Адаптивная система сейсмозащиты объектов (варианты) Российский патент 2024 года по МПК E04H9/02 

Группа изобретений относится к области машиностроения, а также строительства и горного дела, а именно к системам и устройствам активной сейсмозащиты критически важных, в том числе стратегических, объектов различного назначения, размещаемых в защитных сооружениях, например, промышленных реакторов, платформ/металлоконструкций с оборудованием и персоналом (поверхностных/заглубленных) для центров обработки данных - дата-центров большой массы и т.п., от пространственных ударносейсмических и импульсных механических воздействий кинематического характера.

Перспективным направлением обеспечения сейсмостойкости зданий и сооружений, особенно при их возведении в сейсмически-опасных районах, является применение систем активной сейсмозащиты (АСЗ), обеспечивающих снижение инерционных сейсмических нагрузок посредством сейсмоизоляции, построения адаптивных систем, систем с повышенным демпфированием, систем с гасителями колебаний /В.А. Тарасов и др. Системы сейсмоизоляции. С.-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 195251, Россия, г. С.-Петербург, Политехническая ул., 29. Строительство уникальных зданий и сооружений. ISSN 2304-6295. 2016, №4(43), с 117-140/.

Известен ряд технических решений, где в той или иной степени реализуются принципы АСЗ объектов, включая адаптивные системы и амортизационные устройства.

Так, 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 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:

Адаптивные системы сейсмозащиты - специальные конструкции в здании, которые непосредственно во время землетрясения меняют динамические характеристики конструкций, в том числе и собственные частоты. Если какие-то из собственных частот здания или сооружения близки к преобладающим частотам происходящего землетрясения, то благодаря работе адаптивных систем эти частоты меняются и "уходят" из зоны преобладающих частот землетрясения, исключая тем самым возникновение резонанса, и как следствие значительных разрушений.

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-пу сковом 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).

Системы с повышенным демпфированием - это конструкции, в которые были введены специальные элементы, увеличивающие рассеивание энергии. Увеличение диссипации энергии ведет к уменьшению сейсмических ускорений, а значит и инерционных нагрузок.

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).

Адаптивные системы сейсмозащиты начали разрабатываться в СССР с начала 60-х годов 20 века и конструктивно могут быть представлены двумя типами связей: выключающимися связями и включающимися связями.

Выключающиеся связи представляют собой конструктивные элементы (обычно раскосы, панели и т.д.) малой жесткости, которые при землетрясении разрушаются. При их отсутствии конструкция становится менее жесткой, а значит собственные частоты уменьшаются. При кажущейся простоте и удобстве устройства таких связей у них имеются два значительных недостатка. Первый заключается в том, что для безопасной эксплуатации сооружения сразу же после землетрясения разрушенные связи необходимо восстановить, а это является не всегда возможным. Второй недостаток в том, что частотный спектр при землетрясении постоянно меняется с течением времени, а значит новая частота конструкции (с уже выключившимися связями) может в какой-то последующий момент опять оказаться в диапазоне преобладающих частот землетрясения.

Включающиеся связи - это такие связи, которые не участвуют в работе конструкции до начала землетрясение. Включаются в работу эти связи лишь при землетрясении, когда перемещения конструкции достигают определенных, наперед заданных значений. Данные связи (обычно односторонние) могут быть осуществлены специальными упорами-ограничителями, установленными с зазорами, или, например, провисающими растяжками.

Известно «Устройство амортизации» (патент RU 2786579, С2 F16F 15/04, F16F 7/12, Бригадин И.В. и др., опубл. 03.10.2022) со свойствами адаптивной системы сейсмозащиты, состоящее из рессорного блока и дополнительно между объектом и грунтом жестко установленных одноразовых разрушаемых элементов, включая демпфер, обеспечивающее снижение перегрузок на амортизируемый объект, Однако оно не предусматривает регулировок и настроек силовой характеристики -диаграммы нагружения «сила-перемещение» (увеличения хода, достижения требуемой переменной жесткости) к динамике воздействия и предназначено исключительно для одноразового применения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемым техническим решениям в части адаптивной системы сейсмозащиты объектов является «Способ сейсмоизоляции объектов и амортизационное устройство (варианты) для его осуществления» (патент RU 2787418, C1 F16F 1/34, Забегаев А.И., Даштиев И.З., Тихомиров И.В. и др., опубл. 09.01.2023), где амортизационное устройство (в различных вариантах) предназначено для групповой установки в сейсмоизолирующем слое между основанием защитного сооружения/опорного контура и опорной поверхностью объекта. Оно содержит эластомерный амортизатор коробчатой (цельнолитой) формы (далее - эластомерный амортизатор), например, в виде цилиндра, а также жесткую плоскую пластину для контакта с плоской опорной поверхностью объекта и ограничитель перемещений в виде пластины-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 стойки/штанги-опоры, разрушаемой/складываемой при превышении заданного порога нагрузки на амортизационное устройство при сейсмическом воздействии, т.е. функционально представляющей собой выключающуюся связь.

