CC BY
34
СЕЙСМОИЗОЛЯЦИЯ ЗДАНИЯ С ДИНАМИЧЕСКИМ ГАСИТЕЛЕМ
КОЛЕБАНИЙ
Г.Ф. ПЕНЬКОВСКИЙ, д-р техн. наук, профессор, В.В. СЕВАСТЬЯНОВ, канд. техн. наук, доцент
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, svvtpz@lan. spbgasu. т,
Рассматриваются вопросы повышения сейсмостойкости зданий и сооружений с использованием сейсмоизоляции. В качестве варианта сейсмоизоляции предложено решение с подвеской здания на жестких тягах с использованием механического гасителя колебаний. Предложен численный дискретно-шаговый метод для расчета параметров колебаний здания. Показано, что применение гасителя колебаний позволяет существенно снизить амплитуду колебаний зданий, даже в случае резонанса.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: сейсмостойкое здание, сейсмоизоляция, гаситель колебаний.
Опыт строительства зданий в сейсмоопасных районах показывает, что повышение сейсмостойкости зданий достигается как за счет повышения прочности их конструкций, так и посредством уменьшения сейсмических сил, действующих на здание при устройстве сейсмоизоляции [1,6,7]. В работах [2,5] приведено решение сейсмоизоляции маятникового типа с подвеской здания на жестких тягах, позволяющее снизить наиболее опасные горизонтальные силы, действующие на здание. Горизонтальные колебания здания при этом могут входить в резонанс с вынужденными колебаниями грунта основания, поскольку внешнее воздействие приложено к зданию в виде широкого спектра смещений с разными частотами и амплитудами. В этих условиях представляет интерес рассмотреть возможность применения механического гасителя колебаний, по типу применяемых в машиностроении [3].
На рис.1 показана конструктивная схема сейсмоизоляции здания маятникового типа с динамическим гасителем колебаний.
Рис. 1. Конструктивная схема системы маятникового типа
<Л2
Рис. 2. Расчетная схема
2, подвешенной на жестких тягах з к стакану внешнего фундамента 4. Гаситель колебаний в виде плиты 5 подвешен на жестких тягах 6 к основному зданию. Силы, действующие на массу здания М1 и массу гасителя М2 показаны на расчетной схеме рис.2 Вес здания G1 = М^ и гасителя G2 = М2 g создает усилие Р1. возвращающее массу М1 в равновесное положение.
Р1 = (М1 + М 2) g sma1 = М1 (1 + т) g-
где т = М2 /М1, х0 - вынужденное смещение точки подвеса; Х\ - смещение массы зданияМ\; R\ - длина тяги подвески основного здания. Аналогичное усилие для массы гасителя М2:
Р2 = М 2 g—" ^
(1)
Rn
(2)
где х2 - перемещения массы гасителя М2; R2 - длина тяги подвески гасителя.
На точки подвески действуют силы реакции - М1Х1 и - М2 Х2 от их движения с ускорениями Х1, Х2. Уравнение горизонтального движения массы М1 имеет вид:
М1 (1 + т) g-
Rl
XI
— - М2 Х2 - М1Х1 = 0.
Для массы гасителя М2: М 2 gXl—— - М 2 X 2 = 0.
R^
(3)
(4)
Решение задачи взаимодействия основной массы системы с гасителем колебаний приведено в работах [3,4] для установившихся колебаний, когда основная масса становится неподвижной, а вся энергия колебаний передается гасителю. Для сейсмоизоляции важно проследить начальный неустановившийся процесс колебаний, поскольку при землетрясениях весь процесс взаимодействия массы сооружения с грунтом является стохастическим, неустановившимся [1,8]. В этом случае определить параметры движения масс М\ и М2 можно с применением прямого численного дискретно-шагового метода расчета, приведенного в работе [2] для расчета сейсмоизоляции маятникового типа. Алгоритм решения задачи аналогичен приведенному в упомянутой работе, но расширен для решения системы дифференциальных уравнений (3)-(4).
Ниже приводятся результаты расчета для характерных примеров. На рис . 1 приведены графики колебаний здания при резонансе и отсутствии гасителя.
Колебания совершаются при воздействии внешних колебаниях амплитудой х0 = 0,1 м при частоте, равной собственной частоте колебаний здания. Результаты расчета подтверждаются возрастанием амплитуды по известной теоретической асимптоте.
