Пристрій сейсмозахисту споруд із деформівними в’язями

Реферат: Винахід належить до галузі сейсмостійкого будівництва і може бути використаний для ізоляції та сейсмозахисту будинків і споруд у сейсмічних районах від землетрусів. Новизна конструкції заявленого пристрою полягає в тому, що відповідні верхні та нижні опорні тарелі сейсмоамортизаторів додатково з'єднані між собою регульованими демпфірувальними елементами та деформівними в'язями, причому деформівні в'язі в процесі сейсмозбурення руйнуються, перестаючи з'єднувати верхні і нижні опорні тарелі. За рахунок введення в кожну сейсмоопору пристрою спеціальних деформівних в'язей та регульованих демпфірувальних елементів забезпечується надійне та безпечне поглинання вимушених коливань споруди у випадку сейсмозбурення будь-якого рівня. UA 107889 C2 (12) UA 107889 C2 UA 107889 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 верхня будова 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 сейсмозбурення навіть малого рівня (як по частоті, так і по амплітуді) верхня будова споруди одразу починає рухатись за рахунок перекочування робочих тіл кочення по вгнутих виїмках опорних тарелів відносно її фундаменту. З цього моменту верхня будова і фундамент споруди динамічно представляють вже два різних тіла, які рухаються одне відносно одного. Такі окремі рухи призводять до поривів всіх комунікацій споруди при сейсмозбуреннях навіть найменшого рівня. Разом з тим відносні переміщення верхньої будови споруди та її фундаменту за рахунок спеціальної конструкції пристрою необхідно реалізувати тільки у крайньому разі, коли рівень горизонтального сейсмозбудження вже перевищує деякий небезпечний поріг, після якого споруда вже не витримує такого динамічного навантаження і може втратити стійкість. Крім того, верхня будова споруди без належного демпфірування розгойдується на опорних тарелях відносно фундаменту. Така динамічна ситуація є небажаною, призводить до резонансних явищ у споруді та тягне за собою непередбачувані додаткові вертикальні навантаження з руйнівними наслідками. Найбільш близьким до запропонованого пристрою є пристрій сейсмозахисту будинків та споруд (стаття «Дом для зыбкой тверди» в журналі «Наука и жизнь» №8 за 1989 р., стор. 24-33), прийнятий нами за прототип. Пристрій складається з декількох однакових сейсмоізолюючих опор (сейсмоамортизаторів), розташованих між верхньою будовою 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 верхня будова споруди встановлюється на верхні опорні тарелі через опорну плиту, а нижні опорні тарелі жорстко закріплюють на периферії фундаментної плити. До недоліків прототипу також слід віднести виникнення небезпечних резонансних розгойдувань верхньої будови споруди відносно її фундаменту за рахунок перекочування кульових тіл кочення на вгнутих робочих виїмках при горизонтальному сейсмозбуренні навіть найменшого рівня. При цьому відбувається руйнування будівельних комунікацій з наступними великими відновлювальними витратами. Проте відомо, що одним із основних принципів оснащення споруд та будинків сейсмоамортизаторами або сейсмоізоляцією є такий: власна частота сейсмоамортизатора (разом із верхньою будівлею споруди) повинна бути суттєво нижчою, ніж основні частоти зовнішнього сейсмозбурення, які вносять найбільший вклад в його кінетичну енергію (див., наприклад, Рутман Ю.