СТРОИТЕЛЬНЫЙ ДЕМПФЕР ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ С ОДНОЙ ДЕМПФИРУЮЩЕЙ СДВИГ ЧАСТЬЮ ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ЧАСТИЧНО В ВИДЕ ЛЕСТНИЦЫ
CONSTRUCTION DAMPER WITH AT LEAST ONE SHEAR DAMPING PART AT LEAST PARTIALLY IN THE FORM OF A LADDER

Настоящее изобретение относится к строительному демпферу по меньшей мере с одной демпфирующей сдвиг частью по меньшей мере частично в виде лестницы, имеющей по меньшей мере две продольные балки, соединенные друг с другом по меньшей мере двумя поперечными балками в виде перекладин, расположенными параллельно друг другу в первом положении, при этом  поперечные балки в виде перекладин на концах жестко соединены с продольными балками.
Строительные демпферы используются для рассеивания кинетической энергии, передаваемой на конструкцию (термин предназначен для широкого понимания и покрывает среди прочего любые здания, мосты или башни) извне. Обычно это осуществляется путем преобразования кинетической энергии в тепловую энергию. Этот процесс, также известный как рассеивание, предотвращает повреждение конструкции в результате эффектов ускорения и перемещений, которые могут быть следствием, например, землетрясений или т.п.
В уровне техники существует широкое множество различных строительных демпферов, которые используют демпфирующие свойства различных материалов или систем для рассеивания. Широко известный принцип, в особенности, в автомобилестроении, предусматривает демпфирование посредством гидравлического масла. Еще один принцип, представляющий особый экономический интерес в строительной отрасли, предусматривает использование пластической деформации стальных листов. Такая демпфирующая система, основанная на деформации стальных листов, называется стальным гистерезисным демпфером (нем.: «Stahl-Hysterese-Dämpfer», англ.: «steel hysteretic damper» (сокращенно SHD-демпфер)).
Обычная конструкция SHD-демпфера главным образом состоит из длинных тонких стальных листов, расположенных наподобие ферменного стержня в конструкции таким образом, что они поочередно подвергаются только растягивающим или сжимающим нагрузкам из-за вибраций конструкции. Для предотвращения продольного изгиба относительно тонких листов под действием высоких направленных по нормали нагрузок демпферы обычно имеют не только одну полосу листовой стали, но и дополнительные средства придания жесткости. Таким образом, было разработано крестообразное сечение листа на виде сверху, дополнительно размещенное в защитной трубе, заполненной раствором. Защитная труба, заполненная раствором, предотвращает выпучивание или продольный изгиб полосы листовой стали под действием нагрузки и стабилизирует ее, когда она подвергается чередующейся пластической деформации. Полученный график деформации в зависимости от нагрузки иллюстрирует кривую в виде петли гистерезиса. Конструкция SHD-демпфера с ферменным стержнем, устойчивым к выпучиванию, известна как связь жесткости, устойчивая к продольному изгибу (англ.: «buckling restrained brace» (сокращенно BRB-демпфер)).
SHD-демпферы существенно дешевле, чем гидравлические демпферы. Однако, как правило, в особенности в конструкции BRB-демпфера, они должны иметь большую длину, чтобы развить необходимый демпфирующий эффект. Поэтому они в основном используются для демпфирования в больших зданиях, имеющих достаточное пространство для установки. Другой связанный с конструкцией недостаток, в особенности в BRB-демпферах, заключается в том, что из-за средств придания жесткости внутренние механизмы работы демпферов, ответственные за демпфирование, обычно не видны. Поэтому сложно оценивать состояние BRB-демпфера снаружи. Кроме того, очень большие размеры BRB-демпферов приводят к тому, что замена поврежденного BRB-демпфера после землетрясения является очень дорогостоящей.
Поэтому в прошлом многократно проводились исследования того, как можно использовать пластическую деформацию стали в других способах демпфирования конструкции. Подход, исследованный более 25 лет назад, заключается в создании сдвигающих усилий в так называемых сдвиговых гистерезисных панелях (англ.: «shear hysteretic panels» (сокращенно SHP-демпферы)). Они представляют собой плоские демпфирующие сдвиг части в виде лестницы, в которых две продольные балки соединены друг с другом по меньшей мере двумя (но обычно более чем двумя) жестко прикрепленными поперечными балками. Демпфирование происходит таким образом, что направленное по нормали усилие передается на одну из двух продольных балок, а затем демпфированным образом передается на другую продольную балку через поперечные балки, деформированные сдвиговым усилием. Если возникает маятниковое движение, направленное по нормали усилие, передаваемое на продольную балку, попеременно является растягивающим или сжимающим усилием, которое рассеивается за счет пластической деформации поперечных балок. В данном случае также получается кривая деформации в зависимости от нагрузки в виде петли гистерезиса.
Однако даже в случае такой конструкции может легко произойти продольный изгиб поперечных балок. Кроме того, такой SHP-демпфер может принимать лишь очень небольшую деформацию, что, в частности, не позволяет использовать его для демпфирования землетрясений в больших и высоких конструкциях. Кроме того, проблемы, связанные с выпучиванием и продольным изгибом поперечных балок, возрастают при увеличении деформаций. В результате исследования SHP-демпферов были прекращены, и SHP-демпферы так и не нашли практического применения для демпфирования конструкций.
Таким образом, задача изобретения заключается в разработке строительного демпфера, для которого требуется меньше пространства, чем для BRB-демпфера, и который в то же время не имеет ограничений, присущих SHP-демпферам, в отношении деформации и проблем продольного изгиба.
