδράνια από καουτσούκ (LNR)
▶ Εδυμόν
▶ Εδάφους μολύβδου (LRB)
Κειται στα ρουλεμάν με υψηλή περιεκτικότητα σε δίσκο (HDR)

Συρόμενες απομονωτές
▶ Σύστημα ανθεκτικής τριβής
▶ Σύστημα εκκρεμών τριβής (FPS)

Αυτά σχηματίζονται από οριζόντια στρώματα φυσικού ή συνθετικού καουτσούκ σε λεπτά στρώματα που συνδέονται μεταξύ των πλακών χάλυβα.
Οι πλάκες χάλυβα εμποδίζουν τα στρώματα από καουτσούκ από την διόγκωση και έτσι το ρουλεμάν είναι σε θέση να υποστηρίζει υψηλότερα κατακόρυφα φορτία με μόνο μικρές παραμορφώσεις.
Τα απλά ελαστομερή ρουλεμάν παρέχουν ευελιξία αλλά δεν υπάρχει σημαντική απόσβεση και θα κινούνται κάτω από φορτία υπηρεσιών.

1, χαμηλή απόσβεση φυσικού εδράνου από καουτσούκ (LDR)
Αναλογία απόσβεσης=2% έως 3%
Η κατασκευή είναι εύκολη.
Η απόκριση δεν είναι έντονα ευαίσθητη θερμοκρασία, ρυθμός φόρτωσης και γήρανσης.
Το στέλεχος διάτμησης υπερβαίνει το 100%.

2, Υψηλή απόσβεση φυσικού εδράνου από καουτσούκ (HDR)
Η απόσβεση αυξάνεται με την προσθήκη εξαιρετικά λεπτού άνθρακα μαύρα, έλαια ή ρητίνες και άλλα πληρωτικά.
Μέγιστο στέλεχος διάτμησης=200 έως 350%
Αναλογία απόσβεσης=10 έως 20% σε 100% διάτμηση
Η αποτελεσματική απόσβεση εξαρτάται από:
· Ταχύτητα φορτίων
· Φορτώστε το ιστορικό
· Θερμοκρασία

3, ρουλεμάν καουτσούκ (LaMinated καουτσούκ ρουλεμάν) (LRB)
Ένα ρουλεμάν ρουλεμάν ή μολύβδου πυρήνα σχηματίζεται από μια δύναμη βύσματος μολύβδου που τοποθετείται σε μια προ-διαμορφωμένη οπή σε ένα ελαστομερές ρουλεμάν. Ο πυρήνας μολύβδου παρέχει ακαμψία υπό φορτία υπηρεσιών και διασπορά ενέργειας κάτω από υψηλά πλευρικά φορτία. Οι κορυφαίες και κάτω χάλυβα, παχύτερες από τις εσωτερικές ακροδέκτες, χρησιμοποιούνται για την προσαρμογή του υλικού τοποθέτησης. Ολόκληρο το ρουλεμάν είναι ενσωματωμένο σε καουτσούκ κάλυψης για την προστασία του περιβάλλοντος.
Όταν υποβάλλονται σε χαμηλά πλευρικά φορτία (όπως ο μικρός σεισμός, ο άνεμος ή τα φορτία κυκλοφορίας), το ρουλεμάν καουτσούκ είναι άκαμπτο τόσο πλευρικά όσο και κάθετα.
Η πλευρική δυσκαμψία προκύπτει από την υψηλή ελαστική δυσκαμψία του βύσμα μολύβδου και την κατακόρυφη ακαμψία (η οποία παραμένει σε όλα τα επίπεδα φορτίου) προκύπτει από την κατασκευή του χαλύβδινου καουτσούκ του ρουλεμάν.

