Способ сейсмоизоляции объектов и амортизационное устройство (варианты) для его осуществления
Группа изобретений относится к устройствам и способам сейсмозащиты объектов. Способ предусматривает создание упруго-демпфирующих связей между защищаемым объектом и основанием посредством совокупности амортизационных устройств, ограничивающих величину передаваемых на объект нагрузок. В состав устройств входят эластомерные амортизаторы коробчатой формы. Также предусматривается компенсация весовой нагрузки со стороны объекта в обычных условиях эксплуатации посредством установки разгружающих опор - в амортизаторе либо независимо - в форме телескопической конструкции, разрушаемой/складываемой при превышении заданного порога нагрузки на амортизационное устройство при сейсмическом воздействии. Для компенсации боковых смещений объекта относительно основания при воздействии пространственных внешних нагрузок, в том числе при сверхвысоких уровнях воздействия как на сжатие, так и при поперечных формах, в амортизационном устройстве устанавливается осевой стержень, взаимодействующий с эластомерной мембраной - ограничителем его горизонтального перемещения. Также заявлены варианты конструкции амортизационного устройства: с интегрированным исполнением элементов - опоры и осевого стержня - как единой конструкции - телескопической штанги-опоры, и с независимыми опорами и дополнительной горизонтальной установкой амортизаторов. Обеспечивается сейсмозащита объектов от пространственных разнонаправленных воздействий в течение длительных сроков эксплуатации. 4 н. и 5 з.п. ф-лы, 21 ил.
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к системам и устройствам амортизации, предназначенным для защиты критически важных и стратегических объектов различного назначения, например, промышленных реакторов, центров обработки данных (дата-центров) и т.п., от пространственных ударных динамических нагрузок при воздействии сейсмических волн.
Известны «Аппарат, поглощающий энергию удара» (патент RU 2624966, С2 B61G 11/18, Головач О.Н., Карпов С.П., опубл. 20.07.2015), содержащий опорную плиту и эластомерный амортизатор, перемещающийся во втулке корпуса, а также «Корабельная пусковая установка для ракет в транспортно-пусковом контейнере с минометным стартом» (патент RU 2657634, C1 F41F 3/04, Алашеев В.И., Васильев Б.М. и др., опубл. 14.06.2018), оснащенная продольной системой амортизации (СА) с заданным ходом подвижной части пусковой установки (ПУ) с жестко закрепленным в ней контейнером с ракетой, причем ПУ снабжена амортизатором из эластомерного материала для поглощения нагрузок при старте ракеты. Поглощающий эффект таких устройств проявляется в процессе деформации сжатия эластомера с нарастанием упруго-демпфирующей силы при ограниченном рабочем ходе. Недостатком этого устройства является невозможность получения заданной силовой характеристики ввиду высокой упругой жесткости при ограниченном демпфировании из-за малых относительных деформаций эластомерного материала, а также большой разброс динамических характеристик.
Известная система амортизации контейнера (патент US 5353677, C1 F41F 3/04, опубл. 11.10.1994), содержащая коробчатый эластомерный амортизатор с прорезями и жесткую пластину, скрепленную снаружи с днищем амортизатора, не обладает требуемой энергопоглощающей способностью в радиальном направлении объекта - контейнера, т.к. амортизирующий эффект таких амортизаторов достигается в основном за счет деформации сжатия эластомера с обеспечением приблизительно постоянной жесткости с небольшим нарастанием при достижении предельных деформаций.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемым техническим решениям - способу сейсмоизоляции объектов и амортизационному устройству для его осуществления - является «Амортизирующая система контейнера» (патент RU 2163996, C1 F41F 3/04, Барынин В.А., Даштиев И.З. и др., опубл. 10.03.2001), содержащая коробчатый, т.е. имеющий коробчатую форму, эластомерный амортизатор, снабженный жесткой пластиной, скрепленной с днищем, и ограничителем перемещений в виде рамки, скрепленной с боковыми стенками по соразмерному контуру коробчатого эластомерного амортизатора со сквозными прорезями в углах между боковыми стенками и утонениями на боковых стенках с образованием по всему периметру ослабленного сечения. Такое решение позволяет получить при динамических воздействиях характеристики, обеспечивающие увеличенный ход за счет использования потери устойчивости стенок при сжатии эластомерного амортизатора.
Указанное известное устройство при своей работе реализует способ сейсмоизоляции объектов, по которому между защищаемым объектом и основанием создают упруго-демпфирующие связи посредством установки на указанных позициях амортизационных устройств, каждое из которых содержит эластомерные амортизаторы коробчатой формы (далее - коробчатые эластомерные амортизаторы), с помощью которых при внешнем сейсмическом воздействии на основание ограничивают передаваемые на объект величины динамических нагрузок (сил) за счет обеспечения режима потери устойчивости боковых стенок коробчатых эластомерных амортизаторов при сжатии в местах их утонения.
К недостаткам этого известного способа, а также устройства - «Амортизирующей системы контейнера» (см. патент RU 2163996), принятых в качестве прототипа для заявляемого способа сейсмоизоляции объектов и амортизационного устройства для его осуществления, следует отнести:
- неконтролируемое снижение эффективности при продолжительной эксплуатации элементов системы сейсмоизоляции - коробчатых эластомерных амортизаторов - в условиях их применения под постоянной весовой нагрузкой вследствие явления ползучести материала - полимера, сопровождаемого также ускоренным старением, и, как следствие, деформации эластомерного амортизатора с потерей им упруго-демпфирующих свойств, что, в конечном счете, существенно ограничивает межрегламентный срок эксплуатации защищаемого объекта (до замены амортизаторов);
- ограниченную эффективность снижения нагрузок, действующих на защищаемый объект, при одновременно возникающих сдвиговых формах изгиба и сжатия коробчатых эластомерных амортизаторов вследствие пространственного характера внешнего воздействия.