Задача может быть решена строительным демпфером по меньшей мере с одной демпфирующей сдвиг частью по меньшей мере частично в виде лестницы, имеющей по меньшей мере две продольные балки, соединенные друг с другом по меньшей мере двумя поперечными балками в виде перекладин, расположенными параллельно друг другу в первом положении, при этом  поперечные балки в виде перекладин на концах жестко соединены с продольными балками, при этом  демпфирующая сдвиг часть в соответствии с изобретением имеет пространственную конструкцию, в которой по меньшей мере две дополнительные поперечные балки в виде перекладин, продолжающиеся параллельно друг другу, расположены во втором положении, смещенном относительно первого положения.
Таким образом, идея изобретения заключается в использовании принципа демпфирования посредством сдвигающих усилий в демпфирующих сдвиг частях в виде лестницы, который фактически уже был описан в уровне техники. Принцип, в свою очередь, основан на понимании того, что выпучивание можно контролировать, и что демпфирующая сдвиг часть в виде лестницы, в частности, предлагает базовую конструкцию, которая может быть легко адаптирована к различным требованиям.
Таким образом, в соответствии с изобретением традиционная демпфирующая сдвиг часть в виде пластины, используемая в SHP-демпферах, преобразуется в пространственную конструкцию, которая значительно лучше стабилизирована от выпучивания или продольного изгиба. Такая пространственная конструкция создается за счет дополнительных поперечных балок в виде перекладин, расположенных во втором положении, смещенном относительно положения первых поперечных балок в виде перекладин. Кроме того, за счет увеличения количества поперечных балок при той же длине продольных балок можно добиться увеличения максимальных поглощаемых усилий. Результатом этого является значительно улучшенное поведение при продольном изгибе по сравнению с обычными SHP-демпферами при больших максимальных поглощаемых усилиях в целом.
В соответствии с одним вариантом выполнения демпфирующая сдвиг часть имеет несколько плоскостей поперечных балок по меньшей мере с одной поперечной балкой, расположенной в них, при этом  плоскости поперечных балок расположены параллельно и на расстоянии друг от друга вдоль продольной оси демпфирующей сдвиг части. Другими словами, несколько параллельных плоскостей поперечных балок расположены вдоль продольной оси демпфирующей сдвиг части по меньшей мере с одной поперечной балкой, расположенной в них. Параллельное расположение плоскостей поперечных балок приводит к тому, что все поперечные балки имеют общее положение, это означает, что все они могут подвергаться сдвигающему усилию в эффективном направлении, поперек плоскости поперечных балок.
В соответствии с одним вариантом выполнения в каждой плоскости поперечных балок расположены по меньшей мере две поперечные балки, при этом  по меньшей мере одна поперечная балка продолжается в первом положении, и одна дополнительная поперечная балка продолжается во втором положении. Таким образом, поперечные балки усиливают друг друга в соответствующей плоскости поперечных балок.
Предпочтительно несколько плоскостей поперечных балок расположены на одинаковом расстоянии друг от друга вдоль продольной оси демпфирующей сдвиг части. Это стандартизирует распределение усилий и упрощает изготовление.
Соответственно, в демпфирующей сдвиг части могут быть предусмотрены по меньшей мере две плоскости поперечных балок, каждая из которых содержит по меньшей мере две, предпочтительно четыре, поперечные балки, расположенные в ней. Максимальное усилие, которое может передаваться на строительный демпфер, может регулироваться количеством поперечных балок. Чем выше максимальные поглощаемые усилия, тем больше должно быть предусмотрено поперечных балок и плоскостей поперечных балок соответственно. При этом отсутствует верхний предел количества возможных плоскостей поперечных балок. В соответствии с изобретением это позволяет получить легко регулируемый строительный демпфер с точки зрения максимальной поглощаемой деформации.
Предпочтительно демпфирующая сдвиг часть по меньшей мере частично выполнена из металла. В частности, реализация демпфирующей сдвиг части, выполненной из стали, имеет большие преимущества в том, что сталь уже широко используется в данной области применения и, следовательно, хорошо изучена с точки зрения поведения материала. Сталь может легко и многократно подвергаться пластической деформации.
В соответствии с одним вариантом выполнения по меньшей мере одна, предпочтительно все, поперечная балка (балки) имеет толщину, увеличивающуюся в направлении обоих концов. Это делает соединение поперечных балок с продольными балками особенно жестким на изгиб. Таким образом, на поперечные балки могут передаваться очень большие сдвигающие усилия.
В соответствии с одним вариантом выполнения демпфирующая сдвиг часть имеет симметричную многоугольную и/или круглую горизонтальную проекцию на виде сверху вдоль продольной оси. Такая горизонтальная проекция пространственной демпфирующей сдвиг части гарантирует усиление разных поперечных балок друг другом, а также компенсирует скручивающие усилия.
В соответствии с одним вариантом выполнения демпфирующая сдвиг часть имеет по меньшей мере три, предпочтительно четыре, продольные балки. Таким образом, на виде сверху вдоль продольной оси демпфирующая сдвиг часть может иметь треугольную или четырехугольную горизонтальную проекцию.
Таким образом, предпочтительно продольные балки демпфирующей сдвиг части расположены по углам демпфирующей сдвиг части, имеющей многоугольную горизонтальную проекцию. Таким образом, одна продольная балка может использоваться для крепления поперечных балок в двух разных положениях. Таким образом, строительный демпфер особенно эффективен.
В соответствии с одним вариантом выполнения продольные балки и поперечные балки демпфирующей сдвиг части могут быть приварены друг к другу, в частности, если они выполнены из металла. Сварка гарантирует особо жесткое соединение продольных и поперечных балок.
В качестве альтернативы или в дополнение демпфирующая сдвиг часть может иметь по меньшей мере одну вытянутую пластину, имеющую несколько параллельных прорезей, продолжающихся поперек продольной оси пластины. В результате образуется по меньшей мере частично плоская конструкция в виде лестницы, очень простая в изготовлении, но при этом имеющая несколько поперечных балок, образованных прорезями.
