EA021188B1

EA021188B1 - Многонаправленный торсионный гистерезисный демпфер

Info

Publication number: EA021188B1
Application number: EA201101176A
Authority: EA
Inventors: Салем Али Милани
Original assignee: Диклели, Мурат
Priority date: 2009-02-16
Filing date: 2009-02-16
Publication date: 2015-04-30
Also published as: EP2396479A1; CN102317548A; JP5424431B2; US20120066986A1; UA100799C2; US8438795B2; WO2010093337A1; ES2557307T3; EP2396479B1; JP2012518137A; EA201101176A1; CN102317548B

Abstract

Изобретение относится к сейсмостойким (антисейсмическим) устройствам и, в частности, к сейсмическим гистерезисным демпферам, использующимся для защиты конструкций от сильных землетрясений. Эти устройства устанавливаются в точках, где предполагается значительное смещение, вызываемое колебаниями при землетрясении, таким как точки между мостовым настилом и точкой приложения нагрузки на указанный мост (например, опорная плита "быка").

Description

(57) Изобретение относится к сейсмостойким (антисейсмическим) устройствам и, в частности, к сейсмическим гистерезисным демпферам, использующимся для защиты конструкций от сильных землетрясений. Эти устройства устанавливаются в точках, где предполагается значительное смещение, вызываемое колебаниями при землетрясении, таким как точки между мостовым настилом и точкой приложения нагрузки на указанный мост (например, опорная плита быка).

021188 В1

021188 Β1

Область, к которой относится изобретение

Изобретение относится к сейсмостойким (антисейсмическим) устройствам и, в частности, к сейсмическим гистерезисным демпферам, использующимся для защиты конструкций от значительных землетрясений. Эти устройства устанавливаются в точках, где предполагается значительное смещение, вызываемое колебаниями при землетрясении, таких как точки между мостовым настилом и точкой приложения нагрузки (опорная плита быка).

Уровень техники

Доступными многонаправленными гистеризисными демпферами для мостов, описанными в известном уровне техники, являются устройства, составленные из элементов формы Огексеп! Мооп, устройства, составленные из элементов Тарегеб Ρίη, рассеивающих энергию, и устройства, составленные из и-образных элементов.

Доступными являются также другие демпферы, описанные в известном уровне техники, хотя они не являются многонаправленными демпферами, как элементы формы ВаИегПу БЬаре, рассеивающие энергию.

Демпферы являются гасителями энергии. Они гасят кинетическую энергию, передающуюся им при относительном движении двух (монтирующихся) концов. Если пользоваться терминологией усилие смещение, а не энергия, они действуют путем приложения силы к их движущимся концам, которая всегда препятствует относительному смещению двух концов. Назовем эту силу, которая может использоваться в качестве меры способности демпфера рассеивать энергию, силой реакции демпфера. В гистерезисных демпферах такое свойство достигается благодаря гистерезису металлов.

В устройствах, составляющихся из рассеивающих энергию элементов серповидной формы, раскрывающихся в итальянском патенте М196А1447, изогнутые балки с варьирующимися секциями используются в качестве элементов, рассеивающих энергию. Эти рассеивающие энергию элементы имеют такую форму, которая позволяет получать равномерную деформацию вдоль длины элемента, и расположены таким образом, что создается симметричное устройство, в котором все эти индивидуальные рассеивающие энергию элементы действуют совместно как единое образование для создания значительной силы реакции.

Конические штифтовые элементы представляют собой прямые балки с круговыми секциями, варьирующимися вдоль длины, при этом изгиб вызывает равномерную деформацию вдоль высоты, позволяющую избегать концентрации напряжения. Благодаря врожденной симметрии во всех направлениях они могут просто укладываться в разнонаправленную демпфирующую систему без необходимости устанавливать какой-либо механизм для приведения их в действие в различных направлениях.

и-образные зажимы представляют собой и-образные пластины, которые обеспечивают гистерезисное рассеяние энергии, когда они изгибаются и деформируются по ширине (деформация сложения/развертывания). Они укладываются в разнонаправленное устройство, подобное тому, которое получается в устройствах с элементами серповидной формы.

Основные отличия изобретенного устройства от указанных выше известных в уровне техники устройств поясняются в дальнейших разделах описания.

Цель изобретения

Целью настоящего изобретения является разработка многонаправленного гистерезисного демпфера, более эффективного или равного по эффективности известным в уровне техники гистерезисным демпферам, который более экономичен в производстве. Что касается его действия, то главное отличие заявленного устройства от известных в уровне техники заключается в следующем.

