מערכת בידוד בסיס לרעידת אדמה: מתווה על עקרונות, סוגים, יתרונות ויישומים

רעידת אדמה או אדמה כשלעצמה אינה אסון, זוהי תופעה טבעית הנובעת מתנועת קרקע, לעיתים אלימה. אלה מייצרים גלי פני השטח, הגורמים לרטט של האדמה והמבנים העומדים למעלה. תלוי במאפייני התנודות הללו, האדמה עשויה לפתח סדקים, סדקים והתנחלויות. הסיכון האפשרי לאובדן חיים מוסיף מימד רציני מאוד לעיצוב סיסמי, ומטפל באחריות מוסרית על מהנדסי מבנים. בתקופה האחרונה פותחו מערכות חדשות רבות, או כדי להפחית את כוחות רעידת האדמה הפועלים על המבנה או לספוג חלק מהאנרגיה הסיסמית.
אחת ממערכות ההגנה הסיסמית המיושמות והמקובלות ביותר היא בידוד בסיס.

בידוד בסיס הוא אחת ממערכות ההגנה הסיסמית המקובלות ביותר באזורים המועדים לרעידת אדמה. זה מקטין את ההשפעה של רעידת אדמה על ידי בידוד המבנה בעיקר מתנועות קרקע שעלולות להיות מסוכנות. בידוד סייסמי הוא אסטרטגיה עיצובית, המנתקת את המבנה להשפעות המזיקות של תנועת הקרקע. המונח בידוד מתייחס לאינטראקציה מופחתת בין מבנה לקרקע.

כאשר מערכת הבידוד הסיסמית ממוקמת תחת המבנה, היא מכונה "בידוד בסיס".
המטרה הנוספת של מערכת בידוד היא לספק אמצעי נוסף לפיזור אנרגיה, ובכך להפחית את ההאצה המועברת למבנה העל. הניתוק מאפשר לבניין להתנהג בצורה גמישה יותר מה שמשפר את תגובתו לרעידת אדמה. הרעיון של בידוד בסיס מוסבר באמצעות דוגמה לבניין שנח על גלילים ללא חיכוך. כאשר האדמה רועדת, הגלילים מתגלגלים בחופשיות, אך הבניין שלמעלה לא זז.
לפיכך, שום כוח לא מועבר לבניין בגלל טלטול האדמה; פשוט, הבניין אינו חווה רעידת אדמה.

הרעיון של בידוד בסיס מוסבר באמצעות דוגמה לבניין שנח על גלילים ללא חיכוך. כאשר האדמה רועדת, הגלילים מתגלגלים בחופשיות, אך הבניין שלמעלה לא זז. לפיכך, שום כוח לא מועבר לבניין בגלל טלטול האדמה; פשוט, הבניין אינו חווה רעידת אדמה.
כעת, אם אותו בניין נח על רפידות גמישות המציעות התנגדות כנגד תנועות לרוחב, אז השפעה כלשהי של טלטול הקרקע תועבר לבניין שלמעלה.
הרפידות הגמישות נקראות מבסדי בסיס, ואילו המבנים המוגנים באמצעות מכשירים אלה נקראים מבנים מבודדים בסיס. המאפיין העיקרי של טכנולוגיית בידוד הבסיס הוא שהיא מציגה גמישות במבנה.

נדרש מחקר מדוקדק כדי לזהות את סוג המכשיר המתאים ביותר לבניין מסוים. כמו כן, בידוד בסיס אינו מתאים לכל הבניינים. המבנים המתאימים ביותר לבידוד בסיס הם בניינים נמוכים עד בינוניים מונחים על אדמה קשה מתחת. בניינים או מבנים גבוהים שנחים על אדמה רכה אינם מתאימים לבידוד בסיס.

העיקרון הבסיסי של בידוד הבסיס הוא לשנות את תגובת הבניין כך שהקרקע תוכל לנוע מתחת לבניין מבלי להעביר את התנועות הללו לבניין. לבניין נוקשה לחלוטין תהיה תקופת אפס. כאשר הקרקע תניע את ההאצה הנגרמת במבנה תהיה שווה לתאוצה הקרקעית ויהיו אפס תזוזות יחסית בין המבנה לקרקע. המבנה והאדמה נעות את אותה הכמות. לבניין גמיש לחלוטין תהיה תקופה אינסופית.
עבור סוג זה של מבנה, כאשר האדמה שמתחת למבנה נעה תהיה תאוצה אפסית הנגרמת במבנה והעקירה היחסית בין המבנה לקרקע תהיה שווה לעקירה הקרקעית. אז מבנים בלתי גמישים המבנה לא יזוז, הקרקע תעשה זאת.

