Вязкостный демпфер (ВД)

Научно-производственная компания «Мониторинг Мостов» оказывает услуги по проектированию антисейсмических и демпфирующих устройств для гашения колебаний пролетных строений и опор мостов.

Для обеспечения сейсмостойкости мостов основное значение имеет проектирование опор и их фундаментов с учетом силы землетрясения, характера грунтов основания и особенностей сооружения. Для мостов с расчетной сейсмичностью 7 баллов практически могут быть использованы все основные виды опор, применяемые в несейсмических районах. При более высокой сейсмичности необходим специальный подбор наиболее целесообразных типов опор и осуществление дополнительных антисейсмических мероприятий. Прежде всего необходимо совместить на одной вертикали центры масс и центры тяжести опоры и площади подошвы фундамента, что достигается использованием симметричных форм. Идеальным в этом случае следует считать цилиндрическую или близкую к ней форму опоры и фундамента. Это обеспечивает однородность структуры, по высоте смягчающую эффект наложения разнохарактерных колебаний отдельных частей, — этому же способствует симметричная разбивка моста на пролеты.

Наиболее целесообразны по условиям сейсмостойкости железобетонные монолитные или сборные устои. При соответствующем обосновании расчетом в сейсмических районах можно применять все известные конструкции устоев столбчатого, коробчатого или козлового вида. При этом необходимо избегать передачи продольных сейсмических усилий с пролетных строений на устои, используя для этого поддемпфированные переходные плиты.

Вязкостные демпферы применимы как для любых видов сооружений транспортного и промышленно-гражданского строительства. При этом конструкции могут быть как соединенными с основанием, так и изолированными от него. ВД, контролируя усилие реакции, способны рассеивать до 50% от критической энергии динамического воздействия, тем самым обеспечивая значительное уменьшение воздействия сейсмических нагрузок на сооружение.

Вязкостный демпфер дает устойчивый рост усилия реакции при превышении определенного уровня скорости смещений. При этом для медленных смещений в ВД может быть реализовано два варианта работы: перетекание жидкости из одной полости в другую с минимальным сопротивлением или блокировка движения жидкости (обеспечение тем самым жесткого соединения) до определенного уровня сейсмической нагрузки.

Вязкостные демпферы могут использоваться не только для защиты сооружений от сейсмических воздействий, но и как гасители ветровых колебаний на высотных зданиях, мостах и других сооружениях.

Для представления модели поведения вязкостного демпфера используются следующую зависимость:

Fвд = C*Vα

где

• Fвд — усилие реакции устройства (кН);
• C — постоянная демпфирования (кН*с/мм);
• V — скорость (мм/с) ;
• α — показатель степени скорости (0,1≤α≤1,0).

Благодаря гашению колебаний и рассеиванию значительной части энергии сейсмического или ветрового воздействия, передающейся на сооружение, вязкостные демпферы не просто предотвращают возможные повреждение и разрушения сооружения, но и повышают безопасность и комфорт людей, а главное, позволяют избежать человеческих жертв.

Вязкостные демпферы компактны и обеспечивают возможность реализации различных вариантов присоединения к сооружению. В большинстве сооружений относительно малая величина демпфирования обеспечивает значительное уменьшение усилия, передаваемого на элементы конструкции, тем самым снижая расчетные нагрузки на эти элементы (колонны, перекрытия и т.д.). Таким образом, применение ВД позволяет значительно снизить затраты на материалы при строительстве, не снижая при этом несущую способность сооружений и более того, обеспечивая возможность реализации более сложных архитектурных решений.

Гидравлическое вязкостное демпфирование уменьшает сейсмическую нагрузку и смещение, поскольку усилие демпфирования (определяемое скоростью) не совпадает по фазе с усилием динамического воздействия на конструкцию, определяемого, главным образом, смещением. Рассмотрим поведение сооружения, колеблющегося под сейсмическим воздействием: нагрузка будет максимальна в момент максимального смещения — в этот же момент происходит изменение направления перемещения на противоположное. Если в конструкции используется вязкостный демпфер, то в точке максимального отклонения усилие демпфирования незначительно, т.к. при инверсии направления перемещения скорость практически равна нулю. Затем начинается смещение сооружения в обратном направлении, при этом скорость данного движения достигает максимума, когда конструкция находится в центральном (нейтральном) положении, т.е. в этот момент сейсмическая нагрузка сведена к минимум, а усилие демпфирования максимально. Именно такое поведение сооружения представляет собой наиболее желательный результат проектирования вязкостного демпфера.

Вязкостные демпферы также весьма эффективны в гашении колебаний, вызванных ветровым воздействием, без изменения жесткости конструкции. Ветровые нагрузки могут приводить к значительным колебаниям высотной части сооружений. Использование ВД в уже существующих конструкциях значительно уменьшает амплитуду колебаний, обеспечивая комфортное нахождение людей внутри здания. Применение ВД при проектировании новых сооружений позволяет не только снизить капитальные затраты при строительстве, благодаря уменьшению необходимой жесткости конструкции, но и дает возможность реализовывать самые смелые архитектурные решения.

Существующее на сегодняшний день различное программное обеспечение для проектирования зданий и сооружений позволяет выполнить проектирование с применением вязкостных демпферов, моделируя закономерность их поведение с помощью встроенных компонентов. При выполнении нелинейного динамического анализа можно рассчитать не только величины уменьшения смещений и нагрузок на сооружения, но и получить требуемые усилия реакции и обеспечиваемые перемещения для самих устройств.

Проектирование и производство вязкостных демпферов

Для проектирования и производства вязкостного демпфера инженерам компании ЗАО НТЦ «Мониторинг Мостов» должны быть предоставлены следующие исходные данные:

• максимальное расчетное усилие реакции при динамическом воздействии;
• максимальные расчетные перемещения : как сумма перемещений при динамических (землетрясение, ураганные ветер и т.д.) и статических воздействиях (изменение температуры, пластическая деформация, усадка и т.д.);
• требуемое закономерность реакции устройства : показатель степени α и максимальная расчетная скорость;
• место монтажа и способ крепления.

Преимущества вязкостных демпферов

• Демпфирование колебаний и рассеивание энергии, передающейся на сооружение при сейсмическом воздействии или сильных ветровых нагрузках
• Широкая область применения – возможность реализации любого сочетания усилия и смещения, требуемого инженером-проектировщиком, что позволяет применять данные устройства во всевозможных сооружениях промышленного и гражданского строительства (мосты, каркасы зданий, кровля сооружений и т.д.)
• Простота монтаж и замены благодаря шарнирному соединению
• Простота моделирования работы устройств в программах автоматизированного проектирования
• Простота эксплуатации и минимальные требования по техобслуживанию
• Стабильность работы во времени и в широком диапазоне температур