Использованные термины:
Амортизатор - устройство, защищающее машины, механизмы от ударных и вибрационных нагрузок за счет совместного действия упругой (возвращающей в исходное положение деформируемый элемент) и диссипативной (гасящей механические колебания) сил (Р 50.1.042-2002 Определитель наименований сборочных единиц общемашиностроительных класса 30 Классификатора ЕСКД), или устройство, уменьшающее сейсмическую нагрузку за счет изменения периодов и форм собственных колебаний сооружения (СП 268.1325800.2016 Транспортные сооружения в сейсмических районах. Правила проектирования), или устройство для смягчения ударов в машинах и сооружениях, для защиты от сотрясений и ударных нагрузок (БЭС, изд-во "Большая Российская энциклопедия", Москва, 1998 г.), или устройство, предназначенное для рассеивания энергии, чтобы уменьшить отклик механической системы на ударное воздействие (ГОСТ Р ИСО 2041-2012 Вибрация, удар и контроль технического состояния. Термины и определения).
Амортизационное устройство (сейсмоизолятор) - устройство, обладающее необходимыми характеристиками для сейсмической изоляции, а именно: способностью выдерживать нагрузку от собственного веса части конструкции (объекта), расположенной выше или вне системы сейсмоизоляции (амортизации), и способностью обеспечивать вертикальные и горизонтальные перемещения. Устройства могут обеспечивать диссипацию энергии и содействовать способности системы сейсмоизоляции к рецентрированию. (см. также ГОСТ Р 57364-2016/EN 15129: 2010 Устройства антисейсмические. Правила проектирования). Амортизационное устройство представляет собой конструкцию, включающую в свой состав один или несколько амортизаторов и узлы связи с объектом и взаимодействующую с сооружением и объектом.
Объект - сейсмоизолируемая (амортизируемая) конструкция: реакторный блок, ракета/торпеда в транспортно-пусковом контейнере/пусковом стакане, металлоконструкция с оборудованием и др.
Центр обработки данных - специализированный объект, представляющий собой связанную систему ИТ-инфраструктуры и инженерной инфраструктуры, оборудование и части которых размещены в здании или помещении, подключенном к внешним сетям, как инженерным, так и телекоммуникационным (ГОСТ Р 58811-2020. Центры обработки данных. Инженерная инфраструктура. Стадии создания).
Ползучесть - 1. Увеличение с течением времени деформации под действием постоянной нагрузки или механического напряжения. Примечание - Мгновенная деформация исключается (ГОСТ 32794-2014 Композиты полимерные. Термины и определения).
2. Увеличение деформации во времени под действием постоянной нагрузки (ГОСТ Р 58033-2017 Здания и сооружения. Словарь. Часть 1. Общие термины).
Сейсмическая волна - упругая волна, распространяющаяся в геологической среде от искусственных или естественных источников колебаний. Примечания: 1. Источниками искусственного возбуждения упругих волн являются взрывы или механическое воздействие на исследуемую среду импульсного или вибрационного характера с помощью специальных технических средств. 2. Естественными источниками упругих волн являются землетрясения, извержения вулканов, горные удары (обвалы, лавины, сели и др.). (ГОСТ Р 54363-2011 Полевые геофизические исследования. Термины и определения).
Сейсмическое воздействие - подземные удары и колебания грунтового массива и поверхности, вызванные естественными и искусственными причинами, например, землетрясениями, воздействием промышленных и других взрывов, работой ударно-взрывных машин на заглубленное или поверхностно расположенное защитное сооружение, в котором размещен амортизируемый объект.
Сейсмоизоляция (сейсмозащита) объектов - комплекс инженерных конструкций, устраиваемых, как правило, в фундаменте (или на фундаменте) сооружений и обеспечивающих снижение колебаний изолируемого объекта относительно сейсмических колебаний грунтов и основания, а также элементы и системы, обеспечивающие регулирование (сдвиг) значений собственных частот колебаний сооружения в желаемую область (см. также ГОСТ Р 56257-2014 Характеристика факторов внешнего природного воздействия. Общая классификация).
Сооружение (защитное сооружение, опорный контур) - ограждающая конструкция, выполняющая функции сохранения контура сооружения при действии на нее сейсмоударных волн в упруго-слитно-пластической среде - массиве грунта. Сооружение имеет основание, на котором установлен амортизируемый объект.
Старение - необратимое изменение структуры полимеров с течением времени в результате воздействия химических или физических факторов, приводящее к ухудшению эксплуатационных свойств изделий (ГОСТ 32794-2014. Композиты полимерные. Термины и определение).
Эластомер - полимер или материал на его основе, находящийся в высокоэластическом состоянии (т.е. обладающий способностью к значительной обратимой деформации при приложении небольшого механического напряжения). К эластомерам относятся каучуки, резиновые смеси, резины и термопластичные эластомеры (ГОСТ 32794-2014. Композиты полимерные. Термины и определения).