דרישות בסיסיות של מערכת בידוד הן
1). גְמִישׁוּת
2). דעיכה
3). התנגדות לעומסי שירות אנכיים או אחרים.

הגנה על רעידת אדמה על מבנים בטכניקת בידוד בסיס מתאימה בדרך כלל אם מתקיימים התנאים הבאים
1. התת-קרקע אינה מייצרת דומיננטיות של תנועת קרקע ארוכה.
2. המבנה משותף למדי עם עומס עמודות גבוה מספיק.
3. האתר מאפשר תזוזות אופקיות בבסיס הסדר של 200 מ"מ ומעלה.
4. עומסים לרוחב כתוצאה מרוח הם פחות מכ- 10% ממשקל המבנה.
 

· כאשר רעידת האדמה מושפעת על מבנה הבסיס הקבוע באותה עת מבנה אינו מגן מפני רעידת האדמה.
· אך במבנה מבודד בסיס, כאשר רעידת אדמה מושפעת על המבנה בניין מגנה מפני רעידת אדמה היטב.
· במבנה קבוע, המבנה נע בתנועה קרקעית.
· במבנה מבודד, המבנה אינו זז בתנועת קרקע. אך מיסב בידוד נע בתנועה קרקעית. כך שאנו יכולים לומר שהמבנה בטוח.

מבודדים סייסמיים

מבודדים אלסטומריים
▶ מסבי גומי טבעיים ליניאריים (LNR)
▶ מסבי גומי דלילים נמוכים
▶ מסבי עופרת-גומי (LRB)
▶ מסבי גומי עשירים (HDR)

מבודדים הזזה
▶ מערכת חיכוך עמידה
▶ מערכת מטוטלת חיכוך (FPS)

אלה נוצרים משכבות אופקיות של גומי טבעי או סינטטי בשכבות דקות הקשורות בין צלחות פלדה.
לוחות הפלדה מונעים את התפיחות של שכבות הגומי ולכן המיסב מסוגל לתמוך בעומסים אנכיים גבוהים יותר עם עיוותים קטנים בלבד.
מסבים אלסטומריים רגילים מספקים גמישות אך אין דעיכה משמעותית ויעבירו תחת עומסי שירות.

1, דעיכה נמוכה מיסב גומי טבעי (LDR)
יחס דעיכה=2% עד 3%
הייצור קל.
תגובה לא טמפרטורה רגישה מאוד, קצב העמסה והזדקנות.
זן הגזירה חורג עד 100%.

2, מיסב גומי טבעי דעיכה גבוהה (HDR)
הדעיכה מוגברת על ידי הוספת פחמן פחמן דל-חוץ, שמנים או שרפים וחומרי מילוי אחרים.
זן גזירה מרבי=200 עד 350%
יחס דעיכה=10 עד 20% במתח גזירה של 100%
דעיכה אפקטיבית תלויה ב:
· מהירות העומסים
· היסטוריית טעינה
· טמפרטורה

3, מיסבי גומי עופרת (מיסב גומי למינציה) (LRB)
מיסב גומי עופרת או מיסב גומי ליבה עופרת נוצר מכוח תקע עופרת המותקן לחור מעוצב מראש במיסב אלסטומרי. גרעין המוביל מספק קשיחות תחת עומסי שירות ופיזור אנרגיה תחת עומסים לרוחב גבוהים. לוחות פלדה עליונים ותחתונים, עבות יותר מהשמורות הפנימיות, משמשות כדי להתאים לחומרת הרכבה. המיסב כולו עטוף בגומי כיסוי כדי לספק הגנה על הסביבה.
כאשר הם נתונים לעומסים לרוחב נמוכים (כמו רעידת אדמה קלה, רוח או עומסי תנועה), מיסב הגומי המוביל נוקשה לרוחב וגם אנכית.
הנוקשות לרוחב נובעת מהקשיחות האלסטית הגבוהה של תקע העופרת והקשיחות האנכית (שנשארת בכל רמות העומס) נובעות מבניית גומי פלדה של המיסב.

