Hệ thống cách ly cơ sở cho trận động đất: Một phác thảo về các nguyên tắc, loại, lợi thế & ứng dụng

Một trận động đất hoặc đất tự nó không phải là một thảm họa, nó là một hiện tượng tự nhiên xuất phát từ sự di chuyển trên mặt đất, đôi khi bạo lực. Chúng tạo ra các sóng bề mặt, gây ra sự rung động của mặt đất và các cấu trúc đứng trên đỉnh. Tùy thuộc vào đặc điểm của các rung động này, mặt đất có thể phát triển các vết nứt, khe nứt và định cư. Nguy cơ mất mát có thể có thêm một khía cạnh rất nghiêm trọng đối với thiết kế địa chấn, đặt trách nhiệm đạo đức vào các kỹ sư kết cấu. Trong thời gian gần đây, nhiều hệ thống mới đã được phát triển, hoặc để giảm lực lượng động đất tác động lên cấu trúc hoặc để hấp thụ một phần năng lượng địa chấn.
Một trong những hệ thống bảo vệ địa chấn được thực hiện rộng rãi và được chấp nhận rộng rãi là cách ly cơ sở.

Sự cô lập cơ sở là một trong những hệ thống bảo vệ địa chấn được chấp nhận rộng rãi nhất trong các khu vực dễ bị động đất. Nó giảm thiểu ảnh hưởng của một trận động đất bằng cách cách ly cấu trúc từ các chuyển động mặt đất nguy hiểm tiềm tàng. Phân lập địa chấn là một chiến lược thiết kế, giúp ngăn chặn cấu trúc cho các tác động gây hại của chuyển động mặt đất. Thuật ngữ cách ly đề cập đến giảm tương tác giữa cấu trúc và mặt đất.

Khi hệ thống cách ly địa chấn nằm dưới cấu trúc, nó được gọi là "cách ly cơ sở".
Mục đích khác của một hệ thống cách ly là cung cấp một phương tiện tiêu tán năng lượng bổ sung, do đó làm giảm gia tốc truyền vào kiến ​​trúc thượng tầng. Việc tách rời cho phép tòa nhà hoạt động linh hoạt hơn, giúp cải thiện phản ứng của nó đối với một trận động đất. Khái niệm cách ly cơ sở được giải thích thông qua một ví dụ về một tòa nhà nằm trên các con lăn không ma sát. Khi mặt đất lắc, các con lăn tự do lăn, nhưng tòa nhà ở trên không di chuyển.
Do đó, không có lực nào được chuyển đến tòa nhà do lắc mặt đất; Đơn giản, tòa nhà không trải nghiệm một trận động đất.

Khái niệm cách ly cơ sở được giải thích thông qua một ví dụ về một tòa nhà nằm trên các con lăn không ma sát. Khi mặt đất lắc, các con lăn tự do lăn, nhưng tòa nhà ở trên không di chuyển. Do đó, không có lực nào được chuyển đến tòa nhà do lắc mặt đất; Đơn giản, tòa nhà không trải nghiệm một trận động đất.
Bây giờ, nếu cùng một tòa nhà được đặt trên các miếng đệm linh hoạt cung cấp khả năng chống lại các chuyển động bên, thì một số ảnh hưởng của sự rung chuyển mặt đất sẽ được chuyển đến tòa nhà ở trên.
Các miếng đệm linh hoạt được gọi là các bộ phân phối cơ sở, trong khi các cấu trúc được bảo vệ bằng các thiết bị này được gọi là các tòa nhà phân lập cơ sở. Tính năng chính của công nghệ cách ly cơ sở là nó giới thiệu tính linh hoạt trong cấu trúc.

Một nghiên cứu cẩn thận là cần thiết để xác định loại thiết bị phù hợp nhất cho một tòa nhà cụ thể. Ngoài ra, cách ly cơ sở không phù hợp cho tất cả các tòa nhà. Các cấu trúc phù hợp nhất để cách ly cơ sở là các tòa nhà thấp đến trung bình nằm trên đất cứng bên dưới. Các tòa nhà cao tầng hoặc các tòa nhà nằm trên đất mềm không phù hợp để cô lập cơ sở.

Nguyên tắc cơ bản của sự cô lập cơ sở là sửa đổi phản ứng của tòa nhà để mặt đất có thể di chuyển bên dưới tòa nhà mà không truyền các chuyển động này vào tòa nhà. Một tòa nhà hoàn toàn cứng nhắc sẽ có một khoảng thời gian bằng không. Khi mặt đất di chuyển, gia tốc gây ra trong cấu trúc sẽ bằng với gia tốc mặt đất và sẽ không có sự dịch chuyển tương đối giữa cấu trúc và mặt đất. Cấu trúc và mặt đất di chuyển cùng một lượng. Một tòa nhà hoàn toàn linh hoạt sẽ có một khoảng thời gian vô hạn.
Đối với loại cấu trúc này, khi mặt đất bên dưới cấu trúc di chuyển, sẽ có gia tốc không gây ra trong cấu trúc và sự dịch chuyển tương đối giữa cấu trúc và mặt đất sẽ bằng với sự dịch chuyển mặt đất. Vì vậy, cấu trúc không linh hoạt, cấu trúc sẽ không di chuyển, mặt đất sẽ.

Các yêu cầu cơ bản của một hệ thống cách ly là
1). Linh hoạt
2). Giảm xóc
3). Khả năng chống lại tải trọng thẳng đứng hoặc dịch vụ khác.

Bảo vệ động đất của các cấu trúc sử dụng kỹ thuật cách ly cơ sở thường phù hợp nếu các điều kiện sau đây được đáp ứng
1. Subsoil không tạo ra ưu thế của chuyển động mặt đất thời gian dài.
2. Cấu trúc được kết hợp khá với tải cột đủ cao.
3. Trang web cho phép chuyển vị ngang ở cơ sở của thứ tự 200mm trở lên.
4. Tải trọng bên do gió nhỏ hơn khoảng 10% trọng lượng của cấu trúc.
 

· Khi trận động đất bị ảnh hưởng trên cấu trúc cơ sở cố định tại cấu trúc thời điểm đó không bảo vệ chống lại trận động đất.
· Nhưng trong một cấu trúc bị cô lập cơ sở, khi một trận động đất bị ảnh hưởng trên tòa nhà cấu trúc đang bảo vệ chống động đất rất tốt.
· Trong một cấu trúc cố định, cấu trúc di chuyển với chuyển động mặt đất.
· Trong một cấu trúc bị cô lập, cấu trúc không di chuyển với chuyển động mặt đất. Nhưng sự cô lập mang di chuyển với chuyển động mặt đất. Vì vậy, chúng ta có thể nói cấu trúc là an toàn.

Các bộ cách ly địa chấn

Các bộ cách ly elastomeric
▶ Vòng bi cao su tự nhiên tuyến tính (LNR)
▶ Vòng bi cao su thấp
▶ Vòng bi tay chính (LRB)
▶ Vòng bi cao su cao (HDR)

Các bộ cách ly trượt
▶ Hệ thống ma sát kiên cường
▶ Hệ thống con lắc ma sát (FPS)

Chúng được hình thành từ các lớp cao su tự nhiên hoặc tổng hợp trong các lớp mỏng liên kết giữa các tấm thép.
Các tấm thép ngăn các lớp cao su phình ra và do đó ổ trục có thể hỗ trợ tải trọng thẳng đứng cao hơn chỉ với các biến dạng nhỏ.
Vòng bi Elastomeric đơn giản cung cấp sự linh hoạt nhưng không có giảm xóc đáng kể và sẽ di chuyển dưới tải dịch vụ.

1, Vòng bi cao su tự nhiên giảm xóc (LDR)
Tỷ lệ giảm xóc=2% đến 3%
Sản xuất là dễ dàng.
Đáp ứng không có nhiệt độ nhạy cảm mạnh mẽ, tốc độ tải và lão hóa.
Chủng cắt vượt quá 100%.

2, Vòng bi cao su tự nhiên giảm độ cao (HDR)
Giảm xóc được tăng lên bằng cách thêm màu đen carbon, dầu hoặc nhựa và các chất độn khác.
Biến dạng cắt tối đa=200 đến 350%
Tỷ lệ giảm xóc=10 đến 20% với biến dạng cắt 100%
Giảm xóc hiệu quả phụ thuộc vào:
· Vận tốc của tải
· Lịch sử tải
· Nhiệt độ

3, Vòng bi cao su chì (Vòng bi cao su nhiều lớp) (LRB)
Một ổ trục chì hoặc ổ trục lõi chì được hình thành từ một lực cắm chì được gắn vào một lỗ được hình thành sẵn trong ổ trục đàn hồi. Lõi chì cung cấp độ cứng dưới tải dịch vụ và tiêu tán năng lượng dưới tải trọng bên cao. Các tấm thép trên và dưới, dày hơn so với các miếng chêm bên trong, được sử dụng để chứa phần cứng lắp. Toàn bộ ổ trục được bọc trong vỏ cao su để bảo vệ môi trường.
Khi chịu tải trọng bên thấp (như trận động đất nhỏ, tải gió hoặc giao thông), ổ trục cao su chì bị cứng cả về phía sau và theo chiều dọc.
Độ cứng bên là kết quả của độ cứng đàn hồi cao của phích cắm chì và độ cứng dọc (vẫn ở mọi mức tải) là kết quả của cấu trúc máy kéo thép của ổ trục.

