Антисейсмические демпфирующие стержни Кагановского

В мировой практике строительства идет поиск новых эффективных конструктивных решений укрепления зданий и сооружений при землетрясениях. Разработаны новые конструктивные решения антисейсмических демпфирующих стержней С1 и С2. Демпфирование в стержнях происходит за счет сухого трения, при котором кинетическая энергия превращается в тепловую энергию.

Антисейсмические демпфирующие стержни могут быть использованы:

• 1.    При строительстве зданий и сооружений в районах с повышенной сейсмичностью.

• 2.    В высотных зданиях и сооружениях, подверженных воздействию ветровых нагрузок.

• 3.    Для крепления эксплуатируемого оборудования и агрегатов электростанций, в том числе атомных, от сейсмических нагрузок и взрывов.

• 4.    Для крепления контейнеров при морских перевозках.

• 5.    Для крепления оборудования и агрегатов морских кораблей при продольной и поперечной качке.

• 6.    Для крепления рекламных щитов от ветровой нагрузки.

• 7.    В существующих и вновь проектируемых зданиях и сооружениях с металлическим и железобетонным каркасами.

В мировой практике строительства идет поиск новых эффективных конструктивных решений укрепления зданий и сооружений при землетрясениях. В настоящее время для противодействия сейсмическим нагрузкам в строительстве широко применяются антисейсмические демпфирующие стержни (связи) фирмы STAR SEISMIC [1]. Эти стержни состоят из стального кожуха прямоугольного поперечного сечения, заполненного бетоном (рис. 1 и рис. 2). По продольной оси в бетоне имеется сквозное отверстие, в котором свободно расположен сердечник в виде стальной полосы. По торцам стержня расположены манжеты, соединенные сваркой с сердечником. При этом кожух может свободно перемещаться относительно торцевых манжет. Эти манжеты обеспечивают шарнирное или сварное крепление к колоннам. От воздействия сейсмической знакопеременной нагрузки в стержнях возникают переменные усилия сжатия и растяжения. В процессе растяжения происходит упругая деформация стали сердечника, ограниченная напряжением до придела пропорциональности. При этом, например, для низколегированной стали относительное удлинение равно 0,1 процента, для стержня длиной 10 м удлинение сердечника равно 10 мм. При удлинении сердечника происходит демпфирование (поглощение энергии) за счет превращения кинетической энергии в тепловую энергию. При сжатии сердечник, изгибаясь, контактирует с бетоном. При этом продольную устойчивость стержня обеспечивает кожух. В таком конструктивном решении в стержне происходит ограниченное пределом пропорциональности и соответственно с небольшим удлинением малоэффективное демпфирование за счет упругой деформации сердечника при повышенной материалоемкости и сложности изготовления стержня.

Автором статьи разработаны новые конструктивные решения антисейсмических демпфирующих стержней С1 и С2, в которых за счет применения других элементов и их взаимодействия достигается более эффективное демпфирование путем сухого трения элементов стержней, а также снижения материалоемкости и повышения технологичности изготовления (рис. 1).

Стержень С1 [2] состоит из двух трубчатых ветвей прямоугольного поперечного сечения, расположенных параллельно определенному зазору. Эти ветви шарнирно соединены поперечными листовыми пластинами через шайбы, приваренные к ветвям стержня. В каждой шайбе имеется резьбовое отверстие для болта, а в листовой пластине два отверстия, через которые проходят болты. Между шайбой и пластиной может быть установлена фрикционная прокладка. Пластины устанавливаются в двух противоположных поверхностях стержня. Такое податливое болтовое соединение, в котором внешние усилия сжатия или растяжения воспринимаются вследствие сопротивления сил трения, возникает по контактным плоскостям соединяемых элементов от предварительного натяжения болтов. Каждая ветвь одним противоположным концом крепится шарнирно к защищаемым

Доклады независимых авторов 2017 выпуск 39 объектам. Такое конструктивное решение способствует плавному переходу силового потока от ветви к шарниру без концентрации напряжения.

Демпфирование в стержне происходит за счет сухого трения между листовыми пластинами и шайбами через фрикционные прокладки, соединенные болтами, обеспечивающими упругую податливость при повороте пластин. Зазор между ветвями стержня определяется возможной величиной амплитуды колебания объекта. Количество устанавливаемых листовых пластин определяется необходимым уровнем демпфирования. Исходное рабочее положение пластин – под прямым углом к продольной оси стержня.

От знакопеременных усилий, воздействующих на стержень, происходит взаимное продольное смещение ее ветвей до продольного соприкосновения их граней. При этом пластины от силы сжатия в стержне поворачивается в одну, а от растяжения в противоположную сторону. При сухом трении соприкасающихся поверхностей шайб с листовыми пластинами происходит демпфирование, то есть превращение кинетической энергии в тепловую энергию. Натяжение между трущимися частями регулируется высокопрочными болтами. Продольная устойчивость стержня при сжатии обеспечивается совместной жесткостью двух трубчатых ветвей.

Стержень С2 (рис. 3 и рис. 4) представляет собой трехгранную пространственную призматическую решетчатую конструкцию, состоящую из пересекающихся пластинчатых стержней, шарнирно соединенных между собой узловыми элементами. Узловой элемент состоит из отрезков толстолистовой стали, к которым под углом 60 градусов приварены фасонки с отверстиями для болтов шарнирного соединения пластинчатых стержней. В крайних противоположных панелях стержня находятся три трубчатых подкоса, которые расположены в плоскостях, проходящих через биссектрисы углов смежных граней стержня. Они сходятся в торцах стержня и шарнирно крепятся защищаемым объектам. На рис. 3 длина стержня С2 - 12,0 метров принята условно.

За счет большого количества мест трения пластинчатых стержней и необходимого количества стержней С1 и С2 происходит значительное поглощение и рассеивание энергии. Причем демпфирование происходит как при сжатии, так и при растяжении. При этом снижается сейсмическая нагрузка и амплитуда колебания, что, в свою очередь, снижает материалоемкость (металлоемкость) и общую стоимость зданий и сооружений, обеспечивая их защиту при землетрясениях. Стержни С1 и С2 устанавливаются наклонно между колоннами и стойками металлических и железобетонных каркасов зданий или сооружений, причем верхнее крепление стержня может быть к средней части балки перекрытия (рис. 4). Антисейсмические демпфирующие стержни С1 и С2 технологичны в изготовлении и монтаже.

Антисейсмические демпфирующие стержни С1 и С2 могут быть использованы:

• 1.    При строительства зданий и сооружений в районах с повышенной сейсмичностью.

• 2.    В высотных зданиях и сооружениях, подверженных воздействию ветровых нагрузок.

• 3.    Для крепления эксплуатируемого оборудования и агрегатов электростанций, в том числе атомных, от сейсмических нагрузок и взрывов.

• 4.    Для крепления контейнеров при морских перевозках.

• 5.    Для крепления оборудования и агрегатов морских кораблей при продольной и поперечной качке.

• 6.    Для крепления рекламных щитов от ветровой нагрузки.

• 7.    В существующих и вновь проектируемых зданиях и сооружениях с металлическим и железобетонном каркасами.