TW201315874A - 地震隔離系統 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示經改良之隔離地板系統及用於使用該等經改良之隔離地板系統之方法，用於保護諸如重型或精密設備(諸如實驗室或電腦設備)之一有效負載免受由於諸如地震振動等振動所致之損害。於較佳實施例中，本發明係關於隔離重型及/或敏感性物件免受地震振動之全加速度之方法。

Description

地震隔離系統
本申請案主張對2012年6月29日提出申請之美國臨時專利申請案序列號第61/502,523號之優先權，其揭示內容以引用方式併入本文中。
地震震顫(及由此等震顫所致之損害)係由地球地殼中之板塊相對於彼此之滑移所致的三種基本類型之彈性波之結果；此等波中之兩者能夠穿過岩石行進。此三種波中之第一者係主波或P波；此波係一壓縮波且沿穿過岩石及流體之行進方向直線傳播；此係最快之行進地震波。第二種波或S波通常比P波移動得慢，且其波移動係與該行進方向成直角(上下，及/或側向)。正是S波致使對結構之最多損害。
第三種類型之波係稱為一表面波，且僅限於地表面。此種類型之波具有類似於水表面上之波紋之運動。存在兩種類型之表面波。第一種稱為一洛夫(Love)波且類似於一S波之波形，其具有一側向運動而幾乎或完全沒有垂直位移；此等波可致使對物件之實質性損害，此乃因實際上所有能量皆係在一水平面內採用。第二種類型之表面波稱作一瑞利(Rayliegh)波，其類似於一海浪且可致使相對於行進方向沿垂直及水平面二者之位移。
P波及S波具有進一步影響搖動之特性：當此等波移動穿過地殼中之岩石層時，其在岩石類型之間的界面處被反射或折射。每當任一種波被折射或反射時，一種類型之某些 能量被轉換成另一種類型之波。對於一實例而言，隨著一P波向上行進並撞擊一沖積層之底部，其部分能量將作為一P波向上通過該沖積層且部分能量將作為經轉換之S波運動向上傳遞。此意指一既定位置中之搖動方向(例如左右、前後、或對角地)通常不可完全預測，此乃因搖動方向取決於各種因素，包含波行進方向及其中將經歷該搖動之大體位置中之地殼性質(例如密度及同質性)。而此地殼性質又取決於其斷裂已致使該等波之斷層位置。
傳統上一直利用兩種方法來防止或限制由於地震事件所致之對物件或有效負載之損害或傷害。在特定用於結構本身之第一種方法中，將該等物件或有效負載製作得足夠強固以經受住最大預期地震。然而，除由高振幅且長持續時間之震顫所致的損害以及搖動之方向性之相對不可預測性外，此方法之使用本身可係相當昂貴的，且未必適合於將包封於一結構內之有效負載。
在第二種方法中，將該等物件與振動隔離以使得該等物件不經歷該地震波之一主要部分。於某些情況下，已使用或推薦隔離地板，舉例而言「地震隔離地板」。此種地板通常已包括以下特徵中之某些或全部之一組合：一滑板；一支撐框架，其可滑動地安裝於該板上且其間插入有低磨擦元件；複數個彈簧及/或軸嚮導件，其水平地安置於該支撐框架與該板之間；一地板，其透過垂直安置之彈簧安裝於該支撐框架上；若干減震器，其垂直安置於該支撐框架與該地板之間；及一彈簧栓，其用於在正常使用期間固 定該等垂直彈簧。
此等預存在系統之某些缺點包含以下事實：難以建立藉以釋放彈簧栓構件之最小加速度；難以在釋放地板之後重設彈簧栓構件；可難以在地板一旦已沿水平方向移動之後旋即恢復該地板；必須對每一有效負載重新校準耗散力或阻尼力；存在在垂直彈簧上搖擺之一危險；且由於不能關於水平彈簧忽略垂直彈簧之橫向剛度，因此使得難以建立水平彈簧及估計其效果。
Ishida等人之美國專利第4,371,143號已提議一種滑動型隔離地板，其包括長度調整構件用於藉由調節彈簧之長度來部分地預設起始地板之隔離效應所需之最小加速度。
Yamada等人之美國專利第4,917,211號揭示一種滑動型地震隔離器，其包括：一摩擦裝置，其具有一上部摩擦板及一下部摩擦板，該等摩擦板具有庫侖摩擦之一特性；及水平放置彈簧，其將一相對位移及一殘餘位移減小至低於一所期望值。上部摩擦板包括用油浸漬之一材料，而一下部摩擦板包括一硬鉻或鎳板。
Stahl(美國專利第4,801,122號)揭示一種用於保護(例如)藝術品、儀器、外殼或突出殼體之地震隔離器，其包括連接至一地板及一框架之一基底板。一移動樞轉桿連接至框架中之一彈簧及連接至該基底板。物件係放置於框架頂部上。地基及基底板相對於框架及物件之移動致使該桿之壓縮及彈簧之伸展，然後此透過錨定至基底板之一纜線施加一恢復力；由於基底板與框架之間的摩擦力而致使對慣性 之初始阻力。
Kondo等人之美國專利第4,662,133號闡述一種用於其上放置有物件之地震隔離之地板系統，其包括：一地板，其安置於一地基上方；複數個支撐部件，其用於以准許地板沿一水平方向相對於地基移動之方式支撐地板；及若干恢復裝置，其包括安置於該地基與該地板部件之間的彈簧。該等恢復部件包括：兩對可滑動部件，每一對可滑動部件皆可朝向彼此及背離彼此地移動，其中每一對可滑動部件皆安置成在水平面中彼此成直角。
Stiles等人之美國專利第6,324,795號揭示一種在一地板與一地基之間的地震隔離系統，其包括安置於一地板與複數個地基襯墊或支座之間的複數個球形接頭及套節接頭。於此隔離裝置中，軸承包括附接至一硬化彈性材料(或一彈簧)之一可移動接頭；該彈性材料附接於該球形及套節接頭之一上部表面上且因此夾在該地板與該球形及套節接頭之間；該軸承因此回應於垂直移動而相對於地板傾斜。該地板因此能夠調節由於地基支座下方地面之變形所致的扭曲壓力。然而，所揭示之裝置並非設計用來以一抗加速度方式水平移動。
Fujimoto之美國專利第5,816,559號揭示一種相當類似於Kondo之裝置以及各種其他裝置之地震隔離裝置，包含其中以類似於一圓珠筆滾球之方式將一滾球安置於自地板向下突出之一支柱之尖端上之裝置。
Bakker之美國專利第2,014,643號係關於一種用於建築物 之平衡塊，其包括對置之內凹表面，其中將一軸承滾球定位於該等表面之間以支撐一建築物上部結構之重量。
Kemeny之美國專利第5,599,106號揭示球錐形(ball-in-cone)軸承。Kemeny之美國專利第7,784,225號揭示含納滾球隔離軸承之地震隔離平臺。Hubbard等人在2007年3月30日提出申請之美國專利公開案2007/0261323揭示一種用於隔離一有效負載之方法及架空活動地板結構，該有效負載係放置於該架空活動地板結構上。隔離軸承係在2011年3月4日提出申請之美國專利申請案序列號第13/041,160號及Moreno等人之國際專利申請案第PCT/US11/27269號中揭示。
不管任何特定引用是否明確地指示為以引用方式併入本文中，此專利申請案中引用之所有專利、專利申請案及其他公開案皆藉此以全文引用方式併入本文中作為此揭示內容之部分。
本發明旨在振動隔離組件(較佳地具有工業用量規)，用於輔助防止由於在一地震震顫或其他振動誘發事件期間之工業結構、重型結構或珍貴、昂貴及/或精密物件及設備(舉例而言，包含電腦設備，諸如伺服器及硬碟機陣列)之位移所致的人身傷害、設備操作無效率及/或財產損害。
由此系統支撐之設備可包括(但不限於)工業製造、處理或封裝設備；裝配線組件；電腦組件，諸如主機電腦、機器人或半機器人設備之電腦組件；電子設備，諸如直流發 電機及類似裝置；實驗室及醫院設備；有害化學物質儲存櫃(因此防止可能傷害、爆炸、火災及諸如此類)；藝術品(諸如但不限於，雕塑及油畫)；機械；人；及諸如此類。共同地，將在本文中將欲由瞬時地震隔離系統保護免受損害或傷害之材料、物件及結構稱為「有效負載」。
