Амортизационное устройство для сейсмоизоляции объектов (варианты) Российский патент 2023 года по МПК E02D27/34 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к системам и устройствам амортизации, предназначенным для защиты критически важных, в том числе стратегических объектов различного назначения, например, промышленных реакторов, центров обработки данных (дата-центров) и т.п., от пространственных ударных динамических нагрузок при воздействии сейсмических волн.

Известная система амортизации контейнера (патент US 5353677, C1 F41F 3/04, опубл. 11.10.1994), содержащая коробчатый, т.е. имеющий коробчатую форму, 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.

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.

Известна также «Амортизирующая система контейнера» (патент RU 2163996, C1 F41F 3/04, Барынин В.А., Даштиев И.З. и др., опубл. 10.03.2001), содержащая коробчатый 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 в местах их утонения при сжатии эластомерного амортизатора.

К недостаткам этого известного устройства 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.

Известны технические решения по построению сейсмоизолирующих элементов для объектов - зданий, сооружений («Пособие по проектированию зданий с системами сейсмоизоляции и системами динамического регулирования сейсмической реакции». ФАУ «ФЦС». 01.01.2020, разработано в развитие положений СП 14.13330, 2018), в том числе для применения в системах сейсмоизоляции, ограничивающих уровень горизонтальных сейсмических нагрузок, действующих на сейсмоизолированную часть здания.

К таковым следует отнести (см. приложение А, п.п. А.4, А.6 указанного «Пособия…»,):

- сейсмоизолирующие опоры фрикционно-подвижного типа с плоскими горизонтальными поверхностями скольжения (или плоские скользящие опоры), которые 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).

- сейсмоизолирующие фрикционно-подвижные опоры со сферическими поверхностями скольжения (или маятниковые скользящие опоры) - это скользящие опоры, в которых контактные поверхности скольжения имеют сферическую форму и имеют покрытия из материалов, обладающих заданными фрикционными свойствами.

При этом 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 здания 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.

Однако для практического применения таких устройств дополнительно требуется установка сейсмоизолирующих и демпфирующих устройств для защиты от вертикальных нагрузок.

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.

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).

Сейсмоизолирующий слой - слой, разделяющий субструктуру и суперструктуру, в пределах которого устраивается система сейсмоизоляции, как правило, в основании здания. («Пособие по проектированию зданий с системами сейсмоизоляции и системами динамического регулирования сейсмической реакции». ФАУ «ФЦС». 01.01.2020, разработано в развитие положений СП 14.13330, 2018).

Система сейсмоизоляции - совокупность устройств, используемых для обеспечения сейсмоизоляции, в том числе повышающих периоды собственных колебаний здания относительно преобладающего периода сейсмического воздействия (гибкие стойки; качающиеся опоры; резинометаллические опоры, пружинные опоры и др.), а также увеличивающих поглощение (диссипацию) энергии сейсмических колебаний здания (демпферы сухого трения; скользящие пояса; гистерезисные; вязкоупругие демпферы и др.).

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).

Центр обработки данных, или дата-центр - 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).

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).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемым техническим решениям - амортизационному устройству для сейсмоизоляции объектов (вариантам) - является амортизационное устройство («Способ сейсмоизоляции объектов и амортизационное устройство (варианты) для его осуществления» (патент RU 2787418, C1 F16F 1/34, Тихомиров И.В., опубл. 09.01.2023), устанавливаемое в (горизонтальном) сейсмоизолирующем слое между основанием защитного сооружения/опорного контура и опорной поверхностью объекта и содержащее эластомерный амортизатор коробчатой формы (далее - эластомерный амортизатор), например, в виде призмы, цилиндра, усеченного конуса, усеченной пирамиды и т.п., а также жесткую плоскую пластину для контакта с плоской опорной поверхностью объекта и ограничитель перемещений в виде рамки для крепления к основанию, 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.