Компенсация боковых смещений объекта относительно основания с возвратом его в исходное положение при воздействии пространственных внешних нагрузок, в том числе при сверхвысоких уровнях воздействия, как на сжатие, так и при поперечных (сдвиговых) формах, т.е. рецентрирование, в указанном амортизационном устройстве обеспечивается специальным узлом, 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 рецентрирования 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, сложность конструкции, высокая трудоемкость и стоимость изготовления разгружающих опор, что в совокупности с другими дополнительными элементами, введенными в амортизационное устройство для обеспечения рецентрирования, в том числе в варианте интегрированного исполнения, приводит к росту стоимости и снижению надежности амортизационных устройств и системы в целом.

Во-вторых, установка разрушаемых/складывающихся разгружающих опор телескопического типа, особенно в вариантах их установки внутри амортизационных устройств, требует проведения сложных и длительных восстановительных работ после каждого их срабатывания (что актуально для сейсмоопасных районов), т.е. обуславливает их низкую ремонтопригодность, а также ограничивает потенциально возможный ход сжатия.

В-третьих, следствием ограниченной универсальности принятой конструкции эластомерных амортизаторов - цельнолитой коробчатой формы - является необходимость построения модельного типоряда амортизаторов (по параметрам грузоподъемности и рабочих ходов) с учетом разнообразия типов объектов (по массе, габаритам, месту установки и т.д.) и динамических характеристик ожидаемого воздействия, что обуславливает ограниченные возможности адаптации силовых характеристик к новой модели воздействия и изменениям весовых параметров объекта, а также унификации изделия, и, как следствие, высокую стоимость производства.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемым вариантам технических решений в части амортизационного устройства является «Амортизационное устройство для сейсмоизоляции объектов (варианты)» (патент RU 2799276, C1 E02D 27/34, Тихомиров И.В. опубл. 04.07.2023), которое посредством групповой установки в сейсмоизолирующем слое позволяет построить систему амортизации опорного типа и в соответствии с силовой характеристикой входящих в его состав коробчатых эластомерных амортизаторов ограничивает величину передаваемых на объект нагрузок. При этом предложен вариант конструкции амортизационного устройства по принципу опор фрикционно-подвижного маятникового типа со сферической поверхностью скольжения и встроенным в жесткую пластину подвижным шарнирным ползуном для обеспечения рецентрирования, т.е. компенсации бокового сдвига объекта относительно основания при внешнем пространственном воздействии. Кроме того, для адаптации силовых характеристик применительно к вариантам конструкции предложены коаксиальные схемы - параллельная, последовательная и комбинированная - групповой установки амортизаторов. Эти решения в определенной степени позволяют повысить надежность работы за счет упрощения и унификации конструкции, а также эффективность сейсмозащиты за счет увеличения рабочего хода и достижения требуемой переменной жесткости при пространственных разнонаправленных воздействиях.

Однако этому амортизационному устройству присущи следующие существенные недостатки.

Во-первых, сложность конструкции, высокая трудоемкость изготовления, что приводит к снижению надежности и росту стоимости амортизационного устройства и системы в целом.

Во-вторых, следствием особенности используемой конструкции эластомерных амортизаторов - цельнолитой коробчатой формы - является необходимость построения модельного типоряда амортизационных устройств (по параметрам грузоподъемности и рабочих ходов) с учетом разнообразия типов объектов (по массе, габаритам, месту установки и т.д.) и динамических характеристик ожидаемого воздействия что обуславливает ограниченные возможности унификации изделий и их высокую стоимость.

Техническая проблема, на решение которой направлена группа изобретений, включающая в себя адаптивную систему и амортизационное устройство сейсмозащиты, состоит в обеспечении требований по техническим параметрам - грузоподъемности, длине хода, переменной жесткости силовой характеристики - для различных объектов и широкого спектра прогнозируемых характеристик воздействия при повышении надежности работы и снижении стоимости за счет упрощения и унификации/симплификации конструкции устройств, обеспечении ремонтопригодности и снижении трудоемкости обслуживания и эксплуатационных затрат.

