Котковий пристрій сейсмозахисту будинків та споруд

Реферат: Котковий 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 з'єднані між собою, регульованими демпфірувальними елементами, верхній і нижній опорні тарелі із вгнутими робочими виїмками, оберненими симетрично одна до одної відносно горизонтальної площини, та розміщені між ними бочкоподібні тіла кочення із горизонтальними верхнім і нижнім опорними кругами, причому нижній горизонтальний опорний круг кожного бочкоподібного тіла кочення обпирається на відповідний горизонтальний опорний круг такого ж діаметра, виконаний на нижньому опорному тарелі, а на верхній опорний круг кожного бочкоподібного тіла кочення обпирається відповідний горизонтальний опорний круг такого ж діаметра, виконаний на верхньому опорному тарелі, причому вгнуті робочі виїмки всіх верхніх і нижніх опорних тарелів вистелені деформівним гнучким матеріалом з підвищеним коефіцієнтом тертя ковзання. UA 98529 U (54) КОТКОВИЙ ПРИСТРІЙ СЕЙСМОЗАХИСТУ БУДИНКІВ ТА СПОРУД UA 98529 U UA 98529 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель стосується області сейсмостійкого будівництва і може бути використана для ізоляції та сейсмозахисту будинків і споруд у сейсмічних районах від землетрусів. Існує пристрій сейсмозахисту будинків та споруд [стаття "Дом для зыбкой тверди" в журналі "Наука и жизнь" № 8 за 1989 р., стор. 24-33], який 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 конструкції цього пристрою-аналога 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. Найбільш близьким до запропонованого пристрою є пристрій сейсмозахисту будинків та споруд [Патент України на корисну модель № 85592, МПК E02D27/34, Е04Н9/02, Е04В1/36, F16F15/22, опубл. 25.11.2013 в бюл. № 22]. Він 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 з'єднані між собою регульованими демпфірувальними елементами верхній і нижній опорні тарелі із вгнутими робочими виїмками, оберненими симетрично одна до одної відносно горизонтальної площини, та розміщені між ними бочкоподібні тіла кочення із горизонтальними верхнім і нижнім опорними кругами. При цьому нижній горизонтальний опорний круг кожного бочкоподібного тіла кочення обпирається на відповідний горизонтальний опорний круг такого ж діаметру, виконаний на нижньому опорному тарелі, а на верхній опорний круг кожного бочкоподібного тіла кочення обпирається відповідний горизонтальний опорний круг такого ж діаметру, виконаний на верхньому опорному тарелі. До недоліків цієї конструкції пристрою-прототипу слід віднести наступні. Коли бочкоподібне тіло кочення під дією зовнішнього сейсмозбудження починає підійматись по вгнутих робочих виїмках верхнього та нижнього тарелів, то взаємодія між ними буде здійснюватись не по скінченній області контакту (як це було до того у вихідному положенні), а відповідно в двох діаметрально протилежних точках контакту відносно верхнього та нижнього опорних тарелів. При цьому значне вертикальне навантаження, яке постійно діє на кожен сейсмоамортизатор від значної маси корпусу споруди і до цього підйому (тобто в статичному положенні) було рівномірно розподілене по опорних кругах бочкоподібних тіл кочення та, відповідно, по опорних кругах верхніх та нижніх опорних тарелів, зосереджується тільки в двох нескінченно малих точках контакту зазначених взаємодіючих елементів сейсмоамортизатора. Через це вказаний перерозподіл навантажень призводить до різкого збільшення локальних напружень в точках контакту і руйнування поверхневої структури робочих виїмок опорних тарелів та самого тіла кочення. Крім того, через малий коефіцієнт тертя кочення між взаємодіючими тілами (які виконані зі сталі) тіло кочення перестає котитись та починає проковзувати відносно робочих виїмок опорних тарелів, або навпаки, робочі виїмки опорних