탄성체와 슬라이딩 지진 격리체의 비교 분석

면진은 지진으로 인한 구조물 손상을 방지하는 중요한 전략으로, 지반 운동이 건물로 전달되는 것을 줄입니다. 면진 시스템에 널리 사용되는 두 가지 주요 면진 장치는 탄성 면진 장치와 슬라이딩 면진 장치입니다. 두 장치 모두 지진력을 최소화하는 데 목적을 두고 있지만, 재료, 역학, 설계 특성 및 성능 면에서 상당한 차이를 보입니다.

1. 구성 및 구조
탄성 절연체는 주로 천연 고무 또는 합성 고무와 같은 탄성 재료 층을 얇은 강판과 번갈아 적층하여 구성되며, 이들을 접합하여 적층 베어링을 형성합니다. 이러한 탄성체는 측면 유연성을 제공하는 반면, 강판은 상당한 수직 강성을 제공하고 하중 하에서 고무의 측면 팽창을 방지합니다. 고감쇠 고무 베어링(HDRB)과 납 고무 베어링(LRB)이 있으며, 후자는 납의 변형을 통해 에너지 손실을 증가시키는 납 코어를 포함합니다.

이와 대조적으로, 슬라이딩 분리기는 구조물과 기초 사이의 마찰 슬라이딩 계면을 통해 작동합니다. 슬라이딩 분리기는 종종 테플론이나 유사한 복합재와 같은 저마찰 재료로 코팅된 강철 또는 스테인리스 스틸 지지 표면을 포함합니다. 일반적인 유형으로는 평면 슬라이더와 마찰 진자 시스템(FPS)과 같은 곡면 슬라이더가 있습니다. 이러한 분리기는 지진 발생 시 제어된 슬라이딩 운동을 통해 구조물을 지반 운동으로부터 분리합니다.

2. 하중 지지 및 강성
탄성 절연체는 높은 수직 하중 지지력을 제공하며, 수직 압축 시 강성이 우수하여 상당한 건물 중량을 최소한의 수직 변형으로 지지할 수 있습니다. 수평 방향으로의 유연성 덕분에 상당한 횡방향 변위 지지력을 확보할 수 있으며, 특히 납 고무 베어링에서 재료 히스테리시스를 통한 에너지 소산이 가능합니다.

슬라이딩 격리 장치는 슬라이딩 인터페이스와 스프링이나 적층 베어링과 같은 보조 복원 메커니즘을 결합하여 수직 하중을 지지합니다. 일반적으로 수직 강성은 탄성 베어링보다 낮지만, 최대 ±1000mm까지 더 큰 수평 변위를 수용할 수 있어, 심한 지진하중에서 큰 이동 용량이 필요한 구조물에 적합합니다.

3. 에너지 소산 메커니즘
탄성 절연체의 에너지 손실은 주로 고무층의 고유 감쇠 특성에 의해 발생하며, 납-고무 베어링의 경우 납 코어의 소성 변형에 의해 발생합니다. 이러한 장치의 감쇠비는 일반적으로 약 20%(HDRB)에서 30%(LRB)까지 다양합니다.

슬라이딩 격리 장치는 상대 운동 중 슬라이딩 표면 사이에 발생하는 마찰을 통해 에너지를 소산시킵니다. 예를 들어, 마찰 진자 시스템은 곡선 오목 표면에서 슬라이더가 미끄러지는 작용과 구조물 무게의 진자 효과에 의해 생성되는 복원력을 결합하여 에너지를 소산시킵니다. 이러한 시스템의 마찰 감쇠 계수는 30%를 초과할 수 있어 지진 에너지 감쇠에 매우 효과적입니다.

4. 운동 특성 및 회복
탄성체 격리재는 횡방향 유연성을 보이지만, 구조물과 기초 사이에 물리적으로 큰 분리는 없습니다. 움직임은 대부분 탄성체 층 내에서의 변형으로 이루어집니다. 격리재의 강성은 횡방향 변위를 결정하며, 원위치로 복귀하는 능력은 탄성적입니다.

슬라이딩 분리기는 슬라이딩 표면 위의 움직임을 허용함으로써 실제 상대 변위를 허용합니다. 평형 위치로의 복원은 고장력 스프링이나 곡선 슬라이더의 기하학적 구조와 같은 메커니즘을 통해 이루어집니다. 슬라이딩 분리기는 진자 시스템의 곡률로 인해 구조물의 약간의 수직 변위(양력)를 유발할 수 있으며, 이는 설계 통합 시 고려되어야 합니다.

5. 일반적인 응용 분야 및 적합성
탄성 면진재는 중간에서 높은 수직 하중 지지와 중간 정도의 횡변위가 필요한 건물과 교량에 널리 사용됩니다. 컴팩트함, 검증된 성능, 그리고 제조 용이성 덕분에 많은 지진 격리 프로젝트에 널리 사용되고 있습니다.

슬라이딩 격리 장치는 예상 지진 변위가 매우 크거나 구조물과 연결부가 큰 상대적 변위를 수용할 수 있는 경우에 선호됩니다. 슬라이딩 격리 장치는 주요 기반 시설, 중장비 격리 장치, 그리고 높은 에너지 소산과 긴 변위 용량이 필요한 구조물에 널리 사용됩니다.

6. 제한 사항 및 고려 사항
탄성 절연체는 팽창 효과로 인해 매우 큰 횡방향 변위가 발생할 경우 수직 하중 용량의 일부를 잃을 수 있습니다. 또한, 에너지 소산 능력은 상당하지만 경우에 따라 마찰 기반 시스템보다 낮을 수 있습니다.

슬라이딩 아이솔레이터는 연결된 시스템을 손상시킬 수 있는 과도한 상대 이동을 방지하기 위해 마찰 계수, 복원 메커니즘 및 변위 한계를 신중하게 설계해야 합니다. 슬라이딩 위치에서의 양력 효과로 인해 차동 이동이 발생할 수 있기 때문에 일반적으로 동일 구조의 탄성 베어링과 잘 결합되지 않습니다.

요약하자면, 탄성체 격리체는 고무-강철 적층 장치로, 수직 강성과 횡방향 유연성을 제공하며, 재료 감쇠를 통해 에너지를 소산시켜 변위 제어가 필요한 중하중에서 고하중 적용에 적합합니다. 슬라이딩 격리체는 마찰 슬라이딩 표면과 복원 메커니즘을 활용하여 높은 에너지 소산을 동반한 큰 지진 변위를 수용하며, 큰 이동 용량과 강력한 감쇠 효과가 요구되는 상황에 적합합니다. 이러한 격리체 중에서 적합한 격리체를 선택하는 것은 구조적 요건, 하중 조건, 예상 지진 동요, 그리고 특정 성능 기준에 따라 달라집니다.

이러한 구분은 엔지니어링 문헌과 지진 격리 기술 검토에 잘 기록되어 있습니다.[1][2][3]

[1]https://www.extrica.com/article/18455
[2]https://avestia.com/CSEE2019_Proceedings/files/paper/ICSECT/ICSECT_151.pdf
[3]https://www.mageba-group.com/in/ko/1078/223329/내진-격리-솔루션에-대해-알아야-할-사항.htm

Document Title
Comparative Analysis of Elastomeric and Sliding Seismic Isolators	탄성체와 슬라이딩 지진 격리체의 비교 분석

Explore the fundamental differences between elastomeric and sliding isolators used in seismic isolation systems, focusing on design, performance, energy dissipation, load capacity, and typical applications.	지진 격리 시스템에 사용되는 탄성체와 슬라이딩 격리체의 근본적인 차이점을 살펴보겠습니다. 설계, 성능, 에너지 소산, 하중 용량 및 일반적인 응용 분야에 초점을 맞춰 설명하겠습니다.
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Comparative Analysis of Elastomeric and Sliding Seismic Isolators	탄성체와 슬라이딩 지진 격리체의 비교 분석
Key Differences Between Elastomeric and Sliding Isolators in Seismic Protection	내진 설계에서 탄성 절연체와 슬라이딩 절연체의 주요 차이점
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Seismic isolation is a critical strategy for protecting structures from earthquake-induced damage by reducing the transmission of ground motion to the building. Two major types of isolators widely employed in seismic isolation systems are elastomeric and sliding isolators. While both serve the purpose of minimizing seismic forces, they differ substantially in materials, mechanics, design characteristics, and performance.	면진은 지진으로 인한 구조물 손상을 방지하는 중요한 전략으로, 지반 운동이 건물로 전달되는 것을 줄입니다. 면진 시스템에 널리 사용되는 두 가지 주요 면진 장치는 탄성 면진 장치와 슬라이딩 면진 장치입니다. 두 장치 모두 지진력을 최소화하는 데 목적을 두고 있지만, 재료, 역학, 설계 특성 및 성능 면에서 상당한 차이를 보입니다.
1. Composition and Structure
Elastomeric isolators are composed primarily of layers of elastomeric materials such as natural or synthetic rubber, alternated with thin steel plates bonded together to form a laminated bearing. These elastomers provide lateral flexibility while the steel plates contribute significant vertical stiffness and prevent lateral bulging of the rubber under load. Variations include high-damping rubber bearings (HDRB) and lead-rubber bearings (LRB), the latter containing a lead core for added energy dissipation through lead deformation.	탄성 절연체는 주로 천연 고무 또는 합성 고무와 같은 탄성 재료 층을 얇은 강판과 번갈아 적층하여 구성되며, 이들을 접합하여 적층 베어링을 형성합니다. 이러한 탄성체는 측면 유연성을 제공하는 반면, 강판은 상당한 수직 강성을 제공하고 하중 하에서 고무의 측면 팽창을 방지합니다. 고감쇠 고무 베어링(HDRB)과 납 고무 베어링(LRB)이 있으며, 후자는 납의 변형을 통해 에너지 손실을 증가시키는 납 코어를 포함합니다.
In contrast, sliding isolators function through a frictional sliding interface between the structure and its foundation. They often incorporate steel or stainless steel bearing surfaces coated with low-friction materials like Teflon or similar composites. Common types include flat sliders and curved surface sliders such as friction pendulum systems (FPS). These isolators rely on controlled sliding motion during seismic events to decouple the structure from ground motion.	이와 대조적으로, 슬라이딩 분리기는 구조물과 기초 사이의 마찰 슬라이딩 계면을 통해 작동합니다. 슬라이딩 분리기는 종종 테플론이나 유사한 복합재와 같은 저마찰 재료로 코팅된 강철 또는 스테인리스 스틸 지지 표면을 포함합니다. 일반적인 유형으로는 평면 슬라이더와 마찰 진자 시스템(FPS)과 같은 곡면 슬라이더가 있습니다. 이러한 분리기는 지진 발생 시 제어된 슬라이딩 운동을 통해 구조물을 지반 운동으로부터 분리합니다.
2. Load Bearing and Stiffness
Elastomeric isolators offer high vertical load capacity and are stiff under vertical compression, enabling them to support substantial building weights with minimal vertical deformation. Their flexibility in the horizontal direction results in significant lateral displacement capacity and allows for energy dissipation via material hysteresis, especially in lead-rubber bearings.	탄성 절연체는 높은 수직 하중 지지력을 제공하며, 수직 압축 시 강성이 우수하여 상당한 건물 중량을 최소한의 수직 변형으로 지지할 수 있습니다. 수평 방향으로의 유연성 덕분에 상당한 횡방향 변위 지지력을 확보할 수 있으며, 특히 납 고무 베어링에서 재료 히스테리시스를 통한 에너지 소산이 가능합니다.
Sliding isolators handle vertical loads through a combination of the sliding interface and often an auxiliary restoring mechanism such as springs or laminated bearings. Their vertical stiffness is generally lower compared to elastomeric bearings, but they can accommodate larger horizontal displacements, sometimes up to +/- 1000 mm, which makes them suitable for structures requiring large movement capacity under severe seismic excitations.	슬라이딩 격리 장치는 슬라이딩 인터페이스와 스프링이나 적층 베어링과 같은 보조 복원 메커니즘을 결합하여 수직 하중을 지지합니다. 일반적으로 수직 강성은 탄성 베어링보다 낮지만, 최대 ±1000mm까지 더 큰 수평 변위를 수용할 수 있어, 심한 지진하중에서 큰 이동 용량이 필요한 구조물에 적합합니다.
3. Energy Dissipation Mechanisms	3. 에너지 소산 메커니즘
Energy dissipation in elastomeric isolators occurs mainly through the inherent damping characteristics of the rubber layers and, in lead-rubber bearings, through plastic deformation of the lead core. The damping ratio for these devices can range typically from around 20% (HDRB) to 30% (LRB).	탄성 절연체의 에너지 손실은 주로 고무층의 고유 감쇠 특성에 의해 발생하며, 납-고무 베어링의 경우 납 코어의 소성 변형에 의해 발생합니다. 이러한 장치의 감쇠비는 일반적으로 약 20%(HDRB)에서 30%(LRB)까지 다양합니다.
Sliding isolators dissipate energy by friction generated between the sliding surfaces during relative motion. For example, friction pendulum systems dissipate energy by the sliding action of a slider on a curved concave surface, combined with a restoring force created by the pendulum effect of the structure’s weight. The frictional damping factor in these systems may exceed 30%, making them highly effective in attenuating seismic energy.	슬라이딩 격리 장치는 상대 운동 중 슬라이딩 표면 사이에 발생하는 마찰을 통해 에너지를 소산시킵니다. 예를 들어, 마찰 진자 시스템은 곡선 오목 표면에서 슬라이더가 미끄러지는 작용과 구조물 무게의 진자 효과에 의해 생성되는 복원력을 결합하여 에너지를 소산시킵니다. 이러한 시스템의 마찰 감쇠 계수는 30%를 초과할 수 있어 지진 에너지 감쇠에 매우 효과적입니다.
4. Movement Characteristics and Restoration
Elastomeric isolators exhibit lateral flexibility but no significant physical separation between the structure and the foundation. Movement is mostly deformation within the elastomer layers. The isolator’s stiffness properties govern the lateral displacement and its ability to return to the original position is elastic.	탄성체 격리재는 횡방향 유연성을 보이지만, 구조물과 기초 사이에 물리적으로 큰 분리는 없습니다. 움직임은 대부분 탄성체 층 내에서의 변형으로 이루어집니다. 격리재의 강성은 횡방향 변위를 결정하며, 원위치로 복귀하는 능력은 탄성적입니다.
Sliding isolators allow actual relative displacement by permitting movement over the sliding surface. Restoration to the equilibrium position is achieved through mechanisms such as high-tension springs or the geometry of curved sliders. Sliding isolators can cause slight vertical displacement (lifting) of the structure due to the curvature in pendulum systems, which should be considered in design integrations.	슬라이딩 분리기는 슬라이딩 표면 위의 움직임을 허용함으로써 실제 상대 변위를 허용합니다. 평형 위치로의 복원은 고장력 스프링이나 곡선 슬라이더의 기하학적 구조와 같은 메커니즘을 통해 이루어집니다. 슬라이딩 분리기는 진자 시스템의 곡률로 인해 구조물의 약간의 수직 변위(양력)를 유발할 수 있으며, 이는 설계 통합 시 고려되어야 합니다.
5. Typical Applications and Suitability	5. 일반적인 응용 분야 및 적합성
Elastomeric isolators are commonly used in buildings and bridges that require moderate to high vertical load support and moderate lateral displacement. Their compactness, proven performance, and ease of manufacturing make them prevalent in many seismic isolation projects.	탄성 면진재는 중간에서 높은 수직 하중 지지와 중간 정도의 횡변위가 필요한 건물과 교량에 널리 사용됩니다. 컴팩트함, 검증된 성능, 그리고 제조 용이성 덕분에 많은 지진 격리 프로젝트에 널리 사용되고 있습니다.
