Обоснование конструктивных особенностей энергопоглотителей для сейсмозащиты сооружений
Аннотация
В настоящее время активно развивается направление сейсмозащиты, связанное с использованием специальных устройств, так называемых энергопоглотителей. В данной работе показано, что конструкцию энергопоглотителей целесообразно выполнять таким образом, чтобы рабочий элемент испытывал деформацию кручения. Такие ЭПУ бдут обладать максимальным энергопоглощением при минимальной массе. Предложены конструкции ЭПУ.
Ключевые слова: Динамическая нагрузка, упругопластическая деформация, диаграмма деформирования, энергопоглощение
В отличие от обычно применяемых мер, в основном связанных с повышением несущей способности конструкций, меры сейсмозащиты сооружений, связанные со значительным снижением уровня инерционных сил, развивающихся в них при землетрясениях, называют мерами активной сейсмозащиты [3]. Начиная с 1925 года, когда было опубликовано предложение М. Вискордини по устройству в подвальной части зданий катковых опор или колонн со сферическими верхними и нижними опорами, был предложен и частично реализован в сейсмостойком строительстве целый ряд систем активной сейсмозащиты.
Большинство из методов сейсмозащиты позволяет снизить сейсмическую реакцию сооружений в два-три раза, что дает возможность вести проектирование с расчетной сейсмичностью на балл ниже. Как правило, каждая система сейсмозащиты имеет определенную область применения, зависящую от основной конструкции здания, его этажности и характеристик возможных землетрясений [1].
Решая вопрос о применении сейсмозащиты, необходимо учитывать, что достаточно серьезные работы по исследованию активных систем сейсмозащиты необходимо еще продолжать. На это обстоятельство указывают недавние события в Японии.
Анализ технической литературы и проведенные патентные исследования показывают, что в настоящее время предложено значительное количество энергопоглощающих устройств (ЭПУ), различающихся по конструктивному выполнению рабочих элементов и способу их деформирования:
- ЭПУ с выдавливанием или волочением металла, т.е. такие элементы, в которых используется принцип работы, аналогичный применяемому в гидродемпферах: металл продавливается или вытягивается через отверстия или зазоры. В этом случае энергия расходуется на вязкое изменение формы, которое осуществляется местным продавливанием шариков, роликов, пуансона и т. п.
- ЭПУ, работающие по принципу металлорежущих инструментов, т.е. такие элементы, в которых энергия расходуется на разделение и измельчение металла при помощи ножей, резцов и т.п.
- собственно пластические ЭПУ, в которых диссипация энергии происходит при пластической деформации металла по всему объему. При этом рабочие элементы могут растягиваться, сжиматься, изгибаться, скручиваться.
ЭПУ первого типа имеют малые габариты при достаточной энергоемкости, однако для изготовления формоизменяющих элементов требуются дефицитные материалы и большая точность, что затрудняет их широкое использование.
ЭПУ второго типа обладают малой энергоемкостью, так как деформируются одновременно только части объема рабочих элементов, поэтому их применение в устройствах сейсмозащиты зданий нецелесообразно.
Наиболее перспективными с точки зрения энергоемкости являются ЭПУ третьего типа, у которых пластическая деформация, а следовательно, и диссипация энергии, происходит по всему объему рабочего элемента. Конструкция таких ЭПУ может быть весьма технологична.
В настоящее время в ЭПУ третьего типа используются: раздельное дорнование и обжатие трубы; совместное дорнование и обжатие трубы; деформирование оболочек или сплошных сред; растяжение или изгиб стержней.
Целесообразность применения того или иного вида деформации (изгиб, растяжение, сжатие, кручение), а, следовательно, той или иной формы ЭПУ при изготовлении их из стержней, можно оценить, сравнивая величины предельной энергоемкости, которая у одного и того же материала неодинакова при различных видах деформирования.
Изгиб и сжатие из рассмотрения можно сразу исключить, так как при изгибе, как правило, распределение напряжений чрезвычайно неравномерно (осуществление чистого изгиба слишком сложно обеспечить конструктивно), а пластическое сжатие не позволяет получить достаточных деформаций без потери устойчивости стержня.
В общем виде энергоемкость стержня определяется полной работой пластической деформации при нагружении его от предела текучести до предела прочности [4].
