Basisoleringssystem för jordbävning: En översikt över principer, typer, fördelar och applikationer

En jordbävning eller jordskock i sig är inte en katastrof, det är ett naturfenomen som är resultatet av markrörelse, ibland våldsam. Dessa producerar ytvågor, som orsakar en vibration av marken och strukturer som står på toppen. Beroende på egenskaperna hos dessa vibrationer kan marken utveckla sprickor, sprickor och bosättningar. Den möjliga risken för förlust av liv ger en mycket allvarlig dimension till seismisk design, vilket sätter ett moraliskt ansvar på konstruktionsingenjörer. På senare tid har många nya system utvecklats, antingen för att minska jordbävningsstyrkorna som verkar på strukturen eller för att absorbera en del av seismisk energi.
Ett av de mest implementerade och accepterade seismiska skyddssystemen är basisolering.

Basisolering är ett av de mest accepterade seismiska skyddssystemen i jordbävningsutsatta områden. Det mildrar effekten av en jordbävning genom att väsentligen isolera strukturen från potentiellt farliga markrörelser. Seismisk isolering är en designstrategi, som förkopplar strukturen för de skadliga effekterna av markrörelsen. Termen isolering avser minskad interaktion mellan struktur och mark.

När det seismiska isoleringssystemet är beläget under strukturen kallas det "basisolering".
Det andra syftet med ett isoleringssystem är att tillhandahålla ett ytterligare medel för energispridning och därmed minska den överförda accelerationen till överbyggnaden. Avkopplingen gör det möjligt för byggnaden att bete sig mer flexibelt vilket förbättrar dess svar på en jordbävning. Begreppet basisolering förklaras genom ett exempel på en byggnad som vilar på friktionslösa rullar. När marken skakar rullar rullarna fritt, men byggnaden ovan rör sig inte.
Således överförs ingen kraft till byggnaden på grund av skakning av marken; Byggnaden upplever inte en jordbävning.

Begreppet basisolering förklaras genom ett exempel på en byggnad som vilar på friktionslösa rullar. När marken skakar rullar rullarna fritt, men byggnaden ovan rör sig inte. Således överförs ingen kraft till byggnaden på grund av skakning av marken; Byggnaden upplever inte en jordbävning.
Nu, om samma byggnad är vilad på flexibla kuddar som erbjuder motstånd mot sidorörelser, kommer en viss effekt av markskakningen att överföras till byggnaden ovan.
De flexibla kuddarna kallas basisolatorer, medan strukturerna som skyddas med dessa enheter kallas basisolerade byggnader. Huvudfunktionen i basisoleringstekniken är att den introducerar flexibilitet i strukturen.

En noggrann studie krävs för att identifiera den mest lämpliga typen av enhet för en viss byggnad. Basisolering är inte heller lämplig för alla byggnader. De mest lämpliga strukturerna för basisolering är låga till medelstora byggnader som är vilade på hård jord under. Höghus byggnader eller byggnader vilade på mjuk jord är inte lämpliga för basisolering.

Den grundläggande principen för basisoleringen är att modifiera byggnadens svar så att marken kan röra sig under byggnaden utan att överföra dessa rörelser till byggnaden. En perfekt styv byggnad kommer att ha en nollperiod. När marken rör sig kommer accelerationen inducerad i strukturen att vara lika med markaccelerationen och det kommer att finnas noll relativa förskjutningar mellan strukturen och marken. Strukturen och marken rör sig samma mängd. En perfekt flexibel byggnad kommer att ha en oändlig period.
För denna typ av struktur, när marken under strukturen rör sig kommer det att finnas nollacceleration inducerad i strukturen och den relativa förskjutningen mellan strukturen och marken kommer att vara lika med markförskjutningen. Så oflexibla strukturer Strukturen kommer inte att röra sig, marken kommer.

Grundläggande krav i ett isoleringssystem är
1). Flexibilitet
2). Dämpande
3). Motstånd mot vertikala eller andra servicelaster.

Jordbävningsskydd av strukturer som använder basisoleringsteknik är i allmänhet lämplig om följande förhållanden är uppfyllda
1. Undergrunden ger inte en övervägande av markrörelse med lång period.
2. Strukturen är ganska fogad med en tillräckligt hög kolonnbelastning.
3. Webbplatsen tillåter horisontella förskjutningar vid basen av beställningen av 200 mm eller mer.
4. Sidoasbelastningar på grund av vind är mindre än cirka 10% av strukturens vikt.
 

· När jordbävningen påverkas på den fasta basstrukturen vid den tiden försvarar inte mot jordbävningen.
· Men i en basisolerad struktur, när en jordbävning påverkas på strukturbyggnaden försvarar mycket bra mot jordbävningen.
· I en fast struktur rör sig strukturen med markrörelse.
· I en isolerad struktur rör sig strukturen inte med markrörelse. Men isoleringsbärande rörelser med markrörelse. Så vi kan säga att strukturen är säker.