Предпочтительно демпфирующая сдвиг часть имеет несколько пластин с множеством прорезей, расположенных под углом друг к другу на виде сверху вдоль продольной оси. Таким образом, демпфирующая сдвиг часть может быть собрана из нескольких пластин с прорезями, что особенно упрощает изготовление.
Пластины также могут иметь L-образные профили, при этом  каждое ответвление имеет несколько прорезей. Такой L-образный профиль легко поддается машинной обработке, а также очень эффективен с точки зрения затрат на изготовление.
Однако демпфирующая сдвиг часть может имеет трубу, в которой по меньшей мере в одной стенке трубы образовано несколько параллельных прорезей, продолжающихся поперек продольной оси трубы, которые расположены таким образом, что в продольном направлении трубы имеется по меньшей мере два непрерывных участка стенки. Эти непрерывные участки стенки образуют продольные балки демпфирующей сдвиг части, тогда как участки стенки, продолжающиеся поперек продольной оси между прорезями, образуют поперечные балки в виде перекладин.
В простейшем варианте выполнения можно использовать цилиндрическую стальную трубу в качестве заготовки и сделать несколько прорезей с обеих сторон, например, так, что образуются две продольные балки и поперечные балки, продолжающиеся слева или справа этих продольных балок соответственно, которые демпфирующим образом поглощают растягивающие перемещения, действующие вдоль продольной оси трубы в ответ на сдвиг. Однако, поскольку в этом простейшем варианте выполнения поперечные балки могут иметь относительно большую длину, может быть предпочтительно уменьшить длину прорезей и, таким образом, увеличить ширину продольных балок.
В качестве альтернативы каждая прорезь может быть короче, и с этой целью предусмотрено их большее количество. Таким образом, труба может быть разделена на четыре сегмента в виде четверти круга. В каждом сегменте образована по меньшей мере одна прорезь, не покрывающая весь сегмент. Если вдоль продольной оси параллельно расположено несколько таких прорезей, образуется четыре области без прорезей, которые продолжаются вдоль продольной оси, и каждая из которых образует продольную балку. Таким образом, демпфирующая сдвиг часть с четырьмя продольными балками и группой поперечных балок, расположенных в одних плоскостях, может быть легко изготовлена из трубы круглого сечения.
В соответствии с одним вариантом выполнения по меньшей мере одна стенка трубы является по меньшей мере частично плоской и/или изогнутой. Труба также может иметь круглое и/или многоугольное сечение на виде сверху вдоль продольной оси. Трубы квадратного сечения, в частности, имеют большие преимущества с точки зрения технологии изготовления и могут эффективно использоваться в реализации изобретения. В этом случае особенно легко получить плоские участки стенки трубы в виде лестницы, которые легко проектировать с точки зрения их демпфирующего поведения.
В соответствии с одним вариантом выполнения по меньшей мере одна демпфирующая сдвиг часть имеет по меньшей мере одно, предпочтительно замковое, средство передачи усилия. Оно может соединять по меньшей мере концы двух несмежных продольных балок одной демпфирующей сдвиг части. Под несмежными продольными балками понимаются продольные балки, которые подвергаются растягивающей или сжимающей нагрузке в одном и том же направлении, тогда как под смежными продольными балками понимаются продольные балки, которые соединены с соответствующей продольной балкой поперечными балками и, таким образом, подвергаются нагрузке в соответствующем противоположном направлении. На практике по меньшей мере одна продольная балка, таким образом, перекрывается средством передачи усилия. Тем не менее благодаря средству передачи усилия усилие равномерно передается на две соответствующие смежные продольные балки.
В соответствии с одним вариантом выполнения по меньшей мере одно первое средство передачи усилия прикреплено к двум концам, расположенным с одной стороны двух диагонально противоположных несмежных продольных балок демпфирующей сдвиг части, имеющей четырехугольную горизонтальную проекцию. Второе средство передачи усилия диагонально прикреплено к двум концам, расположенным с другой стороны других двух продольных балок. Таким образом, два средства передачи усилия расположены под углом 90° друг к другу на строительном демпфере или демпфирующей сдвиг части. В результате два средства передачи усилия не мешают друг другу даже в состоянии перемещения. Этого не происходит, даже если они по меньшей мере частично охватывают демпфирующую сдвиг часть.
В соответствии с одним вариантом выполнения по меньшей мере одно средство передачи усилия выполнено в виде плоской пластины с U-образным вырезом, ответвления которого по бокам охватывают демпфирующую сдвиг часть, и на концах ответвлений расположена балка передачи нагрузки, соединяющая два конца ответвлений, которая соединена с концами двух продольных балок. Таким образом, балка передачи нагрузки надлежащим образом крепится, например, приваривается, к концам ответвлений после установки средства передачи усилия.
Предпочтительно по меньшей мере одно средство передачи усилия имеет крепежное средство, которое, в свою очередь, предпочтительно имеет отверстие для крепления строительного демпфера к конструкции, при этом  отверстие расположено со стороны средства передачи усилия, противоположной балке передачи нагрузки.
В соответствии с одним вариантом выполнения по меньшей мере две демпфирующие сдвиг части соединены по меньшей мере одним соединительным средством. Таким образом, может быть получена модульная конструкция, в которой в зависимости от требуемого максимального демпфирующего эффекта несколько демпфирующих сдвиг частей соединены друг с другом такими соединительными средствами. Если, например, две одинаковые демпфирующие сдвиг части соединены друг с другом, это позволяет удвоить максимальную поглощаемую деформацию по сравнению с вариантом выполнения только с одной демпфирующей сдвиг частью.
