Сейсмоизоляция сооружений

Кучеренко была разработана конструкция зданий с выключающимися связями, а совместно с Герсеванова - систем с включающимися связями (упорами). Разработана методика расчета зданий на сейсмические воздействия, в том числе с использованием инструментально зарегистрированных и синтезированных акселерограмм. Система сейсмической защиты с выключающимися связями названа адаптивной и предназначена для снижения инерционных нагрузок в здании, возникающих при сейсмическом воздействии.

Системы с выключающимися связями

Такие системы относятся к классу нестационарных динамических систем, т. е. таких систем, которые в процессе колебаний под действием динамических нагрузок могут менять свои характеристики во времени, причем эти изменения являются необратимыми. Изменения динамических характеристик системы происходят за счет разрушения выключающихся связей при достижении некоторого порогового уровня амплитуд колебания системы. В качестве выключающихся связей применяются как специальные резервные элементы, так и отдельные несущие конструкции (рис. 14).

Система с выключающимися связями применима в основном для зданий с жесткой конструктивной схемой, имеющих первый гибкий этаж. Это связано с тем, что необходимым условием эффективной работы этой системы является значительное снижение жесткости несущих конструкций здания в конце землетрясения в сравнении с начальной жесткостью системы до землетрясения. Учитывая, что трудно практически реализовать конструкцию здания с периодом собственных колебаний более 2—3 с, можно сказать, что системы с выключающимися связями применимы для зданий с периодом собственных колебаний не более 0,5-0,7 с.

Сейсмозащита зданий с выключающимися связями наиболее эффективна и может применяться в районах, где наиболее вероятны землетрясения с преобладанием высокочастотных составляющих. Она нашла уже сравнительно широкое практическое применение, в частности на трассе БАМ, где город Северобайкальск в значительной степени застраивается зданиями по типовому проекту 122 серии с выключающимися связями. Однако данной системе присущи и некоторые недостатки. Так, после разрушения выключающихся связей во время землетрясения необходимо немедленное их восстановление, что не всегда практически осуществимо. Кроме того, известно, что в некоторых случаях в процессе землетрясения в его заключительной стадии происходит снижение доминантной частоты и в связи с этим имеется возможность вторичного совпадения собственной частоты здания (с уже разрушенными в начальной стадии землетрясения выключающимися связями) с доминантной частотой землетрясения, что может привести к потери несущей способности конструкций здания. Избежать последнего можно в случае применения системы с выключающимися связями и упорами - ограничителями горизонтальных перемещений.

 

 

 

Системы с включающимися связями

Эти системы относятся к классу нелинейных динамических систем с жесткой характеристикой. В отличие от систем с выключающимися связями, в системах с включающимися связями не происходит разрушения связей, и нет необходимости их восстанавливать после землетрясения. Здание с включающимися связями проектируется таким образом, чтобы оно имело низкую частоту собственных колебаний. При землетрясении в случае возникновения значительных перемещений основных несущих конструкций здания происходит включение связей, что приводит к существенному изменению жесткости системы и к увеличению "мгновенной" частоты собственных колебаний здания, в результате чего здание "уходит" от опасного для него резонансного режима колебаний. Выполнить условие низкой частоты собственных колебаний системы можно практически для здания любой этажности. Для многоэтажного каркасного здания это условие выполняется автоматически, для здания малой этажности с жесткой конструктивной схемой следует применять гибкий первый этаж.

Осуществлять сейсмозащиту зданий с помощью включающихся связей целесообразно в районах, где возможно возникновение землетрясений как высокочастотных, так и низкочастотных. Достоинство системы с включающимися связями заключается в том, что она работает с полной нагрузкой лишь при землетрясениях, имеющих значительные ускорения на низких частотах, а такие землетрясения бывают довольно редко. При достаточно часто возникающих высокочастотных землетрясениях система с включающимися связями сохраняет все преимущества систем с сейсмоизоляцией. К недостатку системы с включающимися связями следует отнести возможность возникновения значительных усилий в конструкциях включающихся связей. Эффективность и надежность систем с включающими и выключающимися связями можно существенно повысить в случаи их совместного применения.

