К мерам активной сейсмозащиты зданий 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 совершенно естественным является желание некоторых проектировщиков создать конструкции с повышенным рассеянием энергии при их колебаниях.
Системы с вязкими демпферами
Наиболее простым и эффективным способом уменьшения амплитуд колебания здания при землетрясении могло бы быть использование вязких демпферов промышленного изготовления. На рис. 6.4, в гл. 6 в качестве примера, показана конструкция вязкого демпфера, разработанного в ЦНИИСК им. Кучеренко [98]. Демпфер состоит из цилиндрического корпуса, в который с определенным зазором помещен поршень. Демпфирующая жидкость состоит из двух компонентов, один из которых имеет большую вязкость, но малый удельный вес (например, полиметилсилоксановая жидкость), другой - малую вязкость, но больший удельный вес (вода). Рассеивание энергии происходит как при движении поршня в вертикальном направлении, так и при движении в горизонтальном. Но такие демпферы довольно дороги, и в них используется дефицитная вязкая жидкость. Кроме того, они требуют периодической проверки в процессе эксплуатации. В связи с этим в практике сейсмостойкого строительства в нашей стране они не нашли практического применения.
За рубежом вязкие демпферы нашли применение-в системе сейсмоизоляции, применяемой фирмой GERB (ФРГ) для реакторов атомных электростанций.
Системы с элементами повышенной пластической деформации
В настоящее время активно развивается направление сейсмозащиты, связанное с использованием специальных устройств, так называемых энергопоглотителей, способных поглощать энергию сейсмических воздействий за счет развития в материале конструкций неупругих деформаций. Такие поглотители проектируются в узлах конструкций с наиболее вероятным возникновением зон пластических деформаций [51]. Достоинством таких поглотителей является то, что они имеют небольшие размеры, возможность использования в зданиях различных конструктивных схем и возможность легкой замены в случае необходимости.
Основным элементом поглотителей могут служить стальные балки (рис. 3.8), которые при пластических деформациях способны поглощать значительное количество энергии. Испытание таких поглотителей показало, что продолжительность их эффективной работы достигает от 70 до нескольких сотен циклов [143]. Это ограничивает срок их службы одним, двумя землетрясениями.
В ЦНИИпроектстальконструкции приведены исследования по изучению работы на знакопеременные циклические нагрузки различных конструктивных решений энергопоглотителей стержневого и рамного типов [64]. Эти исследования показали, что наибольшей энергоемкостью и долговечностью (55 циклов нагружения) обладает энергопоглотитель кольцевого типа, устанавливаемый в систему крестовых связей каркаса здания (рис. 3.9).
Поглотители энергии с существенно большим сроком службы разработаны специалистами Новой Зеландии. Ими предложена конструкция экструзионного поглотителя энергии, ведущего себя как "Кулонов демпфер" [140]. Конструкции экструзионных поглотителей энергии двух типов показаны на рис. 3.10. Поглотитель I типа состоит из цилиндра с толстыми стенками и двух поршней, соединенных стержнем. Посредине цилиндра предусмотрено местное сужение сечения. Пространство между поршнями и стенками цилиндра заполнено свинцом. При колебаниях конструкции, к которой присоединен поглотитель, происходит протягивание свинца через экструзионное отверстие, образованное стенками цилиндра в его суженном сечении и стержнем. Так как протягивание связано с процессом пластических деформаций, то по мере продвижения поршня в цилиндре происходит рассеивание энергии.
Поглотитель энергии с ходом поршня ±20 см. рассчитанный на воспринятие динамической силы 150 кН, имеет массу 100 кг. Были проведены испытания поглотителя на частотах 0,5; 1,0 и 2,0 Гц в течение 3400 циклов. После этого испытания свойства поглотителя не изменились, и на основании этого было сделано заключение, что поглотитель выдержит ряд землетрясений.