Последовательное соединение нескольких демпфирующих сдвиг частей, выполненных в соответствии с изобретением, позволяет поглощать большую деформацию, что крайне важно для демпфирования конструкции во время землетрясений при высокой устойчивости к выпучиванию и продольному изгибу. За счет использования нескольких демпфирующих сдвиг частей одинаковой конструкции можно получить модульную конструкцию, которая дает большие преимущества с точки зрения технологии изготовления. Таким образом, с относительно небольшими усилиями можно получить демпфер, который может быть легко адаптирован к широкому диапазону условий. Необходимо лишь соединить достаточное количество демпфирующих сдвиг частей друг с другом в зависимости от условий эксплуатации. Таким образом, в частности, также можно преодолеть недостатки, связанные с низкой деформационной способностью обычных SHP-демпферов, которые ранее считались неразрешимыми.
Также предпочтительно по меньшей мере одна демпфирующая сдвиг часть имеет демпфирующий эффект, который отличается от демпфирующего эффекта другой демпфирующей сдвиг части (частей). Это может быть реализовано, например, за счет наличия разного количества поперечных балок. Таким образом, можно очень точно регулировать демпфирующий эффект строительного демпфера в зависимости от предполагаемых нагрузок.
В соответствии с одним вариантом выполнения две демпфирующие сдвиг части разной жесткости соединены друг с другом таким образом, что в случае слабого землетрясения приводится в действие только менее жесткая демпфирующая сдвиг часть, а в случае сильного землетрясения приводится в действие как более жесткая, так и менее жесткая демпфирующая сдвиг часть. Таким образом, путем последовательного соединения разных демпфирующих сдвиг частей можно целенаправленно регулировать демпфирующие свойства строительного демпфера в зависимости от нагрузок из-за землетрясений разной магнитуды.
В качестве альтернативы по меньшей мере две демпфирующие сдвиг части разной жесткости соединены друг с другом таким образом, что в случае слабого землетрясения приводится в действие только менее жесткая демпфирующая сдвиг часть, а в случае сильного землетрясения приводится в действие только более жесткая демпфирующая сдвиг часть (5). Это приводит к сглаживанию кривой гистерезиса, т.е. демпфирующих свойств, строительного демпфера на графике деформации в зависимости от нагрузки.
Для целенаправленной регулировки работы демпфирующей сдвиг части по меньшей мере одно соединительное средство имеет систему блокировки для ограничения и/или подавления перемещений по меньшей мере одной демпфирующей сдвиг части, расположенной в нем.
В соответствии с одним вариантом выполнения соединительное средство имеет два U-образных выреза, ответвления каждого из которых по бокам охватывают одну демпфирующую сдвиг часть, и на каждом из концов ответвлений расположена балка передачи нагрузки, соединяющая два конца ответвлений, которая соединена с концами двух несмежных продольных балок соответствующей демпфирующей сдвиг части. Другими словами, соединительное средство также перекрывает соответствующую смежную продольную балку.
Изобретение объяснено более подробно ниже со ссылкой на примеры вариантов выполнения, показанные на чертежах. На чертежах схематически показаны:
Фиг. 1 представляет собой BRB-демпфер, известный в уровне техники;
Фиг. 2 представляет собой SHP-демпфер, известный в уровне техники;
Фиг. 3 представляет собой первый вариант выполнения строительного демпфера в соответствии с изобретением;
Фиг. 4a представляет собой разрез A-A, показанный на Фиг. 3;
Фиг. 4b представляет собой разрез B-B, показанный на Фиг. 3;
Фиг. 5 представляет собой второй вариант выполнения строительного демпфера в соответствии с изобретением;
Фиг. 6a представляет собой разрез A-A, показанный на Фиг. 5;
Фиг. 6b представляет собой разрез B-B, показанный на Фиг. 5;
Фиг. 7 представляет собой третий вариант выполнения строительного демпфера в соответствии с изобретением;
Фиг. 8a представляет собой разрез A-A, показанный на Фиг. 7;
Фиг. 8b представляет собой разрез B-B, показанный на Фиг. 7;
Фиг. 9a представляет собой разрез A-A, соответствующий Фиг. 8a, согласно четвертому варианту выполнения строительного демпфера в соответствии с изобретением;
Фиг. 9b представляет собой разрез B-B, соответствующий Фиг. 8b, согласно четвертому варианту выполнения строительного демпфера в соответствии с изобретением;
Фиг. 10a представляет собой вариант выполнения поперечной балки постоянной высоты;
Фиг. 10b представляет собой вариант выполнения поперечной балки с увеличением высоты балки в направлении концов балки;
Фиг. 10c представляет собой другой альтернативный вариант выполнения поперечной балки с увеличением высоты балки в направлении концов балки;
Фиг. 11 представляет собой пятый вариант выполнения строительного демпфера в соответствии с изобретением;
Фиг. 12 представляет собой разрез C-C, показанный на Фиг. 11, с изображением внутреннего распределения усилий;
Фиг. 13 представляет собой вид сбоку участка боковой стенки демпфирующей сдвиг части частично в виде лестницы, показанной на Фиг. 11, в деформированном состоянии;
Фиг. 14 представляет собой график деформации в зависимости от усилия, иллюстрирующий билинейно смоделированное деформационное поведение строительного демпфера в соответствии с изобретением;
Фиг. 15 представляет собой деформационное поведение строительного демпфера в соответствии с изобретением, показанного на Фиг. 11, определенное путем вычислений;
Фиг. 16a представляет собой первый вариант выполнения демпфирующей сдвиг части, сваренной из нескольких частей;
Фиг. 16b представляет собой второй вариант выполнения демпфирующей сдвиг части, сваренной из нескольких частей;
Фиг. 16c представляет собой третий вариант выполнения демпфирующей сдвиг части, сваренной из нескольких частей;
Фиг. 17 представляет собой шестой вариант выполнения строительного демпфера в соответствии с изобретением с двумя демпфирующими сдвиг частями в виде трубы квадратного сечения;