本發明因此提供重載工業振動隔離或地板系統以減弱或減少有效負載所經歷之振動能量或加速度之量。就「減少」一有效負載所經歷之振動、振動能量、加速度或位移而言意指此減少係相對於一未經隔離有效負載所經歷之彼振動、振動能量、加速度或位移。
較佳地，本文闡述及主張之隔離系統在由一地基、底板(諸如一水泥或混凝土底板或襯墊)或地板支撐時，並非該術語之通常意義上之一「經抬升」地板系統，此乃因較佳隔離系統並不設計用於在支撐板下方提供接近空間以便為機械及電服務(諸如冷卻或加熱系統)之通行、設備連接(諸如電力或資料電纜或管道)形成一隱藏孔洞。因此，不同於先前所述之其他系統，本系統並非使用可調整高度或固定支撐件或底座(地板位於其上)之一地板下結構來設計。如本文使用之術語「底座」意指(舉例而言)大於約6英吋或係約12英吋或約18英吋或約24英吋或更多一向上或向下突出柱，其具有在其一端部處接合之一附接隔離軸承半體(面向上或面向下)且在支撐板下方形成一接近空間。
就「地基」而言意指本發明之隔離系統之底部部分位於其上之一基底，其適合地足夠強固以穩固地支撐所主張之 工業隔離系統及有效負載兩者。儘管並非總是如此，但在一項較佳實施例中，將其上支撐有該隔離系統之地基定位於低於周圍地板或基底之平面處，以使得其上放置有該有效負載之一支撐板或支撐面板與周圍地板或基底係在實質上相同的水平面或平面。在特定較佳實施例中，該地基包括一凹部或一溝槽或係包括於該凹部或溝槽內，其中該凹部或溝槽具有以下之一水平面：低於周圍地板或基底之平面之水平面且平行於周圍地板或基底之平面。
在本發明之一主要特徵中，隔離系統包括一強固框架(舉例而言，使用諸如工字樑型材之桁樑型材之一重載框架)或係由該強固框架支撐，其上安裝及接合有一水平支撐板或支撐面板之底部表面。該支撐板之頂部表面容納欲隔離之有效負載。該支撐板經製造以具有一高整合強度，且在負載下抗彎曲或抗裂斷。舉例而言，支撐面板或支撐板可係完全地或部分地由一或多個金屬板材製造。構成該支撐面板之替代或額外材料可包含金屬支柱或樑、碳纖維複合物、纖維玻璃、木材、混凝土、熱聚合物及熱聚複合物及諸如此類。儘管通常為實心，但在某些實施例中，支撐板或支撐面板可包括一開口(舉例而言，一柵格化或蜂巢型結構)，以在實質上不犧牲結構強度之情況下減少重量。
支撐該支撐面板或支撐板之框架又藉由複數個隔離軸承支撐於地基(例如，混凝土底板或襯墊)上，每一此種軸承包括由相對之凹入上部軸承表面與凹入下部軸承表面(其 係由至少一個剛性球面球分離且含納該至少一個剛性球面球)界定之一腔。該隔離系統上之有效負載之重量係由包括至少一個凹表面或凸表面之此等軸承承載，每一此種軸承包括一球體。較佳地，該軸承係一球錐軸承，或包括一軸承表面，其中該軸承表面包括不同剖面形狀。該系統適於支撐該有效負載之特定方式受製於多種變化形式中之任一者，但所有此等變化形式皆涵蓋於本發明內。
在特定較佳實施例中，軸承表面腔之剖面輪廓包括含有至少一個線性區域之一複合形狀。在其他實施例中，該等軸承表面腔之剖面輪廓包括含有至少一個彎曲區域之一複合形狀。在最佳之實施例中，軸承表面腔之剖面輪廓包括含有至少一個線性區域及至少一個彎曲區域之一複合形狀。
本發明隔離系統能夠承載介於自數百磅至數噸或更多之範圍內之有效負載。在較佳實施例中，隔離平臺充分強固以承載一噸或多噸、或十噸或更多之有效負載質量。就「有效負載質量」或「有效負載重量」而言意指同時放置於隔離系統上之所有物件之組合質量。
有效負載通常包括工業設備(諸如製造設備、產品處理設備、封裝設備)、電腦設備(諸如伺服器及硬磁碟機陣列)及/或諸如此類。有效負載可額外地或替代地包括一建築物或其他此種結構或其部分之結構組件。
本發明可用於結構支撐及地震穩定化領域中，諸如用於包括重型結構、建築物、橋樑及其他大型建築之有效負 載。在當前較佳態樣中，本發明可用於支撐及穩定個別設備，諸如製造、實驗室、電腦、產品處理及/或封裝設備、電腦設備及/或其他珍貴裝置免受原本可損害此種設備之振動(包含但不限於地震振動)。
如先前所指示，一地基可存在於不同於一地平面之一水平面處。在不限定本發明之範疇之情況下，該地基通常將包括在一結構之一地平面處之一連續混凝土底板或其他底板或其上建造有一連續混凝土底板或其他底板，或可被抬升至高於地平面在一襯墊上；在其他實施例中，一地基可包含在基底或地板水平面處之一凹部，以使得上文所指示之水平支撐面板可實質上與此基底水平面或地板水平面相齊平，如本文進一步闡述。該基底水平面或地板水平面可包含一預存在之地板或底板，或定製之地板或底板，且此地板可存在於一地平面處、低於地平面或在該地板含納於其中之建築物之一第二或更高樓層水平面處。
因此，在一項較佳實施例中，本發明包括一種用於支撐一有效負載之地震隔離系統，該地震隔離系統包括：a)一水平定向之支撐面板，其具有一頂部表面及一底部表面，其中該支撐面板經結構化以支撐放置於其頂部表面上之有效負載；b)一剛性框架，其接合至該地板面板且經結構化以支撐該地板面板及有效負載；c)複數個面向下隔離軸承半體，其接合至該第一框架之底部側，其中每一面向下軸承半體包括一面向下之凹入軸承表面；d)複數個地震隔離墊板，每一墊板包括一面向上軸承半體，該面向上軸承半 體包括一凹入之面向上軸承表面，其中該等墊板中之每一者穩固地接合至一地基且該等墊板中之每一者之面向上凹入軸承表面與一對應面向下軸承半體之一第二面向下凹入軸承表面相對且在其間界定一腔；e)至少一個剛性球，其定位於此等該腔中之每一者中，該球體經結構化為充分強固以在操作期間維持面向下軸承半體與面向上軸承半體之間的一間隙；且其中在一地震振動之事件中，每一地震軸承半體相對於其對應相對墊板移動，藉此緩衝該有效負載免受該地震振動之全力。
在一項實施例中，水平支撐面板包括一單個面板板材或複數個面板板材。於此實施例中，該板材可包括一或多個開口以減小面板之質量，或其可係實心的。支撐面板可包括一實質上同質材料或若干材料之混合物，或可包括不同材料之若干層(或材料之混合物)，諸如呈一積層。在不限定之情況下，舉例而言，支撐面板可包括一金屬合金、木材、熱塑塑膠、玻璃棉、聚合樹脂、碳纖維及/或類似材料中之任一者或每一者之一或多個層，因此賦予支撐面板一高強度及結構完整性程度一較佳地同時將支撐板之質量合宜地維持為低。
在本發明之一較佳實施例中，框架包括剛性、交叉伸長支撐部件之一網狀結構，且其中該複數個面向下地震隔離軸承半體中之每一者在該等伸長部件之一交叉點處接合至該框架之底部側。在一重要且較佳實施例中，框架係由能夠以諸多方式連接之結構部件(諸如工字樑節段)製成，以 使得本發明之隔離系統可經修整以適合所要求空間且容納欲隔離之不同大小及重量之有效負載。工字樑通常至少部分地係金屬的，且可包括鐵、鋁、鈦、碳、錫、銅及/或各種金屬合金(諸如鋼)。
在一較佳實施例中，框架係螺栓固定至地板面板之底部表面。在另一實施例中，該框架可係焊接至地板面板之底部表面。
本發明之地震隔離軸承包括兩個大體一致之凹入軸承表面半體：一面向上凹入軸承表面，其係包括於一墊板中或接合至該墊板，及一面向下軸承表面，其係接合至上文所述之框架。用於保護一有效負載免受由於地震振動所致的損害之隔離軸承通常經組態以支撐一大致最小負載，亦即正支撐之結構之重量。