4, συρόμενοι απομονωτές
Ο δεύτερος πιο συνηθισμένος τύπος συστήματος απομόνωσης χρησιμοποιεί συρόμενα στοιχεία μεταξύ της θεμελίωσης και της βάσης της δομής.
Με ελατήρια υψηλής τάσης ή πλαστικοποιημένο ελαστικό ρουλεμάν κάνοντας συρόμενη καμπύλη επιφάνεια.
Αυτοί οι μηχανισμοί παρέχουν μια δύναμη αποκατάστασης για να επιστρέψουν τη δομή στη θέση ισορροπίας της.
4α. Επίπεδες συρόμενοι απομονωτές (σύστημα ανθεκτικής τριβής)
Δύο τύποι απομονωτών επίπεδης ολίσθησης:
· Με μια ικανότητα πρόσφατης
· Χωρίς χωρητικότητα
1). Απομονωτής συρόμενου χωρίς χωρητικότητα
Αυτό αποτελείται από μια οριζόντια επιφάνεια ολίσθησης, επιτρέποντας μια μετατόπιση και έτσι διαλύοντας την ενέργεια μέσω καθορισμένης τριβής μεταξύ των δύο συρόμενων εξαρτημάτων και του ανοξείδωτου χάλυβα.
Ένα συγκεκριμένο πρόβλημα με μια συρόμενη δομή είναι οι υπολειπόμενες μετατοπίσεις που συμβαίνουν μετά από μεγάλους σεισμούς.
2). Απομονωτής ολίσθησης με χωρητικότητα πρόσφατης
Σε σύγκριση με τους συρόμενους απομονωτές, η συρόμενη απομόνωση Pendula (SIPS) με την ικανότητα πρόσφατης παραγωγής έχει μια κοίλη ολίσθηση.
Λόγω της γεωμετρίας, κάθε οριζόντια μετατόπιση έχει ως αποτέλεσμα μια κατακόρυφη κίνηση του απομονωτή.
Η πιθανή ενέργεια, που αποθηκεύεται από την υπερκατασκευή, η οποία έχει ωθηθεί στην κορυφή, οδηγεί αυτόματα στην πρόσφατη ρουλεμάν σε ουδέτερη θέση.
Παραμένουν οριζόντια ευέλικτη, διαλύουν την ενέργεια και πρόσφατα την υπερκατασκευή σε ουδέτερη θέση.

4Β. Σφαιρικοί συρόμενοι απομονωτές (κύλινδροι) (σύστημα εκκρεμών τριβής) (FPS/FPB)
Το σύστημα εκκρεμών τριβής είναι ένα σύστημα ολίσθησης απομόνωσης στο οποίο το βάρος της δομής υποστηρίζεται σε σφαιρικές ολισθαίνουσες επιφάνειες που ολισθαίνουν σε σχέση με την άλλη όταν η κίνηση του εδάφους υπερβαίνει ένα επίπεδο κατωφλίου.

Η απαίτηση για την εγκατάσταση ενός συστήματος απομόνωσης βάσης είναι ότι το κτίριο είναι σε θέση να μετακινεί οριζόντια σε σχέση με το έδαφος, συνήθως τουλάχιστον 100 mm.
Η πιο συνηθισμένη διαμόρφωση είναι η εγκατάσταση ενός διαφράγματος αμέσως πάνω από τους απομονωτές.
Εάν το κτίριο διαθέτει υπόγειο, τότε οι επιλογές είναι να εγκαταστήσετε τους απομονωτές στο επάνω, κάτω ή στο μέσο του ύψους των στηλών και των τοίχων.

1. Μείωση της σεισμικής ζήτησης δομής, μειώνοντας έτσι το κόστος της δομής.
2. Μικρές μετατοπίσεις κατά τη διάρκεια ενός σεισμού.
3. Βελτιώνει την ασφάλεια των δομών
4. Μείωσαν τις ζημιές που προκλήθηκαν κατά τη διάρκεια ενός σεισμού. Αυτό βοηθά στη διατήρηση της απόδοσης της δομής μετά από συμβάν.
5. Ενισχύει την απόδοση της δομής κάτω από σεισμικά φορτία.
6. Διατήρηση ιδιοκτησίας

· Πρόκληση για εφαρμογή με αποτελεσματικό τρόπο.
· Αποζημίωση για μετατοπίσεις κτιρίων.
· Αναποτελεσματική για κτίρια υψηλής ανόδου
· Δεν είναι κατάλληλο για κτίρια στηριζόταν σε μαλακό έδαφος.
 

1. Απομόνωση βάσης των γεφυρών
2. Απομόνωση βάσης σημαντικών κτιρίων
3. Ενίσχυση της ανταπόκρισης των ιστορικών δομών
4. Απομόνωση στο πεδίο των μηχανημάτων

Η μέθοδος απομόνωσης της σεισμικής βάσης έχει αποδειχθεί ότι είναι μια αξιόπιστη μέθοδος σχεδιασμού ανθεκτικού σε σεισμού.
Η επιτυχία αυτής της μεθόδου αποδίδεται σε μεγάλο βαθμό στην ανάπτυξη συσκευών απομόνωσης και κατάλληλου σχεδιασμού.
Τα προσαρμόσιμα συστήματα απομόνωσης πρέπει να είναι αποτελεσματικά σε ένα ευρύ φάσμα σεισμικών γεγονότων.
Απαιτούνται προσπάθειες για να βρεθούν οι λύσεις για τις καταστάσεις όπως οι περιοχές κοντά στο σφάλμα, όπου μπορεί να προκύψουν ευρεία ποικιλία κινήσεων σεισμού.