Сейсмоизоляция сооружений. Концепция, принципы устройства, особенности расчета

воздействия на часть сооружения, расположенную выше фундамента, путем установки каких-либо систем или элементов между частью сооружения и фундаментом” (Я.М.Айзенберг)
Под сейсмоизоляцией мы будем понимать системы уменьшения энергии, передаваемой сооружению в процессе сейсмических колебаний, за счет установки в некотором уровне элементов повышенной податливости, приводящих к отстройке спектра сооружения от спектра воздействия в длиннопериодную область.
Таким образом, любая система сейсмоизоляции должна включать три основные части: жесткую надстройку, сейсмоизолирующий элемент и поддерживающую конструкцию.
Уже с возникновением и развитием теории сейсмостойкости (1900 - 1925 гг.) задаче сейсмоизоляции сооружений стало уделяться значительное внимание. Так в 1925 г. М.Вискордини описал конструкции катковых сейсмоизолирующих опор и опорных колонн со сферическими верхними и нижними торцами .
Первый проект системы сейсмоизоляции был разработан французской корпорацией “Oil state industry” применительно к мостам. В 1959 г. в г. Ашхабаде (Туркмения) по проекту инженера Ф.Д.Зеленькова впервые был построен дом с сейсмоизолированным фундаментом. К числу первых сейсмоизолированных сооружений следует отнести и здание школы на резинометаллических опорах, построенного в г. Скопле (Югославия) по проекту швейцарских специалистов в 1968 г.

считалось, что сейсмоизоляция должна быть слабодемпфирована. Это заблуждение связано с тем, что АЧХ сейсмической реакции линейной демпфированной системы в зоне виброизоляции поднимается с увеличением демпфирования.
Ссылаясь на указанный эффект многие авторы стремились запроектировать слабодемпфированную сейсмоизоляцию. Последствия такого решения привели к многочисленным авариям и человеческим жертвам. Детальный анализ работы виброизоляции был дан профессором М.З. Коловским, а для задач сейсмоизоляции - профессором О.А.Савиновым.
Сторонники слабодемпфированной сейсмоизоляции не обращали внимания на смещения сейсмоизолированной системы. Эти смещения достигают 30-50 см и приводят к сбросу сооружения с сейсмоизолирующих опор. Кроме того, при больших смещениях колебания системы становятся нелинейными и АЧХ – многозначной (Рис.3). Повышение демпфирования ведет как к снижению смещений системы, так и к исключению многозначных ветвей АЧХ. В связи с этим передемпфировать систему всегда лучше, чем недодемпфировать, хотя ускорения системы при этом возрастут.

части:
оценку ускорений и сейсмических нагрузок (силовой расчет);
оценку взаимных смещений сейсмоизолированных частей сооружения (кинематический расчет).
При проведении я кинематического расчета, который является, как правило, определяющим для обеспечения работоспособности сейсмоизоляции, необходимо исключить искажения в длиннопериодной области воздействия; Сейсмоизолированные сооружения весьма чувствительны к виду динамического воздействия и выбор расчетных акселерограмм приобретает для них принципиальное значение.
Смещения сейсмоизолированного сооружения, как правило, значительны, и нелинейные эффекты начинают играть важную роль при его колебаниях.
НАИБОЛЕЕ СЕРЬЕЗНЫ И ИНТЕРЕСНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ В ОБЛАСТИ РАСЧЕТА И ПОДБОРА ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ СЕЙСМОИЗОЛЯЦИИ ЗА ПОСЛЕДНИЕ 20 ЛЕТ
1. Причина низкой сейсмостойкости сейсмоизолированных сооружений - большие взаимные смещения сейсмоизолированных частей сооружения и падение сооружения с опор под силой тяжести (Савинов, Айзенберг)
2. Обоснование необходимости сильного демпфирования систем сейсмоизоляции (Савинов)
3. Обоснование независимости сил демпфирования в системе сейсмоизоляции от спектрального состава воздействия (Савинов, Белаш, Уздин)
4. Оптимзация сейсмоизоляции с упругоплпстическим ограничителем перемещзений и демпфером сухого трения. Обоснование «вредности» двухсторонних ограничиителей и целесообразности многокаскадного демпфирования. (Савинов, Сахарова)