就此而言，在某些實施例中，防止地震隔離軸承內之剛性球在一特別強烈震顫期間滾出該軸承以便防止軸承之故障或對所支撐之有效負載之損害可係所期望的。因此，在本發明之一項實施例中，面向上及面向下凹入軸承表面中之至少一者(且較佳地，兩者)具有經調適以防止該等剛性球移動出對應腔之一環形輪緣。在一較佳實施例中，在不存在地震振動時，一對面向上及面向下凹部中之每一者之環形輪緣在擱置位置中並不彼此接觸。該不接觸防止藉由隔離軸承半體在使用期間相對於彼此之移動而產生之摩擦力。
本發明隔離系統之地震隔離軸承，其中每一軸承利用在 相對之面向上凹入負載軸承表面及面向下凹入負載軸承表面內形成之一腔內之至少一個剛性球。
可就軸承吸收及儲存由於地震活動或其他外部施加力所致的位移能量因此緩衝所支撐有效負載免受由於此位移所致的損害之能力而言來闡述本發明之「滾球」型隔離軸承之保守性狀。將瞭解，此一剛性球本身可稱為一軸承(諸如一球軸承)，或可將該剛性球與支撐凹入軸承表面之組合一起稱為一軸承。於此說明中，通常應將措辭「軸承」留作整個總成所用；然而，在某些場合中，諸如透過使用諸如「球軸承」、「滾動軸承」或「球面軸承」之術語，上下文可明確表示將剛性球本身稱為一軸承。
剛性球通常係由金屬(諸如不銹鋼)製成，但亦可由任一充分剛性材料製成，包含一聚合物，諸如一塑膠、一硬橡膠及諸如此類。熟習此項技術者將意識到，與類似剛度之一軸承表面進行接觸之一硬、剛性球(諸如一不銹鋼球)將在一單個點處進行接觸(因此在相對之凹入軸承表面之腔內之兩個點處)，藉此使得由於摩擦而丟失之能量最小。
另一選擇係，若一定程度之阻尼係所期望的，則可使得一或多個球及/或一或多個軸承表面具有一增加的摩擦係數(諸如具有一柔性橡膠、塑膠或諸如此類之一表面塗層；或藉由使得球或軸承表面之全部或部分由此一阻尼材料製成)。
在一項特定實施例中，當前所主張發明包括下述地震隔離軸承：其中有效負載或其一部分之質量集中於放置於面 向上凹入軸承表面與面向下凹入軸承表面之間的複數個剛性球上，該複數個剛性球中之至少一者具有包括一弧形、一恆定斜度或一拋物線中之至少一者之一剖面形狀；較佳地，該剖面形狀包括至少兩個不同曲線或直線。因此，在本發明之一項實施例中，面向上凹入軸承表面及面向下凹入軸承表面之形狀係部分地錐形。在一較佳實施例中，面向上凹入軸承表面與面向下凹入軸承表面中之至少一者具有包括錐形與球形形狀之一組合之一剖面形狀；一複合形狀。在一較佳實施例中，面向上凹入軸承表面可與面向下凹入軸承表面一致，但具有一反轉定向。
在(例如)Kemeny之美國專利第5,599,106號、美國專利第7,784,225號及美國專利公開案2006/0054767中揭示含有各種不同形狀之負載軸承表面之隔離平臺；在(例如)美國專利第7,290,375號及美國專利公開案2007/0261323中揭示包括地板之隔離平臺。此等公開案及專利中之每一者以及此專利申請案中引用之每一其他專利、專利申請案及公開案係以全文引用之方式明確地且個別地併入本文中作為此說明書之部分。
因此，在本發明隔離系統之較佳實施例中，複數個「滾球」型軸承包含複數個一致面向上及面向下相對凹入軸承表面，該複數個一致面向上及面向下相對凹入軸承表面具有但不限於一完全或部分錐形、球形或拋物線形剖面形狀且形成其間放置有一剛性球形軸承之一腔(較佳地具有恆定斜度之一區域之一腔)。包括面向上凹入軸承表面之墊 板位於或較佳地穩固地固定至地面或地基，而欲支撐之有效負載位於水平支撐面板之頂部表面上或接合至其，該水平支撐面板又接合至包括隔離軸承半體之框架，其中該等隔離軸承半體包括面向下凹入軸承表面。剛性球係含納於由相對之面向下凹入軸承表面與面向上凹入之軸承表面形成之腔中。以此方式，在出現諸如地震移動之外部振動致使地面移動時，墊板能夠經由剛性球在由相對之面向下凹入軸承表面與面向上凹入軸承表面界定之腔內之滾動而相對於上部軸承半體移動。有效負載之慣性致使由本發明系統支撐之有效負載因此與外部振動隔離。
然而，取決於地震振動之大小，軸承可具有有限範圍之活動性，且因此能夠在變得不太有效之前吸收及耗散有限範圍之嚴重度之地震衝擊。舉例而言，可基於軸承之大小或其內含納有本發明隔離系統之周圍結構、建築物或房屋之大小來限制上部軸承半體與墊板相對於彼此之最大量橫向位移。而且，在含納滾球之隔離軸承及平臺中，一嚴重衝擊(諸如由一強烈地震震顫所致的衝擊)可致使一滾球型隔離軸承之使得球自軸承彈出之嚴重橫向位移，致使故障及對有效負載之潛在損害。
存在對係穩定的(亦即，具有減小的故障趨勢)、可承受及吸收大的地震衝擊且易於整合至期望將其安裝於之位置中之地震隔離軸承之一需要。亦存在對具有減小的對在一振動期間軸承、球體與軸承表面之間的共振或諧波互動之易感性之隔離軸承結構之需要。在軸承表面實質性不連續 (舉例而言，其中負載軸承表面具有軸向凹槽或突起)或在(舉例而言)一中心頂端太深時可致使此等互動。在此等結構中，在軸承經受一強烈振動時，球體可「跳動」進出該頂端，在凹槽或凸緣上方或穿過凹槽或凸緣，或致使在該軸承與(舉例而言)一隔離平臺中之其他隔離軸承互動時其之一搖動。
可藉由包含以下各項之因素來改良隔離軸承穩定性：增加軸承表面之大小；增加一或多個面向下軸承半體及面向上墊板之軸承表面上之凹部之深度；及/或使軸承表面之形狀發生變化。因此，根據本發明之一實施例，面向上及面向下凹入軸承表面中之每一者之直徑係在約8英吋與約36英吋之間或更大。較佳地，凹入軸承表面之直徑係約8英吋、或約12英吋、或約15英吋、或約20英吋、或約24英吋、或約30英吋或約36英吋。
在考量軸承經受一振動(諸如一地震振動)期間及之後作用於其上之力時，負載軸承表面之幾何形狀係尤其相關的。如本文中別處所指示，根據本發明之各種實施例，本發明之軸承可包括具有兩個或兩個以上不同剖面形狀(諸如但不限於錐形下陷、球形下陷及/或拋物線形下陷)之一組合之凹入軸承表面。在不限定本發明之範疇之情況下，在一較佳組態中，碟形負載軸承表面不包括實質上自該碟形中心或沿任一其他方向輻射之凸緣或凹槽狀下陷，但可在剖面形狀之間存在不連續環形同心區域。
在一項實施例中，與有效負載之重心及重量分佈相比， 軸承、隔離系統之穩定性亦透過其「覆蓋區」之大小(其寬度對其高度)而增加。
視情況地，在某些實施例中，可附接在上部軸承半體與下部墊板之間且鏈接上部軸承半體與下部墊板之撓性條帶，藉此允許軸承板之間的橫向位移，但防止其不需要的完全分離。除此等條帶外，或替代此等條帶，亦可使用一或多個隔離軸承約束，舉例而言在Moreno及Hubbard之美國專利申請案序列號第12/567,548號中所見之彼等(其全文以引用的方式併入本文中)，藉此自由地准許由於軸承表面之間的剛性/滾動球體所致的軸承橫向位移，同時實質上防止由於軸承板之不需要分離及/或剛性球自上部軸承半體與下部墊板之間彈出所致的軸承故障。
關於面向上凹入軸承表面半體，在本發明之又一實施例中，地震隔離系統可包括一第二剛性框架；此第二框架可係(但未必係)第一剛性框架之一鏡像；該第二框架之底部接合至一地板或地基(舉例而言，藉由螺栓)且包括剛性交叉伸長部件之一網狀結構，其中該第二框架在其上部側接合至複數個面向上凹入軸承表面半體中之每一者，較佳地在伸長部件之交叉點處。儘管該等面向上凹入軸承表面半體可包括於一墊板中，但在此大體設計之其他實施例中，面向上凹入軸承可與面向下凹入軸承表面半體實質上一致。
在本發明之另一實施例中，該等墊板中之每一者係放置於一地板或地基中之凹部中，且其後(舉例而言，藉助螺 栓)接合至該地板或地基。