тарелів починають ковзати відносно тіла кочення. Іншими словами, порушується принцип "чистого" кочення тіла кочення відносно робочих виїмок опорних тарелів, який є основним в таких коткових пристроях. В результаті збільшується зношуваність взаємодіючих елементів сейсмоопор. Отже, виникає небезпечна ситуація, яка є неприпустимою через неповернення робочого тіла у вихідне до сейсмозбурення положення і, як наслідок, неготовності пристрою сприймати наступні хвилі сейсмозбурення. В основу корисної моделі було поставлено наступну задачу: створити новий котковий пристрій сейсмозахисту будинків та споруд, в кожній сейсмоопорі якого за рахунок суттєвого збільшення площі контактних областей між тілом кочення та вгнутими робочими виїмками верхнього та нижнього опорних тарелів кожної сейсмоопори було би забезпечено надійне 1 UA 98529 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 повернення бочкоподібних тіл кочення і пристрою в цілому у вихідне до сейсмозбурення положення при одночасному запобіганні аварійних ситуацій в роботі пристрою. Поставлена задача вирішується тим, що у котковому 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 з'єднані між собою регульованими демпфірувальними елементами верхній і нижній опорні тарелі із вгнутими робочими виїмками, оберненими симетрично одна до одної відносно горизонтальної площини, та розміщені між ними бочкоподібні тіла кочення із горизонтальними верхнім і нижнім опорними кругами, причому нижній горизонтальний опорний круг кожного бочкоподібного тіла кочення обпирається на відповідний горизонтальний опорний круг такого ж діаметра, виконаний на нижньому опорному тарелі, а на верхній опорний круг кожного бочкоподібного тіла кочення обпирається відповідний горизонтальний опорний круг такого ж діаметра, виконаний на верхньому опорному тарелі, згідно із корисною моделлю вгнуті робочі виїмки всіх верхніх і нижніх опорних тарелів вистелені деформівним гнучким матеріалом з підвищеним коефіцієнтом тертя ковзання. Причинно-наслідковий зв'язок між запропонованими ознаками корисної моделі та очікуваним технічним результатом полягає в наступному. Головна і єдина ознака запропонованої корисної моделі полягає у тому, що "вгнуті робочі виїмки всіх верхніх і нижніх опорних тарелів вистелені деформівним гнучким матеріалом з підвищеним коефіцієнтом ковзання". Зазначена ознака наділяє пристрій новою функціональною властивістю, яка і формує очікуваний технічний результат. Охарактеризуємо її. Коли бочкоподібне тіло кочення починає перекочуватись по вгнутих робочих виїмках верхнього і нижнього опорних тарелів під дією сейсмозбудження, то дотик бочкоподібного тіла кочення до робочих виїмок верхнього і нижнього опорних тарелів здійснюється вже не у двох діаметрально протилежних точках, а по двох діаметрально протилежних областях зі скінченними площами, які виникають за рахунок пружної деформації гнучкого і пружного матеріалу, яким викладені (вистелені) вгнуті робочі виїмки всіх верхніх і нижніх опорних тарелів. По-перше, це приводить до зменшення поверхневих напружень в зонах контакту тіла кочення та вгнутих робочих виїмок верхнього і нижнього опорних тарелів. По-друге, за рахунок пружної деформації зазначені області вже будуть представляти собою невеликі сферичні заглиблення скінченного радіуса, які значно збільшують сили зчеплення, що діють в дотичних площинах в місцях контакту на тіло кочення під час його руху по відповідних вгнутих робочих виїмках верхнього і нижнього опорних тарелів. Зазначені сферичні заглиблення скінченного радіуса на поверхні вгнутих робочих виїмок верхнього і нижнього опорних тарелів в будь-який момент часу надійно забезпечують переміщення тіла кочення по робочих виїмках без проковзування (тобто має місце тільки "чисте" кочення). А це, в свою чергу, гарантує точне повернення робочого тіла у вихідне до сейсмозбурення положення і, як наслідок, готовність пристрою сприймати наступні хвилі сейсмозбурення. 