Основные различия между эластомерными и скользящими изоляторами в сейсмической защите

Сейсмоизоляция — важнейшая стратегия защиты сооружений от повреждений, вызванных землетрясениями, путём снижения передачи колебаний грунта на здание. Два основных типа изоляторов, широко используемых в системах сейсмоизоляции, — это эластомерные и скользящие. Хотя оба типа служат для минимизации сейсмических воздействий, они существенно различаются по материалам, механике, конструктивным характеристикам и эксплуатационным характеристикам.

1. Состав и структура
Эластомерные изоляторы состоят в основном из слоёв эластомерных материалов, таких как натуральный или синтетический каучук, чередующихся с тонкими стальными пластинами, скреплёнными вместе, образуя ламинированный подшипник. Эти эластомеры обеспечивают боковую гибкость, в то время как стальные пластины обеспечивают значительную вертикальную жёсткость и предотвращают боковое выпячивание резины под нагрузкой. Различают высокодемпфирующие резиновые подшипники (HDRB) и свинцово-резиновые подшипники (LRB), последние содержат свинцовый сердечник для дополнительного рассеивания энергии за счёт деформации свинца.

Скользящие изоляторы, напротив, работают за счёт фрикционного скользящего взаимодействия между конструкцией и её фундаментом. Они часто включают в себя несущие поверхности из стали или нержавеющей стали, покрытые материалами с низким коэффициентом трения, такими как тефлон или аналогичные композитные материалы. Распространенные типы включают плоские и криволинейные скользящие опоры, такие как фрикционные маятниковые системы (FPS). Эти изоляторы используют контролируемое скользящее движение во время сейсмических событий для защиты конструкции от колебаний грунта.

2. Несущая способность и жесткость
Эластомерные изоляторы обладают высокой вертикальной грузоподъёмностью и жёсткостью при вертикальном сжатии, что позволяет им выдерживать значительный вес зданий с минимальной вертикальной деформацией. Их гибкость в горизонтальном направлении обеспечивает значительную способность к боковому смещению и способствует рассеиванию энергии за счёт гистерезиса материала, особенно в подшипниках из свинцово-резиновой резины.

Скользящие изоляторы воспринимают вертикальные нагрузки благодаря сочетанию скользящего интерфейса и часто вспомогательного возвратного механизма, такого как пружины или ламинированные подшипники. Их вертикальная жёсткость, как правило, ниже, чем у эластомерных подшипников, но они способны выдерживать большие горизонтальные смещения, иногда до ±1000 мм, что делает их пригодными для конструкций, требующих большой подвижности при сильных сейсмических воздействиях.

3. Механизмы рассеяния энергии
Рассеивание энергии в эластомерных изоляторах происходит главным образом за счёт собственных демпфирующих свойств резиновых слоёв, а в подшипниках со свинцово-резиновым покрытием — за счёт пластической деформации свинцового сердечника. Коэффициент демпфирования для этих устройств обычно варьируется от 20% (HDRB) до 30% (LRB).

Скользящие изоляторы рассеивают энергию за счёт трения, возникающего между скользящими поверхностями при относительном движении. Например, фрикционные маятниковые системы рассеивают энергию за счёт скольжения ползуна по криволинейной вогнутой поверхности в сочетании с восстанавливающей силой, создаваемой маятниковым эффектом веса конструкции. Коэффициент фрикционного демпфирования в этих системах может превышать 30%, что делает их высокоэффективными в подавлении сейсмической энергии.

4. Характеристики движения и восстановление
Эластомерные изоляторы обладают боковой гибкостью, но не создают существенного физического разделения между конструкцией и фундаментом. Перемещение в основном представляет собой деформацию внутри эластомерных слоев. Жёсткость изолятора определяет боковое смещение, а его способность возвращаться в исходное положение является упругой.

Скользящие изоляторы допускают фактическое относительное смещение, допуская движение по скользящей поверхности. Восстановление положения равновесия достигается с помощью таких механизмов, как высоконатяжные пружины или геометрия изогнутых ползунов. Скользящие изоляторы могут вызывать небольшое вертикальное смещение (подъём) конструкции из-за кривизны маятниковых систем, что следует учитывать при проектировании.

5. Типичные области применения и пригодность
Эластомерные изоляторы широко используются в зданиях и мостах, где требуется выдерживать умеренные и высокие вертикальные нагрузки и умеренные боковые смещения. Благодаря компактности, проверенным эксплуатационным характеристикам и простоте изготовления они широко применяются во многих проектах сейсмоизоляции.

Скользящие изоляторы часто предпочтительны в случаях, когда ожидаемые сейсмические смещения очень велики или когда конструкция и её соединения способны выдерживать значительные относительные перемещения. Они широко используются в критически важной инфраструктуре, для изоляции тяжёлого оборудования и в конструкциях, где требуется высокая степень рассеивания энергии и способность выдерживать большие смещения.

6. Ограничения и соображения
Эластомерные изоляторы могут частично терять вертикальную грузоподъёмность при очень больших боковых смещениях из-за эффекта выпячивания. Кроме того, их способность рассеивать энергию, хотя и значительна, в некоторых случаях может быть ниже, чем у систем на основе трения.

Скользящие изоляторы требуют тщательного проектирования коэффициентов трения, механизмов восстановления и пределов смещения, чтобы предотвратить чрезмерное относительное смещение, которое может повредить соединённые системы. Они, как правило, плохо сочетаются с эластомерными подшипниками в той же конструкции, поскольку подъёмный эффект в местах скольжения может вызывать неравномерное смещение.

Подводя итог, можно сказать, что эластомерные изоляторы представляют собой резино-стальные ламинированные устройства, обеспечивающие вертикальную жесткость и боковую гибкость с рассеиванием энергии за счет демпфирования материала. Они идеально подходят для применения при умеренных и высоких нагрузках с контролируемыми смещениями. Скользящие изоляторы используют фрикционные скользящие поверхности и возвратные механизмы для компенсации больших сейсмических смещений с высоким рассеиванием энергии, подходящие для ситуаций, требующих большой подвижности и более сильного демпфирования. Выбор между этими изоляторами зависит от конструктивных требований, условий нагрузки, ожидаемых сейсмических движений и конкретных критериев эффективности.

Эти различия подробно описаны в инженерной литературе и обзорах технологий сейсмоизоляции.[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/Что-вы-должны-знать-о-сейсмической-изоляции-решениях.htm