在一尤其有利實施例中，在本發明系統中，以致使該水平地板面板之頂部表面與地基實質上相齊平且平行於該地基之一方式將該等墊板中之每一者固定至地基中之凹部。該凹部經調適以包含在該隔離系統與該地基之間的一間隙或孔洞，以准許及容納水平支撐面板、有效負載、第一框架與面向下軸承半體回應於地基之一地震振動之必要移動。另外，在該有效負載包括要求電、電腦、氣體或其他連接之設備時，可在間隙之地基側上或自設備上之頂棚提供供應此等連接之撓性管、軟管及/或管道；該撓性連接准許在一地震震顫之移動及連接之維持。
在一特定較佳實施例中，可使用間隙或孔洞。
在本發明之隔離系統之特定實施例中，使用適合於承受一地震事件之應力之任一有效方法(諸如使用螺母及螺栓、焊接或藉由任何其他充分堅固之貼附方法)將單獨上部軸承半體及下部墊板內所包括之凹入軸承表面貼附至軸承半體及墊板。該等軸承半體及墊板本身係由一剛性材料構成，諸如鋼、一金屬合金、或具有抵抗預期在一地震事件中遭遇之扭曲、扭轉及類似應力之一硬度之一充分剛性及強固聚合物。較佳地，軸承半體及墊板係由½至¾英吋之鋼製成。
該等軸承半體又使用任一適合方法(包含但不限於焊接、螺栓、膠接、嵌入混凝土中及諸如此類)接合至框架(且墊板接合至包括面向上軸承表面之任一第二底部框 架，或分別接合至地基、地板或底板)。水平支撐面板使用焊接、螺栓、膠接或類似適合方法接合至框架之上部側。該支撐面板可係一單個構造，或包括組合使用之複數個較小面板之一合成物，以形成不僅用於支撐有效負載且亦接合至框架之水平支撐面板。
將在本發明之隔離系統中使用之水平支撐面板可包括任何適當材料(包含金屬、纖維玻璃、塑膠、膠合板、木材或複合材料或此等材料之任一組合)。支撐面板本身可包括(舉例而言)複數個強化幾何圖案面板，諸如四邊形面板或具有實質上可互換之規則形狀之面板；舉例而言，一標準大小之矩形面板。在某些實施例中，一特別有利之大小係一2平方英尺之面板。在一典型實施例中，此等面板或面板群組係由呈一網格或矩陣狀配置之剛性框架在其底部側上支撐(舉例而言，至少在每一拐角處支撐)。儘管在多數(且較佳地所有)實施例中，本發明之隔離系統不包括架空活動隔離地板，但在某些次較佳之實施例情形中，某些面板可經修改以包括藉以饋送(舉例而言)纜線、軟管、導線、網路連接、管道及/或其他材料用於與有效負載物件連接之接近孔隙。另外，支撐面板及/或框架通常有利於准許將諸如電線、加熱線、冷卻線及/或資料線等線分佈於一室內或工作空間而無需此等線侵擾支撐面板本身。
在本發明之一當前較佳實施例中，水平支撐面板首先由一框架穩定地支撐，該框架由充分強固以支撐欲放置於地板上之物件之重量之材料製成。適合之框架材料之實例包 含(但不限於)鋼、鋁、鈦、鐵、青銅、聚合材料、此等材料之合金及諸如此類。較佳地，該材料充分輕量以准許在原地容易地裝配及拆卸該框架，並使該等軸承上之總負載保持在一最小值。在較佳實施例中，框架部件可包括呈桁樑或工字樑形式之鋼或其他合金。
該框架可使用以賦予該框架充分結構支撐以足以支撐欲放置於其上之物件或抵抗在一地震事件期間之扭曲之任何方式配置(通常以一強化多邊形配置)之框架部件來構造。由於其中安裝本發明系統之多數位置可能為矩形的，因此該等框架部件通常可以一大體四邊形方式配置，諸如在此說明書之圖5中展示之框架結構。然而，其他配置亦係可能的，包含以三角形方式(以平面或四面體方式)或以將其強度賦予該框架之其他幾何形狀配置之框架部件。
在再其他實施例中，該框架可包括一結構(諸如一裝運容器、活動屋(mobile home)或以類似於一活動屋之一方式製成之一結構)之地基。
將在隔離軸承腔中使用之剛性球較佳地係一剛性、未經塗佈之硬化鋼球軸承，但在次較佳實施例中，亦可專門地利用塗佈橡膠或彈性體之球、合成球及諸如此類以(舉例而言)提供一定程度之阻尼。另外，可結合若干經塗佈較高摩擦剛性球來使用未經塗佈、低摩擦球之一組合，其中經塗佈較高摩擦剛性球用作藉由摩擦來吸收能量之一阻尼器，且經塗佈球與剛性球之混合係根據特定有效負載質量及情境來修整。該球可包括不銹鋼或任何硬金屬、金屬合 金或(在阻尼球之情形中)能夠支撐至少約1000 lb之一重量而無實質形變或任何形變之硬化聚合材料。
另外，本發明之隔離系統包括複數個軸承半體及墊板，較佳地足以穩定地支撐地板而無實質移動，除非在一地震振動之情況下。對於一四邊形地板而言，此通常意指至少一個此種軸承半體(具有與其配對之一對應墊板)將通常放置於該剛性框架(或地板，若獨立地強化該地板)之四個拐角之每一者處或附近。而且，可以防止框架沈降或扭曲之一方式將額外軸承半體放置於其他位置處，其中在計算將利用之軸承之總數目及分佈時適當考量每一個別軸承及總地基或襯墊之負載容限(例如，1000 lb或更多)及其分佈。軸承半體可跨越隔離系統之地板或地基組成配對之軸承半體與墊板之一矩陣。
本發明亦涵蓋用於隔離一工業有效負載與一地震振動之方法，包括將一有效負載放置或裝配於本文所述之一地震隔離系統上或將一有效負載接合至該地震隔離系統。
在本發明之隔離系統之一項實施例中，在下文參照一球錐型滾球軸承來闡述圖1。該球錐軸承可用作對在滾動剛性球隔離軸承中起作用之幾何形狀及物理原理之關係之一初始(且非限定)圖解說明。該球位於上部/面向下凹入軸承表面與下部/面向上凹入軸承表面之間，且在某些情形中可位於一或兩個此種軸承表面之中心頂端或下陷中。在施加一橫向力時，可期望存在對球自此等下陷發生位移之某 種初始阻力。若所施加橫向力過小，則可使得該阻力足以防止兩個軸承表面相對於彼此之任何實質位移。因此，在存在時，中心端部之球形形狀提供迫使該球保持於中心端部內之一初始恢復力。不管施加該橫向力之方向如何，此恢復力皆係一致的。
不管軸承是否佔據中心端部處，若初始橫向力足夠大，則軸承之軸承半體與墊板將藉由透過剛性/滾動球之作用而施加之力相對於彼此移動。此意指所施加之橫向力足夠強以強制該球沿該較佳地至少部分錐形凹入表面。此要求上部/面向下凹入軸承表面或球(或兩者)克服放置於所主張地震隔離系統之上部軸承半體上之負載之重力及質量兩者而移動「上坡」。因此，將橫向力暫時地部分儲存為垂直「勢能」。
若軸承表面係至少部分錐形，則軸承表面之剖面圖將具有至少一部分為線性的。一旦將球定位於第二/面向上凹入軸承表面之線性部分上，物理上即類似於放置於一斜面上之一物件，此乃因在一球錐軸承中，第二/面向上凹入軸承表面具有至少一恆定斜度區域。為簡易起見，在理解類似原理適用於(儘管以鏡像)「浮」於滾球上且由滾球支撐之上部凹入表面之情況下，圖1主要檢驗下部凹入表面與球。
因此，參照圖1，Fg等於mg，其中m係球及上部板傳送於球上之負載之組合質量，且g係重力加速度(9.81 m/s2)。儘管Fg係向下施力於斜板上，但Fg係由兩個向量構成： FN(垂直於平面表面延伸之法向力)與Fp。由於球之形狀，與Fp相反之力(Ff；摩擦力)係最小的且因此於此圖式中完全忽略。
向量Fp及FN中之每一者之量值係由斜坡之角度與Fg之量值指定，且可根據畢式定理(Pythagorean theorem)(其中Fg2=FN2+Fp2)以幾何學計算。因此，Fp係一常數，只要凹入表面與水平面之間的角度亦恆定即可。
因此，一旦橫向運動已致使球位移至上部或下部凹入軸承表面之任一者或兩者上，Fp(恢復力)即由於球錐表面之錐形本質而係恆定的。
藉助此闡釋，現在可看出，若軸承表面具有一不同剖面形狀之一區域(例如，一球形曲線之一形狀)以使得隨橫向位移而變之垂直位移並非恆定，則隨滾球於此區域中行進之橫向距離而變之恢復力Fp之量值亦不恆定。
舉例而言，若想像其中軸承表面或其一區域之剖面係一球形曲線而非錐形之一時刻。於此一軸承表面中，以剖面查看穿過軸承表面中心至軸承表面周邊之一半徑將產生一非恆定彎曲斜度。