В условиях одностороннего смещения защитного сооружения эффективность амортизации объектов может быть повышена за счет снижения упругой составляющей реакции амортизаторов по принципу реализации концепции «спущенный мяч», который не создает упругого отскока и в сочетании с демпфирующей составляющей реакции амортизаторов может существенно уменьшить требуемый амортизационный ход. На основании этой концепции, например, созданы такие известные технические решения, как «Способ амортизации» (патент RU 2481508, С1 F16F 9/06, Анопов В.М., Забегаев А.И., Садков А.А., опубл. 10.05.2013) и «Пневмогидравлический амортизатор» (патент RU 2481507, C1 F16F 9/06, Анопов В.М., Забегаев А.И., Садков А.А., опубл. 10.05.2013), применяющиеся на практике. Настоящие заявляемые технические решения представляют собой развитие данного подхода применительно к эластомерному типу амортизации. Достижение большого хода на рабочих участках силовой характеристики при работе в вертикальном направлении обеспечивается за счет процессов «потери устойчивости» боковых стенок при прямом ходе (сжатии) эластомерного амортизатора. Для обеспечения минимального уровня нагрузок в пределах располагаемого хода в горизонтальном направлении требуется сочетание неупругого режима деформирования и наличие в системе амортизации запаса потенциальных сил, обеспечивающего восстановление исходной формы амортизаторов с возвратом объекта в окрестность исходного положения.
Применение эластомерных конструкций амортизаторов представляет собой перспективное направление для решения проблемы ударо-виброзащиты объектов, однако его реализация в конкретных технических решениях ограничивается проявлением действия длительных статических нагрузок от веса амортизируемого объекта в течение интервалов времени его эксплуатации до сейсмических воздействий и между ними. К этим проявлениям относится развитие деформаций ползучести, приводящим к развитию осадки амортизаторов, а также ускоренное старение эластомерного материала под нагрузкой, приводящее к изменению его упруго-демпфирующих свойств при эксплуатации и, соответственно, изменению рабочей характеристики амортизатора. Для борьбы с этими проявлениями ограничивают величину рабочей деформации (рабочего хода) амортизатора при внешней нагрузке, что снижает их эффективность, поскольку амортизаторы из высокоэластичных эластомеров, например, полиуретанов, способны и должны работать при относительных деформациях материала от 40…50% до 150…250%. При ограничении относительной деформации до нижнего порога ударо-виброзащита снижается, а материал используется менее эффективно.
Исследования ползучести полиуретанового эластомера показали, что осадка амортизатора из этого материала может достигать 8…20% за 15 лет эксплуатации. На практике это может потребовать 2-3-х кратную замену амортизаторов в период эксплуатации, что существенно повышает эксплуатационные расходы.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, состоит в обеспечении долговременной эффективной сейсмоизоляции объектов при воздействии пространственных внешних нагрузок, в том числе при сверхвысоких уровнях воздействия, как на сжатие, так и при поперечных (сдвиговых) формах деформации. Это достигается посредством построения системы амортизации как совокупности амортизационных устройств на базе коробчатых эластомерных амортизаторов, преимущественно с большим ходом и заданной переменной жесткостью, без заметного нарастания нагрузки в рабочей зоне амортизаторов и при снижении скорости перемещения объекта с обеспечением длительных сроков эксплуатации системы амортизации без снижения эффективности сейсмоизоляции защищаемых объектов из-за постепенной неконтролируемой деформации эластомерного амортизатора вследствие ползучести и ускоренного старения материала (эластомера) под постоянной весовой нагрузкой.
Решение этой проблемы в заявляемом способе достигается за счет того, что, при создании упруго-демпфирующих связей между защищаемым объектом и основанием посредством амортизационных устройств, ограничивающих величину передаваемых на объект нагрузок в соответствии с силовой характеристикой входящих в их состав коробчатых эластомерных амортизаторов, в каждом амортизационном устройстве, во-первых, при его установке дополнительно создают постоянно действующую разгружающую силу, которую прикладывают между основанием и объектом, добиваясь полной или частичной компенсации весовой нагрузки со стороны объекта для предупреждения процесса постепенной деформации эластомерного амортизатора вследствие ползучести материала (полимера), а при внешнем сейсмическом воздействии (при движении основания вверх) при превышении заданного порогового значения обеспечивают снятие разгружающей силы и далее передают на объект (сжимающие/сдвигающие) усилия (упругую и демпфирующую реакции) при деформации сжатия амортизационного устройства в соответствии с силовой характеристикой эластомерного амортизатора, и, во-вторых, дополнительно создают переменную силу, приложенную к объекту горизонтально, для компенсации его бокового сдвига относительно основания вследствие воздействия.
Техническое осуществление указанных действий достигается построением системы амортизации объекта опорного типа, состоящей из группы амортизационных устройств, устанавливаемых на основание и поддерживающих объект, при этом работающих независимо друг от друга, каждое из которых содержит коробчатый эластомерный амортизатор, (например, в форме призмы, цилиндра, усеченного конуса, усеченной пирамиды и т.п.), а также жесткую пластину и ограничитель перемещений в виде рамки, скрепленные соответственно сверху и снизу с боковыми стенками эластомерного амортизатора, выполненными со сквозными продольными прорезями, а также с утонением и образованием ослабленного сечения по всему периметру боковых стенок. При этом в отличие от прототипа (см. патент RU 2163996) между основанием и опорной поверхностью объекта дополнительно по продольной оси эластомерного амортизатора для создания разгружающей связи установлена разгружающая опора из жесткого (слабо деформируемого) материала (металла и т.п,), которая выполнена разрушаемой/складываемой при превышении заданного порога нагрузки на амортизационное устройство вследствие сейсмического воздействия. Кроме того, внутри разгружающей опоры соосно ей установлен осевой стержень, свободно проходящий с использованием проходного шарнира через отверстие в центральной части жесткой пластины, в котором установлен ограничитель горизонтального перемещения осевого стержня в виде эластомерной мембраны, которая предпочтительно имеет начальную, например, тороидальную кривизну для увеличения ее рабочего хода с утолщениями и отверстием для прохождения осевого стержня, выдвижение которого из объекта и из амортизационного устройства ограничивается взаимодействием проходного шарнира и боковых выступов/утолщений на концах осевого стержня.