Фиг. 18 представляет собой седьмой вариант выполнения строительного демпфера в соответствии с изобретением с тремя демпфирующими сдвиг частями в виде трубы квадратного сечения;
Фиг. 19 представляет собой восьмой вариант выполнения строительного демпфера в соответствии с изобретением с двумя разными демпфирующими сдвиг частями в виде трубы квадратного сечения, одна из которых имеет меньшее количество плоскостей поперечных балок, чем другая;
Фиг. 20 представляет собой разрез варианта выполнения, показанного на Фиг. 19;
Фиг. 21 представляет собой увеличенный разрез, показанный на Фиг. 20;
Фиг. 22a представляет собой механическую систему в соответствии с вариантом выполнения, показанным на Фиг. 19, с соединительной системой с закрытием зазора;
Фиг. 22b представляет собой механическую систему в соответствии с вариантом выполнения, показанным на Фиг. 19, дополнительно имеющую систему блокировки для одной из двух демпфирующих сдвиг частей;
Фиг. 23 представляет собой полилинейно смоделированное деформационное поведение строительного демпфера в соответствии с изобретением, показанного на Фиг. 19; и
Фиг. 24a представляет собой деформационное поведение строительного демпфера, выполненного в соответствии с Фиг. 22a, с соединительной системой с закрытием зазора, определенное путем вычислений;
Фиг. 24b представляет собой деформационное поведение строительного демпфера, выполненного в соответствии с Фиг. 22b, с системой блокировки, определенное путем вычислений;
Фиг. 25a представляет собой первый пример установки строительного демпфера в соответствии с изобретением в конструкции;
Фиг. 25b представляет собой второй пример установки строительного демпфера в соответствии с изобретением в конструкции; и
Фиг. 25c представляет собой третий пример установки строительного демпфера в соответствии с изобретением в конструкции.
Строительный демпфер 1, показанный на Фиг. 1, представляет собой обычный BRB-демпфер, в котором стальная балка 2, имеющая крестообразное сечение, расположена в трубе 4, заполненной раствором 3. Трение между стальной балкой 2 и раствором 3 снижено за счет слоя смазки между ними, так что стальная балка 2 может относительно свободно деформироваться в продольном направлении в растворе 3.
В случае землетрясения на строительный демпфер 1 передается направленное по нормали усилие, из-за которого стальная балка 2 сначала подвергается упругой деформации, а затем пластической деформации после превышения предела текучести. Пластическая деформация продолжается до тех пор, пока колебательное движение конструкции не изменится на противоположное. После первоначальной упругой деформации снова возникает текучесть до тех пор, пока колебательное движение конструкции снова не изменится на противоположное, и конструкция не начнет движение в другом направлении. За счет текучести стальной балки 2 часть кинетической энергии преобразуется в тепловую энергию. Благодаря такому демпфированию маятниковое движение конструкции постепенно уменьшается.
На Фиг. 2 показан строительный демпфер 1, известный в уровне техники как SHP-демпфер. Он имеет плоскую демпфирующую сдвиг часть 5 в виде лестницы, имеющую по меньшей мере две продольные балки 6 и 8, которые, в свою очередь, соединены с устойчивостью к сдвигу по меньшей мере двумя, в данном случае семью, поперечными балками 7. Принцип действия конструкции следующий: в результате воздействия на конструкцию (например, при ударной нагрузке или в случае землетрясения) на продольную балку 6 передается усилие F, с которой оно по жестко соединенным поперечным балкам 7 передается на вторую продольную балку 8, которая в данном случае расположена ниже. Таким образом, демпфирование происходит за счет пластической деформации поперечных балок 7, создаваемой сдвигающими усилиями.
Как уже описано выше, плоская демпфирующая сдвиг часть 5 в виде лестницы SHP-демпфера очень чувствительна к продольному изгибу поперечных балок 7, а также, как правило, не обладает достаточным демпфирующим эффектом для использования в больших и высоких зданиях с целью демпфирования нагрузок из-за землетрясения.
Решение в соответствии с изобретением показано в первом варианте выполнения строительного демпфера 1 в соответствии с изобретением на Фиг. 3, Фиг. 4a и Фиг. 4b. Строительный демпфер имеет демпфирующую сдвиг часть 5, имеющую пространственную конструкцию, в которой по меньшей мере две (в данном случае восемь) поперечные балки 7 продолжаются в первом положении 7 (на Фиг. 4b от продольной балки 6 с изгибом в направлении вниз и вправо), и по меньшей мере две (в данном случае восемь) дополнительные поперечные балки 9 в виде перекладин, расположенные параллельно друг другу, продолжаются во втором положении, смещенном относительно первого положения (на Фиг. 4b от продольной балки 6 с изгибом в направлении вниз и влево). Благодаря такой пространственной конструкции демпфирующей сдвиг части 5 можно преодолеть главный недостаток обычных SHP-демпферов, а именно крайне ограниченную деформируемость поперечных балок до возникновения продольного изгиба поперечных балок.
Демпфирующая сдвиг часть 5 имеет в общем вытянутую форму. В данном случае ее продольное направление продолжается в направлении х, в котором также продолжаются две продольные балки 6 и 8. При этом горизонтальное усилие F, передаваемое на строительный демпфер 1, передается на первую продольную балку 6 и на вторую продольную балку 8 через поперечные балки 7 в первом положении и поперечные балки 9 во втором положении, и из-за деформации поперечных балок 7 и 9 снова передается на конструкцию демпфированным образом с демпфирующей сдвиг части 5 или строительного демпфера 1.
Как видно, в частности, на видах в разрезе на Фиг. 4a и Фиг. 4b, демпфирующая сдвиг часть 5 имеет круглое сечение на виде сверху вдоль продольной оси. Таким образом, она также может быть описана как круглая труба с множеством прорезей, имеющая круглое сечение, наружный диаметр b и толщину t.