Seismiska isolatorer

Elastomera isolatorer
▶ Linjära naturgummilager (LNR)
▶ Lågdämpande gummilager
▶ Lead-gummi-lager (LRB)
▶ Högdämpande gummilager (HDR)

Glidande isolatorer
▶ Fortsätt friktionssystem
▶ Friktionspendelsystem (FPS)

Dessa är bildade av horisontella lager av naturligt eller syntetiskt gummi i tunna skikt bundna mellan stålplattor.
Stålplattorna förhindrar att gummiskikten utbuktas och så kan lagret stödja högre vertikala belastningar med endast små deformationer.
Vanliga elastomeralager ger flexibilitet men ingen betydande dämpning och kommer att röra sig under servicelaster.

1, lågt dämpande naturgummilager (LDR)
Dämpningsförhållande=2% till 3%
Tillverkning är lätt.
Svar inte starkt känslig temperatur, belastningshastighet och åldrande.
Skjuvstam överskrids upp till 100%.

2, High Damping Natural Rubber Bearing (HDR)
Dämpning ökas genom att tillsätta extra-fin kolsvart, oljor eller hartser och andra fyllmedel.
Maximal skjuvstam=200 till 350%
Dämpningsförhållande=10 till 20% vid 100% skjuvstam
Effektiv dämpning beror på:
· Hastighet av belastningar
· Ladda historien
· Temperatur

3, blylager (laminerat gummilager) (LRB)
Ett bly-gummi-lager eller blyggummilager bildas av en blypluggstyrka monterad i ett förformat hål i ett elastomerlager. Leadkärnan ger styvhet under servicelaster och energispridning under höga laterala belastningar. Topp- och bottenstålplattor, tjockare än de inre shimsna, används för att rymma monteringshårdvara. Hela lagret är inneslutet i täckgummi för att ge miljöskydd.
När de utsätts för låga sidoraser (såsom mindre jordbävning, vind- eller trafikbelastningar) är blyrgummilagret styvt både i sidled och vertikalt.
Sido-styvheten är resultatet av den höga elastiska styvheten hos blypluggen och den vertikala styvheten (som förblir vid alla belastningsnivåer) är resultatet av stålgummikonstruktionen av lagret.

4, glidande isolatorer
Den näst vanligaste typen av isoleringssystem använder glidelement mellan grunden och basen på strukturen.
Genom högspänningsfjädrar eller laminerat gummilager genom att göra glidande krökt yta.
Dessa mekanismer ger en återställande kraft för att återföra strukturen till dess jämviktsposition.
4a. Platta glidande isolatorer (motståndskraftig friktionssystem)
Två typer av platta glidande isolatorer:
· Med en nyutvecklad kapacitet
· Utan nyligen har kapacitet
1). Glidande isolator utan nyligen
Detta består av en horisontell glidande yta, vilket möjliggör en förskjutning och därmed spridande energi med hjälp av definierad friktion mellan både glidkomponenter och rostfritt stål.
Ett särskilt problem med en glidande struktur är de återstående förskjutningarna som uppstår efter stora jordbävningar.
2). Glidande isolator med nyare kapacitet
Jämfört med glidande isolatorer har glidande isoleringspendula (SIP) med nyare kapacitet en konkav skjutplatta.
På grund av geometri resulterar varje horisontell förskjutning i en vertikal rörelse av isolatorn.
Den potentiella energin, lagrad av överbyggnaden, som har pressats till toppen, resulterar automatiskt i att ha nyligen lagrat i ett neutralt läge.
De förblir horisontellt flexibla, sprider energi och nyutbildar överbyggnaden till ett neutralt läge.

4b. Sfäriska glidande isolatorer (rullar) (friktionspendelsystem) (FPS/FPB)
Friktionspendelsystemet är ett glidande isoleringssystem där strukturens vikt stöds på sfäriska glidytor som glider relativt varandra när markrörelsen överskrider en tröskelnivå.

Kravet för installation av ett basisoleringssystem är att byggnaden kan röra sig horisontellt relativt marken, vanligtvis minst 100 mm.
Den vanligaste konfigurationen är att installera ett membran omedelbart ovanför isolatorerna.
Om byggnaden har en källare är alternativen att installera isolatorerna längst upp, botten eller mitten av källare kolumner och väggar.

1. Minskade den seismiska efterfrågan på struktur och därmed minskade strukturkostnaderna.
2. Mindre förskjutningar under en jordbävning.
3. Förbättrar strukturens säkerhet
4. Minskade skadorna som orsakats under en jordbävning. Detta hjälper till att upprätthålla prestandan för struktur efter händelse.
5. Förbättrar prestandan för strukturen under seismiska belastningar.
6. Bevarande av egendom

· Utmanande att implementera på ett effektivt sätt.
· Bidrag för byggnadsförskjutningar.
· Ineffektiv för höghöjda byggnader
· Inte lämpligt för byggnader vilade på mjuk jord.
 

1. Basisolering av broar
2. Basisolering av viktiga byggnader
3. Förbättrande svar från historiska strukturer
4. Isolering i maskinfält

Den seismiska basisoleringsmetoden har visat sig vara en pålitlig metod för jordbävningsresistent design.
Framgången för denna metod tillskrivs till stor del utvecklingen av isoleringsanordningar och korrekt planering.
Anpassningsbara isoleringssystem krävs för att vara effektiva under ett brett spektrum av seismiska händelser.
Insatser krävs för att hitta lösningarna för situationerna som regioner i närheten av fel där ett brett utbud av jordbävningsrörelser kan uppstå.