RU2693064C1

RU2693064C1 - Device for compensating vibrations of tall structures

Info

Publication number: RU2693064C1
Application number: RU2018136670A
Authority: RU
Inventors: Ольга Александровна Бурцева; Светлана Александровна Чипко; Нана Роиновна Абуладзе
Priority date: 2018-10-17
Filing date: 2018-10-17
Publication date: 2019-07-01

Abstract

FIELD: construction.

SUBSTANCE: invention relates to earthquake resistant construction and can be used for seismic protection of high-rise structures against the effect of kinematic action in the low frequency range. Device for compensation of seismic vibrations of high-rise structure includes support of upper part of structure, inserted into shell of foundation plate and equipped with concave recesses in its lower part, working body of compensator, made in form of ball rolling bodies resting on foundation plate, damping system. Concave recesses of support of upper part of structure are made cycloidal, and their number is symmetrical in both directions of horizontal movement of support. Working body of the compensator consists of ball rolling bodies assembled into a metal block and separated by a frame. Metal block is installed in the shell of foundation plate, the bottom of which is made of stainless steel.

EFFECT: technical result consists in improvement of reliability and safety of structure with considerable seismic loads, as well as in synchronization of movement of ball rolling bodies in unit and return of structure to initial position in minimum time.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области сейсмостойкого строительства и может быть использовано для сейсмозащиты высотных сооружений от влияния кинематического воздействия в диапазоне низких частот. Техническим результатом является синхронизация движения шаровых тел качения в блоке и возврат сооружения в первоначальное положение за минимальное время.The invention relates to the field of seismic resistant construction and can be used for seismic protection of high-rise structures from the influence of kinematic effects in the low frequency range. The technical result is the synchronization of the movement of the ball rolling elements in the block and the return of the structure to its original position in the minimum time.

Известен катковый виброгаситель вынужденных колебаний высотных объектов (патент UA 54033, опубликовано от 17.02.2003 г., МПК 7 F16F 7/10, Е04В 1/98), включающий катковое рабочее тело гасителя и пружинно-демпфирующую систему его крепления в объект, при этом рабочее тело гасителя выполнено в виде наборного катка, который состоит из главной массивной части с цилиндрической полостью вдоль продольной оси симметрии и дополнительных, меньших массой, дисков, закрепленных относительно главной части, причем по центру цилиндрической полости главной части катка расположен регулируемый упругий элемент, который взаимодействует с двумя симметрично размещенными в той же полости штоками, на внешних концах которых находятся закрепленные тела качения в виде роликов. Пружинно-демпферная система его крепления к объекту состоит из неподвижного опорного диска с верхней рабочей и нижней опорной поверхностями и дополнительного рабочего тела переменной массы в виде промежуточного подвижного диска с верхней и нижней рабочими поверхностями, причем нижняя рабочая поверхность дополнительного рабочего тела выполнена в виде двух вогнутых цилиндрических желобов, которые находятся строго над двумя соответствующими желобами на верхней рабочей поверхности неподвижного опорного диска симметрично относительно горизонтальной плоскости. Дополнительное рабочее тело в виде промежуточного подвижного диска опирается на неподвижный опорный диск через два промежуточных тела качения, выполненных аналогично катковому рабочему телу и установленных вогнутых цилиндрических желобах, соответственно, неподвижного опорного диска и промежуточного подвижного диска, а именно катковое рабочее тело устанавливают в вогнутый цилиндрический желоб верхней рабочей поверхности промежуточного подвижного диска.Known roller vibration damper of forced oscillations of high-altitude objects (patent UA 54033, published on 17.02.2003, IPC 7 F16F 7/10, Е04В 1/98), including the roller working body of the damper and the spring-damping system of its attachment to the object, while The working body of the damper is made in the form of an in-line roller, which consists of a main massive part with a cylindrical cavity along the longitudinal axis of symmetry and additional, smaller mass, disks fixed relative to the main part, with the center of the cylindrical cavity of the main part of the roller an adjustable elastic element is placed, which interacts with two rods symmetrically placed in the same cavity, on the outer ends of which there are fixed rolling elements in the form of rollers. The spring-damper system of its attachment to the object consists of a fixed supporting disc with an upper working and lower supporting surfaces and an additional working medium of variable mass in the form of an intermediate movable disk with upper and lower working surfaces, with the lower working surface of an additional working body made in the form of two concave cylindrical grooves that are strictly above the two corresponding grooves on the upper working surface of the fixed support disc are symmetrically relative horizontal plane. An additional working fluid in the form of an intermediate movable disk rests on a fixed supporting disc through two intermediate rolling bodies, made similar to a roller working body and installed concave cylindrical grooves, respectively, a fixed supporting disc and an intermediate movable disk, namely the roller working fluid is installed in a concave cylindrical chute upper working surface of the intermediate movable disk.