Таким образом, продольные оси изогнутых поперечных балок 7 и 9 продолжаются в соответствующей плоскости, параллельной плоскости y-z. Если пронумеровать плоскости поперечных балок на Фиг. 3 в направлении слева направо, первая плоскость поперечных балок демпфирующей сдвиг части 5 продолжается параллельно плоскости y-z в качестве первой плоскости. За первой плоскостью поперечных балок следуют семь дополнительных плоскостей поперечных балок, если смотреть слева направо, в каждой из которых расположена одна поперечная балка 7 в первом положении и одна поперечная балка 9 во втором положении. При этом строительный демпфер 1, показанный на Фиг. 3, имеет демпфирующую сдвиг часть 5 с восемью плоскостями поперечных балок и 16 поперечными балками 7, 9. В показанном варианте выполнения все плоскости поперечных балок расположены на одинаковом расстоянии друг от друга вдоль продольной оси демпфирующей сдвиг части 5, продолжающейся в направлении х.
Второй вариант выполнения строительного демпфера 1 в соответствии с изобретением, показанный на Фиг. 5, Фиг. 6a и Фиг. 6b, отличается от первого варианта выполнения тем, что в данном случае четыре продольные балки 6, 8, 10 и 12 расположены параллельно друг другу, и четыре поперечные балки 7, 9, 11 и 13 расположены в каждой из восьми плоскостей поперечных балок. Таким образом, при одинаковой общей нагрузке F усилие, передаваемое на соответствующие продольные балки 6, 8, 10, 12, может быть уменьшено вдвое (F/2) по сравнению с первым вариантом выполнения.
Третий вариант выполнения строительного демпфера 1 в соответствии с изобретением, показанный на Фиг. 7, Фиг. 8a и Фиг. 8b, отличается от первых двух вариантов выполнения, помимо меньшего количества плоскостей поперечных балок (пять вместо восьми), главным образом тем, что демпфирующая сдвиг часть 5 имеет по существу квадратную горизонтальную проекцию на виде сверху вдоль продольной оси. Таким образом, демпфирующая сдвиг часть 5 имеет четыре прямые поперечные балки 7, 9, 11, 13 в каждой плоскости поперечных балок вместо изогнутых балок. Таким образом, она также может быть описана как труба, имеющая квадратное сечение, толщину t и внешнюю ширину b, а также имеющая несколько прорезей на боковых стенках.
Как может быть видно, в частности, на Фиг. 8b, в показанном варианте выполнения каждая из четырех продольных балок 6, 8, 10, 12 расположена в углах трубы или демпфирующей сдвиг части 5. Это имеет преимущество с точки зрения изготовления. Кроме того, это также приводит к деформации демпфирующей сдвиг части 5, которую проще контролировать.
В качестве альтернативы квадратной горизонтальной проекции также возможно использование демпфирующей сдвиг части 5, имеющей прямоугольную горизонтальную проекцию, как проиллюстрировано на Фиг. 9a и Фиг. 9b. Таким образом, можно получить разную жесткость демпфирующей сдвиг части 5.
Жесткость демпфирующей сдвиг части 5 также может регулироваться путем изменения высоты поперечных балок. Например, можно использовать поперечные балки 7 постоянной высоты, как показано на Фиг. 10a. Однако установлено, что особенно предпочтительны формы, в которых поперечные балки 7 имеют увеличенную высоту на концах, как показано на Фиг. 10b или на Фиг. 10c.
Пятый вариант выполнения строительного демпфера 1 в соответствии с изобретением, показанный на Фиг. 11, представляет собой вариант выполнения, в котором демпфирующая сдвиг часть 5 выполнена в общем также, как в третьем варианте выполнения, показанном на Фиг. 7. В данном случае демпфирующая сдвиг часть 5 также имеет квадратную горизонтальную проекцию на виде сверху. Однако она имеет шесть плоскостей поперечных балок вместо пяти. В каждой из плоскостей поперечных балок, как и в третьем варианте выполнения, в разных положениях расположены четыре плоские поперечные балки 7, 9, 11, 13. Поперечные балки 7, 9, 11, 13, в свою очередь, имеют форму, показанную на Фиг. 10b. Таким образом, все они имеют высоту балки, увеличивающуюся в направлении концов балки.
В этом случае усилие передается посредством двух замковых средств 14 и 17 передачи усилия в виде пластин, каждое из которых имеет отверстие 16 и 19 для крепления к конструкции, и таким образом, для передачи усилия на строительный демпфер 1. Два средства 14 и 17 передачи усилия повернуты на 90° относительно друг друга, и каждое из них прикреплено к двум несмежным продольным балкам 8 и 12 или 6 и 8. В данном случае они приварены в продольном направлении к соответствующим продольным балкам 6, 8, 10, 12. После крепления демпфирующей сдвиг части 5 к концам каждого из двух замковых средств 14 и 17 передачи усилия крепится поперечина 15 или 18. Она также значительно стабилизирует соответствующее средство 14 и 17 передачи усилия, а также придает повышенную устойчивость демпфирующей сдвиг части 5 и всему строительному демпферу 1. Благодаря полученной таким образом пространственной конструкции демпфирующей сдвиг части 5 строительный демпфер 1, выполненный в соответствии с изобретением, демонстрирует максимальную способность поглощения усилия, увеличенную за счет количества поперечных балок, при значительно улучшенной устойчивости и несущей способности строительного демпфера 1 в соответствии с изобретением в отношении выпучивания по сравнению с обычным SHP-демпфером.