Результат обеспечивается в рамках построения адаптивной системы сейсмозащиты объектов как системы амортизации опорного типа, предусматривающей независимую групповую установку в сейсмоизолирующем слое между защищаемым объектом и основанием защитного сооружения разгружающих опор из жесткого/слабо деформируемого материала, например, из металла, выполненных падающими в условиях сейсмического воздействия, и связанных с основанием амортизационных устройств фрикционно-подвижного маятникового типа со сферической поверхностью скольжения, содержащих эластомерные амортизаторы коробчатой формы, работающие на сжатие. При этом в отличие от прототипа решение этой проблемы в заявляемой системе достигается тем, что конструкция разгружающей опоры образована тремя отдельными жесткими балками-раскосами в конфигурации перевернутой треноги - поставленной вершиной вниз правильной треугольной пирамиды, нижние концы которых, образующие вершину пирамиды, свободно установлены в сектора-упоры (углубления) на фрикционно-подвижной пластине, лежащей на основании, а на верхних концах каждой балки-раскоса закреплены жесткие контактные пластины для упора в опорную поверхность объекта, фиксация которых на опорной поверхности объекта обеспечивается установкой элементов-ограничителей скольжения под действием весовой нагрузки со стороны объекта. Расфиксация происходит в условиях сейсмического воздействия в двух ситуациях: во-первых, при увеличении расстояния между опорной поверхностью объекта и основанием свыше заданной величины и, во-вторых, при превышении определенной величины нагрузки со стороны объекта. Ремонтопригодность и снижение трудоемкости обслуживания и эксплуатационных затрат достигаются за счет раздельной независимой установки разгружающих опор с резервными/восстанавливаемыми элементами - ограничителями скольжения и включающимися связями - провисающими тросовыми растяжками для ограничения падения балок-раскосов.

Результат достигается также в предлагаемых вариантах системы применительно к различным моделям сейсического воздействия: со складывающимися опорами пантографного типа (выключение при превышении определенной величины нагрузки со стороны объекта) и с падающими опорами пружинного типа (выключение при увеличении расстояния между опорной поверхностью объекта и основанием свыше заданной величины).

В отличие от известного решения предлагаемое амортизационное устройство, предназначенное для использования в адаптивной системе сейсмозащиты, содержит эластомерный амортизатор коробчатой бочкообразной формы с боковой стенкой/стенками, образованной разделенными/отдельными унифицированными упругими элементами -лепестками с зазорами между ними, форма профиля которых имеет начальную выпуклость, обеспечивающую требуемый вид силовой характеристики. При этом для формирования/адаптации силовой характеристики (грузоподъемности, длины хода, требуемой переменной жесткости) под параметры объекта и тип конструкции амортизационных устройств, а также под прогнозируемые характеристики воздействия могут варьироваться параметры лепестков - их размер, количество, конфигурация установки, степень начальной выпуклости и др.

Кроме того, амортизационное устройство выполнено в виде фрикционно-подвижной маятниковой опоры со скользящей поверхностью в виде прокладки из твердого материала с антифрикционным вкладышем в форме шарового сегмента, неподвижно закрепленной на жесткой пластине в ее центре и при горизонтальном смещении основания скользящей по сферическому участку/сегменту опорной поверхности объекта и создающей усилие для рецентрирования, причем лепестки эластомерного амортизатора могут устанавливаться рядами по параллельной квазикоаксиальной схеме и крепиться в жесткой пластине и в ограничителе перемещений-рамке как по кругу, так и по сторонам правильного многоугольника/n-угольника (n≥3).

Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 1-9), фотографиями (фиг. 10), графиками (фиг. 11, 12).

На фиг. 1 и фиг. 2 показана общая схема установки устройств адаптивной системы сейсмозащиты объектов в сейсмоизолирующем слое.

На фиг. 3 - фиг. 6 показаны конструкции выключающихся опор (для вариантов адаптивной системы): падающей треножного типа (фиг. 3), складывающейся пантографного типа (фиг. 4, фиг. 5), падающей пружинного типа (фиг. 6).

На фиг. 7 приведена принципиальная схема конструкции коробчатого бочкообразного эластомерного амортизатора одностороннего действия, работающего на сжатие (далее - эластомерный амортизатор), а на фиг. 8 - его упругого элемента - лепестка в исходном положении.

На фиг. 9 представлена конструкция амортизационного устройства с квазикоаксиальной схемой установки лепестков эластомерного амортизатора.

На фиг. 10 приведены фотографии образца эластомерного амортизатора в процессе сжатия.

На фиг. 11 и фиг. 12 приведены типовые/экспериментальные силовые характеристики - диаграммы нагружения (сжатия) «усилие - перемещение» эластомерного амортизатора.

