Пристрій сейсмозахисту будинків та споруд

Реферат: Винахід належить до галузі сейсмостійкого будівництва і може бути використаний для ізоляції та сейсмозахисту будинків і споруд у сейсмічних районах від землетрусів. Відповідно до винаходу пристрій сейсмозахисту будинків та споруд складається з декількох сейсмоізолюючих опор - сейсмоамортизаторів, кожен з яких розташований в горизонтальній площині між корпусом споруди і її фундаментною плитою симетрично відносно геометричного центру фундаментної плити та включає верхній і нижній опорні тарелі із вгнутими робочими виїмками, оберненими симетрично один до одного відносно горизонтальної площини, та розміщені між ними тіла кочення, причому корпус споруди встановлюється на верхні опорні тарелі через нижню опорну плиту, а нижні опорні тарелі жорстко закріплюють на периферії фундаментної плити, при цьому верхній і нижній опорні тарелі кожного сейсмоамортизатора з'єднані між собою регульованими демпфірувальними елементами, а кожне тіло кочення вздовж своєї вертикальній осі виконане бочкоподібним із горизонтальними верхнім і нижнім опорними кругами, причому нижній горизонтальний опорний круг кожного бочкоподібного тіла кочення спирається на відповідний горизонтальний опорний круг такого ж діаметра, виконаний на нижньому опорному тарелі, а верхній опорний круг кожного бочкоподібного тіла кочення UA 105328 C2 (12) UA 105328 C2 спирається на відповідний горизонтальний опорний круг такого ж діаметра, виконаний на верхньому опорному тарелі. UA 105328 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі сейсмостійкого будівництва і може бути використаний для ізоляції та сейсмозахисту будинків і споруд у сейсмічних районах від землетрусів. Існує пристрій сейсмозахисту будинків та споруд (А.с. № 1763582, Кл. E02D 27/34, F16F 15/00, опубл. БИ № 35 за 1992 p.), який складається з декількох однакових сейсмоізолюючих опор, кожна з яких включає симетрично розташовані відносно горизонтальної площини верхній та нижній опорні тарелі із вгнутими опорними виїмками та розміщені між ними тіла кочення, причому на верхні опорні тарелі встановлюється корпус споруди через її нижню опорну плиту, а нижні опорні тарелі жорстко закріплюються на фундаментній плиті. Недоліком цього пристрою є те, що при проходженні через фундамент горизонтального сейсмозбудження навіть малого рівня (як по частоті, так і по амплітуді) корпус споруди одразу починає рухатись за рахунок перекочування робочих тіл кочення по вгнутих виїмках опорних тарелів відносно фундаменту. З цього моменту корпус і фундамент споруди динамічно представляють вже два різних тіла, які рухаються одне відносно одного. При цьому корпус споруди розгойдується на опорних тарелях відносно фундаменту. Таке явище є небажаним і призводить до резонансних явищ у споруді і, як наслідок, до непередбачуваних вертикальних навантажень з руйнівними наслідками. Найбільш близьким до запропонованого пристрою є пристрій сейсмозахисту будинків та споруд (стаття Дом для зыбкой тверди // Наука и жизнь - М.: Правда, 1989. - №8. - С. 24-33), прийнятий нами за прототип. Пристрій складається з декількох однакових сейсмоізолюючих опор (сейсмоамортизаторів), розташованих між корпусом споруди і її фундаментною плитою симетрично відносно її геометричного центра. Кожна з опор включає верхню та нижню опорні тарелі з вгнутими робочими виїмками, оберненими симетрично одна до одної відносно горизонтальної площини, та розташовані між ними кульові тіла кочення, причому корпус споруди встановлюється на верхні опорні тарелі через нижню опорну плиту корпуса споруди, а нижні опорні тарелі жорстко закріплюють на периферії фундаментної плити. До недоліків прототипу також слід віднести виникнення небезпечних резонансних розгойдувань корпуса споруди відносно її фундаменту за рахунок перекочування кульових тіл кочення на вгнутих робочих виїмках при горизонтальному сейсмозбудженні навіть найменшого рівня. Проте взаємні переміщення корпуса споруди та її фундаменту за рахунок пристрою необхідно реалізувати тільки у крайньому разі, коли рівень горизонтального сейсмозбудження вже перевищує деякий поріг, після якого споруда вже не витримує такого динамічного навантаження і може втратити