m0919

111

16, направляющего стакана 10 с шариковым сепаратором 17, упругих горизонтальных стержней 14 с фиксаторами 15 и дополнительными массами 18, центрального, вертикального, жесткого стержня 13, связывающего инерционную массу 2 с колеблющейся строительной конструкцией 1 и засыпки 19.

Работает устройство следующим образом. К строительной конструкции 1 на жестком центральном стержне 13 при помощи пружины 11, опорного 9 и направляющего 10 стаканов и регулировочного устройства, включающего прижимную горизонтальную плиту 16, фиксаторы 15 и вертикальные, жесткие стержни 13, крепится инерционная масса 2. При возникновении вертикальных колебаний конструкции 1 энергия этих колебаний передается через центральный стержень 13 к инерционной массе 2. В результате инерционная масса 2 также начинает совершать сложные колебания, состоящие из вертикальных колебаний в горизонтальной плоскости.

Затем для настройки гасителя колебаний в отсеках 8 инерционной массы 2 размещают засыпку 19 заданной величины, в результате чего инерционная масса 2 начинает совершать вертикальные колебания с частотой, близкой к частоте вертикальных колебаний конструкции 1. Это происходит потому, что в результате установки пружины 11 с расчетной жесткостью и достижения заданного значения инерционной массы 2 обеспечиваются ее вертикальные колебания с расчетной частотой, близкой к частоте вертикальных колебаний конструкции. При совпадении частот вертикальных колебаний конструкции 1 и инерционной массы 2 последняя масса совершает вертикальные колебания в противофазе с колебаниями конструкции и тем самым обеспечивается наибольшее уменьшение амплитуды вертикальных колебаний конструкции 1

Кроме вертикальных колебаний, инерционная масса 2 совершает также крутильные колебания в горизонтальной плоскости, наличие которых препятствует достижению равенства частот вертикальных колебаний ее и конструкции 1. Для достижения равенства частот вертикальных колебаний конструкции и инерционной массы, снижения крутильных колебаний последней в горизонтальной плоскости инерционная масса 2 перемещается по высоте на периферийных, жестких вертикальных стержнях 13 относительно горизонтальной прижимной плиты 16. Затем инерционная масса 2 фиксируется при помощи фиксаторов 15 в положении, при котором она совершает вертикальные колебания с максимальными амплитудами в режиме, близком к ее резонансным колебаниям, и тем самым обеспечивается дальнейшее увеличение гашения вертикальных колебаний конструкции 1.

Кроме того, положение центра тяжести инерционной массы 2 по высоте относительно конструкции 1 изменяется в зависимости от размещения засыпки 19 заданной величины в двух или четырех отсеках 8 инерционной массы 2. В результате этого происходит дальнейшее снижение амплитуды ее крутильных колебаний.

Установка направляющего стакана 10, жестко связанного с горизонтальной, прижимной плитой 16, уменьшает перекос инерционной массы в вертикальной плоскости и ее крутильные колебания, так как шариковый сепаратор 17 обеспечивает точность направления ее вертикальных колебаний на центральном, жестком стержне 13.

Затем для полного устранения крутильных колебаний инерционной массы 2 в горизонтальной плоскости устанавливаются на упругих горизонтальных стержнях 14 дополнительные массы 18 и фиксируются в заданном положении с помощью фиксаторов 15. При этом дополнительные массы 18 совершают колебания в горизонтальной плоскости с частотой, равной частоте крутильных колебаний инерционной массы 2, но в противофазе с ее колебаниями.

Таким образом, благодаря устранению крутильных колебаний инерционной массы достигается наибольшее уменьшение амплитуд вертикальных колебаний конструкции.

Как следует из описания конструкции и работы гасителя, это довольно сложная и материалоемкая система, с жесткой настройкой гасителя на работу со строго определенной частотой, которая побирается заранее и самостоятельно, т.е. в процессе работы гасителя не изменяется. Вследствие чего, гаситель данной конструкции конструктивно и экономически проигрывает другим, более прогрессивным вариантам решения проблемы.