因此，若凹入表面之剖面係除一直線外的任何其他形狀，則一恢復力Fp將不恆定(意指軸承表面之形狀至少部分地係錐形)。相反，恢復力(及球行進之垂直距離)將隨球自軸承中心行進之距離而增加(亦即，朝向軸承表面之周邊，其中曲線斜度之陡度增加)。在一球形曲線中，恢復力之改變率係恆定的，但恢復力本身並非恆定。因此，隨 著自軸承表面中心行進之每一單位之橫向距離，所行進之垂直距離越大，恢復力越大。
其他簡單平面開放曲線(諸如各種拋物線或其他凹面曲線)具有與球形曲線相同的基本性狀，因此在球自軸承中心朝向軸承表面周邊移動時，隨所行進之橫向距離而變之垂直位移改變取決於曲線性狀而以不同的非恆定速率增加。
在本發明中，已驚訝地發現，一剛性/滾動球隔離軸承之凹入負載軸承表面之一最佳組態(尤其是在隔離軸承經受一劇烈振動且連同其他隔離軸承(諸如在一隔離平臺、軌道或地板中)一起使用時)係一個以上形狀之一組合。在一較佳實施例中，在以剖面查看時，上部及下部負載軸承表面中之至少一者(且較佳兩者)具有在中心處之一放大凹面凹口，其中圍繞軸承周邊之一邊界包括一恆定斜度區域，如在一錐形軸承中。
在另一較佳實施例中，本發明人已發現，若凹入負載軸承表面中之一者或兩者缺乏具有大致滾球之直徑之一中心球形下陷，或在中心處具有一極淺下陷，則一剛性滾球隔離軸承趨於更穩健地執行，且將經受較少斷裂性諧波共振。
較佳地，每一負載軸承凹入軸承表面或「碟形」之剖面之曲線形狀及角度使得不管地震事件所致的輸入剪力加速度如何，輸出皆受限於一最大加速度。舉例而言，在本發明之一項實施例中，輸出加速度可由碟形之組合曲線及角 度限定至約0.1 g或更少，甚至在輸入剪力係約0.3 g、或約0.35 g、或約0.4 g、約0.5 g、或約0.6 g、或約0.7 g、或約0.8 g或約0.9 g或約1.0 g或更多時亦如此。
在另一實施例中，輸出加速度可由碟形之組合曲線及角度限定至約0.8 g或更少，甚至在輸入剪力係約0.3 g、或約0.35 g、或約0.4 g、約0.5 g、或約0.6 g、或約0.7 g、或約0.8 g、或約0.9 g、或約1.0 g或更多時亦如此。
在另一實施例中，輸出加速度可由碟形之組合曲線及角度限定至約0.75 g或更少，甚至在輸入剪力係約0.3 g、或約0.35 g、或約0.4 g、約0.5 g、或約0.6 g、或約0.7 g、或約0.8 g、或約0.9 g、或約1.0 g或更多時亦如此。
輸入剪力之衰減依據基底剪力輸入而變。因此，衰減百分比可高達約66%、或高達約71%、或高達約75%、或高達約80%、或高達約83%、或高達約86%、或高達約88%、或高達約90%或更多。
將瞭解，上文具體呈現之輸入剪力、輸出剪力之範圍及衰減百分比揭示且意欲具體揭示在所列舉之任意兩個最大值與最小值之間的所有點及介於自大於0之一值與高達所列舉之任一此最大值之間的任一範圍。
較佳地，但未必，軸承半體中之上部/面向下凹入軸承表面與對應墊板中之下部/面向上凹入軸承表面在其相對表面中實質上相似或一致。在此等地震隔離系統或軸承或平臺中，上部軸承半體支撐一或多個負載，且墊板直接或間接地接觸低於軸承或平臺之地板、地基、表面或區。在 包括上部與下部凹入軸承表面之每一軸承之間，將至少一個剛性球形滾球放置於由相對之凹入複合軸承表面形成之腔內，藉此允許上部軸承半體與下部墊板藉由在球上滾動而相對於彼此位移。
在將橫向力(例如，以地震振動之形式)施加至軸承時，上部軸承半體相對於下部墊板橫向位移，以使得其間之剛性球沿任一方向且(若充分硬及剛性且缺乏阻尼作用，則以一幾乎無摩擦方式)繞其各別下陷或腔自由滾動及旋轉。該或該等球藉由沿軸承表面抬升至較高高度而准許軸承將振動能量儲存為勢能，以使得該(等)球仍與上部及下部軸承表面接觸且該等上部軸承表面與下部軸承表面因此仍間接地彼此接觸。至少部分地由於第一及第二複合軸承表面之錐形、球形、拋物線形或其他經抬升形狀，作用於有效負載或結構上之重力以及結構之質量產生趨於將地震隔離系統、隔離軸承或平臺恢復至其原始中心位置之一橫向力分量，其中上部軸承半體實質上直接定位於下部墊板上。
圖2展示用於本發明之地震隔離系統之墊板之一實施例中之一較佳複合軸承表面。於此圖中，該複數個墊板/碟形(僅展示一單個墊板)中之每一墊板之負載軸承部分包括(以一俯視圖)一實質上圓形負載軸承凹入表面，該負載軸承凹入表面具有包括一彎曲剖面區域(諸如一球形曲線)之一同心中心區域101，及圍繞該中心區域且包括連結中心區域101與該圓形負載軸承區域周邊處之一經抬升唇緣105 之一平坦傾斜表面之一環形區域103。較佳地，中心區域101不包括用於在墊板軸承未經受剪力時使剛性球位於其內之一中心凹坑。然而，在其他實施例中，墊板軸承表面可含有用於在複數個墊板軸承中之每一者擱置時位於其內之一中心凹坑。
仍參照圖2，在一較佳實施例中，中心區域101之直徑(沿自點a延伸至點a'之一線段)比負載軸承表面之剩餘部分(環形區域103及唇緣區域105)之比率係約2比1。因此，在其中碟形之總直徑係在約8英吋至約48英吋之間的一較佳實施例中，具有此比率之一碟形具有約5.3英吋至約32英吋之一中心區域直徑，其中環形區域(該線段通過其兩次)具有約1.3英吋至約8英吋之一寬度。此環形區域多數(約1.625英吋至約6.5英吋)係平坦傾斜表面，其中經抬升之唇緣包括該1.3英吋至8英吋環形區域之約0.375英吋至1.5英吋。
圖3展示圖2中所示之本發明隔離系統之墊板組件之複合形狀軸承表面之同一實施例之周邊部分，但此次係以剖面。在一墊板之一項實例中，如所展示，展示中心球形彎曲區域101與平坦線性傾斜部分103之間的邊界107，其中此後述平坦區域具有一大致1.6英吋長度，以等於約0.25/1.6或約0.156之一恆定斜度上升0.25英吋。展示墊板/碟形之實質上平坦傾斜區域103與唇緣105之間的邊界109，其中唇緣以一實質上橫向斜度上升。於此實施例中，斜度係：以大致0.125英吋之水平長度垂直上升大致 0.25英吋，或大致2：1。該唇緣在到達板邊緣之前變為水平達約0.25英吋。於此情形中，中心球形彎曲區域101具有約86英吋之一曲率半徑，意指其對應於具有約86英吋之一半徑之一圓形之一弧。
基於前述，熟習此項技術者將立即瞭解到，上文所述之實施例僅係可用於本發明中之複合軸承表面之各種可能實施例中之僅一者。特定而言，中心球形彎曲區域101之確切曲率可在不背離本發明之精神之情況下發生變化(例如，至一拋物線形狀)。
基於此揭示內容，將瞭解，圖2及圖3中繪示之複合軸承表面之設計可用於在不太劇烈之地震或振動中提供稍微更大的恢復力。另外，總水平位移將小於在其中在更強烈地震中僅藉助一錐形負載軸承表面之情形中原本將致使之總水平位移。在振動足夠強以致使滾球越過邊界107之情況下，則在剛性球沿平坦傾斜區域103向上行進時恢復力不繼續增加，藉此有助於防止在振動已減退之後上部軸承半體力圖返回至平衡狀態時軸承(或放置於軸承上之有效負載)之過度搖擺。
在某些實施例中，缺乏一小的中心球形彎曲凹坑或凹部亦有助於在一強烈振動期間之一更正常操作之隔離軸承。在無此一凹部之情況下，軸承不太可能出故障或被損害，此乃因軸承由於在軸承恢復其原始位置時軸承之一鐘擺狀擺動而來回移動。
較佳地，但未必，實質上直接相對之上部凹入軸承表面 與下部凹入軸承表面具有實質上一致的負載軸承表面，包括複合的彎曲及平坦成角度剖面凹口，較佳地實質上如上文所述。儘管圖2及圖3中之隔離軸承係展示為具有單對第一及第二凹入軸承表面，但應瞭解，如進一步闡述，在本發明之地震隔離系統中，存在包括此等軸承表面對之複數個軸承，其中至少一個滾動剛性球安置於該等對中之每一者之間。
