Гаситель низькочастотних коливань висотних споруд

1 Гаситель низькочастотних коливань висотних споруд, що складається із робочого тіла гасителя та пружно-демпфірувальної системи кріплення його до споруди, який відрізняється тим, що робоче тіло гасителя виконане у вигляді верхньої рухомої опорної плити змінної маси з робочими сферичними виїмками на нижній и поверхні опуклістю вверх у КІЛЬКОСТІ не менше трьох, а система кріплення являє собою нижню нерухому опорну плиту, своєю нижньою опорною поверхнею опертої та жорстко закріпленої на перекритті у верхній частині споруди та на верхній поверхні якої встановлені сферичні шарніри із кульовими тілами у КІЛЬКОСТІ, що дорівнює числу сферичних виїмок на верхній опорній плиті, причому кожне кульове тіло сферичного шарніра взаємодіє із ВІДПОВІДНОЮ сферичною виїмкою на верхній рухомій опорній плиті 2 Гаситель за п 1, який відрізняється тим, що у пружно-демпфірувальну систему кріплення гасителя входять два повітряних демпфери, які за допомогою сферичних шарнірів зв'язують верхню рухому та нижню нерухому опорні плити та працюють у взаємноперпендикулярних напрямках Винахід стосується області вібростійкого будівництва і може бути використаний для віброзахисту висотних споруд (типу телевізійних веж, металевих башт та димарів, радіощогл тощо) від впливу небезпечних сейсмічних, вітрових та промислових вібраційних збуджень в діапазоні низьких частот (не більше 0,25-0,30гц) та великих переміщень (2,5-3,0м) Існує маятниковий гаситель з нелінійним затуханням (в кн "Динамический расчет сооружений на специальные воздействия" (Справочник проектировщика под редакцией Б Г Коренева, И М Рабиновича), М Стройиздат, 1981 р, стр 159-160, рис 1211) У конструкцію гасителя входить вантаж - робоче тіло гасителя, який з'єднано зі спорудою за допомогою пружнодемпфірувальної системи кріплення у вигляді підвісу ПІДВІС складається з просторової рами, жорстко закріпленої відносно споруди на двох опорах, до якої на багатопрядевих тросах з жорстким осердям підвішено тіло гасителя Настройку гасителя виконують, змінюючи відстань між двома опорами Демпфірування руху робочого тіла гасителя виконується за рахунок згинання тросів і воно також однозначно визначається силами тертя між прядями тросів підвісу великі габарити гасителя (довжина його підвісу повинна дорівнювати 3-10м), нетехнолопчність настройки та його обслуговування у підвішеному положенні (при масі робочого тіла в декілька тон) Для цього потрібні окреме об'ємне приміщення, спеціальні ПІДЙОМНІ пристрої та механізми, щоб знімати та встановлювати назад ПІДВІС ДЛЯ ЗМІНИ маси тіла гасителя та відстаней між опорами для відповідної настройки гасителя Крім того, функціонування гасителя такої конструкції не є надійним та безпечним, бо в точках підвісу існує можливість перетирання або корозії прядей тросів або елементів кріплення тросів до просторової рами Це може призвести до обриву тросів підвісу з обрушенням робочого тіла гасителя в середині висотної споруди з небезпечними наслідками До недоліків даного пристрою слід віднести За прототип винаходу нами було прийнято гаситель коливань висотних споруд (Патент України №40322А, М кл F16F7/10, опубл 16 07 2001, Бюл №6) який складається з робочого тіла гасителя та пружно-демпфірувальної системи його кріплення до споруди, причому систему кріплення виконано у вигляді опорного тареля з угнутим циліндричним робочим жолобом, напрямну криву якого виконано у вигляді циклоїди, а з торців робочий жолоб закривається знімними вертикальними бортами з криволінійними вікнами, причому опорний таріль ю 59224 жорстко закріплюють на перекритті у верхній частині споруди, а робоче тіло гасителя встановлюють у вказаний жолоб опорного тареля Крім того, робоче тіло гасителя виконано набірним у вигляді котка, який складається з головної масивної частини з прилаштованими до неї по торцям валами, на які насаджуються додаткові, менші за масою, диски, причому КІНЦІ вказаних валів вільно входять у криволінійні вікна знімних вертикальних бортів опорного тареля Крім того, між додатковими дисками та головною масивною частиною робочого тіла гасителя встановлено пружні елементи з можливістю їх регулювання через вікна у вертикальних бокових бортах опорного тареля До недоліків цього гасителя слід віднести нетехнолопчність його настройки на напрям вимушених коливань, бо при кожній ЗМІНІ напряму повітряного потоку потрібно переналаштовувати опорний тарель на його функціонування в цьому новому напрямі Але експлуатація гасителя не повинна