Иная конструкция гасителя предлагается по техническому решению по а.с. СССР

№1203213 (Рис. 1.20, в), в котором, с целью повышение эффективности работы гасителя колебаний, комбинированный гаситель колебаний состоит из инерционной массы 2, прикрепленной к

112

пружине в виде упругого вертикально стержня 12. Шайба 20 имеет возможность перемещаться вдоль внутреннего стакана 21 при помощи ходовых винтов 23. Внутренний стакан 21 упруго связан с внешним стаканом 22 посредством фиксирующего стержня 15. Между внутренним стаканом 21 находиться цилиндрическое кольцо 24 из материала с повышенным внутренним неупругим сопротивление и возможностью перемещения при помощи ходовых винтов 23. Внешний стакан 22 присоединен к сооружению болтами 24. Упоры 4 фиксируют верхнее положение цилиндрического кольца.

Настройка гасителя осуществляется путем перемещения шайбы 20, что приводит к изменению свободной длины пружины и, следовательно, ее жесткости.

Перемещения упругого консольного стержня и внутреннего стакана 21 относительно жесткости закрепленного внешнего стакана 23 происходит совместно.

Эффект демпфирования возникает за счет деформации цилиндрического кольца 24 при перемещениях внутреннего стакана 21. Чем выше поднято кольцо 24, тем больше демпфирование в системе.

При работе в переходном режиме увеличение демпфирования приводит к уменьшению амплитуды колебания сооружения. Если гаситель работает в режиме установившихся колебаний и настроен точно на частоту внешнего воздействия, то амплитуда перемещений в объекте тем меньше, чем меньше величина демпфирования. Поэтому при работе в переходном режиме для обеспечения наибольшей величины демпфирования цилиндрическое кольцо 24 находиться в максимально верхнем положении, которое фиксируется упорами 4. При установившихся колебаниях кольцо 24 опускается вниз, что позволяет установить гаситель на минимальную величину демпфирования.

В завершении рассмотрим конструкцию гасителя колебаний, прилагаемую по техническому решению по а.с. СССР №1211399 (Рис. 1.20, г), в котором, с целью повышение эффективности работы гашения и снижение массы гасителя, динамический гаситель колебаний, представляет собой инерционную массу, установленную на усиленном верхнем перекрытии 5 строительного объекта 1 и соединенную с ним посредством упругих связей и демпфирующих устройств массу, в виде жестко прикрепленного к перекрытию опорного полушария 26 и установленной на нем скользящей прокладки 27, плиты 28 с ответной сферической выемкой. При этом плита 28 выполнена с V-образно закрепленными консольными маятниками 29 с концевыми грузами, масса которых составляет 0.3-0.6% от массы сооружения. Упругие связи и демпфирующие элементы присоединены к плите 28 и, в свою очередь, выполнены из корпуса 30, ряда упруго-пластичных прокладок 31, приложенных металлическими пластинами 32, утолщенного конусного конца тяги 33, помещенного в песок 34.

При землетрясении покрытие резко перемещается, главным образом, в горизонтальном направлении V-образная конструкция с грузом на конце через шарнир за счет инерции препятствует перемещению здания и вследствие значительно более высокой частоты настройки и затухания колебаний в демпфирующем амортизаторе снижает сейсмические нагрузки на сооружение. Благодаря V-образным консольным маятникам динамический гаситель колебаний одновременно частично снижает возможные вертикальные сейсмические воздействия на здание.

113

1.3.3. СЕРВОМЕХАНИЗМЫ.

Основная суть идеи определяется самим названием – сервомеханизм.

Это сложное слово, состоящее из двух частей: serve и mechane. При этом первая часть которого происходит от английского, и переводиться, как обслуживать и означает вспомогательный, автоматически регулирующий характер основного понятия. А вторая или основная часть – от греческого и переводиться как орудие, механизм.