1. Вариативная жесткость после упругой деформации в результате действия специального рабочего механизма, создающего эффект геометрического упрочнения, который поясняется в дальнейшем и который показан на фиг. 13.

2. Простая регулировка длины рычага (и направляющей), позволяющая легко настраивать силу реакции устройства и максимально разрешенное смещение.

3. Устройство позволяет осуществлять относительное вертикальное смещение между верхней и нижней мертвыми точками без какого-либо вмешательства такого смещения в требующуюся работу системы в горизонтальном направлении. Что касается экономичности устройства, то оно состоит из простых секций и большинство из них не требует или требует выполнения незначительных механических операций. Наиболее сложной частью устройства является податливый сердечник (к) (1), который можно просто производить благодаря его цилиндрическим и симметричным формам.

В отношении экономичности устройства следует отметить, что оно изготавливается из простых секций, большинство из которых не требует предварительной обработки или требует ее в небольшом объеме. Наиболее сложной частью устройства является податливая сердцевинная часть (к) (1), которая благодаря ее симметричной и близкой к цилиндрической форме может просто и экономично производиться.

- 1 021188

Краткое описание изобретения

Несмотря на то что применение цилиндрических стальных сердечников в качестве гистерезисных демпфирующих элементов известно в уровне техники, структура, на основе которой они собираются в многонаправленный гистерезисный демпфер, является новым и уникальным признаком настоящего изобретения.

Основные части настоящего изобретения представляют собой: податливые сердечники с узлом рычага (состоят из частей 1, 2, 4, 7, 8, 9); центральная опорная структура (состоит из частей 5, 6);

направляющая система (состоит из частей 10, 11).

Описание чертежей

С целью более детального пояснения настоящего изобретения были подготовлены рисунки, прилагающиеся к описанию. Ниже приводится перечень и определения позиций.

Фиг. 1. Трехмерное изометрическое изображение устройства с направляющей системой, удаленной для лучшего рассмотрения расположенных ниже частей.

Фиг. 2. Трехмерное изометрическое изображение направляющей системы.

Фиг. 3. Трехмерное изометрическое изображение устройства с наложенным эскизом направляющей системы.

Фиг. 4. Вид сбоку устройства с удаленной направляющей системой.

Фиг. 5. Вид сверху устройства с удаленной направляющей системой.

Фиг. 6. Вид сверху всего устройства со всеми его частями (без спрятанных линий).

Фиг. 7. Сечение по линии 81-81, показанной на фиг. 4.

Фиг. 8. Сечение по линии 82-82, показанной на фиг. 5.

Фиг. 9. Сечение по линии 83-83, показанной на фиг. 6.

Фиг. 10. Направляющая система, вид снизу

Фиг. 11. Направляющая система, вид сверху.

Фиг. 12. Один из рычагов и его соответствующая направляющая система, показанные в несмещенном и смещенном положениях.

Фиг. 13. График сила-смещение для устройства, когда смещение осуществляется в направлении одной из направляющих (любой) и при условии, что сталь является упругопластичной.

Определение элементов на рисунках (признаки/компоненты/части).

1. Податливый сердечник (сердечники).

2. Рычаг (рычаги).

3. Шариковый подшипник (подшипники) сердечника, представляющий собой обычный стальной шариковый подшипник, использующийся при создании шарнирного соединения между сердечником (1) и плоской диафрагмой (6). В связи с тем, что он используется в соединении сердечник-диафрагма, можем называть его шариковым подшипником сердечника с тем, чтобы отличать его от шарикового подшипника (подшипников) рычага.

4. Шариковый подшипник рычага, представляющий собой обычный стальной шариковый подшипник, используется в соединении поворотного шарнирного соединения между рычагом (рычагами) (2) и направляющей (направляющими) (10).

5. Опорная колонна.

6. Плоская диафрагма в форме восьмиугольника с круглыми отверстиями.

7. Твердый цилиндрический установочный вал (валы), приваривающийся к рычагу для установки шарикового подшипника рычага.

8. Верхнее полое цилиндрическое кольцо (кольца), приваренное в верхней части цилиндрического вала для удержания шарикового подшипника рычага на месте. Может также использоваться любой другой способ крепления, например с помощью штифта (штифтов) взамен верхнего полого цилиндрического кольца (колец).

9. Нижнее полое цилиндрическое кольцо (кольца) для удержания шарикового подшипника рычага на месте. Может также использоваться любой другой способ крепления, например с помощью штифта (штифтов) взамен нижнего полого цилиндрического кольца (колец).

10. Направляющая (направляющие) в количестве восьми штук, являющиеся частью направляющей системы. Направляющие используются для шарикового подшипника (подшипников) рычага.