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 исключения деформации эластомерного амортизатора вследствие явлений ползучести и ускоренного старения эластомерного материала под нагрузкой, приводящих к постепенной потере его упруго-демпфирующих свойств, 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 обеспечения минимального уровня нагрузок в пределах располагаемого хода в горизонтальном направлении требуется сочетание неупругого режима деформирования и наличия в системе амортизации запаса потенциальных сил, обеспечивающего восстановление исходной формы амортизаторов с возвратом объекта в окрестность исходного положения, т.е. рецентрирование. Компенсация боковых смещений объекта относительно основания при воздействии пространственных внешних нагрузок, в том числе при сверхвысоких уровнях воздействия, как на сжатие, так и при поперечных (сдвиговых) формах, в указанном амортизационном устройстве обеспечивается специальным механизмом, включающем осевой стержень, взаимодействующий с эластомерной мембраной - ограничителем его горизонтального перемещения (варианты - с интегрированным исполнением элементов - опоры и осевого стержня - как единой конструкции - телескопической штанги-опоры, и с независимыми опорами и дополнительной горизонтальной установкой амортизаторов). Для повышения эффективности механизма компенсации бокового сдвига объекта относительно основания с возвратом его в исходное положение на контактирующие (скользящие) плоские поверхности - опорную поверхность объекта и поверхность жесткой пластины амортизационного устройства -нанесено антифрикционное покрытие либо установлены антифрикционные элементы.

Однако этому устройству присущи следующие существенные недостатки.

Во-первых, дополнительные элементы, помимо эластомерного амортизатора, введенные в амортизационное устройство, а именно, разрушаемая/складываемая разгружающая опора, осевой стержень с эластомерной мембраной, в том числе в интегрированном исполнении, приводят к значительному усложнению его конструкции и, соответственно, повышению его стоимости и снижению надежности.

Во-вторых, вариант горизонтальной установки эластомерных амортизаторов связан с необходимостью существенной достройки защитного сооружения, что не всегда возможно.

В-третьих, установка разгружающих разрушаемых/складывающихся опор ведет к необходимости проведения восстановительных работ после каждого их срабатывания (что актуально для сейсмоопасных районов).

В-четвертых, ограниченные возможности (малый ход и усилие) механизма (стержень и мембрана) компенсации бокового сдвига определяют недостаточную эффективность ограничения горизонтального перемещения и обеспечения рецентрирования защищаемого объекта. Важным обстоятельством является то, что 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-пятых, следствием ограниченных возможностей принятой конструкции коробчатых эластомерных амортизаторов является невозможность адаптации силовой характеристики (увеличения хода, достижения требуемой переменной жесткости) к динамике воздействия.

Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении эффективности работы, в том числе возможностей адаптации силовой характеристики - увеличении рабочего хода, достижении требуемой переменной жесткости, и прежде всего, механизма компенсации бокового сдвига (ограничения горизонтального перемещения, демпфирования горизонтальных нагрузок и пространственных разнонаправленных воздействий) с обеспечением рецентрирования, а также повышении надежности работы за счет упрощения и унификации конструкции устройств, снижении стоимости оборудования, трудоемкости обслуживания и эксплуатационных затрат.

Результат в конечном счете достигается построением системы амортизации объекта опорного типа, состоящей из группы амортизационных устройств, устанавливаемых на основание защитного сооружения/опорного контура и поддерживающих объект, при этом работающих независимо друг от друга.

В отличие от прототипа решение этой проблемы в заявляемом устройстве достигается за счет установки амортизаторов по принципу опор фрикционно-подвижного типа с плоскими поверхностями скольжения, а именно в наклонном положении относительно плоскости основания и перпендикулярно опорной поверхности объекта, выполненной на отдельных (контактирующих) участках наклонно к горизонтальной плоскости в форме тупого двугранного угла либо n-угольной (n≥3) пирамиды (в том числе усеченной) для создания переменной силы (связи), приложенной к объекту горизонтально, и компенсации бокового сдвига объекта относительно основания вследствие внешнего пространственного воздействия.