Работа предлагаемой адаптивной системы сейсмозащиты объектов рассматривается в рамках построения (фиг. 1, 2) в сейсмоизолирующем слое 1 между основанием 2 защитного сооружения (опорного контура) и опорной поверхностью объекта 3 системы амортизации опорного типа, состоящей из двух функционально различных групп устройств:

- разгружающих опор 4, выключающихся складывающихся/падающих - при заданных динамических параметрах сейсмического воздействия;

- амортизационных устройств 5 с бочкообразными эластомерными амортизаторами одностороннего действия/сжатия, устанавливаемых на основание 2 и поддерживающих/амортизирующих защищаемый объект 3, обладающих способностью выдерживать нагрузку от собственного веса объекта 3 и обеспечивать вертикальные и горизонтальные перемещения с диссипацией энергии и способностью к рецентрированию.

В исходном положении до начала воздействия весовая нагрузка от объекта 3 распределена между разгружающими опорами 4, конструкция которых (фиг. 3) образована тремя отдельными жесткими балками-раскосами 6 в конфигурации перевернутой, т.е. поставленной вершиной вниз треноги - правильной треугольной пирамиды. Вершина пирамиды образуется нижними концами балок-раскосов 6, свободно установленными в сектора - упоры 7 в центре фрикционно-подвижной опорной пластины 8 с плоской поверхностью скольжения, лежащей на основании 2, при этом на контактирующие поверхности скольжения нанесено антифрикционное покрытие либо установлены антифрикционные элементы. На верхних концах каждой балки-раскоса 6 закреплены контактные пластины 9 для упора в опорную поверхность 10 объекта 3, фиксация которых на опорной поверхности 10 обеспечивается установкой ограничителей скольжения под действием весовой нагрузки со стороны объекта 3. В качестве вариантов таких ограничителей предлагаются упоры 11 и/или стержни - штифты 12, разрушаемые/срезаемые при превышении заданного уровня нагрузки на них в условиях воздействия. С целью регулировки/распределения нагрузки на ограничители участки 13 опорной поверхности 10 объекта 3, контактирующие с контактными пластинами 9, выполняются наклонно под углом в диапазоне от 0° до 45° к горизонтальной плоскости с возможностью образования правильной треугольной пирамиды (фиг. 3, вид А).

Модели пространственного разнонаправленного сейсмического воздействия предполагают движение основания 2 относительно защищаемого объекта 3 как в горизонтальной плоскости, так и в вертикальном направлении (как правило, сначала вниз, затем вверх).

При горизонтальных перемещениях основания 2 фрикционно-подвижная пластина 8 разгружающей опоры 4 скользит по поверхности основания 2, оставляя опору 4 в рабочем состоянии. При этом оснащение системы сейсмозащиты амортизационными устройствами 5, реализующими механизм рецентрирования, обеспечивает восстановление положения разгружающей опоры 4 на основании 2 после воздействия.

При вертикальном перемещении основания 2 вниз с разгружающей опоры 4 снимается весовая нагрузка, а при достижении заданной величины перемещения снимается фиксация контактных пластин 9 на упорах 11, после чего балки-раскосы 6 падают под собственным весом. При этом для обеспечения надежности расфиксации, особенно для варианта фиксации посредством срезаемых штифтов/стержней 12, для каждой балки-раскоса 6 предусмотрена установка троса-оттяжки 14, начальное натяжение/провисание которого, места крепления 15 на опорной поверхности 10 объекта 3 и основании 2, а также расположение такелажного кольца/проушины 16 на основании 2, определяются с учетом обеспечения надежного срабатывания и, соответственно, выключения разгружающей опоры 4 при увеличении расстояния между опорной поверхностью 10 объекта 3 и основанием 2 на заданную величину. В результате срабатывания описанного механизма выключения разгружающей опоры 4 балки-раскосы 6 падают на основание 2 и не мешают работе на сжатие амортизационных устройств 5 для сейсмозащиты объекта 3 при последующем перемещении основания 2 вверх.

В случае начала движения основания 2 вверх при включенных разгружающих опорах 4 при превышении заданного порога нагружения элементы-ограничители скольжения - упоры 11 и\или штифты/стержни 12 - разрушаются/срезаются и расфиксированные балки-раскосы 6 падают, разгружающие опоры 4 таким образом выключаются, включая в работу на сжатие/демпфирование амортизационные устройства 5.

С целью повышения ремонтопригодности/восстанавливаемости разгружающих опор 4 величина падения каждой балки-раскоса 6 может ограничиваться длиной тросового подвеса 17 к опорной поверхности 10 объекта 3. Также может быть предусмотрена установка резервных элементов-ограничителей скольжения - упоров 11 на участках 13 опорной поверхности 10 и/или штифтов/стержней 12 в контактных пластинах 9 для использования при восстановительных работах.