В качестве примера опоры с включающимися и выключающимися связями, можно привести конструкцию, являющуюся в период между землетрясениями неподвижной пространственно - жесткой, а при землетрясении - податливой. Конструкция состоит из жесткого стального разборного цилиндрического кожуха, внутри которого помещена многослойная резинометаллическая опора (рис.14). При сейсмическом воздействии запорное устройство кожуха ослабевает или разрушается (т.е. жесткие связи выключаются), верхняя часть кожуха опускается и опирается на резинометаллическую опору (т.е. в работу включается резинометаллическая опора). 

Рисунок 14. - Конструктивная схема

Демпфирующее устройство

Демпфирующее устройство состоит из корпуса и установленных в нем разделенных между собой перегородок, в которых в шахматном порядке размещены малого диаметра отверстия. Демпфирующее устройство обеспечивает снижение пульсаций измеряемой среды. Предохраняет чувствительные элементы измерительных приборов от гидравлических ударов.

Системы с вязкими демпферами

Наиболее простым и эффективным способом уменьшения амплитуды колебания здания при землетрясении могло бы быть использование вязких демпферов промышленного изготовления. Демпфер состоит из цилиндрического корпуса, в который с определенным зазором помещен поршень. Демпфирующая жидкость состоит из двух компонентов, один из которых имеет большую вязкость, но малый удельный вес (например , полиметилсилоксановая жидкость), другой — малую вязкость, но больший удельный вес (вода). Рассеивание энергии происходит как при движении поршня в вертикальном направлении, так и при движении в горизонтальном. Но такие демпферы довольно дороги, и в них используется дефицитная вязкая жидкость. Кроме того, они требуют периодической проверки в процессе эксплуатации. В связи с этим в практике сейсмостойкого строительства в нашей стране они не нашли практического применения. За рубежом вязкие демпферы нашли применение в системе сейсмоизоляции, применяемой фирмой GERB (ФРГ) для реакторов атомных электростанций

Распространение получили также вязкожидкостные демпферы, используемые для виброизоляции машин. К их достоинствам относится возможность значительного увеличения затухания без повышения жесткости и массы конструкций. Демпфирующая сила возникает при относительном движении статора и ротора благодаря повышенной вязкости заполняющей полиметилсиликоновой жидкости. Они особенно эффективны для подавления резонансных колебаний.

Разработана и применяется система многокомпонентной вибро – и сейсмозащиты (система GERB), представляющая собой пружинные виброизоляторы с поршневыми демпферами вязкого трения типа VES (рис. 15). В жилищном строительстве эта система вибро - и сейсмозащиты получила массовое применение (в настоящее время более 100 жилых зданий снабжены этой системой). Преимуществом системы является то, что она позволяет снизить реакцию сооружения, как на горизонтальный, так и вертикальный компонент сейсмического воздействия. Ускорения сейсмоизолированного здания снижаются в 8 раз.

            Рисунок.15 – Конструктивная схема пружинного виброизолятора системы GERB

В Японии разработана конструкция демпфера, состоящего из четырех подвижных пластин и двух круглых вращающихся дисков (рис.16). Между дисками уложены резиновые прокладки и слой материала повышенной вязкости. Демпфер устанавливается в месте пересечения диагональных связей каркасов.

                              Рисунок 16. – Схема демпфера вязкого  типа (Япония):

Принцип работы демпфера следующий: при поступательном перемещении в разные стороны угловых точек демпфера круглые диски начинают совершать вращательные движения. При этом в слое материала, расположенном между дисками, возникают силы вязкого трения, гасящие сейсмические колебания. При повороте дисков в упругой резиновой прокладке возникает восстанавливающая сила, и демпфер стремиться восстановить форму. Преимущества демпферов такого типа - возможность задавать и регулировать их жесткость, деформации, а также степень гашения колебаний.

Системы с демпферами сухого трения

Основным конструктивным решением таких систем, названных свайными фундаментами, имеющих повышенную диссипацию, является свайный фундамент с высоким ростверком, сопряжение которого со сваями осуществляется шарнирно.