При этом для адаптации силовой характеристики (длины хода, требуемой переменной жесткости) каждое амортизационное устройство может содержать как одиночный эластомерный амортизатор, так и группу эластомерных амортизаторов, установленных либо по параллельной коаксиальной схеме с обеспечением поочередного включения в работу ступеней - вложенных один в другой эластомерных амортизаторов, либо по последовательной коаксиальной схеме с обеспечением одновременного включения в работу ярусов - последовательно соединенных эластомерных амортизаторов, либо по комбинированной параллельно-последовательной коаксиальной схеме.

В качестве варианта предлагается установка амортизаторов по принципу фрикционно-подвижной опоры со сферическими поверхностями скольжения - одномаятниковой скользящей опоры, установленной вертикально на основании и состоящей из эластомерного амортизатора или группы эластомерных амортизаторов, скомпонованных по параллельной, последовательной или комбинированной коаксиальной схеме, с встроенным в жесткую пластину подвижным сферическим шарнирным ползуном, контактирующим посредством скольжения с вогнутым в форме части сферы участком опорной поверхности объекта, оснащенным ограждающими бортиками, ограничивающими горизонтальные перемещения ползуна. Сферические поверхности контактирующих (скользящих) элементов (шарнирного ползуна, вогнутого участка опорной поверхности объекта и места установки шарнирного ползуна в вогнутом углублении жесткой пластины) изготавливаются предпочтительно из нержавеющей стали. При этом как для плоских горизонтальных, так и сферических поверхностей скольжения предпочтительно используются покрытия из синтетических материалов, обладающих заданными фрикционными свойствами, а именно, низким значением коэффициента трения скольжения, например, политетрафторэтилен/тефлон/фторопласт/металлофторопласт /ГОСТ Р 57353-2016/EN 1337-2:2004. Опоры строительных конструкций. Ч.2. Элементы скользящие сейсмоизолирующих опор зданий. Техн. условия/.

Сущность изобретения поясняется чертежами и графиками (фиг. 1-19), а также фотографиями (фиг. 20-21).

На фиг. 1 показано типичное место установки устройств для сейсмоизоляции объекта опорного типа.

На фиг. 2 и фиг. 3 представлен коробчатый эластомерный амортизатор - основной элемент амортизационных устройств, работающий на сжатие, в исходном и рабочем (сжатом) положениях соответственно.

На фиг. 4 приведена типовая диаграмма нагружения «сила-перемещение» коробчатого эластомерного амортизатора (участки хода: I - заходный, II - рабочий, III - резкого роста усилий; типы диаграмм: А - в начальном периоде эксплуатации, Б - после длительного периода эксплуатации, где А - сдвиг вследствие эффекта ползучести).

На фиг. 5 показано соотношение сил при взаимодействии амортизационного устройства с наклонной опорной поверхностью объекта в двумерном векторном пространстве.

На фиг. 6-9 приведены принципиальные схемы взаимодействия элементов системы сейсмоизоляции (амортизационные устройства в виде наклонных амортизирующих опор с плоскими поверхностями скольжения) в исходном и рабочем (сдвиг, сжатие) положениях.

На фиг. 10 представлена параллельная коаксиальная схема установки/размещения амортизаторов в амортизационном устройстве с поочередным включением ступеней/амортизаторов, типовая диаграмма его нагружения приведена на фиг. 11.

На фиг. 12 представлена последовательная коаксиальная схема установки/размещения амортизаторов в амортизационном устройстве с одновременным включением ярусов/амортизаторов, типовая диаграмма его нагружения приведена на фиг. 13.

На фиг. 14 представлена примерная комбинированная последовательно-параллельная коаксиальная схема установки/размещения амортизаторов в амортизационном устройстве, типовая диаграмма его нагружения приведена на фиг. 15.

На фиг. 16-17 показана принципиальная схема взаимодействия элементов системы сейсмоизоляции (амортизационные устройства в виде фрикционно-подвижных амортизирующих опор со сферическими поверхностями скольжения) - одномаятниковая опора, исходное и рабочее (сдвиг, сжатие) положение соответственно.

На фиг. 18-19 приведена принципиальная схема взаимодействия элементов системы сейсмоизоляции (амортизирующие устройства в виде вертикальных и горизонтальные амортизирующих опор/упоров с плоскими поверхностями скольжения) в исходном и рабочем (сдвиг, сжатие) положениях соответственно.