Для варианта адаптивной системы со складывающейся разгружающей опорой пантографного типа (фиг. 4, фиг. 5) рычаги 18 посредством осевых шарниров 19 соединены между собой, а также с использованием кронштейнов с верхней 20 и нижней 21 опорными пластинами, причем нижняя опорная пластина 21 жестко закреплена на основании 2, а верхняя опорная пластина 20 является фрикционно-подвижной относительно опорной поверхности 10 объекта с нанесением антифрикционного покрытия либо установкой антифрикционных элементов на контактирующие поверхности. Исходное положение опоры под весовой нагрузкой от объекта зафиксировано посредством двух горизонтальных тяг 22, закрепленных одним концом в соответствующем осевом шарнире, а другим концом соединенных между собой посредством стержня/штифта 23, срезаемого при превышении заданной величины нагружения (при движении основания 2 вверх в условиях сейсмического воздействия), что приводит к складыванию (выключению) опоры. Горизонтальные перемещения основания 2 не влияют на работу опоры в ее рабочем состоянии.

Вариант конструкции разгружающей опоры падающего типа (фиг. 6) представляет собой стойку 24 с жестко закрепленным на ее нижней части верхним кронштейном 25, подвижно соединенным посредством осевого шарнира 26 с нижним кронштейном 27, жестко закрепленном на основании 2 и в котором горизонтально установлен пружинный узел 28 с пружинами в сжатом между верхним 25 и нижним 27 кронштейнами состоянии, при этом для свободного поворота на осевом шарнире 26 верхний кронштейн 25 имеет скошенную форму со стороны падения опоры при движении основания 2 вниз и снятии нагружения от объекта. Регулировка высоты опоры 4 осуществляется за счет дополнительной секции 29, установленной на резьбовом соединении 30 в верхнем торце стойки 24 с нанесением антифрикционного покрытия либо установкой антифрикционных элементов 31 для обеспечения скольжения при горизонтальных перемещениях основания 2 с опорой 4.

Основной элемент амортизационных устройств 5, устанавливаемых в адаптивной системе сейсмозащиты, - коробчатый эластомерный амортизатор одностороннего действия, работающий на сжатие, имеющий бочкообразную форму, принципиальные схемы конструкции которого в исходном положении приведены на фиг. 7 и фиг. 8.

Его боковые стенки образованы упругими элементами - лепестками 32 (фиг. 8) высотой Н, разделенными зазорами. Рабочая часть лепестка 32 имеет высоту h, толщину - G, а форма профиля - начальную выпуклость с радиусами: внешним - R, внутренним - r, что обеспечивает требуемый вид силовой характеристики.

Торцы 33 лепестков 32 закрепляются в амортизационном устройстве (фиг. 7) - сверху в жесткой пластине 34, а снизу - в ограничителе перемещений - пластине-рамке 35, закрепляемой на основании 2 посредством отверстий 36 (например, болтами). Форма пластин 34 и 35 - круг/правильный многоугольник с диаметром/стороной D.

Амортизационное устройство (фиг. 9) выполнено как фрикционно-подвижная маятниковая опора со скользящей поверхностью в виде прокладки 37 из твердого материала с антифрикционным вкладышем в форме шарового сегмента 38, неподвижно закрепленной на жесткой пластине 34 в ее центре и при горизонтальном смещении основания 2 скользящей по сферическому участку/сегменту 39 опорной поверхности 10 объекта 3. и создающей усилие для рецентрирования за счет сжатия части лепестков 32 эластомерного амортизатора. Для повышения эффективности механизма рецентрирования, а также виброзащиты, дополнительно может устанавливаться вставка 40 из упругого виброизоляционного материала (например, резины).

При этом для формирования/адаптации силовой характеристики - диаграммы нагружения «сила-перемещение», включая увеличение грузоподъемности и/или изменение характера роста усилий (повышения/регулирования степени демпфирования), а также для экономии пространства лепестки эластомерного амортизатора 32 могут устанавливаться рядами по параллельной квазикоаксиальной схеме как по кругу, так и по сторонам правильного многоугольника/n-угольника (на фиг. 5 n=4), причем могут использоваться комбинации лепестков 32 различной степени выпуклости.

В результате действия силы сжатия эластомерный амортизатор переходит в рабочее (сжатое) положение (фиг. 10). Приведенным состояниям сжатия соответствует типовая силовая характеристика - диаграмма нагружения «усилие-перемещение» (фиг. 11, где участки хода: I - заходный, II - рабочий, III - резкого роста усилий). Усилие сжатия формируется как суммарная сила сжатия отдельных лепестков 32, которые образуют боковые стенки амортизатора.