Л. Маятниковые сейсмоизолирующие опоры. Конструкция, расчет, эксперимент //Инженерно-строительный журнал. - 2012, №1. - С. 31-36). З іншого боку, інструментальні дослідження сейсмозбурень, що вже відбулися, показують, що їх основний частотний спектр лежить в діапазоні від 2,5 до 60 рад/с (стаття «Дом для зыбкой тверди» в журналі «Наука и жизнь» №8 за 1989 p., стор. 24-33). Іншими словами, сейсмоамортизатор повинен слугувати фільтром високих частот, а робочими для нього повинні бути низькі частоти (в діапазоні (власн < 2,0 рад/с). Отже, пристрій-прототип не відповідає цьому першому принципу сейсмозахисту. Крім того, існує другий принцип, якого необхідно притримуватись при проектуванні сейсмоізолюючих опор. Його суть полягає в забезпеченні достатньо інтенсивного рівня демпфірування вимушених коливань верхньої будови споруди з метою виключення можливих резонансів при близькості частоти зовнішнього сейсмозбудження з одною з частот елементів системи (Рутман Ю.Л. Маятниковые сейсмоизолирующие опоры. Конструкция, расчет, эксперимент //Инженерно-строительный журнал. - 2012, №1. - С. 31-36). Цей принцип в прототипі не реалізований. В основу винаходу було покладено задачу - створення пристрою сейсмозахисту споруд із деформівними в'язями: за рахунок введення в кожну сейсмоопору пристрою спеціальних деформівних в'язей та регульованих демпфірувальних елементів забезпечити надійне та безпечне поглинання вимушених коливань споруди у випадку сейсмозбурення будь-якого рівня. Поставлена задача вирішується тим, що у пристрої сейсмозахисту споруд із деформівними в'язями, що складається з декількох сейсмоізолюючих опор - сейсмоамортизаторів, кожен з 1 UA 107889 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 яких розташований в горизонтальній площині між верхньою будовою споруди і її фундаментною плитою симетрично відносно геометричного центру фундаментної плити та включає верхні і нижні опорні тарелі із вгнутими робочими виїмками, оберненими симетрично одна до одної відносно горизонтальної площини, та розміщені між ними кульові тіла кочення, причому верхня будова споруди встановлюється на верхні опорні тарелі через нижню опорну плиту, а нижні опорні тарелі жорстко закріплюють на периферії фундаментної плити, згідно з винаходом відповідні верхні та нижні опорні тарелі сейсмоамортизаторів додатково з'єднані між собою регульованими демпфірувальними елементами та деформівними в'язями, причому деформівні в'язі в процесі сейсмозбурення руйнуються, перестаючи з'єднувати верхні та нижні опорні тарелі. Причинно-наслідковий зв'язок між запропонованими ознаками винаходу та очікуваним технічним результатом полягає в наступному. Перша і головна ознака винаходу полягає у з'єднанні відповідних верхнього і нижнього опорних тарелів кожного сейсмоамортизатора деформівними в'язями, причому деформівні в'язі в процесі сейсмозбурення руйнуються, перестаючи з'єднувати верхні та нижні опорні тарелі. Якщо рівень сейсмозбурення невеликий і не перевищує деякого нормативного значення, то деформівні в'язі залишаються недеформованими (незруйнованими) і верхня будова споруди буде рухатись разом із фундаментом як одне ціле. При цьому їхні взаємні переміщення дорівнюють нулю, завдяки чому забезпечується цілісність будівельних комунікацій при сейсмозбуреннях невеликих рівнів. Якщо ж рівень сейсмозбурення перевищить вказане нормативне значення, то деформівні в'язі зруйнуються і верхня будова споруди почне рухатись окремо від фундаменту. В цьому разі частина вхідної енергії сейсмозбурення буде витрачена на руйнування вказаних деформівних в'язей. Отже, при сейсмозбуреннях високого рівня рух верхньої будови споруди буде «відрізаний» від рухів її фундаменту, в чому і полягає сенс сейсмоізоляції споруд. Проте в цьому разі порив будівельних комунікацій неминучий, але при збереженні цілісності верхньої будови споруди. Друга ознака винаходу полягає у з'єднанні відповідних верхнього і нижнього опорних тарелів кожного сейсмоамортизатора регульованими демпфірувальними елементами. Вони починають включатися в роботу під час вказаних вище взаємних коливальних рухів фундаменту і верхньої будови споруди, тому деяка частина вхідної кінетичної енергії сейсмозбурення поглинається цими 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, наприклад, у вигляді повітряних демпферів або гумових обойм та розміщені симетрично відносно геометричного центру розташування сейсмоамортизаторів у радіальних напрямках. 