Устройство компенсации колебаний высотных сооружений
DEVICE FOR COMPENSATING VIBRATIONS OF TALL STRUCTURES

Изобретение относится к области сейсмостойкого строительства и может быть использовано для сейсмозащиты высотных сооружений от влияния кинематического воздействия в диапазоне низких частот. Техническим результатом является синхронизация движения шаровых тел качения в блоке и возврат сооружения в первоначальное положение за минимальное время.
Известен катковый виброгаситель вынужденных колебаний высотных объектов (патент UA 54033, опубликовано от 17.02.2003 г., МПК 7 F16F 7/10, Е04В 1/98), включающий катковое рабочее тело гасителя и пружинно-демпфирующую систему его крепления в объект, при этом рабочее тело гасителя выполнено в виде наборного катка, который состоит из главной массивной части с цилиндрической полостью вдоль продольной оси симметрии и дополнительных, меньших массой, дисков, закрепленных относительно главной части, причем по центру цилиндрической полости главной части катка расположен регулируемый упругий элемент, который взаимодействует с двумя симметрично размещенными в той же полости штоками, на внешних концах которых находятся закрепленные тела качения в виде роликов. Пружинно-демпферная система его крепления к объекту состоит из неподвижного опорного диска с верхней рабочей и нижней опорной поверхностями и дополнительного рабочего тела переменной массы в виде промежуточного подвижного диска с верхней и нижней рабочими поверхностями, причем нижняя рабочая поверхность дополнительного рабочего тела выполнена в виде двух вогнутых цилиндрических желобов, которые находятся строго над двумя соответствующими желобами на верхней рабочей поверхности неподвижного опорного диска симметрично относительно горизонтальной плоскости. Дополнительное рабочее тело в виде промежуточного подвижного диска опирается на неподвижный опорный диск через два промежуточных тела качения, выполненных аналогично катковому рабочему телу и установленных вогнутых цилиндрических желобах, соответственно, неподвижного опорного диска и промежуточного подвижного диска, а именно катковое рабочее тело устанавливают в вогнутый цилиндрический желоб верхней рабочей поверхности промежуточного подвижного диска.
Недостатком данного сооружения является то, что при сильных возмущающих воздействиях шаровое тело качения развивает большое ускорение, которое приводит к значительным горизонтальным перемещениям верхней части здания.
Известно также устройство сейсмостойкого сооружения (патент RU 2428550, опубликовано от 25.02.2010 г., МПК Е04Н 9/02), включающее верхние этажи здания, опорную плиту с пазами, фундамент и промежуточные элементы. Фундамент выполнен в виде платформы, состоящей из верхней и нижней плит с полостями, внутри которых расположены промежуточные элементы шарообразной формы, причем плиты установлены с зазором, а полости имеют параллельные горизонтальные поверхности в поперечном и продольном направлениях с полусферическими завершениями, при этом между опорной плитой и платформой установлены амортизаторы. Верхние этажи здания снабжены вантами, закрепленными в вертикальных опорах, на которые базированы перекрытия, а верхняя фундаментная плита снабжена выступами, выполненными соосно с пазами опорной плиты.
Недостаток изобретения заключается в том, что данный фундамент не обеспечивает достаточную свободу перемещений и при значительных горизонтальных сейсмических воздействиях возможна его деформация.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению, принятым за прототип, является устройство компенсации сейсмических колебаний, описанное в патенте RU «Фундамент сейсмостойкого здания, сооружения» 2187598, опубликовано от 19.10.2000 г., МПК E04D 27/34, Е04Н 9/02, включающее верхнюю и нижнюю опорные части, в которых образованы стаканы с вогнутыми днищами, и размещенный между ними промежуточный элемент в виде шара, при этом промежуточный элемент размещен с зазором относительно днища стакана верхней опорной части. В углах, на пересечениях стен сооружения в верхних и нижних опорных частях установлены стаканы с вогнутыми днищами в виде сферы более одного, с размещенными между ними промежуточными элементами в виде шаров, при этом внутренняя полость между днищами стаканов имеет форму эллипса, а верхние опорные части связаны между собой железобетонным поясом, на который опирается надземная часть здания, сооружения.
Недостатком данного изобретения является расположение сейсмоизолирующих стаканов только в углах здания, что является недостаточным при сильном сейсмотолчке или афтершоках, так как при интенсивности землетрясения более 8 баллов в сооружении появляются большие инерционные силы, при которых смещение шаровых тел по выемке является недостаточным. Кроме того, форма выемки в виде эллипса не является оптимальной по времени скатывания шара. Помимо этого, шары сейсмостойкого здания не осуществляют синхронного движения в направлении действия силы, из-за чего появляются крутильные деформации сооружения.
Задачей изобретения является повышение надежности и безопасности сооружения при значительных сейсмических нагрузках свыше 7 баллов.
