Спосіб захисту від землетрусів шляхом розв’язаного від коливань встановлення будівель і об’єктів на опори через віртуальні маятники з великим періодом коливання

1. Спосіб захисту будівель і об'єктів від динамічних сил, викликаних прискореннями основи (6), наприклад, при землетрусі, який відрізняється тим, що у системі, яка утримує об'єкт (1), дію підіймаючих об'єкт стійких і опускаючих об'єкт нестійких опорних елементів (2, 11, 7) та опорних елементів (14, 140) за допомогою зв'язків накладають таким чином, що при перемінних горизонтальних зміщеннях основи (6) внаслідок землетрусу під дією зміщення зв'язаних з основою (6) опорних точок (10) опорних елементів (2, 7, 11) відносно положення утримуваної маси об'єкта (1) здійснюється лише незначний підйом маси об'єкта (1) в опорній точці (Р), завдяки чому виникає лише незначна зворотна сила (FR), орієнтована у напрямку зрівноваженого положення, і виникає лише незначне прискорення об'єкта з великим періодом власних коливань (фіг. 9, 12,13, 16, 17, 21, 22, 23). 2. Пристрій для здійснення способу за п. 1, який відрізняє ться тим, що об'єкт (1) встановлений щонайменше на трьох опорних точках, причому об'єкт (1) безпосередньо або через опорний елемент (140) спирається на з'єднувальний елемент (8, 9), який, в свою чергу, через зв'язані між собою, встановлені з можливістю коливання у різних напрямках, підіймаючі об'єкт стійкі і опускаючі об'єкт нестійкі опорні елементи (2, 11, 7), обіпертий на рухливу основу (6), а також тим, що розміри і розміщення елементів (2, 7, 11, 140) у початковому стані вибрані таким чином, що з'єднувальний елемент (8, 9) з шарнірно з'єднаними з ним опорними елементами (2, 7, 11) являє собою віртуальний 2 (19) 1 3 70923 4 ними елементами (2, 7, 11, 14) являє собою віртуками по периметру з'єднувального елемента (9) і у альний маятник, в якому точка (Р) опори об'єкта стані спокою орієнтовані відносно центра з'єдну(1) на опорному елементі (14) описує траєкторію, вального елемента (9) похило, вгору, назовні, при аналогічну траєкторії кінця дуже довгого маятника, цьому вони шарнірно, з двома ступенями свободи, причому силова опора між опорною точкою (Р) підвішені на основі (6) (фіг. 18, 19). віртуального маятника і утримуваним об'єктом 10. Пристрій за п. 9, який відрізняється тим, що виконана у вигляді вертикальної амортизаційної опорна точка (Р) прикладення маси об'єкта (1) ноги з дуже плоскою характеристикою, причому розміщена над площиною, утвореною трьома точамортизаційний елемент може бути механічним, ками (12) шарнірного кріплення опорних елементів гідропневматичним чи в'язкоеластичним (фіг. 20, (11) до з'єднувального елемента (9) (фіг. 19, 20, 21, 32). 21). 6. Пристрій для здійснення способу за п. 1, який 11. Пристрій за п. 4, який відрізняється тим, що відрізняє ться тим, що посередині з'єднувального з'єднувальний елемент (8) підвішений на кількох елемента (8), який шарнірно, з двома ступенями симетрично розміщених опорних елементах (2), а свободи, з'єднаний зі щонайменше двома опорнитакож тим, що опорний елемент (14) шарнірно, з ми елементами (2), кожен з яких верхнім кінцем двома ступенями свободи, встановлений на з'єдшарнірно, з двома ступенями свободи, паралельнувальному елементі (8) (фіг. 22, 23, 24). но іншому підвішений на з'єднаних з основою (6) 12. Пристрій за одним із пунктів 2-11, який відрізопорних точках (10), шарнірно встановлений опорняється тим, що під утримуваним об'єктом (1) між ний елемент (14), який має один ступінь свободи, основою (6) і об'єктом (1) розміщений стрижень, причому при відхиленнях від середнього положенякий приймає поперечні сили, один кінець якого ня опорний елемент (14) відхиляється у напрямку нерухомо з'єднаний з нерухомо з'єднаною з осноточки з'єднання з'єднувального елемента (8) з вою (6) чи з утримуваним об'єктом (1) попередньо опорними елементами (2), і нижній кінець якого напруженою пружиною (41), розрахованою на певнижче точки його шарнірного з'єднання зі з'єднуне граничне зусилля, створюване вітром, а другий вальним елементом (8) встановлений у шарнірі з кінець - з цапфою (42), з можливістю осьового педвома ступенями свободи і з можливістю осьового реміщення вставлений у закріплену на об'єкті (1) переміщення, а на верхньому кінці якого, над точчи на основі (6) шарнірну опору (43) з двома стукою його шарнірного з'єднання зі з'єднувальним пенями свободи (фіг. 25). елементом (8), розміщено точку (Р) прикладення 13. Пристрій за одним із пунктів 2-11, який відрізмаси об'єкта (1) у вигляді шарніра з двома ступеняється тим, що під утримуваним об'єктом (1) між нями свободи, причому силова опора між опорною основою (6) і об'єктом (1) розміщений стрижень, точкою (Р) віртуального маятника і утримуваним що приймає поперечні сили, один кінець якого об'єктом виконана у вигляді вертикальної амортинерухомо з'єднаний з нерухомо з'єднаним ізоснозаційної ноги з дуже плоскою характеристикою, вою (6) або з об'єктом (1) пружним блоком (48) із причому амортизаційний елемент може бути мееластомерного матеріалу, розрахованим на певне ханічним, гідропневматичним чи в'язкоеластичним граничне зусилля, створюване вітром, а другий (фіг. 22, 23, 24, 32). кінець - з цапфою (42), з можливістю осьового пе7. Пристрій за одним із пп. 2-6, який відрізняє тьреміщення вставлений у закріплену на об'єкті (1) ся тим, що стійкий і нестійкий опорні елементи (2, чи на основі (6) шарнірну опору (43) з двома сту7, 11) сполучені з'єднувальним елементом (8) чепенями свободи, із забезпеченням пружно фіксорез шарнірне, з двома ступенями свободи, з'єдваного взаємного положення об'єкта (1) і основи нання, причому один опорний елемент (2, 11) ви(6) (фіг. 26). конаний у вигляді стійкого маятника, верхнім 14. Пристрій за одним із пунктів 2-11, який відрізкінцем шарнірно, з двома ступенями свободи, підняється тим, що під утримуваним об'єктом (1) вішеного у зв'язаній з основою (6) опорній точці закріплено один або кілька утримуючих пристроїв (10), а другий опорний елемент (7) виконаний у (50), в кожному з яких встановлена з можливістю вигляді стоячого, нестійкого маятника, нижнім кінобертання у всіх напрямках центрувальна куля цем шарнірно, з двома ступенями свободи, вста(44) з попередньо заданим, розрахованим на певновленого на основі (6), при цьому з'єднувальний ну силу вітр у зусиллям, створюваним механічною елемент (8) встановлений на об'єкті на горизонтапружиною (47) чи гідропневматичним пристроєм, льній осі без можливості обертання відносно об'втиснена в центр нерухомо з'єднаної з основою (6) єкта (1) навколо вертикальної осі (фіг. центрувальної воронки (45), кут розхилу якої змі9,12,13,16,17). нюється від початкового значення в центрі до 180° 8. Пристрій за п. 7, який відрізняється тим, що зовні, з утворенням геометричного замикання між з'єднувальний елемент (8) доповнений елементом об'єктом (1) і основою (6), здатного витримувати (8b) і з'єднаним з ним елементом (8а), які приєдгоризонтальне зусилля, граничне значення якого нані з обох кінців шарнірно, з одним ступенем свозалежить від сили пружини і кута розхилу в центрі боди, при цьому елемент (8b) шарнірно, з одним воронки (фіг. 27). ступенем свободи, закріплений на опорній нозі 15. Пристрій за п. 14, який відрізняється тим, що (WL) і шарнірно, з двома ступенями свободи, спив середньому положенні центрувальна куля (44) рається на нестійкий опорний елемент (7) (фіг.13розміщена між центрувальною воронкою (45) і 17). виконаним на кульках гніздом (49) утримуючого 9. Пристрій за одним із пп. 2-7, який відрізняє тьпристрою (50), виконаного з використанням мехася тим, що три опорних елементи (11) шарнірно, з нічної, гідропневматичної чи в'язкоеластичної прудвома ступенями свободи, з'єднані з трьома точжної сили (фіг. 27). 5 70923 6 16. Пристрій за п. 14, який відрізняється тим, що ізольована від коливань частина (22) будівлі, що центрувальна воронка (45) за межами кола, утвоне зазнає дії сили вітру, використана як репер для реного точками торкання центрувальної кулі (44) регулювання положення основної будівлі при вітрі до воронки (45) у найглибшому її положенні, має (фіг. 31). кут розхилу (γ), який збільшується до досягнення 22. Пристрій за пп. 5, 7, 9 або 12, який відрізня180° (фіг. 27). ється тим, що пристрої (70) для компенсації сили 17. Пристрій за п. 14, який відрізняється тим, що вітру і пристрої (69) для вертикальної амортизації утримуючий пристрій (50) містить оснащену пружоб'єднані в один блок з віртуальним маятником ним елементом напрямну безперешкодного підні(56) (фіг. 33, 56). мання центрувальної кулі (44), зумовленого гори23. Пристрій за п. 7, який відрізняється тим, що зонтальним зміщенням центрувальної воронки з'єднувальний елемент (8) віртуальних маятників (45), а також гідравлічний дросельний елемент на стовпах закріплений на двох підвісних маятниуповільненого опускання центрувальної кулі (44) ках, стійких опорних елементах (2) і одному стояпри поверненні центрувальної воронки (45) в сечому маятнику, нестійкому опорному елементі (7), реднє положення зі сталою часу, що значно переа також тим, що опорні елементи (2) і (7) орієнтовищує максимальний період коливань основи (6) вані у просторі з нахилом з метою компенсації на(фіг. 27). хилу кінця стовпа при коливанні і запобігання по18. Пристрій за одним із пунктів 2-11, який відрізхилому зміщенню точки опори (фіг. 35, 35а, 35b). няється тим, що між вертикальними стінами ос24. Пристрій за пп. 7 або 11, який відрізняється нови (6) і розміщеними на такій же висоті точками тим, що точка (Р) прикладення навантаження утримуваного об'єкта (1) навколо розміщеного в розміщена в нижній частині з'єднувальних елеменкотловані основи (6) об'єкта (1) розподілено по тів (8, 9), до з'єдн увальних елементів підвішені одній парі на кожну координатну вісь, одна для утримувані об'єкти, а також тим, що стійкі опорні вертикальної і дві для горизонтальних, попарно, елементи (2, 11) виконані у вигляді тросів (фіг. 37, дзеркально орієнтовано, з використанням розра40, 42). хованих на певну силу вітр у механічних чи гідро25. Пристрій за п. 8 або 9, який відрізняється пневматичних пружинних пристроїв (47) з плоскою тим, що опорні елементи (2) виконані у вигляді характеристикою у напрямку бокових стін фундатросів (фіг. 38, 39). менту до попередньо заданого механічного упору, 26. Пристрій за пп. 4 або 24, який відрізняється встановлено принаймні три пари оснащених відтим, що підвісний маятник, стійкий опорний елеповідними напрямними ковзних башмаків чи ролимент (2), підвішений до стелі приміщення, зв'язаків (25) або багатороликових ходових механізмів з ної з основою будівлі, а нестійкий маятник, нижній горизонтальним напрямком ходу (фіг. 28, 29). кінець опорного елемента (7) як основа вузлової 19. Пристрій за п. 18, який відрізняється тим, що точки, утримується чотирма або трьома підвішевін містить засоби автоматичного центрування ними до стелі, похило орієнтованими один до іноб'єкта (1) відносно основи (6) під дією сили вітру шого стрижнями, тросами чи ланцюгами (фіг. 42). шляхом динамічного підвищення пружних зусиль 27. Пристрій за пп. 7, 8, 10, 11 або 24, який відрігідропневматичних пружинних пристроїв (47), визняється тим, що щонайменше три віртуальні конані з можливістю керування гідравлічними венмаятники утримують масу як демпфер коливань тилями до повного досягнення заданого середньо(фіг. 43, 44, 45, 46, 47, 48). го положення (фіг. 28, 29, 30). 28. Пристрій за пп. 4, 7, 8, 10, 11 або 24, який від20. Пристрій за пп. 18 або 19, який відрізняється різняється тим, що стійкі підвісні маятники викотим, що він містить встановлені окремо або в комнані у вигляді тросів чи ланцюгів (фіг. 36b, 37, 38, бінації з елементами центрування і компенсації 39, 40, 41, 42, 45, 46, 47, 48). сили вітру, зв'язаними з рухомими елементами, 29. Пристрій як основа для сейсмозахисного моодну або кілька помп (37) для накопичення енергії дуля за одним із пп. 2-11, який відрізняється під дією викликаного землетрусом переміщення, тим, що нижня частина фундаменту для встановзв'язаного з основою (6) фундаменту відносно лення віртуальних маятників виконана вигнутою з ізольованої за допомогою віртуальних маятників підйомом по краях (фіг. 49, 56). будівельної структури (фіг. 28, 30). 30. Пристрій за п. 7, який відрізняється тим, що 21. Пристрій згідно з одним із пунктів 2-11, який з'єднувальний елемент (8) є безпосередньою оповідрізняє ться тим, що окремо від основної будіврою для утримуваного об'єкта (фіг. 69). лі (51) за допомогою віртуальних маятників (56u) Винахід стосується способу і реалізованих за ним сейсмозахисних пристроїв для запобігання пошкодженню будівель та інших об'єктів. Винайдені підвісні пристрої - сейсмозахисні модулі нового типу - є порівняно просто виконуваними несучими структурами, кожна з яких містить силову точку опори будівлі чи іншого об'єкта, використовуван у, наприклад, замість колони. Сейсмозахисні модулі на основі віртуальних маятників можуть бути спроектовані для найрізноманітніших застосувань для створення опор як для легких, так і для важких об'єктів. Ці сейсмозахисні модулі базуються на новому способі використання віртуального маятника і особливо придатні для утворення сейсмонечутливих опор для будівель і структур усіх видів, від 7 70923 8 мобільних будиночків до житлових будинків, торвиникають під час землетрусу, на об'єкт, що підлягових центрів, гаражів, лікарень, хмарочосів, башт, гає захисту. За вдяки сейсмозахисному модулю, мостів, естакадних доріг, водонапірних башт, баків будівля розв'язується від усяких зміщень грунту. рідкого палива, силосних башт, канатних доріг і Додатково система має такі характеристики: опор канатних доріг, опор високовольтних ліній вона самоцентрується і не допускає горизонтальпередачі електроенергії, освітлювальних пристроних зміщень, викликаних зусиллями, що виникають їв, промислових, хімічних і ядерних установок, есвід вітр у чи бурі. Для високих будівель вертикальтакад для трубопроводів і прокладених на висоті на жорсткість запобігає виникненню нахилів. В разі трубопроводів, газопроводів чи інших об'єктів, з будівель до певного співвідношення висоти і шиметою ізолювання їх від горизонтальних сейсмічрини в модуль може бути вбудований додатковий них зміщень і прискорень, а також захисту від виелемент для поглинання вертикальних коливань. никаючих при цьому зусиль і руйнівних впливів. Система може бути розрахована на будь-яку ампЗахист від зумовлених землетрусом пошколітуду горизонтальних коливань. Можливе викоджень має особливо важливе значення при спорунання сейсмозахисного модуля, що не потребує дженні критичних щодо безпеки установок, руйнутехнічного обслуговування. вання чи пошкодження яких може призвести до При незначній конструктивній висоті такий тяжких наслідків; до них відносяться ядерні сейсмозахисний модуль надає утримуваному об'установки і хімічні установки з небезпечними єктові можливість коливатися з великою амплітуречовинами. дою у всі х напрямках і має великий період власних Система особливо придатна також для захисколивань. Максимальні прискорення, що діють на ту мостів. Повністю усуваються проблеми, для утримуваний об'єкт, зменшуються до