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.З показано місця симетричного відносно точки Ц встановлення сейсмоамортизаторів на фундаментній плиті. Розглянемо корисну модель в статиці (фіг. 1). 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. Робоча поверхня кожної вгнутої робочої виїмки 4 і 5 вистелена деформівним гнучким матеріалом 6 із підвищеним коефіцієнтом ковзання. Для цієї мети можна використати, наприклад, технічні пластини з твердої гуми потрібної товщини, виготовлені згідно із державним стандартом ГОСТ 7338-90. Між опорними тарелями 2 і 3 розміщене бочкоподібне тіло кочення 7 з верхнім 8 та нижнім 9 горизонтальними опорними кругами. На вгнутій робочій виїмці 4 верхнього опорного тареля 2 виконано горизонтальний опорний круг 10 такого ж діаметру, що і верхній горизонтальний опорний круг 8. На вгнутій робочій виїмці 5 нижнього опорного тареля 3 також виконано горизонтальний опорний круг 11 такого ж діаметру, що і нижній горизонтальний опорний круг 9. Всі сейсмоопори встановлюються на фундаментній плиті 12 симетрично відносно її геометричного центру Ц. Кожна сейсмоопора споряджена регульованим демпфірувальним елементом 13 (наприклад, повітряним демпфером), який одним кінцем шарнірно закріплений відносно верхнього опорного 2 UA 98529 U 5 10 15 тареля 2, а другим кінцем - відносно нижнього опорного тареля 3 або фундаментної плити 12. Корпус 14 споруди обпирається на верхній опорний таріль 2. Тут корпус 14 споруди об'єднаний із нижньою опорною плитою, яка не показана. Для прикладу 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 корисної моделі в динаміці (фіг. 2). Всі інші сейсмоопори будуть функціонувати аналогічно. Нехай на фундамент 12 споруди діє горизонтальне кінематичне збурення (сейсмозбурення) у вигляді періодичних хвиль за законом x0(t)=А0sin(pt). Це збурення вносить у динамічну систему "корпус споруди - сейсмоопори - фундамент споруди" деяку вхідну кінетичну енергію, яку за рахунок роботи всіх сейсмоопор потрібно погасити (розсіяти). Не звужуючи рамок подальших міркувань припустимо, що вся маса М корпусу 14 споруди разом із нижньою опорною плитою розподілена рівномірно між n сейсмоопорами і являє собою п зосереджених і жорстко зв'язаних між собою мас. При цьому на одну сейсмоопору припадає відповідно n-на частина загальної маси М корпусу споруди, яка складає величину 20 частину загальної маси корпусу 14 споруди ми і будемо ототожнювати зі всією масою М корпусу 14 споруди через те, що їхня динамічна поведінка буде однаковою. Отже, під дією переміщення x0(t) (фіг. 2) фундаментна плита 12 разом із корпусом споруди починає здійснювати коливальні рухи в горизонтальній площині як єдина маса М з деяким прискоренням, яке дорівнює  0 t    A 0 p 2 sinpt  . Зазначимо, що на цьому відрізку часу x бочкоподібне тіло кочення 7 ще знаходиться у вертикальному положенні рівноваги (фіг. 1). Такий об'єднаний коливальний процес буде відбуватись до досягнення фундаментом прискорення деякого порогового рівня 25 30 35 40 45 50 55 m  M . З динамічної точки зору цю n-у n  0 t   nop , величина  nop якого була математично x x x обґрунтована в описі для прототипу. Отже, динамічна поведінка запропонованого пристрою та прототипу на цьому відрізку часу співпадає. Відмінність динамічної картини починається після досягнення і перевищення прискоренням фундаменту зазначеного порогового рівня  nop . x Взаємні рухи корпусу 14 споруди відносно фундаменту 12 (як двох різних, але зв'язаних сейсмоопорою тіл) почнуться тоді, коли виникнуть кутові переміщення бочкоподібного тіла кочення 7. На фіг. 2 показано деяке проміжне положення сейсмоопори