Вцелом - это означает устройство для передачи и преобразования движений, представляющее собой систему тел (звеньев), в которой движение одного или нескольких ведущих тел вызывает вполне определенные движения остальных тел системы. [1]

Во многих случаях при попытке практической реализации идеи система неожиданно трансформируется из системы вспомогательного плана в основной механизм, который непосредственно и обеспечивает сейсмостойкость строительному объекту. Отсюда вытекает сложность изготовления и эксплуатации сейсмозащиты, высокая материалоемкость и трудоемкость, машиностроительная точность и, наконец, на ее изготовление требуются высококачественные, легированные стали. Естественно, что все отмеченное ведет к очень высокой стоимости сейсмозащиты.

К недостаткам следует присоединить еще и следующие конструктивные обстоятельства:

в своей массе строительные объекты обладают большими габаритными размерами и массой в сотни и тысячи тонн;

сейсмические проявления являются случайными и носят пространственный хаотический характер;

относительная длительность в большинстве случаев составляет от 10 до 60 с (время колебаний, в пределах которых ускорения превышает 0.03g);

число амплитуд в записи ускорений (акселерограмм) достигает более 100, а смещения могут достигать 80÷100 см и ускорения - 2g. [2-5]

Вцелом, идея сейсмозащиты строительных объектов на базе сервомеханизмов носит чисто умозрительный или гипотетический характер. Рассматривается идея лишь для обеспечения полноты представлений об имеющихся возможностях в арсенале средств по обеспечению эффективной и надежной сейсмозащиты и для обеспечения при анализе систем равнозначных условий их рассмотрения. Такой подход открывает перед нами возможность объективно отобрать наиболее перспективные системы сейсмозащиты и сосредоточить дальнейшие науч- но-практи- ческие исследования на конкретно выбранных системах. Это позволяет существенно удешевить и ускорить условия разработки промышленного внедрения наиболее перспективных систем активной сейсмозащиты в строительную практику.

Рассмотрим конструктивные возможности и недостатки сервомеханизмов на примере пяти конкретных систем.

Всоответствии с техническим решением по а.с. СССР № 536286 (Рис. 1.21, а), целью изобретения является обеспечение равномерной передачи нагрузок на опорную конструкцию при сейсмическом воздействии.

Это достигается тем, что сервомеханизм представляет собой систему, состоящую из опорного пояса (рамы) 2, на которой располагается сейсмозащищаемая часть строения 1, фундаментной плиты, выполненной из самостоятельного ряда опорных плит 3, и механически подвижных несущих многозвенных цепей, соединяющих опорный пояс с фундаментом. При этом все опорные плиты 3 фундамента снабжены стойками-упорами 4, а несущий опорный пояс 2 – рядом кронштейнов 5. В свою очередь, каждое подвижное звено состоит из ряда шарниров 6, серег 7 и металлических тяг 8, шарнирно соединенных через серьги 7 одним концом к соответствующим кронштейном 5 опорного пояса, а другим – со стойкой-упором 4 соответствующей опорной плиты 3 фундамента.

Для ограничения горизонтальных смещений системы она дополнительно оборудована горизонтальными тягами 9 или своего рода упругим демпфером.

Как следует из описания рассматриваемого технического решения, смещение системы возможно за счет шарнирного выполнения звеньев несущих многозвенных цепей, соединяющих несущую раму с опорными плитами. При этом сейсмические воздействия за счет конструкции

114

115

сервомеханизма в полном объеме передаются защищаемому объекту, а гашение силового воздействия имеет место только на горизонтальных тягах 9.