Разгружающая опора предпочтительно может быть выполнена в форме телескопической стойки, высота которой регулируется выдвижением ее подвижных элементов - гильз (в количестве не менее двух) друг из друга, снабженных монтажными отверстиям и/или крепежными прорезями для фиксации их взаимного относительного положения посредством установки крепежных стержней, при этом часть крепежных стержней (на одном из уровней) выполнена разрушаемыми (срезаемыми) при взаимном перемещении/складывании подвижных элементов при превышении заданного порога нагрузки на сжатие амортизационного устройства, а другая часть крепежных стержней (на других уровнях) выполнена извлекаемыми из гильз разгружающей опоры - телескопической стойки за счет деформации изгиба боковых стенок эластомерного амортизатора, с которыми они скреплены, на начальном участке его рабочего хода в процессе складывания разгружающей опоры.
Для упрощения конструкции амортизационного устройства и повышения надежности его работы разгружающая опора и осевой стержень могут быть выполнены в виде единой конструкции - телескопической штанги-опоры, устанавливаемой на месте осевого стержня между основанием и дополнительной опорной поверхностью объекта. В определенных условиях возможно дальнейшее упрощение конструкции и повышение ремонтопригодности системы амортизации в целом за счет установки независимых разгружающих опор, а также установки амортизационных устройств в горизонтальном положении между боковыми стенками объекта и сооружения для компенсации бокового сдвига объекта.
Дополнительно для повышения эффективности механизма компенсации бокового сдвига объекта относительно основания с возвратом его в исходное положение на контактирующие поверхности - опорную поверхность объекта и поверхность жесткой пластины амортизационного устройства - нанесено антифрикционное покрытие либо установлены антифрикционные элементы.
Сущность изобретения поясняется чертежами и графиками (фиг. 1-19), а также фотографиями (фиг. 20-21).
На фиг. 1 представлена общая схема сейсмоизоляции объекта опорного типа на базе амортизационных устройств, варианты установки которых в составе системы амортизации приведены на фиг. 2.
На фиг. 3-6 представлена общая схема работы системы амортизации, реализующей предложенный способ сейсмоизоляции объекта, в динамике взаимодействия защищаемого объекта и основания, подвергаемого сейсмическому воздействию: фиг. 3 - исходное положение до начала воздействия, фиг. 4 - работа на сжатие, фиг. 5 - работа на сдвиг, фиг. 6 -работа на сжатие и сдвиг.
На фиг. 7 и фиг. 8 показан коробчатый эластомерный амортизатор - основной элемент для применения в амортизационных устройствах, работающий на сжатие, в исходном и рабочем (сжатом) положениях соответственно.
На фиг. 9 приведены типовые диаграммы нагружения («сила-перемещение») коробчатого эластомерного амортизатора (в начальный период эксплуатации и с учетом эффекта ползучести.
На фиг. 10-13 показано амортизационное устройство (вариант 1) для осуществления предлагаемого способа сейсмоизоляции объекта в исходном положении (фиг. 10), при боковом сдвиге (фиг. 11), при сжатии (фиг. 12), при сжатии и боковом сдвиге (фиг. 13).
На фиг. 14-17 приведен вариант 2 исполнения предлагаемого амортизационного устройства, где разгружающая опора и осевой стержень выполнены в виде единой конструкции - телескопической штанги-опоры, в исходном положении (фиг. 14), при боковом сдвиге (фиг. 15), при сжатии и боковом сдвиге (фиг. 16), при сжатии (фиг. 17).
На фиг. 18 приведена общая схема системы амортизации для варианта 3 исполнения предлагаемого амортизационного устройства с упрощенной конструкцией и установкой независимых разгружающих опор.
На фиг. 19 приведены экспериментальные временные диаграммы усилия и перемещения (сжатия) при испытаниях образцов эластомерного материала на ползучесть.
На фиг. 20-21 приведены фотографии образцов коробчатого эластомерного амортизатора в процессе их экспериментальных испытаний на сжатие.
Рассмотрим способ сейсмоизоляции объекта применительно к характеру динамики внешнего воздействия.
Способ осуществляется посредством системы амортизации опорного типа (фиг. 1), состоящей из совокупности независимых амортизационных устройств 1, установленных в сооружении (опорном контуре) на основании 2 и поддерживающих защищаемый объект 3. Варианты установки показаны на фиг. 2. Исходное положение взаимодействующих элементов при отсутствии внешнего сейсмического воздействия приведено на фиг. 3.
При этом в каждом амортизационном устройстве 1 системы амортизации обеспечивается снятие весовой нагрузки непосредственно на коробчатый эластомерный амортизатор (далее - амортизатор) 4 за счет предварительной установки жесткой (слабо деформируемой) разгружающей опоры 5.
После начала внешнего воздействия при превышении заданного порога нагрузки на амортизационное устройство 1 опора 5 разрушается/складывается и при движении основания 2 вверх и/или встречном движении объекта 3 (фиг. 4) в результате работы амортизатора 4 на сжатие и приложения к объекту 3 реакции, направленной вверх, обеспечивается торможение движения объекта 3. По окончании движения основания 2 вверх амортизатор 4, приведенный в состояние сжатия, совместно с другими амортизаторами, установленными в амортизационных устройствах системы амортизации, возвращает объект 3 в исходное положение, развивая силу, превышающую вес объекта 3.
Сейсмическое воздействие, как правило, включает в себя помимо вертикальной составляющей также и горизонтальные составляющие, приводящие к относительным боковым сдвигам основания 2 и объекта 3.