С достаточной для сравнительного анализа точностью диаграмму деформирования при простом нагружении можно представить трапецией. Рассмотрим деформацию растяжения. Работа пластической деформации, определяющая энергоемкость стержня, находится по формуле: 
, где PT - соответствует пределу текучести материала стержня, PE - пределу прочности материала стержня, lmax - удлинение, при котором происходит разрушение стержня. Обозначая 
, получим: Ар = Рср lmax = max F( l,
где F, l, d – площадь поперечного сечения, длина и диаметр стержня (рабочего элемента);
max – относительное удлинение, при котором происходит разрушение стержня.
Величина удельного энергопоглощения, т.е. работа пластической деформации, отнесенная к единице объема рабочей части стержня определяется по формуле: ар = ср max.
Аналогично, можно проанализировать деформацию кручения, получая расчетные формулы для работы пластической деформации Aкр, удельного энергопоглощения aкр, угла закручивания γmax и среднего напряжения ср.0
Экспериментальные исследования на стержнях, изготовленных из сталей 20 и 45, показали, что ср 0,8 ср, а max 4max [2].
Отсюда а кр 1,5 ар.
Если еще учесть, что относительное удлинение до начала образования шейки (равномерное удлинение) заметно меньше max, то энергоемкость стержня при кручении окажется еще большей по сравнению с энергоемкостью при растяжении.
Качественно полученные результаты можно объяснить тем, что, согласно диаграммы механического состояния, деформация кручением является существенно более «мягким» процессом нагружения, чем растяжение (при кручении max = max, а при растяжении max = 2max [2,3]).
Кроме удельной энергоемкости, важнейшей характеристикой ЭПУ являются его демпфирующие свойства. Очевидно, что наиболее эффективным при прочих равных условиях, является ЭПУ, у которого при равном ходе и равной максимальной нагрузке удельная работа деформации будет больше. Так как энергия, накопленная в единице объема материала, сжатого до деформации определяется площадью под частью кривой деформация–напряжение = (), ограниченной величиной , то ее значение будет максимальным для прямоугольной диаграммы деформирования. Следовательно, демпфирующая способность ЭПУ может оцениваться отношением площади под кривой деформирования этого элемента Sд, к площади под диаграммой деформирования Smax , имеющей вид прямоугольника со сторонами в и max : Кд = Sд / Smax.
Коэффициенты демпфирования, рассчитанные по экспериментальным диаграммам деформирования, получились примерно равными: Кд = 0,92 - при растяжении и Кд = 0,95 – при кручении [2,4].
Установленные преимущества в энергоемкости и коэффициенте демпфирования, а также предполагаемая высокая технологичность изготовления и сборки позволяют сделать вывод о том, что форма ЭПУ активной сейсмозащиты зданий должна выбираться так, чтобы стержни, составляющие их конструкцию, испытывали, в основном, деформацию пластического кручения [5]. В этом случае энергоемкость устройств защиты будет максимальной при минимальном весе конструкции.
Пластическое ЭПУ может использоваться с упругим элементом, в качестве которого удобно использовать упругие торсионы, как это показано на рис. 1. В этом случае все стержни при нагружении скручиваются и сопротивляются перемещению, а упругие стержни 4, кроме того, накапливают потенциальную энергию, которая используется для раскручивания пластических стержней при окончании воздействия, и тем самым возвращают ЭПУ в исходное состояние.
Рис. 1. Упругопластический торсионный амортизатор
Для сейсмозащиты зданий целесообразно использовать ЭПУ, конструкция которого представлена на рис. 2. Это ЭПУ включает пластические торсионы 1, фиксатор 2 и рычаги 3.
Рис. 2. Составной пластический торсионный энергопоглощающий элемент
Рассмотренные ЭПУ целесообразно использовать в зданиях, имеющих металлический каркас [3]. Для многоэтажных каркасно-панельных зданий можно рекомендовать фрикционные диафрагмы и демпферы сухого трения [6].
Литература
1. Корчинский И.Л. и др. Рекомендации по расчету металлических рамных каркасов на сейсмические воздействия с учетом образования пластических шарниров. – М.: Стройиздат, 1974
2. Панов Б.В., Семененко Н.П., Смирнов И.И. Торсионные пластические амортизаторы. Учеб. Пособие.– Ростов-на-Дону: РВВКИУ РВ, 1985.
3. Поляков С.В. Последствия сильных землетрясений. – М.: Стройиздат, 1978.
4. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. Учеб. пособие / Я.Б. Фридман.
- М.: Машиностроение, 1974.
5. Смирнов И.И. и др. Амортизирующее устройство. Авт. свидетельство,
№ 105321,1977.
6. Смирнов И.И., Аксенов И.В., Стрежнев Е.А. Амортизатор. Авт. свидетельство,
№1414971, 1988.