4, מבודדים הזזה
מערכת הבידוד השנייה הנפוצה ביותר משתמשת באלמנטים הזזה בין היסוד לבסיס המבנה.
על ידי קפיצי מתח גבוה או מיסב גומי למינציה על ידי יצירת משטח מעוקל הזזה.
מנגנונים אלה מספקים כוח שחזור להחזרת המבנה למיקום שיווי המשקל שלו.
4 א. מבודדי הזזה שטוחים (מערכת חיכוך עמידה)
שני סוגים של מבודדי הזזה שטוחים:
· עם יכולת הסירות
· ללא יכולת הסדרה
1). מבודד הזזה ללא יכולת סקר
זה מורכב משטח הזזה אופקי, ומאפשר תזוזה ובכך מפזר אנרגיה באמצעות חיכוך מוגדר בין שני רכיבי הזזה לפלדת אל חלד.
בעיה מסוימת במבנה הזזה היא העקירות הנותרות המתרחשות לאחר רעידות אדמה גדולות.
2). מבודד הזזה עם יכולת ההסברה
בהשוואה למבודדי הזזה, פנדולה של בידוד הזזה (SIPs) עם יכולת ההסברה יש צלחת הזזה קעור.
בשל הגיאומטריה, כל תזוזה אופקית מביאה לתנועה אנכית של המבודד.
האנרגיה הפוטנציאלית, המאוחסנת על ידי מבנה העל, שנדחף לפסגה, מביא אוטומטית לספק את המיסב למצב ניטרלי.
הם נשארים גמישים אופקית, מפזרים אנרגיה ומתקדמים לאחרונה במבנה העל למצב ניטרלי.

4b. מבודדי הזזה כדוריים (גלילים) (מערכת מטוטלת חיכוך) (FPS/FPB)
מערכת מטוטלת החיכוך היא מערכת בידוד הזזה בה משקל המבנה נתמך על משטחי הזזה כדוריים המחליקים זה לזה כאשר תנועת הקרקע עולה על רמת סף.

הדרישה להתקנת מערכת בידוד בסיס היא שהבניין מסוגל לנוע ביחס לאופקית לקרקע, בדרך כלל לפחות 100 מ"מ.
התצורה הנפוצה ביותר היא להתקין סרעפת מיד מעל המבודדים.
אם לבניין יש מרתף אז האפשרויות הן להתקין את המבודדים בחלקו העליון, התחתון או האמצעי של עמודי המרתפים והקירות.

1. הפחית את הביקוש הסייסמי של המבנה, ובכך הפחית את עלות המבנה.
2. תזוזות פחותות במהלך רעידת אדמה.
3. משפר את בטיחות המבנים
4. הפחית את הנזקים שנגרמו במהלך רעידת אדמה. זה עוזר בשמירה על ביצועי המבנה לאחר האירוע.
5. משפר את ביצועי המבנה תחת עומסים סייסמיים.
6. שימור רכוש

· מאתגר ליישום בצורה יעילה.
· קצבה לבניית עקירות.
· לא יעיל לבניינים בעלי קומות גבוהות
· לא מתאים לבניינים שנחים על אדמה רכה.
 

1. בידוד בסיס של גשרים
2. בידוד בסיס של מבנים חשובים
3. שיפור התגובה של מבנים היסטוריים
4. בידוד בתחום המכונות

שיטת הבידוד הבסיסית הסיסמית הוכיחה כשיטה אמינה לעיצוב עמיד בפני רעידות אדמה.
ההצלחה של שיטה זו מיוחסת ברובה לפיתוח מכשירי בידוד ותכנון נכון.
מערכות בידוד הניתנות להתאמה נדרשות להיות יעילות במהלך מגוון רחב של אירועים סייסמיים.
מאמצים נדרשים למצוא את הפתרונות לסיטואציות כמו אזורים קרובים לתקלות שבהם עלולים להתרחש מגוון רחב של תנועות רעידת אדמה.