Как показано на пространственном виде в разрезе на Фиг. 12, усилие F, передаваемое на строительный демпфер 1, передается на две несмежные продольные балки 8 и 12 демпфирующей сдвиг части 5 посредством отверстия 16 и средства 14 передачи усилия. Это приводит к деформации поперечных балок 7, 9, 11, 13 и возникновению противодействующей силы F/2 в двух продольных балках 6 и 10.
На Фиг. 13 показана деформация поперечных балок 7 на расстояние d на конце и угол γ.
F
F
F
F
y
p
max
max
На Фиг. 14 показана деформация строительного демпфера 1 в соответствии с изобретением на графике деформации в зависимости от усилия. Ее можно билинейно упростить, как показано сплошной линией. Пунктирная линия показывает фактическое поведение. Соответственно, сначала возникает упругая деформация при резком увеличении усилия. При достижении усилия, обозначенного , возникает текучесть поперечных балок. Теперь на поперечные балки можно передать лишь немного большее усилие. Однако, упрощено, предполагается, что упругое поведение все еще присутствует вплоть до точки . От этой точки до точки  также предполагается линейное увеличение поглощаемых усилий. От этой точки начинается размягчение материала (в данном случае стали), и происходит разрушение при дополнительном увеличении деформаций и уменьшении усилий. Следовательно, строительный демпфер 1 должен быть выполнен таким образом, чтобы не превышать усилие  в случае максимальной нагрузки.
На графике деформации в зависимости от усилия, показанном на Фиг. 15, показан полный цикл нагрузки строительного демпфера 1, показанного на Фиг. 11-Фиг. 13. Показанная кривая основана на компьютерном моделировании. Соответственно, для деформационного поведения строительного демпфера 1, выполненного в соответствии с изобретением, может быть определен очень равномерный гистерезис.
На Фиг. 16a, 16b и 16c показаны три дополнительных варианта выполнения демпфирующих сдвиг частей 5, выполненных в соответствии с изобретением, которые отличаются тем, что они сварены из нескольких отдельных частей. Вариант выполнения, показанный на Фиг. 16a, представляет собой демпфирующую сдвиг часть 5, в которой несколько колец квадратного сечения параллельно приварены между четырьмя продольными балками 6, 8, 10 и 12, стороны которых образуют четыре поперечные балки 7, 9, 11, 13. За счет квадратной формы и углов, приваренных к продольным балкам 6 и 8, эти кольца по принципу действия сопоставимы с отдельными поперечными балками.
На Фиг. 16b показан альтернативный вариант выполнения, в котором отдельные поперечные балки 7, 9, 11, 13 в виде полос приварены между четырьмя продольными балками 6, 8, 10, 12.
На Фиг. 16c показан третий альтернативный вариант выполнения, в котором два узких L-образных профиля вставлены между четырьмя продольными балками 6, 8, 10, 12 и также приварены к ним. Каждый L-образный профиль образует две поперечные балки 7, 13 или 9, 11 демпфирующей сдвиг части 5. L-образные профили можно легко разрезать на полосы и приварить к продольным балкам.
d
max
Со ссылкой на шестой вариант выполнения строительного демпфера 1, выполненного в соответствии с изобретением, показанный на Фиг. 17, далее будет объяснен дополнительный аспект изобретения, который может быть реализован путем последовательного соединения двух демпфирующих сдвиг частей 5 в строительном демпфере 1 с помощью аналогичного соединительного средства 21 в виде пластины с поперечинами 22 на концах. Фактически путем последовательного соединения нескольких демпфирующих сдвиг частей 5 можно получить постоянную  демпфирования, во много раз превышающую постоянную демпфирования SHP-демпферов. Это нетривиальное решение.
Путем последовательного соединения нескольких демпфирующих сдвиг частей 5 можно с высокой точностью адаптировать демпфирующие свойства строительного демпфера 1 в соответствии с изобретением экономически эффективным образом. Это связано с тем, что демпфирующие сдвиг части 5 могут быть изготовлены заранее, а затем соединены друг с другом при необходимости. Например, их можно просто отрезать до необходимой длины, а затем соединить друг с другом, как показано на Фиг. 17.
В седьмом варианте выполнения, показанном на Фиг. 18, три демпфирующие сдвиг части 5 последовательно соединены с использованием двух соединительных средств 21, расположенных под углом 90 градусов друг к другу. Это позволяет втрое увеличить максимально допустимую деформацию по сравнению с обычным SHP-демпфером.
В примере, показанном на Фиг. 19, две разные демпфирующие сдвиг части 5 соединены друг с другом соединительным средством 21. Хотя они обе имеют одинаковую горизонтальную проекцию на виде сверху, они имеют разную длину и разное количество поперечных балок 7, 9, 11, 13. В первой демпфирующей сдвиг части 5, показанной слева на Фиг. 19, имеется шесть плоскостей поперечных балок и четыре продольные балки 6, 8, 10, 12, расположенные по углам. Во второй демпфирующей сдвиг части 5, размещенной справа, имеется только две плоскости поперечных балок. Таким образом, демпфирующая сдвиг часть 5, показанная слева, имеет большую жесткость, чем демпфирующая сдвиг часть 5, показанная справа.
В данном примере две демпфирующие сдвиг части 5 соединены соединительным средством 21 в виде пластины, которое в своих угловых точках соединено с соответствующими продольными балками 6, 8, 10, 12.
