Патент “Сейсмостойкая опора” может использовать как в строительных конструкциях, так и в машиностроении, медицине при протезировании, где требуются обеспечить крепление подверженных вибрации конструкций. Изобретение применяется как связующий элемент с податливостью по трем координатным осям, состоит из упругой гофрированной мембраны конструкции Увакина и наполнителя из вязкой жидкости внутри упругого элемента.
- Патент СССР №1828673 “Многоэтажное сейсмостойкое здание” читать в PDF
- Патент РФ №2085804 “Сейсмостойкая опора” читать в PDF
Совместная работа упругой оболочки Увакина в конструкции сейсмостойкой опоры и удерживаемого ею жидкого наполнителя обеспечивает конструкции ряд преимуществ:
- Во-первых, совместная работа оболочки и наполнителя позволяет распределить внешние нагрузки таким образом, чтобы использовать рациональную работу обоих элементов конструкции. При этом в теле оболочки возникают относительно равномерно распределённые по толщи-не (мембранные) напряжения, в результате чего достаточная для их восприятия толщина стенки оболочки существенно уменьшается (рис. 1).
- Во-вторых, при рациональном конструировании совместная работа тонкостенных оболочек с наполнителем обеспечивает снижение расхода конструктивных материалов.
- В-третьих, в большой группе конструктивных решений возникает возможность и целесообразность использования таких конструкций и сооружений за пределами упругой области деформаций.
Суть изобретения: Использование: опоры зданий и сооружений. Сущность изобретения: между фундаментом и надфундаментной конструкцией размещен упругий элемент с податливостью по трем координатным осям, заполненный демпфирующей жидкостью. Упругий элемент выполнен в виде сварного сильфона из гофрированных в радиальном и окружном направлениях основных мембран и дополнительной мембраны. В одной из крайних основных мембран выполнены калиброванные отверстия, с ней же по наружному контуру и жесткому центру с образованием герметичной полости соединена дополнительная мембрана. Жесткость дополнительной мембраны в радиальном и осевом направлениях меньше по отношению к основным мембранам.
Формула изобретения: Сейсмостойкая опора, содержащая размещенные между фундаментом и надфундаментной конструкцией сооружения, закрепленные вертикальные элементы заделки опоры, жестко соединенный с ними упругий элемент с податливостью по трем координатным осям, заполненный демпфирующей жидкостью, отличающаяся тем, что, с целью упрощения конструкции опоры и повышения сейсмостойкости сооружения, упругий элемент выполнен в виде сварного сильфона из гофрированных в радиальном и окружном направлениях основных мембран и дополнительной мембраны, крайние из основных мембран выполнены с жесткими центрами, соединенными с вертикальными элементами заделки, в одной из крайних основных мембран выполнены калиброванные отверстия, с ней же по наружному контуру и жесткому центру с образованием герметичной полости соединена дополнительная мембрана, выполненная с меньшей жесткостью в радиальном и осевом направлениях по отношению к основным мембранам.
Описание изобретения: Изобретение относится к конструкциям опор сейсмостойких зданий, сооружений и может быть использовано в качестве амортизаторов в объектах, работающих при больших вибрационных и ударных ускорениях: на автомобильном и железнодорожном транспорте, в энергетических установках и ядерных реакторах, для установки прецизионного оборудования, в качестве демпфирующих устройств в растяжках высотных сооружений.
Цель изобретения упрощение конструкции опоры и повышение сейсмостойкости сооружения.
На фиг. 1 изображена конструкция сейсмостойкой опоры; на фиг. 2 – деформированное состояние сейсмостойкой опоры при землетрясении.