圖4展示具有如在本發明之一隔離系統中使用之圖2及圖3中展示之實施例中之一複合軸承表面之一墊板111之一較佳實施例。此圖展示接合至地板、地基或襯墊之墊板111之平板區域113。在一項實施例中，墊板可被配裝至地板、地基或基底中之一凹部中且然後固定至地板或地基，或諸如藉助螺栓、膠結劑等直接固定至地板或地基。另一選擇係，墊板可直接嵌入至地基或襯墊中。在墊板111之總下部/第二面向上凹入軸承表面117中亦展示剛性球115。於此實施例中，存在在複合凹入軸承表面之邊緣上方垂直延伸之一環形輪緣119而非一唇緣105，以輔助在一地震事件期間將球維持於軸承內。
圖5中展示本發明之一經部分裝配之實施例之一視圖，其包括一部分構造之框架123，具有接合至框架123之一部分之底部表面之四個隔離軸承半體121(圖5中僅兩個可見)。軸承之放置實質上關於伸長部件組件127之交叉點125對稱(見圖9)，伸長部件組件127係經調適以容納將與地震振動隔離之有效負載之不同大小或組態之一可延伸之伸 長部件網狀結構之部分。該隔離系統之此部分實施例之框架將與四個墊板111耦合以安置成使得軸承半體之上部/面向下軸承表面117'與四個墊板111中之每一者之下部/面向上軸承表面117實質上直接相對。在裝配時，四個剛性球115各自安置於一經裝配隔離軸承之一各別面向下凹入軸承表面與面向上凹入軸承表面之間的腔中，以形成本發明之一地震隔離系統之一實施例之一部分。軸承半體121(正如墊板)具有與119中所展示之彼等實質上一致之環形輪緣。
使用配裝於包括伸長部件127之一剛性框架123上之複數個墊板111及隔離軸承半體121連同安置於如上文所述裝配之對應複合凹入軸承表面對117與117'之腔中之剛性球115，可製造諸如地震隔離系統、隔離平臺、隔離地板及諸如此類之各種設備。
圖6中展示根據本發明之一部分裝配、可延伸地震隔離系統129(其中尚未安裝一水平支撐面板)之一實施例之一俯視透視圖。注意，在本發明之此實施例中，墊板在實質上周圍地基之水平面處接合至地基或底板；亦即在地基或底板中無一凹部之情況下。在以此方式組態時，不要求地基中有用以使隔離系統之支撐面板應對一地震震顫而移動之間隙。然而，必須在支撐面板周圍提供用於此移動之足夠空間。在其他實施例中，將墊板固定至地基或底板在一凹部內，准許支撐面板與周圍地基在相同水平面處；該凹部亦界定隔離系統與地基之間的一間隙。
圖7中展示圖6中展示之地震隔離系統129之一完全裝配版本131(其中已部分地安裝水平支撐面板133)之一俯視透視圖。
因此，一併地，圖6及圖7一起繪示根據本發明之一隔離系統131之一實施例，該隔離系統包括：a)一水平支撐面板133，其具有一頂部表面135及一底部表面137(此處未展示，但在圖9中展示)，其中水平支撐面板133經結構化以支撐頂部表面135上之適當重量之一有效負載；b)一第一剛性框架123，其經調適以支撐支撐面板133，其中該第一框架123接合至支撐面板之底部表面137；c)複數個隔離軸承半體121，其中每一軸承半體直接連接至該第一框架123之底部側且每一軸承半體包括一面向下凹入軸承表面117'；d)複數個地震隔離墊板111，每一墊板包括一面向上凹入軸承表面117且其中該等墊板111中之每一者直接接合至一地板、底板或地基139，其中於此情形中，該等墊板111中之每一者之面向上凹入軸承表面117係實質上直接相對該墊板安置之一對應地震軸承半體121之一面向下凹入軸承表面117'之一鏡像且與其相對，藉此在其間界定一腔；e)複數個剛性球115，其位於此等腔中之每一者中且經結構化為充分硬以組合地支撐該有效負載；其中在致使墊板111移動之一地震振動事件中，有效負載、支撐面板 133、第一框架123及軸承半體121之慣性致使其間之腔中之剛性球115自對應該等面向上凹入軸承表面117向上滾動，藉此緩衝有效負載免受該地震振動之全力。
圖8係根據圖6中之實施例包括一軸承半體121、墊板111及框架123之部分及支撐板之一隔離軸承之一部分側視圖。此圖展示，一旦將剛性球115安置於由凹入軸承表面117及117'(未展示)形成之腔中，界定軸承半體121及墊板111之環形輪緣119及119'即不彼此接觸且界定一間隙140以減小軸承之間的摩擦致使在使用期間軸承故障之可能性。
圖9係根據本發明在均衡狀態處之一隔離系統之一部分之一剖面現場圖，包括一隔離軸承，該隔離軸承包括與圖6至圖8中展示之實施例一致之一軸承半體121及墊板111。剛性球115係安置於在對應之上部凹入軸承表面117'與下部凹入軸承表面117之間界定之腔中。圖9中展示水平支撐面板133之一剖面圖，該水平支撐面板具有經結構化以支撐將與一地震振動隔離之一有效負載之一頂部表面135及接合至一剛性框架123之一底部表面137。於此及其他較佳實施例中，該支撐面板關於伸長部件組件127之交叉點125(此處未展示，但在圖6及圖9中展示)實質上對稱地接合至框架，伸長部件組件127係用以容納欲與地震振動隔離之有效負載之強化伸長部件網狀結構之部分。
圖9中亦展示一焊接連接141以固定框架123之組件剛性伸長部件127。亦展示用於將軸承半體121接合至框架123之螺栓143及焊接部分145。在此圖中亦將軸承半體121之 面向下剛性軸承表面117'軸承元件展示為由軸承表面117'之底部側處之一板元件147及焊接部分149支撐。軸承表面117係以類似方式在其底部表面/側由焊接部分151支撐至墊板111。亦可使用接合剛性框架123及支撐面板133之各種替代構件及方法(諸如螺栓等)(諸如153)。
熟習此項技術者將瞭解，存在固定諸如軸承半體、支撐面板、伸長部件或桁樑之組件之各種有效方式；此等方式包含但不限於螺栓固定、焊接、整體鑄造、膠結或膠合及諸如此類。
自圖9可看出，軸承半體121具有在軸承表面117'之邊緣處且實質上垂直於軸承表面117'且自軸承半體121之底部垂直延伸之一環形輪緣119'，正如墊板111具有沿軸承表面117之邊緣自墊板底部且實質上垂直於該墊板垂直延伸之一環形輪緣119。
圖10係根據圖6至圖9中之實施例包括軸承半體121及墊板111之一隔離軸承之一剖面圖；剛性球115係安置於對應之第一凹入軸承表面117'與第二凹入軸承表面117之間的腔中，且軸承係在一經移位位置中。於此圖中，剛性球115已滾動到由墊板111中之面向上凹入軸承表面117與隔離軸承半體121之對應面向下凹入軸承表面117'形成之腔內，且接觸輪緣119及119'定位。虛線展示其餘位置中之(上部)軸承半體之位置。
圖11係包括一完整工業地震隔離系統之一實施例之俯視圖之一示意圖。於此情形中，有效負載係使用一複合表面 滾球型隔離軸承系統隔離之一產品處理注射器生產線設備。於此實施例中，水平支撐面板包括螺栓固定在一起之複數個個別面板(其可包括分層面板、積層面板或實心面板)，且在此處展示經螺栓固定之面板接頭157。而且，於此實施例中，隔離系統155係經由組件墊板111以致使水平支撐面板之頂部表面135與地基實質上相齊平之一方式固定於地基中之一凹部中，該凹部經調適以包含在隔離系統與地基之間的一間隙或孔洞以容納水平支撐面板、有效負載(舉例而言，一注射器生產線)、第一框架123及軸承半體121回應於一地震振動而在間隙或孔洞內之一隔離移動，且准許在該間隙或空洞內將撓性供應線安裝至有效負載。因此，隔離系統155之外部邊緣159(或在此處展示為隔離系統之水平支撐面板133之頂部表面之邊緣)及該隔離系統位於其上之地基中之凹部之外部邊緣161界定隔離系統與地基之間的一間隙163。
