Приложение В. Сейсмоизолирующие элементы

Приложение В

Сейсмоизолирующие элементы

В.1 Общие положения

В.1.1 Способность сейсмоизолирующих систем снижать и ограничивать реакцию сооружений на сейсмические воздействия зависит от свойств сейсмоизолирующих элементов, образующих эти системы.

В.1.2 В настоящем приложении рассмотрены только апробированные системы сейсмоизоляции, получившие признание в мировой практике сейсмостойкого строительства.

В.1.3 Наиболее широкое распространение в мировой практике сейсмостойкого строительства получили системы сейсмоизоляции, образованные сейсмоизолирующими элементами в виде:

а) эластомерных опор;

б) эластомерных опор со свинцовыми сердечниками;

в) опор фрикционно-подвижного типа с плоскими горизонтальными поверхностями скольжения;

г) кинематических систем с качающимися опорами (как правило, из железобетона);

д) опор фрикционно-подвижного типа со сферическими поверхностями скольжения;

е) трехкомпонентная пружинно-демпферная система (ТПДС), состоящая из упругих витых пружин и параллельно установленных многокомпонентных (3D) вязкоупругих демпферов (ВД).

В.1.4 Сейсмоизолирующие опоры применяются:

а) указанные в перечислениях а), б) и г) В.1.3 - в сейсмоизолирующих системах первого типа: системы сейсмоизоляции, уменьшающие значения горизонтальных сейсмических нагрузок на сейсмоизолированную часть здания за счет изменения частотного спектра ее собственных колебаний - увеличения периодов колебаний сейсмоизолированной части сооружения по основному тону;

б) указанные в перечислениях в) и д) В.1.3 - в сейсмоизолирующих системах второго типа: системы сейсмоизоляции, ограничивающие уровень горизонтальных сейсмических нагрузок, действующих на сейсмоизолированную часть здания;

в) указанные в перечислении в) В.1.3 - в сейсмоизолирующих системах третьего типа: системы сейсмоизоляции, сочетающие способность изменять частотный спектр собственных колебаний сейсмоизолированной части сооружения со способностью ограничивать уровень горизонтальных сейсмических нагрузок, воздействующих на сейсмоизолированную часть сооружения;

г) указанные в перечислении е) В.1.3 - в сейсмоизолирующих системах четвертого типа: системы сейсмоизоляции, сочетающие способность изменять частотный состав собственных колебаний сейсмоизолированной части сооружения со способностью ограничивать уровень как горизонтальных, так и вертикальных сейсмических нагрузок, воздействующих на сейсмоизолированную часть сооружения.

В.1.5 Определенное распространение в практике сейсмостойкого строительства получили комбинированные системы сейсмоизоляции, сочетающие сейсмоизолирующие элементы разных типов (например, указанные в перечислениях а) и в) В.1.3 или в перечислениях в) и д) В.1.3).

В.2 Эластомерные опоры

В.2.1 Эластомерные опоры, применяемые для защиты сооружений от сейсмических воздействий, представляют собой слоистые конструкции из поочередно уложенных друг на друга листов натуральной или искусственной резины толщиной 5-20 мм и листов металла толщиной 1,5-5,0 мм. Сверху и снизу устанавливают фланцевые пластины толщиной 20-40 мм. Листы резины и металла соединены между собой путем вулканизации или с помощью специальных связующих материалов. По торцам эластомерных опор предусмотрены опорные стальные пластины, через которые опоры крепятся к конструкциям несейсмоизолированных и сейсмоизолированных частей сооружения.

В.2.2 Общий вид одного из возможных вариантов конструктивных решений эластомерных опор (иначе их называют резинометаллическими) показан на рисунке В.1.

В.2.3 Физико-механические свойства резины и металла, а также толщины и размеры в плане листов, выполненных из этих материалов, принимают в зависимости от требований, предъявляемых к эластомерным опорам в части диссипативных свойств, прочности, вертикальной и горизонтальной жесткости, долговечности и ряда других эксплуатационных показателей.

В.2.4 Стальные листы в эластомерных опорах препятствуют выпучиванию резиновых листов при действии вертикальных нагрузок и обеспечивают вертикальную жесткость и прочность опор. Резиновые листы, обладающие низкой сдвиговой жесткостью, обеспечивают горизонтальную податливость эластомерных опор.

