1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Иркутский национальный исследовательский технический университет

Активные системы сейсмозащиты

Д.М. Никитина, В.В. Семенов

Аннотации

Рис.2. Сейсмоизолирующий фундамент с подвесными опорами

1.3 Системы с кинематическими опорами.

Опоры качения как средства сейсмоизоляции (рис.3) в практике сейсмостойкого строительства встречаются довольно редко. Основной причиной является недостаточная изученность поведения систем такого рода при сейсмических воздействиях. При землетрясении с доминантным периодом более 1 с здание с кинематическими опорами может получить значительные смещения, при которых может произойти потеря устойчивости всего сооружения и его полное обрушение. Таким образом, такая система сейсмоизоляции может применяться только в районах, для которых прогнозируются высокочастотные землетрясения и исключается возможность появления низкочастотных землетрясений. В остальных случаях сейсмоизоляция с кинематическими опорами может применяться только с дополнительными средствами сейсмозащиты, ограничивающими горизонтальные смещения [7].

Рис.3. Кинематические опоры для сейсмоизоляции зданий

1.4 Системы со скользящими опорами.

Можно существенно снизить горизонтальные нагрузки, передаваемые на несущие надземные конструкции здания, если обеспечить возможность их проскальзывания относительно фундамента. Часть энергии, сообщаемая сооружению, затрачивается при этом не на преодоление сопротивления связей в конструкции, а на преодоление сил трения скольжения.

Сейсмоизолирующий скользящий пояс (рис.4) выполняется в виде ряда опор, расположенных между фундаментом здания и надземными конструкциями, как правило, в местах пересечения продольных и поперечных стен. Каждая опора имеет две пластины - из нержавеющей стали и фторопласта-4. Преимущества фторопласта - плотность 2,12-2,28 г/см³, предел прочности на сжатие 2 МПа, предел прочности на растяжение 14-25 МПа, модуль упругости при сжатиях 700 МПа, относительное удлинение при разрыве 250-500 %. Фторопласт нетеплопроводен, сохраняет работоспособность в интервале температур от - 269 до +260°С, не поглощает воду, химически стоек к кислотам, щелочам и органическим растворителям, не горит, стоек к воздействию грибков и бактерий, отлично подвергается механической обработке, обладает высоким электрическим сопротивлением, практически не стареет). Благодаря низкому коэффициенту трения скольжения в опорах (f = 0,05-0,1) при превышении инерционными нагрузками определенного уровня здание начинает проскальзывать относительно фундамента.

Рис.4. Схема элементов сейсмоизолирующего скользящего пояса

2. Адаптивные системы.

Эти системы получили распространение в практике сейсмостойкого строительства. Динамические характеристики сооружения в таких системах "приспосабливаются" к сейсмическому воздействию и в процессе землетрясения необратимо меняются.

2.1 Системы с выключающимися связями.

Такие системы относятся к классу нестационарных динамических систем (рис.5). Применение выключающихся связей наиболее эффективно в том случае, когда уверенно прогнозируется частотный состав ожидаемого сейсмического воздействия. В качестве недостатков необходимо отметить, что после разрушения выключающихся связей во время землетрясения необходимо их восстановление, что не всегда осуществимо. Кроме того, как известно, в некоторых случаях в процессе землетрясения в его заключительной стадии происходит снижение преобладающей частоты воздействия. Вследствие этого возможно возникновение вторичного резонанса и потеря несущей способности конструкций здания.

Рис.5. Сейсмозащита здания с помощью выключающихся связей

2.2 Системы с включающимися связями.

Эти системы относятся к классу нелинейных динамических систем с жесткой характеристикой (рис.6). 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. Выполнение условия низкой частоты собственных колебаний системы возможно для сооружения практически любой этажности. Для многоэтажного каркасного здания это условие выполняется автоматически, для здания малой этажности с жесткой конструктивной схемой следует применять систему гибкого первого этажа [8].

Рис.6. Сейсмозащита здания с помощью включающихся связей

Эффективность и надежность систем с включающимися и выключающимися связями можно существенно повысить в случае их совместного применения. Такой же результат можно получить и при одновременном использовании системы с включающимися связями и динамического гасителя колебаний, позволяющего существенно снизить инерционную нагрузку на конструкции включающихся связей.

3. Системы с повышенным демпфированием.