Техническим результатом является синхронизация движения шаровых тел качения в блоке и возврат сооружения в первоначальное положение за минимальное время.
Достигается технический результат за счет того, что устройство компенсации сейсмических колебаний высотного сооружения, включающее опору верхней части сооружения, вставленную в стакан фундаментной плиты и оборудованную вогнутыми выемками в нижней ее части, рабочее тело компенсатора, выполненное в виде шаровых тел качения, опирающихся на фундаментную плиту, и демпфирующую систему, причем вогнутые выемки опоры выполнены циклоидальными, а их количество симметрично по обоим направлениям горизонтального движения опоры, при этом рабочее тело компенсатора состоит из собранных в блок и разделенных между собой металлической рамой шаровых тел качения.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан план установки сейсмоизолирующего устройства в сооружении, на фиг. 2 изображен план «стакана» фундаментной плиты, в котором вставлена опора, на фиг. 3 - его разрез.
Опоры 3 устройства компенсации колебаний вставлены в «стаканы» 1 и опираются на фундаментную плиту 2 посредством рабочего тела компенсатора в виде блока четырех шаровых тел качения 4. При этом шаровые тела качения 4 в блоке разделены друг от друга металлической рамой 5 для осуществления синхронного движения, которое достигается за счет установки шаровых тел качения 4 в ячейки металлической рамы 5, ограничивающей таким образом их степень свободы перемещения, не позволяя последним двигаться с разными по направлению и величине линейными и угловыми скоростями и ускорениями. Опора 3 снабжена выступами 6 для ограничения ее смещения относительно фундамента и оснащена вогнутыми циклоидальными выемками 7. Количество циклоидальных выемок 7 симметрично по обоим направлениям горизонтального движения опоры с целью сохранения устойчивости опоры 3, а, следовательно, и сооружения. Между опорой 3 и «стаканом» 1 дополнительно установлены демпферы 8 для уменьшения передаваемой от фундамента кинетической энергии. Количество демпферов должно быть симметричным для исключения вращательного движения опоры 3. Дно «стакана» 1 фундаментной плиты 2 выполнено из нержавеющей стали с целью исключения разрушения бетонного основания.
Работает устройство следующим образом. При сейсмическом воздействии опора 3 с установленной на них надземной частью сооружения перекатываются вместе с собранными в блок шаровыми телами качения 4. Величина смещения опоры относительно фундаментной плиты ограничивается выступами 6. Если смещения опоры 3 относительно фундаментной плиты будет недостаточным для устранения сейсмического воздействия, то блок шаровых тел качения 4 при достижении выступа вместе с опорой 3 начнет двигаться в противоположном направлении с уменьшенными скоростями и ускорениями под действием инерционных сил сооружения. Шаровые тела качения 4 имеют четыре степени свободы перемещения в горизонтальной плоскости (2 - поступательного движения, 2 - вращательного движения). Это способствует свободному перемещению сооружения в горизонтальной плоскости. Таким образом достигается компенсация сейсмотолчка любого направления. Металлическая рама 5 в блоке шаровых тел качения предназначена для синхронизации движения шаровых тел качения в устройстве компенсации. Таким образом достигается максимальное снижение горизонтальных перерезывающих сил, а, следовательно, и повышение устойчивости сооружения в целом. Предусмотрено перемещение опоры 3 относительно фундаментной плиты 2 в двух направлениях, поэтому количество шаровых тел качения 4 в блоке для устойчивости должно быть симметричным в двух направлениях. Форма выемки нижней части опоры выбрана циклоидальной ввиду того, что при движении шара по прямой его радиус описывает циклоиду за один поворот. Таким образом форма выемки соответствует траектории точек шарового тела, что способствует отсутствию проскальзывания в точке контакта и является оптимальной по быстродействию возврата устройства компенсации в нейтральное положение. При прекращении воздействий опора 3 с надземной частью сооружения возвращается в первоначальное положение под действием собственного веса.
Предложенное устройство компенсации колебаний реализует принцип сейсмоизоляции сооружения от фундамента, хорошо вписывается в конструкцию сооружения, не требует дополнительного пространства, бесшумно. В выемках со временем не накапливается влага, лед, пыль, поскольку они выполнены выпуклостью вверх. Этот фактор является существенным, поскольку устройство устанавливается в труднодоступном месте сооружения. Шаровые тела качения устройства компенсации изготавливают из чугуна или стали, что позволяет говорить об их надежности. Количество устройств компенсации колебаний высотных сооружений выбирают из расчета веса сооружения с учетом несущей способности шаровых тел качения.
Основным преимуществом предложенного устройства компенсации сейсмических колебаний (по сравнению с существующими) является то, что собранные в блок шаровые тела качения разделены металлической рамой для осуществления синхронного движения, поэтому использование предлагаемого устройства компенсации колебаний высотных сооружений позволит по сравнению с прототипом повысить надежность и сейсмостойкость сооружения при значительных колебаниях земной поверхности.