СИСТЕМ СЕЙСМОИЗОЛЯЦИИ ЗА ПОСЛЕДНИЕ 20 ЛЕТ

5. Введение спектра состояний для адаптивных систем (Айзенберг, Смирнов)
6. Установление рабочей зоны настройки сейсмоизоляции для системы с ДСТ (Уздин, Долгая)
7. Обоснование необходимости передемпфирования систем сейсмоизоляции (Уздин, Долгая)
Рис.6. Зависимость максимальных ускорений сейсмоизолированного сооружения от коэффициента трения f
1 – для землетрясения силой I= 9 баллов ; 2 – для I=8.
3 – рабочая зона для I=8; 4 – зона передемпфирования для I=8;

ЧАСТИ ЛГТМ

со свинцовым сердечником (а), внешний вид(б) и схема устройства опор (в)

а)

в)

б)

часть моста «Бениция-Мартиненз» в Сан-Франциско

Однако для мостов, при наличии достаточно широкого опыта применения сейсмоизоляции, теоретические вопросы оптимизации ее параметров не отражены в литературе. Более того, имеющиеся исследования указывают на возможность негативного влияния применения сейсмоизолирующих опорных частей мостов на сейсмостойкость некоторых мостовых конструкций

ДГК опоры

демпфирующих устройств. Понимание необходимости сильного демпфирования систем сейсмоизоляции привело к создании новых демпфирующих устройств.
Прежде всего, появились металлические сплавы, позволившие создать элементы, выдерживающие значительное количество циклов пластических деформаций и рассеивающих при этом значительное количество энергии. Консольные конические стержни из этих сплавов устанавливаются между верхним и нижним опорными листами сейсмоизолирующей опоры и обеспечивают эффективное рассеяние сейсмических колебаний. Наибольшее распространение такого рода элементы получили в мостах

систем защиты, в которых имеется мощный источник энергии, управляющий поведением системы во время землетрясения, полуактивные системы сейсмозащиты включают небольшой источник энергии, который включает ту или иную систему пассивной защиты при интенсивных сейсмических колебаниях. В наиболее простых полуактивных системах источник энергии приводит к включению или выключению каких-либо связей, например, убирает стопорное устройство в сейсмоизролирующей опоре. Однако возможны и более оригинальные решения. Например по предложению канадских специалистов в рабочую жидкость демпфера включен металлический мелкодисперсный наполнитель. В обычном состоянии наполнитель находится в виде осадка и не влияет на коэффициент поглощения в демпфере. При землетрясении вокруг рабочего цилиндра демпфера пропускается электрический ток, приводящий к распределению наполнителя по рабочей жидкости в соответствии с силовыми линиями магнитного поля. При этом коэффициент поглощения в демпфере существенно возрастает.

Третье направление – использование физически новых видов возвращающих сил. Помимо наиболее простых упругих связей в настоящее время применяются гравитационные системы сейсмоизоляции. Эти системы хорошо известны в России и описаны выше. В последние годы гравитационные опорные части стали применяться за рубежом. Выше приведен пример таких опорных частей в сейсмостойком мостостроении. Весьма перспективно использование пневматических сил в качестве восстанавливающих. Установка сооружений на надувные подушки применялась в Японии и бывшем СССР. О.А.Савиновым развито новое направление сейсмоизоляции, получившее название пневмозащиты сооружений. В системах пневмозащиты емкости с воздухом устанавливаются на напорных гранях сооружений, контактирующих с жидкостью. При этом возможен эффект сеймоизоляции жидкости от сооружения и использование жидкости в качестве гасящей массы, а воздуха – в качестве пружины динамического гасителя колебаний
К числу самых последних разработок в области сейсмоизоляции можно отнести демпфирующее устройство, разработанное итальянской фирмой «Алга» и использующее электромагнитные силы взаимодействия между изолированными частями сооружения. (Рис.19)

конструкции;
2 – постоянный магнит; 3 – вращающийся диск;
4 – фиксированные опорные плиты; 5 – стержень с винтовой нарезкой

в расчетной акселерограмме гармоник с частотой ω дает погрешность в смещениях порядка k/ω , где k – частота сейсмоизоляции

Необходимая точность результатов расчета