Несмотря на пространственный характер сейсмического воздействия, сервомеханизм конструктивно организован на восприятие динамических усилий только в одной плоскости и игнорируются все остальные сейсмоопасные направления сейсмического возмущения. Из-за конструктивных особенностей новации, сервомеханизм не может быть продублирован и тем самым, например, установлен для восприятия сейсмической нагрузки хотя бы в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Из-за своего конструктивного решения система динамически малоустойчива. Поэтому при сейсмическом воздействии она стремиться перейти из своего проектного (первоначального) положения в энергетически более устойчивое положение. А так как вернуться в свое первоначальное или проектное положение система самостоятельно не способна, то авторами идеи она дополнительно снабжена горизонтальными тягами 9, играющих роль упругих демпферов. Что еще больше усложняет и увеличивает стоимость сейсмозащиты. Технически намного проще и эффективнее было бы вместо отмечаемого сервомеханизма использовать активные системы, например, либо на базе опор растяжения или подвесных опор, либо на базе шаровых опор или сфероидов. Это позволяет одновременно увеличить общую устойчивость системы и пространственную сейсмостойкость строительного объекта.

Получается, что произведя существенные материальные затраты, связанные с практической реализацией новации, мы не обеспечили строительному объекту эффективной и надежной сейсмозащиты, т.е. то, ради чего и осуществлялось внедрение новации.

Конструктивно техническое решение по а.с. № 727762 (Рис. 1.21, б) является комбинацией трех систем активной сейсмозащиты: на базе: шаровых опор, энергопоглотителя и сервомеханизма, позволяющей обеспечить строительному объекту и общую динамическую устойчивость, и сейсмозащиту в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

При этом непосредственно система на базе шаровых опор решена в виде самого сейсмозащищаемого строительного объекта 1, опорной плиты (пояса) 2, роликовых опор 11 и фундамента 10. Роликовые опоры 11 располагается в зазоре 10 между опорной плитой 2 и фундаментом 10 строения.

В свою очередь, сама роликовая опора 11 состоит из трех плит: верхней 12, средней 13 и нижней плиты 14 и двух взаимно перпендикулярных рядов роликовых опор (подшипников) 15 и 16. Верхняя плита 12 роликовой опоры 11 прикреплена к низу опорной плиты 2, а нижняя плита 14 – к верху фундамента 3 сейсмозащищаемого строения. Кроме этого, верхняя плита 12 и средняя плита 13 имеют пазы для роликов первого ряда 15, а средняя плита 13 и нижняя плита 14 имеют пазы для роликов второго ряда 16. Ролики 15 и 16 в каждом пазу связаны между собой посредством обоймы 17.

Система на базе энергопоглотителя является составной частью сервомеханизма 18 и введена в комбинацию как элемент снижения сейсмического воздействия посредством гистерезисного трения. Конструктивно это металлический брус 19, жестко соединенный одним концом со стационарной опорой 4, установленной на фундаменте 3, а другим – с шестерней 20 сервомеханизма 18. Кручение брусьев 19 сейсмическими силами вызывает их деформацию, которая как раз и проявляется в виде гистерезисного трения.

Как вариант развития энергопоглотителя, деформационный брус 19 может быть снабжен дополнительной передвижной опорой 22, установленной на фундаменте 10, а также – дополнительной опорой 23 с подшипником, размещенной на фундаменте 3 рядом с шестерней 20. Дополнительная передвижная опора 22 может быть установлена на салазках 24. Крепление опор 21, 22 и 23 к фундаменту 10 может быть выполнено с помощью станины 25, закрепленной анкерными болтами 26.

А сам сервомеханизм представляет собой конструкцию, выполненную в виде сцепления зубчатой рейки 20 с шестерней 19. При этом зубчатые рейки 20 крепятся к нижней стороне опорной плиты 2 с помощью закладных деталей 27, а шестерня жестко крепится к брусу 19 энергопоглотителя.