значення, яких відомі досі системи не запропонували меншого, ніж 0,01g. Ці значення вирахувані матерішення. матично і за ними може бути розрахована систеЗастосування сейсмозахисної системи надає ма. Очікувані результати були підтверджені шлятакож вигоди при будівництві промислових споруд, хом дослідження моделі на вібростенді. призначених для чутливи х виробничих процесів, В разі дуже сильних землетрусів, які стаються наприклад, для виробництва напівпровідникових в певних регіонах, захист, що його надають існуючі чіпів. досі системи сейсмозахисту, і звичайні методи При цьому захист об'єктів настільки ефективрозробки, відповідні будівельним нормам, виявний, що будівля чи установка повністю ізольована ляється недостатнім: спостерігаються значні від землі і навіть при землетрусах найбільшої магруйнування. нітуди залишається на своєму місці, у стані На противагу цьому, при застосуванні сейсмоспокою. захисної системи на основі віртуального маятника Настільки ефективний захист був би особливо магнітуда поштовхів, амплітуда і частота коливань корисним для лікарень, які в разі землетрусу моземлі не впливають на поведінку системи і на пожуть не евакуюватися, а в разі катастрофи залиложення об'єкту, утримуваного новими сейсмозашатися незруйнованими і функціонувати, надаючи хисними модулями з великим періодом власних медичну допомогу жертвам катастрофи. Операції коливань. можуть не припинятися навіть під час сильних поМожливе також додаткове оснащення існуювторних поштовхів. чих будівель сейсмозахисними модулями. Застосування даного винаходу значною мірою В разі будинків каркасної конструкції принцизменшує небезпеку ефекту рухливості грунту, який пово можливе дооснащення і в багатьох випадках може виникати під час землетрусу при певних тийого можна здійснити порівняно просто. пах грунтів, завдяки тому, що реактивна дія маси В разі будівель монолітної конструкції укріпбудівлі на грунт при коливаннях землі зменшуєтьлення шляхом дооснащення принципово також ся до вкрай малих значень. можливий. Одначе, із застосуванням традиційних Дія вибуху поблизу об'єкту, захищеного систезасобів такі заходи пов'язані з порівняно високими мою згідно з винаходом, також мінімізується. витратами. Підвісні об'єкти, такі як освітлювальні установІз застосуванням винайденого способу і пеки, від яких може виходити небезпека виникнення редбачених для його реалізації спеціальних мапожежі чи потенціал загрози, також можуть бути шин і обладнання для дооснащення будівель сейзахищені від пошкодження чи руйнування шляхом смозахисними модулями стало можливим підвішування на віртуальних маятниках. здійснення укріплення наявних будівель, включно Об'єкти на палях і стовпах також можуть бути з античними, та інших об'єктів з використанням захищені винайденим способом. коштів, що можуть бути виправданими. Цей іноваЗатухання коливань башт, високих опор і проційний спосіб дооснащення може бути застосовамислових димових труб, викликаних активним чи ний до будівель, розміщених як на нормальних, пасивним рухом значних мас, також успішно мотак і на скелястих грун тах. же бути досягнуте за допомогою віртуального Оскільки землетруси часто забирають багато маятника. людських життів і завдають величезних збитків Сейсмозахисний модуль на основі віртуальнонародному господарству, бажаним є покращення го маятника є базовою ізоляційною системою, захисту від дії землетрусів. Мають бути створені компактним, пасивно діючим, здатним нести наваможливості, придатні значною мірою вирішити цю нтаження пристроєм, вбудовуваним в перший попроблему. Лише в цьому столітті загинуло близько верх чи цокольний поверх будівлі. Система запобі1,6 мільйонів людей. У всьому світі більш, як у 40 гає передачі коливань чи поштовхів землі, що країнах існує постійна загроза землетрусів. 9 70923 10 Даний винахід усуває страх перед небезпеконструктивних рішень, і які відокремлюють будівкою. Застосування фізичних принципів прикладної лю від фундаменту і з'єднують їх через рухомі механіки робить це можливим і послаблює загроопори або через елементи з шарнірами. зу, з умовлену геофізичними процесами. Технічні рішення однієї групи, що належать до Вимоги до конструкції будівель у сейсмонебесистеми ізоляції фундаменту чи основи, надають зпечних регіонах враховують, як правило, встанобудівлі можливість рухатися відносно основи в влену незначну силу землетрусів, вірогідність якої певних межах. Згідно з цими рішеннями, шляхом вирахувана за статистичними спостереженнями, і тертя і сил демпфування на утримувані будівлі за нею визначають конструктивні параметри для передаються зусилля зміщення, які при високих забезпечення необхідної міцності будівельних частотах і великих амплітудах можуть стати критиструктур. чними. Деякі з цих рішень не передають негативВеличезні руйнування внаслідок землетрусів у них вертикальних зусиль і тому не придатні для всьому світі, матеріальні збитки і, не в останню тонких високих будинків і башт. чергу, людські жертви наочно свідчать, що має При іншому типі ізоляції фундаменту будівебути поставлена мета значного поліпшення захисльна споруда встановлюється на еластичних у ту від землетрусів. горизонтальній площині блоках, які складаються із Центр мас будівельної споруди розміщений розміщених поперемінно горизонтальних стальних завжди над його опорною поверхнею. Таким чиі каучукових плит (патенти США 4,527,365; ном, зміщення основи має бути передане центру 4,599,834; 4,593,502). Ці блоки мають високу навамас споруди. Зусилля у формі зміщення, що перентажувальну здатність у вертикальному напрямку, дається тілом споруди, є реакцією інерції маси, що верхня плита може зміщуватися у горизонтальнодорівнює добутку маси на прискорення, що діє на му напрямку відносно нижньої плити, правда в цю масу. дуже обмеженому діапазоні. При значних зміщенВ залежності від використаних будівельних нях відносно середнього положення зростає круматеріалів, при певних значеннях прискорення тизна пружної характеристики, збільшується жорсможе бути досягнуте і перевищене граничне знаткість блоків, зростає зусилля зміщення, що чення міцності структури. передається від основи на корпус будівлі. В екстТому в разі звичайних, нерухомо з'єднаних з ремальних випадках внаслідок збільшення жорстосновою будівельних структур справжній захист кості гумових блоків можуть виникати пошкодженвід землетрусів не може бути досягнутий. ня структур і інтер'єр у будівлі. При певній силі землетрусу і пов'язаному з Недоліком цих блоків є незначний еластичний нею прискоренні будівельна структура, яка через хід у горизонтальному напрямку, внаслідок чого фундамент жорстко зв'язана з основою, або допупри сильних землетрусах можливі пошкодження скає лише незначні зміщення відносно основи, має споруди. Крім того, ці еластичні блоки не в змозі бути зр уйнована. сприймати помітні негативні вертикальні навантаТакож міркування про те, що тертя чи демпження. Існує небезпека розривання блока. фування можуть зменшити шкідливий вплив виПри встановленні будівель на такі, еластичні у кликаних землетрусом зміщень, при сильніших горизонтальному напрямку, блоки завдяки пружній поштовха х виявляються безнадійними. деформації і демпфування зменшуються піки приІз енергії, що передається в будівлю внаслідок скорень. Зміщення грунту все ж певною мірою пеземлетрусу, лише порівняно незначна частина редаються на споруду. Коли амплітуда горизонтаможе бути вилучена із виконання руйнівної роботи льних коливань грунту перевищує пружний хід шляхом відведення або, точніше б сказати, перееластичних у горизонтальному напрямку блоків, творення у теплову енергію, наприклад, за допошвидкість руху грунту в повній мірі передається могою демпфування. Одначе, при сильних землечерез еластомерні блоки утримуваному об'єктотруса х демпфувальне тертя не може перешкодити ві і є небезпека зрізання блоків між стальними руйнівній дії коливань землі. плитами. Сучасні рішення, такі як еластичні конструкції При великих амплітудах коливань грунту колиіз стальних рам, які захистили від значних збитків вання утримуваного еластомерними блоками корпід час землетрусу у Нортриджі (Northridge), а тапусу будівлі можуть бути значними, причому у кож системи ізоляції основи, мають поглинати чи верхній частині будівлі вони можуть посилюватися відводити певну частину енергії, що передається внаслідок так званого «ефекту батога». на структур у будівлі. Останні дослідження U.S. В разі ізоляції фундаменту системою іншого Geological Survey і California Instituts of Technology типу корпус будівлі спирається на основу через (CalTech) висловлюють побоювання, що також і роликові чи ковзні елементи, які можуть рухатися будівлі такого типу можуть бути пошкоджені чи між двома вігнутими плитами чи однією плоскою і навіть зруйновані в разі дійсно сильного землетруоднією вігнутою плитою, завдяки чому точка опори су, особливо коли вони розміщені досить близько будівлі рухається, що еквівалентно підвішуванню до епіцентру. на маятнику (патенти США 4,644,714; 4,881,350). Зусилля, спрямовані на підвищення сейсмічної Ці пристрої не передають від'ємних зусиль і не безпеки, привели до великої кількості нових ріпридатні для поглинання пар сил із моментів згишень, які знайшли відображення у патентних нання в корпусі споруди. публікаціях. При спиранні корпусу через роликові елементи Серед технічних рішень, призначених для завиникають проблеми через пов'язане з цим значне хисту будівель від землетрусів, відомі пристрої, які контактне зминання на дотичних поверхнях. Це використовуються додатково до звичайних висуває особливі вимоги до матеріалів і поверхонь 11 70923 12 конструктивних елементів. Крім того, при такому забезпечена частотна розв'язка між будівлею і виді опори не передаються від'ємні сили. землею. Між плоскими плитами можуть також бути Можлива близькість власної резонансної часрозміщені опорні елементи, радіус кривизни яких в тоти коливань будівлі до можливого спектру часмісцях контактування з плитами більший, ніж висотот коливань, викликаних землетрусом, може вита елементів (викладений опис винаходу до патекликати підсилення амплітуди коливань у верхніх нту ФРН 2021031). частинах будівлі. При такій системі верхня плита, опора утримуВнаслідок цього можлива ситуація, коли на ваної споруди, при коливальному котінні опорних утримувані за допомогою таких пристроїв корпуси елементів припідіймається і також виникає ефект будівель за певних умов будуть діяти коливання підвішування точки опори на маятнику. Амплітуда більшої амплітуди. коливань при такому рішенні вже при землетрусах При таких процесах можливі також пошкосередньої сили недостатня. Частота власних кодження будівель і виникає небезпека розкидання ливань близька до можливої частоти коливань рухомих предметів всередині будівлі, що може грунту при землетрусах, внаслідок чого можливий становити загрозу ушкодження людей. резонанс, розв'язка коливань не достатня, від'ємні При особливо сильних землетрусах, які назисили не передаються. ваються BigShake (сильний поштовх) і MegaShake В іншій системі ізоляції фундаменту точки (мега-поштовх), захист за допомогою відомих сейопори будівельної структури підвішені на маятнисмозахисних систем та іншими звичайними метоках (патенти США 1,761,321; 1,761,322; 2,035,009; дами проектування відповідно до будівельних 4,328,648). Виконання маятника великої довжини норм недостатній і вони перестають діяти. Руйнумає практичні обмеження. Розв'язка від коливань вання і кількість жертв можуть набувати катастрооснови недостатня. фічних розмірів. Відомі землетруси з кількома тиГеометрією маятника визначається коливальсячами жертв. ний характер системи. Розміри маятника задають Відомі рішення щодо ізоляції основи надають період власних коливань. Ступінь відмінності влабудівельним структурам можливість зміщуватися сних коливань від коливань основи визначає колилише у тісних межах. Зі збільшенням амплітуди вальну поведінку підвішеної на маятнику маси коливань землі при використанні відомих захисних будівлі. систем зростає ступінь зменшення імпульсу. При При підвішуванні предмета чи корпусу будівлі дуже сильних землетрусах не виключена можлина маятнику, як показано в прикладах згідно з вість виходу з ладу. фіг.2, фіг.3 чи фі г.4, його власна динамічна колиНа відміну від відомих сейсмозахисних систем, вальна поведінка описується моделлю математирішення згідно з даним винаходом не є роликовим, чного маятника. Маса корпусу будівлі чи об'єкта 1 ковзним чи еластомерним пристроєм, який поглидіє як сила частково відповідно до розподілу мас нає чи відводить енергію; воно є системою, що не на різні точки опори в нижньому шарнірі 3 маятнипередає імпульс далі, робить можливим вільний ка 2 внаслідок земного тяжіння чи можливого дорух утримуваної споруди відносно основи у будьдаткового прискорення. Маятники 2 утримуються у якому напрямку, не поглинає і не розподіляє енерверхньому центрі 4 шарніра відповідно до задачі гію. Винайдене рішення забезпечує відсутність виконаною опорною структурою 5. Шарніри 3 і 4 є передачі коливань землі і енергії на утримувану кульовими або карданними шарнірами і дозволяспоруду. ють маятникові здійснювати коливальні рухи з Винайдена система відрізняється тим, що зудвома ступенями свободи відносно підвіски, що мовлені землетрусом горизонтальні коливання утримує масу, і відносно утримуваного об'єкта чи основи не передаються на корпус споруди, об'єкт будівлі. Коливальну поведінку зображених прине може повторювати коливальні рухи основи і кладів можна звести до моделі математичного споруда залишається у стані спокою. Ефективно маятника. запобігаються збитки від землетрусів. У всіх згаданих рішеннях мова йде про колиЧастота коливань землі під час землетрусу і вальні системи, власна частота коливань яких власна частота коливань утримуваної віртуальним близька до збуджувальних коливань, зумовлених маятником структури рознесені настільки, що коземлетрусом. За таких умов не виключене виникливання землі не може бути передане на утримунення резонансу, причому, виникають додаткові вану стр уктуру. Принцип ефективно діє без зміни проблеми, які можуть становити загрозу для поведінки при будь-якій частоті коливань землі, будівель. викликаній землетрусом. Від утримуваної маси, що Якщо будівельна система додатково має резалишається у стані спокою, не виникають жодні зонансну частоту тангажних коливань відносно сили реакції, які могли б діяти на будівельну струквертикальної вісі будівлі, близьку до викликаних туру. В корпусі будівлі чи в її інтер'єрі не виниказемлетрусом коливань землі, то на віддалені від ють ніякі пошкодження навіть при найсильнішому землі частини будівлі діють збільшені прискорення землетрусі. і, відповідно, більші сили. На противагу цьому, еластомерні опори і обЗа допомогою високоеластичних ізоляторів тяжені тертям ковзні опори передають помітніші між верхньою частиною будівлі і її фундаментом і сили зміщення в будівельну структур у, що в екстпов'язаним з цим рішенням м'яким в горизонтальремальному випадку може стати критичним. Якщо ному напрямку спиранням корпусу будівлі при сив окремих випадках структура ще встоїть, то мольніших землетрусах не можуть бути досягнуті жуть бути суттєвими пошкодження всередині задовільні результати, якщо не в достатній мірі будівлі. 