Поглотитель энергии II типа отличается от поглотителя I типа тем, что состоит из цилиндра с ровными стенками, а движущийся стержень имеет утолщение в средней части. Поглотитель II типа имеет более высокий к.п.д. Экструзионные поглотители энергии получили практическое применение при строительстве моста с наклонным пролетным строением над автострадой в г. Веллингтоне [141]. Для поглощения энергии колебаний установлено шесть поглотителей, которые одним концом прикреплены к опоре моста, а другим - к пролетному строению. Предполагается также применять такие поглотители энергии в раскосных элементах каркаса зданий.
Системы с демпферами сухого трения
Наряду с предложениями об использовании в сейсмостойком строительстве упругопластических систем существуют предложения об использовании упругофрикционных систем [59, 67]. Существо этих предложений заключается в том, что в конструкциях зданий организовываются зоны, в которых при деформациях определенной величины происходит взаимное проскальзывание элементов конструкций при сухом трении.
В ЦНИИЭП лечебно-курортных зданий разработана конструкция объемно-блочного здания в виде вертикальных упругих ветвей [60]. Каждая ветвь состоит из ряда блоков, установленных друг на друга и жестко соединенных между собой в горизонтальных стыках-Ветви соединяются между собой на болтах, равномерно расположенных по высоте здания. Усилия в болтах задаются по расчету, исходя из условия наибольшего поглощения энергии в системе в результате проскальзывания в вертикальных швах. К достоинству данной системы можно отнести то, что можно регулировать величину обжатия соприкасающихся поверхностей элементов системы, добиваясь оптимальной с точки зрения снижения сейсмической реакции здания.
В ТбилЗНИИЭП разработана система сейсмозагциты для 16-этажного каркасно-панельного здания, предусматривающая использование фрикционных диафрагм [118]. Особенность конструкции заключается в том, что стены-диафрагмы выполнены из двух панелей, одна из которых крепится к ригелю верхнего этажа, а другая — к ригелю нижнего этажа. Между панелями проложен фрикционный материал, и образованный трехслойный пакет обжимается болтами, число которых назначается по расчету (рис. 3.11).
В Минпромстрое Армянской ССР для многоэтажных каркасно-ствольных зданий, возводимых методом подъема этажей или перекрытий, разработаны V-образные стальные и "песочные" демпферы, располагаемые между каркасом и стволом здания [100]. Эксперименты на моделях показали, что применение таких демпферов позволяет увеличить логарифмический декремент колебаний в три раза, а расчеты, проведенные для 12-этажного здания, показали, что демпферы позволяют уменьшить прогибы ствола в пять раз и прогибы каркаса в два раза при резонансных колебаниях всей системы.
В работах [11, 34] развивается идея применения несущих высокопрочных болтов для улучшения диссипативных характеристик конструкций. Так, при испытании модели решетчатой конструкции регулировка степени обжатия соединений только раскосов высокопрочными болтами позволила изменить величину декремента колебаний более чем вдвое.
Экспериментальные и теоретические исследования работы конструкций с учетом сил трения между элементами выполнены в Харьковском ПромстройНИИпроекте. Показано, что сухое трение существенно влияет на вибрацию строительных конструкций, получены значения коэффициентов трения бетона по бетону (0,6-0,725) и бетона по стали (0,45-0,6).
Кроме перечисленных выше конструктивных решений, предусматривающих размещение довольно большого числа элементов с сухим трением по всему объему здания, имеются решения, в которых демпферы сухого трения сосредоточены в нескольких местах, как правило, в уровне первого этажа здания [5, 22, 101]. Демпферы сухого трения такого типа могут применяться в системах сейсмоизоляции в зданиях с первым "гибким" этажом, с высоким свайным ростверком и с кинематическими фундаментами.
Недостатком всех предлагаемых решений с использованием сухого трения является нестабильность демпфирующих характеристик, возможность их существенного изменения в процессе эксплуатации зданий.