стійкість. Крім того, під час такого розгойдування в елементах споруди виникають, крім горизонтальних, додаткові періодичні вертикальні навантаження, які вряд чи можна було врахувати на стадії проектних робіт. Ще одним недоліком такого пристрою є те, що у місцях точкового контакту тіл кочення і опорних тарелів виникають значні локальні контактні напруження, які з часом призводять до деформації та руйнування опорних вузлів прототипу. В основу винаходу поставлена задача - створення пристрою сейсмозахисту будинків та споруд: за рахунок введення у пристрій регульованого демпфірування та вибору спеціальної форми тіл кочення в кожній сейсмоопорі пристрою забезпечити надійне та безпечне поглинання вимушених коливань споруди при сейсмозбудженні будь-якого рівня. Поставлена задача вирішується тим, що у пристрої сейсмозахисту будинків та споруд, що складається з декількох сейсмоізолюючих опор - сейсмоамортизаторів, кожен з яких розташований в горизонтальній площині між корпусом споруди і її фундаментною плитою симетрично відносно геометричного центру фундаментної плити та включає верхній і нижній опорні тарелі із вгнутими робочими виїмками, оберненими симетрично одна до одної відносно горизонтальної площини, та розміщені між ними тіла кочення, причому корпус споруди встановлюється на верхні опорні тарелі через нижню опорну плиту, а нижні опорні тарелі жорстко закріплюють на периферії фундаментної плити, згідно з винаходом верхній і нижній опорні тарелі кожного сейсмоамортизатора з'єднані між собою регульованими демпфірувальними елементами, а кожне тіло кочення вздовж своєї вертикальній осі виконане бочкоподібним із горизонтальними верхнім і нижнім опорними кругами, причому нижній горизонтальний опорний круг кожного бочкоподібного тіла кочення спирається на відповідний горизонтальний опорний круг такого ж діаметра, виконаний на нижньому опорному тарелі, а верхній опорний круг кожного бочкоподібного тіла кочення спирається на відповідний горизонтальний опорний круг такого ж діаметра, виконаний на верхньому опорному тарелі. Причинно-наслідковий зв'язок між запропонованими ознаками винаходу та очікуваним технічним результатом полягає в наступному. Перша ознака винаходу полягає у з'єднанні верхнього і нижнього опорних тарелів кожного сейсмоамортизатора регульованими демпфірувальними елементами. Коли бочкоподібне тіло 1 UA 105328 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 кочення починає перекочуватись по вгнутих робочих виїмках верхнього і нижнього опорних тарелів під дією сейсмозбудження, то виникають відносні переміщення зазначених тарелів. Під час таких взаємних рухів починають включатися в роботу регульовані демпфірувальні елементи, тому деяка частина вхідної кінетичної енергії сейсмозбудження поглинається демпфірувальними елементами. Це призводить до того, що процес відносних коливальних переміщень верхнього і нижнього опорних тарелів швидко затухає, що унеможливлює виникнення ефекту резонансного розгойдування, який є характерним для прототипу. Регульовані демпфірувальні елементи можуть бути виконані у вигляді, наприклад, повітряних демпферів та розміщені симетрично відносно геометричного центру сейсмоамортизатора у двох взаємно перпендикулярних напрямках. Друга ознака винаходу полягає у спеціальному конструктивному виборі робочого тіла кочення у вигляді бочкоподібного тіла із горизонтальними верхнім та нижнім опорними кругами. Кожне робоче бочкоподібне тіло кочення можна виконати, наприклад, із звичайних куль з деяким радіусом r , відрізавши від них симетрично зверху і знизу однакові кульові сегменти висотою h та з радіусом  . Зазначена ознака наділяє пристрій двома основними функціональними властивостями, які і формують очікуваний технічний результат. Охарактеризуємо їх. Перша функціональна властивість полягає в тому, що обпирання верхнього і нижнього опорних тарелів на бочкоподібне тіло кочення здійснюється не в одній точці, а по кругах скінченного діаметра величиною 2 . Такий розподіл вертикального навантаження від маси споруди знімає питання про значні контактні напруження локального характеру, які притаманні прототипу і призводять до руйнування опори. Друга функціональна властивість запропонованого