К мерам активной сейсмозащиты зданий можно отнести создание систем с повышенным демпфированием в несущих конструкциях. Известно, что чем больше затухание в основной конструкции, тем меньше реакция системы при одном и том же воздействии. Поэтому совершенно естественным является желание некоторых проектировщиков создать конструкции с повышенным рассеянием энергии при их колебаниях.

3.1 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 используются в системе сейсмоизоляции, применяемой фирмой GERB (ФРГ) для реакторов атомных электростанций.

3.2 Системы с демпферами сухого трения.

Основным конструктивным решением таких систем 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, дисковых демпферов и других ограничителей колебаний. 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 не ограничена. 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.

Рис. 7. Наклонные и горизонтальные связи с элементами сухого трения

При этом установлено, что:

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

для зданий с периодом собственных колебаний больше 0,6 с, наоборот, снижение максимальных значений относительного перемещения более значительно, чем нагрузки [7].

3.3 Системы с элементами повышенной пластической деформации.

Энергопоглотители способны поглощать энергию сейсмических воздействий за счет развития в материале конструкций неупругих деформаций. Такие поглотители проектируются в узлах конструкций с наиболее вероятным возникновением зон пластических деформаций. Достоинство поглотителей в их небольших размерах, возможности использования в зданиях различных конструктивных схем и легкой замене в случае необходимости.

Основным элементом поглотителей могут служить стальные балки (рис.8), которые при пластических деформациях способны поглощать значительное количество энергии. Испытание таких поглотителей показало, что продолжительность их эффективной работы достигает от 70 до нескольких сотен циклов. Это ограничивает срок их службы одним-двумя землетрясениями.

Рис. 8. Поглотители колебаний балочного типа

4. 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. Данные устройства применяются в строительстве для снижения колебаний сооружений, подверженных динамическим воздействиям от технологического оборудования и ветра. Гасители бывают активного и пассивного типов. Применение активного гасителя позволяет добиться максимального эффекта в снижении колебаний, однако его конструкция 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 в строительстве является применение гасителей пассивного типа, обладающих свойствами автономности и относительной безотказности в работе [9].

По характеру взаимодействия гасителя с защищаемой конструкцией различают системы с ударными и динамическими гасителями.

4.1 Системы с ударными гасителями.

Теория ударных гасителей (рис.9) разработана достаточно полно. Для виброзащиты сооружений ударные гасители колебаний нашли применение сравнительно давно. Простота устройства и надежность в эксплуатации делают их удобными для использования в башенных сооружениях.

Рис. 9. Схемы ударных гасителей колебаний плавающего (1), маятникового (2) и пружинного (3) типов

4.2 Системы с динамическими гасителями.

Динамические гасители колебаний широко используются в практике виброзащиты сооружений (рис.10). Они применяются в высотных сооружениях типа мачт, башен, вытяжных и домовых труб, а также в конструкциях большепролетных мостов для уменьшения амплитуд их колебаний при ветровом или сейсмическом воздействии. Динамические гасители могут использоваться как самостоятельная система сейсмозащиты, так и в сочетании с другими системами активной сейсмозащиты. В первом случае гасители колебаний рекомендуется применять преимущественно для зданий с расчетной сейсмичностью 7 баллов. Особенность данной 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 [10].

Рис.10. Схемы динамических гасителей колебаний пружинного (1), маятникового (2) и комбинированного (3) типов

К недостаткам сейсмозащиты зданий с помощью динамических гасителей следует отнести относительную сложность конструкций гасителей колебаний и невозможность их применения для массового строительства из-за необходимости индивидуальной настройки гасителя для каждого конкретного здания.

Выбор той или иной системы сейсмозащиты, а также ее расчет и конструирование должны производиться на основе анализа, сравнения, обоснования с учетом назначения и конструктивного решения сооружения. На стадии проектирования необходимо выполнять пространственный расчет зданий минимум по двум вычислительным комплексам с применением вариации расчетных моделей для исключения возможности ошибок из-за накопления математических погрешностей во время расчета.

Как показывает практика, перспективным является совместное применение различных систем сейсмозащиты, так называемых комбинированных систем, что позволяет сочетать их достоинства и уменьшить влияние неблагоприятных свойств, присущих каждой из отдельных систем. Наиболее эффективные результаты могут быть достигнуты с привлечением специализированных научных организаций.

В заключение заметим, что в тех случаях, когда возможны землетрясения со значительными вертикальными ускорениями, проектирование систем активной сейсмозащиты необходимо вести с учетом как горизонтальных, так и вертикальных колебаний.

Библиографический список