К использованию торсионных энергопоглотителей для сейсмозащиты сооружений
Аннотация
В настоящее время активно развивается направление сейсмозащиты, связанное с использованием специальных устройств, так называемых энергопоглотителей. Весьма эффективными являются конструции энергопоглотителей, в которых рабочий элемент испытывает деформациии кручения. Такие ЭПУ обладают максимальным энергопоглощением при минимальной массе.
Ключевые слова: Сейсмозащита, энергопоглощение, диаграмма деформирования, пластическая деформация, пластическое кручение
Для сейсмозащиты сооружений, как правило, используются следующие основные группы: системы, реализующие принципы сейсмоизоляции; адаптивные системы с изменяющимися характеристиками; системы с повышенным демпфированием; системы с гасителями колебаний.
Основная идея сейсмозащиты состоит в снижении сейсмической реакции сооружений и имеет определенную область применения, зависящую от основной конструкции объекта, его функционирования и назначения.
К мерам активной сейсмозащиты сооружений можно отнести создание систем с повышенным демпфированием в несущих конструкциях. Известно, чем больше затухание в основной конструкции, тем меньше реакция системы при одном и том же воздействии. Поэтому наиболее эффективными будут системы сейсмозащиты с повышенным рассеянием энергии при их колебаниях.
В настоящее время активно развивается направление сейсмозащиты, связанное с использованием специальных устройств, так называемых энергопоглотителей, принцип действия которых основан на рассеивании энергии за счет процессов пластического кручения. Такие поглотители проектируются в узлах конструкций с наиболее вероятным возникновением зон пластических деформаций [1]. Достоинством таких поглотителей является то, что они имеют небольшие размеры, возможность использования в сооружениях различных конструктивных схем и возможность легкой замены в случае необходимости.
Существующие энергопоглощающие устройства (ЭПУ), различаются как по конструктивному выполнению рабочих элементов так и по способу их деформирования.
Наиболее перспективными с точки зрения энергоемкости являются ЭПУ, у которых пластическая деформация, а, следовательно, и диссипация энергии, происходит по всему объему рабочего элемента. Конструкция таких ЭПУ может быть весьма технологична [2,4,5] .
Величина поглощаемой и рассеиваемой ЭПУ энергии ударного импульса будет зависеть от их формы, которая определяет вид пластической деформации рабочих элементов, составляющих конструкцию отдельного ЭПУ.
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. Далее рассмотрим деформацию кручения.
В общем виде энергоемкость стержня определяется полной работой пластической деформации при нагружении его от предела текучести до предела прочности [6]:
Интегралы берутся по пути деформирования.
Представим диаграмму деформирования до предела прочности в виде:
Рис. 1. Диаграмма деформирования до предела прочности
Тогда работа пластической деформации, определяющая энергоемкость стержня, находится по формуле: 
,
где MT – момент, соответствующий пределу текучести материала стержня;
MB – момент, соответствующий пределу прочности материала стержня;
max - угол закручивания, при котором происходит разрушение стержня;
Обозначая 
, получим:
,
где l, d – длина и диаметр стержня (рабочего элемента);
max – угол закручивания, при котором происходит разрушение стержня.
Величина удельного энергопоглощения, т.е. работа пластической деформации, отнесенная к единице объема рабочей части стержня определяется по формуле:
акр = 0,5ср max.
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, определяется площадью под частью кривой М = (), 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, имеющей вид прямоугольника со сторонами MВ, φmax∙Кд = Sд / Smax,
где Sд – площадь под кривой деформирования, полученная при экспериментальном исследовании ЭПУ.
Значения энергоемкости и коэффициента демпфирования, а также технологичность изготовления и сборки определяют эффективность конструкции.
На рис. 2 представлено простейшее техническое решение торсионного ЭПУ, которое может найти применение для защиты различных объектов (опор мостов, линий электропередач, строений и т.п.), расположенных в зонах возможных ударных воздействий. Данное ЭПУ состоит из двух стержней 1 и двух рычагов 2, в которых неподвижные концы торсионов закреплены в фиксаторе 3.
Рис. 1. Пластический торсионный энергопоглощающий элемент
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. Смирнов И.И. и др. Амортизирующее устройство. Авт. свидетельство,
№ 105321,1977.
5. Смирнов И.И., Аксенов И.В., Стрежнев Е.А. Амортизатор. Авт. свидетельство,
№1414971, 1988.
6. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. Учеб. пособие / Я.Б. Фридман.
- М.: Машиностроение, 1974.