Системы сейсмозащиты зданий 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. Наиболее широкое применение гасители нашли в машиностроении. В последние годы гасители колебаний активно начали применять в строительстве для снижения колебаний сооружений, подверженных динамическим воздействиям от технологического оборудования и ветра [90].

Гасители колебании бывают активного и пассивного типа. В настоящее время интенсивно разрабатывается теория активного гасителя колебаний [15, 23] применительно к машиностроительным конструкциям. Применение активного гасителя позволяет добиться максимального эффекта в снижении колебаний, однако конструкция такого гасителя 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 является применение в строительстве гасителей пассивного типа, обладающих свойствами автономности и относительной безотказности в работе.

По характеру взаимодействия гасителя с защищаемой конструкцией различают ударные и динамические гасители колебаний.

Ударные гасители колебаний

Теория ударных гасителей (рис. 3.12) разработана достаточно полно. Исследованию их работы посвящены, в частности, работы [108, 135]. Для виброзащиты сооружений ударные гасители колебаний нашли применение сравнительно давно. Простота устройства и надежность в эксплуатации делают эти гасители удобными для применения в башенных сооружениях. Рекомендуемые конструктивные решения ударных гасителей, а также примеры их практического применения для снижения амплитуд колебаний различных сооружений можно найти в [90].

Динамические гасители колебаний

Динамический гаситель в простейшем исполнении представляет собой массу на пружине, с помощью которой он крепится к объекту защиты. Динамический гаситель был изобретен Фрамом в 1909 г. Динамические гасители колебаний считают одним из наиболее эффективных пассивных виброзащитных средств, способных подавлять установившиеся вынужденные колебания механизмов и конструкций при моногармоническом возмущении.

Теоретические основы расчета систем с динамическим гасителем были заложены в работах Дж. П. Ден-Гартога, С.П. Тимошенко и Дж.Э. Брока. В дальнейшем теория динамического гасителя колебаний получила развитие в работах большого числа как советских, так и зарубежных ученых. Это позволило широко применять динамические гасители колебаний в машиностроении, в судостроении и самолетостроении.

Теоретические и экспериментальные работы Б.Г. Коренева, Н.А. Пикулева, J1.M. Резникова, М.Я. Волоцкого и других авторов привели к созданию различных систем гасителей и практических методов их расчета [90], что обеспечило их широкое применение для промышленных и гражданских сооружений. Наиболее часто гасители применяются для защиты от колебаний, вызванных действием машин и,ветра.

В качестве примера можно указать на опыт применения динамического гасителя, позволившего снизить амплитуды колебаний башни высотой 100 м при воздействии порывов ветра в три раза [44], а также на опыт гашения колебаний перекрытий ряда зданий в два-пять раз в результате установки на них группы гасителей [62]. Необходимо отметить, что динамические гасители наиболее эффективны при гашении колебаний, которые носят резонансный характер и возникают в конструкциях, обладающих малым затуханием.

За рубежом динамические гасители установлены, в частности, на телевизионной башне в Дрездене, на ряде башенных сооружений и мачт в ЧССР [131]. Проведенные испытания показали, что установка гасителей позволила существенно (в 5—10 раз) повысить логарифмический декремент колебаний данных высоких гибких сооружений. В Австралии в качестве гасителя для высотного здания использован резервуар с водой, а в США в двух высотных зданиях установлены механические гасители колебаний, разработанные фирмой MTS [57]. Испытания здания с механическим гасителем колебаний показали, что при массе гасителя, составляющей 1 % массы здания, затухание всей системы может быть увеличено в два раза, а выполненные расчеты показали, что стоимость гасителя, несмотря на его сложность, составила одну треть от дополнительных расходов, которые были бы необходимы в случае строительства здания без гасителя.

Применение гасителей в одних случаях способствовало получению экономического эффекта за счет снижения расчетных нагрузок, в других позволило ограничить колебания таким уровнем, который не мешал бы осуществлению требуемого технологического процесса.

Использование динамических гасителей колебаний для снижения сейсмической реакции зданий в ряде случаев представляется достаточно эффективным [71]. Динамический гаситель, применяемый для снижения сейсмической реакции здания, состоит из жесткого элемента или блока, упругих связей, присоединяющих массу гасителя к конструкциям здания и демпфирующих элементов, устанавливаемых параллельно с упругими связями. 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 здание, уменьшают амплитуды его колебаний.

В зависимости от конструктивного выполнения упругой связи динамические гасители подразделяются на три группы: пружинные гасители, маятниковые гасители и комбинированные гасители (рис. 3.13). Пружинный гаситель (рис. 3.13, а) состоит из массивного блока, который опирается на перекрытие здания через скользящие опоры (пластины с достаточно низким коэффициентом трения) и стальных пружин, размещаемых между блоком и несущими конструкциями здания или специальными упорами. Требуемое затухание в гасителе обеспечивается за счет сил сухого трения в скользящих опорах, возникающих при относительных перемещениях массы гасителя. В случае необходимости (по расчету) параллельно пружинам дополнительно устанавливаются вязкие демпферы.

Маятниковый гаситель (рис. 3.13, б) состоит из блока, подвешенного на жестких тросах, которые жестко заделаны в точках подвеса. Частота собственных колебаний маятникового гасителя регулируется изменением длины тросов, а затухание в гасителе обеспечивается за счет внутреннего трения, возникающего при изгибных деформациях верхней части тросов при колебаниях массы гасителя. В случае необходимости затухание в гасителе может быть увеличено за счет создания промежуточных опор в верхней и нижней частях троса.

Комбинированный гаситель (рис. 3.13, в) состоит из блока, который крепится к несущим конструкциям здания с помощью гибких подвесок и стальных пружин. Частота собственных колебаний комбинированного гасителя регулируется за счет изменения жесткости стальных пружин. Требуемое затухание в гасителе обеспечивается установкой всяких демпферов.

Динамические гасители колебаний могут применяться как для снижения расчетных сейсмических нагрузок на несущие конструкции зданий, так и для повышения надежности особо ответственных зданий, при этом расчетные нагрузки на такие здания не снижаются. Для здания повышенной этажности с металлическим каркасом- в случае применения гасителя расчетная горизонтальная сейсмическая нагрузка на здание может быть снижена на балл, а для зданий с железобетонным каркасом соответственно на половину балла. Применение гасителей для высоких зданий в сейсмических районах оправдано еще и тем, что один и тот же. гаситель снижает реакцию здания как на сейсмическое воздействие, так и на ветровое.

Динамические гасители колебаний могут применяться 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.

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.