Принцип работы новации заключается в следующем:

116

Вертикальная нагрузка воспринимается роликовыми опорами 11, обеспечивающими свободное перемещение в горизонтальной плоскости надфундаментной части 1. При горизонтальных сейсмических колебаниях инерция массы надфундаментной части 1 строительного объекта противодействует горизонтальному движению фундамента 3, что выражается в передаче сейсмических сил через зубчатое зацепление рейки 21 с шестерней 20. В результате чего, энергия колебаний надфундаментной части 1 строения поглощается за счет гистерезисного деформирования бруса 19 при его кручении, а также за счет трения в зубчатом зацеплении рейки 21 с шестерней 20.

В качестве принципиальных недостатков, присущих отмеченной новации, следует еще отметить:

Что сейсмозащита конструктивно не способна воспринимать как вертикальные сейсмические воздействия, так закручивание изгиб узлов и строительных элементов относительно осей объекта.

Конструирование сервомеханизма осуществлено, исходя из неверного представления о природе сейсмических сил – в частности авторами идеи игнорируется факт прихода сейсмического воздействия от грунта к объекту. Из-за чего, вместо снижения сейсмической нагрузки, которое позволяет получить введение роликовых опор, нагрузка, наоборот, через сервомеханизм передается на сейсмозащищаемую часть строения.

Отмеченные выше недостатки переводят рассмотренный сервомеханизм в разряд бесполезных технический решений, только и способных увеличивать сложность, материалоемкость и стоимость активной сейсмозащиты.

По техническому решению а.с. СССР № 765461 (Рис. 1.21, в) активная сейсмозащита состоит из двух плит: опорной 2 и фундаментной 3, сервомеханизма, располагаемого в конструктивном зазоре между отмеченными плитами. А сам сервомеханизм выполнен в виде нескольких рядов вертикальных несущих стоек 28, нижние концы которых снабжены башмаками 29 с шаровыми шарнирами, а верхние концы имеют винтовую нарезку и свободно ввинчивается во втулку 30, жестко заделанную в опорную плиту 2. При этом несущие стойки 28 соединены через тяги 9 с механическим приводом 31 (условно показанным точкой), закрепленным на опорной плите 2 и обеспечивающим возвратно-поступательное перемещение тяг 9 и поворот несущих стоек 28 с помощью телескопических рычагов 32.

Возможная вибрация несущих стоек 28 устраняется путем выполнения стоек пустотелыми, с заполнением полости вязким материалом, например обработанным трансформаторным маслом. Для предохранения от сотрясений при работе устройства может быть устроен упругий слой 33, выполненный, например, из жесткой резины. Возможны и другие варианты приспособления для поочередного укорочения и удлинения несущих стоек 28, например, на основе пневматических или электрических устройств.

При подвижках грунта автоматически включается в работу механический привод 31, который через тяги 8 и шарнирно соединенные с ним телескопические рычаги 32, жестко прикрепленные к несущим стойкам 28, вызывает колебательные повороты этих стоек, обеспечивая переменный контакт рядов стержней с фундаментной плитой 3. Сейсмический сдвиг фундамента приводит к изгибу несущих стоек 28, в данный момент контактирующих с фундаментной плитой 3, однако в следующий момент в контакт с фундаментной плитой 3 вступают следующие ряды несущих стоек 28, а изгиб с ранее загруженных стоек 28 снимается без передачи на опорную плиту 2.

Если учесть большую инерционность строительного объектов (вес объекта) и силовые параметры землетрясения, то окажется, что узлы и элементы сейсмозащиты в процессе работы будут испытывать очень значительные - экстремальные усилия и деформации. Поэтому вероятность успешной реализации новации выглядит как маловероятная, зато не вызывает сомнения очень высокая стоимость изготовления и эксплуатации сейсмозащиты.

Опять же, учитывая большую инерционность, для передвижения сейсмозащищаемого объекта потребуется мощный механический привод и энергоустановка. В зависимости от конструктивной реализации механического привода, например, в виде бензинового, дизельного, газового, пневматического или электрического устройства, соответственно, по-разному необ-

117

ходимо будет организовать и энергоисточник: так для первых двух отмеченных устройств необходим будет склад горюче-смазочных материалов, а для газового привода – газохранилище и т.д. Кроме этого понадобятся еще и соответствующие сети для доставки энергоисточника к механическому приводу. Так как выход из строя источника энергопитания приведет к непредвиденной остановке механического привода и, как следствие, к выводу из строя сейсмозащиты, то все его элементы подлежат самостоятельной сейсмозащите, защите от возгорания, экологической защите окружающего пространства.