13 70923 14 Тоді як опори для ізоляції основи, що викорисбатога», не тріскаються вікна, не відриваються товують елементи кочення, еластомерні блоки чи елементи внутрішнього обладнання. ковзні елементи, не можуть сприймати вертикальНа основі принципу його конструювання висоних зусиль, сейсмозахисні модулі згідно з винахотний будинок із захистом згідно з винаходом такий дом на основі віртуального маятника придатні для же стійкий і міцний, як і звичайним чином сконстпередачі від'ємних вертикальних навантажень. руйований будинок зі стальним каркасом, з тією Винайдена сейсмозахисна система є досконаперевагою, що на нього не діють коливання землі, лою системою ізоляції основи, компактним, пасиввін не зазнає жодних деформацій, що можуть вино діючим, здатним нести навантаження пристрокликати пошкодження і, таким чином, він забезпеєм, який розміщується у цокольному чи першому чений досконалим сейсмозахистом. поверсі будівлі і надає можливість будівлі вільно За допомогою винайденого способу розміщенрухатися відносно основи у будь-якому напрямку, ня будівель і об'єктів на опорних пристроях, які забезпечуючи при цьому стійкість проти дії вітру. надають точці опори можливість руху аналогічно Бездоганна поведінка сейсмозахисного модунижньому кінцю маятника з великим періодом коля не залежить від величини імпульсу, магнітуди ливань і, таким чином, представляють собою вірземлетрусу, прискорення основи, амплітуди і частуальний маятник, сейсмозахист підіймається до тоти коливань землі, викликаних землетрусом - як рівня досконалості. гармонічних, так і негармонічних. Результат завЗавдяки такій навантажувальній здатності і тажди один і той самий - будівля стоїть на місці, ким системним характеристикам, винайдена техне рухається. Всі пункти формули математично нологія захисту від землетрусів порівняно з відопідтверджуються. мим рівнем техніки має вигідні переваги. Винайдений сейсмозахисний модуль не є приВинахід представляє сейсмозахисну систему строєм, що сприймає енергію, чи передає її далі; ізоляції основи і є компактним, пасивно діючим, він дозволяє здійснювати вільні зміщення відносно здатним нести навантаження пристроєм, який основи. Можливе зменшення коливань утримуварозміщується у фундаменті чи першому поверсі ного пристроєм об'єкта, зумовлених землетрусом, будівлі. Система запобігає передачі викликаних майже до нуля (менше, ніж 0,01g), незалежно від землетрусом коливань і поштовхів на утримуваний сили землетрусу і незалежно від частоти і ампліоб'єкт. туди коливань землі. Отож, коливальна енергія від Утримувана будівля повністю ізолюється від землі не передається на будівлю. Зрізувальні сигоризонтальних рухів землі за допомогою нової ли, що діють на будівлю, зменшуються до незначнесучої конструкції, яка ефективно розв'язує власних величин. ні коливання об'єкта від коливань основи. Навіть найсильніші землетруси не можуть Виконаний за принципом віртуального маятниспричинити пошкоджень каркасу, фасаду чи вн утка несучий пристрій може бути розрахований на рішнього обладнання будівель. Людина в такій будь-яку амплітуду коливань і можливі вертикальні будівлі, можливо, навіть не помітить, що стався навантаження, і виконаний без потреби в технічземлетрус. ному обслуговуванні. Пристрій придатен для сейЗахисна функція винайденої системи настільсмозахисту об'єктів будь-якого типу і може бути ки ефективна, що, незалежно від сили землетрусу, використаний для сейсмозахисту існуючих об'єктів на будівлю не може бути передана сила з руйнівшляхом дооснащення. ною дією. За допомогою нового способу можливе Поставлена задача вирішена за рахунок того, досягнення такого захисту об'єкту, що він защо корпус будівлі чи об'єкт, що підлягає сейсмозалишається майже в стані спокою навіть при зміхисту, встановлюється на несучі конструкції, які в щеннях землі з великими амплітудами і високими даному контексті називаються сейсмозахисними прискореннями. модулями, які з одного боку нерухомо з'єднані із Еластомерні опори і ковзні опори позбавлені землею через спільний фундамент або через здатності сприймати вертикальні тягові навантаокремі фундаменти, а з іншого боку з'єднані з опоження. Коли землетрус викликає великі вертикарними точками будівельної структури, якій таким льні прискорення, можуть виникати пошкодження чином надається можливість рухатися відносно опор чи утримуваних ними структур, або навіть фундаменту у всі х напрямках з великою амплітузривання з опори з тяжкими наслідками. Ці продою і з незначною силою віддачі, яка зумовлює блеми протистоять застосуванню таких ізоляторів мінімальні прискорення. основи для захисту тонких висотних будинків, на Винахід представляє нечутливу до землетруякі можуть діяти перекидні моменти при сильному сів несучу систему для встановлення на опори вітрі чи землетрусах внаслідок високих прискорень структур усі х видів, таких як будинки, мости, башоснови при великих амплітудах зміщень. ти, промислові і ядерні установки та інші об'єкти, Сейсмозахисні модулі в формі віртуальних яка розміщується між фундаментом і утримуваною маятників вирішують цю проблему зривання з структурою і перешкоджає передачі на цю струкопор навіть при найбільших коливаннях основи туру зумовлених землетрусом змінних горизонзавдяки з'єднанню будівлі з фундаментом із геотальних зміщень і прискорень і викликаних ними метричним замиканням. сил, захищаючи таким чином її від руйнівної дії За допомогою цієї нової технології тепер є моземлетрусу. жливість повного ізолювання висотних будівель Для демпфування чи погашення зумовлених від коливань землі внаслідок землетрусів. землетрусом вертикальних коливань в разі потреЗахи щений таким чином тонкий висотний буби можуть бути застосовані механічні, гідропневдинок при землетрусах не зазнає дії «ефекту матичні чи в'язкопружні підвісні системи з дуже 15 70923 16 плоскою характеристикою у поєднанні з встановколивань маятника дорівнює: лення на опори через віртуальні маятники. g В основу даного винаходу покладено задачу (2) v розробки способу і пристрою для сейсмозахисту з f= = 1 2p 2p метою такої ізоляції будівлі чи об'єкта від коливанПеріод коливань становить ня землі, щоб, незалежно від сили землетрусу, 1 2p 2p сили, що мають руйнівну дію, не могли бути переT= = = дані на будівлю. f v g Має бути досягнута свобода коливань будівлі 1 при коливаннях землі, причому, власна частота Таким чином, велика довжина маятника ознаколивань об'єкту на його опорах має бути настільчає низьку частоту і великий період коливань ки відмінною від частоти коливань землі при земмаятника. летрусі, щоб обидві коливальні системи були розЯкщо власна частота коливань маятника і часв'язані дна від іншої і горизонтальні коливання і тота коливань основи відрізняються значною міпоштовхи землі більше не передавалися на утрирою, ці коливальні процеси вважаються розв'язамуваний об'єкт. ними один від іншого. Якщо частоти коливань землі при землетрусі і Якщо, наприклад, верхня точка підвішування власна частота коливань системи, утвореної несумаятника при землетрусі внаслідок горизонтальночою конструкцією і утримуваною структурою, відріго коливання основи коливається з частотою від зняються у 20 разів і більше, то можна вважати, 0,5Гц до 2Гц і маятник завдяки великій довжині що значно більш високочастотні коливання землі має дуже низьку власну частоту коливань порівняне зможуть збуджувати коливань у сейсмозахищено з частотою збудження, то маса об'єкту не в ній системі. Втім, уже період власних коливань змозі повторювати рухи основи, вона залишається такої системи 20 секунд і більше відсуває всяку майже на місці Коли маса під дією зовнішнього загрозу пошкодження. збудження тільки починає рухатися - з дуже малою Передовсім слід навести принципові підходи швидкістю внаслідок великого періоду коливань до виведення бажаного рішення проблеми. точка підвішування маятника внаслідок значно Фіг.5 Маса 1 діє як точкова маса на нижньому більшої частоти коливань уже здійснює рух у звокінці маятника. При відведенні закріпленої на кінці ротному напрямку ще до суттєвого відхилення маятника 2 маси 1 на величину є від її статичного маси від її первинного положення. Ці зміни напряположення спокою вона одночасно здійснить підмку руху точки підвішування відбуваються зі значйом на величину h, тому що маятник 2 довжиною І но більшою швидкістю, ніж зміна положення маси, нижнім кінцем 3 описує коло навколо верхньої підвнаслідок чого вона залишається майже в тому вісної точки 4. Оскільки рухи можуть здійснюватисамому положенні. ся в будь-якому напрямку у дво х координатах. Для досягнення бажаної розв'язки необхідна Нижній кінець маятника - точка підвішування велика довжина маятника. маси - описує при виді зверху вігн уту сферичну Одначе, реалізації дуже великої довжини маяповерхню. тника протистоять практичні міркування. Підйом маси 1 на величину h веде до того, що Описуваний тут маятник, шарнірно підвішений маса отримує додаткову потенційну енергію. Після своїм верхнім кінцем, представляє собою стабільприпинення дії сили, яка викликала відхилення ний несучий елемент, оскільки він під дією прискомаси 1 на величину є і її підйом на величину п, рення земного тяжіння намагається зайняти стійрозтяжна сила Ζ в маятнику і сила земного тяжіння кий стан спокою з найнижчим положенням центру (m×g) зумовлюють результуючу силу R зворотного мас утримуваного об'єкту. ходу, яка повертає масу в середнє положення споРеалізація так званого віртуального маятника, кою. При цьому маса 1 за інерцією проходить покотрий має невелику конструктивну висоту, але ложення спокою і після кількох коливань внаслідок ефективність маятника з великою довжиною і, татертя зупиняється у положенні спокою. ким чином, з великим періодом власних коливань, Аналогічні співвідношення виникають, коли не базується на принципі поєднання дії стійкого несумаса рухається із свого положення спокою, а точка чого елемента, який підіймає масу при відхиленні, 4 підвішування маятника 2 через несучу стр уктуру ι нестійкого несучого елемента, який опускає масу 5 повторює бокові рухи основи 6. Внаслідок цього при відхиленні, таким чином, щоб стабілізуючий спочатку маятник займає похиле положення завплив незначною мірою, але все ж переважав. вдяки зумовленій інерцією початковій нерухомості В разі стійкого несучого елемента утримувана маси; при цьому відбувається підіймання маси. маса в межах її свободи переміщення під дією Після цього маса здійснює коливання за законами прискорення земного тяжіння намагається зайняти маятника. положення з мінімальною потенційною енергією. При цьому кругова частота коливань станоЯкщо підвішену на маятнику масу змістити від вить м стійкого стану таким чином, що її потенційна g енергія збільшиться, то під дією прискорення зем(1) v= ного тяжіння вона знову повертається у первинне 1 положення спокою. де g прискорення земного тяжіння Положення маси є стійким. І довжина маятника Якщо при зміщенні маси відносно початкового Таким чином, характер коливань маятника виположення потенційна енергія зменшується, то значається виключно його довжиною. Частота 17 70923 18 маса під дією прискорення земного тяжіння тяжіє важільних передач для визначення місць розтадо подальшого зменшення потенційної енергії. шування потрібних точок опори, які через елеменПоложення маси є нестійким. ти зв'язку під спільною дією підйомів і опускань При поєднанні ι накладенні обох ефектів обох видів опорних маятників зазнають бажаного стійкого і нестійкого зміщення маси -шляхом відпідйому. повідного вибору геометричних розмірів з'єднуваФіг.7 Горизонтальне відхилення е р вибраної льних елементів може бути досягнутий результуопорної точки нижнього кінця віртуального маятниючий рух маси, при якому відбувається незначний ка є функцією або - в першому наближенні - пропідйом ι незначне зростання потенційної енергії, порційне відхиленню е підвісного стійкого фізичнозавдяки чому відбувається повільне повернення го маятника. у стан спокою з великим періодом власних Так само підйом і накладене опускання точки коливань. прикладення навантаження, нижнього кінця віртуТака поведінка характерна для довгого ального маятника, є функціями або пропорційні маятника. підйому чи опусканню точок дії мас у підвісному, Оскільки в даному винаході мова не йде про стійкому і стоячому, нестійкому, маятниках. фізично довгий маятник, але досягається ефектиПідйом hp точки Ρ дії мас у віртуальному маятвність довгого маятника з великим періодом власнику в функції через відхилення від середнього них коливань, можна говорити про віртуальний положення у першому наближенні відповідає крумаятник з довгим періодом коливань. говій траєкторії і точка Р, коливаючись у двох коТак званий віртуальний маятник при невеликій ординатах, описує поверхню у формі вігнутої сфеконструктивній висоті має ефективність довгого ри при виді зверху, маятника з великим періодом власних коливань. Радіус ρ кривизни є довжиною Ір віртуального Тепер, якщо при конструктивно наявній висоті і маятника. залежній від неї довжині І маятника 2 підйом h Фіг.8 Опорний елемент 2 представляє стійкий, виявляється надто великим, то шляхом накладенпідвісний маятник довжиною lh, а опорний еленя від'ємного значення, тобто шля хом опускання, мент 7 представляє нестійкий, стоячий маятник досягається результуючий незначний підйом, що і довжиною Іs. є бажаним результатом. Це можливо шляхом відКінець підвісного маятника, опорного елеменповідного з'єднання між собою стійкого, підвішенота 2, при вільному коливанні на кут α підіймається го маятника і нестійкого, стоячого маятника; при на величину h. Кінець стоячого маятника, опорного горизонтальному відхиленні зв'язаних опорних елемента 7, при вільному коливанні на кут β опуселементів їх вертикальні переміщення - в одному кається на величину s. Кінець підвісного маятника, додатне, в другому від'ємне -складаються. опорного елемента 2, описує при виді зверху вігОскільки переміщення обох опорних елементів нуту сферичну поверхню. Кінець стоячого маятнипри горизонтальному відхиленні відбувається за ка, опорного елемента 7, описує при виді зверху гармонічним законом, бо обидва ці рухи залежать опуклу сферичну поверхню. від кругової функції, то різниця між ними також є Фіг.9 Згідно з винаходом, підвісний маятник, гармонічною функцією горизонтального відхиленопорний елемент 2, і стоячий маятник, опорний ня, що підтверджує застосування принципу для елемент 7 зв'язані з'єднувальним елементом 8. досягнення мети. Під час зв'язаного коливання обох маятників часФіг.6 ілюструє цей взаємозв'язок. Центр 3 мас тина з'єднувального елемента 8, наближена до стійкого маятника 2 довжиною І при горизонтальстоячого маятника, опорного елемента 7, опусканому відхиленні є зазнає підйому h. ється, а частина з'єднувального елемента 8, наближена до підвісного маятника, опорного елемеæ eö h = 1ç 1 - arctg ÷ (4) нта 2, підіймається. 