11. Верхняя восьмиугольная пластина (часть направляющей системы) с прорезями (или какое-либо другое приспособление с прорезями, зависящими от типа соединения) для верхнего соединения устройства (настила моста).

12. Плита основания для присоединения всего устройства к основанию (опорной плите быка).

- 2 021188

Подробное описание изобретения

Указанное гистерезисное демпфирующее устройство в соответствии с настоящим изобретением состоит из трех основных частей.

1. Податливые сердечники: совместно с узлом рычага, который содержит стальной шариковый подшипник (4), предназначенный для создания шарнирного соединения между рычагом (2) и направляющей системой и свободного от трения движения конца рычага (2) внутри направляющей (10).

Рычаг (2) приваривается к сердечнику (1) одним концом, а второй конец имеет цилиндрический жесткий вал (7), приваренный к этому концу, который служит в качестве посадочной оси для шарикового подшипника (4) рычага, как показано на фиг. 9. Имеются также два кольца (8, 9) на верхней и нижней сторонах шарикового подшипника (4) рычага для фиксации на месте. Может также использоваться любой другой способ установки, например с помощью штифта (штифтов) взамен верхнего и нижнего полого цилиндрического кольца (колец) (8, 9). Верхнее кольцо (8) приваривается к монтажному валу (7). Податливые сердечники (1) являются рассеивающими энергию элементами указанного гистерезисного демпфера в соответствии с настоящим изобретением. Они изготавливаются из стали. Эти сердечники (1) деформируются главным образом в связи с большими торсионными касательными напряжениями, и они рассеивают энергию, когда рычаги (2) проходят взад и вперед. Податливые сердечники (1) привариваются к плите основания (12), при этом все устройство (гистерезисный демпфер) связывается с опорной плитой быка моста через плиту основания (12).

2. Опорная структура: опорная структура составляется из центральной жесткой стальной опорной колонны (5) и приваренной к ней плоской диафрагмы (6). Плоская диафрагма (6) соединяется с податливыми сердечниками (1) через шариковые подшипники (3) сердечника. Шариковые подшипники (3) сердечника встраиваются для создания (торсионного) шарнирного соединения между податливыми сердечниками (1) и плоской диафрагмой (6), позволяя свободное закручивание сердечников (1). Основная функция опорной колонны (5) заключается в удержании податливых сердечников (1) от изгиба. Благодаря значительной поперечной жёсткости и ее параллельным соединением с сердечниками (1), центральная опорная колонна (5) забирает основную долю изгибающего момента, предотвращая возникновение большого изгибающего напряжения в податливых сердечниках (1), которые подвергаются практически чистому торсионному сдвигу. Центральная опорная колонна (5) может быть любой другой формы, такой как короб или восьмиугольная призма; важно только, чтобы она обладала необходимой поперечной жесткостью. Центральная опорная колонна (5) приваривается к плите (12) основания. Плита (12) соединяется с центральным сердечником (1) также привариванием сверху и снизу центрального отверстия плоской диафрагмы (6).

3. Направляющая система: направляющая система способствует соединению между мостовым настилом и рычагами (2). Направляющая система крепится к настилу с помощью штифтов и отверстий и, при необходимости, с помощью блока передачи удара. Она состоит из восьмиугольной стальной плоской диафрагмы (6) с выполненными в ней пазами и направляющих (10), приваренных к этой пластине (6).

Направляющие (10) могут представлять собой стальные пластины, сваренные вместе для формирования канала, а в случае канала для роликов - сваренные с учетом требующегося размера с тем, чтобы он мог использоваться в качестве рельсов (10). В зависимости от выбранного варианта, может возникнуть необходимость в установке боковых ребер жесткости для укрепления консольной части направляющего канала. Соединение восьмиугольной стальной плоской диафрагмы (6) с настилом выполняется с помощью балок (штифтов), встроенных в бетонный настил моста.

Направляющая система вместе с шариковыми подшипниками (4) рычага формирует требующееся соединение (поворотное шарнирное соединение) между концами рычага (2) и настилом моста. При таком типе соединения каждый рычаг (2) всегда оказывается расположенным сбоку (относительно его направляющей) независимо от направления движения настила моста, а рычаг (2) не должен следовать по направляющей (10) за перемещением компонента настила. Это относится ко всем восьми направляющим (10). Как показано на фиг. 12, в недеформированном положении каждый рычаг (2) параллелен своей направляющей (10). Когда в устройстве вызывается перемещение, рычаги (2) поворачиваются и угол θ между рычагом (2) и направляющей (10) увеличивается. В связи с тем, что рычаг (2) стремится крутить податливый сердечник (1) при своем вращении, в рычаге (2) возникает сила (V) сдвига, перпендикулярная ему (фиг. 12). Эта сила (V) сдвига должна компенсироваться компонентом силы (Р) вдоль рычага (2) на соединении шариковый подшипник (4) рычага - направляющая (конец рычага и направляющая), как показано на фиг. 12. Благодаря наличию шарикового подшипника (4) рычага, эта сила всегда перпендикулярна направляющей (10). Однако две ее составляющие вдоль и перпендикулярно рычагу (2) зависят от угла θ между рычагом (2) и его направляющей (10):