залежати від напряму дії повітряного потоку, а сам гаситель повинен самостійно "вибирати" цей напрям віброзахисту Крім того, з часом ізза корозії матеріалів, із яких виконані елементи цього гасителя, між вертикальними бортами опорного тареля та елементами котка виникає сухе кулонове тертя все більшого та неконтрольованого рівня, яке не піддається настройці та може бути небезпечним явищем Ще одним недоліком є те, що у циклоїдальному робочому жолобі опорного тареля з часом (як у кориті) накопичується волога, пил, лід, які перешкоджають вільному перекочуванню робочого тіла в жолобі гасителя Це приводить до зміни частоти та фази власних коливань робочого тіла гасителя і, як правило, до небезпечного порушення процесу його функціонування Небезпека такої ситуації пояснюється тим, що замість того, щоб робоче тіло гасителя коливалося б у жолобі у протифазі порівняно із коливаннями споруди, воно починає коливатись із тою ж самою фазою, що і споруда А це тільки підсилює вимушені коливання споруди, створюючи резонансні ситуації, а не перешкоджає їм В основу винаходу було покладено наступну задачу створення гасителя низькочастотних коливань висотних споруд шляхом спрощення технологи обслуговування та настройки гасителя на потрібні частоту та напрям його дії забезпечити безпечне, надійне та автономне функціонування гасителя в процесі демпфірування вимушених коливань споруди Поставлена задача вирішується тим, що у гасителі низькочастотних коливань висотних споруд, який складається з робочого тіла гасителя та пружно-демпфірувальної системи кріплення його до споруди, згідно з винаходом робоче тіло гасителя виконане у вигляді верхньої рухомої опорної плити змінної маси з робочими сферичними виїмками на нижній її поверхні опуклістю вверх в КІЛЬКОСТІ не менше трьох, а система кріплення представляє собою нижню нерухому опорну плиту, своєю нижньою опорною поверхнею опертої та жорстко закріпленої на перекритті у верхній частині споруди та на верхній поверхні якої встановлені сферичні шарніри з кульовими тілами у КІЛЬКОСТІ, рівній числу сферичних виїмок на верхній опорній плиті, причому кожне кульове тіло сферичного шарніра взаємодіє із ВІДПОВІДНОЮ сферичною виїмкою на верхній рухомій опорній плиті Крім того, у пружно-демпфірувальну систему кріплення гасителя входять два повітряних демпфери, які за допомогою сферичних шарнірів зв'язують верхню рухому та нижню нерухому опорні плити та працюють у взаємноперпендикулярних напрямках Причинно-наслідковий зв'язок між запропонованими ознаками та очікуваним технічним результатом полягає в наступному Перша ознака (робоче тіло гасителя виконане у вигляді верхньої рухомої опорної плити змінної маси з робочими сферичними виїмками на нижній и поверхні опуклістю вверх в КІЛЬКОСТІ не менше трьох, а система кріплення представляє собою нижню нерухому опорну плиту, своєю нижньою опорною поверхнею опертої та жорстко закріпленої на перекритті у верхній частині споруди та на верхній поверхні якої встановлені сферичні шарніри у КІЛЬКОСТІ, рівній числу сферичних виїмок на верхній опорній плиті ) та друга ознака ( два повітряних демпфери, які за допомогою сферичних шарнірів зв'язують верхню рухому та нижню нерухому опорні плити та працюють у взаємноперпендикулярних напрямках) разом дозволяють зняти питання про безпеку та надійність функціонування гасителя в процесі вимушених коливань Це пов'язано з тим, що робоче тіло через кульові тіла сферичних шарнірів (без підвісу) обпирається на нерухому опорну плиту і воно не може зірватися з неї завдяки його утримуванню обмежувальними повітряними демпферами при переміщенні відносно нерухомої опорної плити Крім того, вказані кульові тіла, вільно обертаючись у довільному напрямі, дають можливість робочому тілу гасителя переміщуватись у необхідному напрямі коливань споруди без додаткової переналадки гасителя на конкретний напрям в просторі незалежно від рози вітрів або напряму силового або кінематичного збудження іншої природи Експлуатація гасителя запропонованої конструкції не буде залежати від впливу температури, присутності агресивних середовищ та вологи Отже, корозія не буде впливати на функціональні можливості запропонованого гасителя Так як сферичні виїмки робочого тіла виконані опуклістю вверх, то в них не буде накопичуватись волога, лід та пил, які перешкоджають вільному переміщенню робочого тіла відносно нерухомої опорної плити (на відміну від прототипу) Тим самим підвищується безпека функціонування гасителя Крім того, для його розміщення не потрібно мати велике