На фиг. 20-21 приведены фотографии образцов коробчатого эластомерного амортизатора в процессе их экспериментальных испытаний.

Работа предлагаемого амортизационного устройства рассматривается в рамках построения в сейсмоизолирующем слое 1 системы амортизации объекта опорного типа (фиг. 1), состоящей из совокупности/группы амортизационных устройств, устанавливаемых на основание 2 защитного сооружения (опорного контура) и поддерживающих защищаемый объект 3.

Основной элемент амортизационного устройства - коробчатый эластомерный амортизатор в форме призмы, цилиндра, усеченного конуса, усеченной пирамиды и т.п. показан в исходном положении на фиг. 2. Его боковые стенки 4, выполненные со сквозными продольными прорезями 5, скреплены сверху со стороны торцов 6 жесткой пластиной 7, а снизу - ограничителем перемещений в виде рамки 8, снабженной отверстиями 9 для крепления (например, болтами) амортизатора к основанию. Для образования ослабленного сечения на боковых стенках 4 по всему периметру снаружи выполнены утонения в форме поперечных проточек 10.

В результате действия силы сжатия при внешнем воздействии (движение основания 2 вверх) амортизатор при его установке в вертикальном положении между основанием 2 и опорной поверхностью объекта 3 переходит в рабочее (сжатое) положение (фиг. 3). При нагрузке, близкой к рабочей (см. участок I диаграммы нагружения, фиг. 4), он деформируется за счет деформаций сжатия боковых стенок 4. При дальнейшем повышении нагрузки происходит "потеря устойчивости" (см. участок II диаграммы, фиг. 4) боковых стенок 4 и они начинают изгибаться, формируя пластические «шарниры» в околоторцевых зонах амортизатора. Повышение точности момента наступления "потери устойчивости" обеспечивается ориентацией боковых стенок 4 за счет скрепления их с рамкой 8 и наличия жесткой пластины 7, скрепленной с верхним торцом 6 боковых стенок 4 амортизатора, размерами (глубиной и шириной) и точностью выполнения утонений (поперечных проточек 10). 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. 4), жесткий удар исключается за счет деформированных боковых стенок 4.

Усилие сжатия амортизатора формируется как суммарная сила сжатия отдельных стержней-лепестков, которые образуются из боковых стенок 4 амортизатора за счет продольных прорезей 5. При этом в околоторцевых участках стержней-лепестков при сжатии амортизатора создаются изгибающие моменты за счет возникновения эксцентриситета сжимающей силы при наличии проточек 10 в стержнях-лепестках с наружной стороны боковых стенок 4, что приводит к «выпучиванию» центральной части стержня-лепестка наружу и образованию там пластического «шарнира» в ходе сжатия амортизатора. По окончании движения основания 2 вверх амортизатор, 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.

В то же время сейсмическое воздействие, как правило, имеет пространственную структуру и включает в себя помимо вертикальной составляющей также и горизонтальные составляющие, приводящие к относительным боковым сдвигам основания 2 и объекта 3. Для компенсации бокового сдвига объекта 3 относительно основания 2 с возвратом его в исходное положение, т.е. обеспечения рецентрирования, предлагается следующий механизм, реализуемый в конструкции амортизационного устройства (фиг. 5).

Коробчатый эластомерный амортизатор крепится наклонно посредством закрепленных на основании 2 специальных угловых упоров 11 с тем, чтобы его продольная ось и боковые стенки 4 заняли перпендикулярное положение относительно определенных специальных участков 12 опорной поверхности объекта 3, выполненных наклонно (предпочтительно под углом в диапазоне от 0° до 45°) к горизонтальной опорной поверхности 13 объекта 3, с упором/контактом посредством жесткой пластины 7

Для обеспечения скольжения на контактирующие поверхности -специальный участок 12 опорной поверхности объекта 3 и поверхность жесткой пластины 7 - наносится антифрикционное покрытие либо устанавливаются антифрикционные элементы из материала с низким значением коэффициента трения скольжения, например, политетрафторэтилена (тефлона, фторопласта, металлофторопласта).