Сейсмостойкая опора содержит упругий элемент 1 с податливостью по трем координатным осям, выполненный в виде сварного сильфона из гофрированных в радиальном и окружном направлениях мембран 2, установленных с зазорами через кольцевые дистанцеры 3 по наружным диаметрам мембран 2 и кольцевой дистанцер 4 по периметрам центральных отверстий 5 мембран 2, крайние из которых – верхняя и нижняя выполнены без центральных отверстий 5. На одной из крайних мембран 2, например верхней, выполнены калиброванные отверстия 6, с ней же по наружному контуру и жесткому центру с образованием герметичной полости соединена дополнительная мембрана 7, выполненная с меньшей жесткостью в радиальном и осевом направлениях по отношению к основным мембранам. С упругим элементом 1 по центру жестко соединены вертикальные элементы заделки опоры 8 и 9, выполненные в виде труб с торцами и прорезями 10, свободные концы которых заделаны в фундамент II и надфундаментную конструкцию сооружения 12, выполненных, например из бетона.
В верхней части гофрированной мембраны 7 установлен наливной патрубок 13, в нижней гофрированной мембране 2 установлен сливной патрубок 14, а герметичная полость упругого элемента 1 заполнена демпфирующей средой, например полиметилсилоксановой жидкостью типа ПМС, керосином или мазутом. Кроме того, для повышения демпфирующих свойств сейсмостойкой опоры в горизонтальных направлениях гофрированные мембраны 2 могут быть изготовлены из материала с большой диссипацией, а межмембранные полости могут быть частично заполнены упругопластическим материалом типа полиуретана СКУ-6 со сквозными вертикальными и горизонтальными каналами для демпфирующей жидкости (не показан).
Упругий элемент 1 может быть выполнен и в виде сварного сильфона из гофрированных в радиальном и окружном направлениях мембран, соединенных попарно наружными и внутренними буртиками (не показаны), профили гофр которых выбраны из условия, что при деформации упругого элемента 1 поверхности смежных мембран должны быть сопряженными. В этом случае кольцевые дистанцеры 3 и 4 не требуются.
Жесткость упругого элемента 1 сейсмостойкой опоры в осевом и радиальном направлениях определяется модулем упругости материала, наружным и внутренним радиусами, толщиной оболочек и высотой гофр в радиальном и окружном направлениях мембран 2 и может быть обеспечена в широких пределах.
Дополнительная мембрана 7 также предназначена для температурного объемного расширения демпфирующей жидкости 15 и может быть сформована из тонкой ленты в виде оболочки вращения, содержащей концентрические цилиндрические участки с гофрами в окружном направлении с торцовым кольцевым участком с гофром в окружном направлении в верхней части оболочки 7, наружный кольцевой буртик и плоский торец в нижней части внутренней цилиндрической поверхности. Дополнительная мембрана наружным буртиком приварена к верхней мембране 2, а нижним плоским торцом к верхнему элементу заделки опоры 8 и жесткому центру верхней мембраны 2. В случае использования предлагаемой конструкции сейсмостойкой опоры в качестве прецизионных амортизаторов для установки высоточных приборов с малой массой на объектах, например инерциальных навигационных систем, вместо жидкости 15 в качестве демпфирующей среды можно использовать воздух, а в качестве материала мембран 2 использовать прецизионный дисперсионно-твердеющий сплав типа З6ХНЮФ-ВИ с высоким уровнем упругих свойств (предел упругости σор02 1200 МПа, добротность Q 60000 – 70000). В этом случае конструкции опоры упрощается за счет исключения дополнительной мембраны 7.
Цель изобретения упрощение конструкции опоры и повышение сейсмостойкости сооружения.
На фиг. 1 изображена конструкция сейсмостойкой опоры; на фиг. 2 – деформированное состояние сейсмостойкой опоры при землетрясении.
Сейсмостойкая опора содержит упругий элемент 1 с податливостью по трем координатным осям, выполненный в виде сварного сильфона из гофрированных в радиальном и окружном направлениях мембран 2, установленных с зазорами через кольцевые дистанцеры 3 по наружным диаметрам мембран 2 и кольцевой дистанцер 4 по периметрам центральных отверстий 5 мембран 2, крайние из которых – верхняя и нижняя выполнены без центральных отверстий 5. На одной из крайних мембран 2, например верхней, выполнены калиброванные отверстия 6, с ней же по наружному контуру и жесткому центру с образованием герметичной полости соединена дополнительная мембрана 7, выполненная с меньшей жесткостью в радиальном и осевом направлениях по отношению к основным мембранам. С упругим элементом 1 по центру жестко соединены вертикальные элементы заделки опоры 8 и 9, выполненные в виде труб с торцами и прорезями 10, свободные концы которых заделаны в фундамент II и надфундаментную конструкцию сооружения 12, выполненных, например из бетона.