При этом, учитывая неожиданность проявления землетрясений, механический привод должен находиться в постоянном рабочем состоянии. А это в процессе эксплуатации – круглосуточный шум, вибрации от работы механизмов и постоянное квалифицированное обслуживание.

В определенной мере, конструктивные и эксплутационные сложности уменьшаются при использовании в качестве источника энергии – электричества. Причем энергоустановка обязательно должна быть самостоятельной (независимой) и компактной. Хотя и в этом случае, не исчезает необходимость увеличения, за счет веса энергоустановки, инерционной нагрузки и под установку забирается еще часть полезной строительной площади.

Требование самостоятельности энергоисточника вытекает из-за возможности выхода из строя общей энергетической системы, например, из-за обрыва проводов, выхода из строя трансформаторов, оборудования энергостанций и, наконец, как предупредительная мера, связанная с защитой людей от поражений электротоком в аварийной ситуации. А требование его компактности – из-за необходимости расположения энергоустановки внутри сейсмоизолируемого объекта. Иначе дополнительно придется сейсмозащищать и саму энергоустановку, а это новые капитальные затраты.

Даже, если предположить, что на время землетрясения нам чудом удалось, например, задействовав силы гравитации поднять строительный объект над землей, и тем самым его полностью сейсмоизолировать, то и в этом случае необходимость организации мощного, независимого источника энергии делает сейсмозащиту экономически нецелесообразной.

Высокие капитальные затраты идущие на изготовление и устройство сейсмозащиты, как минимум подразумевают, очень высокую степень и эффективность сейсмозащиты строительного объекта. Однако в отмечаемой новации это не так. Хотя в процессе восприятия сейсмической нагрузки за счет поочередного укорочения и удлинения несущих стоек 28 и будет иметь место перераспределение нагрузки по разным рядам несущих стоек, тем не менее, связь опорной плиты (пояса), благодаря несущим стойкам, с фундаментной плитой 3 будет постоянной. А значит, сейсмическая нагрузка регулярно будет воздействовать на сейсмозащищаемую часть объекта, т.е. сервомеханизм будет работать по принципу сейсмозащиты с «гибкой нижней частью». И вновь получается, что сервомеханизм выступает ненужным придатком, усложняющим и удорожающим более эффективный вариант сейсмозащиты…

Целью технического решения по а.с. СССР № 579379 (Рис. 1.21, г) является уменьшение раскачивания строительного объекта при ветровых и сейсмических воздействиях. Достигается это тем, что сейсмозащита выполняется как кинематический фундамент со сфероидальными опорами снабженный сервомеханизмом. При этом кинематический фундамент представляет собой две плиты: верхнюю опорную 2 и фундаментную плиты 3, и ряд сфероидальных опор 34, располагаемых между ними. А сервомеханизм выполняется из шарнирных распорок 35, связанных тягой 8 с ветрочувствительным элементом 36, расположенным на крыше строения 1. В свою очередь, каждая из распорок 35 выполнена в виде шарнирно соединенных между собой секций, а концы каждой распорки также шарнирно прикреплены соответственно к верхней опорной плите и фундаменте. И, наконец, в целях улучшения работы системы при интенсивных сейсмических воздействиях тяга 8 содержит дополнительную массу 37 и упруго-фрикционный элемент 38.

Когда строительный объект 1 оказывается под действием ветровой нагрузки, ветрочувствительный элемент 36 посредством тяги 8 создает в шарнирной распорке 35 усилие, направленное против силы реакции в здании от ветровой нагрузки. Тем самым раскачивание здания от ветровой нагрузки будет существенно ослабляться.