В.2.5 Эластомерные опоры благодаря их низкой сдвиговой жесткости изменяют частотный спектр собственных горизонтальных колебаний сейсмоизолированной части сооружения, а восстанавливающие силы, возникающие при деформациях опор, стремятся возвратить сейсмоизолированную часть сооружения в исходное положение.

Примечания

1 Эластомерные опоры могут воспринимать усилия сжатия, растяжения, сдвига и кручения при циклических перемещениях в горизонтальном и вертикальном направлениях.

2 При расчетных гравитационных нагрузках вертикальные деформации эластомерных опор, как правило, не превышают нескольких миллиметров. При горизонтальных нагрузках опоры могут деформироваться на несколько сот миллиметров (рисунок В.2).

В.2.6 Эластомерные опоры в зависимости от своих диссипативных свойств подразделяются на два вида:

- опоры с низкой способностью к диссипации энергии;

- опоры с высокой способностью к диссипации энергии.

В.2.7 Эластомерными опорами с низкой способностью к диссипации энергии являются опоры, диссипативные свойства которых характеризуются коэффициентом вязкого демпфирования , значения которого не превышают 5% критического значения.

В.2.8 Производят эластомерные опоры с низкой способностью к диссипации энергии из пластин натуральной или искусственной резины, изготовленной по технологиям, не предусматривающим повышения ее демпфирующих свойств.

Примечание - Значения коэффициента , характеризующего диссипативные свойства эластомерных опор с низкой способностью к диссипации энергии, зависят от сил внутреннего трения, возникающих в деформирующихся опорах и, как правило, составляют 2% - 3%.

В.2.9 Эластомерные опоры с низкой способностью к диссипации энергии просты в изготовлении, малочувствительны к скоростям и истории нагружения, а также к температуре и старению. Для них типично линейное поведение при деформациях сдвига до 100% и более.

В.2.10 Эластомерные опоры с низкой способностью к диссипации энергии применяют, как правило, совместно со специальными демпферами вязкого или гистерезисного типа (рисунок В.3), позволяющими компенсировать низкую способность эластомерных опор к диссипации энергии сейсмических колебаний.

В.2.11 Эластомерными опорами с высокой способностью к диссипации энергии являются опоры, диссипативные свойства которых характеризуются коэффициентом вязкого демпфирования со значениями не менее 10% и не более 20%.

Примечание - Диссипативные свойства таких опор зависят в основном от гистерезисных процессов в резине (затрат энергии на ее пластические и нелинейно-упругие деформации) и, как правило, характеризуются значениями в пределах 10% - 20%.

В.2.12 Эластомерные опоры с высокой способностью к диссипации энергии состоят из пластин резины, изготовленной по специальным технологиям, обеспечивающим повышение ее демпфирующих свойств до требуемого уровня.

В.2.13 Эластомерные опоры с высокой способностью к диссипации энергии обладают способностью к горизонтальным сдвиговым деформациям до 200% - 350%. Их эксплуатационные, жесткостные, диссипативные характеристики зависят от скоростей и истории нагружения, температуры окружающей среды и старения.

В.2.14 Для эластомерных опор с высокой способностью к диссипации энергии характерно нелинейное поведение.

В.3 Эластомерные опоры со свинцовыми сердечниками

В.3.1 Эластомерные опоры со свинцовыми сердечниками, как правило, изготовляют из пластин резины, обладающей низкими диссипативными свойствами. Свинцовый сердечник располагают в заранее сформированных отверстиях в центре или по периметру опоры; суммарный диаметр сердечника - от 15% до 33% внешнего диаметра опоры.

Общий вид одного из возможных вариантов конструктивных решений эластомерных опор со свинцовыми сердечниками показан на рисунке В.4.

В.3.2 Благодаря комбинации резиновых и металлических слоев в опоре со свинцовыми сердечниками, обеспечивающими гистерезисную диссипацию энергии при горизонтальных деформациях, данные опоры обладают:

- высокой вертикальной жесткостью при эксплуатационных нагрузках;

- высокой горизонтальной жесткостью при действии горизонтальных нагрузок низкого уровня;

- низкой горизонтальной жесткостью при действии горизонтальных нагрузок высокого уровня;

- высокой способностью к диссипации энергии.

В.3.3 Диссипативные свойства эластомерных опор со свинцовыми сердечниками зависят от значений их горизонтальных сдвиговых деформаций и характеризуются коэффициентом эффективного вязкого демпфирования в пределах от 15% до 35%.

В.3.4 Эластомерные опоры со свинцовыми сердечниками способны иметь горизонтальные сдвиговые деформации до 400%. При этом их параметры менее чувствительны к значениям вертикальных нагрузок, скоростям и истории нагружения, температуре окружающей среды и старению, чем параметры опор по В.2.

В.3.5 При низких уровнях горизонтальных воздействий (например, при ветровых или слабых сейсмических воздействиях) эластомерные опоры со свинцовыми сердечниками работают в горизонтальных и вертикальном направлениях как жесткие элементы, а при высоких уровнях горизонтальных воздействий - как элементы, податливые в горизонтальных направлениях и жесткие в вертикальном.

В.3.6 Перечисленные выше свойства способствуют частому применению эластомерных опор со свинцовыми сердечниками в качестве сейсмоизолирующих элементов в зонах с высокой в горизональном направлении сейсмичностью.

В.4 Опоры фрикционно-подвижного типа с плоскими горизонтальными поверхностями скольжения

В.4.1 Сейсмоизолирующие опоры фрикционно-подвижного типа с плоскими горизонтальными поверхностями скольжения (или плоские скользящие опоры) выполняются в виде верхних и нижних жестких элементов, примыкающие горизонтальные поверхности которых имеют покрытия из слоя синтетического материала с низким значением коэффициента трения скольжения (например, фторопласта или металлофторопласта в паре с нержавеющей сталью).

Общий вид двух вариантов конструктивных решений плоских скользящих опор показан на рисунке В.5.

В.4.2 Плоские скользящие опоры имеют довольно низкий порог срабатывания и обеспечивают намного большее рассеивание энергии, чем эластомерные опоры со свинцовым сердечником . Однако из-за отсутствия в опорах восстанавливающих сил при интенсивных сейсмических воздействиях сейсмоизолированная часть сооружения может иметь допускаемые односторонние перемещения в пределах нижней опорной пластины после прекращения действия сейсмических нагрузок. Эти перемещения не влияют на напряженно-деформированное состояние сейсмоизолированной части сооружения и субструктуры.

В.4.3 Для ограничения чрезмерных односторонних горизонтальных перемещений сейсмоизолированной части сооружения относительно субструктуры в сейсмоизолирующую систему, образованную плоскими скользящими опорами, как правило, вводятся дополнительные упругие элементы-ограничители (амортизаторы).

Примечание - Значения допускаемых перемещений следует устанавливать на основе дополнительного анализа.

В.4.4 В качестве альтернативных вариантов, обеспечивающих ограничение чрезмерных односторонних горизонтальных перемещений сейсмоизолированной части сооружения относительно субструктуры, рекомендуется:

- предусматривать в скользящих поясах конструктивные элементы, обеспечивающие возможность использования соответствующего силового оборудования, возвращающего плоские опоры скольжения в исходное положение после прекращения сейсмического воздействия;

- в состав скользящих поясов включать дополнительные сейсмоизолирующие элементы, способные ограничивать значения перемещений и возвращать плоские опоры скольжения в исходное положение (рисунок В.6).

В.5 Кинематические системы с качающимися опорами

В.5.1 Качающиеся опоры, применяемые для защиты сооружений от горизонтальных сейсмических воздействий, представляют собой подвижные стойки, выполненные из железобетона и расположенные в зазоре между сейсмоизолированной и несейсмоизолированной частями сооружения. Опоры имеют сферические торцы на верхней и нижней частях каждой опоры (рисунок В.7, а) либо только на нижней части при закреплении верхней части опоры с помощью шарнирной связи к конструкциям сейсмоизолированной части сооружения (рисунок В.7, б). Шарнирная связь обеспечивает подвижность в горизонтальной плоскости по всем направлениям.

В.5.2 Кинематические системы с качающимися опорами относятся к гравитационному типу, в котором горизонтальное сейсмическое воздействие уравновешивается суммой моментов от веса сейсмоизолированной части сооружения. Значения опрокидывающего и удерживающего моментов зависят от геометрических параметров, а также от значения реактивных моментов, связанных с локальными деформациями в областях контакта и теле опор.

В.5.3 Геометрические параметры опор при проектировании определяются значением передаваемой на кинематическую систему вертикальной нагрузки, прочности используемого при изготовлении опор материала и расчетного горизонтального перемещения несейсмоизолированной части сооружения при сейсмическом воздействии.