При статическом взаимодействии амортизационного устройства с наклонной опорной поверхностью специального участка 12 (без учета остаточного трения скольжения) силу F противодействия сжатию в двумерном векторном пространстве можно разложить на вертикальную составляющую F_z (складывается из веса объекта и силы вертикальной составляющей воздействия) и горизонтальную составляющую F_x (складывается из статической силы сдвига и силы горизонтальной составляющей воздействия).

Равновесное состояние системы сейсмоизоляции (под воздействием весовой нагрузки от объекта) обеспечивается посредством симметричной установки амортизационных устройств на специальных участках 12 (фиг. 6), образующих тупой двугранный угол поз. а) фиг. 7, либо (правильную) n-угольную (n≥3) пирамиду (в том числе усеченную), поз. б), в) фиг. 7 (14 - места взаимодействия жестких пластин амортизаторов с наклонными поверхностями в исходном положении).

При горизонтальном сдвиге основания 2 при воздействии (на фиг. 8 показан сдвиг основания 2 вправо для системы из двух амортизационных устройств на тупом двугранном угле) часть амортизационных устройств срабатывает на сжатие, корректируя при восстановлении своего исходного состояния положение объекта 3 после воздействия.

При вертикальном воздействии (фиг. 9, движение основания 2 вверх) все амортизационные устройства работают на сжатие, корректируя при восстановлении своего исходного состояния (восстанавливая, возможно, частично) положение объекта 3 после воздействия.

Примечание. При смешанном пространственном воздействии работает та часть амортизационных устройств системы, на которую приходится нагружение. При контакте опорных поверхностей 12 объекта 3 и жестких пластин 7 амортизаторов дополнительно используется работа на изгиб боковых стенок 4 амортизатора, что в совокупности с применением антифрикционного покрытия контактирующих опорных поверхностей реализует механизм возврата объекта 3 в исходное положение относительно основания 2 (при совместной работе всех амортизационных устройств системы.

В зависимости от специфики защищаемых объектов, требований по ограничению величины передаваемых на объект динамических нагрузок (сил), к системе сейсмоизоляции могут предъявляться различные требования. При этом для обеспечения минимального уровня нагрузок в пределах располагаемого хода 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, т.е. рецентрирование, причем как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении.

Выполнение этих требований существенно затрудняют следующие особенности эластомерного материала - полимера.

Во-первых, это неконтролируемое снижение эффективности при продолжительной эксплуатации в условиях его применения под постоянной весовой нагрузкой вследствие явления ползучести материала, сопровождаемого также ускоренным старением, и, как следствие, деформацией эластомерного амортизатора с потерей им упруго-демпфирующих свойств (см. фиг. 4).

Во-вторых, это наличие остаточной деформации после достаточно значительных воздействий при больших относительных ходах и замедленная скорость восстановления пространственного положения под нагрузкой ввиду экспоненциального характера процесса.

Исключение или снижение влияния указанных особенностей возможно путем адаптации силовых характеристик амортизационных устройств для обеспечения необходимой длины хода с требуемой переменной жесткостью. Для решения данной задачи предложена групповая установка амортизаторов по коаксиальным схемам как в вертикальном, так и в горизонтальном положении, т.е. амортизационное устройство может содержать как одиночный эластомерный амортизатор, так и группу эластомерных амортизаторов.

Установка по параллельной коаксиальной схеме (фиг. 10) обеспечивает возможность поочередного (по мере сжатия) включения в работу ступеней -вложенных один в другой эластомерных амортизаторов, начиная с внешнего (Δ_1-2, Δ_2-3 - сдвиг по ходу между 1 и 2, 2 и 3 ступенями соответственно). Как следует из вида типовой диаграммы нагружения такой конструкции (фиг. 11), это позволяет как изменять жесткость, так и регулировать восприятие усилий при работе. При этом каждая последующая включаемая в работу ступень будет иметь относительно меньшее использование своего участка рабочего хода и, соответственно, меньшую остаточную деформацию.