ν=ΡΌθ3(θ)

Η=Ρ.8ίη(θ)

Это означает, что для возникновения силы V сдвига (т.е. силы, создающей крутящий момент в сердечнике) в рычаге (2), сила Р должна быть равна:

- 3 021188

Ρ=ν/Οθδ(θ)

При увеличении угла θ, даже при условии, что V остается постоянной (предполагая, что сталь является упругопластичной), Р будет увеличиваться, давая возможность устройству сохранять геометрическую прочность. Необходимо отметить, что сумма компонентов этих сил (Р) в направлении смещения из всех восьми направляющих (10) равняется силе реакции гистерезисного демпферного устройства. Это означает, что сила реакции устройства зависит от уровня его смещения даже в пластичном диапазоне и при упругопластичном материале. Это упрочняющее поведение отражается на фиг. 13. Это также означает, что смещение не может превышать определенный предел. Теоретически это ограничение смещения равняется длине рычага (2). Это смещение соответствует θ=90°. Однако в связи с тем, что при углах, близких к 90°, в рычаге (2) создается аксиальная сила, и сила Р становится исключительно большой, практический предел этого смещения может определяться, скажем, как длина рычага (2)χδίη(60), что соответствует максимальному повороту в 60°. В отдельных специфических случаях, при которых предполагающееся смещение мостового настила может увеличиваться выше этого значения, должно рассматриваться применение большего гистерезисного устройства.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Многонаправленный торсионный гистерезисный демпфер, предназначенный для использования в качестве антисейсмического устройства гистерезисного типа с многонаправленным действием для защиты конструкций от землетрясений, отличающийся тем, что он состоит из опорной конструкции, включающей опорную колонну (5) и плоскую диафрагму (6);

по меньшей мере восьми идентичных сердечников (1) в форме цилиндров с уменьшенным в центральной области диаметром, которые выполнены с возможностью деформирования и рассеивания энергии элементов при деформировании, вызывающимся большими торсионными напряжениями сдвига, создаваемыми с помощью рычагов (2), приваренных к ним, во время, когда рычаги поворачиваются, вызывая кручение сердечников (1), причем каждый рычаг (2) одним концом приварен к соответствующему сердечнику (1) в верхней части, при этом нижняя часть каждого сердечника (1) приварена к плите основания (12), тем самым сердечники (1) располагаются вокруг центра плиты основания (12), при этом для торсионного шарнирного соединения сердечников (1) с плоской диафрагмой (6) предусмотрены шариковые подшипники (3), установленные в плоской диафрагме (6);

при этом функция опорной колонны (5) заключается в удержании сердечников (1) от изгибания, принимая на себя основную долю изгибающего момента, при этом предотвращая значительный изгиб сердечников (1), который может вызываться при кручении, когда они закручиваются при вращении рычагов (2), при этом опорная колонна расположена в центре плиты основания (12) и приварена к ней;

направляющей системы, содержащей одинаковые направляющие (10) в форме каналов, число которых соответствует количеству сердечников (1), и верхнюю восьмиугольную пластину (11), причем направляющие (10) приварены к нижней поверхности верхней восьмиугольной пластины (11), при этом располагаясь параллельно рычагам (2); функция системы заключается в направлении движения рычагов (2) в точках концов рычагов, где установлены шариковые подшипники (4) для создания в комбинации с направляющими (10) шарнирного соединения, характеризующегося тем, что концы рычагов (2) свободно вращаются, и ограничивая при этом движение рычагов (2) только вдоль направляющих (10).
2. Демпфер по п.1, отличающийся тем, что шариковые подшипники (4) установлены на цилиндрических установочных валах (7) на вторых концах рычагов (2) и удерживаются на месте с помощью верхних полых цилиндрических колец (8) и нижних полых цилиндрических колец (9), причем верхние полые цилиндрические кольца (8) приварены в верхней части цилиндрических установочных валов (7).
3. Демпфер по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что верхняя восьмиугольная пластина (11) содержит прорези для соединения многонаправленного торсионного гистерезисного демпфера с настилом моста.