圖12係用於使用一球及錐型隔離軸承來隔離由一藥瓶填充生產線組成之一有效負載之另一地震隔離系統165之一俯視圖。
在本發明之再一實施例中，本發明之地震隔離系統經調適及結構化以用於放置於一水泥或混凝土襯墊或底板上，較佳地在一結構外側上。在某些情形中，期望將電腦伺服器及/或其他有效負載放置於主建築物外側及含納於經特定製作或要求以包封此等有效負載之一耐氣候棚內。此外側放置准許更容易添加及修改有效負載，此乃因有效負載 (及在某些情形中，包封有效負載之結構或「外建築物」)可由卡車運輸且易於移動就位以由所主張之地震隔離系統支撐。此外，可易於形成一襯墊陣列或「襯墊場」以如所期望針對電腦、有害化學物質、化學廢料及諸如此類添加新的儲存空間。
底板之厚度大體而言係自約6英吋至約1英尺；可根據局部建築物規範要求而逐位置地指示厚度之特定變化。面向上軸承表面可含納於接合至襯墊之墊板中；該等面向上軸承表面亦可嵌入於襯墊中或使用螺栓或其他固定接合構件接合。襯墊通常係使用諸如鋼桿或鋼筋之材料強化以防止破裂。
在本發明之此實施例中，隔離軸承半體之面向下軸承表面接合至一第一框架或支撐面板，該第一框架或支撐面板包括或本身接合至包括一殼體(諸如一裝運容器)之一結構化地板組件、一活動屋或預製「外建築物」或諸如此類之一第二框架或支撐面板，在該第二框架或第二支撐面板內防止有效負載受到直接日曬、雨淋、雪及諸如此類。
該殼體(其通常係相對輕量的)可含納一空氣調節及/或加熱單元以便為殼體內之有效負載維持一實質上恆定溫度。
在當前較佳實施例中，殼體包括一個以上預製子單元，該一個以上預製子單元可原地快速裝配。圖13展示構造中之此一殼體之一實施例；圖14展示含納空氣調節設備之此一殼體之一溫度控制子單元；在圖13中在殼體之遠側處可見一類似溫度控制子單元。此等圖亦圖解說明殼體之底部 框架或板包括一系列開放、大致管狀結構，該等大致管狀結構結構化為適合一推高機之叉齒以促進殼體子單元移動就位以用於裝配及用於地震支撐結構之最後裝配。
較佳地但並非不可變地，在結構之四個拐角中之每一者處將面向下軸承半體固定接合至殼體之底部框架或板；可在必要時添加額外軸承半體。如在其他實施例中，將軸承半體固定地接合至殼體之底部框架或板；較佳地使用螺栓或焊接。
在本文揭示及主張之本發明之此態樣及每一態樣中，較佳地面向上軸承表面與面向下軸承表面係一致的，以在一震顫期間為滾球提供平行相對斜度。若並非如此，則在頂部與底部處施加之力不相同，且更可能出現滾球之滑動，此將導致不均勻偏移。在除斜坡係在底部上之外耗散元件(諸如阻尼)亦僅在底部上時，尤其如此。
儘管圖13及圖14展示其中殼體之底部框架或板係由金屬製成之一殼體，但在其他情形中，殼體之框架或板可部分地或完全地包括一木材、一聚合合金(諸如一熱塑塑膠)、一碳纖維結構、一玻璃纖維結構或所有此等之兩者或兩者以上之一組合。
較佳地，此殼體內之有效負載係牢固地固定於殼體內以防止有效負載在殼體中傾倒或穿過殼體之牆壁。
儘管已出於清晰理解之目的詳細闡述前述發明，但將顯而易見，可在隨附申請專利範圍之範疇內實行某些修改。另外，在本發明之態樣中，如在一特定實施例中存在之本 文中圖解說明之特徵意欲可與在此專利申請案中並未另外圖解說明之特徵組合成如在彼特定實施例中存在。本文陳述之所有公開案及專利檔案係出於各種目的以全文引用之目的併入本文中達彷彿各自係如此個別指出之相同程度。
101‧‧‧同心中心區域/中心區域/中心球形彎曲區域
103‧‧‧環形區域/平坦線性傾斜部分/平坦傾斜區域
105‧‧‧經抬升唇緣/唇緣區域/唇緣
107‧‧‧邊界
109‧‧‧邊界
111‧‧‧墊板/地震隔離墊板/組件墊板
113‧‧‧平板區域
115‧‧‧剛性球
117‧‧‧下部/第二面向上凹入軸承表面/下部/面向上軸承表面/複合凹入軸承表面/面向上凹入軸承表面/凹入軸承表面/下部凹入軸承表面/軸承表面/第二凹入軸承表面
117'‧‧‧上部/面向下軸承表面/複合凹入軸承表面/面向下凹入軸承表面/凹入軸承表面/上部凹入軸承表面/面向下剛性軸承表面/軸承表面/第一凹入軸承表面
119‧‧‧環形邊緣/邊緣
119'‧‧‧環形邊緣/邊緣
121‧‧‧隔離軸承半體/軸承半體/地震軸承半體
123‧‧‧框架/剛性框架/第一剛性框架
125‧‧‧交叉點
127‧‧‧伸長部件組件/伸長部件/組件剛性伸長部件
129‧‧‧部分裝配、可延伸地震隔離系統/地震隔離系統
131‧‧‧隔離系統/地震隔離系統之一完全裝配版本
133‧‧‧水平支撐面板/支撐面板
135‧‧‧頂部表面
137‧‧‧底部表面
139‧‧‧地板、底板或地基
140‧‧‧間隙
141‧‧‧焊接連接
143‧‧‧螺栓
145‧‧‧焊接部分
147‧‧‧板元件
149‧‧‧焊接部分
151‧‧‧焊接部分
153‧‧‧接合構件
155‧‧‧隔離系統
157‧‧‧面板接頭
159‧‧‧外部邊緣
161‧‧‧外部邊緣
163‧‧‧間隙
165‧‧‧地震隔離系統
Fg‧‧‧向量
FN‧‧‧向量/垂直於平面表面延伸之法向力
FP‧‧‧向量/恢復力
圖1係展示在一斜面上之一滾動剛性球上之力向量之一圖式。
圖2係如本發明之一實施例中所闡述具有一複合軸承表面之一墊板之一凹入軸承表面之一實施例之一俯視圖。
圖3係在圖2中展示之凹入軸承表面之一側視圖，該凹入軸承表面具有如具有一複合軸承表面之本發明之一實施例中所述之一墊板之凹入軸承表面之邊緣。
圖4係根據具有一複合軸承表面及一環形輪緣之本發明之一實施例之一墊板之一俯視圖。
圖5係該隔離系統之一部分之一實施例之一俯視圖，其展示一總成，該總成展示各自接合至一剛性框架之一部分之底部表面之四個軸承半體。
圖6係在安裝水平支撐面板之前根據本發明之一地震隔離系統之一實施例之裝配期間之一俯視透視圖。
圖7係在圖6中展示之地震隔離系統之一俯視透視圖，其中已部分地安裝該水平支撐面板。
圖8係根據圖6中之實施例包括一軸承半體、墊板及框架與支撐面板之部分之一隔離軸承之一部分側視圖。
圖9係根據本發明之一實施例包括軸承半體墊板、剛性 球、框架及支撐面板之一隔離軸承之一擱置位置之一剖面圖，其中剛性球安置於對應之面向下凹入軸承表面與面向上凹入軸承表面之間的腔中。
圖10係根據本發明之一實施例之一隔離軸承之一剖視圖，展示一軸承半體與一墊板，其中在已相對於墊板之面向上軸承表面最大程度地安置該軸承半體時該剛性球安置於對應之面向下凹入軸承表面與面向上凹入軸承表面之間的腔中。
圖11係根據本發明之地震隔離系統之另一實施例使用一滾球型隔離軸承之一注射器生產線設備之一設計圖之一俯視圖。
圖12係根據本發明之地震隔離系統之另一實施例用於使用一滾球型隔離軸承隔離一藥瓶處理設備之一設計圖之一俯視圖。
圖13係用於含納一有效負載之一部分預製外部結構之一視圖。
圖14係用於含納一有效負載之包括空氣調節設備之一預製結構之一段之一視圖。
111‧‧‧墊板/地震隔離墊板/組件墊板
115‧‧‧剛性球
117'‧‧‧上部/面向下軸承表面/複合凹入軸承表面/面向下凹入軸承表面/凹入軸承表面/上部凹入軸承表面/面向下剛性軸承表面/軸承表面/第一凹入軸承表面
119‧‧‧環形邊緣/邊緣
119'‧‧‧環形邊緣/邊緣
121‧‧‧隔離軸承半體/軸承半體/地震軸承半體
123‧‧‧框架/剛性框架/第一剛性框架