1ø è В певному місці з'єднувального елемента 8 є Верхній кінець стоячого, нестійкого маятника 7 точка Ρ опори утримуваного об'єкту, яка ділить довжиною ls при горизонтальному відхиленні es довжину с елемента 8 на відрізки а і b, яка під опускається на величину S. час зв'язаного коливання обох опорних елеменæ тів в обо х напрямках підіймається на незначну eö s = 1sç 1- arctg ÷ (5) ç величину. 1s ÷ è ø Ця величина визначається вибором величини і Коли вертикальні переміщення обох опорних взаємних співвідношень параметрів ls, lh, с, а і b. елементів складаються, результуючий підйом стаЗменшення довжини lh підвісного маятника, опорновить hres· ного елемента 2, веде при такому ж відхиленні є Відношення α:β і е:es визначаються видом до збільшення підйому h кінця маятника. Збільвикористаного зв'язку і вільно заданим відношення довжини ls стоячого маятника, опорного шенням І:ls. елемента 7, веде при такому ж відхиленні є до При безпосередньому додаванні вертикальних зменшення опускання s. Вибір положення точки Ρ переміщень стійкого і нестійкого опорних маятнина з'єднувальному елементі 8 здійснюють таким ків досягається результат, зображений на фіг.6. чином, щоб підйом точки Ρ при відхиленні є підвісЗв'язок стійкого і нестійкого опорних маятників ного маятника, опорного елемента 2, в кожному може бути здійснений різним чином. Величини разі був додатнім, але залишався мінімальним. переміщень, передані пропорційно підйомам і опуЯкщо відповідним встановленням з'єднувального сканням на опорні елементи чи на елементи елемента 8 обмежити його обертання навколо зв'язку, можна використовувати за допомогою вертикальної осі Н, то наведені вище міркування в 19 70923 20 рівній мірі дійсні також, коли коливання опорних Опорні елементи 2 при майже такій же ефекелементів 2 і 7 здійснюються в іншому напрямку, тивності можуть бути також виконані у вигляді трощо ілюструє фіг.10, на якому зображено вид сових стр уктур; тому можна відмовитись від шарзверху. нірних підвісок, якщо опорні елементи 2 у всіх Фіг.10 З'єднувальний елемент 8 з можливістю випадках навантаження зазнають дії лише сил обертання навколо осі Q встановлений в нерухомо розтягу. з'єднаних з утримуваною масою опорах В і, завдяФіг.12 ілюструє варіант принципу. ки цьому, не може обертатися навколо вертикальПоряд із вибором відношень lh:Іs і а:b впливати ної осі Н. Вільний кінець підвісного маятника опорна характеристику підйому точки Ρ і, тим самим, ного елемента 2 описує у виді зверху вігн уту задавати ефективну довжину віртуального маятсферичну поверхню К. Стоячий маятник, опорний ника можна також зміною кута γ згину діючого ваелемент 7, описує при виді зверху опуклу сферичжеля b з'єднувального елемента 8, а також ввену поверхню V. При відхиленні вільного кінця підденням кута в діючому важелі а. вісного маятника, опорного елемента 2 на величиВибір розмірів може бути здійснений таким чину е у будь-якому напрямку точка Ρ з'єдн увального ном, що діюча довжина lv віртуального маятника в елемента 8 і, тим самим, вісь Q підіймаються такілька разів перевищуватиме конструктивну висоту ким же чином, як і при відхиленні у напрямку осі X. пристрою, що утримує об'єкт. Точка шарнірного приєднання з'єднувального Завдяки цьому, частота коливань віртуального елемента 8 до опорного елемента 7 також зазнає маятника і, значить, утримуваної ним маси m знаопускання у будь-якому напрямку відхилення маячно нижча, ніж частота коливань основи при винитника опорних елементів 2 і 7, як у напрямку осі X. кненні викликаних землетрусом горизонтальних Таким чином, точка Ρ з'єднувального елемента 8 коливань. при відхиленні зв'язаних маятників у будь-якому Це означає розв'язку положення утримуваного напрямку зазнає підйому. віртуальним маятником об'єкту від горизонтальних Як показано на фіг.9, точка Ρ рухається як віколивань грунту. льний кінець підвісного довгого маятника з довжиМаксимальні прискорення, що діють на утриною lv; вона представляє собою вільний кінець муваний об'єкт, вираховуються із коливальної хавіртуального маятника великої довжини. рактеристики математичного маятника згідно з Фіг.11 При відхиленні з'єднувального елеменрівнянням (10). та 8 на фіг.9 від положення спокою на величину е і Шляхом відповідного вибору конструкції і розпідійманні точки Ρ на величину hp, згідно з фіг.11 рахунку розмірів ці максимальні горизонтальні довжина віртуального маятника дорівнює прискорення можна зменшити до величин, яких людина не виявляє органами відчуттів Ця ефекти2 2 e + hp вність не залежить від того, яких горизонтальних (6) 1v = 2hp прискорень зазнає основа 6 від землетрусу. Магнітуда землетрусу не має жодного впливу Кругова частота віртуального маятника на положення будівельної конструкції, утримуваної становить віртуальним маятником з великою ефективною 2g × hp довжиною ι великим періодом коливань. v= (7) Фіг.13 за основним принципом відповідає ріe2 + h2 p шенню згідно з фіг9 і фіг12. Одначе, при цьому Частота коливань віртуального маятника важіль з ефективною довжиною b відокремлений дорівнює від важеля з ефективною довжиною а і з одним ступенем свободи спирається на власну опору в 1 2g × hp f= (8) розміщеній вище точці на опорній нозі Lw, яка час2 2p e + hp тково утримує масу m. Період коливань віртуального маятника При такому рішенні підвісний стійкий опорний становить елемент, маятник 2, і стоячий нестійкий опорний елемент, маятник 7, своїми фізичними довжинами e 2 + h2p (9) lh ι ls займають більшу частин у наявної конструктиT = 2p 2g × hp вної висоти Завдяки цьому, при однаковому кутовому відхиленні встановлених з двома ступенями Максимальна швидкість точки Ρ вільного кінця свободи опорних елементів 2 і 7 збільшується навіртуального маятника: явне в розпорядженні горизонтальне коливальне 2g × hp зміщення системи порівняно з вертикальною консn max = 2 (10) труктивною висотою. æ hp ö 1+ ç ÷ Несучий елемент - з'єднувальний елемент 8 ç e÷ è ø через з'єднувальну опору 8а, з обох кінців встаноМаксимальне прискорення вільного кінця вірвлену з одним ступенем свободи, зв'язаний з нетуального маятника, а, значить і утримуваного сучим елементом -з'єднувальним елементом 8b, об'єкта становить один кінець якого з одним ступенем свободи закріплений на опорній нозі об'єкта 1, а другий кінець з 2g × hp amax = двома ступенями свободи закріплений на нестій2 (11) h кому опорному елементі, стоячому маятнику 7. e+ p e Характер рухів відповідає схемі згідно з фіг.7 і фіг.8. 21 70923 22 Фіг.14 і фіг.15 ілюструють можливість коливасвободи і при нахилянні відносно нижньої точки льного відхилення утримуваної маси у двох наобертання внаслідок приєднання через з'єднувапрямках відносно основи. льний елемент 9 до опорних елементів 11 із фіг.19 Фіг.16 ілюструє можливості відхилення утрипідіймається на величину h. муваного об'єкту відносно основи у трьох фазах Точка Ρ спирання утримуваної маси об верхній коливального руху з ходом S коливання. кінець опорного елемента 140 висотою Ір при наНа фіг.17 показано, як при ході S коливання хилянні на кут ς разом із з'єднувальним елементом основи 6 і з'єднаної з основою віртуальної опорної 9 зазнає відносного опускання на величину точки Cv віртуального маятника Pv стійкий опорний sp = 1 (1 - cosV ) (12) p елемент, підвісний маятник 2, внаслідок коливальа додаткове зміщення центру становить ного руху нижньої опорної точки підіймається на u = 1 × sinV (13) p величину h, а нестійкий опорний елемент, стоячий маятник 7, опускає верхню опорну точку на велиЗагальне зміщення точки Ρ становить чину s, тоді як утримуваний об'єкт О зазнає підйоe = e +u (14) му hp відповідно до коливального руху віртуальноe = e + 1p sinV го маятника Pv. Результуючий підйом точки Ρ становить Фіг.18 В цьому прикладі розглядається систеhp = h - sp ма зі з'єднувальним елементом 9 у формі (15) трикутника. hp = h - 1p (1 - cosV ) Фіг.19 зображає вид зверху на систему згідно з Фіг.21 Точка Ρ, верхній кінець опорного елефіг.18. Трикутний з'єднувальний елемент 9 з двомента 140, рухається по відкритій угору вігнутій ма ступенями свободи закріплений на трьох похиповерхні з великим радіусом кривизни. Цей радіус ло під кутом δ розміщених опорних елементах 11, кривизни і залишкова стабільність визначаються з двома ступенями свободи підвішених у трьох співвідношеннями між розмірами окремих елеменопорних точках 10. тів конструктивного вузла, зокрема, висотою верЯкщо з одного боку з'єднувального елемента 9 тикальної опори. опорний елемент 11 підіймається у своїй верхній Вибір величини Ір обмежується висотою, при шарнірній точці 12 внаслідок зміщення верхньої якій система стає нестійкою. На фіг.21 зображено опорної точки 10 за рахунок зміщення основи 6 від віртуальний маятник для кріплення з двома ступецентру з'єднувального елемента 9 назовні, а також нями свободи об'єкту в точці Р; при такій конструквнаслідок того, що з'єднувальний елемент 9, зації об'єкт мов би підвішений на маятнику довживдяки своїй жорсткості і навантаженості в центрі ною Ір або р, з можливістю переміщатися по 13 масою утримуваного об'єкту, залишається на викривленій поверхні з радіусом кривизни р. місці, то розміщені на протилежному боці з'єднуЗа відомими значеннями є і hp із рівнянь (14) і вального елемента 9 нижні шарнірні точки 12 опо(15) довжина віртуального маятника обраховуєтьрних елементів 11 завдяки похилому початковому ся згідно з рівнянням (6). положенню останніх опускаються. Крім того, дійсні рівняння (7) - (11). Оскільки - внаслідок початкового похилого Опорні елементи 11 при майже такій же ефекрозміщення опорних елементів 11 під кутом δ тивності можуть бути також виконані у вигляді тровеличина опускання на одному боці з'єднувальносових стр уктур; тому можна відмовитись від шарго елемента 9 менша, ніж величина підйому на нірних підвісок, якщо опорні елементи 11 у всіх його протилежному боці, центр 13 з'єднувального випадках навантаження зазнають дії лише сил елемента 9 зазнає підйому. розтягу. Відношення величини підйому одного боку Ця точка опори навантаження в сейсмозахисз'єднувального елемента 9 до величини опускання них модулях має можливість руха тися у просторі, його протилежного боку залежить від вибору кута мов би будучи підвішеною на кінці дуже довгого δ при середньому положенні спокою з'єднувальномаятника. Тобто, вона рухається у віртуальній чаго елемента 9 і співвідношення між геометричними ші з великим радіусом кривизни. розмірами опорних елементів і з'єднувального В цій чаші точка прикладення навантаження елемента. завжди прагне зайняти найнижче положення. При зміщенні основи в різних напрямках центр Чим більш плоска чаша, тим меншою є викли13 з'єднувального елемента 9 рухається по кана земним тяжінням сила повернення до серевідкритій угору вігн утій поверхні з радіусом дини і тим повільніше рухається ця точка у напрякривизни р. мку центру. Центр 13 з'єднувального елемента 9 здійснює На фіг.22 зображено інший приклад віртуальрухи, характерні для віртуального маятника довного маятника, реалізованого за способом, визнажиною р. Центр 13 з'єднувального елемента 9 при чення якого дано у п. 1 формули винаходу. зміщенні на величину ε зазнає підйому на величиНа зв'язаних з основою 6 несучих структурах 5 ну h, а сам з'єднувальний елемент нахиляється на шарнірно, з двома ступенями свободи, закріплені кут ς. стійкі опорні елементи, вертикально підвішені маяФіг.20 Якщо в центрі 13 з'єднувального елеметники 2, які нижніми кінцями утримують несучий нта 9 нерухомо встановлено вертикальний опорелемент або виконаний у вигляді платформи з'єдний елемент 140 висотою Ір, то такий вузол преднувальний елемент 8. ставляє собою стоячий нестійкий фізичний В центрі з'єднувального елемента 8 у здатній маятник, який в межах свого фізичного видовженсприймати вертикальне навантаження опорі 59 ня віртуально встановлений з двома ступенями 23 70923 24 встановлено вертикальний опорний елемент 14, Відношення величини ходу коливання s оснонижній кінець якого з можливістю осьового переви 6 і конструктивної висоти Нм сейсмозахисного міщення утримується від горизонтального перемімодуля свідчить, що при середній висоті поверху щення здатною коливатися навколо двох горизонуже можливі порівняно великі амплітуди коливантальних осей шарнірною опорою 43. В цій ня системи. шарнірній опорі 43 вертикальний опорний елемент Коливальні параметри системи відповідають 14 може нахилятися навколо горизонтальних осей. параметрам математичного маятника. Період влаЦентр опори 59 має таку ж просторову р ухлисних коливань визначається лише ефективною вість, що й нижні кінці підвісних маятників 2 довдовжиною віртуального маятника. жиною Іh і при горизонтальному зміщенні є підіВинахід гарантує відсутність резонансних коймається на величину h. ливань будівлі при коливаннях землі, викликаних Верхній кінець вертикального опорного елеземлетрусом, причому, горизонтальні прискорення мента 14 зазнає підйому на величину h, на яку і поштовхи більше не передаються від землі до одночасно накладається опускання на величину корпусу будівлі. Таким чином забезпечується інтеs e. Величина результуючого підйому становить гральний сейсмозахист, завдяки якому навіть при hres=h-s e. найсильніших горизонтальних коливаннях землі У прикладі згідно з фіг.22 для верхнього кінця будівля чи об'єкт перебувають у безпеці. опорного елемента 14 результуючий підйом від'єЗ використанням винайденого способу при мний, тобто відбувається його опускання. Таким відповідному виборі конструктивних . параметрів чином, у разі використання цієї верхньої точки можна досягти такого захисту утримуваних об'єкяк точки опори навантаження підйом був би тів, що вони практично залишаються у стані сповід'ємним. кою навіть при найбільших амплітудах коливань і При зміщенні від середнього положення у всі х найвищих прискореннях грунту. напрямках верхня точка описує у виді зверху опукЗастосування винайденого способу зумовлює лу поверхню, як верхній кінець маятника, встановтаке збільшення періоду власних коливань, що, леного нижнім кінцем на опору. Таким чином утвозавдяки зв'язаній з цим інерції, об'єкт не може порюється обернений, нестійкий віртуальний вторювати коливальних рухів основи. Захист об'маятник з довжиною lvi. єктів настільки ефективний, що будівлі чи установПри прикладенні вертикального навантаження ки залишаються у стані спокою навіть при до верхнього кінця опорного елемента 14 він за землетрусах з найбільшою магнітудою. такого вибору розмірів відносно розмірів інших Ефективність прозоро підтверджується матезв'язаних елементів 2 і 8 є нестійким. матично. Сам по собі опорний елемент 14 без зв'язку з Функціонування винаходу і інтегральний заіншими елементами не стійкий. Лише шляхом зв'яхист можуть бути продемонстровані шляхом мозування з іншими елементами, стабілізуючий делювання з прискоренням до 1,2g. вплив яких переважає під навантаженням, вся Таким чином, об'єкт повністю ізольований від система стає стійкою і утворює несучу стр уктуру горизонтальних рухів землі, тобто, мова йде по віртуального маятника. ефективну ізоляцію від основи шляхом спирання Для досягнення стійкості під навантаженням об'єкту через несучу стр уктур у, яка при малій владовжину Ір слід вибирати такою, щоб забезпечувасній конструктивній висоті робить можливими такі лось додатне значення вертикального переміщенпросторові рухи утримуваного об'єкту, мов він підня hres. При цьому точка прикладення навантаженвішений на дуже довгих маятниках. Таким чином, ня рухається у ввігн утій у виді зверху поверхні. опирання здійснюється через віртуальний маятник Вибрана таким чином точка прикладення наванз великим періодом коливань. таження, розміщена на відстані Ір від опорної точки Параметри системи можуть бути вибрані в 59, при зміщенні відносно середнього положення широких межах. Завдяки цьому, різниця між частозазнає незначного підйому hp і представляє собою тою власних коливань системи і можливими часкінець віртуального маятника з довжиною lv. тотами викликаних землетрусом коливань землі На фіг.23 зображені викривлені траєкторії руху задається вільно і може бути вибрана такою, що кінця підвісного маятника 2, центру з'єднувального коливальні системи будівлі і основи будуть значелемента 8 і точки прикладення навантаження ною мірою розв'язані, в результаті чого утрина верхньому кінці вертикального опорного мувана структура практично залишається у стані елемента 14. спокою. На фіг.23а, 23b, 23с зображено фази руху Оскільки корпус будівлі не може повторювати утримуваного об'єкту 1 відносно основи 6 у крайніх швидкі зміни положення основи, на будівлю не положеннях ι з накладенням різних фаз. діють викликані прискореннями сили. У будівлі не На фіг.24 схематично зображений віртуальний виникають небезпечні напруження, завдяки чому маятник, виконаний за поясненим згідно з фіг.22 і усуваються пошкодження. 