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 деформівних в'язей та демпфірувальних елементів. Розглянемо винахід у статиці. Запропонований пристрій складається з декількох однакових сейсмоопор 1, кожна з яких складається з верхнього 2 і нижнього 3 опорних тарелів із симетричними вгнутими робочими виїмками 4 і 5 відповідно. Між опорними тарелями 2 і 3 розміщене кульове тіло кочення 6. Всі сейсмоопори встановлюються на фундаментній плиті 7 симетрично відносно її геометричного центру Ц. Кожна сейсмоопора споряджена деформівною в'яззю 8 (наприклад, у вигляді шпильки або болта) та регульованим демпфірувальним елементом 9 (наприклад, повітряним демпфером). Останній одним кінцем шарнірно закріплений відносно верхнього опорного тареля 2, а другим кінцем - відносно нижнього опорного тареля 3. Верхня будова 10 споруди обпирається на верхній опорний таріль 2. На фіг. 1 верхня будова 10 споруди об'єднана 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 сейсмоопорою та розглянемо функціонування винаходу в динаміці (фіг.2). Всі інші сейсмоопори будуть функціонувати аналогічно. 2 UA 107889 C2 5 10 15 20 25 Нехай на фундамент 7 споруди діє горизонтальне кінематичне збурення у вигляді періодичних хвиль за законом x0(t) = Α0sin(t). Це збурення вносить в динамічну систему «верхня будова споруди - система сейсмоопор - фундамент споруди» деяку вхідну кінетичну енергію, яку за рахунок роботи всіх сейсмоопор потрібно погасити (розсіяти). Не звужуючи рамок подальших міркувань припустимо, що маса фундаменту 7 дорівнює величині , а вся маса Μ верхньої будови 10 споруди разом із нижньою опорною плитою розподілена рівномірно між n сейсмоопор і являє собою n зосереджених і жорстко зв'язаних між собою мас. При цьому на одну сейсмоопору припадає відповідно n-на частина загальної маси Μ верхньої будови 10 споруди, яка складає величину m   . З динамічної точки зору цю n-у частину загальної маси n верхньої будови 10 споруди будемо ототожнювати зі всією масою Μ верхньої будови 10 споруди через те, що їхня динамічна поведінка буде однаковою. Отже, під дією зовнішнього сейсмопереміщення x0(t) фундаментна плита 7 разом із верхньою будовою 10 споруди починає здійснювати коливальні рухи в горизонтальній площині 2 як єдина маса Μ з деяким прискоренням, яке дорівнює x0(t) = -A0  sm(t). Принагідно відмітимо, що рівень силової інтенсивності вхідного збурення 0 t  xo(t) пропорційний квадрату частоти x вимушених коливань. Тому чим більше ця частота (тобто, якщо вона лежить ближче до правої границі частотного діапазону 2,5    60 рад/с), тим інтенсивнішим і більш руйнівним є вплив вхідного збурення на динамічний стан споруди. Такий об'єднаний коливальний процес буде відбуватись до досягнення деякого порогового рівня горизонтального прискорення  пор . Відносні рухи верхньої будови 10 споруди відносно x фундаменту 7 (як двох окремих тіл) почнуться тоді, коли горизонтальна інерційна сила Fjn =   пор . , яка діє на фундаментну плиту 7 в цей момент часу, перевищить граничну величину сили x Fзрізу, при якій деформівна в'язь 8 (наприклад, у вигляді шпильки) буде зруйнована (зрізана). Кількість шпильок і поперечний переріз кожної шпильки (деформівної в'язі) 8 можна легко підібрати по заданій нормативній величині інерційної сили Fjn =   пор . . Для сферичних виїмок x частоту власних коливань окремого сейсмоамортизатора разом із верхньою будовою 10 споруди можна також дуже просто обчислити за наступною формулою (див. Легеза В.