Сеизмичен изолатор: дефиниция, принцип и защита на сгради при земетресения

Сеизмичен изолатор: как базовата изолация и контрол на вибрации защитават сгради при земетресения — принципи, предимства и практическо приложение.

Протекторът срещу земетресение е вид базова изолация, предназначен да защити строителни и нестопански конструкции от повреди при силни земетресения. Той работи като отделя сградата от движението на почвата, редуцира преноса на сеизмична енергия към конструкцията и намалява вътрешните усилия в носещите елементи.

Сеизмичните характеристики на сградата могат да бъдат подобрени чрез намаляване на вибрациите. Това може да стане с помощта на демпфиращи механизми в технологиите за контрол на вибрациите и особено при изолиране на основата. Подходящо проектираната базова изолация променя собствените периоди и модове на конструкцията, така че критичните честоти да не съвпадат с доминиращите честоти на земетресенията.

Въпреки това за много гъвкави системи, като например изолирани от основата конструкции, с относително ниска коравина на лагерите, но с голямо демпфиране, така наречената "демпфираща сила" може да се окаже основната изтласкваща сила при силно земетресение. Тази констатация създаде теоретична основа в областта на земетръсното инженерство за технология за изолиране на основата без демпфиране, наречена "земетръсен протектор".

Какво представлява сеизмичният изолатор и кога се използва

Сеизмичният изолатор е устройство, вградено между фундамента и надстройката, което позволява относително хоризонтално движение и ограничава ускоренията, предавани към сградата. Изолаторите се използват главно при:

• културни и исторически сгради, които трябва да се запазят;
• болници, учебни заведения и критична инфраструктура, където продължаващата експлоатация след земетресение е важна;
• високи или гъвкави сгради, където традиционните конвенционални мерки са недостатъчни или икономически неефективни.

Принцип на действие

Основният принцип е увеличаване на периода на сградата чрез намаляване на хоризонталната коравина на долната част на конструкцията. Това води до по-ниски ускорения в масовите части на сградата и съответно до по-малки сили в колоните и стените. Сеизмичният изолатор също може да включва демпфиращи елементи за допълнително поглъщане на енергията и контрол на относителните измествания.

Основни видове изолатори

• Еластомерни лагерни изолатори (например гумени с метални вложки) — предлагат висока издръжливост на вертикално натоварване и възстановяване на центрирането.
• Амонтичен (водещ) лагер — със сменяеми демпфери и ограничители за контрол на изместванията.
• Фрикционни и плъзгащи системи — позволяват плъзгане с контролирано триене; подходящи за системи с големи допустими измествания.
• Фрикционно-пендулни (Friction Pendulum) системи — комбинират центриране чрез геометричното движение и дисциплина чрез триене; осигуряват ефикасно поглъщане на енергия.

Предимства

• Съществено намаляване на сеизмичните ускорения и вътрешни сили в конструкцията;
• По-малки повреди и по-бързо възстановяване на експлоатационната способност на сградата;
• Възможност за съхраняване на съдържанието и оборудването в сградата;
• Често икономия в носещите елементи и в проектиране при ново строителство.

Проектиране и ключови параметри

При проектирането на системи за базова изолация се вземат предвид:

• целеви изолационен период (T) и желаното намаление на ускорението;
• коефициент на демпфиране и механизъм за дисипация на енергията;
• максимално допустимо относително изместване и наличие на ограничители (буфери);
• вертикални товарни способности и устойчивост при големи натоварвания;
• реставрационни (re-centering) свойства, за да се избегнат постоянни деформации след събитието;
• спазване на местни норми и стандарти (например изисквания в национални и международни норми за сеизмично проектиране).

Поддръжка и експлоатация

Редовната инспекция е важна: проверка на състоянието на гумените елементи, антикорозионни покрития, болтови съединения и демпфери. След силно земетресение се извършва проверка за износване или пластична деформация и при необходимост се подменят дефектните компоненти.

Ограничения и рискове

• Не всички сгради са подходящи за изолация — архитектурни или фундаментни ограничения могат да възпрепятстват прилагането ѝ;
• Изисква се пространство за хоризонтални измествания и подходящи ограничители, за да се предотврати сблъсък с околните елементи;
• Неправилно зададено демпфиране или недостатъчно центриране може да доведе до нежелани статични сили и остатъчни деформации;
• Икономическата целесъобразност трябва да се прецени спрямо очакваните ползи и специфичните изисквания на обекта.

Кратко казано, сеизмичните изолатори са ефективен инструмент за защита на сгради при земетресения, когато са правилно проектирани, изпълнени и поддържани. Изборът между системи с по-голямо демпфиране или такива с минимално демпфиране (както споменава теорията за "земетръсен протектор") трябва да се базира на динамичните характеристики на конкретната конструкция, очакваните сеизмични натоварвания и изискванията за възстановяване на експлоатацията след събитието.

Въпроси и отговори

Въпрос: Какво е защитник от земетресения?

В: Как земетръсният протектор подобрява сеизмичните характеристики на сградата?

В: Какво представляват механизмите за демпфиране в технологиите за контрол на вибрациите?

В: Какво представлява изолацията на основата?

В: Каква е основната изтласкваща сила при силно земетресение за изолираните от основата конструкции?

В: Какво представлява технологията за изолиране на основата с демпфиране?

Въпрос: Каква е теоретичната основа на противоземетръсното инженерство за земетръсния протектор?

Търсене по буква