23 принципом дії, причому, наведено середнє поСейсмозахисні модулі у формі віртуальних ложення, а також фази руху основи 6 відносно маятників забезпечують ефективний захист навіть утримуваного об'єкту 1. При коливальному горизопроти землетрусів з найбільшою магнітудою і найнтальному зміщенні є основи 6 внаслідок землебільшим руйнівним потенціалом. Вперше з'явитрусу утримуваний об'єкт 1 - завдяки використанлась можливість повністю сейсмобезпечного проеню віртуального маятника - зазнає незначного ктування будівель різного типу, включно з підйому на величину hp. висотними будинками, та інших стр уктур, а також дооснащення існуючих об'єктів. 25 70923 26 Маса будівлі мов би висить на віртуальних терті, що проявляється у вигляді опору перемімаятниках з великою ефективною довжиною, прищенню рухомої маси. чому, точка підвішування розміщена високо над Досягається вкрай низький ефективний коефібудівлею. цієнт тертя. Завдяки цьому, також і через тертя від Новий сейсмозахисний модуль реалізує колиоснови до утримуваної споруди не передаються вальні параметри дуже довгого маятника без попомітні прискорювальні сили. Будівля має можлитреби у великому просторі у вертикальному навість легко рухатися відносно основи. Сили вітру прямку, тобто він представляє собою віртуальний можуть зміщувати утримуваний об'єкт від середмаятник з дуже великою ефективною довжиною. нього положення діапазону зміщення, зменшуючи Він має малу конструктивну висоту в межах потим самим в одному напрямку можливу амплітуду верху і може бути розміщений на рівні землі чи в коливань в разі виникнення землетрусу. Концепція підвалі. несучої структури згідно з новим рішенням веде до Верхня точка підвішування віртуального маятзменшення фізично діючого тертя до незначної ника за допомогою сейсмозахисного модуля нерувеличини завдяки високому коефіцієнту зменшенхомо з'єднана з основою. ня. Опір переміщенню дорівнює Маса, підвішена на дуже довгому маятнику, W = m × g × mred (16) може рухатися лише дуже повільно. Період колиМожуть бути досягнуті значення: вання дуже великий. У разі використання винайμred=0,002...0.004 деного способу і пристрою період коливання можЗавдяки такому низькому коефіцієнту тертя, на обирати вільно, наприклад, 20 секунд чи через тертя утримуваній масі передаються дуже більше, і за ним розраховувати конструктивні еленезначні сили для надання їй прискорення. менти. При землетрусах час коливання лежить, як Завдяки цьому впливу, можлива амплітуда коправило, в діапазоні від 0,5 до 2 секунд. Якщо точливань у жодному разі не може бути меншою за ка підвішування маятника зміщується швидко чи амплітуду коливань, викликану землетрусом. стрибком, то підвішена на маятнику маса перехоТаким чином, для вирішення первинної задачі дить у нове положення лише зі швидкістю, що відізолювання утримуваного об'єкту від коливань зеповідає коливальним параметрам маятника з вемлі у загальне конструктивне рішення слід додатликою довжиною. ково інтегрувати елементи, що забезпечують Магнітуда землетрусу не має жодного впливу центральне початкове положення. Не має жодного значення, як швидко рухається Переміщення точок опори утримуваного об'єкземля, яке прискорення діє на фундамент будівлі, ту в сейсмозахисних модулях здійснюється по дуз високою чи низькою частотою коливається земля же плоскій, у виді зверху ввігн утій поверхні, приабо гармонічні чи не гармонічні ці коливання - речому, ця поверхня не точно повторює форму зультат завжди один і той же. сфери, а лише наближено. Кривизна поверхні при Передане на будівлю прискорення зменшувідхиленні від середнього положення не постійна, ється до значення, меншого від 0,01g -значення, що, одначе, не погіршує функціональності систеяке навряд чи можна відчути фізично. ми. Внаслідок підйому при відхиленні від середЗахисна дія цього принципу завжди однакова нього положення, під дією сили тяжіння виникає при всіх можливих прискореннях і швидкостях руху зворотна сила, завдяки чому забезпечується саземлі. моцентрування опорної точки. Звичайно, поверТому навіть при найсильнішому землетрусі нення в середнє положення здійснюється не побудівля зазнає таких же коливань, як і при слабковністю внаслідок наявного тертя, хоча воно й дуже му землетрусі. мале. При використанні рішення згідно з винаходом Горизонтально діюче тягове зусилля, тобто енергія не змінює напрямку, не перетворюється і зворотна сила при відхиленні від середнього поне поглинається, більше того, на будівлю не переложення підвішеного на віртуальному маятнику дається помітна кількість енергії коливань землі. об'єкту дорівнює Оскільки будівлі не передаються жодні змінні é e æ e öù рухи, в ній не виникають викликані прискоренням SH = m × g × v × cos êarcsinç ÷ ú (17) сили інерції, що запобігає спричиненим землетру1v è 1 øû ë сом пошкодженням. де SH викликане силою тяжіння горизонтальне Таким чином, об'єкт повністю ізолюється від тягове зусилля горизонтальних рухів землі, тобто мова йде про m утримувана маса надефективну ізоляцію основи. g прискорення земного тяжіння Завдяки цьому, не потрібні зумовлені землее відхилення від середнього значення трусами конструктивні рішення для будівельних lv довжина віртуального маятника горизонтаструктур, передбачені будівельними інструкціями льний опір переміщенню, викликаний тертям: для стандартного підходу до проектування сейсWH = m × g ×mred (18) мостійких споруд. де WH горизонтальний опір переміщенню Моделювання підтвердило розраховану і очіm red зменшений коефіцієнт тертя кувану е фективність винайденого рішення. Завдяки розробленій концепції сейсмозахисЗгідно з даним винаходом, фізично наявне теного модуля, горизонтальний опір переміщенню ртя в точках опори структурних елементів конструдуже малий. ктивного рішення, зумовлене принциповою структурою, значно зменшується при ефективному 27 70923 28 Коефіцієнт тертя зменшується на величину, пружиною 41 підвішені на утримуваній будівельній що дорівнює відношенню половини діаметра опоструктурі 51. ри маятника опорного елемента до ефективної На фіг.26 зображений вирівнювальний придовжини маятника. стрій для центрування будівлі за допомогою пружЗменшений коефіцієнт тертя дорівнює: ного блоку 48 із еластомерного матеріалу. При відповідному виборі параметрів пружного блоку DL / 2 mred = m × (19) його характеристики можуть бути порівнюваними з 1 p характеристиками пристрою згідно з фіг.25. Відде μ коефіцієнт тертя опори маятника мінним у такому рішенні є відсутність чітко вираDL діаметр опори опорного елемента, женого моменту зламування. Від самого початку маятника зусилля зростає в залежності від горизонтального Ір довжина опорного елемента, маятника зміщення. І цей пристрій може бути реалізований у Шляхом розрахунків радіус кривизни поверхні оберненому виконанні. переміщення кінця віртуального маятника, зумовНа фіг.27 зображено пристрій для центруванлений бажаною розв'язкою від коливань землі, ня будівлі, в якому утримувальний пристрій 50, всередині діапазону задається дуже великим, однерухомо закріплений щонайменше у дво х точках, наче, не зважаючи на дуже мале тертя, після відрозміщений під утримуваною будівельною струкхилення при поверненні у середнє положення витурою 51. Вкладена в гніздо 49 куля 44 втискаєтьникає гістерезис з горизонтальним зміщенням: ся в центрувальну воронку 45 під дією пружини 47 AH = Iv / sin(arc sin× arc cos mred ) (20) з вертикальною силою Fv, яка врівноважує максимальну очікувану горизонтальну силу Fh , прикладе Ан горизонтальне зміщення від середнього дену до будівлі під дією вітру. положення Концепція сейсмозахисного модуля дозволяє Fv = Fh × tg ( g / 2) (21) розрахувати передбачувану амплітуду коливання де Fv вертикальна сила настільки великою, що навіть в разі дуже сильного Fh горизонтальна сила землетрусу забезпечується достатній простір для γ к ут розхилу центр увальної воронки коливань відносно основи також і при початковому Якщо сила Fv починає перевищувати силу, яка зміщенні від середнього положення. Внаслідок може бути викликана вітром чи незначним позміщення під дією сили вітру чи заспокоєння після штовхом від землетрусу, внаслідок подальшого землетрусу будівля може займати різне положенгоризонтального зміщення воронки 45 разом із ня. Коли це не заважає, можна обійтися без додаосновою 6, куля 44 разом із поршнем 52 втискаткового центрування будівлі і опирання силам вітється у циліндр і потрапляє у зону воронки 45 з ру. Одначе коли висувається вимога, щоб у стані меншим нахилом чи, відповідно, з більшим кутом спокою будівля завжди була в одній і тій же точці, розхилу. Внаслідок цього горизонтальна сила, що необхідний додатковий пристрій для точного може бути передана на будівлю, зменшується і центрування. стає рівною нулю, як тільки куля полишить воронку На фіг.25 зображене просте рішення для гориі починає котитися по плоскій поверхні. зонтального утримування об'єкта. Такий пристрій Витіснена поршнем 52 рідина через зворотний необхідно встановити щонайменше у дво х місцях клапан 53 попадає у зовнішній резервуар або у будівлі, одначе, він може бути інтегрований також вмонтовану компенсаційну камеру 55. При можлиу кожен сейсмозахисний модуль. вому поверненні кулі у початкове положення швиНижній кінець пружини 41 розтягу з попередкість висування поршня гальмується за рахунок днім напруженням закріплений на основі. На верхтого, що рідина може витікати лише через дросеньому кінці пружини закріплена цапфа 42, з можльну шайбу 30. ливістю осьового зміщення вставлена в сферичну При швидких коливаннях основи куля 44, що шарнірну опору 43, нерухомо з'єднану з утримуваповільно висувається разом із поршнем, не відраною структурою. Попереднє напруження пружини зу встановлюється у центральну зону центруваль41 вибране таким, що горизонтальна сила, приної воронки 45 з крутими стінками, а ковзає по її кладена до важеля на висоті шарнірної опори 43 ділянках з меншим нахилом. Внаслідок цього гоздатна протидіяти максимальній очікуваній силі ризонтальні сили, що передаються на будівлю, вітру без нахиляння цапфи 42. Коли ж внаслідок незначні. землетрусу виникає горизонтальне зміщення осКоли коливання вщухають, куля 44 знову нови відносно утримуваної маси будівлі з високим встановлюється у центральну зону центрувальної прискоренням, в результаті якого виникає імпульс, воронки 45 з крутими стінками і центрує утримуващо значно перевищує очікувану силу вітру, то виний системою об'єкт з відновленою горизонталькликаний ним момент через важіль цапфи 42 згиною складовою утримувальної сили Fh. нає пружину 41. Основа зміщується відносно будіНа фіг.28 зображено інше виконання системи влі на величину ε. При подальшому зростанні центрування будівлі і протистояння силі вітру. Між зміщення після здолання цього початкового момебоковою стіною цокольного поверху 22 будівлі і нту величина сили зростає не лінійно, а дегресивстіною 20 фундаменту на основі 6 на одній парі но. Таким чином реакційна сила пружини в межах протилежних сторін прямокутної будівлі встановамплітуди S коливання утримується незначною. лено щонайменше по два горизонтальних опорних Ця горизонтальна протидія може бути реаліелементи 24, а на двох інших сторонах будівлі зована також у оберненому пристрої, в якому шавстановлено щонайменше по одному опорному рнірна опора 43 з'єднана з основою 6 або врівень елементу 24. Горизонтальні опорні елементи 24 вмонтована в фундамент, а кінець цапфи 42 з зображені у виді зверху, причому, ролики 25 29 70923 30 встановлені з можливістю переміщення у горизонпомпи 36 з приводним двигуном 34, управління тальному напрямку на висоті вертикальної стіни яким здійснює датчик тиску 35. Енергопостачання 20 фундаменту. Всі інші елементи схематичного приводу може бути здійснене автономно, з викозображення відображені у горизонтальній площині ристанням енергії сонця чи вітру. Гідравлічна еневертикального перерізу. Горизонтальний опорний ргія накопичується в батареї гідроакумуляторів 38, елемент 24 складається із гідравлічного циліндра завдяки чому потужність помпи 36 може бути не 40 з повністю висунутим штоком поршня, на кінці великою. Під час землетрусу в розпорядженні сисякого встановлено ходовий механізм з одним або теми є достатня кількість зовнішньої енергії, яка кількома роликами 25. Між роликом і встановлеможе використовуватися, тому в одному із варіанною на стіні основи пластиною 26, яка слугує дорітів поршень горизонтального опорного елемента жкою кочення для ролика, при точному центруван24 комбінований з поршневою помпою 37. Під час ні будівлі залишено мінімальний зазор. Ролики швидкого коливання основи відносно корпусу бумають горизонтальний напрямок кочення. Для дівлі ця помпа 37 подає рідину із збірного резерпідтримання горизонтального напрямку кочення вуара 32 в гідроакумулятори 38 і, таким чином, ролика кінець штоку поршня зв'язаний з циліндром покриває витрату рідини із амортизаційної систе40 через колінчастий шарнірний важільний мехами, що складається із циліндрів 40 і акумуляторів нізм, призначений для запобігання поворотам хо127, яка через дросельну шайбу 30 і відкритий дового механізму. Переміщення стіни 20 фундапротягом половини періоду коливання регулюваменту в напрямку стіни цокольного поверху 22 льний клапан 29 стікає у збірний резервуар 32. будівлі через ролики 25 і штоки поршнів передаФіг.29 ілюструє горизонтальну підпорку за доється поршням, які входять у циліндри 40, стискапомогою куліси 39. При такому виконанні можлива ють наявну в них рідину і ви тісняють її в один або особливо велика амплітуда коливань і зміна відкілька гідравлічних акумуляторів 127, які можуть стані між фундаментом і будівлею. Один кінець бути виконані у формі мембранних чи поршневих куліси 39 встановлений на закріпленому на