пристрою полягає в тому, що він починає функціонувати як сейсмоамортизатор тільки тоді, коли рівень горизонтального прискорення фундаменту  0 t  під дією вхідного сейсмозбудження буде перевищувати деякий небезпечний x поріг  пор . До досягнення цього порога корпус споруди буде рухатись разом із фундаментом як x одне ціле. Якщо рівень прискорення фундаменту стає вищим цього небезпечного порога, корпус споруди починає переміщуватись відносно фундаменту, що дає можливість "відрізати" небезпечний вплив переміщень фундаменту на динамічну поведінку корпусу споруди. Отже, нами запропоновано таку конструкцію сейсмоамортизатора, який функціонує як своєрідний фільтр: він пропускає непоміченими сейсмозбудження малого рівня  0 t    пор , і поглинає x x сейсмозбудження високого рівня, починаючи з деякої наперед заданої розрахункової порогової величини  0 t    пор . Обчислення величини цього порогового прискорення  пор буде x x x наведено нижче при розгляді динаміки запропонованого пристрою. Більш детально конструктивні особливості запропонованого пристрою та місця встановлення його сейсмоамортизаторів можна пояснити, використовуючи відповідні креслення. На фіг. 1 показано осьовий вертикальний переріз окремого сейсмоамортизатора запропонованого пристрою в статиці; на фіг. 2 показано осьовий вертикальний переріз окремого сейсмоамортизатора в динаміці; на фіг. 3 показано місця симетричного відносно точки Ц встановлення сейсмоамортизаторів на фундаментній плиті з місцями закріплення демпфірувальних елементів. Розглянемо винахід в статиці. Запропонований пристрій складається з декількох однакових сейсмоопор 1, кожна з яких складається з верхнього 2 і нижнього 3 опорних тарелів із вгнутими робочими виїмками 4 і 5 відповідно. Між опорними тарелями 2 і 3 розміщене бочкоподібне тіло кочення 6 з верхнім 7 та нижнім 8 горизонтальними опорними кругами. На вгнутій робочій виїмці 4 верхнього опорного тареля 2 виконано горизонтальний опорний круг 9 такого ж діаметра, що і горизонтальний опорний круг 7. На вгнутій робочій виїмці 5 нижнього опорного тареля 3 також виконано горизонтальний опорний круг 10 такого ж діаметра, що і горизонтальний опорний круг 8. Всі сейсмоопори встановлюються на фундаментній плиті 11 симетрично відносно її геометричного центру Ц. Кожна сейсмоопора споряджена регульованим демпфірувальним елементом 12 (наприклад, повітряним демпфером), який одним кінцем шарнірно закріплений відносно верхнього опорного тареля 2, а другим кінцем - відносно нижнього опорного тареля 3 або фундаментної плити 11. Корпус 13 споруди обпирається на верхній опорний таріль 2. Тут корпус 13 споруди об'єднаний із нижньою опорною плитою, яка не показана. Будемо вважати, що запропонований пристрій складається з n  4 однакових сейсмоопор, розміщених симетрично відносно геометричного центра Ц фундаменту споруди (фіг. 3). Проаналізуємо процес демпфірування горизонтального сейсмозбурення окремою 2 UA 105328 C2 5 10 15 20 сейсмоопорою та розглянемо функціонування винаходу в динаміці (фіг. 2). Всі інші сейсмоопори будуть функціонувати аналогічно. Нехай на фундамент 11 споруди діє горизонтальне кінематичне збурення у вигляді періодичних хвиль за законом x 0 (t )  A 0 sinpt  . Це збурення вносить в динамічну систему "корпус споруди - сейсмоопори - фундамент споруди" деяку вхідну кінетичну енергію, яку за рахунок всіх сейсмоопор потрібно погасити (розсіяти). Не звужуючи рамок подальших міркувань припустимо, що вся маса M корпусу 13 споруди разом із нижньою опорною плитою розподілена рівномірно між n сейсмоопорами і являє собою n зосереджених і жорстко зв'язаних між собою мас. При цьому на одну сейсмоопору припадає відповідно n  на частина загальної маси M корпусу споруди, яка складає величину m  M . З динамічної точки зору цю n  y частину n загальної маси корпусу 13 споруди будемо ототожнювати зі всією масою M корпусу 13 споруди через те, що їхня динамічна поведінка буде однаковою. Отже, під дією переміщення x 0 (t ) (фіг. 2) фундаментна плита 11 разом із корпусом споруди починає здійснювати коливальні рухи в горизонтальній площині як єдина маса M з деяким прискоренням, яке дорівнює  0 ( t )   A 0p 2 sinpt  . Такий об'єднаний коливальний процес