В.5.4 Качающиеся опоры применяют, как правило, совместно со специальными демпферами вязкого или гистерезисного типа.

В.5.5 Использование кинематической системы сейсмоизоляции с качающимися опорами может быть рекомендовано, как правило, в зданиях с жесткой конструктивной схемой.

В.6 Фрикционно-подвижные опоры со сферическими поверхностями скольжения

В.6.1 Сейсмоизолирующие фрикционно-подвижные опоры со сферическими поверхностями скольжения (или маятниковые скользящие опоры) - это скользящие опоры, в которых контактные поверхности скольжения имеют сферическую форму.

Примечания

1 Сейсмоизолирующие фрикционно-подвижные опоры со сферическими поверхностями скольжения называют маятниковыми скользящими опорами, так как расположенная на них сейсмоизолированная часть сооружения совершает при сейсмических воздействиях колебания, подобные движениям маятника при наличии трения (рисунки В.7, В.8).

2 Маятниковые опоры, в которых энергия диссипируется за счет сил трения качения (шаровые и катковые опоры, кинематические фундаменты и подобные им сейсмоизолирующие элементы с низкой способностью к диссипации энергии), в настоящем своде правил не рассматриваются.

В.6.2 Конструктивные решения всех видов маятниковых скользящих опор предусматривают наличие:

- одной или нескольких вогнутых сферических поверхностей скольжения;

- одного или нескольких ползунов;

- ограждающих бортиков, ограничивающих горизонтальные перемещения ползунов.

Элементы маятниковых скользящих опор изготовляют, как правило, из нержавеющей стали, а их сферические поверхности имеют покрытия из материалов, обладающих заданными фрикционными свойствами.

В.6.3 Маятниковые скользящие опоры в зависимости от особенностей конструктивных решений подразделяют на опоры:

- с одной сферической поверхностью скольжения (далее - одномаятниковые скользящие опоры);

- с двумя сферическими поверхностями скольжения (далее - двухмаятниковые скользящие опоры);

- с четырьмя сферическими поверхностями скольжения (далее - трехмаятниковые скользящие опоры).

В.6.4 В маятниковых опорах всех типов:

- формы ползунов и плит обеспечивают однородное распределение напряжений в местах их примыкания и исключают возможность возникновения неблагоприятных локальных эффектов;

- при перемещениях ползунов по сферическим поверхностям сейсмоизолированная часть сооружения приподнимается и составляющая гравитационной силы, параллельная горизонтальной поверхности, стремится вернуть ее в положение устойчивого равновесия;

- диссипативные свойства взаимосвязаны с фрикционными свойствами материалов, контактирующих на сопрягаемых сферических поверхностях плит и ползунов; наиболее часто они характеризуются коэффициентом эффективного вязкого демпфирования со значениями в пределах от 10% до 30%.

В.6.5 Спектр собственных колебаний сейсмоизолированных частей сооружения, сейсмоизолированных с помощью маятниковых опор всех типов, практически не зависит от массы сейсмоизолированных частей сооружения.

В.6.6 Одномаятниковая скользящая опора состоит из двух горизонтальных плит, одна из которых имеет сферическую вогнутую поверхность, и расположенного между плитами сферического шарнирного ползуна.

Общий вид и схема поведения одномаятниковой скользящей опоры показаны на рисунке В.8, а принцип действия - на рисунке В.9.

В.6.7 Особенности поведения и сейсмоизолирующие свойства одномаятниковой скользящей опоры зависят от радиуса кривизны сферической поверхности R и значения коэффициента трения скольжения ползуна по сферической поверхности.

Примечание - Спектр собственных колебаний сейсмоизолированной части сооружения, сейсмоизолированной с помощью одномаятниковых скользящих опор, зависит преимущественно от выбранного радиуса кривизны сферической поверхности в опорной плите сейсмоизолирующей опоры и не зависит от интенсивности внешнего воздействия, а также от амплитуд колебаний сейсмоизолированной части сооружения.

В.6.8 Современные сейсмоизолирующие системы с одномаятниковыми скользящими опорами способны обеспечивать:

- периоды колебаний сейсмоизолированных частей сооружения до 3 с и более;

- взаимные перемещения субструктур и сейсмоизолированных частей сооружения до 1 м и более.

В.6.9 Двухмаятниковая скользящая опора состоит из двух горизонтальных плит, имеющих сферические вогнутые поверхности, и расположенных между ними двух ползунов.

