ДЕМПФИРОВАНИЕ КАК МЕТОД СЕЙСМИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

По сравнению с территориями стран Тихоокеанского (огненного) кольца, территория Российской Федерации обладает умеренной сейсмической активностью. 26 % территории, подверженных землетрясениям приходятся на Северный Кавказ, южную часть Сибири и Дальний Восток. В перечисленных областях располагается множество крупных городов. Обеспечение сейсмостойкости зданий и сооружений – вопрос актуальность которого не убывает уже несколько десятилетий. При проектировании зданий и сооружений в районах с повышенной сейсмической активностью рекомендуется применять системы сейсмоизоляции, демпфирование и другие системы регулирования сейсмической реакции [1, с. 9].

Одним из распространенных методов сейсмической защиты, который помогает достигнуть значительного гашения колебаний, является устройство демпфирования различных конфигураций. Данный вид устройств обладает повышенными диссипативными свойствами за счет работы сил пластического деформирования, сухого или вязкого трения. Общая классификация систем с повышенным демпфированием выглядит следующим образом:

Рисунок 1. Классификация систем с повышенным демпфированием

Системы с вязкими демпферами считаются одними из наиболее эффективных методов уменьшения амплитуд колебаний здания. Вязкие демпферы представляют собой цилиндрические поршневые устройства. Они работают за счет силы реакции силиконовой жидкости, которая проходит через отверстия заданного диаметра или клапанную систему.

Достаточно широкое распространение получила система многокомпонентной вибро- и сейсмозащиты (система GERB). Она представляет собой пружинные виброизоляторы с поршневыми демпферами вязкого трения VES.

Рисунок 2. а) конструктивная схема пружинного виброизолятора системы GERB; б) конструктивная схема вязкого демпфера VES:

1-поршневой вязкий демпфер VES; 2-болт; 3-опорная плита; 4-пружина; 5-корпус; 6-поршень; 7-вязкая жидкость

Особенно широкое применение данная система получила в жилищном строительстве. Ее преимущество состоит в том, что она позволяет снизить вертикальную и горизонтальную составляющую сейсмического воздействия. Ускорения сооружения с данной системой снижаются в 8 раз.

Демпферы сухого трения считаются наиболее практичными с точки зрения эксплуатации и практической реализации. Данный вид сейсмической защиты получил достаточно широкое распространение в качестве дополнительных средств защиты (совместно с «гибким» первым этажом, с высоким свайным ростверком и кинематическими фундаментами). В качестве основного материала «сухих» демпферов применяются трущиеся пары из различных материалов: металл по металлу, бетон по бетону, полимерные прокладки различного вида по металлу, либо друг по другу.

При проектировании систем с демпферами сухого трения необходимо решать определенные технические задачи:

• Для создания нужных сил трения есть необходимость обеспечить либо высокий коэффициент сухого трения, либо сильное обжатие трущихся пар. К выбору материалов трущихся пар и их характеристикам нужно подходить особенно внимательно, так как оба способа при неправильном подборе материала могут привести к нестабильности работы соединения;
• Необходимо создать возможность регулирования сил сухого трения на стадии строительства и эксплуатации для обеспечения расчетного эффекта сейсмогашения;
• При проектировании демпферов сухого трения предпочтение необходимо отдавать конструкциям, обеспечивающим более плавное включение устройств в работу. Это связано с тем, что во время работы демпферов сухого трения происходит скачкообразное изменение сил, действующих на конструкцию, что в свою очередь вызывает появление неблагоприятных паразитных колебаний в сооружении.

Вышеперечисленным требованиям отвечает демпфер сухого трения с трущейся парой, состоящей из железобетонной плиты и сыпучего материала. Создание данной системы было основано на положительном опыте применения сыпучих материалов в качестве сейсмоизолирующих подушек. Этот демпфер вводится в конструкцию сейсмоизолирующего фундамента, плита демпфера укладывается между выступами верхней фундаментной плиты и нижней с маленькими зазорами [2, с. 94]. Возможность регулирования сил сухого трения осуществляется через пружинное устройство с домкратом, установленное на плиту демпфера.

Рисунок 3. Конструкция сейсмостойкого фундамента

1-фиксаторы положения, 2-место для установки домкрата, 3-выступы верхней плиты; 4-железобетонная плита, 5-сыпучий материал, 6-пружинные пригрузы, 7-нижняя плита сооружения

Одним из активно развивающихся систем с повышенным демпфированием являются системы с элементами повышенной пластической деформации, так называемые энергопоглотители, способность которых к поглощению энергии реализуется за счет развития в материале конструкций неупругих деформаций. Данный вид сейсмической защиты проектируется в местах с наиболее вероятным возникновением зон пластических деформаций. Преимуществом энергопоглотителей является их компактные размеры, возможность использования в зданиях различных конструктивных схем и возможность легкой замены при необходимости.

Согласно исследованию по наблюдению за работой различных конструктивных решений на знакопеременные циклические нагрузки было доказано, что наибольшей долговечностью и энергоемкостью обладает энергопоглотитель кольцевого типа (55 циклов нагружения), который устанавливается в систему крестовых связей каркаса здания.

Рисунок 4. Схема сейсмозащиты каркасного здания с помощью энергопоглотителя кольцевого типа

В мировом и отечественном опыте проектирования уже накоплен опыт сейсмической защиты зданий и сооружений методами систем с повышенным демпфированием. Однако, у каждого из них есть свои достоинства и недостатки. В настоящее время производителями антисейсмических изделий активно ведется усовершенствование всех систем защиты зданий и сооружений от землетрясений, в том числе и демпфирующих устройств.

Список литературы:

1. СП 14.13330.2014. Строительство в сейсмических районах. –Введ. 2014-06-01. – М.: Министерство строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации. -107 с.
2. Мартемьянов А. И. Проектирование и строительство зданий и сооружений в сейсмических районах: Учеб. пособие для вузов. – М.: Стройиздат, 1985. – 255 с.
3. Поляков В.С. Современные методы сейсмозащиты зданий/ В.С. Поляков, Л.Ш. Килимник, А.А. Черкашин. – М.: Стройиздат,1989. - 320 с.
4. Уздин А.М. Основы теории сейсмостойкости и сейсмостойкого строительства зданий и сооружений / А. М. Уздин, Т.А. Сандович, Аль-Насер-Мохомад Самих Амин. – СПб.: Изд-во ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, 1993. – 176 с.
5. Чигринская Л.С. Сейсмостойкость зданий и сооружений: Учеб. пособие для вузов. – Ангарск: Изд-во АГТА, 2009. - 107 с.