буде x відбуватись до досягнення деякого порогового рівня  пор . Взаємні рухи корпусу 13 споруди x відносно фундаменту 11 (як двох зв'язаних сейсмоопорою тіл) почнуться тоді, коли виникнуть кутові переміщення бочкоподібного тіла кочення 6. В початковий момент часу тіло кочення 6 знаходилося у вертикальному положенні рівноваги (фіг. 1). Для того, щоби бочкоподібне тіло кочення 6 вийшло із вертикального положення рівноваги, потрібне виконання такої умови: max mH  0 (t )  mg  , x (1) t 25 30 35 де m  n  a частина загальної маси корпусу 13 споруди;  - радіус горизонтальних опорних кругів 8 тіла кочення 6; H - висота центра мас корпусу 13 споруди над рівнем фундаментної плити 11. Зліва і справа у формулі (1) записані відповідні вирази для моменту перевертання і для утримуючого моменту сили тяжіння відносно осей повороту тіла кочення 6 у місцях його контакту з робочими виїмками 4 і 5. На фіг. 2 показано деяке проміжне положення сейсмоопори, коли нерівність (1) виконується, тобто коли бочкоподібне тіло кочення 6 починає котитись по криволінійних частинах робочих виїмок 4 і 5. З механічної точки зору повна вхідна кінетична енергія сейсмозбурення витрачається на дві частини: перша (консервативна) - на піднімання корпусу 13 споруди із масою M на деяку висоту  (потенціальна енергія) і друга (неконсервативна) - на безповоротне поглинання енергії повітряними демпферами 12. Перепишемо нерівність (1) інакше, враховуючи, що max  0 ( t )  A 0p 2 . В результаті маємо: x t g . x mHA0p2  mg  A 0p2  пор , де  пор  x H 40 45 50 (2) Таким чином, з формули (2) випливає, що за допомогою запропонованого пристрою (вибираючи параметр  тіла кочення належної величини) можна досягти двох різних типів реагування пристрою на рівень сейсмозбудження, а саме: сейсмозбудження низького рівня пристроєм залишаються непоміченими, а при перевищенні деякого порогового рівня вхідного  пор  g прискорення величиною пристрій включається в роботу і амортизує x H сейсмозбудження. При цьому при взаємних переміщеннях верхнього 2 і нижнього 3 опорних тарелів в роботу включається регульований демпфірувальний елемент 12, в якому поступово поглинається вхідна кінетична енергія сейсмозбудження. Отже, запропонований пристрій - сейсмоамортизатор функціонує як своєрідний фільтр: він t    пор , і амортизує пропускає непоміченими сейсмозбудження малого рівня x x сейсмозбудження більш високого рівня, починаючи з деякої наперед заданої величини t    пор . x x 3 UA 105328 C2 Таким чином, поєднання запропонованих ознак дозволяє отримати очікуваний технічний результат: за рахунок введення у пристрій регульованого демпфірування та вибору спеціальної форми тіл кочення в кожній сейсмоопорі пристрою забезпечити надійне та безпечне поглинання вимушених коливань споруди при сейсмозбудженні будь-якого рівня. 5 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 Пристрій сейсмозахисту будинків та споруд, що складається з декількох сейсмоізолюючих опор - сейсмоамортизаторів, кожен з яких розташований в горизонтальній площині між корпусом споруди і її фундаментною плитою симетрично відносно геометричного центру фундаментної плити та включає верхній і нижній опорні тарелі із вгнутими робочими виїмками, оберненими симетрично один до одного відносно горизонтальної площини, та розміщені між ними тіла кочення, причому корпус споруди встановлюється на верхні опорні тарелі через нижню опорну плиту, а нижні опорні тарелі жорстко закріплюють на периферії фундаментної плити, який відрізняється тим, що верхній і нижній опорні тарелі кожного сейсмоамортизатора з'єднані між собою регульованими демпфірувальними елементами, а кожне тіло кочення вздовж своєї вертикальній осі виконане бочкоподібним із горизонтальними верхнім і нижнім опорними кругами, причому нижній горизонтальний опорний круг кожного бочкоподібного тіла кочення спирається на відповідний горизонтальний опорний круг такого ж діаметра, виконаний на нижньому опорному тарелі, а верхній опорний круг кожного бочкоподібного тіла кочення спирається на відповідний горизонтальний опорний круг такого ж діаметра, виконаний на верхньому опорному тарелі. 4 UA 105328 C2 5 UA 105328 C2 Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6