Sliding isolators are often preferred in cases where the expected seismic displacements are very large or where the structure and its connections can accommodate the large relative movement. They are widely used in critical infrastructure, heavy equipment isolation, and structures where high energy dissipation and long displacement capacity are necessary.	슬라이딩 격리 장치는 예상 지진 변위가 매우 크거나 구조물과 연결부가 큰 상대적 변위를 수용할 수 있는 경우에 선호됩니다. 슬라이딩 격리 장치는 주요 기반 시설, 중장비 격리 장치, 그리고 높은 에너지 소산과 긴 변위 용량이 필요한 구조물에 널리 사용됩니다.
6. Limitations and Considerations	6. 제한 사항 및 고려 사항
Elastomeric isolators may lose some vertical load capacity under very large lateral displacements due to bulging effects. Also, their energy dissipation capabilities, while significant, may be less than friction-based systems in some cases.	탄성 절연체는 팽창 효과로 인해 매우 큰 횡방향 변위가 발생할 경우 수직 하중 용량의 일부를 잃을 수 있습니다. 또한, 에너지 소산 능력은 상당하지만 경우에 따라 마찰 기반 시스템보다 낮을 수 있습니다.
Sliding isolators require careful design of friction coefficients, restoration mechanisms, and displacement limits to prevent excessive relative movement that could damage connected systems. They generally do not combine well with elastomeric bearings in the same structure because the lifting effect at sliding locations can cause differential movement.	슬라이딩 아이솔레이터는 연결된 시스템을 손상시킬 수 있는 과도한 상대 이동을 방지하기 위해 마찰 계수, 복원 메커니즘 및 변위 한계를 신중하게 설계해야 합니다. 슬라이딩 위치에서의 양력 효과로 인해 차동 이동이 발생할 수 있기 때문에 일반적으로 동일 구조의 탄성 베어링과 잘 결합되지 않습니다.
In summary, elastomeric isolators are rubber-steel laminated devices providing vertical stiffness and lateral flexibility with energy dissipation via material damping, ideal for moderate to high load applications with controlled displacements. Sliding isolators rely on frictional sliding surfaces and restoring mechanisms to accommodate large seismic displacements with high energy dissipation, suited for scenarios demanding large movement capacity and stronger damping effects. The choice between these isolators depends on structural requirements, load conditions, expected seismic motion, and specific performance criteria.	요약하자면, 탄성체 격리체는 고무-강철 적층 장치로, 수직 강성과 횡방향 유연성을 제공하며, 재료 감쇠를 통해 에너지를 소산시켜 변위 제어가 필요한 중하중에서 고하중 적용에 적합합니다. 슬라이딩 격리체는 마찰 슬라이딩 표면과 복원 메커니즘을 활용하여 높은 에너지 소산을 동반한 큰 지진 변위를 수용하며, 큰 이동 용량과 강력한 감쇠 효과가 요구되는 상황에 적합합니다. 이러한 격리체 중에서 적합한 격리체를 선택하는 것은 구조적 요건, 하중 조건, 예상 지진 동요, 그리고 특정 성능 기준에 따라 달라집니다.
These distinctions are well-documented in engineering literature and seismic isolation technology reviews.[1][2][3]	이러한 구분은 엔지니어링 문헌과 지진 격리 기술 검토에 잘 기록되어 있습니다.[1][2][3]
[1]
https://www.extrica.com/article/18455	https://www.extrica.com/article/18455
[2]
https://avestia.com/CSEE2019_Proceedings/files/paper/ICSECT/ICSECT_151.pdf	https://avestia.com/CSEE2019_Proceedings/files/paper/ICSECT/ICSECT_151.pdf
[3]
https://www.mageba-group.com/in/en/1078/223329/What-you-should-know-about-seismic-isolation-solutions.htm	https://www.mageba-group.com/in/ko/1078/223329/내진-격리-솔루션에-대해-알아야-할-사항.htm
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Explore the fundamental differences between elastomeric and sliding isolators used in seismic isolation systems, focusing on design, performance, energy dissipation, load capacity, and typical applications.	지진 격리 시스템에 사용되는 탄성체와 슬라이딩 격리체의 근본적인 차이점을 살펴보겠습니다. 설계, 성능, 에너지 소산, 하중 용량 및 일반적인 응용 분야에 초점을 맞춰 설명하겠습니다.

