Свойства усовершенствованных эластомеров для использования в сейсмических плотниках

Сейсмические амортизаторы являются критическими компонентами в сейсмостойких структурах, поглощающими и рассеивающими энергию, которая в противном случае вызвала бы разрушительные повреждения. Передовые эластомеры появились в качестве материала выбора для многих из этих амортизаторов, предлагая уникальное сочетание эластичности, долговечности и экологической устойчивости. Их способность подвергаться большим деформациям без постоянного набора и возвращаться к своей первоначальной форме делает их идеальными для повторной сейсмической нагрузки. В этой статье исследуются ключевые свойства передовых эластомеров, используемых в сейсмических амортизаторах, типы обычно используемых эластомеров и то, как эти материалы спроектированы для удовлетворения требовательных требований сейсмической защиты.

Ключевые свойства передовых эластомеров для сейсмического демпфирования

Для того чтобы быть эффективным в сейсмических амортизаторах, эластомер должен обладать определенным набором свойств, которые позволяют ему поглощать энергию, выдерживать повторный цикл и поддерживать производительность в течение десятилетий.Наиболее критическими из этих свойств являются высокая эластичность, отличная усталостная стойкость, стабильное поведение в температурных диапазонах и вязкоупругие характеристики, которые позволяют рассеивать энергию как через вязкие, так и эластичные механизмы.

Упругость и гибкость

Эластичность, возможно, является наиболее фундаментальным свойством для сейсмического демпфирующего эластомера. Материал должен быть способен подвергаться большим демпфирующим или компрессионным деформациям - часто превышающим 100% - и затем возвращаться к своей первоначальной форме после удаления нагрузки. Эта высокая эластичность предотвращает постоянную деформацию, гарантируя, что демпфер остается эффективным для нескольких землетрясений. Расширенные составы натурального каучука и синтетических эластомеров достигают этого посредством тщательно сшитых полимерных сетей, которые позволяют сегментарное движение при сохранении сил восстановления. Например, высокодемпфирующие резиновые подшипники, используемые в мостах и зданиях, могут без сбоев вмещать деформации сдвига до 400%.

Долговечность и сопротивление усталости

Сейсмические амортизаторы должны выдерживать от десятков до сотен циклов высокого напряжения во время одного сейсмического события и, возможно, еще много в течение срока службы структуры от незначительных движений земли, ветра и теплового расширения. Устойчивость к усталости в эластомерах определяется их способностью противостоять инициированию трещин и распространению при циклической нагрузке. Передовые эластомеры формулируются с антиоксидантами, антиозонантами и оптимизированными углеродными черными или кремнеземными наполнителями для повышения прочности на разрыв и уменьшения накопления тепла во время циклической деформации. Непрерывное тестирование в имитируемых условиях нагрузки при землетрясениях - таких как предписанные ASTM D4014 или ISO 22762 - гарантирует, что материалы могут выдерживать миллионы циклов без значительной потери жесткости или демпфирующей способности.

Температурная стабильность

Сейсмические амортизаторы устанавливаются в средах, начиная от арктического холода до пустынного тепла. Эластомер, который чрезмерно застывает при низких температурах или смягчается при высоких температурах, не обеспечит надежное демпфирование. Передовые эластомеры спроектированы для поддержания стабильных динамических свойств - модуля хранения, модуля потерь и демпфирующего отношения - в широком температурном диапазоне. Это достигается путем тщательного выбора полимерного хребта (например, натурального каучука, полиуретана или силикона) и армирующих наполнителей, которые минимизируют сдвиг температуры стеклования. Современные составы сохраняют постоянную демпфирование между -40 ° C и + 70 ° C, который охватывает практически все населенные районы на Земле.

Вязкоупругое поведение

Распределение энергии в эластомерных сейсмических амортизаторах зависит от вязкой (энергорассеивающей) и упругой (энергосберегающей) характеристик. Соотношение этих двух компонентов, количественно определяемое коэффициентом потерь (tan δ), определяет, насколько эффективно материал преобразует механическую энергию в тепло. Для оптимального сейсмического амортизации типичным является коэффициент потерь между 0,10 и 0,30, хотя некоторые высокодемпирующие резиновые соединения достигают значений выше 0,40. Вязкоупругие свойства должны быть настроены на частоту сейсмического возбуждения (обычно 0,1-10 Гц) без чрезмерной частотной зависимости. Передовые эластомеры используют смесь полимеров, пластификаторов и наполнителей для достижения широкого и стабильного вязкоупругого ответа.

Химическая устойчивость и экологическая стабильность

Воздействие озона, ультрафиолетового излучения, влаги и химических веществ может со временем ухудшить обычную резину, что приводит к растрескиванию, затвердеванию или потере адгезии к стальным пластинам. Передовые эластомеры формулируются со стабилизаторами, воском и защитными покрытиями, которые смягчают эти эффекты. Например, резина EPDM (этиленпропилендиенмономер) (FLT:2]) (неопрен) обладает отличной устойчивостью к озону и УФ, в то время как хлоропрен (неопрен) предлагает хорошую нефтяную и химическую стойкость. Для сейсмических амортизаторов, которые будут подвергаться воздействию суровых условий, таких как в прибрежных районах или промышленных зонах, выбор материала должен уделять приоритетное внимание долгосрочной химической стабильности, чтобы избежать преждевременного отказа.

Низкое усыхание и повреждение

При устойчивых гравитационных нагрузках (например, вес мостовой палубы) эластомерные подшипники могут испытывать ползучесть - постоянную деформацию, зависящую от времени. В то время как некоторый ползучесть приемлема, чрезмерный ползучесть может изменить геометрию амортизатора, изменив его жесткость и характеристики демпфирования. Расширенные эластомеры используют высокомолекулярные полимеры и оптимизированные плотности перекрестных связей, чтобы минимизировать скорости ползучести. Кроме того, наполнители, такие как углеродный черный и кремнезем, помогают уменьшить проскальзывание цепи, сохраняя ползучесть ниже 1-2% в течение срока проектирования - обычно 50 лет или более. Низкая усадка во время отверждения также обеспечивает стабильность размеров формованных подшипников.

Типы продвинутых эластомеров, используемых в сейсмических плотниках

Не все эластомеры созданы равными. Наиболее распространенными типами, используемыми в сейсмических амортизаторах, являются натуральный каучук, высоко амортизирующий каучук, полиуретан и силикон - каждый с различными преимуществами для конкретных конструкций амортизаторов и требований к производительности.

Натуральная резина (NR) и высокотемпературная резина (HDR)

Натуральный каучук остается рабочей лошадкой подшипников сейсмической изоляции из-за его выдающейся эластичности, низкого ползучести и отличной усталостной стойкости. Однако стандартный натуральный каучук часто имеет низкий коэффициент потерь (tan δ ≈ 0,05-0,10), который обеспечивает ограниченное рассеивание энергии сам по себе. Для преодоления этого, высокодемпфирующий каучук создается путем добавления наполнителей, пластификаторов и специальных сшивающих агентов к натуральному каучуку, увеличивая коэффициент потерь до 0,15-0,40. Эти HDR подшипники сочетают высокую вертикальную жесткость стальной армированной эластомерной прокладки со значительной горизонтальной гибкостью и внутренним демпфированием, устраняя необходимость в отдельных демпфирующих устройствах. Производители, такие как Bridgestone и [[FLT