При возможном возникновении динамического зазора (фиг. 5) ограничение относительных боковых сдвигов с упругим демпфированием боковых нагрузок осуществляется через контролируемую связь 6 объекта 3 и амортизационного устройства 1. При контакте опорных поверхностей объекта 3 и амортизационного устройства 1 (фиг. 6) дополнительно используется работа на изгиб амортизатора 4, что в совокупности с применением антифрикционного покрытия контактирующих опорных поверхностей объекта 3 и амортизационного устройства 1 реализует механизм возврата объекта 3 в исходное положение относительно основания 2 (при совместной работе всех амортизаторов 4, установленных в амортизационных устройствах 1 системы амортизации).
При осуществлении заявляемого способа сейсмоизоляции в качестве основного конструктивного элемента амортизационного устройства 1 выбран коробчатый эластомерный амортизатор (в прототипе - в форме четырехугольной призмы/параллелепипеда), работающий на сжатие. Предлагаемый для использования в настоящем изобретении коробчатый эластомерный амортизатор (иначе - амортизатор, фиг. 7-8) в отличие от прототипа в зависимости от условий применения и требований к нагрузочным характеристикам, может иметь также и иную форму, в частности, форму цилиндра, усеченного конуса, призмы, усеченной пирамиды и т.п.
Кроме того, на боковых стенках 7 (в отличие от прототипа не только в их ребрах) он имеет продольные сквозные прорези 8.
Сверху к боковым стенкам 7 (к верхнему торцу 9) прикреплена жесткая пластина 10 для равномерного взаимодействия с опорной поверхностью защищаемого объекта 3. Для установки в амортизационных устройствах 1 амортизатор оснащается также ограничителем перемещений в виде рамки 11, скрепленной с боковыми стенками 7 по их контуру. Рамка 11 снабжена отверстиями 12 для крепления (например, болтами) амортизатора к основанию 2. На боковых стенках 7 выполнены снаружи утонения в форме поперечных проточек 13 для образования по всему периметру боковых стенок 7 ослабленных сечений.
Примечание. Важным ключевым обстоятельством является то, что эффективность амортизатора связана с достижением в пластических «шарнирах» значительной величины относительной деформации эластомерного материала. Исследования показали, что величина относительной деформации материала потенциально должна достигать десятков и даже сотен процентов (от 60…80% до 100…200%). А это предопределяет возникновение и развитие процессов глубокой «потери устойчивости» в конструктивных элементах, определяющих силовую упругую и диссипативную характеристики амортизатора.
В результате действия силы сжатия при внешнем воздействии амортизатор переходит в рабочее (сжатое) положение (фиг. 8). При нагрузке, близкой к рабочей (см. участок I диаграммы нагружения, фиг. 9), он деформируется за счет деформаций сжатия боковых стенок 7. При дальнейшем повышении нагрузки происходит "потеря устойчивости" (см. участок II диаграммы, фиг. 9) боковых стенок 7 и они начинают изгибаться, формируя пластические «шарниры» в околоторцевых зонах амортизатора. Повышение точности момента наступления "потери устойчивости" обеспечивается ориентацией боковых стенок 7 за счет скрепления их с рамкой 11 и наличия жесткой пластины 10, скрепленной с верхним торцом 9 боковых стенок 7 амортизатора, размерами (глубиной и шириной) и точностью выполнения утонений (поперечных проточек 13). В этом диапазоне деформации за счет снижения жесткости амортизатора и значительного диапазона рабочих ходов происходит эффективное гашение внешних воздействий больших амплитуд до десятков g.
В случае «пробоя» амортизаторов при нагрузке, превышающей рабочую нагрузку (участок III, фиг. 9), жесткий удар исключается за счет деформированных боковых стенок 7.
Усилие сжатия амортизатора формируется как суммарная сила сжатия отдельных стержней-лепестков, которые образуют из боковых стенок 7 амортизатора, выполнив в них продольные прорези 8 и сохраняя не поврежденными околоторцевые зоны.
Усилие сжатия созданных таким образом оболочковых фрагментов - стержней-лепестков регулируют, создавая в каждом из стержней-лепестков по их длине не менее трех участков (зон) образования пластических «шарниров», из которых два формируют в околоторцевых зонах и один участок формируют в центральной части стержня-лепестка, создавая на этих участках режимы «потери устойчивости» стержня-лепестка. Для этого в околоторцевых участках стержней-лепестков при сжатии амортизатора создают изгибающие моменты за счет возникновения эксцентриситета сжимающей силы при наличии проточек 13 в стержнях-лепестках с наружной стороны боковых стенок 7, что приводит к «выпучиванию» центральной части стержня-лепестка наружу и образованию там пластического «шарнира» в ходе сжатия амортизатора.
Данные технические решения прошли экспериментальные исследования с созданием опытных образцов амортизаторов различной грузоподъемности до 20 тс с рабочими ходами до 0,3…0,4 м. и использованы в приведенных ниже технических решениях по построению амортизационных устройств для осуществления способа сейсмоизоляции объектов.
Амортизационное устройство в исходном положении (до начала воздействия) представлено на фиг. 10.
Оно состоит из амортизатора с жесткой пластиной 10 и ограничителем перемещений в виде рамки 11, скрепленных соответственно сверху и снизу с боковыми стенками 7 амортизатора, выполненными со сквозными продольными прорезями 8, а также с утонениями в виде наружных поперечных проточек 13.