118

В целях уменьшения инерционных сил, возникающих при вращении ветрочувствительного элемента 36, а также при воздействии землетрясения, ему придается необходимое распределение масс.

Так как и ветрочувствительный элемент 36, и защищаемый строительный элемент 1 находятся в одном ветровом потоке, то их боковые площади взаимодействия с ветровым потоком («парусность») должны соответствовать друг другу.

Затем, учитывая пространственную направленность от времени года и даже суток ветрового потока, ветрочувствительный элемент должен иметь пространственную ориентацию.

И, наконец, чтобы сработали металлические тяги 8 сервомеханизма необходимо, чтобы ветровое воздействие имело вертикальную направленность. В противном случае мы не только не снизим горизонтальное смещение строительного объекта, но и наоборот, его увеличим. Получается, что ветрочувствительный элемент должен представлять собой своего рода громадный аэростат, парящий над строением. Что, естественно, вызовет определенные проблемы в обслуживании воздушного транспорта, сложности в обслуживании динамической системы в процессе ее эксплуатации. Да и архитекторы, из-за конструктивной реализации новации, вряд ли согласятся с ее массовым применением.

С другой стороны – и сам сервомеханизм, благодаря шарнирному соединению распорок с верхней опорной плитой и фундаментом, является передающим звеном сейсмического воздействия от грунта к сейсмоизолированной части строительного объекта. Тем самым нарушаются условия одновременного обеспечения ветровой и сейсмической устойчивости строения.

Гораздо большего успеха, при меньших экономических затратах и большей эффективности и надежности сейсмической защиты, мы могли бы достигнуть, например, используя для этого активную сейсмозащиту на базе включающихся связей. В частности, путем устройства в уровне первого этажа бетонных диафрагм жесткости, которые, соединяя фундамент с сейсмоизолируемой частью строения, обеспечивают устойчивость объекта при ветровом воздействии, а при сейсмическом воздействии, после саморазрушения – они за счет кинематического фундамента открывают подвижность динамической системе.

И, наконец, сравнительно недавно в производстве появились сплавы с эффектом памяти формы. В строительстве, устройства на основе памяти (типа SMAD), используются в виде демпфирующих связей в исторических зданиях и монументах. Демпферы такого типа были применены в некоторых монументальных сооружениях, среди которых: Базилика Святого Франциска в г. Ассиси и церковь Сан-Фелициано в г. Фолигно (Италия). [6]

SMAD-устройства используются для обеспечения совместной работы перекрытий и покрытий с вертикальными стенками кирпичных зданий, для замены или в сочетании с традиционными стальными связями. Целью применения является предотвращение опрокидывания фронтона стены при горизонтальном сейсмическом воздействии. [6]

Суть идеи заключается в том, что ряд металлических сплавов, которые после предварительной деформации, демонстрируют возврат к первоначальной форме. Элементы изготавливают в форме тонких металлических стержней, объединенных в единое устройство. [6-8]

Исследование феноменального свойства металлов показало, что его механизм определяется весьма тонкими процессами, происходящими с кристаллической решеткой, в частности явлением, которое получило название «термоупругое равновесие фаз в твердом теле».

Каждый металл и сплав имеет свою кристаллическую решетку, архитектура и размеры которой строго заданы. Но у многих металлов с изменением температуры, давления решетка не остается одной и той же: наступает момент, когда происходит ее перестройка. В результате образуется фаза с новой кристаллической решеткой – мартенситом, соответственно способ перестройки получил название мартенситового превращения. [7-8]

Здесь придется обратиться к считавшейся классической картине мартенситного превращения. Свободная энергия рождающихся кристаллов мартенсита меньше, чем исходной фазы. Именно это стимулирует развитие мартенситового перехода. Однако появляются и силы препятствующие переходу. Прежде всего, это повышение свободной энергии из-за возникновения границы раздела старой и новой фаз. Кроме того, растущие кристаллы мартенситовой фазы вынуждены деформировать окружающую матрицу, которая, конечно, сопротивляется этому. В