стіні акумуляторів, і стискають наявний на іншому боці будівлі кріпильному елементі 46, а другий утримумембрани 28 газ, повітря чи азот. Таким чином, ється циліндром 40 або кількома такими циліндгідроциліндр діє як пружинна опора з газовою рами. На утримуваному циліндрами кінці куліси амортизацією. Коли поршень повністю, до механівстановлений роликовий ходовий механізм, осначного упору, ви ходить із циліндра 40, керований щений - в залежності від навантаження - одним чи штоком поршня регулювальний клапан 29 перебукількома роликами 25, що мають можливість котиває у відкритому положенні. Тиск газу в акумулятися по закріпленій на стіні 20 фундаменту пласторах примушує стікати рідину через дросельну тині 26. замість роликів можуть бути застосовані шайбу 30 і відкритий клапан 29 у збірний резервуковзні башмаки з відповідними антифрикційними ар 32. Коли шток поршня внаслідок наближення матеріалами. На кріпильному елементі 46 встаностіни 20 фундаменту до стіни цокольного поверху влений регулювальний клапан 29, який приво22 входить в циліндр 40, регулювальний клапан 29 диться у дію кулісою 39 і має таку ж функцію, що й відкривається і з напірного трубопроводу 33 рідина у прикладі згідно з фіг.28. В решті гідравлічне попадає в гідроакумулятори 127, внаслідок чого оснащення відповідає прикладові згідно з фіг.28. тиск зростає, поки сили не врівноважаться і будівДля утримання заданого положення однієї буля знову не займе своє середнє положення. Цей дівлі в трьох координатах, а саме у двох горизонпроцес відбувається, коли внаслідок своєї р ухлитальних і одній вертикальній, необхідно також вості будівля легко зміщується відносно основи під шість таких пристроїв. Таке виконання центрувадією сили вітру. Оскільки сила вітру не змінюється льного пристрою дозволяє будівлі здійснювати стрибком, а для її наростання і спадання завжди коливання відносно основи з великою амплітудою. потрібен певний час, процес регулювання подачі і Амортизаційна система, що складається із гідвідведення рідини через дросельну шайбу відбуравлічних циліндрів 40 і гідроакумуляторів, як у вається достатньо швидко, щоб утримувати будівприкладі згідно з фіг.28, без зовнішніх горизонталю в середньому положенні. Коли ж наближення льних зсувних сил, викликаних вітром, має початстіни основи до будівлі відбувається швидше, як у кову ділянку характеристики пружності згідно з випадку із землетрусом, то пов'язані зі швидкими функцією змінами положення поршня і відкриванням і закриF0 = C0 × f (22) ванням клапана процеси подачі і відведення рідиде f пружний хід ни через дросельну шайбу є незначними. Зусилля При більших значеннях ходу характеристика в циліндрі 40, яке спочатку було збалансоване не лінійна, а, внаслідок стиснення газу, відповідає зусиллям стисненого повітря, внаслідок плоскої функції політропної компресії. При почерговій зміні характеристики пружності і втікання і витікання положення фундаменту відносно утримуваного рідини через дросельну шайбу 30 з частотою кокорпусу будівлі на величину ε сила DF0, що виниливань землі, викликаних землетрусом, змінюєтькає внаслідок пружинення, починає діяти на масу ся незначною мірою. Система може бути розрахобудівлі як прискорювальна сила. При вітрі сила вана таким чином, що ці сили можуть бути супроти вітру автоматично зростає відповідно до настільки малими, що у співвідношенні з масою сили вітру, як описано у прикладі згідно з фіг.28, будівлі вони можуть спричинити лише дуже незнабез суттєвої зміни положення будівлі. Якщо при чні прискорення в ході швидкої зміни напрямку силі вітру F w одночасно відбувається викликане руху основи. землетрусом зміщення основи відносно будівлі на Гідравлічна система має централізоване постачання від збірного резервуару 32 за допомогою 31 70923 32 величину ε, то сила в опорно-пружинній системі прискорення основи не становлять загрози для зросте згідно з функцією будівельної структури, хіба що при перевищенні вертикального прискорення 1g в результаті недоFw = C2 × f + Fw (23) статнього кріплення об'єкт може бути зірваний з Ця функція має дещо більшу крутизну, ніж фуфундаменту і пошкоджений іншими впливами. нкція, що починається з нуля, оскільки відношення Якщо ж, все-таки демпфування вертикальних об'єму рідини, витісненої при пружинены, до об'коливань вважається доцільним, сейсмозахисний єму газу змінилося. Тепер при пружиненні на вемодуль може бути оснащений додатковим вертиличину ε опорна сила збільшена на величину DFW і кальним амортизатором. лише ця різниця сил DFW діє на масу будівлі приНа фіг.32 схематично зображено варіант амоскорювальна сила і є не набагато більша, ніж сила ртизації утримуваної будівельної структури 51. DF0 при безвітрі. Нога 16 будівлі виконана у вигляді гідравлічного На фіг.30 зображено пристрій горизонтального циліндра 64 з інтегрованим золотником 61 регулюутримання за допомогою куліси, в основному анавання рівня, причому, навантаження несе шток 62 логічний зображеному на фіг.29. Цей пристрій допоршня. Нижній кінець циліндра з одним ступенем датково оснащений поршневою помпою, встановсвободи зв'язаний зі з'єднувальним елементом 8 леною між кулісою 39 і кріпильним елементом 46 сейсмозахисного модуля. Колінчастий важільний аналогічно циліндрові 40. Поршнева помпа 37 вимеханізм 63 призначений для утримання циліндра конує таку ж функцію, що й у пристрої згідно з від обертання при підійманні і опусканні, з тим, фіг.28. щоб з'єднувальний елемент 8 не міг обертатися Фіг.31 ілюструє принцип системи центрування навколо вертикальної осі. і компенсації сили вітру, згідно з яким під цокольПідведення гідрорідини здійснюється через ними поверхами 22 будівлі 51, утримуваної сейснапірний трубопровід 65, а через трубопровід 66 мозахисними модулями 56 і підпертої відносно зворотного потоку розвантажується рідинний констіни 20 фундаменту проти дії сили вітру за допотур амортизаційної ноги. Напірна камера 67 цилінмогою пристроїв 27 центрування і компенсації сидра трубопроводом 68 зв'язана з одним або кільли вітру, окрема частина будівлі з одним або кількома гідроакумуляторами 38. Об'ємом кома цокольними поверхами 22 окремо від гідроакумулятора визначається гідропневматична верхньої частини будівлі встановлена на власних характеристика амортизатора. вертикальних сейсмозахисних модулях 56. Якщо при ході циліндра внаслідок вертикальОскільки ця цокольна частина 22 встановлена ного переміщення основи об'єм витісненої із циліна сейсмозахисних модулях із самоцентруванням і ндра рідини порівняно із об'ємом гідроакумулятоне зазнає дії вітру, вона не потребує пристроїв ра незначний, то тиск в гідроакумуляторі зросте не компенсації сили вітру, завжди знаходиться в сезначною мірою. редньому положенні навіть при коливанні основи і Відношення приросту тиску до вихідного знаслужить як репер для центрування. Шляхом мехачення тиску представляє коефіцієнт прискорення нічного чи безконтактного вимірювання відстані у відносно 1g, з яким утримувана маса зазнає вердвох координатах між двома реперними точками тикального прискорення при викликаному земле60, розміщеними одна на верхній, а інша на нижній трусом вертикальному коливанні землі. Шляхом частині будівлі, визначають регулювальну змінну відповідних розрахунків може бути досягн уте будьдля регулювання пристроєм 27 компенсації вітру. яке бажане зменшення прискорення. Особливо Для будівельних структур з певним співвіднодоцільним для одержання дуже плоскої характешенням між висотою і шириною, в яких не виникає ристики амортизатора є використання суттєвого нахилу вертикальної осі, може бути пев’язкопружних рідин. редбачений додатковий пристрій для зменшення На фіг.33 наведено порівнювану із зображеабо виключення дії вертикальних прискорень. ною на фіг.32 систему вертикальної амортизації, Це було б доцільним для лікарень і промислолише в даному разі амортизаційна нога 69 спиравих споруд з чутли вими виробничими процесами, ється на сейсмозахисний модуль 56 згідно з а також для хімічних і ядерних установок. фіг.21, в який інтегровано пристрій 70 центрування При застосуванні цієї технології утримувана і компенсації сили вітру згідно з фіг.25. Гідравлічні споруда залишається у просторі в стані спокою. елементи 65, 66 і 68, як і в прикладі згідно з фіг.32, Інерція мас будівлі відносно горизонтальних призначені для підведення і відведення рідини, а прискорень основи, що коливається під дією земтакож для зв'язку з гідравлічними акумуляторами. летрусу, викликає в структурі будівлі зміщувальні Об'єкти типу осві тлювальних елементів чи інсили, які часто перевищують напруження зміщендикаторних табло на високих опорах чи стовпах ня, на яке розраховані будівельні матеріали. Випри сильних горизонтальних коливаннях землі кликані горизонтальними коливаннями зрізувальні схильні до згинання чи переламування, оскільсили є основними причинами руйнування будівеки внаслідок резонансу можливе підсилення льних структур. На противагу цьому, вертикальні коливань. прискорення переносяться будівлями без руйнуТоді як основа при коливаннях землі у горизовань, бо при розрахунку будівельних об'єктів на нтальному і вертикальному напрямках залишаєтьміцність проти дії власних і експлуатаційних навася в основному на місці, верхній кінець стовпа чи нтажень враховують коефіцієнт надійності або опори, як основа для об'єкта чи сейсмозахисного коефіцієнт напруженості матеріалів, який в кілька модуля, одержує додаткову вісь свободи внасліразів перевищує номінальне навантаження. Тадок згинання стовпа і нахиляння піднятої над земким чином, в загальному випадку вертикальні лею основи внаслідок перекосу, як показано на 33 70923 34 фіг.34. Величина утримуваної кінцем стовпа маси більше спиць 79, з'єднаних з кільцем 80, на якому дуже впливає на коливальну характеристику стоввстановлено кілька ламп 81. па. Викликаний реакцією опори при горизонтальМаятники 11 можуть бути виконані у вигляді ному прискоренні згинальний момент стовпа без тросів (канатів) 83, як показано на фіг.40. навантаження менший і зумовлений лише власЕластична гофрована труба забезпечує проною масою; згинання і кут нахилу верхнього кінця кладення електричних проводів для під'єднання стовпа незначні. ламп 81. Якщо між кінцем стовпа і утримуваним об'єкНа фіг.37 зображено другий приклад застосутом встановити сейсмозахисний модуль, то вервання віртуального маятника, реалізованого за шина стовпа буде додатково навантажена ще й принципом, зображеним на фіг.21, для розв'язки масою цього модуля, яка може бути значно ментримача 82 для ламп від стовпа 71, власні колишою, ніж маса утримуваного об'єкта. Завдяки цьовання якого накладаються на коливання землі. му, кут згинання кінця стовпа буде меншим. На верхньому кінці стовпа 71 встановлено три Для того, щоб на утримуваний об'єкт не діяла кронштейни 76, на кожному з яких закріплено по ще наявна зміна нахилу кінця щогли, бо зумовлені одному маятнику 11 або у вигляді жорсткого опорцим коливання навколо осі перекидання можуть ного елемента з двома ступенями свободи на обох пошкодити об'єкт або негативно вплинути на його кінцях, або у вигляді простої тросової структури, функціонування, навіть залишкові зміни нахилу за що несуть з'єднувальний елемент 9 у формі тридопомогою сейсмозахисного модуля мають бути ноги, яка через карданну опору 77 тримає підвіскомпенсовані або принаймні значно зменшені. ний опорний елемент 78, нерухомо з'єднаний з На фіг.35 зображено зовнішній вигляд освіттримачами 82 для ламп. лювального ліхтаря і частковий переріз сейсмозаФіг.38 В цьому виконанні розв'язаного від кохисного пристрою на верхньому кінці стовпа 71. ливань встановлення лампової групи на стовпі Пристрій захищає несучий елемент 72, який може використовується віртуальний маятник, реалізоваслужити для встановлення, наприклад, освітлюваний за принципом згідно з фіг.23. Три чи більше льних елементів. кронштейнів 76, встановлених на верхньому кінці На фіг. 35а наведено вид у напрямку, що лестовпа 71, на тросах 83 або альтернативно на мажить у площині фіг.35. ятниках з карданними опорами на кінцях тримають На фіг. 35b зображено відповідний вид зверху. з'єднувальний елемент 8 з виконаними у вигляді На верхньому кінці стовпа закріплено чотири зірки кронштейнами 73 за кількістю маятників. кронштейни 73, кожна пара з яких утримує по одВ центрі 13 з'єднувального елемента 8 на карній перекладині 74, на кінцях яких шарнірно, з данній опорі встановлено вертикальний опорний двома ступенями свободи, встановлені підвісні елемент 14. Нижній кінець опорного елемента 14 маятники 2. встановлено у стовпі 71 з двома ступенями свобоНесучий елемент 72 через дві ніжки 75 шарніди з обмеженням радіального переміщення і з морно, з одним ступенем свободи, встановлені на жливістю осьового переміщення. з'єднувальних елементах 8. З'єдн увальні елеменНа верхньому кінці опорного елемента 14 на ти 8 шарнірно, з двома ступенями свободи, підвікарданній опорі встановлено тримач 82 для ламп з шені на двох маятниках 2 і третьою точкою шарнікількома кронштейнами 73 для утримування рно, з двома ступенями свободи, закріплені на ламп 81. стоячому маятнику 7, який своїм нижнім кінцем На фіг.39 зображений варіант з використанням шарнірно, з двома ступенями свободи, встановлетого ж принципу, що й у прикладі згідно з фіг.38. ний на верхньому кінці стовпа. Опорні елементи, Згідно з ним, кронштейни 76 розміщені всередині маятники 2 і 7, розміщені у просторі з таким нахимаятникової структури. Маятники у вигляді тросів лом, що при відхиленні осі верхнього кінця стовпа 83 або у вигляді жорстких маятників з карданними від вертикалі несучий елемент 72 залишається в шарнірами на обох кінцях тримають кільце 80, майже горизонтальному положенні. Завдяки розспицями 79 з'єднане зі ступицею 84, в якій на карв'язці несучого елемента 72 з утримуваними ним данній опорі 77 встановлений вертикальний опорприладами від кінця стовпа, його маса разом із ний елемент 14. В решті виконання відповідає найого навантаженням не викликають реакції опори веденому на фіг.38. на кінець стовпа і зменшують його навантаженість. Підвісні об'єкти на стелях будинків, такі як лаНа фіг.36 зображено систему ізоляції від колимпи, інформаційні та сигнальні табло, при коливань для сейсмозахисту осві тлювальної установки ванні будинку також починають коливатися. Вони на стовпі 71, в якій реалізований віртуальний маясамі є маятниками і при типових розмірах можуть тник згідно з фіг.21. входити в резонанс. Амплітуда коливань можу На верхньому кінці стовпа встановлені три бути настільки великою, що вони можуть ударятикронштейни 76, виконані в даному прикладі у фося об стелю, пошкодитися чи зруйнуватися або рмі кілець, у вер хніх точках яких на шарнірних відірватися. Загроза від підвісних електричних опорах з двома ступенями свободи встановлені об'єктів полягає в небезпеці спричинення пожежі опорні елементи 11 - похило орієнтовані маятники. внаслідок короткого замикання. Важкі підвісні об'Нижні кінці маятників у шарнірних точках 12 спиєкти, такі як великі люстри в залах і вестибюлях, в раються на з'єднувальний елемент 9, який, як виразі відривання являють загрозу ураження людей. дно у виді зверху на фіг. 36а, має форму трипроТому навіть у існуючих будівля х є доцільним меневої зірки. На вершині з'єднувального зменшення потенційної небезпеки від таких підвіселемента 9 через карданну опору 77 встановлено них об'єктів шляхом підвішування їх на віртуальопорний елемент 78, в якому закріплено три або них маятниках. 