Между основанием 2 и опорной поверхностью объекта 3 дополнительно по продольной оси коробчатого эластомерного амортизатора для создания разгружающей связи установлена разгружающая опора 14 из жесткого (слабо деформируемого) материала (металла и т.п.). При этом длина (высота) разгружающей опоры 14 при ее установке задается несколько меньше начальной высоты боковых стенок 7 коробчатого эластомерного амортизатора в ненагруженном состоянии. Это позволяет задать допустимую в пределах заходного участка диаграммы нагружения (участок I, фиг. 9) величину сжатия под весовой нагрузкой со стороны объекта 3 и тем самым сохранить свойства эластомерного материала за счет исключения (ослабления) последствий процессов его ползучести и ускоренного старения под нагрузкой.
Исследования показали, что при длительных (от нескольких лет) статических нагрузках в нем развиваются деформации ползучести, ускоряющие процессы старения материала с изменением его характеристик. Поэтому при создании эластомерных амортизирующих устройств опорного типа возникает задача разделения функций на собственно амортизирующие функции, для чего устройство и создается, и на функцию удержания статической весовой нагрузки в течение длительного периода эксплуатации.
Для этого в устройство вводится разгружающая опора 14, которая выполняется разрушаемой/складываемой при превышении заданного порога нагрузки на амортизационное устройство вследствие сейсмического воздействия, например, в форме телескопической стойки, высота которой регулируется выдвижением ее подвижных элементов - гильз 15 (в количестве не менее двух) друг из друга, снабженных монтажными отверстиям и/или крепежными прорезями 16 для установки фиксирующих стержней. При этом по меньшей мере на одном из уровней стыковки гильз 15 устанавливаются фиксирующие разрушаемые стержни 17 (срезаемые при взаимном перемещении/складывании подвижных элементов - гильз 15 при превышении заданного порога нагрузки на сжатие амортизационного узла,), а на других уровнях устанавливаются фиксирующие самоизвлекаемые стержни 18, которые удаляются из стенок гильз 15 за счет деформации изгиба боковых стенок 7 амортизатора, с которыми они скреплены, в процессе складывания разгружающей опоры 14.
При создании устройств амортизации заметные трудности связаны с обеспечением эффективной амортизации в поперечном направлении. В первую очередь это связано с возбуждением упругих колебаний (деформаций) амортизируемого объекта при динамическом приложении сил от амортизаторов, несовпадением положения центра масс объекта с расположением опорных поверхностей (узлов) объекта, а также с прямым проникновением динамических реакций от силовых звеньев конструкции системы амортизации на объект. В известных технических решениях это ограничивает эффективность амортизационных устройств.
Введение в амортизационное устройство осевого стержня в сочетании с эластомерной мембраной, обеспечивая передачу поперечной нагрузки на объект, позволяет управлять поперечным движением объекта и компенсировать боковой сдвиг амортизаторов относительно основания, а также облегчить возврат (рецентрирование) объекта в исходное положение.
В отличие от известного решения (см. выше патент RU 2163996) внутри амортизатора между основанием 2 и опорной поверхностью объекта 3 с использованием проходного шарнира 19 установлен осевой стержень 20, проходящий через отверстие в центральной части жесткой пластины 10, в котором установлен ограничитель горизонтального перемещения осевого стержня 20 в виде эластомерной мембраны 21, которая предпочтительно имеет начальную, например, тороидальную кривизну для увеличения ее рабочего хода, с утолщениями и отверстием для прохождения осевого стержня 20.
При этом осевой стержень 20 может проходить внутрь объекта 3, например, в технологическую нишу 22, через проходной шарнир 19 с ограничением его выдвижения из объекта 3 взаимодействием проходного шарнира 19 и выступов 23 на концах осевого стержня 20, а также, в частности, иметь телескопическую конструкцию, в том числе с закреплением его нижнего конца в концевом шарнире в основании 2.
При разделении контактирующих поверхностей объекта 3 и амортизационного устройства 12 с возникновением между ними динамического зазора (фиг. 11) осевой стержень 20 выдвигается из амортизационного устройства, сохраняя таким образом связь объекта 3 с основанием 2. Возникновение относительного бокового сдвига объекта 3 и основания 2 в этом состоянии приводит к деформации эластомерной мембраны 21, что позволяет ограничить боковые сдвиги с упругим демпфированием боковых нагрузок.
При сжимающей нагрузке, близкой к рабочей зоне II (фиг. 9), амортизатор деформируется при ходе сжатия боковых стенок 7, при дальнейшем повышении нагрузки происходит «потеря устойчивости» боковых стенок 7 и они начинают изгибаться (фиг. 12). При этом осевой стержень 20 может вдвигаться в технологическую нишу 22 на объекте 3. При наличии остаточного бокового сдвига при контакте опорных поверхностей объекта 3 и амортизационного устройства (фиг. 13) дополнительно к действию эластомерной мембраны 21 используется также работа на изгиб боковых стенок 7 амортизатора, что реализует механизм возврата объекта 3 в исходное положение относительно основания 2. При этом на участках рабочего хода за счет самоизвлечения фиксирующих стержней 18 обеспечивается плавность характеристик, что позволяет существенно уменьшить динамичность нагружения в виде упругих колебаний, возникающих при разрушении/срезании фиксирующих стержней.
Упрощение конструкции амортизационного устройства и повышение надежности и эффективности его работы достигается в варианте 2 (фиг. 14-17) с интеграцией функций разгружающей опоры и осевого стержня в единой конструкции - телескопической штанге-опоре 24, устанавливаемой между основанием 2 и специально формируемой дополнительной опорной поверхностью 25 объекта 3. При этом до начала воздействия штанга-опора 24 выполняет функцию разгружающей опоры 14, а с началом воздействия штанга-опора 24 частично складывается при срезании фиксирующих разрушаемых стержней 17, и далее складывается после извлечения фиксирующих самоизвлекаемых стержней 18, устанавливаемых с использованием продольных прорезей 8 боковых стенок 7, и в дальнейшем выполняет функции осевого стержня 20 в варианте 1. При этом закрепление нижнего конца штанги-опоры 24 в концевом шарнире 26 на основании 2 позволяет существенно повысить эффективность работы амортизационного узла при поперечных (сдвиговых) формах деформации.