В верхней части гофрированной мембраны 7 установлен наливной патрубок 13, в нижней гофрированной мембране 2 установлен сливной патрубок 14, а герметичная полость упругого элемента 1 заполнена демпфирующей средой, например полиметилсилоксановой жидкостью типа ПМС, керосином или мазутом. Кроме того, для повышения демпфирующих свойств сейсмостойкой опоры в горизонтальных направлениях гофрированные мембраны 2 могут быть изготовлены из материала с большой диссипацией, а межмембранные полости могут быть частично заполнены упругопластическим материалом типа полиуретана СКУ-6 со сквозными вертикальными и горизонтальными каналами для демпфирующей жидкости (не показан).
Упругий элемент 1 может быть выполнен и в виде сварного сильфона из гофрированных в радиальном и окружном направлениях мембран, соединенных попарно наружными и внутренними буртиками (не показаны), профили гофр которых выбраны из условия, что при деформации упругого элемента 1 поверхности смежных мембран должны быть сопряженными. В этом случае кольцевые дистанцеры 3 и 4 не требуются.
Жесткость упругого элемента 1 сейсмостойкой опоры в осевом и радиальном направлениях определяется модулем упругости материала, наружным и внутренним радиусами, толщиной оболочек и высотой гофр в радиальном и окружном направлениях мембран 2 и может быть обеспечена в широких пределах.
Дополнительная мембрана 7 также предназначена для температурного объемного расширения демпфирующей жидкости 15 и может быть сформована из тонкой ленты в виде оболочки вращения, содержащей концентрические цилиндрические участки с гофрами в окружном направлении с торцовым кольцевым участком с гофром в окружном направлении в верхней части оболочки 7, наружный кольцевой буртик и плоский торец в нижней части внутренней цилиндрической поверхности. Дополнительная мембрана наружным буртиком приварена к верхней мембране 2, а нижним плоским торцом к верхнему элементу заделки опоры 8 и жесткому центру верхней мембраны 2. В случае использования предлагаемой конструкции сейсмостойкой опоры в качестве прецизионных амортизаторов для установки высоточных приборов с малой массой на объектах, например инерциальных навигационных систем, вместо жидкости 15 в качестве демпфирующей среды можно использовать воздух, а в качестве материала мембран 2 использовать прецизионный дисперсионно-твердеющий сплав типа З6ХНЮФ-ВИ с высоким уровнем упругих свойств (предел упругости σор02 1200 МПа, добротность Q 60000 – 70000). В этом случае конструкции опоры упрощается за счет исключения дополнительной мембраны 7.
Сейсмостойкаяь опора работает следующим образом.
Динамические колебания фундамента 11 сооружения с закрепленным в нем вертикальным элементом заделки 9 опоры по трем координатным осям – вертикальной и двум горизонтальным, включая и угловые колебания вокруг этих осей по отношению к надфундаментной конструкции сооружения 12 и вертикальному элементу заделки 8 при землетрясении или транспортных воздействиях приведут к деформации и взаимному смещению центров мембран 2 упругого элемента 1 по трем координатным осям, ослаблению ударных импульсных нагрузок за счет малой контактной жесткости, передаваемых от фундамента 11 к надфундаментной конструкции сооружения 12, снижению контактных напряжений, перемещению демпфирующей жидкости 15 в межмембранной полости между мембранами 2 в радиальном направлении и из межмембранной полости -в полость между верхней мембраной 2 и дополнительной мембраной 7 через калиброванные отверстия 6 (направления движения демпфирующей среды на фиг. 1 указаны стрелками для случая сжатия упругого элемента 1), что приведет к возникновению демпфирующих сил и моментов по трем координатным осям. Эффективность демпфирования колебаний по вертикальной оси опоры возрастает при уменьшении диаметра и числа калиброванных отверстий 6 в верхней гофрированной мембране 2. Высокочастотные составляющие динамических колебаний фундамента 11 в силу большой инерционности сооружения сглаживаются упругим элементом. 1. В качестве примера на фиг. 2 показана деформированная сейсмостойкая опора при направлении действия динамических сил со стороны элемента заделки 9 в фундаменте 11 в плоскости чертежа влево вверх.