об'ємне приміщення, бо його конструкція компактна та може бути змонтована у невеликому неотеплюваному приміщенні Настройку гасителя можна виконувати дуже просто та технологічно, змінюючи масу робочого тіла в залежності від величини власної частоти коливань споруди, радіус R сферичних виїмок, а також коефіцієнти демпфірування повітряних демпферів, які обмежують переміщення рухомої плити відносно нерухомої Друга ознака (у пружно-демпфірувальну систему кріплення гасителя входять два повітряних 59224 демпфери, які шарнірно зв'язують верхню рухому та нижню нерухому опорні плити та працюють у взаємно-перпендикулярних напрямках) дозволяє регулювати віброподавлення вимушених коливань висотної споруди завдяки неконсервативним силам ЛІНІЙНО-В'ЯЗКОГО опору, які виникають у двох демпферах На малюнку Фіг 1 показано загальний вид запропонованого гасителя низькочастотних коливань висотних споруд, на Фіг 2 - вид А на Фіг 1, на Фіг 3 -розріз Б-Б на Фіг 1 (збільшено) На перекриття 1 (у самій верхній частині висотної споруди або нижче в залежності від необхідності) жорстко закріплюють нижню нерухому опорну плиту 2 гасителя На верхній поверхні нижньої нерухомої плити 2 закріплено сферичні шарніри 3 з кульовими тілами 4 у КІЛЬКОСТІ не менше трьох Як варіант реалізації сферичного шарніра та задля мінімізації тертя між кульовими тілами 4 та обоймами сферичних шарнірів 3 можна запресувати шар із низькофрікційного матеріалу (наприклад, з фторопласту) Кожне кульове тіло 4 взаємодіє зі сферичними виїмками 5 верхньої рухомої опорної плити 6 змінної маси, причому вказані виїмки 5 виконані на нижній поверхні верхньої рухомої опорної плити 6 опуклістю вверх У конкретному конструктивному рішенні гасителя масу верхньої рухомої опорної плити 6 можна змінювати за рахунок неперервної зміни маси піску, який заповнює контейнер 7 Нижня нерухома опорна плита 2 та верхня рухома опорна плита 6 з'єднані між собою двома повітряними демпферами 8 які функціонують у двох взаємноперпендикулярних напрямах В динаміці гаситель спрацьовує таким чином При відхиленні нижньої нерухомої опорної плити 2 (разом із висотною спорудою) від вертикалі в один бік верхня рухома опорна плита 6 переміщується відносно нижньої нерухомої опорної плити 2 в протилежний бік, вільно перекочуючись по кульовим тілам 4 сферичних шарнірів 3 своїми робочими сферичними виїмками 5 За рахунок такого перекочування верхня рухома опорна плита 6 поступально піднімається на відповідну зовнішньому збудженню висоту та гасить вимушені коливання споруди При цьому кінетична енергія коливань споруди перетворюється на потенціальну енергію підйому верхньої рухомої опорної плити 6 (робочого тіла гасителя) Завдяки відносним переміщенням опорних плит 2 та 6 в роботу включаються один або два повітряних демпфери 13 Тому частина кінетичної енергії коливань споруди неконсервативно витрачається на роботу по подоланню сил в'язкого опору між опорними плитами 2 та 6 Такий відбір енергії коливань в механічній системі "гаситель - висотна споруда" поступово призводить до зменшення початкової амплітуди вимушених коливань споруди та стабілізації и на визначеному обмеженому рівні, або до їх затухання Цей рівень можна вибирати та регулювати в залежності від вимог будівельних нормативних документів за допомогою зміни трьох важливих параметрів гасителя радіуса R сферичних виїмок 5, маси робочого тіла 6 гасителя, коефіцієнта в'язкого демпфірування £, у демпферах 8 У запропонованій конструкції гасителя можлива реалізація обертання кульових тіл 4 у сферичних шарнірах 3 навколо свого центра мас у ДОВІЛЬНІЙ ПЛОЩИНІ, що, ВІДПОВІДНО, дає можливість робочому тілу 6 гасителя переміщуватись у довільному напрямі, тому його функціонування є автономним і не залежить від напрямку зовнішнього збудження, що діє на споруду Так як в цьому гасителі сферичні виїмки 5 робочого тіла 6 виконані опуклістю вверх, тому в них не буде накопичуватись волога, лід та пил, які перешкоджатимуть вільному переміщенню робочого тіла 6 відносно нижньої нерухомої опорної плити 2 (на відміну від прототипу) Таким чином, поєднання запропонованих ознак дозволяє отримати очікуваний технічний результат шляхом спрощення технології обслуговування та настройки гасителя на потрібні частоту та напрям дії забезпечити безпечне, надійне та автономне функціонування гасителя в процесі демпфірування вимушених коливань споруди 59224 / 7 7/7/7/7 Фіг.1 59224 ФЇГ.: Комп'ютерна верстка М Мацело Підписано до друку 05 09 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна