Механические методы ограничения перемещений и колебаний

и колебаний

Существует несколько способов ограничения перемещений и колебаний здания с применением механизмов и иных устройств. Каждый из них касается в большей мере динамической, а не статической реакции здания на внешние воздействия [9; 16].

Е. Фрейсинэ (Франция) и Л. Цетлин (США) предложили ограничивать горизонтальные перемещения зданий путем включения в конструкции вертикальных предварительно напряженных тросов с управляемым натяжением, вызывающих в здании деформации, обратные по отношению к внешним нагрузкам (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Схема работы тросов с управляемым натяжением: а - ветровая нагрузка; б - работа тросов; в - совместная работа; 1 - датчик; 2 - тросы; 3 - домкраты; 4 - контрольный блок

Тросы вблизи наружных стен присоединяются к домкратам в основании здания. Датчик измеряет скорость и направление ветра. Эта информация передается контрольному блоку, который включает домкраты для натяжения тросов. Это натяжение вызывает изгибающий момент, противоположный моменту от ветровых нагрузок, что уравновешивает моменты и снижает горизонтальные прогибы. Величина натяжения в тросах изменяется в соответствии с величиной и направлением ветра.

Другой принцип уменьшения влияния порывов ветра на высотное здание - искусственное гашение динамических воздействий ветра (рис. 5.4). Подобно демпферам, поглотители энергии (из ненесущих элементов) могут быть использованы для снижения прогиба и амплитуд колебаний здания.

В здании Нью-Йорк Уорлд Трейд Сентер между нижними поясами решетчатых стальных прогонов и соседними колоннами были поставлены вязкоупругие демпферы (рис. 5.5). Как следует из наименования, вязкоупругий материал является одновременно упругим (возвращается к первоначальному положению подобно резиновой ленте) и вязким (стремится течь под давлением подобно жидкости). Вязкоупругий материал работает под нагрузкой на срез. Он не накапливает энергии как пружина, а превращает ее в тепло, которое рассеивается в окружающую среду. Поэтому после снятия нагрузок материал не восстанавливается как пружина, а медленно возвращается к ненапряженному состоянию. При наличии затухания здание не испытывает колебаний. Вместо этого при порывах ветра демпферы излучают тепло в здание.

Этот принцип может быть также использован в зданиях, основные несущие конструкции которых поддерживают второстепенную каркасную систему (рис. 5.5 - здание US Стил Бил- динг в Питтсбурге). Вспомогательная конструкция перекрытий, в значительной степени испытывающая горизонтальное перемещение, присоединяется к колоннам с помощью вязко- упругих демпферов, которые превращают энергию колебаний в тепловую энергию. В другом случае вязкоупругие демпферы устанавливаются в температурные швы между перекрытиями и ядром жесткости (стволом). Перемещение конструкций перекрытия относительно жесткого ствола превращает энергию колебаний в энергию, диссипируемую демпферами.

Рис. 5.4. Искусственное гашение динамических воздействий: а - без механических демпфирующих систем (только внутреннее затухание); б - с затуханием;

1 - схема демпфера; 2 - вязкоупругая прокладка

Рис. 5.5. Схема применения вязкоупругих демпферов:

1 - вязкоупругий демпфер

Ф. Кхан и М. Финтел разработали следующий принцип контролирования степени повреждений при землетрясениях: предполагается, что первый этаж деформируется при землетрясениях, в то время как верхняя часть здания остается в пределах упругой работы. Нижний этаж имеет систему стабилизирующих стен (рис. 5.6), которые рассчитываются на нагрузки больше сейсмических и таким образом контролируются чрезмерные перемещения верхних этажей.

Рис. 5.6. Схемы применения гибких стяжек: 1 - стены, обеспечивающие устойчивость; 2 - плита; 3 - стяжная муфта; 4 - прокладка из неопрена;

5 - предварительно напряженный трос

Применяются и другие способы гашения внешней энергии. Например, подвеска в здании маятников большой массы, упругие прокладки, система «гибких» этажей и т. д.

Для высотных зданий значительной этажности ужесточение каркасов, оболочек, столбов (ядер) жесткости, связей не обеспечивает защиты от раскачивания. Чтобы воспрепятствовать этим сильным колебаниям, инженеры должны построить особенно мощные конструкции, проходящие через центр здания. В Эмпайр Стейт Билдинг, Chrysler Building и других небоскребах того времени область вокруг центральных шахт лифтов укреплена стальной связкой, окруженной диагональными лучами.

Новые здания обычно имеют несколько железобетонных ядер, встроенных в центр здания или разнесенных от центра.

Создание более жестких зданий защищает их от землетрясения. В основном все строительные конструкции небоскреба раскачиваются синхронно с горизонтальными колебаниями земли, таким образом, его стальной скелет не искривляется и не напряжен. Это помогает защитить структуру небоскреба, но может довольно сильно сказываться на людях, находящихся внутри, и может также нанести большой ущерб мебели и оборудованию. Применяют такую технологию, которая будет противодействовать горизонтальному движению здания, чтобы ослабить силу вибрации.

Некоторые здания уже используют создающие компенсацию ветру демпферы (рис. 5.7). Центр Citicorp в Нью-Йорке, например, использует настраивающийся массивный демпфер. В этой сложной системе масляные гидравлические системы выдвигают 400-тонный железобетонный груз назад и вперед на одном из верхних этажей, перемещая вес всего здания в горизонтальном направлении. Сложная компьютерная система тщательно контролирует, как ветер перемещает здание и, соответственно, смещает груз. Некоторые аналогичные системы перемещения веса здания основаны на движении гигантских маятников.

Рис. 5.7. Динамический гаситель колебаний в виде кольцевой массы (1); роликовые опорные элементы гасителя (2); горизонтальные пружины (3) соединяют массу гасителя с сооружением (4); гаситель снабжен демпферами вязкого трения (5), которые прикреплены к узлам сооружения с помощью шаровых опор (6)