К использованию торсионных энергопоглотителей для сейсмозащиты сооружений

К  использованию торсионных энергопоглотителей для сейсмозащиты сооружений

, ,

Для сейсмозащиты сооружений, как правило, используются следующие основные группы: системы, реализующие принципы сейсмоизоляции; адаптивные системы с изменяющимися характеристи­ками; системы с повышенным демпфированием; системы с га­сителями колебаний.

Основная идея сейсмозащиты состоит в снижении сейсмической реакции сооружений и имеет определенную область применения, за­висящую от основной конструкции объекта, его функционирования и назначения.

К мерам активной сейсмозащиты сооружений можно отнести со­здание систем с повышенным демпфированием в несущих кон­струкциях. Известно, чем больше затухание в основной конст­рукции, тем меньше реакция системы при одном и том же воз­действии. Поэтому наиболее эффективными будут системы сейсмозащиты  с повы­шенным рассеянием энергии при их колебаниях.

В настоящее время активно развивается направление сейсмозащиты, связанное с использованием специальных уст­ройств, так называемых энергопоглотителей, принцип действия которых основан на рассеивании энергии за счет процессов пластического кручения. Такие поглоти­тели проектируются в узлах конструкций с наиболее вероятным возникновением зон пластических деформаций [1]. Достоинством таких поглотителей является то, что они имеют небольшие размеры, возможность использования в сооружениях различных кон­структивных схем и возможность легкой замены в случае необ­ходимости.

Существующие энергопоглощающие устройства (ЭПУ), различаются как по конструктивному выполнению рабочих элементов так и по способу их деформирования.

Наиболее перспективными с точки зрения энергоемкости являются ЭПУ, у которых пластическая деформация, а, следовательно, и диссипация энергии, происходит по всему объему рабочего элемента. Конструкция таких ЭПУ может быть весьма технологична [2,4,5] .

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

Целесообразность применения того или иного вида деформации (изгиб, растяжение, сжатие, кручение), а, следовательно, той или иной формы ЭПУ при изготовлении их из стержней, можно оценить, сравнивая величины предельной энергоемкости, которая у одного и того же материала неодинакова при различных видах деформирования. Далее рассмотрим деформацию кручения.

В общем виде энергоемкость стержня определяется полной работой пластической деформации при нагружении его от предела текучести до предела прочности [6]:

  .

Интегралы берутся по пути деформирования.

Представим диаграмму деформирования до предела прочности в виде:

Рис. 1. Диаграмма деформирования до предела прочности

Тогда работа пластической деформации, определяющая энергоемкость стержня, находится по формуле: , 

где  –  момент, соответствующий пределу текучести материала стержня;

  –  момент, соответствующий пределу прочности материала стержня;

  φmax  -  угол закручивания, при котором происходит разрушение стержня;

Обозначая  , получим:

  Aкр = Mср ⋅ φmax = τср ⋅ ,

где  l, d –  длина и диаметр стержня (рабочего элемента);

  γmax –  угол закручивания, при котором происходит разрушение стержня. 

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

акр = 0,5⋅τср ⋅ γmax.

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, определяется площадью под частью кривой М = ƒ(), 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 .  Кд = Sд / Smax,

где Sд – площадь  под  кривой  деформирования,  полученная  при  экспериментальном

  исследовании ЭПУ. 

  Значения энергоемкости и коэффициента демпфирования, а также технологичность изготовления и сборки определяют эффективность конструкции.

На рис. 2 представлено простейшее техническое решение торсион­ного ЭПУ, которое может найти применение для защиты различ­ных объектов (опор мостов, линий электропередач, строений и т. п.), рас­положенных в зонах возможных ударных воздействий. Данное ЭПУ состоит из двух стержней 1 и двух рычагов 2, в которых неподвижные концы торсионов закреплены в фиксаторе 3.

Рис. 1. Пластический торсионный энергопоглощающий элемент

Литература:

1. и др. Рекомендации по расчету металлических рамных каркасов на сейсмические воздействия с учетом образования пластических шарниров. – М.: Стройиздат, 1974

2. , , Смирнов пластические амортизаторы. Учеб. Пособие.– Ростов-на-Дону: РВВКИУ РВ, 1985.

3. Поляков сильных землетрясений. – М.: Стройиздат, 1978.

4. и др. Амортизирующее устройство. Авт. свидетельство,

№ 000,1977.

  5. , , Стрежнев . Авт. свидетельство,

№ 000, 1988.

  6. Фридман свойства металлов. Учеб. пособие / .

-  М.: Машиностроение, 1974.