№3(59)
Сентябрь 2017
ISSN
1990-4126

English

«Архитектон: известия вузов» № 46 - Приложение Август 2014

Архитектура


 Захарова Кристина Вадимовна

студент.
Научный руководитель:
кандидат технических наук, доцент И.И. Смирнов.
ФГБОУ ВПО "Ростовский государственный строительный университет".
Ростов-на-Дону, Россия, e-mail: zkris8@mail.ru

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭНЕРГОПОГЛОТИТЕЛЕЙ ДЛЯ СЕЙСМОЗАЩИТЫ СООРУЖЕНИЙ


Ключевые слова: сейсмозащита сооружений, энергопоглотители


В настоящее время активные системы сейсмозащиты делят на следующие группы: системы, реализующие принципы сейсмоизоляции; адаптивные системы с изменяющимися характеристиками; системы с повышенным демпфированием; системы с гасителями колебаний.

Решая вопрос о применении сейсмозащиты, необходимо учитывать, что достаточно серьезные работы по исследованию активных систем сейсмозащиты необходимо еще продолжать.

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 естественно желание проектировщиков создать конструкции с повышенным рассеянием энергии при их колебаниях.

В последнее время активно развивается направление сейсмозащиты, связанное с использованием устройств, рабочие элементы которых работают в зоне пластических деформаций [1]. Достоинством таких поглотителей являются их небольшие размеры, возможность использования в зданиях различных конструктивных схем и возможность легкой замены в случае необходимости.

Анализ технической литературы и проведенные патентные исследования показывают, что в настоящее время предложено значительное количество энергопоглощающих устройств (ЭПУ), различающихся по конструктивному выполнению рабочих элементов и способу их деформирования на:

- ЭПУ с выдавливанием или волочением металла;
- ЭПУ, работающие по принципу металлорежущих инструментов;
- собственно пластические ЭПУ, в которых диссипация энергии происходит при пластической деформации металла по всему объему. При этом рабочие элементы могут растягиваться, сжиматься, изгибаться, скручиваться.

Наиболее перспективными с точки зрения энергоемкости являются ЭПУ третьего типа, у которых пластическая деформация, а, следовательно, и диссипация энергии происходит по всему объему рабочего элемента. Конструкция таких ЭПУ может быть весьма технологична.

В настоящее время в ЭПУ третьего типа используются:

- раздельное дорнование и обжатие трубы;
- совместное дорнование и обжатие трубы - деформирование оболочек или сплошных сред;
- растяжение или изгиб стержней.

Величина поглощаемой и рассеиваемой ЭПУ энергии ударного импульса будет зависеть от их формы, которая определяет вид пластической деформации рабочих элементов, составляющих конструкцию отдельного ЭПУ.

В общем виде энергоемкость стержня определяется полной работой пластической деформации при нагружении его от предела текучести до предела прочности [4]:

 (1)

Интегралы берутся по пути деформирования.

Величина удельного энергопоглощения, т. е. работа пластической деформации, отнесенная к единице объема рабочей части стержня, определяется по формулам:

- при растяжении

- при кручении

Экспериментальные исследования на стержнях, изготовленных из сталей 20 и 45, показали, что [2].

Отсюда:

 (2)

Если еще учесть, что относительное удлинение до начала образования шейки (равномерное удлинение) заметно меньше , то энергоемкость стержня при кручении окажется еще большей по сравнению с энергоемкостью при растяжении.

Качественно полученные результаты можно объяснить тем, что, согласно диаграмме механического состояния, деформация кручением является существенно более «мягким» процессом нагружения, чем растяжение (при кручении , а при растяжении  [2, 3]).

Кроме удельной энергоемкости, важнейшей характеристикой ЭПУ являются его демпфирующие свойства. Очевидно, что наиболее эффективным при прочих равных условиях является ЭПУ, у которого при равном ходе и равной максимальной нагрузке удельная работа деформации будет больше. Так как энергия, накопленная в единице объема материала, сжатого до деформации определяется площадью под частью кривой деформация–напряжение ограниченной величиной , то ее значение будет максимальным для прямоугольной диаграммы деформирования. Следовательно, демпфирующая способность ЭПУ может оцениваться отношением площади под кривой деформирования этого элемента Sд к площади под диаграммой деформирования, имеющей вид прямоугольника со сторонами  – при растяжении,  – при кручении, т. е.

 (3)

где  – при растяжении;

 – при кручении;

Sд – площадь под кривой деформирования, полученная при экспериментальном исследовании ЭПУ.

Коэффициенты демпфирования, рассчитанные по экспериментальным диаграммам деформирования, получились примерно равными:
Кд = 0,92 – при растяжении и Кд = 0,95 – при кручении [2, 4].

Установленные преимущества в энергоемкости и коэффициенте демпфирования, а также предполагаемая высокая технологичность изготовления и сборки позволяют сделать вывод, что форма ЭПУ активной сейсмозащиты зданий должна выбираться так, чтобы стержни, составляющие их конструкцию, испытывали в основном деформацию пластического кручения [5]. В этом случае энергоемкость устройств защиты будет максимальной при минимальном весе конструкции.

На рис. 1, 2 представлены простейшие технические решения торсионных ЭПУ, которые могут найти применение для защиты различных объектов (опор мостов, линий электропередач, строений и т. п.), рас-положенных в зонах возможных ударных воздействий. Данное ЭПУ (рис. 1) состоит из двух стержней 1 и двух рычагов 2, в которых неподвижные концы торсионов закреплены в фиксаторе 3.

Рис. 1. Пластический торсионный энергопоглощающий элемент

Для сейсмозащиты зданий целесообразно использовать ЭПУ, конструкция которого представлена на рис. 2. Это ЭПУ включает пластические торсионы 1, фиксатор 2 и рычаги 3.

Рассмотренные ЭПУ целесообразно использовать в зданиях, имеющих металлический каркас [3]. Для многоэтажных каркасно-панельных зданий можно рекомендовать фрикционные диафрагмы и демпферы сухого трения [6].

Рис. 2. Составной пластический торсионный энергопоглощающий элемент


Библиография

  1. Корчинский, И.Л. и др. Рекомендации по расчету металлических рамных каркасов на сейсмические воздействия с учетом образования пластических шарниров / И.Л. Корчинский. – М.: Стройиздат, 1974. – 59 с.
  2. Панов, Б.В., Семененко, Н.П., Смирнов И.И. Торсионные пластические амортизаторы: учеб. пособие / Б.В. Панов, Н.П. Семененко, И.И. Смирнов. – Ростов н/Д.: РВВКИУ РВ, 1985. – 53 с.
  3. Поляков, С.В. Последствия сильных землетрясений / С.В. Поляков. – М.: Стройиздат, 1978. – 311 с.
  4. Смирнов И.И. и др. Амортизирующее устройство: Авт. свидетельство, № 105321, 1977.
  5. Смирнов, И.И., Аксенов, И.В., Стрежнев, Е.А. Амортизатор. Авт. свидетельство, №1414971, 1988. – C. 3
  6. Фридман, Я.Б. Механические свойства металлов. Учеб. пособие / Я.Б. Фридман. – М.: Машиностроение, 1974. – 556 с.


ISSN 1990-4126  Регистрация СМИ эл. № ФС 77-70832 от 30.08.2017 © УрГАХУ, 2004-2017  © Архитектон, 2004-2017