Конструкции динамических гасителей колебаний, применяемые в сейсмостойком строительстве

В гл. 3 дано краткое описание трех основных групп динамических гасителей колебаний, разделяемых по конструктивному выполнению упругой связи. Рассмотрим более подробно некоторые конструкции гасителей, которые уже нашли практическое использование для снижения колебаний зданий и сооружений при ветровых и сейсмических нагрузках.

К первой группе относятся маятниковые гасители, получившие достаточно большое распространение как в нашей стране, так и за рубежом. Гасители этого типа рекомендуется применять в зданиях и сооружениях, период основного тона колебаний которых превышает 1 с.

Для эффективной работы гаситель колебаний должен иметь параметры, близкие к оптимальным. Оптимальная настройка в маятниковом гасителе обеспечивается за счет подбора длины подвески маятника. В качестве подвески, как правило, используются один или несколько многопрядевых тросов. В случае жесткого закрепления троса в точке подвеса частота колебания маятникового гасителя, с учетом действия в тросе растягивающего усилия N, может быть определена по формуле [68]

где l — длина подвески гасителя массой М; EI — изгибная жесткость троса, ? = 1(N/EI)^1/2.

Коэффициент поглощения энергии в таком гасителе может быть найден по формуле [85]

ще ?₀ - коэффициент поглощения энергии в тросе при изгибных деформациях.

Анализ выражения (5.25) показывает, что с увеличением растягивающего усилия в тросе затухание в гасителе уменьшается, а с увеличением изгибной жесткости троса соответственно увеличивается. Таким образом, для получения большего затухания в гасителе необходимо применять тросы с большим внутренним трением, а конструкция гасителя должна соответствовать как можно меньшей величине ?.

Проведенные в ЦНИИСКе испытания модели гасителя, выполненной в натуральную величину, показали, что достичь величины затухания, близкой к оптимальной, без специальных конструктивных мероприятий в некоторых случаях невозможно. Затухание в конструкции маятникового гасителя можно повысить за счет увеличения количества и длины участков троса, подверженных изгибу.

На рис. 5.25 показана конструкция маятникового гасителя колебаний, предложенная в ЦНИИСКе, разработанная в ЦНИИПроектстальконструкции и неоднократно применявшаяся для гашения колебаний металлических башен [44]. Основная особенность конструкции гасителя заключается в том, что значительная часть троса в результате установки промежуточной опоры работает на изгиб и является источником возникновения повышенного затухания в гасителе.

Были проведены эксперименты для гасителей с одним и тремя тросами в целях определения величины декремента колебаний гасителя. Было установлено, что существует оптимальное с точки зрения увеличения затухания в гасителе расстояние l₁ между опорами. В общем случае зависимость декремента от амплитуды колебаний гасителя оказывается нелинейной.

Затухание в маятниковом гасителе можно также повысить за счет подвешивания массы гасителя с эксцентриситетом е (рис. 5.26). При колебаниях гасителя трос будет изгибаться и закручиваться. При этом будет рассеиваться энергия, величина которой зависит от сил внутреннего трения, возникающих как при изгибе, так и при кручении гасителя.

Расчеты, проведенные автором на примере гасителя, имеющего трос длиной 3 м и диаметром 50 мм с массой 1 т и эксцентриситетом подвески 2 см, показали, что закручивание троса при колебаниях гасителя может увеличить затухание гасителя более чем в два раза.

Другое конструктивное решение маятникового гасителя колебаний, применяемое для снижения колебаний несущих конструкций цилиндрических телевизионных антенн показано на рис. 5.27.

Данная конструкция гасителя была спроектирована и установлена на ряде объектов в ЧССР [131]. Гаситель имеет форму кольцеобразной рамы, поддерживающей необходимый балласт и подвешенной на четырех тягах к стальной крышке и снабженной четырьмя гидравлическими демпферами, прикрепленными к крышке и наклонными под 30° к вертикали. Масса гасителя может меняться за счет съемных грузов, настройка гасителя может меняться с помощью изменения длины подвесок, а затухание в зависимости от типа гидравлических демпферов (от автомобилей).