Недостатком данного сооружения является то, что при сильных возмущающих воздействиях шаровое тело качения развивает большое ускорение, которое приводит к значительным горизонтальным перемещениям верхней части здания.The disadvantage of this structure is that with strong disturbing effects the ball rolling body develops a large acceleration, which leads to significant horizontal displacements of the upper part of the building.

Известно также устройство сейсмостойкого сооружения (патент RU 2428550, опубликовано от 25.02.2010 г., МПК Е04Н 9/02), включающее верхние этажи здания, опорную плиту с пазами, фундамент и промежуточные элементы. Фундамент выполнен в виде платформы, состоящей из верхней и нижней плит с полостями, внутри которых расположены промежуточные элементы шарообразной формы, причем плиты установлены с зазором, а полости имеют параллельные горизонтальные поверхности в поперечном и продольном направлениях с полусферическими завершениями, при этом между опорной плитой и платформой установлены амортизаторы. Верхние этажи здания снабжены вантами, закрепленными в вертикальных опорах, на которые базированы перекрытия, а верхняя фундаментная плита снабжена выступами, выполненными соосно с пазами опорной плиты.It is also known device seismic resistant structures (patent RU 2428550, published on 02/25/2010, IPC Е04Н 9/02), including the upper floors of the building, the base plate with grooves, the foundation and intermediate elements. The foundation is made in the form of a platform consisting of upper and lower plates with cavities within which intermediate elements of a spherical shape are located, the plates being installed with a gap, and the cavities have parallel horizontal surfaces in the transverse and longitudinal directions with hemispherical ends, while between the base plate and platform installed shock absorbers. The upper floors of the building are equipped with cables attached to the vertical supports on which the floors are based, and the upper base plate is provided with protrusions made coaxially with the slots of the base plate.

Недостаток изобретения заключается в том, что данный фундамент не обеспечивает достаточную свободу перемещений и при значительных горизонтальных сейсмических воздействиях возможна его деформация.The disadvantage of the invention lies in the fact that this foundation does not provide sufficient freedom of movement and with significant horizontal seismic effects its deformation is possible.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению, принятым за прототип, является устройство компенсации сейсмических колебаний, описанное в патенте RU «Фундамент сейсмостойкого здания, сооружения» 2187598, опубликовано от 19.10.2000 г., МПК E04D 27/34, Е04Н 9/02, включающее верхнюю и нижнюю опорные части, в которых образованы стаканы с вогнутыми днищами, и размещенный между ними промежуточный элемент в виде шара, при этом промежуточный элемент размещен с зазором относительно днища стакана верхней опорной части. В углах, на пересечениях стен сооружения в верхних и нижних опорных частях установлены стаканы с вогнутыми днищами в виде сферы более одного, с размещенными между ними промежуточными элементами в виде шаров, при этом внутренняя полость между днищами стаканов имеет форму эллипса, а верхние опорные части связаны между собой железобетонным поясом, на который опирается надземная часть здания, сооружения.Closest to the claimed technical solution adopted for the prototype, is a device for compensation of seismic vibrations, described in patent RU "The Foundation of an earthquake-resistant building, structure" 2187598, published on 10/19/2000, IPC E04D 27/34, Е04Н 9/02, including the upper and lower supporting parts in which the glasses are formed with concave bottoms, and the intermediate element in the form of a ball placed between them, the intermediate element being placed with a gap relative to the bottom of the glass of the upper supporting part. Glasses with concave bottoms in the form of a sphere are more than one, with intermediate elements in the form of balls placed between them, in the corners, at the intersections of the walls of the building in the upper and lower supporting parts, while the internal cavity between the bottoms of the glasses has the shape of an ellipse, and the upper supporting parts are connected between themselves reinforced concrete belt, which relies aboveground part of the building structures.