При нагрузке, близкой к рабочей (участок I диаграммы, фиг. 11), происходят начальные деформации сжатия боковых стенок/лепестков 32. При дальнейшем повышении нагрузки происходит "потеря устойчивости" (см. участок II диаграммы, фиг. 11) боковых стенок/лепестков 32 и они начинают выгибаться, формируя пластические «шарниры». 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. 11), жесткий удар исключается за счет деформированных боковых стенок/лепестков 32 (см. фиг. 10).

На фиг. 12 приведены экспериментальные диаграммы нагружения образца бочкообразного эластомерного амортизатора, в том числе А - для начального («разогревающего» эластомерный материал) хода сжатия, Б - для последующих - прямых ходов сжатия, В - для обратных ходов возврата в исходное положение после снятия усилия сжатия.

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

1. Существенно упрощается конструкция и повышается надежность элементов системы сейсмозащиты - амортизационных устройств и разгружающих опор за счет их независимой установки и исключения подвижных элементов/узлов (телескопических стоек/штанг, тяг, самоизвлекаемых стержней, шарниров, мембран и др.).

2. Увеличивается потенциальный рабочий ход амортизационных устройств за счет замены складывающейся телескопической конструкции разгружающих опор на падающую конструкцию.

3. Обеспечивается высокая ремонтопригодность системы вследствие существенного снижения требований (в части доступности, сложности, длительности) к проведению восстановительных работ после каждого сейсмического воздействия (что особенно актуально для сейсмоопасных районов), снижается трудоемкость обслуживания и эксплуатационные затраты.

4. Достигается высокий уровень унификации элементов/узлов за счет использования полностью унифицированных элементов - жестких балок в разгружающих выключающихся опорах и эластомерных лепестков в коробчатых эластомерных амортизаторах при обеспечении заданных/требуемых параметров устройств (силовая характеристика, грузоподъемность, длина хода,) применительно к особенностям конкретных защищаемых объектов, как типовых, так и уникальных, и к ожидаемым динамическим характеристикам воздействия, что существенно снижает стоимость производства.

5. Расширяются возможности по адаптация силовой характеристики (увеличение рабочего хода, достижение переменной жесткости) к разнонаправленным пространственным воздействиям на защищаемый объект за счет варьирования схем установки и количества унифицированных упругих элементов - лепестков (рядами/коаксиально, в различных конфигурациях основания - круг/многоугольник, комбинации лепестков различной степени выпуклости).

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, как поверхностных, так и заглубленных, посредством построения адаптивной системы сейсмозащиты, способной гасить сверхвысокие пространственные сейсмоударные нагрузки, с практически неограниченным рабочим ресурсом (сроком эксплуатации).

В настоящее время созданы опытные образцы бочкообразных эластомерных амортизаторов на базе упругих элементов/лепестков различной грузоподъемности, длины рабочего хода и формы профиля выпуклости, а экспериментальные исследования (в т.ч. статические и динамические испытания, см. фиг. 10) подтвердили их работоспособность и эффективность.