Восстановление исходного состояния системы амортизации после окончания сейсмического воздействия возможно путем технологических (ремонтно-восстановительных) работ с приведением высоты разгружающих опор в амортизационных устройствах к исходной начальной величине с заменой и установкой фиксирующих стержней.
При наличии необходимого пространства и конструктивных возможностей амортизационные устройства могут быть также дополнительно установлены между боковыми стенками объекта и сооружения для создания переменной силы (связи), приложенной к объекту горизонтально, и компенсации его бокового сдвига относительно основания вследствие внешнего пространственного воздействия (фиг. 18). В этом случае амортизационное устройство может быть выполнено в варианте 3, позволяющем упростить его конструкцию за счет независимой установки амортизаторов 4 (между основанием 2 и объектом 3, между боковыми стенками 27 сооружения и объекта 3) и разгружающих опор 5. Это позволяет повысить надежность и эффективность работы устройства, а также восстанавливаемость (ремонтопригодность) системы амортизации в целом.
Технико-экономический эффект предлагаемых решений в целом заключается в существенном продлении срока службы амортизационных устройств без снижения эффективности сейсмоизоляции объектов за счет исключения/предотвращения процессов ползучести и ускоренного старения основных элементов амортизационных устройств - эластомерных амортизаторов - под весовой нагрузкой. Результаты испытаний образцов из полиуретана СКУ-ПФЛ-100 при сжатии (в соответствии с ГОСТ Р 57714-2017 «Композиты полимерные. Определение ползучести при растяжении, ползучести при сжатии и разрушения при ползучести»), приведенные на временных диаграммах усилия и перемещения (фиг. 19), позволяют посредством экстраполяции рассчитать долговременные последствия ползучести. Так, в частности, за 15 лет эксплуатации коробчатого эластомерного амортизатора под весовой нагрузкой от амортизируемого объекта высота амортизатора и, соответственно, его рабочий ход из-за ползучести снизится не менее, чем на 5…10%, а с учетом сопутствующих факторов деформации конструкции/формы и ускоренного старения - на 20…50%, что, исходя из практики применения аналогичных систем, требует замены всей системы амортизации.
Использование изобретения позволяет обеспечить эффективную долговременную сейсмозащиту различных объектов (химических и атомных реакторов, центров обработки данных/дата-центров, ракет в транспортно-пусковых контейнерах, торпед и другого оборудования), размещенных в помещениях защитных сооружений, посредством построения системы амортизации, способной гасить сверхвысокие пространственные сейсмоударные нагрузки, с практически неограниченным рабочим ресурсом (сроком) эксплуатации. В настоящее время созданы опытные образцы коробчатых эластомерных амортизаторов различной грузоподъемности (до 20 тс) с рабочими ходами до 0,3…0,4 м, а экспериментальные исследования (в т.ч. статические и динамические испытания, см. фиг. 20-21) подтвердили их работоспособность и эффективность.
1. Способ сейсмоизоляции объектов, по которому между защищаемым объектом и основанием создают упруго-демпфирующие связи посредством установки амортизационных устройств, связанных с основанием, которые содержат эластомерные амортизаторы коробчатой формы, с помощью которых при внешнем пространственном сейсмическом воздействии на основание ограничивают величину передаваемых на объект динамических нагрузок, отличающийся тем, что дополнительно создают постоянно действующую разгружающую силу, которую прикладывают между основанием и объектом, добиваясь полной или частичной компенсации весовой нагрузки со стороны объекта для исключения деформации ползучести и ускоренного старения эластомерного амортизатора, а при внешнем сейсмическом воздействии при превышении заданного порогового значения обеспечивают снятие разгружающей силы и далее передают на объект усилия при деформации сжатия амортизационного устройства в соответствии с силовой характеристикой эластомерного амортизатора, при этом создают переменную силу, приложенную к объекту горизонтально для компенсации его бокового сдвига относительно основания вследствие внешнего пространственного воздействия.
2. Способ сейсмоизоляции объектов по п. 1, отличающийся тем, что разгружающую силу создают путем развития ограниченной деформации сжатия стенок эластомерного амортизатора после установки амортизационного устройства под весовую нагрузку от защищаемого объекта до достижения степени деформации, заданной длиной/высотой разгружающей связи.
3. Амортизационное устройство для сейсмоизоляции объектов, содержащее эластомерный амортизатор коробчатой формы, а также жесткую пластину для контакта с опорной поверхностью объекта и ограничитель перемещений в виде рамки для контакта с основанием, скрепленные соответственно сверху и снизу с торцами боковых стенок эластомерного амортизатора, выполненных со сквозными продольными прорезями, а также с утонением и образованием ослабленного сечения по всему периметру боковых стенок, отличающееся тем, что между основанием и опорной поверхностью объекта дополнительно по продольной оси эластомерного амортизатора для создания разгружающей силы установлена разгружающая опора из жесткого/слабо деформируемого материала, например из металла, длина/высота которой меньше начальной высоты стенок эластомерного амортизатора в ненагруженном состоянии на заданную/допустимую в пределах заходного участка статической характеристики величину сжатия под весовой нагрузкой на амортизационное устройство со стороны объекта, при этом опора выполнена разрушаемой/складываемой при превышении заданного порога нагрузки на амортизационное устройство вследствие сейсмического воздействия, кроме того, внутри разгружающей опоры соосно ей установлен осевой стержень, свободно проходящий с использованием проходного шарнира через отверстие в центральной части жесткой пластины, в котором установлен ограничитель горизонтального перемещения осевого стержня в виде эластомерной мембраны, которая предпочтительно имеет начальную кривизну, с утолщениями и отверстием для прохождения осевого стержня, выдвижение которого из объекта и из амортизационного устройства ограничивается взаимодействием проходного шарнира и боковых выступов/утолщений на концах осевого стержня.