Сейсмостойкая опора работоспособна и в перевернутом состоянии, а отсутствие уплотнительных элементов (сальников) в упругом элементе 1, заполненном жидкостью 15, повышают ее эксплуатационную надежность и долговечность по сравнению с известными сейсмостойкости опорами и амортизаторами.
Динамические колебания фундамента 11 сооружения с закрепленным в нем вертикальным элементом заделки 9 опоры по трем координатным осям – вертикальной и двум горизонтальным, включая и угловые колебания вокруг этих осей по отношению к надфундаментной конструкции сооружения 12 и вертикальному элементу заделки 8 при землетрясении или транспортных воздействиях приведут к деформации и взаимному смещению центров мембран 2 упругого элемента 1 по трем координатным осям, ослаблению ударных импульсных нагрузок за счет малой контактной жесткости, передаваемых от фундамента 11 к надфундаментной конструкции сооружения 12, снижению контактных напряжений, перемещению демпфирующей жидкости 15 в межмембранной полости между мембранами 2 в радиальном направлении и из межмембранной полости -в полость между верхней мембраной 2 и дополнительной мембраной 7 через калиброванные отверстия 6 (направления движения демпфирующей среды на фиг. 1 указаны стрелками для случая сжатия упругого элемента 1), что приведет к возникновению демпфирующих сил и моментов по трем координатным осям. Эффективность демпфирования колебаний по вертикальной оси опоры возрастает при уменьшении диаметра и числа калиброванных отверстий 6 в верхней гофрированной мембране 2. Высокочастотные составляющие динамических колебаний фундамента 11 в силу большой инерционности сооружения сглаживаются упругим элементом. 1. В качестве примера на фиг. 2 показана деформированная сейсмостойкая опора при направлении действия динамических сил со стороны элемента заделки 9 в фундаменте 11 в плоскости чертежа влево вверх.
Сейсмостойкая опора работоспособна и в перевернутом состоянии, а отсутствие уплотнительных элементов (сальников) в упругом элементе 1, заполненном жидкостью 15, повышают ее эксплуатационную надежность и долговечность по сравнению с известными сейсмостойкости опорами и амортизаторами.
Расширение области применения оболочечных конструкций с наполнителем объясняется рядом естественных причин, среди которых можно указать следующие основные причины:
1.Экономичность конструкции. Как правило, дорогой конструкционный материал (металл) используется только для оболочки: железобетонные конструкции занимают до 10 % от общего объёма конструкции оболочки с заполнителем, для стальных конструкций – до 1 % от всего объёма. Материал наполнителя в большинстве случаев относительно дёшев в сравнении с материалом оболочки.
2.«Живучесть» конструкции. Возможность перераспределения усилий в наполнителе в процессе эксплуатации позволяет оболочке сохранять прочность при значительных отклонениях от проектного положения.
3.Универсальность конструкции. Возможность применения оболочечных элементов с наполнителем для широкого спектра конструкций в различных областях строительства.
Справочно для пространственного представления конструкции мембраны Увакина – показан пример мембраны, с ортогональным расположением синусоидальных волн в окружном и радиальном направлении
Патент автора Увакина В.Ф.№ 1828673 “Многоэтажное сейсмостойкое здание” читать в PDF
Для информации труд профессора Шмакова В.П.:
Разработка методики расчета прочностных характеристик упругой оболочки с наполнителем применительно для строительства (Отчет Дальневосточного государственного технического университета, 2010 г.)
Пример сейсмостойкого высотного здания с использованием демпферов см в статье “Демпферы в высотных зданиях” на примере небоскреба Тайбей 101 https://uvakin.ru/dempfer-dlya-vysotnyx-zdanij/
