Baseisolasjonssystem for jordskjelv: En oversikt over prinsipper, typer, fordeler og applikasjoner

Et jordskjelv eller jordshock i seg selv er ikke en katastrofe, det er et naturlig fenomen som følger av bakkebevegelse, noen ganger voldelig. Disse produserer overflatebølger, som forårsaker en vibrasjon av bakken og strukturer som står på toppen. Avhengig av egenskapene til disse vibrasjonene, kan bakken utvikle sprekker, sprekker og bosetninger. Den mulige risikoen for tap av liv gir en veldig alvorlig dimensjon til seismisk design, og setter et moralsk ansvar på konstruksjonsingeniører. I nyere tid har mange nye systemer blitt utviklet, enten for å redusere jordskjelvkreftene som virker på strukturen eller for å absorbere en del av seismisk energi.
Et av de mest implementerte og aksepterte seismiske beskyttelsessystemene er basisisolasjon.

Baseisolasjon er et av de mest aksepterte seismiske beskyttelsessystemene i jordskjelvutsatte områder. Det reduserer effekten av et jordskjelv ved å i hovedsak isolere strukturen fra potensielt farlige bakkebevegelser. Seismisk isolasjon er en designstrategi, som avslutter strukturen for de skadelige effektene av bakkebevegelsen. Begrepet isolasjon refererer til redusert interaksjon mellom struktur og bakken.

Når det seismiske isolasjonssystemet er lokalisert under strukturen, blir det referert til som "basisisolasjon".
Det andre formålet med et isolasjonssystem er å gi et ekstra middel til energispredning, og dermed redusere den overførte akselerasjonen til overbygningen. Avkoblingen gjør at bygningen kan oppføre seg mer fleksibelt, noe som forbedrer responsen på et jordskjelv. Begrepet basisisolasjon forklares gjennom et eksempel på en bygning som hviler på friksjonsfri ruller. Når bakken rister, ruller rullene fritt, men bygningen over beveger seg ikke.
Dermed overføres ingen kraft til bygningen på grunn av risting av bakken; Rett og slett opplever ikke bygningen et jordskjelv.

Begrepet basisisolasjon forklares gjennom et eksempel på en bygning som hviler på friksjonsfri ruller. Når bakken rister, ruller rullene fritt, men bygningen over beveger seg ikke. Dermed overføres ingen kraft til bygningen på grunn av risting av bakken; Rett og slett opplever ikke bygningen et jordskjelv.
Nå, hvis den samme bygningen blir hvilt på fleksible pads som gir motstand mot sidevev, vil en viss effekt av bakkenes risting bli overført til bygningen ovenfor.
De fleksible putene kalles basisolatorer, mens strukturene som er beskyttet ved bruk av disse enhetene kalles basisolerte bygninger. Hovedtrekket ved basisisolasjonsteknologien er at den introduserer fleksibilitet i strukturen.

En nøye studie er nødvendig for å identifisere den mest passende typen enheter for en bestemt bygning. Baseisolering er heller ikke egnet for alle bygninger. De mest egnede strukturer for basisisolering er lave til mellomstore bygninger som er hvilt på hard jord under. Høyhus eller bygninger hviler på myk jord er ikke egnet for basisisolasjon.

Det grunnleggende prinsippet for basisisolasjonen er å endre bygningens respons slik at bakken kan bevege seg under bygningen uten å overføre disse bevegelsene inn i bygningen. En perfekt stiv bygning vil ha en null periode. Når bakken beveger seg, vil akselerasjonen indusert i strukturen være lik bakkeakselerasjonen og det vil være null relative forskyvninger mellom strukturen og bakken. Strukturen og bakken beveger seg samme mengde. En perfekt fleksibel bygning vil ha en uendelig periode.
For denne typen strukturer, når bakken under strukturen beveger seg, vil det være null akselerasjon indusert i strukturen og den relative forskyvningen mellom strukturen og bakken vil være lik bakkeforskyvningen. Så ufleksible strukturer vil strukturen ikke bevege seg, vil bakken.

Grunnleggende krav til et isolasjonssystem er
1). Fleksibilitet
2). Demping
3). Motstand mot vertikale eller andre servicebelastninger.

Jordskjelvbeskyttelse av strukturer ved bruk av basisisolasjonsteknikk er generelt egnet hvis følgende forhold er oppfylt
1. Undergrunnen gir ikke en overvekt av langperiode bakkebevegelse.
2. Strukturen er ganske skjøtet med en tilstrekkelig høy kolonnelast.
3. Nettstedet tillater horisontale forskyvninger i bunnen av størrelsesorden 200 mm eller mer.
4. Laterale belastninger på grunn av vind er mindre enn omtrent 10% av vekten av strukturen.
 

· Når jordskjelvet påvirkes på den faste basestrukturen på den tiden, forsvarer ikke strukturen mot jordskjelvet.
· Men i en basisolert struktur, når et jordskjelv påvirkes på strukturbygningen forsvarer mot jordskjelv veldig godt.
· I en fast struktur beveger strukturen seg med bakkebevegelse.
· I en isolert struktur beveger strukturen seg ikke med bakkebevegelse. Men isolasjonsbærer beveger seg med bakkebevegelse. Så vi kan si at strukturen er trygg.