Кроме того, при отсутствии или после разрушения (складывания) разгружающей опоры (см. соответствующее техническое решение по патенту RU №2787418) снижение эффективности при продолжительной эксплуатации вследствие явления ползучести и ускоренного старения материала становится контролируемым за счет постепенной поочередной деформации ступеней с потерей ими упруго-демпфирующих свойств. Это позволяет посредством установки необходимого числа ступеней обеспечить требуемый срок эксплуатации амортизационного устройства без проведения регламентных работ.

Установка по последовательной коаксиальной схеме (фиг. 12) с обеспечением одновременного включения в работу ярусов - последовательно соединенных эластомерных амортизаторов позволяет существенно повысить величину рабочего хода устройства (фиг. 13).

Установка по комбинированной параллельно-последовательной коаксиальной схеме (см. пример на фиг. 14) предоставляет возможности адаптации силовых характеристик к практическим задачам (фиг. 15).

Вариант 2 конструкции амортизационного устройства по принципу фрикционно-подвижной опоры со сферическими поверхностями скольжения приведен на фиг. 16 (исходное положение) и фиг. 17 (состояние сдвига и сжатия).

Устройство представляет собой одномаятниковую скользящую опору, установленную вертикально на основании 2 и состоит из эластомерного амортизатора 15 (группы эластомерных амортизаторов, скомпонованных по параллельной, последовательной или комбинированной коаксиальной схеме) с встроенным в жесткую пластину 7 подвижным сферическим шарнирным ползуном 16, контактирующим посредством скольжения с вогнутым в форме части сферы участком опорной поверхности 17 объекта 3, оснащенным ограждающими бортиками 18, ограничивающими горизонтальные перемещения ползуна 16.

При этом сферические поверхности контактирующих (скользящих) элементов (шарнирного ползуна 16, вогнутого участка 17 опорной поверхности объекта 3 и места установки шарнирного ползуна 16 в вогнутом углублении жесткой пластины 7) изготавливаются предпочтительно из нержавеющей стали с покрытиями из синтетических материалов, обладающих заданными фрикционными свойствами, а именно, низким значением коэффициента трения скольжения, например, политетрафторэтилена (тефлона, фторопласта, металлофторопласта /ГОСТ Р 57353-2016/EN 1337-2:2004. Опоры строительных конструкций. Ч.2. Элементы скользящие сейсмоизолирующих опор зданий. Технические условия). После сдвига и/или сжатия в результате воздействия (фиг. 17) амортизатор (группа амортизаторов) 15 восстанавливает свою форму, возвращая амортизационное устройство в исходное положение (фиг. 16) и компенсируя вертикальное и горизонтальное смещение объекта 3, т.е. работает механизм рецентрирования.

Вариант 3 конструкции амортизационного устройства с установкой амортизаторов по принципу опор фрикционно-подвижного типа с плоскими поверхностями скольжения реализуется посредством установки и крепления таких устройств как в вертикальном, так и в горизонтальном исходном положении (фиг. 18). При этом такая возможность может быть реализована только при наличии (дополнительном оборудовании) боковых вертикальных элементов 19 защитного опорного контура.

Механизмы амортизации и рецентрирования при вертикальном и горизонтальном относительном перемещении основания 2 и объекта 3 обеспечиваются работой эластомерных амортизаторов (групп амортизаторов, скомпонованных по параллельной, последовательной или комбинированной коаксиальной схеме) 15 при сжатии, а также взаимным скольжением жестких пластин 7 и горизонтальных и вертикальных опорных поверхностей объекта (фиг. 19).

Для ускорения восстановления исходной формы амортизаторов после сжатия могут быть использованы грузы, обычно устанавливаемые (закрепляемые) на защищаемом объекте 3, во-первых, для его балансировки с учетом размещения внутреннего оборудования и, во-вторых, приведения веса объекта в исходном положении в заданную точку рабочей диаграммы нагружения. На фиг. 6, 8, 9 показана установка таких грузов 20 посредством их подвешивания на тросах 21. Сжатие амортизаторов при вертикальном воздействии приводит к ослаблению удерживающих тросов 21 и уменьшению общего веса объекта за счет временного исключения веса грузов 20. Это позволяет перевести процесс восстановления сжатых амортизаторов в более благоприятный (ускоренный) режим восстановления.