Группа изобретений относится к системам и устройствам активной сейсмозащиты объектов, к области машиностроения, а также строительства и горного дела, а именно к системам и устройствам активной сейсмозащиты критически важных, в том числе стратегических, объектов различного назначения, размещаемых в защитных сооружениях, например, промышленных реакторов, платформ/металлоконструкций с оборудованием и персоналом (поверхностных/заглубленных) для центров обработки данных - дата-центров большой массы и т.п., от пространственных ударносейсмических и импульсных механических воздействий кинематического характера. Адаптивная система сейсмозащиты объектов предусматривает установку в сейсмоизолирующем слое между основанием и защищаемым объектом амортизационных устройств, содержащих эластомерные амортизаторы коробчатой формы с жесткими пластинами для контакта с опорной поверхностью объекта и для крепления к основанию, скрепленными соответственно сверху и снизу с торцами боковых стенок эластомерного амортизатора. На контактирующие поверхности объекта и амортизационного устройства нанесено антифрикционное покрытие либо установлены антифрикционные элементы, а также установку разгружающих опор из жесткого/слабо деформируемого материала, выполненных разрушаемыми/складываемыми в условиях сейсмического воздействия. Эластомерный амортизатор имеет бочкообразную форму с боковыми стенками, образованными разделенными зазорами унифицированными упругими элементами - лепестками, которые могут устанавливаться рядами по параллельной квазикоаксиальной схеме как по кругу, так и по сторонам правильного многоугольника/n-угольника (n≥3), и форма профиля которых имеет начальную выпуклость, обеспечивающую требуемый вид силовой характеристики. Амортизационное устройство выполнено как фрикционно-подвижная маятниковая опора со скользящей поверхностью в виде прокладки из твердого материала с антифрикционным вкладышем в форме шарового сегмента, неподвижно закрепленной на жесткой пластине в ее центре и при горизонтальном смещении основания скользящей по сферическому участку/сегменту опорной поверхности объекта и создающей усилие для рецентрирования за счет сжатия части лепестков эластомерного амортизатора. Конструкция разгружающей опоры образована тремя отдельными жесткими балками-раскосами в конфигурации перевернутой треноги - поставленной вершиной вниз правильной треугольной пирамиды с нижними концами, свободно установленными в сектора-упоры на лежащей на основании фрикционно-подвижной пластине. На верхних концах каждой балки-раскоса закреплены жесткие контактные пластины с упором и фиксацией на опорной поверхности объекта посредством установки элементов-ограничителей скольжения и расфиксацией в условиях сейсмического воздействия при снятии весовой нагрузки за счет увеличения расстояния между опорной поверхностью объекта и основанием на заданную величину и/или при превышении определенной величины нагружения со стороны объекта. Технический результат состоит в обеспечении повышения надежности и ремонтопригодности системы сейсмозащиты, степени унификации элементов/узлов при обеспечении требуемых параметров устройств применительно к типовым и уникальным объектам и ожидаемым динамическим характеристикам воздействия, снижается стоимость производства. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Адаптивная система сейсмозащиты объектов, предусматривающая установку в сейсмоизолирующем слое между основанием и защищаемым объектом амортизационных устройств, содержащих эластомерные амортизаторы коробчатой формы с жесткими пластинами для контакта с опорной поверхностью объекта и для крепления к основанию, скрепленными соответственно сверху и снизу с торцами боковых стенок эластомерного амортизатора, причем на контактирующие поверхности объекта и амортизационного устройства нанесено антифрикционное покрытие либо установлены антифрикционные элементы, а также установку разгружающих опор из жесткого/слабо деформируемого материала, выполненных разрушаемыми/складываемыми в условиях сейсмического воздействия, отличающаяся тем, что каждый эластомерный амортизатор имеет бочкообразную форму с боковыми стенками, образованными разделенными зазорами унифицированными упругими элементами - лепестками, которые устанавлены рядами по параллельной квазикоаксиальной схеме по кругу или по сторонам правильного многоугольника/n-угольника (n≥3), и форма профиля которых имеет начальную выпуклость, обеспечивающую требуемый вид силовой характеристики, при этом амортизационное устройство выполнено как фрикционно-подвижная маятниковая опора со скользящей поверхностью в виде прокладки из твердого материала с антифрикционным вкладышем в форме шарового сегмента, неподвижно закрепленной на жесткой пластине в ее центре и при горизонтальном смещении основания скользящей по сферическому участку/сегменту опорной поверхности объекта и создающей усилие для рецентрирования за счет сжатия части лепестков эластомерного амортизатора, а конструкция разгружающей опоры образована тремя отдельными жесткими балками-раскосами в конфигурации перевернутой треноги - поставленной вершиной вниз правильной треугольной пирамиды с нижними концами, свободно установленными в сектора-упоры на лежащей на основании фрикционно-подвижной пластине, а на верхних концах каждой балки-раскоса закреплены жесткие контактные пластины с упором и фиксацией на опорной поверхности объекта посредством установки элементов-ограничителей скольжения и расфиксацией в условиях сейсмического воздействия при снятии весовой нагрузки за счет увеличения расстояния между опорной поверхностью объекта и основанием на заданную величину и/или при превышении определенной величины нагружения со стороны объекта.

2. Адаптивная система по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве элементов-ограничителей скольжения, срезаемых при превышении определенной величины нагружения со стороны объекта, используются упоры, закрепленные на опорной поверхности объекта и/или штифты/стержни, соединяющие контактные пластины с опорной поверхностью объекта, при этом часть штифтов/стержней устанавливается в рабочее заглубленное положение, удерживаясь в нем под весовой нагрузкой от объекта, а другая часть устанавливается как резерв без заглубления с возможностью перевода в рабочее положение при восстановительных работах, с временной фиксацией всех штифтов/стержней уплотнительными элементами в отверстиях контактных пластин балок, кроме того, верхняя часть каждой балки-раскоса посредством троса-оттяжки, начальное натяжение/провисание которого регулируется для обеспечения падения балки при увеличении расстояния между опорной поверхностью объекта и основанием на заданную величину, соединена с опорной поверхностью объекта через такелажное кольцо/проушину, закрепленное на основании.

3. Адаптивная система по любому из пп. 1, 2, отличающаяся тем, что величина падения каждой балки-раскоса ограничивается длиной провисающей растяжки тросового подвеса к опорной поверхности объекта.