Большинство здании, возводимых в сейсмических районах, имеют период основного тона колебаний менее 1 с, и поэтому описанные выше маятниковые гасители для этих зданий не могут быть применены. В этом случае целесообразно применять пружинные или комбинированные гасители (рис. 3.13). Конструкция пружинных гасителей описана в гл. 6, а здесь отметим, что данный тип гасителя следует применять для зданий, проектируемых в 8- и 9-балльных районах. При 7-балльном землетрясении инерционные силы, возникающие в массе гасителя, оказываются меньше или могут в некоторых случаях незначительно превышать силу сухого трения в скользящих опорах гасителя, и последний будет или колебаться совместно с зданием как единое целое, или его колебания будут незначительными и мало влияющими на колебания здания.

Для зданий, возводимых в 7-балльных районах, наиболее подходит конструкция комбинированного гасителя. Институтами НИИОСП и ЦНИИКТК совместно с ЭКБ ЦНИИСКа разработан проект такого динамического гасителя колебаний для 26-этажного здания. Здание представляет собой монолитное железобетонное ядро жесткости размером 15x15 м в плане и 85 м высотой. По высоте здания на четырех консолях расположены жилые этажи из объемных железобетонных блоков. Расчетный период основного тона колебаний здания 1,0 с.

Динамический гаситель колебаний массой 160 т, что составляет 1% массы всего здания, размещен на 26-м этаже. Гаситель предназначен для гашения сейсмических и ветровых колебаний здания в любом направлении. Гаситель (рис. 5.28, а) состоит из железобетонной массы, расположенной по периметру ядра жесткости здания и подвешен к покрытию с помощью 64 подвесок из троса диаметром 14 мм, позволяющих свободно перемещаться массе гасителя в любом направлении горизонтальной плоскости с максимальной амплитудой 10 см. Между стенами ядра жесткости и массой гасителя располагаются упругие опоры (рис. 5.28, б, е), воспринимающие только нормальные сжимающие усилия, возникающие при движении массы гасителя.

Упругие опоры разработаны, двух типов К-1 и К-2. Опора К-1 состоит из трех пружин, расположенных между неподвижной и подвижной плоскостями. Для передачи на пружины нормального сжимающего усилия предусмотрен шарнир, исключающий передачу касательных усилий. Опора К-2 отличается от К-1 наличием двух жидкостных демпферов стаканного типа (рис. 5.28, г), соединенных с подвижной плоскостью опоры при помощи рычажной системы.

Вдоль каждой стены ядра жесткости здания располагаются четыре опоры К-2 и две опоры К-1. Неподвижные плоскости опор крепятся к закладным деталям стен ядра жесткости, а демпферы к закладным деталям в перекрытии. Демпферы заливаются полиметилсилоксиновой жидкостью ПМС-500000 и закрываются защитным фартуком.

Представляют интерес динамические гасители колебаний, разработанные фирмой MTS [57] для снижения уровня колебаний высотных зданий при воздействии ветровых и сейсмических нагрузок при землетрясениях интенсивностью до 7 баллов.

Первый гаситель быть установлен в Нью-Йорке в здании высотой 280 м на 59-м этаже. Гаситель колебаний представляет собой бетонный блок массой 400 т, уложенный на 20 специальных опор на масляной-пленке. Движением массы гасителя в двух взаимно перпендикулярных направлениях управляют гидравлическая и пневматическая системы, соединенные с компьютером. Настройка гасителя соответствует периоду колебаний в 5 с.

Вторая система, состоящая из двух гасителей, установлена в Бостоне в здании высотой 244 м на 58-м этаже.. Каждый гаситель колебаний массой 300 т находится в специальном помещении, расположенном в торце здания (рис. 5.29), и рассчитан на снижение поперечных и крутильных колебаний здания в два раза. Масса гасителя набрана из свинцовых блоков, уложенных в стальной короб, опирающийся на 16 опор. Период собственных колебаний гасителя 7 с, а затухание 7% критического.

Как и в первой системе, движение массы гасителя осуществляется гидравлической и пневматической системами, управляемыми компьютером. Система автоматически начинает работать при ускорении колебаний здания 3 см/с² и отключается через час работы или при снижении ускорения до 0,75 см/с².