Технико-экономический эффект предлагаемых решений в целом заключается в следующем.

1. Существенно упрощается конструкция амортизационных устройств за счет исключения дополнительных элементов (опор, тяг, мембран и др.) с соответствующим повышением их надежности, а также создаются возможности достижения высокого уровня их унификации.

2. Повышается эффективность (увеличение хода и усилия) механизма перемещения, демпфирование горизонтальных нагрузок и пространственных разнонаправленных воздействий и обеспечение рецентрирования защищаемого объекта.

3. Обеспечивается адаптация силовой характеристики (увеличение рабочего хода, достижение переменной жесткости) к разнонаправленным пространственным воздействиям на защищаемый объект за счет построения амортизационных устройств по коаксиальным (параллельной, последовательной, комбинированной) схемам групповой установки амортизаторов;

4. Уменьшается величина остаточной деформации и скорость восстановления амортизаторов при значительных воздействиях.

5. Обеспечивается требуемый срок службы амортизационных устройств при снижении трудоемкости обслуживания и эксплуатационных затрат за счет исключения необходимости проведения восстановительных работ после сейсмических воздействий при использования параллельной коаксиальной схемы установки амортизаторов в амортизационном устройстве, что особенно актуально для сейсмоопасных районов.

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 защитных сооружениях, посредством построения системы амортизации, способной гасить сверхвысокие пространственные сейсмоударные нагрузки, с практически неограниченным рабочим ресурсом (сроком эксплуатации). В настоящее время создана техническая база для его практического применения - 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.

Группа изобретений относится к устройствам сейсмоизоляции. Амортизационное устройство для сейсмоизоляции объектов посредством групповой установки содержит эластомерный амортизатор коробчатой формы, а также жесткую пластину и ограничитель перемещений в виде рамки. Предложена конструкция амортизационных устройств по принципу опор фрикционно-подвижного типа с плоскими поверхностями скольжения, а именно в наклонном положении относительно плоскости основания и перпендикулярно опорной поверхности объекта, выполненной на контактирующих участках наклонно к горизонтальной плоскости в форме тупого двугранного угла либо n-угольной (n≥3) пирамиды, в том числе усеченной, для создания переменной силы, приложенной к объекту горизонтально, для обеспечения рецентрирования. Также предложены конструкции с установкой амортизаторов по принципу фрикционно-подвижной одномаятниковой скользящей опоры со сферическими поверхностями скольжения, а также с установкой как в вертикальном, так и в горизонтальном положении между боковыми стенками объекта и сооружения. Для адаптации силовых характеристик применительно к вариантам конструкции предложены коаксиальные схемы - параллельная, последовательная и комбинированная - групповой установки амортизаторов. Обеспечивается повышение надежности работы и эффективности сейсмозащиты. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 21 ил.

1. Амортизационное устройство для сейсмоизоляции объектов посредством групповой установки в сейсмоизолирующем слое между основанием защитного сооружения и опорной поверхностью объекта, содержащее эластомерный амортизатор коробчатой формы, а также жесткую пластину для контакта с опорной поверхностью объекта и ограничитель перемещений в виде рамки для крепления к основанию, 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, при этом на контактирующие плоские поверхности - опорную поверхность объекта и поверхность жесткой пластины - нанесено антифрикционное покрытие либо установлены антифрикционные элементы, отличающееся тем, что каждое отдельное амортизационное устройство группы выполнено в виде опоры фрикционно-подвижного типа с плоской поверхностью скольжения, где крепление эластомерного амортизатора к основанию осуществляется через угловой упор для установки эластомерного амортизатора в наклонном положении относительно плоскости основания и перпендикулярно опорной поверхности объекта, выполняемой на контактирующих участках наклонно под углом в диапазоне от 0° до 45° к горизонтальной плоскости с возможностью образования тупого двугранного угла 90°…180° либо правильной n-угольной, n≥3, пирамиды, в том числе усеченной, для создания переменной силы, приложенной к объекту горизонтально, и компенсации бокового сдвига с рецентрированием объекта относительно основания, при этом амортизационное устройство может содержать как одиночный эластомерный амортизатор, так и группу эластомерных амортизаторов, установленных либо по параллельной коаксиальной схеме с возможностью поочередного включения в работу ступеней - вложенных один в другой эластомерных амортизаторов, начиная с внешнего, либо по последовательной коаксиальной схеме с обеспечением одновременного включения в работу ярусов - последовательно соединенных эластомерных амортизаторов, либо по комбинированной параллельно-последовательной коаксиальной схеме.