4. Адаптивная система по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что опорная поверхность объекта на участках, контактирующих с верхними концами балок-раскосов, выполняется наклонно под углом, не превышающим 45° к горизонтальной плоскости, с возможностью образования перевернутой правильной треугольной пирамиды.

5. Адаптивная система сейсмозащиты объектов, предусматривающая установку в сейсмоизолирующем слое между основанием и защищаемым объектом амортизационных устройств, содержащих эластомерные амортизаторы коробчатой формы с жесткими пластинами для контакта с опорной поверхностью объекта и для крепления к основанию, скрепленными соответственно сверху и снизу с торцами боковых стенок эластомерного амортизатора, причем на контактирующие поверхности объекта и амортизационного устройства нанесено антифрикционное покрытие либо установлены антифрикционные элементы, а также установку разгружающих опор из жесткого/слабо деформируемого материала, выполненных разрушаемыми/складываемыми в условиях сейсмического воздействия, отличающаяся тем, что эластомерный амортизатор имеет бочкообразную форму с боковыми стенками, образованными разделенными зазорами унифицированными упругими элементами - лепестками, которые установлены рядами по параллельной квазикоаксиальной схеме по кругу или по сторонам правильного многоугольника/n-угольника (n≥3), и форма профиля которых имеет начальную выпуклость, обеспечивающую требуемый вид силовой характеристики, при этом амортизационное устройство выполнено как фрикционно-подвижная маятниковая опора со скользящей поверхностью в виде прокладки из твердого материала с антифрикционным вкладышем в форме шарового сегмента, неподвижно закрепленной на жесткой пластине в ее центре и при горизонтальном смещении основания скользящей по сферическому участку/сегменту опорной поверхности объекта и создающей усилие для рецентрирования за счет сжатия части лепестков эластомерного амортизатора, а разгружающая опора представляет собой конструкцию пантографного типа, рычаги которой посредством осевых шарниров соединены между собой и с верхней и нижней опорными пластинами, причем нижняя опорная пластина жестко закреплена на основании, а верхняя опорная пластина является фрикционно-подвижной с антифрикционным покрытием либо антифрикционными элементами, при этом исходное положение опоры под весовой нагрузкой от объекта зафиксировано посредством двух горизонтальных тяг, закрепленных одним концом в соответствующем осевом шарнире, а другим концом соединенных между собой посредством стержня/штифта, срезаемого при превышении заданной величины нагружения.

6. Адаптивная система сейсмозащиты объектов, предусматривающая установку в сейсмоизолирующем слое между основанием и защищаемым объектом амортизационных устройств, содержащих эластомерные амортизаторы коробчатой формы с жесткими пластинами для контакта с опорной поверхностью объекта и для крепления к основанию, скрепленными соответственно сверху и снизу с торцами боковых стенок эластомерного амортизатора, причем на контактирующие поверхности объекта и амортизационного устройства нанесено антифрикционное покрытие либо установлены антифрикционные элементы, а также установку разгружающих опор из жесткого/слабо деформируемого материала, выполненных разрушаемыми/складываемыми в условиях сейсмического воздействия, отличающаяся тем, что эластомерный амортизатор имеет бочкообразную форму с боковыми стенками, образованными разделенными зазорами унифицированными упругими элементами - лепестками, которые установлены рядами по параллельной квазикоаксиальной схеме по кругу или по сторонам правильного многоугольника/n-угольника (n≥3), и форма профиля которых имеет начальную выпуклость, обеспечивающую требуемый вид силовой характеристики, при этом амортизационное устройство выполнено как фрикционно-подвижная маятниковая опора со скользящей поверхностью в виде прокладки из твердого материала с антифрикционным вкладышем в форме шарового сегмента, неподвижно закрепленной на жесткой пластине в ее центре и при горизонтальном смещении основания скользящей по сферическому участку/сегменту опорной поверхности объекта и создающей усилие для рецентрирования за счет сжатия части лепестков эластомерного амортизатора, а разгружающая опора представляет собой конструкцию падающего типа, включающую регулируемую по высоте стойку с закрепленным на ее нижней части верхним кронштейном, подвижно соединенным посредством осевого шарнира с нижним кронштейном, жестко закрепленном на основании и в котором установлен пружинный узел с пружинами в горизонтальном положении и сжатом между верхним и нижним кронштейнами состоянии, при этом для свободного поворота верхнего кронштейна на осевом шарнире верхний кронштейн имеет скошенную форму со стороны падения опоры.

7. Адаптивная система по п. 6, отличающаяся тем, что регулировка высоты опоры осуществляется за счет дополнительной секции, установленной на резьбовом соединении в верхнем торце стойки с нанесением антифрикционного покрытия либо установкой антифрикционных элементов для обеспечения скольжения при горизонтальных перемещениях основания.