Имитация сейсмического воздействия на сейсмоизолирующую систему Курзанова — Семенова



Приведены и обсуждены эксперименты по имитации сейсмического воздействия на модель (макет) сейсмоизолирующей системы Курзанова — Семенова. Эффективность работы сейсмоизолирующей системы продемонстрирована сравнением объема воды, выплескиваемого из мерных стаканов, установленных на основании (фундаменте) и изолированной части системы. Опыты проведены при разных частотах колебаний основания и при различных массах ее изолированной части. Продемонстрирована сейсмоизолирующая способность системы. Показано, что с увеличением частоты (ускорения) сейсмического воздействия эффективность сейсмоизолирования возрастает.

Ключевые слова: землетрясение, сейсмостойкое строительство, трубобетонная опора, сейсмоизолирующие опоры, сейсмограмма, акселерограмма, имитация сейсмического воздействия.

Введение

Исследования в области сейсмостойкого строительства несомненно задача актуальная. Сейсмоизолирующих систем разного типа существует множество. В ряду таких систем кинематического типа находится сейсмоизолирующая система Курзанова — Семенова [1–3], опоры которой имеют трубобетонную структуру [4]. Конструктивная простота — основное преимущество сейсмоизолирующих опор Курзанова — Семенова, что определяет их высокую технологичность. Последнее свойство позволяет изготавливать их не только в заводских условиях, но и непосредственно на строительной площадке.

Данная статья является продолжением исследований [5], проводимых с помощью макетов (моделей), предоставленных авторам исследовательской группой Семенова С. М., одного из соавторов системы Курзанова — Семенова. Приведены и обсуждены эксперименты по имитации сейсмического воздействия на модель (макет) сейсмоизолирующей системы Курзанова — Семенова. Эффективность работы сейсмоизолирующей системы продемонстрирована сравнением объема воды, выплескиваемого из мерных стаканов, установленных на основании (фундаменте) и изолированной части системы. Опыты проведены при разных частотах колебаний основания и при различных массах ее изолированной части.

Основная часть

В эксперименте использовались две модели (макета) сейсмоизолирующей системы Курзанова — Семенова (рис. 1). Один макет (нижний) играет роль основания (фундамента 1) сооружения, который непосредственно воспринимает сейсмическое воздействие. Второй макет (верхний) моделирует непосредственно сейсмоизолирующую систему. Нижняя часть верхнего макета 1 — это фундамент сооружения, верхняя часть 2 — изолируемая часть сооружения (суперструктура). Суперструктура 2 передает нагрузку на основание 1 через кинематические опоры 3.

Рис. 1. Модель сейсмоизолирующей системы Курзанова — Семенова:

1 — основание (фундамент, земля); 2 — сейсмоизолированная, надземная часть (суперструктура); 3 — опора

Левая часть рисунка — фото экспериментальной установки в равновесном состоянии. Правая часть — схема установки в режиме сейсмического воздействия. На рисунке — ускорение фундамента сооружения при сейсмическом воздействии (сейсмическое ускорение), — ускорение надземной, изолированной, части сооружения (суперструктуры).

Мерные стаканы были жестко прикреплены к верхнему макету (рис. 2) в его нижней (основание) и верхней (суперструктура) частях с помощью двухстороннего скотча. Вода, залитая в стаканы, была закрашена пищевым красителем.

Рис. 2. Начальное состояние системы (до сейсмического воздействия): в верхнем и нижнем стаканах по 800 мл воды

Далее основание системы вручную приводилось в колебательное возвратно-поступательное движение, чем имитировалось сейсмическое воздействие на сооружение (рис. 3).

Рис. 3. Имитация сейсмического воздействия на сооружение

На фото, представленном на рисунке 3, можно видеть, что амплитуда колебаний воды в стакане на изолированной (верхней) части системы значительно меньше, чем в нижнем стакане, находящемся на основании, которое непосредственно воспринимает сейсмическое воздействие. Состояние системы после одного из измерений приведено на рис. 4

Рис. 4. Состояние системы после испытанного «сейсмического воздействия»

Можно видеть (рис. 4), что из стакана, находящегося на неизолированной части системы (нижней), выплеснулось гораздо больше, чем из верхнего (сейсмоизолированного) стакана. Это зримо свидетельствует о сейсмоизолирующем эффекте системы. Ускорение сейсмоизолированной части , очевидно, меньше «сейсмического» ускорения ( ).

Измерения были проведены для двух разных частот колебаний, которые были оценены приблизительно. Процесс колебаний продолжался и в обоих случаях по 1 минуте. Для удобства результаты записаны в таблицу 1.