4, bộ cách ly trượt
Loại hệ thống cách ly phổ biến thứ hai sử dụng các yếu tố trượt giữa nền tảng và cơ sở của cấu trúc.
Bởi lò xo căng cao hoặc ổ trục cao su nhiều lớp bằng cách làm cho bề mặt cong trượt.
Các cơ chế này cung cấp một lực phục hồi để đưa cấu trúc trở lại vị trí cân bằng của nó.
4A. Bộ cách ly trượt phẳng (hệ thống ma sát kiên cường)
Hai loại bộ cách ly trượt phẳng:
· Với khả năng gần đây
· Không có khả năng gần đây
1). Bộ cách ly trượt mà không có khả năng gần đây
Điều này bao gồm một bề mặt trượt ngang, cho phép chuyển vị và do đó tiêu tán năng lượng bằng phương pháp ma sát được xác định giữa cả hai thành phần trượt và thép không gỉ.
Một vấn đề cụ thể với cấu trúc trượt là các chuyển vị dư xảy ra sau các trận động đất lớn.
2). Bộ cách ly trượt với khả năng gần đây
So với các bộ cách ly trượt, pendula cách ly trượt (SIP) với khả năng gần đây có một tấm trượt lõm.
Do hình học, mỗi chuyển vị ngang dẫn đến một chuyển động thẳng đứng của bộ cách ly.
Năng lượng tiềm năng, được lưu trữ bởi cấu trúc thượng tầng, đã được đẩy lên đỉnh, tự động dẫn đến việc gần đây cảm ứng vào vị trí trung tính.
Chúng vẫn linh hoạt theo chiều ngang, tiêu tan năng lượng và gần hơn cấu trúc thượng tầng vào một vị trí trung tính.

4B. Các bộ cách ly trượt hình cầu (con lăn) (Hệ thống con lắc ma sát) (FPS/FPB)
Hệ thống con lắc ma sát là một hệ thống cách ly trượt trong đó trọng lượng của cấu trúc được hỗ trợ trên các bề mặt trượt hình cầu trượt so với nhau khi chuyển động mặt đất vượt quá mức ngưỡng.

Yêu cầu lắp đặt hệ thống cách ly cơ sở là tòa nhà có thể di chuyển theo chiều ngang so với mặt đất, thường là ít nhất 100 mm.
Cấu hình phổ biến nhất là cài đặt một cơ hoành ngay trên các bộ cách ly.
Nếu tòa nhà có tầng hầm thì các tùy chọn là cài đặt các bộ cách ly ở phía trên, dưới hoặc giữa chiều cao của các cột tầng hầm và tường.

1. Giảm nhu cầu địa chấn của cấu trúc, do đó giảm chi phí cấu trúc.
2. Các chuyển vị ít hơn trong một trận động đất.
3. Cải thiện sự an toàn của các cấu trúc
4. Giảm các thiệt hại gây ra trong một trận động đất. Điều này giúp duy trì hiệu suất của cấu trúc sau sự kiện.
5. Tăng cường hiệu suất của cấu trúc dưới tải địa chấn.
6. Bảo quản tài sản

· Thử thách thực hiện một cách hiệu quả.
· Trợ cấp cho việc chuyển vị xây dựng.
· Không hiệu quả cho các tòa nhà cao tầng
· Không thích hợp cho các tòa nhà nằm trên đất mềm.
 

1. Sự cô lập cơ sở của cầu
2. Sự cô lập cơ sở của các tòa nhà quan trọng
3. Tăng cường phản ứng của các cấu trúc lịch sử
4. Sự cô lập trong lĩnh vực máy móc

Phương pháp cách ly cơ sở địa chấn đã được chứng minh là một phương pháp đáng tin cậy của thiết kế chống động đất.
Thành công của phương pháp này phần lớn là do sự phát triển của các thiết bị cách ly và lập kế hoạch đúng đắn.
Các hệ thống cách ly thích ứng được yêu cầu phải có hiệu quả trong một loạt các sự kiện địa chấn.
Những nỗ lực được yêu cầu để tìm các giải pháp cho các tình huống như các vùng gần lỗi nơi có thể xảy ra nhiều chuyển động động đất.