Недостатком данного изобретения является расположение сейсмоизолирующих стаканов только в углах здания, что является недостаточным при сильном сейсмотолчке или афтершоках, так как при интенсивности землетрясения более 8 баллов в сооружении появляются большие инерционные силы, при которых смещение шаровых тел по выемке является недостаточным. Кроме того, форма выемки в виде эллипса не является оптимальной по времени скатывания шара. Помимо этого, шары сейсмостойкого здания не осуществляют синхронного движения в направлении действия силы, из-за чего появляются крутильные деформации сооружения.The disadvantage of this invention is the location of the seismic insulating glasses only in the corners of the building, which is insufficient with a strong seismic silence or aftershocks, because when the intensity of an earthquake is more than 8 points, large inertial forces appear at which the displacement of the spherical bodies along the notch is insufficient. In addition, the shape of the notch in the form of an ellipse is not optimal for the time of rolling the ball. In addition, the balls of a seismic resistant building do not perform synchronous movement in the direction of the force, which causes torsional deformations of the structure.

Задачей изобретения является повышение надежности и безопасности сооружения при значительных сейсмических нагрузках свыше 7 баллов.The objective of the invention is to improve the reliability and safety of structures with significant seismic loads of more than 7 points.

Техническим результатом является синхронизация движения шаровых тел качения в блоке и возврат сооружения в первоначальное положение за минимальное время.The technical result is the synchronization of the movement of the ball rolling elements in the block and the return of the structure to its original position in the minimum time.

Достигается технический результат за счет того, что устройство компенсации сейсмических колебаний высотного сооружения, включающее опору верхней части сооружения, вставленную в стакан фундаментной плиты и оборудованную вогнутыми выемками в нижней ее части, рабочее тело компенсатора, выполненное в виде шаровых тел качения, опирающихся на фундаментную плиту, и демпфирующую систему, причем вогнутые выемки опоры выполнены циклоидальными, а их количество симметрично по обоим направлениям горизонтального движения опоры, при этом рабочее тело компенсатора состоит из собранных в блок и разделенных между собой металлической рамой шаровых тел качения.Achieved technical result due to the fact that the device compensating for seismic vibrations of a high-rise structure, including a support for the upper part of the structure, inserted into a glass base plate and equipped with concave grooves in its lower part, the working body of the compensator, made in the form of ball rolling bodies, based on the base plate , and the damping system, moreover, the concave recesses of the support are made cycloidal, and their number is symmetrical in both directions of the horizontal movement of the support, while the working The compensator body consists of ball-shaped rolling elements assembled in a block and separated by a metal frame.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан план установки сейсмоизолирующего устройства в сооружении, на фиг. 2 изображен план «стакана» фундаментной плиты, в котором вставлена опора, на фиг. 3 - его разрез.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a plan for installing a seismic isolating device in a structure; FIG. 2 shows the plan of the “cup” of the base plate in which the support is inserted, FIG. 3 - his cut.