Как можно увидеть на виде в разрезе на Фиг. 20 и увеличенном виде в разрезе на Фиг. 21, соединительное средство 21 имеет две перемычки 23 и 24. Они расположены на некотором расстоянии от поперечин 15 и 18. Это позволяет целенаправленно регулировать демпфирующее поведение строительного демпфера 1. Таким образом, получена механическая система, показанная на Фиг. 21, демпфера, состоящая из двух последовательно соединенных демпферов, в которой менее жесткий демпфер (показанный справа на Фиг. 22) имеет ограничитель, который приводится в действие, когда правая демпфирующая сдвиг часть 5 (показанная справа на Фиг. 19), имеющая меньшее количество поперечных балок, достигает максимальной пластической деформации. Затем левая демпфирующая сдвиг часть 5, имеющая большую жесткость, приводится в действие через перемычки 23 и 24. В целом, возникает деформационное поведение, показанное в упрощенном линейном виде на Фиг. 23. При компьютерном моделировании для деформации и соответствующего демпфирующего поведения строительного демпфера 1 в соответствии с изобретением может быть определен гистерезис, показанный на Фиг. 24a.
Далее описан принцип работы соединительной системы с закрытием зазора, показанной на Фиг. 21, со ссылкой на механическую систему, показанную на Фиг. 22a, и соответствующий график деформации в зависимости от усилия, показанный на Фиг. 23. Соединительная система с закрытием зазора позволяет получить строительный демпфер 1 с двумя разными жесткостями, что приводит к двум разным уровням усилия, каждый из которых вызывает пластическую деформацию, которая может происходить в конструкции при разных нагрузках из-за землетрясения.
d
d
d
d
F
F
2
2
2
Таким образом, строительный демпфер 1 выполнен так, что в случае слабого землетрясения, создаваемая деформация  меньше, чем  (<). Соответственно, строительный демпфер является менее жестким и создает меньшее демпфирующее усилие (<). Это позволяет создать более упругую конструкцию. Это гарантирует, что во время небольших землетрясений на конструкцию передаются меньшие максимальные ускорения. Это является значительным и нетривиальным улучшением строительного демпфера 1 в соответствии с изобретением по сравнению с обычными SHP- и BRB-демпферами. Это позволяет значительно улучшить защиту не конструктивных или несущих частей конструкции, например, электрического оборудования или внутренней отделки.
d
d
F
F
F
3
3
max
В случае сильных землетрясений в конструкции возникают большие деформации (>). В этом случае демпфер 1 в соответствии с изобретением также может создавать большее демпфирующее усилие (<<). Также значительно увеличивается жесткость, это означает, что конструкция лучше защищена от повреждения.
На Фиг. 24a показана петля гистерезиса строительного демпфера 1, где внутренняя петля соответствует поведению в случае слабого землетрясения, тогда как внешняя часть петли иллюстрирует поведение в случае сильного землетрясения.
d
d
d
d
2
2
На Фиг. 22b показана механическая система в соответствии с альтернативным вариантом выполнения строительного демпфера 1 в соответствии с изобретением. Она отличается от показанной на Фиг. 22a тем, что в данном случае строительный демпфер 1 также имеет систему блокировки для демпфирующей сдвиг части 5, показанной слева на фигуре. Это гарантирует, что, когда деформация  впервые превысит  (>), демпфирующая сдвиг часть 5 больше не сможет деформироваться. Затем только демпфирующая сдвиг часть 5, показанная в системе справа, участвует в демпфировании землетрясения.
На Фиг. 24b показана петля гистерезиса строительного демпфера 1, выполненного в соответствии с Фиг. 22b, где внутренняя петля снова соответствует поведению в случае слабого землетрясения, тогда как внешняя часть петли иллюстрирует поведение в случае сильного землетрясения. Как можно увидеть, в частности, при сравнении с кривой, показанной на Фиг. 24a, этот вариант выполнения позволяет увеличить общее количество рассеиваемой энергии (соответствует площади внутри кривой гистерезиса). Это является следствием более гладкой кривой при сильных землетрясениях по сравнению с Фиг 24a. Следовательно, этот вариант выполнения реализует лучшую защиту конструкции во время сильных или серьезных землетрясений при приблизительно таком же демпфирующем поведении во время слабых землетрясений.
На Фиг. 25 показаны три примера установки строительного демпфера 1 в соответствии с изобретением в конструкции. В данном случае на Фиг. 25a показана конструкция с ферменной балкой 25, к которой прикреплен строительный демпфер 1. Кроме того, конструкция имеет две вертикальные опоры 26, на которые опирается плита 27 перекрытия. В случае землетрясения в ферменной балке 25 возникают направленные по нормали усилия из-за перемещений грунта, действующих на конструкцию. Они демпфируются строительным демпфером 1.
На Фиг. 25b показан второй пример установки строительного демпфера в соответствии с изобретением в конструкции. В данном случае строительный демпфер 1 закреплен в виде ферменного стержня между узлом двух ферменных балок 25 и плитой 27 перекрытия. В данном случае на строительный демпфер также передаются только направленные по нормали усилия.
На Фиг. 25c показан третий пример установки строительного демпфера 1 в соответствии с изобретением в конструкции. В этом случае конструкция представляет собой мост, в котором строительный демпфер 1 закреплен между настилом 28 моста и устоем 29. В данном случае монтаж выполнен таким образом, что на строительный демпфер 1 передаются только направленные по нормали усилия.
ССЫЛОЧНЫЕ ПОЗИЦИИ
1. строительный демпфер
2. стальная балка
3. раствор
4. защитная труба
5. демпфирующая сдвиг часть
6. первая продольная балка
7. поперечная балка в первом положении
8. вторая продольная балка
9. поперечная балка во втором положении
10. третья продольная балка
11. поперечная балка в третьем положении
12. четвертая продольная балка
13. поперечная балка в четвертом положении
14. первое средство передачи усилия
15. поперечина первого средства передачи усилия
16. отверстие первого средства передачи усилия
17. второе средство передачи усилия
18. поперечина второго средства передачи усилия
19. отверстие второго средства передачи усилия
20. сварной шов
21. соединительное средство
22. поперечина соединительного средства
23. первая перемычка
24. вторая перемычка
25. ферменная балка
26. опора
27. плита перекрытия
28. настил моста
29. устой.