В целях обеспечения требуемой степени демпфирования горизонтальных сейсмических воздействий свайные фундаменты с высоким ростверком модифицированы путем введения элементов сухого трения — наклонных и горизонтальных свай (рис.17), дисковых демпферов (рис. 18) и других ограничителей колебаний (рис. 19). Демпфирование здания с жесткой конструктивной схемой на свайных фундаментах физически основано на том, что часть сейсмической энергии, передаваемой основанием, будет расходоваться на преодоление силы сухого трения в демпфере. В связи с этим доля энергии, затрачиваемая на деформацию несущих элементов здания, уменьшается. Повышение диссипации энергии происходит за счет демпфера сухого трения, энергоемкость которого практически неограниченна.

                                               

                                           Рисунок 17. -  Конструктивная схема

 

Получены количественные данные об особенностях работы зданий на сейсмоизолирующих свайных фундаментах (ССФ) с демпфером, сухого трения (ДСТ) при сейсмических движениях основания. Показано, что применение ССФ и ДСТ обеспечивает значительное снижение сейсмических нагрузок на надземную часть зданий, а также величины относительных перемещений. При этом установлено, что:

- снижение нагрузки для  зданий с периодом собственных  колебаний Т<0,4 с было значительней, чем снижение максимальных значений  относительного перемещения;

- для зданий с Т>0,6 с, наоборот, снижение максимальных  значений относительного перемещения  более значительно, чем нагрузки. Показано, что для систем на  ССФ с ДСТ, имеющих период собственных  колебаний Т = 0,8 и Т = 0,9 с, снижение  инерционной нагрузки на надфундаментные  конструкции по сравнению с  ленточными и свайными фундаментами  без ДСТ составляет 2—3 раза. Эффективность  сейсмоизоляции для этих систем  при величине силы сухого трения  в ДСТ, равной 0,15 M (М – масса  надфундаментной части здания).

                                 Рисунок 18. – Конструктивная схема

                           

                                  Рисунок 19. – Конструктивная схема

Проведенный анализ влияния величины силы сухого трения в ДСТ и жесткости систем на величину относительного перемещения надфундаментной части здания и инерционной нагрузки позволил установить рациональное сочетание значений силы сухого трения и жесткости системы, при котором достигается наибольшее снижение инерционной нагрузки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Системы с гасителями колебаний

Гасители колебаний относятся к специальным устройствам, применяемым для снижения уровня вибраций защищаемой конструкции. При работе гасителя энергия колебаний защищаемой конструкции передается гасителю, который благодаря этому колеблется с повышенной амплитудой. Применяются в строительстве для снижения колебаний сооружений, подверженных динамическим воздействиям от технологического оборудования и ветра.

Гасители колебаний бывают активного и пассивного типа. Применение активного гасителя позволяет добиться максимального эффекта в снижении колебаний, однако конструкция такого гасителя обладает определенной сложностью, дорога и ненадежна в эксплуатации. По этим причинам гасители активного типа не нашли применения в практике строительства. В будущем при разработке более простых и надежных конструкций активного гасителя, а также при возрастании культуры строительного производства такой тип гасителя, возможно, получит право на внедрение в практику строительства. В настоящее время более экономичным является применение в строительстве гасителей пассивного типа, обладающих свойствами автономности и относительной безотказности в работе.

По характеру взаимодействия гасителя с защищаемой конструкцией различают ударные и динамические гасители колебаний.

 

Ударные гасители колебаний

Теория ударных гасителей (рис. 20) разработана достаточно полно. Для виброзащиты сооружений ударные гасители колебаний нашли применение сравнительно давно. Простота устройства и надежность в эксплуатации делают эти гасители удобными для применения в башенных сооружениях.

                                                   Рисунок 20. – Схемы ударных гасителей

 

 

Динамические гасители колебаний

Динамические гасители колебаний широко используются в практике виброзащиты сооружений. Особенность системы сейсмозащиты - введение дополнительной массы, соединяемой с несущими конструкциями упругими связями и демпфирующими элементами. В случае совпадения основного периода собственных колебаний здания с одним из преобладающих периодов сейсмического воздействия, масса гасителя начинает совершать колебания с амплитудами, значительно превышающими амплитуды, колебаний здания. Возникающие при этом упругие и диссипативные силы в элементах гасителя, воздействуя на здания, уменьшают амплитуды его колебаний. Снижение расчетных сейсмических нагрузок путем применения динамических гасителей составляет 20-30 %, при этом повышается надежность работы конструкций, уровень комфортности людей в помещениях.