Общий вид и схема поведения двухмаятниковой скользящей опоры показаны на рисунке В.10.

В.6.10 Особенности поведения двухмаятниковой скользящей опоры зависят от радиусов кривизны верхних и нижних сферических поверхностей и , а также значений коэффициентов трения скольжения и ползунов по сферическим поверхностям.

В.6.11 В двухмаятниковых скользящих опорах радиусы сферических вогнутых поверхностей и коэффициенты трения могут быть одинаковыми или разными.

Важное достоинство двухмаятниковых скользящих опор - более компактные размеры, чем у одномаятниковых.

Примечание - В двухмаятниковых скользящих опорах реализован механизм двух маятников, последовательно включающихся в работу в зависимости от спектрального состава и интенсивности сейсмических воздействий.

В.6.12 В двухмаятниковых скользящих опорах движения шарнирных ползунов могут происходить по верхним и нижним сферическим поверхностям (см. рисунок В.10). Благодаря этому взаимные смещения двухмаятниковых скользящих опор могут быть в два раза больше, чем у одномаятниковых скользящих опор с теми же габаритными размерами.

В.6.13 Возможность использования в двухмаятниковых скользящих опорах верхних и нижних сферических поверхностей с разными радиусами кривизны и коэффициентами трения позволяет увеличить сейсмоизолирующие свойства этих опор.

В.6.14 Трехмаятниковая скользящая опора состоит их двух плит (верхней и нижней) со сферическими вогнутыми поверхностями скольжения и трех ползунов (верхнего, нижнего и внутреннего) со сферическими поверхностями. Общий вид и схема поведения трехмаятниковой скользящей опоры показаны на рисунке В.11.

В.6.15 Особенности поведения трехмаятниковой скользящей опоры зависят от радиусов кривизны верхних и нижних сферических поверхностей , , и , а также значений коэффициентов трения скольжения , , и ползунов по сферическим поверхностям.

В.6.16 В трехмаятниковых скользящих опорах, как и в двухмаятниковых, радиусы сферических вогнутых поверхностей и коэффициенты трения могут быть одинаковыми или разными.

Примечание - В трехмаятниковой скользящей опоре реализован механизм трех маятников, последовательно включающихся в работу в зависимости от спектрального состава и интенсивности сейсмических воздействий. По мере увеличения перемещений трехмаятниковых опор будут увеличиваться эффективная длина маятника (и период колебаний сейсмоизолированной части сооружения) и повышаться эффективное демпфирование.

В.6.17 Комбинируя значения радиусов кривизны сферических поверхностей и коэффициентов трения скольжения, можно запроектировать трехмаятниковые скользящие опоры, способные эффективно снижать сейсмические нагрузки на сейсмоизолированную часть сооружения при землетрясениях с очень высокой интенсивностью и сложным спектральным составом.

В.7 Трехкомпонентная пружинно-демпферная система. Упругие витые пружины с многокомпонентными (3D) вязкоупругими демпферами

В.7.1 Система ТПДС состоит из упругих витых пружин, несущих статическую и сейсмическую нагрузку и параллельно включенных многокомпонентных ВД, обеспечивающих в широких пределах необходимое демпфирование для сейсмоизолированной системы (рисунки В.12, В.13).

В.7.2 Варьирование параметрами витых пружин позволяет получить необходимые первые собственные частоты сейсмоизолированной системы в горизонтальном и вертикальном направлениях относительно доминантной частоты сейсмического воздействия (рисунок В.14, а), а демпферы ВД обеспечивают систему необходимым демпфированием во всех степенях свободы, что позволяет существенно сократить перемещения сейсмоизолированной системы при сохранении ее высокой изолирующей способности (рисунок В.14, б).

В.7.3 Несущая способность блоков витых пружин находится в диапазоне от 1 до 7000 кН.

Блок витых пружин имеет линейную зависимость "сила-перемещение" во всем диапазоне нагрузок и перемещений в вертикальном и горизонтальном направлениях (рисунок В.14, б).

В.7.4 Максимальные сейсмические перемещения блоков пружин могут достигать 300 мм и более.

В.7.5 Многокомпонентные ВД (рисунок В.15) имеют нелинейную частотную демпфирующую характеристику. Их динамическая жесткость состоит из упругой и неупругой (вязкой) частей и описываются 4-звенной динамической моделью Максвелла (рисунок В.16).