Таблица 1

Результаты эксперимента по сейсмической имитации

Частота колебаний основания	, Гц	1,6	2,9	t=1 мин. Начальный объем воды в мерных стаканах мл. Амплитуда колебаний основания см. Масса изолированной части (верхней плоскости со стаканом с водой) M≈2,3 кг
Максимальное (амплитуда) сейсмическое ускорение	, м/с 2	2,0	6,7
Объем выплеснувшейся части воды	Низ (основание) , мл	50	300
	Верх (изолированная часть) , мл	25	25

Из таблицы можно видеть, что при большей частоте колебаний основания (частоты сейсмического воздействия) из нижнего стакана выплеснулось воды больше, чем при частоте меньшей (в рассмотренной ситуации в 12 раз больше). Тогда как из стакана на изолированной части системы выплеснулся одинаковый объем воды. Таким образом можно сделать вывод о том, что система более эффективно гасит колебания более высоких частот. С физической точки зрения (с точки зрения элементарной динамики) это кажется очевидным: верхняя часть системы, обладая инерционностью, при б о льших частотах (и, соответственно, ускорениях) все менее «успевает реагировать» на движение нижней части.

Значения ускорений (таблица 1) были оценены по формуле

,

исходя из приближения гармоничности сейсмического воздействия.

Следующий эксперимент был проведен с увеличением массы изолированной части на 8 кг ( M≈ 2,3+8≈10,3 кг). Было добавлено два диска с массой 4 кг (см. рис. 5). Эксперимент проводился на частоте, приблизительно равной 2,9 Гц (см. таблицу 1). Начальный объем воды в обоих стаканах был равен 800 мл. Продолжительность колебаний также составляла 1 мин.

Рис. 5. Состояния системы: начальное, в момент колебаний, конечное

Можно видеть, что воды в верхнем стакане выплеснулось значительно меньше. Сейсмоизоляция — эффективна! Этот результат был ожидаем и обсужден выше. Авторы ожидали также, что в верхнем стакане воды выплеснется меньше, чем в экспериментах с ненагруженной изолированной частью (таб. 1). Ожидания основывались на том, что увеличение массы и, соответственно, увеличение инерционности изолированной части, приведет к тому, что «запаздывание» колебаний изолированной части по сравнению с колебаниями неизолированной будет более ярко выражено.

Однако, повторив измерения несколько раз, убедились, что в верхнем стакане выплескивается воды больше (≈100 мл), чем в случае меньшей массы изолированной части (25 мл (см. табл. 1). Это, конечно, не дает повода утверждать, что увеличение массы суперструктуры уменьшает эффективность сейсмоизолирования с помощью рассматриваемой системы. Теоретические выкладки, выполненные в работе [6], показывают, что увеличение массы надземной части сооружения (суперструктуры), приводит к уменьшению ее ускорений при сейсмическом воздействии (при прочих равных условиях). Полученный же в данной работе результат можно объяснить следующим образом. Верхняя часть, придя в движение, из-за своей более высокой инерционности в некоторые моменты времени достигала своего максимально возможного отклонения (17 мм [5]) и при наличии значительной скорости испытывала резкую (ударного типа) остановку (благодаря удерживающей части крепления опоры). В эти моменты и происходили значительные выплески воды из верхнего стакана. Однако, стоит отметить, что в этом эксперименте и в нижнем стакане воды выплескивалось больше (≈400÷450 мл), чем при меньшей массе изолированной части (300 мл (см. табл. 1). Причины, очевидно, те же самые, что и для верхнего стакана.

Заключение

Эксперименты с моделью (макетом) сейсмоизолирующей системы Курзанова — Семенова при имитации сейсмического воздействия на нее показали:

1. высокую сейсмоизолирующую эффективность (объем выплескиваемой из стаканов, установленного на изолированной части и непосредственно воспринимающего сейсмическое воздействие, отличаются в несколько раз), что связано с уменьшением ускорения сейсмоизолированной части сооружения в сравнении с его основанием ( );
2. система более эффективно гасит колебания более высоких частот (при большей частоте отношение между объемами воды, выплеснувшейся из нижнего и верхнего (изолированного) стаканов больше).

Литература:

1. Тяпин А. Г. Плоские колебания жесткого сооружения на кинематических опорах: общий случай геометрии // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. — 2020. — № 4. — С. 41–54. — DOI 10.37153/2618–9283–2020–4–41–54. — EDN KZFLQK.
2. Тяпин А. Г. Уравнение плоских колебаний жесткого сооружения на кинематических опорах А. М. Курзанова // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. — 2020. — № 5. — С. 19–31. — DOI 10.37153/2618–9283–2020–5–19–31. — EDN DICCJY.
3. Тяпин А. Г. Плоские колебания жесткого сооружения на кинематических опорах А. М. Курзанова // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. — 2020. — № 6. — С. 27–38. — DOI 10.37153/2618–9283–2020–6–27–38. — EDN NQIZTD
4. Курзанов А. М., Семёнов С. Ю. Трубобетонная сейсмоизолирующая опора. Патент на изобретение RU 2477353 C1, 10.03.2013. Заявка № 2011126415/03 от 27.06.2011.
5. Горб П. Д., Кириллов А. М. Исследование модели сейсмоизолирующей системы Курзанова — Семенова // Юный ученый. — 2025. — № 3 (88).
6. Кириллов А. М. Исследование движения суперструктуры при сейсмическом воздействии / А. М. Кириллов, Ф. И. Сухарев, С. Ю. Семёнов [и др.] // Вестник Евразийской науки. — 2025. — Т 17. — № 1. — URL: https://esj.today/PDF/11SAVN125.pdf (дата обращения: 15.03.2025).