В мировой практике строительства идет поиск новых эффективных конструктивных решений укрепления зданий и сооружений при землетрясениях. На проходившей в Киеве в сентябре 2010 года V1 международной научно-технической конференции по строительным конструкциям обсуждался доклад представителя фирмы “STAR SEISMIC” о противодействии сейсмике в районах с повышенной сейсмичностью путем применения антисейсмических демпфирующих стержней в виде связей, которые устанавливаются наклонно между колоннами [1].

Рис 1                                                        

Эта связь состоит из стального кожуха прямоугольного поперечного сечения, заполненного бетоном (рис.1). По продольной оси в бетоне имеется сквозное отверстие, в котором свободно расположен сердечник в виде стальной полосы. По торцам связи расположены манжеты соединенные сваркой с сердечником. Кожух может свободно перемещаться относительно торцевых манжет. Эти манжеты обеспечивают шарнирное или сварное крепление к колоннам.  От воздействия сейсмической знакопеременной нагрузки в связях возникают переменные усилия сжатия и растяжения.

В процессе растяжения происходит упругая деформация стали сердечника ограниченная напряжением до предела пропорциональности. При этом, например, для низколегированной стали относительное удлинение равно 0,1%, для связи длиной 10 метров 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 связи обеспечивает кожух. В таком конструктивном решении в связи происходит, ограниченное пределом пропорциональности и соответственно с небольшим удлинением, малоэффективное демпфирование за счет упругой деформации сердечника при повышенной материалоемкости и сложности изготовления связи.  Это конструктивное решение антисейсмических демпфирующих связей нашло широкое применение в различных странах Америки, Европы и Азии (рис.2 – 5).   

Рис 2

Рис 3

Рис 4

Рис. 5

В результате поиска новых конструктивных решений автором статьи разработано новое конструктивное решение  антисейсмической демпфирующей связи, в котором за счет применения других элементов и их взаимодействия достигается более эффективное демпфирование путем сухого трения элементов связи, а также снижение материалоемкости и повышение технологичности изготовления (рис.6 - 8).  

Рис 6

Рис 7

Рис 8

Антисейсмическая демпфирующая связь состоит из двух трубчатых ветвей прямоугольного поперечного сечения расположенных параллельно с определенным зазором. Эти ветви шарнирно соединены поперечными листовыми пластинами через шайбы, приваренные к ветвям связи. 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 связи. Такое податливое болтовое соединение, в котором внешние усилия сжатия или растяжения воспринимаются вследствие сопротивления сил трения, возникающие по контактным плоскостям соединяемых элементов от предварительного натяжения болтов. Каждая ветвь одним противоположным концом крепится к колоннам при помощи отдельно изготовленной вилки, состоящей из двух изогнутых фасонок, соединенных поперечным и продольным ребрами жесткости. Эти вилки привариваются к скошенным торцам ветвей связи. Торец противоположной части ветви заварен листовой заглушкой. Такое конструктивное решение способствует плавному переходу силового потока от ветви к шарниру без концентрации напряжения. 

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

От знакопеременных усилий, воздействующих на связь, происходит взаимное продольное смещение ее ветвей до продольного соприкосновения их граней. При этом пластины от силы сжатия в связи поворачиваются в одну, а при растяжении 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 связи при сжатии обеспечивается совместной жесткостью двух трубчатых ветвей.  За счет большого количества мест соприкосновения трубчатых ветвей с поперечными пластинами и необходимого количества связей, происходит значительное поглощение и рассеивание энергии. Причем демпфирование происходит как при сжатии, так и при растяжении. При продольном соприкосновении граней трубчатых ветвей от знакопеременных усилий, связи работают на передачу ослабленных демпфированием усилий на фундаменты. 

От высокого уровня поглощения и рассеивания кинетической энергии при демпфировании в значительной степени снижается сейсмическая нагрузка и амплитуда колебания, что в свою очередь снижает материалоемкость  (металлоемкость) и общую стоимость зданий и сооружений,  обеспечивая их защиту при землетрясениях. Конструктивное решение связи позволяет настраивать связь на необходимый уровень демпфирования путем установки необходимого количества листовых пластин и количества связей на объекте.

Кроме того, за счет установки необходимого зазора между ветвями связей, можно настраивать связь на необходимую амплитуду колебания. Антисейсмические демпфирующие связи устанавливаются наклонно между колоннами и стойками металлических или железобетонных каркасов зданий или сооружений, причем верхнее крепление связи может быть к средней части балки перекрытия (рис.9 - 11).   Антисейсмические демпфирующие  связи технологичны в изготовлении и монтаже.

Рис  9

            Рис 10

            Рис 11 

Антисейсмические демпфирующие связи могут быть использованы:                

1.                  При строительстве зданий и сооружений в районах с повышенной сейсмичностью с металлическим и железобетонным каркасом.

2.                  В существующих и вновь проектируемых зданиях и сооружениях.

3.                  В высотных зданиях и сооружениях от воздействия ветровых нагрузок.

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

5.                  Для крепления контейнеров при морских перевозках.

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

7.                  Для крепления рекламных щитов от ветровой нагрузки.

Источник информации

[1] http: //www.starseismic.eu , краткое описание.