35 70923 36 На фіг.40 зображено підвіску освітлювального Фіг.44 Представлена активна система демпприладу на віртуальному маятнику, реалізованому фування коливань містить демпфувальну масу 90, за принципом, проілюстрованим на фіг.21. що утримується трьома віртуальними маятниками Прикріплені до стелі приміщення у кутках праPv згідно з фіг.11. Реперна маса 92 утримується вильного трикутника троси 83, які, похило звисаютрьома віртуальними маятниками згідно з фіг.21, чи, наближаються до спільного центру, тримають які мають дуже мале тертя, незначний гістерезис трубчастий каркас у формі тригранної піраміди 85. середнього положення і дуже великий період влаНа вершині піраміди 85 на карданному шарнірі, сних коливань, завдяки чому маса 92 значною мівиконаному у найпростішій формі із двох вставлерою розв'язана від коливань будівлі. них одне в інше кілець, підвішена штанга 86, що Датчики 93 призначені для реєстрації полонесучим елементом для ламп. ження реперної маси відносно будівельної струкНа фіг.41 зображена лампа, підвішена на віртури в обох горизонтальних координатах і через туальному маятнику великої довжини, порівнювасистему регулювання передають регулюючі сигнаному з маятником згідно з фіг.40. В цьому варіанті ли на виконавчі елементи 94 для управління рухаз'єднувальний елемент 9 складається із трьох ми демпфувальної маси 90. кронштейнів 76, які утворюють ребра тригранної На фіг.45 зображено систему демпфування піраміди. коливань з утримуванням демпфувальної маси 90 Фіг.42 Світильники 87 підвішені в ряд кожен на за допомогою трьох віртуальних маятників Ру згіддвох віртуальних маятниках згідно з фіг. 11. Стійно з фіг.13, яка може бути як активною, так і пасикий опорний елемент 2 є закріпленим на стелі підвною. В даному прикладі навантажені лише силавісним маятником у формі підвішеного на карданми розтягу опорні елементи виконані у вигляді ному шарнірі стрижня, троса чи ланцюга і утримує тросів 83. кінець з'єднувального елемента 8. Несуча структуНа фіг.46 зображено утримування демпфувара 5 із чотирьох елементів у формі прикріплених льної маси 90 або демпфувальної маси 92 при до стелі стрижнів, тросів чи ланцюгів, розміщених активній системі за допомогою трьох віртуальних у формі ребер підвішеної піраміди, утворюють маятників Pv згідно з фіг.21. В цьому прикладі стійопорну точку 88 для нижнього кінця нестійкого кі опорні елементи виконані у вигляді тросових опорного елемента 7, верхній кінець якого за доструктур. помогою карданного шарніра з'єднаний з іншим Фіг.47 В системі демпфування коливань трубкінцем з'єднувального елемента 8. На з'єднувальчастих щогл демпфувапьна маса 90 у формі кільному елементі 8 шарнірно, з одним ступенем своця розміщена навколо щогли і утримується трьома боди, підвішена навантажувальна стійка 89, на віртуальними маятниками Ру згідно з фіг.11. Стійякій з вертикальною амортизацією підвішено кий опорний елемент, маятник 2, кріпиться до світильник 87. з'єднувального елемента 8 не, безпосередньо, а 4.9 Демпфування коливань за допомогою мас за допомогою подовжувана 95, що не діє як маятна віртуальних маятниках У висотних будинках, ник, і проміжного важеля 96, завдяки чому еконотонких баштах, високих стовпах і димових тр убах миться необхідний для розміщення системи проспід дією землетрусу і сильного вітру можуть винитір у радіальному напрямку, що зменшує опір кнути поперечні коливання, які можуть мати критивітрові. Завдяки обшивці 97, на функціонування чні наслідки. Для зменшення пов'язаних з дефордемпфера коливань не накладається сила вітру. мацією напружень і запобігання втомленню Фіг.48 В пасивній системі демпфування колиматеріалів доцільно використовувати демпфери вань для решітчастої щогли демпфувальна маса коливань, які значною мірою зменшують амплітуду 90 для зменшення опору вітрові у формі плоскої коливань. Для цього у верхній частині високої букільцевої шайби розміщена навколо щогли і утридівлі чи тонкої димової труби в місцях максимальмується трьома віртуальними маятниками Pv згідної амплітуди коливань розміщують додаткову но з фіг.11. Зворотне пружинення поряд із системасу із власною коливальною характеристикою і мою самоцентрування віртуального маятника Pv зв'язують її з об'єктом через амортизаційні захисні здійснюється пружинами 98 в нижньому шарнірі елементи і демпфери або через активну систему з нестійкого опорного елемента 7. Демпфування метою протидії сил реакції додаткової маси демпздійснюється фрикційним диском 99. Стійкі опорні фера власним коливанням будівлі. елементи 2 виконані у вигляді тросів. Для встановлення цих додаткових мас вигідно Для усунення впливу вітру на функціонування використовува ти віртуальні маятники. При мінімасистеми вся конструкція демпфера покрита обшильній потребі у просторі віртуальні маятники просвкою 97 з малим аеродинамічним опором. тим чином, шляхом вільного вибору їх конструктиПри коливанні грунту перемінні моменти від вних параметрів, можна узгодити з бажаною маси будівлі викликають коливання фундаменту, власною частотою коливань демпфувальної маси. наслідком яких в умовах певних грунтів може бути В разі застосування активного демпфера корозм'якшення грунту і зниження його навантажуливань перевагами віртуального маятника є дуже вальної здатності, що може призвести навіть до низьке тертя підвіски маси і простота встановленопускання будівлі в гр унт. ня власного періоду коливань. Оскільки захищена віртуальним маятником На фіг.43 зображено використання пасивного будівля майже повністю ізольована від горизонтадемпфера коливань у башті. Три віртуальні маятльних коливань землі, маса будівлі не зазнає жодники Pv згідно з фіг. 11 утримують демпфувальну них горизонтальних прискорень, тому не виникамасу 90. Пружинні демпфери 91 утримують масу ють сили реакції маси будівлі, завдяки чому по горизонталі відносно маси будівлі. ефекти, що ведуть до розм'якшення грунту, 37 70923 38 усуваються або зменшуються до входження у приоснові віртуальних маятників будівельною струкпустимий діапазон. турою 51, яка залишається у стані спокою, передСили реакції маси будівлі під час вібрації вибачений деформаційний зазор 113, який має бути кликають в певних гр унтах розрідження землі з непроникним для вітру, пилу, вологи і комахфатальними наслідками. Грунт стає високов'язкою шкідників. рідиною і будівля перекидається чи нахиляється. На одному боці деформаційного зазору 113, Якщо маса будівлі менша, ніж маса грунту, вийняпереважно на верхньому боці, смуги 101 із дротятого для розміщення цокольної частини будівлі, то них щіток і проміжки заповнені ущільненою ізоляпри розрідженні грунту будівля спливає із грунту. ційною шерстю 104. На протилежному боці з можЗавдяки сейсмозахисному модулю на основі вірливістю юстування змонтована ковзальна рама туальних маятників сили реакції маси будівлі 102 зі скошеними краями. зменшуються до 3/1000. Розрідження грунту Фіг.52 Якщо для демпфування вертикальних усувається. коливань сейсмозахисні модулі додатково оснаПри горизонтальних коливаннях грунту на стащені вертикальними амортизаторами і демпфератичне навантаження фундаменту накладається ми, необхідно також і ущільнення деформаційного синхронна з коливаннями пара сил перемінного зазору оснастити вертикальними амортизаторами. напрямку, з умовлена прискореннями маси будівлі До ізольованої від коливань будівельної струкЗмінне додаткове навантаження на краї фунтури 51 або до додаткової ковзальної захисної даменту, зумовлене прискореннями маси будівлі, пластини 105 пружинним елементом 107, виконадорівнює ним у вигляді гвинтової чи листової пр ужини, притискається U-подібна ущільнювальна рама 106. hm (24) La = m × a × Направляючою для рами 106 слугує U-подібний W нижній елемент 108, нерухомо закріплений на зовде m маса будівлі нішній стіні 22 цокольного поверху будівлі і ущільа прискорення в центрі мас будівлі нений відносно рами 106 притисненими пружинаhm висота центру мас будівлі над кромкою пеми ковзними ущільнювальними колодками 109. рекидання фундаменту Відносно ізольованої від коливань будівельної W найбільший розмір кромки перекидання фуструктури чи пластин 105 ущільнювальна рама ндаменту у напрямку коливань грунту 106 ущільнена за допомогою притиснених пружиЗміни тиску на землю у вологих грун тах спранами вертикально вгору ущільнювальних колодок вляють на воду в грунті ефект помпування. Вна109 і сальника 110. слідок цього утримуюче тертя між частинками груФіг.53 Оскільки маса будівлі при коливаннях нту - піском і гравієм - під дією пульсуючої землі зазнає змінних за частотою прискорень, сифлотації між частинками зменшується, грунт стає ла реакції маси тисне на землю через вертикальні в'язкою рідиною, розріджується до густої п ульпи. поверхні розміщеного у землі цокольного поверху Будівля може опускатися в грунт, а при аси22. В залежності від виникаючого тиску, земля метричності процесу опускання може навіть зазнає стиснення і розслаблення, між прокладеперекинутися. ними в землі постачальними трубопроводами 111 і При утримуванні об'єктів винайденим спосовідповідними їм, закріпленими у будівлі приєднубом описані вище ефекти реакції утримуваних мас вальними елементами виникають натяги, які моне виникають, бо не виникає помітних прискорень. жуть призвести до обривів. Обрив газових труб і На статичне навантаження фундаменту не наклаелектричних кабелів може спричинити пожежу даються змінні навантаження, зумовлені моменвнаслідок короткого замикання. Ця часта причина тами перекидання. Загроза розрідження грунту пожежі може бути усун ута завдяки тому, що стисзначною мірою усувається. нення землі і зв'язаний з ним натяг комунікацій Фіг.49 Для того, щоб навіть при дуже м'яких і зменшується, бо сила реакції маси, що викликає вологих гр унтах значно зменшити загрозу для сейприскорення, спричинюється не масою всієї будівсмозахищеної за допомогою віртуальних маятнилі, а лише масою значно меншої її частини - функів Pv будівлі, фундамент, як основа для сейсмодаменту будівлі. Відповідно зменшується загроза захисних модулів, виконано таким чином, щоб місцевого обриву. цокольна частина будівлі, розміщена у грунті, маВсередині будівлі підведення комунікацій здійла жорстку полегшену конструкцію і була розрахоснене у вигляді гн учких U-подібних шлейфі в 112, вана таким чином, щоб маса витісненого грунту завдяки чому при зміщеннях основи під дією коливідповідала загальній масі будівлі відповідно до вань землі відносно ізольованої від коливань будігустини грунту в даному місці. вельної структури 51 усуваються їх обриви. Для зменшення механічної дії компресійних Навіть у найнеможливішому випадку, коли хвиль на фундамент у гр унті нижня частина 100 вздовж однієї тріщини безпосередньо під будівлею фундаменту вигн ута назовні з підйомом по краях. обидва краї зміщуються у протилежних напрямках Фіг.50 Якщо в разі вологих і м'яких грунтів під або віддаляються один від іншого і залишають осадочним шаром на невеликій глибині залягає відкриту тріщину, система може компенсувати таку міцний чи скелястий грунт, доцільним є додатситуацію, тому що модулі функціонують незалеж кове оснащення фундаменту згідно з фіг.49 но один від іншого і компенсують зміни відстаней палями 103. між опорними точками на основі. Фіг.51 Між зовнішньою стіною цокольного поТим не менше, система забезпечує стабільверху, який розміщений в грунті і при землетрусах ність утримуваної стр уктури. зазнає горизонтальних коливань землі, і захищеною за допомогою сейсмозахисних модулів на 39 70923 40 Фіг.54 Відстань t між опорними ногами 16 будіФіг.10 Спрощене зображення виду зверху на вельної структури жорстко задається при монтажі. схему згідно з фіг.9. Відстань між сейсмозахисними модулями 56 на Фіг.11 Ілюструє використані позначення для фундаменті 20 відповідає відстані у верхній частисхеми маятника. ні будівлі. Фіг.12 Спрощене схематичне зображення ваЯкщо внаслідок дії викликаної землетрусом ріанту схеми згідно з фіг.9. хвилі стиснення між сейсмозахисними модулями Фіг.13 Віртуальний маятник як варіант схеми 56 виникає тріщина, то відстань між модулями 56 згідно з фіг.12, в якому важіль для кріплення підвізбільшується на ширину Sp тріщини. Діючи як вірсного, стійкого маятника і важіль для кріплення туальні маятники, сейсмозахисні модулі центрують стоячого, нестійкого маятника розміщені на різній положення точок прикладення навантаження, висоті. встановлюючи їх в центрі діапазону коливань під Фіг.14-16 зображають віртуальний маятник згівіртуальною точкою підвішування. дно з фіг.13 у різних фазах р уху. Якщо зміниться положення віртуальних точок Фіг.17 Накладене зображення положень віртупідвішування двох віртуальних маятників, то жорсального маятника згідно з фіг.13 відносно основи, тко зв'язані між собою точки прикладення наванщо коливається. таження займають вирівнювальне положення, заФіг.18 Спрощене схематичне зображення відвдяки чому відхилення від початкових точок мінного від прикладу згідно з фіг.9 рішення для середнього положення для обох віртуальних маяреалізації віртуального маятника. тників буде однаковим. Фіг.19 Вид зверху на приклад згідно з фіг.18. Завдяки низькому опору зміщення об'єкту, Фіг.20 і фіг.21 Спрощене схематичне зобраутримуваного сейсмозахисними модулями згідно з ження доповнення до прикладів згідно з фіг.18 і 19 винаходом, відносно основи, під дією ударних для досягнення великої довжини віртуального хвиль повітря, що можуть виникати внаслідок вимаятника. бухів поблизу будівлі і значно перевищувати тиск Фіг.22 Спрощене схематичне зображення ванайсильнішого вітру, будинок чи об'єкт може зміріантів віртуального маятника. щуватися у будь-якому напрямку, зменшуючи тим Фіг.23 , 23а, 23b, 23с Зображають схему віртусамим дію моменту сили ударної хвилі. ального маятника і фази руху. Система компенсації сили вітру автоматично Фіг.24 ілюструє рухи основи відносно віртуанастроюється на силу вітру, змінюючи регулювального маятника. льні параметри зі швидкістю, що відповідає вимоФіг.25 Принципово здійснювана форма пригам швидкості зміни сили вітру. строю для центрування і компенсації сили Зростання тиску повітря внаслідок вибуху відвітру для об'єкта, утримуваного віртуальними бувається за дуже короткий час, протягом якого маятниками. система автоматичного регулювання не зможе Фіг.26 Пристрій для центрування утримуваного забезпечити суттєве зростання сили спротиву для віртуальними маятниками об'єкта за допомогою компенсації дії сили вітру. Таким чином, при раппружного блоку із еластомерного матеріалу. товому навантаженні ударною хвилею будівля при Фіг.27 Пристрій для центрування і компенсації незначній силі реакції зміщується у напрямку дії сили вітру для об'єкта, утримуваного віртуальними ударної хвилі, що значно зменшує імпульс, який маятниками, за допомогою кулі, що втискається діє на будівлю. пружиною у воронку. Фіг.1 Зображення будинку, який спирається на Фіг.28 Схема гідропневматичної системи сейсмозахисні модулі згідно з винаходом, які центрування і компенсації сили вітру для об'єкта, представляють собою віртуальні маятники великої утримуваного віртуальними маятниками. довжини, які ведуть себе так, мов би будинок підФіг.29 Пристрій для центрування і компенсації вішено на маятнику довжиною lv. сили вітру для об'єкта, утримуваного віртуальними Фіг.2-4 Сейсмозахисні пристрої згідно з рівнем маятниками, за допомогою куліси, яка під управтехніки. лінням гідропневматичної системи спирається об Фіг.5 Модель математичного маятника з навезв'язану з основою стіну фундаменту. денням позначень і функціональних параметрів, Фіг.30 Пристрій, аналогічний фіг.29, з викорисщо використовуються у розділі «Міркування до танням гідравлічної помпи, привід якої здійснюєтьрозв'язання поставленої задачі». ся від основи, що коливається при землетрусах. Фіг.6 і 7 Накладення гармонічних коливань, що Фіг.31 Система центрування будівлі під дією підіймають і опускають утримуваний об'єкт. вітру, причому, як репер положення використовуФіг.8 Служить для пояснення винаходу і ілюсється частина будівлі, яка не зазнає дії сили вітру. трує порівняння стійкого і нестійкого маятників як Фіг.32 Амортизатор для зменшення вертикаопорних елементів. льних прискорень. Фіг.9 Спрощене схематичне зображення приФіг.33 Сейсмозахисний модуль з вертикалькладу виконання пристрою, що відтворює віртуаним амортизатором і компенсатором сили вітру. льний маятник великої довжини при порівняно Фіг.34 Еластичні деформації при критичних незначній конструктивній висоті; ілюструє принцип коливаннях стовпів лі хтарів. дії для одержання вирішення задачі, згідно з яким Фіг.35 Віртуальний маятник на вершині стовпа. точка цієї кінематичної схеми може слугувати точФіг.35а Поперечний переріз фіг.35. кою прикладення маси утримуваного об'єкта з Фіг.35b Вид зверху на фіг.35. просторовими параметрами, що відповідають підвищенню цієї точки на довгому маятнику. 