4. Амортизационное устройство по п. 3, отличающееся тем, что разгружающая опора выполнена в форме телескопической стойки, высота которой регулируется выдвижением ее подвижных элементов - гильз друг из друга, снабженных монтажными отверстиям и/или крепежными прорезями для фиксирующих стержней, выполненных разрушаемыми/срезаемыми за счет относительного взаимного перемещения/складывания гильз при превышении заданного порога нагрузки на сжатие амортизационного устройства.
5. Амортизационное устройство по п. 3, отличающееся тем, что разгружающая опора выполнена в форме телескопической стойки, высота которой регулируется выдвижением ее подвижных элементов - гильз друг из друга, снабженных монтажными отверстиям и/или крепежными прорезями для фиксирующих стержней, при этом фиксирующие стержни по меньшей мере одного из ярусов/уровней выполнены разрушаемыми/срезаемыми за счет относительного взаимного перемещения/складывания гильз при превышении заданного порога нагрузки на сжатие амортизационного устройства, а фиксирующие стержни остальных ярусов/уровней выполнены самоизвлекаемыми из стенок гильз за счет деформации изгиба боковых стенок эластомерного амортизатора, с которыми они скреплены, на начальном участке его рабочего хода при складывании разгружающей опоры.
6. Амортизационное устройство по п. 3, или 4, или 5, отличающееся тем, что на контактирующие поверхности - опорную поверхность объекта и поверхность жесткой пластины амортизационного устройства - нанесено антифрикционное покрытие либо установлены антифрикционные элементы.
7. Амортизационное устройство для сейсмоизоляции объектов, содержащее эластомерный амортизатор коробчатой формы, а также жесткую пластину для контакта с опорной поверхностью объекта и ограничитель перемещений в виде рамки для контакта с основанием, скрепленные соответственно сверху и снизу с торцами боковых стенок эластомерного амортизатора, выполненных со сквозными продольными прорезями, а также с утонением и образованием ослабленного сечения по всему периметру боковых стенок, отличающееся тем, что между основанием и дополнительной опорной поверхностью объекта по продольной оси эластомерного амортизатора для создания разгружающей силы установлена телескопическая штанга-опора из жесткого/слабо деформируемого материала, например из металла, длина/высота которой меньше начальной высоты стенок эластомерного амортизатора в ненагруженном состоянии на заданную/допустимую в пределах заходного участка статической характеристики величину сжатия под весовой нагрузкой на амортизационное устройство со стороны объекта, и высота которой регулируется перемещением/выдвижением ее подвижных элементов - гильз относительно друг друга, снабженных монтажными отверстиям и/или крепежными прорезями для фиксирующих стержней, при этом часть фиксирующих стержней выполнена разрушаемыми/срезаемыми при взаимном перемещении/складывании гильз при превышении заданного порога нагрузки на сжатие амортизационного устройства, а другая часть фиксирующих стержней выполнена самоизвлекаемыми из стенок гильз за счет деформации изгиба боковых стенок эластомерного амортизатора, с которыми они скреплены, на начальном участке его рабочего хода в процессе складывания телескопической штанги-опоры, которая может свободно проходить с использованием проходного шарнира через отверстие в центральной части жесткой пластины, в котором установлен ограничитель горизонтального перемещения телескопической штанга-опоры в виде эластомерной мембраны, которая предпочтительно имеет начальную кривизну, с утолщениями и отверстием для прохождения телескопической штанги-опоры, выдвижение которой из объекта и из амортизационного устройства ограничивается взаимодействием проходного шарнира и боковых выступов/утолщений на ее концах.
8. Амортизационное устройство по п. 7, отличающееся тем, что нижний конец телескопической штанги-опоры соединен с основанием посредством шарнира.
9. Амортизационное устройство для сейсмоизоляции объектов, содержащее эластомерный амортизатор коробчатой формы, а также жесткую пластину для контакта с опорной поверхностью объекта и ограничитель перемещений в виде рамки для контакта с основанием, скрепленные соответственно сверху и снизу с торцами боковых стенок эластомерного амортизатора, выполненных со сквозными продольными прорезями, а также с утонением и образованием ослабленного сечения по всему периметру боковых стенок, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью установки как в вертикальном, так и в горизонтальном положении между боковыми стенками объекта и сооружения для создания переменной силы, приложенной к объекту горизонтально, и компенсации бокового сдвига объекта относительно основания вследствие внешнего пространственного воздействия, кроме того при его установке в вертикальном положении между основанием и опорной поверхностью объекта для создания разгружающей силы дополнительно установлены независимые разгружающие опоры из жесткого/слабо деформируемого материала, например из металла, длина/высота которых меньше начальной высоты стенок эластомерного амортизатора в ненагруженном состоянии на заданную/допустимую в пределах заходного участка статической характеристики величину сжатия под весовой нагрузкой на амортизационное устройство со стороны объекта, при этом каждая опора выполнена разрушаемой/складываемой при превышении заданного порога нагрузки на нее вследствие сейсмического воздействия.