125‧‧‧交叉點
127‧‧‧伸長部件組件/伸長部件/組件剛性伸長部件
133‧‧‧水平支撐面板/支撐面板
135‧‧‧頂部表面
137‧‧‧底部表面
139‧‧‧地板、底板或地基
141‧‧‧焊接連接
143‧‧‧螺栓
145‧‧‧焊接部分
147‧‧‧板元件
149‧‧‧焊接部分
151‧‧‧焊接部分
153‧‧‧接合構件

Claims (26)

  1. 一種用於支撐一有效負載之地震隔離系統，其包括：a)一水平定向支撐面板，其具有一頂部表面及一底部表面，其中該支撐面板經結構化以支撐放置於其該頂部表面上之該有效負載；b)一剛性框架，其接合至地板面板且經結構化以支撐該地板面板及該有效負載；c)複數個面向下隔離軸承半體，其接合至該第一框架之底部側，其中每一面向下軸承半體包括一面向下凹入軸承表面；d)複數個地震隔離墊板，每一墊板包括一面向上軸承半體，該面向上軸承半體包括一凹入面向上軸承表面，其中該等墊板中之每一者固定地接合至一地基且該等墊板中之每一者之該面向上凹入軸承表面與一對應面向下軸承半體之一第二面向下凹入軸承表面相對且在其間界定一腔；e)至少一個剛性球，其位於此等該腔中之每一者中，該球係結構化為充分強固以在操作期間維持面向下軸承半體與面向上軸承半體之間的一間隙；且其中，在一地震振動之事件中，每一地震軸承半體相對於其對應相對墊板移動，藉此緩衝該有效負載免受該地震振動之全力。
  2. 如請求項1之隔離系統，其中該水平支撐面板包括一單個面板板材。
  3. 如請求項1之隔離系統，其中該水平支撐面板包括複數個面板板材。
  4. 如請求項1之隔離系統，其中該框架包括一剛性伸長部件網狀結構，且其中該複數個隔離軸承半體中之每一者接合至該框架之該底部側。
  5. 如請求項1之隔離系統，其中該框架係螺栓固定至該支撐面板。
  6. 如請求項1之隔離系統，其中每一軸承中之該等相對之面向上凹入軸承表面與面向下凹入軸承表面中之至少一者包括經結構化以防止該等剛性球自藉此形成之該等對應腔移動之一外部輪緣。
  7. 如請求項6之隔離系統，其中每一軸承之該等軸承表面並不在擱置位置中彼此接觸。
  8. 如請求項1之隔離系統，其中至少一組相對之面向上凹入軸承表面與面向下凹入軸承表面中之每一者之形狀係至少部分地錐形。
  9. 如請求項1之隔離系統，其中至少一組相對之面向上凹入軸承表面與面向下凹入軸承表面中之每一者之形狀係部分地球形且部分地凹面。
  10. 如請求項1之隔離系統，其中至少一組相對之面向上凹入軸承表面與面向下凹入軸承表面中之每一者具有包括錐形與球形形狀之一組合之一形狀。
  11. 如請求項1之隔離系統，其中該等相對之面向上凹入軸承表面與面向下凹入軸承表面中之每一者之直徑係在約 8英吋與約36英吋之間。
  12. 如請求項1之隔離系統，其進一步包括一第二剛性框架，該第二剛性框架接合至一地基且包括一剛性伸長部件網狀結構，其中該第二框架接合至包括面向上凹入軸承表面之該複數個墊板中之每一者。
  13. 如請求項1之隔離系統，其中該等墊板中之每一者位於一地板或地基中之一凹部中且固定至該地板或地基。
  14. 如請求項13之隔離系統，其中該隔離系統之該支撐板與該周圍地基實質上相齊平，且其中該凹部界定該隔離系統與該周圍地基之間的一間隙，該間隙充分大以容納該等水平支撐面板、有效負載、第一框架及面向下軸承半體回應於該地基之一地震振動之必要移動。
  15. 一種用於隔離一有效負載免受振動之方法，其包括：支撐一地震隔離系統上之一有效負載，該地震隔離系統包括：a)一水平支撐面板，其具有一頂部表面及一底部表面，其中該支撐面板經結構化以支撐該有效負載；b)一剛性框架，其經結構化以支撐該有效負載及該支撐面板，其中該框架接合至該支撐面板；c)複數個隔離軸承半體，其中每一軸承半體接合至該框架且每一軸承半體包括一面向下凹入軸承表面；d)複數個隔離墊板，每一墊板包括一面向上凹入軸承表面且其中該等墊板中之每一者接合至一地基，其中該等墊板中之每一者之該面向上凹入軸承表面與 一對應地震軸承半體之一面向下凹入軸承表面相對且在其間界定一腔；e)一剛性球，其充分硬以支撐位於此等該腔中之每一者中之該有效負載；其中，在一地震振動之事件中，每一地震軸承半體相對於其對應相對墊板移動，藉此緩衝該有效負載免受該地震振動之全力。
  16. 一種地震隔離系統，其包括：a)一支撐面板，其經結構化以支撐一工業有效負載；b)一框架，其充分強固以支撐接合至該支撐面板之該工業有效負載，該框架係由包括一金屬或金屬合金之經連接伸長結構部件構成；c)複數個面向下隔離軸承半體，其接合至該框架，該等軸承半體具有面向下凹入軸承表面；d)複數個面向上隔離軸承半體，其具有接合至一地基且與對應面向下凹入軸承表面相對以界定複數個腔之面向上凹入軸承表面；e)至少一個剛性球，其含納於每一腔中，分離該等面向下軸承半體與該等面向上軸承半體且承載該有效負載之重量之至少一部分；其中界定每一腔之該等面向上凹入軸承表面與相對之對應面向下凹入軸承表面中之至少一者之凹部包括一完全或部分錐形、球形或拋物線形剖面形狀，且其中該支撐面板實質上與該周圍地板或地基相齊平且由 一凹部環繞，界定該支撐面板與該周圍地板或地基之間的一間隙從而准許在一地震震顫期間該支撐面板相對於該地板或地基之移動。
  17. 如請求項16之隔離系統，其中該等伸長結構部件包括金屬桁樑。
  18. 如請求項16之隔離系統，其中該支撐面板包括不同材料之層。
  19. 如請求項16之隔離系統，其中每一組相對之面向下凹入軸承表面與面向上凹入軸承表面之該剖面形狀係一致的。
  20. 如請求項16之隔離系統，其中相對之面向下凹入軸承表面與面向上凹入軸承表面中之至少一者之該剖面形狀包括：一第一形狀，其選自由一部分錐形、球形或拋物線形剖面形狀組成之群組；及至少一個額外第二形狀。
  21. 如請求項20之隔離系統，其中每一組相對之面向下凹入軸承表面與面向上凹入軸承表面之該剖面形狀係一致的。
  22. 如請求項20之隔離系統，其中相對之面向下凹入軸承表面與面向上凹入軸承表面中之至少一者之該剖面形狀包括：一第一形狀，其選自由一線性剖面形狀組成之群組；及一彎曲之額外第二形狀。
  23. 如請求項16之隔離系統，其中該等相對之面向下凹入軸承表面與面向上凹入軸承表面之直徑係在約8英吋與約36英吋之間。
  24. 如請求項22之隔離系統，其中該等相對之面向下凹入軸承表面與面向上凹入軸承表面之直徑係在約8英吋與約36英吋之間。
  25. 如請求項22之隔離系統，其中每一組相對之面向下凹入軸承表面與面向上凹入軸承表面之該剖面形狀包括：一淺中心凹口；一淺彎曲區段；及一周邊第一形狀，其選自由一線性剖面形狀組成之群組；及一彎曲之額外第二形狀。
  26. 一種地震隔離系統，其包括：一殼體，其經結構化以含納一有效負載，該殼體具有包括一頂部表面及一底部表面之一底部框架或板；複數個軸承半體，其包括接合至該殼體底部框架或板且在該底部框架或板之該底部表面下方突出之凹入面向下軸承表面；複數個墊板，其包括經定向以與對應凹入面向下軸承表面直接相對且界定其相對凹部之間的複數個腔之凹入面向上軸承表面；至少一個剛性球，其在每一該腔內擱置於一凹入面向上軸承表面上且支撐一凹入面向下軸承表面，其中該等墊板接合至經結構化以支撐該地震隔離系統、該殼體及該有效負載之一襯墊。
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