в динаміці, коли бочкоподібне тіло кочення 7 починає котитись по криволінійних частинах робочих виїмок 4 і 5, вистелених деформівним гнучким матеріалом 6 з підвищеним коефіцієнтом тертя. Під час цієї, другої фази руху опори, в місцях контакту тіла кочення 7 та робочих виїмок 4 і 5, на противагу прототипу, виникають скінченні області деформації із сферичними заглибленнями у деформівному матеріалі 6. Вони щільно, в діаметрально протилежних місцях, охоплюють тіло кочення 7, не даючи йому проковзувати за рахунок підвищеного коефіцієнта тертя ковзання між ним та деформівним гнучким матеріалом 6 з обох сторін (фіг. 2). Таким чином, через те, що рух тіла кочення 7 здійснюється без проковзування, то по закінченню процесу сейсмозбурення тіло кочення 7 повертається у вихідне положення разом зі всіма елементами пристрою. Це знімає питання про аварійні ситуації, які були би можливі у прототипі у випадку неповернення сейсмоопори у вихідне положення та точкового контакту його тіла кочення 7. Позитивною і корисною властивістю нової ознаки запропонованого пристрою є й те, що значна частина вхідної енергії сейсмозбудження неконсервативно витрачається на подолання сили тертя кочення, яка виникає в зазначених місцях контакту. Цей процес підсилює демпфірувальні властивості запропонованого пристрою, що дозволяє значно зменшити час на повне поглинання енергії вхідного сейсмозбудження. У прототипу на цій стадії руху бочкоподібне тіло 7 контактує з робочими виїмками 4 і 5 тільки в двох точках, що при значних навантаженнях руйнує їхні поверхні. Крім того, демпфірування вимушених коливань споруди 14 в прототипі здійснюється на довшому часовому відрізку і тільки за рахунок роботи демпферів 13, бо сила тертя кочення в цьому разі майже дорівнює нулю. З механічної точки зору повна вхідна кінетична енергія сейсмозбурення в запропонованому пристрої витрачається на три різних частини: перша (консервативна) - на піднімання корпусу 14 споруди із масою М на деяку висоту А (потенціальна енергія); друга (неконсервативна) - на безповоротне поглинання енергії повітряними демпферами 13; третя (неконсервативна) - на безповоротне розсіювання енергії в деформівному матеріалі, яким вистелені вгнуті робочі виїмки 4 і 5 опорних тарелів 2 і 3. 3 UA 98529 U 5 Таким чином, запропонована ознака нового пристрою дозволяє отримати очікуваний технічний результат: за рахунок суттєвого збільшення площі контактних областей між тілом кочення та вгнутими робочими виїмками верхнього та нижнього опорних тарелів кожної сейсмоопори забезпечується надійне повернення бочкоподібних тіл кочення і пристрою в цілому у вихідне до сейсмозбурення положення при одночасному запобіганні аварійних ситуацій в роботі пристрою. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 Котковий 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 з'єднані між собою, регульованими демпфірувальними елементами, верхній і нижній опорні тарелі із вгнутими робочими виїмками, оберненими симетрично одна до одної відносно горизонтальної площини, та розміщені між ними бочкоподібні тіла кочення із горизонтальними верхнім і нижнім опорними кругами, причому нижній горизонтальний опорний круг кожного бочкоподібного тіла кочення обпирається на відповідний горизонтальний опорний круг такого ж діаметра, виконаний на нижньому опорному тарелі, а на верхній опорний круг кожного бочкоподібного тіла кочення обпирається відповідний горизонтальний опорний круг такого ж діаметра, виконаний на верхньому опорному тарелі, який відрізняється тим, що вгнуті робочі виїмки всіх верхніх і нижніх опорних тарелів вистелені деформівним гнучким матеріалом з підвищеним коефіцієнтом тертя ковзання. 4 UA 98529 U 5 UA 98529 U Комп’ютерна верстка Г.Паяльніков 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