Опоры 3 устройства компенсации колебаний вставлены в «стаканы» 1 и опираются на фундаментную плиту 2 посредством рабочего тела компенсатора в виде блока четырех шаровых тел качения 4. При этом шаровые тела качения 4 в блоке разделены друг от друга металлической рамой 5 для осуществления синхронного движения, которое достигается за счет установки шаровых тел качения 4 в ячейки металлической рамы 5, ограничивающей таким образом их степень свободы перемещения, не позволяя последним двигаться с разными по направлению и величине линейными и угловыми скоростями и ускорениями. Опора 3 снабжена выступами 6 для ограничения ее смещения относительно фундамента и оснащена вогнутыми циклоидальными выемками 7. Количество циклоидальных выемок 7 симметрично по обоим направлениям горизонтального движения опоры с целью сохранения устойчивости опоры 3, а, следовательно, и сооружения. Между опорой 3 и «стаканом» 1 дополнительно установлены демпферы 8 для уменьшения передаваемой от фундамента кинетической энергии. Количество демпферов должно быть симметричным для исключения вращательного движения опоры 3. Дно «стакана» 1 фундаментной плиты 2 выполнено из нержавеющей стали с целью исключения разрушения бетонного основания.The supports 3 of the vibration compensation device are inserted into the “glasses” 1 and rest on the base plate 2 by means of the compensator working body in the form of a block of four ball rolling bodies 4. At the same time, the ball rolling bodies 4 in the block are separated from each other by a metal frame 5 for performing synchronous movement, which is achieved by installing ball rolling elements 4 in the cells of the metal frame 5, thus limiting their degree of freedom of movement, not allowing the latter to move with linear and angle different in direction and size Vym velocities and accelerations. Support 3 is equipped with protrusions 6 to limit its displacement relative to the basement and is equipped with concave cycloidal recesses 7. The number of cycloidal recesses 7 is symmetrical in both directions of the horizontal movement of the support in order to maintain the stability of support 3, and, consequently, structures. Between the support 3 and the “glass” 1, additional dampers 8 are installed to reduce the kinetic energy transmitted from the foundation. The number of dampers should be symmetrical to prevent rotational movement of the support 3. The bottom of the “glass” 1 of the base plate 2 is made of stainless steel in order to prevent the destruction of the concrete base.

Работает устройство следующим образом. При сейсмическом воздействии опора 3 с установленной на них надземной частью сооружения перекатываются вместе с собранными в блок шаровыми телами качения 4. Величина смещения опоры относительно фундаментной плиты ограничивается выступами 6. Если смещения опоры 3 относительно фундаментной плиты будет недостаточным для устранения сейсмического воздействия, то блок шаровых тел качения 4 при достижении выступа вместе с опорой 3 начнет двигаться в противоположном направлении с уменьшенными скоростями и ускорениями под действием инерционных сил сооружения. Шаровые тела качения 4 имеют четыре степени свободы перемещения в горизонтальной плоскости (2 - поступательного движения, 2 - вращательного движения). Это способствует свободному перемещению сооружения в горизонтальной плоскости. Таким образом достигается компенсация сейсмотолчка любого направления. Металлическая рама 5 в блоке шаровых тел качения предназначена для синхронизации движения шаровых тел качения в устройстве компенсации. Таким образом достигается максимальное снижение горизонтальных перерезывающих сил, а, следовательно, и повышение устойчивости сооружения в целом. Предусмотрено перемещение опоры 3 относительно фундаментной плиты 2 в двух направлениях, поэтому количество шаровых тел качения 4 в блоке для устойчивости должно быть симметричным в двух направлениях. Форма выемки нижней части опоры выбрана циклоидальной ввиду того, что при движении шара по прямой его радиус описывает циклоиду за один поворот. Таким образом форма выемки соответствует траектории точек шарового тела, что способствует отсутствию проскальзывания в точке контакта и является оптимальной по быстродействию возврата устройства компенсации в нейтральное положение. При прекращении воздействий опора 3 с надземной частью сооружения возвращается в первоначальное положение под действием собственного веса.The device works as follows. When the seismic impact of the support 3 with the above-ground part of the structure installed on them, rolls together with ball rolling bodies assembled into the block 4. The displacement of the support relative to the base plate is limited to the projections 6. If the displacement of the support 3 relative to the base plate is insufficient to eliminate the seismic impact, then the ball block the rolling elements 4 when reaching the protrusion together with the support 3 will begin to move in the opposite direction with reduced speeds and accelerations under the action of inertia x building forces. Ball rolling elements 4 have four degrees of freedom of movement in the horizontal plane (2 - translational motion, 2 - rotational motion). This contributes to the free movement of the structure in the horizontal plane. In this way compensation is achieved for the seismic shock of any direction. The metal frame 5 in the ball rolling element block is designed to synchronize the movement of the ball rolling elements in the compensation device. Thus, a maximum reduction in horizontal shear forces is achieved, and, consequently, an increase in the stability of the structure as a whole. It is provided that the support 3 moves relative to the base plate 2 in two directions, therefore the number of ball rolling bodies 4 in the block for stability should be symmetrical in two directions. The shape of the notch in the lower part of the support is chosen cycloidal in view of the fact that when the ball moves in a straight line its radius describes the cycloid in one turn. Thus, the shape of the notch corresponds to the trajectory of the points of the spherical body, which contributes to the absence of slippage at the point of contact and is optimal in terms of the speed of return of the compensation device to the neutral position. Upon termination of the impacts, the support 3 with the above-ground part of the structure returns to its original position under the action of its own weight.