Seismiske isolatorer

Elastomere isolatorer
▶ Lineære naturgummilager (LNR)
▶ Gummelager med lav demping
▶ Bly-rubber lagre (LRB)
▶ Høydempende gummilager (HDR)

Glir isolatorer
▶ Resilient friksjonssystem
▶ Friction Pendulum System (FPS)

Disse er dannet av horisontale lag med naturlig eller syntetisk gummi i tynne lag bundet mellom stålplater.
Stålplatene forhindrer at gummiagene svulmer ut, og lageret er i stand til å støtte høyere vertikale belastninger med bare små deformasjoner.
Vanlige elastomere lagre gir fleksibilitet, men ingen betydelig demping og vil bevege seg under servicebelastninger.

1, Lav demping Naturlig gummibager (LDR)
Dempingsforhold=2% til 3%
Produksjon er enkel.
Respons ikke sterkt sensitiv temperatur, belastning og aldringshastighet.
Skjærstammen overskrides opp til 100%.

2, High Damping Natural Rubber Bearing (HDR)
Demping økes ved å tilsette ekstra fin karbon svart, oljer eller harpikser og andre fyllstoffer.
Maksimal skjærstamme=200 til 350%
Dempingsforhold=10 til 20% ved 100% skjærstamme
Effektiv demping avhenger av:
· Hastighet på belastning
· Last historie
· Temperatur

3, bly gummilager (laminert gummiboler) (LRB)
En bly-rubberbæring eller bly-kjernegummilager dannes av en blypluggkraft som er montert i et forhåndsformet hull i et elastomer lager. Ledekjernen gir stivhet under servicebelastninger og energispredning under høye sidelast. Topp- og bunnstålplater, tykkere enn de indre mellom Shims, brukes til å imøtekomme monterende maskinvare. Hele lageret er innkapslet i dekkgummi for å gi miljøvern.
Når de blir utsatt for lave sidebelastninger (for eksempel mindre jordskjelv, vind eller trafikkbelastning), er blygummylageret stivt både sideveis og vertikalt.
Den laterale stivheten er resultatet av den høye elastiske stivheten i blypluggen og den vertikale stivheten (som forblir på alle belastningsnivåer) er et resultat av stål-rubberkonstruksjonen av lageret.

4, skyveisolatorer
Den nest vanligste typen isolasjonssystem bruker glideelementer mellom grunnlaget og basen av strukturen.
Ved høyspenningsfjærer eller laminert gummiboler ved å lage glidende buet overflate.
Disse mekanismene gir en gjenopprettende kraft for å returnere strukturen til likevektsposisjonen.
4a. Flat skyveisolatorer (spenstig friksjonssystem)
To typer flate glideisolatorer:
· Med en komapasitet
· Uten komapasitet
1). Skyve isolator uten komapasitet
Dette består av en horisontal skyveflate, og tillater en forskyvning og dermed spredte energi ved hjelp av definert friksjon mellom både glidekomponenter og rustfritt stål.
Et spesielt problem med en glidestruktur er de gjenværende forskyvningene som oppstår etter store jordskjelv.
2). Skyveisolator med etterlatende kapasitet
Sammenlignet med glideisolatorer, har skyveisolasjons pendula (SIP) med nyere kapasitet en konkav glideplate.
På grunn av geometri resulterer hver horisontal forskyvning i en vertikal bevegelse av isolatoren.
Den potensielle energien, som er lagret av overbygningen, som har blitt presset til toppen, resulterer automatisk i å komme i gang med peiling til en nøytral stilling.
De forblir horisontalt fleksibel, forsvinner energi og fortsetter overbygningen til en nøytral stilling.

4b. Sfæriske glidende isolatorer (ruller) (Friction Pendulum System) (FPS/FPB)
Friksjonspendelsystemet er et glidende isolasjonssystem der strukturens vekt støttes på sfæriske glideoverflater som glir i forhold til hverandre når bakkebevegelsen overstiger et terskelnivå.

Kravet til installasjon av et basisisolasjonssystem er at bygningen er i stand til å bevege seg horisontalt i forhold til bakken, vanligvis minst 100 mm.
Den vanligste konfigurasjonen er å installere en mellomgulv rett over isolatorene.
Hvis bygningen har en kjeller, er alternativene å installere isolatorene øverst, bunn eller midthøyde av kjelleren søyler og vegger.

1. reduserte den seismiske etterspørselen etter struktur, og reduserte dermed strukturen for struktur.
2. mindre forskyvninger under et jordskjelv.
3. Forbedrer sikkerheten til strukturer
4. reduserte skadene forårsaket under et jordskjelv. Dette hjelper med å opprettholde ytelsen til struktur etter hendelse.
5. Forbedrer ytelsen til struktur under seismiske belastninger.
6. Bevaring av eiendommer

· Utfordrende å implementere på en effektiv måte.
· Tillegg for å bygge forskyvninger.
· Ineffektiv for høye bygninger
· Ikke egnet for bygninger hviler på myk jord.
 

1. Baseisolering av broer
2. Baseisolering av viktige bygninger
3. Forbedre respons av historiske strukturer
4. Isolering i maskinfelt

Den seismiske basisisolasjonsmetoden har vist seg å være en pålitelig metode for jordskjelvresistent design.
Suksessen med denne metoden tilskrives i stor grad utviklingen av isolasjonsenheter og riktig planlegging.
Tilpasningsdyktige isolasjonssystemer er nødvendige for å være effektive under et bredt spekter av seismiske hendelser.
Det kreves innsats for å finne løsningene for situasjonene som nærmestregioner der et bredt utvalg av jordskjelvbevegelser kan oppstå.