П. Віброзахист динамічних систем із котковими гасниками. Київ: Четверта хвиля, 2010. - 280 с): g , 2R  r  де g - прискорення вільного падіння, R - радіус виїмки, r - радіус кулі. З цієї формули випливає, що за рахунок вибору радіуса виїмки R та радіуса r кулі власну частоту сейсмоамортизатора власн. можна вибрати достатньо малою по величині, тобто зробити меншою 2,0 рад/с. Отже, запропонований пристрій - сейсмоамортизатор функціонує як своєрідний фільтр: він пропускає непоміченими сейсмозбурення малого рівня інтенсивності t   пор , і амортизує x x власн.  30 35 40 45 50 сейсмозбурення більш високого рівня, починаючи з деякої наперед заданої нормативами величини t   пор . Тому перший принцип сейсмозахисту в запропонованому пристрої x x реалізовано. Далі розглянемо динамічну картину демпфірування сейсмозбурення після зрізу деформівних в'язей 8. В процесі відносних коливальних рухів верхньої будови 10 споруди відносно її фундаменту 7 кульове тіло 6 катається, затиснуте між верхнім 2 та нижнім 3 опорними тарелями. При цьому верхня будова 10 споруди підіймається відносно фундаменту 7 на відповідну зовнішньому збуренню висоту Η, накопичуючи потенціальну енергію для повернення системи у вихідне положення. Одночасно з цим верхня будова 10 споруди переміщується в горизонтальному напрямку, тому в роботу включається регульований демпфірувальний елемент 9, який поступово і безповоротно поглинає іншу частину вхідної кінетичної енергії сейсмозбудження. Інтенсивність функціонування демпфірувальних елементів 9 можна змінювати за рахунок регулювання їх в'язкого опору. Отже, і другий принцип сейсмозахисту в запропонованому пристрої реалізовано. З механічної точки зору повна вхідна кінетична енергія сейсмозбурення витрачається на три частини: перша (консервативна) - на піднімання верхньої будови 10 споруди із масою Μ на деяку висоту Η (потенціальна енергія дорівнює П = MgH), друга (неконсервативна) - на руйнування деформівних в'язей 8, і третя (неконсервативна) - на безповоротне поглинання енергії повітряними демпферами 9. 3 UA 107889 C2 Таким чином, поєднання запропонованих ознак у винаході дозволяє отримати очікуваний технічний результат: за рахунок введення в кожну сейсмоопору пристрою спеціальних деформівних в'язей та регульованих демпфірувальних елементів забезпечити надійне та безпечне поглинання вимушених коливань споруди у випадку сейсмозбурення будь-якого рівня. 5 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 Пристрій сейсмозахисту споруд із деформівними в'язями, що складається з декількох сейсмоізолюючих опор - сейсмоамортизаторів, кожен з яких розташований в горизонтальній площині між верхньою будовою споруди і її фундаментною плитою симетрично відносно геометричного центру фундаментної плити та включає верхні і нижні опорні тарелі із вгнутими робочими виїмками, оберненими симетрично одна до одної відносно горизонтальної площини, та розміщені між ними кульові тіла кочення, причому верхня будова споруди встановлюється на верхні опорні тарелі через нижню опорну плиту, а нижні опорні тарелі жорстко закріплюють на периферії фундаментної плити, який відрізняється тим, що відповідні верхні та нижні опорні тарелі сейсмоамортизаторів додатково з'єднані між собою регульованими демпфірувальними елементами та деформівними в'язями, причому деформівні в'язі в процесі сейсмозбурення руйнуються, перестаючи з'єднувати верхні і нижні опорні тарелі. 4 UA 107889 C2 5 UA 107889 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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