2. Амортизационное устройство по п. 1, отличающееся тем, что к объекту на тросах подвешиваются грузы, обеспечивающие требования по балансировке объекта и весовой нагрузке на каждое амортизационное устройство группы в исходном положении, которые в процессе сжатия эластомерных амортизаторов вследствие вертикального воздействия опускаются на основание.

3. Амортизационное устройство для сейсмоизоляции объектов посредством групповой установки в сейсмоизолирующем слое между основанием защитного сооружения и опорной поверхностью объекта, содержащее эластомерный амортизатор коробчатой формы, а также жесткую пластину для контакта с опорной поверхностью объекта и ограничитель перемещений в виде рамки для крепления к основанию, 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, при этом на контактирующие поверхности - опорную поверхность объекта и поверхность жесткой пластины - нанесено антифрикционное покрытие либо установлены антифрикционные элементы, отличающееся тем, что каждое отдельное амортизационное устройство группы выполнено в виде фрикционно-подвижной одномаятниковой скользящей опоры со сферическими поверхностями скольжения, установленной вертикально на основании и состоящей из эластомерного амортизатора либо группы эластомерных амортизаторов, установленных либо по параллельной коаксиальной схеме с возможностью поочередного включения в работу ступеней - вложенных один в другой эластомерных амортизаторов, начиная с внешнего, либо по последовательной коаксиальной схеме с обеспечением одновременного включения в работу ярусов - последовательно соединенных эластомерных амортизаторов, либо по комбинированной параллельно-последовательной коаксиальной схеме с встроенным в жесткую пластину подвижным сферическим шарнирным ползуном, контактирующим посредством скольжения с вогнутым в форме части сферы участком опорной поверхности объекта, оснащенным ограждающим бортиком, ограничивающим горизонтальные перемещения ползуна, при этом сферические поверхности контактирующих скользящих элементов - шарнирного ползуна, вогнутого участка опорной поверхности объекта и места установки шарнирного ползуна в вогнутом углублении жесткой пластины - изготавливаются предпочтительно из нержавеющей стали и имеют покрытия из материалов, обладающих заданными фрикционными свойствами.

4. Амортизационное устройство для сейсмоизоляции объектов посредством групповой установки как в вертикальном положении в горизонтальном сейсмоизолирующем слое, так и в горизонтальном положении в вертикальном сейсмоизолирующем слое между боковыми стенками объекта и сооружения, содержащее эластомерный амортизатор коробчатой формы, а также жесткую пластину для контакта с опорной/боковой поверхностью объекта и ограничитель перемещений в виде рамки для крепления к основанию/боковой стенке сооружения, 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, при этом на контактирующие скользящие плоские поверхности - поверхность жесткой пластины амортизационного устройства и поверхности - опорную и боковые - объекта нанесено антифрикционное покрытие либо установлены антифрикционные элементы, отличающееся тем, что амортизационное устройство может содержать как одиночный эластомерный амортизатор, так и группу эластомерных амортизаторов, установленных либо по параллельной коаксиальной схеме с возможностью поочередного включения в работу ступеней - вложенных один в другой эластомерных амортизаторов, начиная с внешнего, либо по последовательной коаксиальной схеме с обеспечением одновременного включения в работу ярусов - последовательно соединенных эластомерных амортизаторов, либо по комбинированной последовательно-параллельной коаксиальной схеме.