Предложенное устройство компенсации колебаний реализует принцип сейсмоизоляции сооружения от фундамента, хорошо вписывается в конструкцию сооружения, не требует дополнительного пространства, бесшумно. В выемках со временем не накапливается влага, лед, пыль, поскольку они выполнены выпуклостью вверх. Этот фактор является существенным, поскольку устройство устанавливается в труднодоступном месте сооружения. Шаровые тела качения устройства компенсации изготавливают из чугуна или стали, что позволяет говорить об их надежности. Количество устройств компенсации колебаний высотных сооружений выбирают из расчета веса сооружения с учетом несущей способности шаровых тел качения.The proposed vibration compensation device implements the principle of seismic isolation of the structure from the foundation, fits well with the structure of the structure, does not require additional space, silently. Over time, moisture, ice, and dust do not accumulate in the grooves, since they are made upwardly convex. This factor is significant because the device is installed in a hard-to-reach place of the structure. Ball rolling elements of the compensation device are made of cast iron or steel, which allows to speak about their reliability. The number of devices for compensating vibrations of high-rise structures is selected based on the weight of the structure, taking into account the carrying capacity of the ball rolling elements.

Основным преимуществом предложенного устройства компенсации сейсмических колебаний (по сравнению с существующими) является то, что собранные в блок шаровые тела качения разделены металлической рамой для осуществления синхронного движения, поэтому использование предлагаемого устройства компенсации колебаний высотных сооружений позволит по сравнению с прототипом повысить надежность и сейсмостойкость сооружения при значительных колебаниях земной поверхности.The main advantage of the proposed device for compensation of seismic vibrations (compared to existing ones) is that the rolling ball bodies assembled into a block are separated by a metal frame for performing synchronous movement, therefore using the proposed device for compensating vibrations of high-rise structures allows, compared to the prototype, to increase the reliability and seismic resistance of the structure significant fluctuations in the earth's surface.

Claims

A device for compensation of seismic vibrations of a high-rise structure, including a support for the upper part of the structure, inserted into the glass of the foundation plate and equipped with concave grooves in its lower part, the working body of the compensator, made in the form of ball rolling bodies resting on the base plate, and the damping system, distinguished by that the concave recesses of the support of the upper part of the structure are made cycloidal, and their number is symmetrical in both directions of the horizontal movement of the support, while the working body comp nsatora consists of a metal block is collected and separated by a frame spherical rolling bodies, and the metal block is mounted in a base plate glass, the bottom of which is made of stainless steel.