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Comparative Analysis of Elastomeric and Sliding Seismic Isolators

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Key Differences Between Elastomeric and Sliding Isolators in Seismic Protection

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Seismic isolation is a critical strategy for protecting structures from earthquake-induced damage by reducing the transmission of ground motion to the building. Two major types of isolators widely employed in seismic isolation systems are elastomeric and sliding isolators. While both serve the purpose of minimizing seismic forces, they differ substantially in materials, mechanics, design characteristics, and performance.

1. Composition and Structure

Elastomeric isolators are composed primarily of layers of elastomeric materials such as natural or synthetic rubber, alternated with thin steel plates bonded together to form a laminated bearing. These elastomers provide lateral flexibility while the steel plates contribute significant vertical stiffness and prevent lateral bulging of the rubber under load. Variations include high-damping rubber bearings (HDRB) and lead-rubber bearings (LRB), the latter containing a lead core for added energy dissipation through lead deformation.

In contrast, sliding isolators function through a frictional sliding interface between the structure and its foundation. They often incorporate steel or stainless steel bearing surfaces coated with low-friction materials like Teflon or similar composites. Common types include flat sliders and curved surface sliders such as friction pendulum systems (FPS). These isolators rely on controlled sliding motion during seismic events to decouple the structure from ground motion.

2. Load Bearing and Stiffness

Elastomeric isolators offer high vertical load capacity and are stiff under vertical compression, enabling them to support substantial building weights with minimal vertical deformation. Their flexibility in the horizontal direction results in significant lateral displacement capacity and allows for energy dissipation via material hysteresis, especially in lead-rubber bearings.

Sliding isolators handle vertical loads through a combination of the sliding interface and often an auxiliary restoring mechanism such as springs or laminated bearings. Their vertical stiffness is generally lower compared to elastomeric bearings, but they can accommodate larger horizontal displacements, sometimes up to +/- 1000 mm, which makes them suitable for structures requiring large movement capacity under severe seismic excitations.

3. Energy Dissipation Mechanisms

Energy dissipation in elastomeric isolators occurs mainly through the inherent damping characteristics of the rubber layers and, in lead-rubber bearings, through plastic deformation of the lead core. The damping ratio for these devices can range typically from around 20% (HDRB) to 30% (LRB).

Sliding isolators dissipate energy by friction generated between the sliding surfaces during relative motion. For example, friction pendulum systems dissipate energy by the sliding action of a slider on a curved concave surface, combined with a restoring force created by the pendulum effect of the structure’s weight. The frictional damping factor in these systems may exceed 30%, making them highly effective in attenuating seismic energy.

4. Movement Characteristics and Restoration

Elastomeric isolators exhibit lateral flexibility but no significant physical separation between the structure and the foundation. Movement is mostly deformation within the elastomer layers. The isolator’s stiffness properties govern the lateral displacement and its ability to return to the original position is elastic.

Sliding isolators allow actual relative displacement by permitting movement over the sliding surface. Restoration to the equilibrium position is achieved through mechanisms such as high-tension springs or the geometry of curved sliders. Sliding isolators can cause slight vertical displacement (lifting) of the structure due to the curvature in pendulum systems, which should be considered in design integrations.

5. Typical Applications and Suitability

Elastomeric isolators are commonly used in buildings and bridges that require moderate to high vertical load support and moderate lateral displacement. Their compactness, proven performance, and ease of manufacturing make them prevalent in many seismic isolation projects.

Sliding isolators are often preferred in cases where the expected seismic displacements are very large or where the structure and its connections can accommodate the large relative movement. They are widely used in critical infrastructure, heavy equipment isolation, and structures where high energy dissipation and long displacement capacity are necessary.

6. Limitations and Considerations

Elastomeric isolators may lose some vertical load capacity under very large lateral displacements due to bulging effects. Also, their energy dissipation capabilities, while significant, may be less than friction-based systems in some cases.

Sliding isolators require careful design of friction coefficients, restoration mechanisms, and displacement limits to prevent excessive relative movement that could damage connected systems. They generally do not combine well with elastomeric bearings in the same structure because the lifting effect at sliding locations can cause differential movement.

In summary, elastomeric isolators are rubber-steel laminated devices providing vertical stiffness and lateral flexibility with energy dissipation via material damping, ideal for moderate to high load applications with controlled displacements. Sliding isolators rely on frictional sliding surfaces and restoring mechanisms to accommodate large seismic displacements with high energy dissipation, suited for scenarios demanding large movement capacity and stronger damping effects. The choice between these isolators depends on structural requirements, load conditions, expected seismic motion, and specific performance criteria.

These distinctions are well-documented in engineering literature and seismic isolation technology reviews.[1][2][3]

[1]

https://www.extrica.com/article/18455

[2]

https://avestia.com/CSEE2019_Proceedings/files/paper/ICSECT/ICSECT_151.pdf

[3]

https://www.mageba-group.com/in/en/1078/223329/What-you-should-know-about-seismic-isolation-solutions.htm

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