На рис.4 приведены результаты расчета при наличии гасителя и значении параметра т = 0,5. Из анализа графиков следует, что амплитуда колебаний здания при использовании гасителя по сравнению с резонансом уменьшается в ~ 3 раза, а колебания передаются на гаситель.
г'
т—0,5 J
0 0 5 1 1 — f 0 2 Ь 3
\ /
----XI
---х2
-КО
и соотноше-счета будет
ового мето-емы диффе-
Ра> I о.ооо %
нияхдг §
-0,200
на прав
До -°-400 да в эл -о,боо ренциа
_ ____Рис.4 Колебания системы с гасителем
1. Повышение сейсмостойкости зданий и сооружений можно обеспечить как усилением конструкции, так и применением мер сейсмоизоляции.
2. В качестве варианта сейсмоизоляции предложено решение с подвеской здания на жестких тягах с использованием механического гасителя колебаний.
3. Приведен пример расчета параметров колебаний здания дискретно-шаговым методом с использованием программы Excel.
4. Результаты расчета предложенной модели проверены на частных случаях, описанных в теоретической литературе [4].
5. Применение гасителя колебаний позволяет существенно снизить амплитуду колебаний зданий даже в случае резонанса.
Л и т е р а т у р а
1. Сейсмостойкое строительство зданий. Под ред. И.Л. Корчинского - М., «Высшая школа», 1971. - 32 с.
2. Пеньковский Г.Ф., Севастьянов В.В. К расчету сейсмостойкого здания на жесткой подвеске// Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. - №1.
- 2012. - С.58-61.
3. Справочник по динамике сооружений. Под ред. Б.Г. Коренева, И.М. Рабиновича.
- M.: Стройиздат, 1972. - 511 с.
4. Яблонский А.А., Норейко С.С. Курс теории колебаний. - СПб: Изд-во «Лань», 2003. - 256 с.
5. Пеньковский Г.Ф., Сахаров И.И., Ершов А.В. Сейсмостойкое здание. Патент на изобретение, №2383704 от 10.03.2010 г.
6. Shirai, K., Sano, T., Suzui, Y., Kageyama M., Kikuchi, M. Development of friction damper with displacement dependent variable damping force characteristics// AIJ Journal of Technology and Design. - 18 (38). - 2012. - P. 85-90.
7. Paganoni, S., D'Ayala, D. Experimental and computational validation of dissipative prototype for the seismic protection of heritage buildings// Advanced Materials Research. -133-134. - 2010. - P. 831-836.
8. Li, B., Fu, H., Xiang, W. The computational analysis and evaluation on the seismic response of base isolated benchmark building// Applied Mechanics and Materials. - 204-208. -2012. - P. 2387-2393.
R e f e r e n c e s
1. Seismostoykoe Stroitelstvo Zdaniy (1971), Red. I.L. Korchinskiy, M.: Visshaya shkola, 32 p.
2. Penkovskiy, G.F., Sevastiyanov, V.V. (2012). On analysis of a seismic resistance building with rigid hanging, Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings, №1, pp. 58-61.
3. The Reference Book on Dynamic of Buildings (1972). Adopted by B.G. Korenev, I.M. Rabino-vitch, Moscow: Stroyizdat, 511 p.
4. Yablonskiy, A.A., Noreyko S.S.(2003). Course of Theory of Vibrations, SPb: "Lan", 256 p.
5. Penkovskiy, G.F., Saharov, I.I., Ershov, A.V. (2010). Seismostoykoe zdanie, Patent of RF, № 2383704, March 10, 2010.
6. Shirai, K., Sano, T., Suzui, Y., Kageyama M., Kikuchi, M. (2012). Development of friction damper with displacement dependent variable damping force characteristics, AIJ Journal of Technology and Design, 18 (38), 85-90.
7. Paganoni, S., D'Ayala, D. (2010). Experimental and computational validation of dissipative prototype for the seismic protection of heritage buildings, Advanced Materials Research, 133-134, 831-836.
8. Li, B., Fu, H., Xiang, W. (2012). The computational analysis and evaluation on the seismic response of base isolated benchmark building, Applied Mechanics and Materials, 204-208, pp. 2387-2393.
THE SEISMIC ISOLATION OF A BUILDING WITH DYNAMIC DAMPING
OF VIBRATIONS
Penkovskiy G.F., Sevastiyanov V.V.
Sankt-Peterburgskiy gosudarstvenniy arhitekturno- stroitelniy universitet, SPb
The issues of seismic stability increase for the buildings and constructions implementing seismic insulation are investigated.
KEY WORDS: aseismic building, seismic stability, damping.