41 70923 42 Фіг.36, 36а, 36b Блок ламп на стовпі з ізоляціФіг.63 Зміщення основи з фундаментом відноєю від коливань за допомогою віртуального маятсно нерухомого цокольного поверху будівлі під ника з подробицями. кутом до стіни будівлі. Фіг.37-39 Варіанти ізольованих від коливань Фіг.64, 64а, 64b Віртуальні маятники для утриліхтарів на стовпах. мування висотного будинку. Фіг.40 і фіг.41 Підвісні лампи з ізоляцією від Фіг.65 Віртуальний маятник згідно з фіг.21, коливань за допомогою віртуального маятника вбудований у бетонну основу. згідно з фіг.21. Фіг.66 Спирання дорожнього полотна на пілоФіг.42 Підвішування ряду світильників на вірни через віртуальні маятники. туальних маятниках згідно з фіг.9. Фіг.67 Спирання пілона на віртуальні Фіг.43 Демпфер коливань з віртуальними маямаятники. тниками згідно з фіг.9. Фіг.68 Спирання решітчастої щогли на віртуаФіг.44 Демпфер коливань, аналогічний зобральний маятник згідно з фіг.21. женому на фіг.43, з репером на віртуальних маятФіг.69 Спирання трубопроводу на віртуальні никах згідно з фіг.21. маятники. Фіг.45 Спирання демпфувальної маси на вірФіг.70 Спирання естакади для труб на віртуатуальні маятники згідно з фіг.13. льні маятники. Фіг.46 Демпфувальна маса або реперна маса, Як зображено на фіг.1, відповідно до винаходу підвішена на віртуальних маятниках згідно з будівельна структура чи інший об'єкт встановлена фіг.21. на несучих конструкціях, названих сейсмозахисФіг.47 Утримуваний віртуальними маятниками ними модулями 56, нерухомо зв'язаними з землею демпфер коливань на трубчастій щоглі. через спільний фундамент або через окремі для Фіг.48 Утримуваний віртуальними маятниками кожного модуля фундаменти. Сейсмозахисні модемпфер коливань на решітчастій щоглі. дулі утримують будівельну стр уктуру і надають їй Фіг.49 Сейсмозахищений фундамент як осноможливість при землетрусах рухатися на опорних ва для віртуальних маятників. точках таким чином, мов вона підвішена на дуже Фіг.50 Укріплений палями сейсмозахищений довгому маятнику, завдяки чому на будівлю діють фундамент як основа для віртуальних маятників. мінімальні прискорення. При власній невеликій Фіг.51 Ущільнення деформаційного зазору для конструктивній висоті такий сейсмозахисних моізольованої від коливань будівлі. дуль представляє собою віртуальний модуль з Фіг.52 Ущільнення деформаційного зазору при великою віртуальною довжиною lv і, відповідно, горизонтальних і вертикальних коливаннях. великим періодом власних коливань. Ці несучі Фіг.53 Підведення комунікацій до ізольованої конструкції чи сейсмозахисні модулі можуть бути від коливань будівлі. розраховані таким чином, що вони можуть бути Фіг.54 Дія спричиненої землетрусом тріщини в придатні для використання при будь-яких бажаних грунті між сейсмозахисними модулями на основі чи необхідних амплітудах можливих коливань, віртуальних маятників. завдяки чому навіть найбільші горизонтальні колиФіг.55 Вбудований в цокольний поверх будівлі вання грунту не передаються на утримуваний об'як точка прикладення маси сейсмозахисний моєкт. Відповідним вибором конструкції і розрахундуль, реалізований з використанням віртуального ком параметрів може бути спроектована система, маятника згідно з фіг.21. яка забезпечує власну часто ту коливань утримуФіг.56 Сейсмозахисний модуль, вбудований в ваної сейсмозахисними модулями будівлі, у багато цокольний поверх будівлі разом із вертикальним разів меншу, ніж частота коливань землі, що виниамортизатором. кають зазвичай при землетрусах. Фіг.57 Сейсмозахисний модуль згідно з фіг.55 На фіг.55 зображено сейсмозахисний модуль з інтегрованим пристроєм для центрування і ком56 згідно з фіг.21, вбудо ваний у цокольний поверх пенсації дії вітру згідно з фіг.25. будинку. Три опорних елементи 11 мають на своїх Фіг.58 Сейсмозахисний модуль згідно з фіг.55, кінцях по одній сферичній шарнірній опорі 15 або комбінований з еластомер ним центрувальним альтернативно карданний шарнір чи кульовий шаблоком. рнір 17, а верхніми кінцями шарнірно, з двома стуФіг.59 Встановлений на рівні землі сейсмозапенями свободи, підвішені на несучій структурі 5 і хисний модуль як точка опори для будинків і об'єкутримують нижніми кінцями з'єднувальний елетів з реалізацією віртуального маятника згідно з мент 9. У верхній частині з'єднувального елемента фіг.12. 9 шарнірно встановлена нерухомо з'єднана з будіФіг.60 Вертикальний переріз будівлі, утримувельною структурою 51 нога 16 з кульовим шарніваної сейсмозахисними модулями згідно з фіг.59, з ром 17. Сильфонний ущільнювач 18 із еластомервідображенням положення опорних пристроїв для ного матеріалу забезпечує герметичність кульової центрування будівлі і компенсації сили вітру. опори. Ковзні ущільнювачі 19 перекривають зазор Фіг.61 Горизонтальний переріз цокольного поміж утримуваною модулями будівлею, яка може верху будівлі і фундаменту в площині центрувальрухатися відносно основи, і основою 6. ного пристрою; відображено положення куліс згідНа фіг.56 зображено сейсмозахисний модуль но з фіг.30. 56 згідно з фіг.12, вбудо ваний у цокольний поверх Фіг.62 Зміщення основи з фундаментом віднобудинку. В опорну ногу 16 будівлі інтегровано сно нерухомого цокольного поверху будівлі у наамортизатор вертикальних коливань згідно з прямку, паралельному стіні будівлі. фіг.32. Для узгодження рухів основи відносно ізольованої від коливань верхньої частини будівлі 43 70923 44 використовується ущільнювач зазору 114 згідно з силу опору доти, доки не буде досягнуто рівноваги фіг.52. з силою вітру. При точному центруванні будівлі На фіг.57 зображено сейсмозахисний модуль без дії вітру між ходовими роликами і стінами фу56 згідно з фіг.12, аналогічний наведеному на ндаменту залишається мінімальний зазор. Усі фіг.55. Додатково в конструкцію інтегровано приамортизаційні поршні повністю виведені із циліндстрій 57 для центрування і компенсації сили вітру рів до механічного упору. згідно з фіг. 25. Перевагою такого рішення є комФіг.62 При викликаному землетрусом зміщенні пактність. Обидві функції - утримування об'єкта, а основи у напрямку, позначеному стрілками 58, на також точне центрування і створення протидії силі стороні будівлі, де стіна фундаменту 20 наблизивітру - об'єднані в одному вузлі. лася до цокольного поверху, горизонтальні опорні На фіг.58 зображено сейсмозахисний модуль елементи 24 стискаються. На протилежній стороні 56 в комбінації з іншим варіантом пристрою будівлі елементи 24 відходять від стіни. центрування. Цю функцію виконує пружний еласФіг.63 При зміщенні основи у напрямку 58, не томерний блок 48. паралельному стіні будівлі, на одній парі стін опоНа фіг.59 зображено сейсмозахисний модуль рні елементи 24 стискаються, а від іншої пари стін 56 згідно з фіг.12 для висотних будинків у наземопорні елементи 24 відходять. ному виконанні з великою навантажувальною здаНа фіг.64 зображено фрагмент зовнішнього тністю. Підвісний маятник 2 на обох кінцях має вигляду висотного будинку, який опирається на сферичні шарнірні опори чи карданні шарніри і встановлені на рівні землі сейсмозахисні модулі верхнім кінцем підвішений до несучої стр уктури 5. 56, виконані за принципом віртуального маятника. Нижній кінець маятника 2 спирається на несучий Віртуальні маятники згідно з фіг.12 розміщені поелемент 8 у вигляді балки. Інший кінець з'єднувапарно дзеркально. Для узгодження допусків підвільного елемента 8 через кульовий шарнір 17 або сні стійкі маятники 2 попарно підвішені до баланчерез карданний шарнір чи сферичну опору списира 115, середина якого на шарнірі з одним рається на стоячий нестійкий маятник 7. Стоячий ступенем свободи встановлена на колоні 116. маятник 7 нижнім кінцем через такий же кульовий Конструкція сейсмозахисних модулів дозволяє шарнір 17, що й на його верхньому кінці, спираєтьвикористовува ти їх для дооснащення існуючих ся на основу, в даному разі на фундамент 20. На будівель каркасної конструкції. Для цього існуючі з'єднувальний елемент 8 шарнірно, з одним стуколони в просвіті G слід замінити елементами вірпенем свободи, спирається нога 16 будівлі 1. Петуального маятника. рший поверх будівлі 1 разом із цокольним поверНа фіг.64а і 64b зображено вертикальний пехом 22 чи кількома цокольними поверхами висить реріз до виду згідно з фіг.64, а саме зовнішню огона будівлі 1. Проміжок 23 між цокольними поверроджувальну стіну будівлі до рівня землі з дистанхами 22 і фундаментом 20 на основі прикритий ційним зазором і ущільнювачем 114 зазору під зовнішньою частиною першого поверху, а дистанбудинком, причому в одному випадку сейсмозахиційний зазор між нею і фундаментом перекриває сні модулі розміщені в зовнішній частині будівлі, а ковзний ущільнювач 19. в іншому - у самій огороджувальній частині будівлі. Підведення комунікацій 21 для забезпечення На фіг.65 зображено віртуальний маятник як будівлі водою і енергією виконано у вигляді Uсейсмозахисний модуль згідно з фіг.21. У забетоподібних висячих шлейфі в, завдяки чому при змінований в основі 6 корпус 117 встановлюється щеннях будівлі відносно основи комунікації не попередньо зібраний модуль як вузол і закріплюпошкодяться. ється фланцями. Опорна нога 89 з'єднана з утриНа фіг.60 зображено фрагмент вертикального муваним об'єктом за допомогою фланцевого з'єдперерізу висотного будинку, який спирається на нання. Стійкі опорні елементи, маятники 11, аналогічні наведеним на фіг.59 сейсмозахисні мовиконані у вигляді тросів. З'єднувальний елемент дулі 56, розміщені по периметру будинку. У пло14 для компенсації дії сили вітру центр ується прущині 54 цокольного поверху 22 по периметру будіжиною 118 і для сприймання вертикального від'євлі встановлені горизонтальні опорні елементи 24 много прискорення притиснутий пружиною 119. згідно з фіг.29 чи фіг.30 з відповідним гідравлічним Опорна нога 89 кульовим шарніром 17 з двома обладнанням згідно з фіг.28. ступенями свободи спирається на з'єднувальний На фіг.61 зображено виконаний у площині 54 елемент 14 і через телескопічну направляючу 120 цокольного поверху згідно з фіг.60 горизонтальний і механічний чи, альтернативно, пневматичний переріз через цокольний поверх 22 будівлі і викоамортизатор 126 передає масу об'єкта. наний у формі рами навколо цокольного поверху На фіг.66 зображена структура, в якій підняте фундамент 20 як основа для сейсмозахисних мона пілонах дорожнє полотно 122 ізольоване від дулів 56. На кожній стороні цокольного поверху 22, поперечних коливань платформи 121 пілона; таякий має можливість переміщення у всі х напрямким чином шийка пілона значною мірою розвантаках відносно основи 6 і зв'язаного з нею фундамежена, оскільки тепер на неї більше не діють сили нту 20, встановлено по два горизонтальних опорреакції маси полотна, а, в основному, лише власна них елементи 24, призначені для точного маса і незначна частина маси сейсмозахисного центрування будівлі відносно фундаменту, а також модуля. Виконання віртуального маятника відповідля компенсації сили вітру. Опорні елементи 24 дає принципу згідно з фіг.13. Якщо опорна точка виконані за схемою згідно з фіг.30 Коли на верхню дорожнього полотна нерухома, з'єднувальний частину буді влі діє сила вітру, вона залишається в елемент утримується в середньому положенні за тому ж положенні, як на фіг.61. Опорні елементи допомогою горизонтально діючих пружинних елереагують на найменшу зміну зусиль і збільшують ментів 126. Лише коли буде подолане попередньо 45 70923 46 задане пружне зусилля елементів 126, можливе горизонтальних зміщеннях описує таку ж траєктовільне відносне переміщення дорожнього полотна рію, що й кінець довгого маятника. Труба підвіше122 і платформи 121 пілона. на на віртуальному маятнику. Стоячий маятник 7 На фіг.67 зображена система ізоляції пілона утримується у вертикальному положенні попере125 для високо піднятого дорожнього полотна від дньо напруженою, обіпертою об упор пружиною коливань основи. Віртуальний маятник оснований 47. Лише при певному моменті перекидання, прина принципі згідно з фіг.9. У зображеній формі ця кладеному до маятника 7, досягається стиснення опора для дорожнього полотна представляє однопружини 47 і стає можливим рух захисної системи. часно опору без перемичок. Стійкий підвісний маяМомент перекидання вибраний таким чином, що тник, опорний елемент 2, утворений двома тягами рух починається лише при силах реакції мас, які 123 і двома поперечинами 124. виникають при поперечних прискореннях під час На фіг.68 зображена решітчаста щогла, яка землетрусу. спирається на сейсмозахисні модулі, виконані за Фіг.70 зображує підпирання естакади для трупринципом згідно з фіг.21 і оснащені пристроями бопроводів, що використовуються в хімічних і очикомпенсації сили вітру. сних установках, за допомогою віртуальних маятНа фіг.69 зображено підтримування магістраників. Опорна нога 89 утримується з'єднувальним льного трубопроводу стійким і нестійким маятниелементом 8, який у свою чергу утримується ками 2 і 7, виконаними за схемою згідно з фіг.9. стійким опорним елементом, підвісним маятниЗ'єднувальний елемент виконаний у вигляді опори ком 2, і нестійким опорним елементом, стоячим для труби. Центр поперечного перерізу труби при маятником 7. 47 70923 48 49 70923 50 51 70923 52 53 70923 54 55 70923 56 57 70923 58 59 70923 60