119

результате возникает упругая энергия, которая препятствует дальнейшему росту кристаллов. Накопление упругой энергии подобно пружине, сжимающейся по мере роста кристалла. Когда эта энергия превысит предел упругости. Происходит как бы разрушение пружины. Что вызывает интенсификацию деформацию материала в окрестности границы раздела фаз. Рост кристалла прекращается. Этот процесс может происходить исключительно быстро, подобно взрыву, и тогда отдельные кристаллы мартенсита вырастают практически мгновенно до своих конечных размеров. В сталях мартенситовое превращение происходит именно так. [8]

Обратный переход мартенсита в аустенит (так называется высокотемпературная фаза стали, из которой он образовался) уже не может произойти по обратному «взрывному» механизму. Пружина была сломана, границы между фазами нарушены, и теперь обратная бездиффузионная. Сдвиговая перестройка решетки затруднена. Нужен значительный перегрев сплава. Чтобы в недрах мартенсита начали зарождаться, и расти кристаллы аустенита. При этом их исходная форма, как правило, не восстанавливается. [7-8]

Особенность, интересующего нас мартенситового превращения, состоит в том, что при его охлаждении мартенситные кристаллы растут медленно, а при нагреве постепенно исчезают. Если продолжить аналогию с пружиной, то можно сказать, что в данном случае она успевает остановить рост кристалла прежде, чем сама разрушится. Кристалл мартенсита оказывается как бы подпружиненным, что и обеспечивает динамическое равновесие границы между ним и исходной фазой: при охлаждении граница смещается в одну, а при нагреве – в обратную сторону.

Заметим, что внешняя нагрузка может управлять движением атомов не только в процессе самого мартенситного превращения, но и после его завершения. Под действием нагрузки увеличивается число кристаллов с мартенситной деформацией, совпадающей по направлению с приложенным усилием. Процесс развивается до тех пор, пока все кристаллы не выстроятся и образец в целом не продеформируется в направлении действия силы. Происходит это без разрыва межатомных связей и нарушения соседства атомов. Поэтому при нагреве они возвращаются на свои исходные позиции, восстанавливая первоначальную форму всего объема материала. В данном случае внешняя нагрузка действует на мартенситные кристаллы, подобно магниту на железные опилки, которые выстраиваются в магнитном поле в строго определенном направлении. [8]

Таковы механизмы, благодаря которым реализуется эффект памяти формы, основанный на термоупругом равновесии фаз и управляющем действии нагрузки.

Существуют сотни сплавов с мартенситным превращением. Но далеко не все из них способны вспоминать форму.

Лидером среди материалов с памятью формы по применению и изученности является никелид титана, другое название сплава, принятое за рубежом, - нитинол.

Никелид титана – это сплав эквиатомного состава с 55 мас. % Ni. Температура плавления 1240 -13100 С, с плотностью 6.45 г/см3. Исходная структура никелида титана стабильная объ- емно-центрированная кубическая решетка типа CsCl при деформации претерпевает термоупругое мартенситовое превращение с образованием фазы низкой симметрии. [7]

Обладает:

Превосходной коррозионной стойкостью. Высокой прочностью.

Хорошими характеристиками формозапоминания. Высокий коэффициент восстановления формы и высокая восстанавливающая сила. Деформация до 8% может полностью восстанавливаться. Напряжение восстановления при этом может достигать до 800 МПа.

Высокая демпфирующая способность материала. Недостатки:

Из-за наличия титана сплав легко присоединяет к себе азот и кислород. Чтобы предотвратить реакции с этими элементами при производстве надо использовать вакуумное оборудование.

Из-за высокой прочности - затруднена обработка при изготовлении деталей, особенно резанием.

Высокая цена, стоит чуть дешевле серебра.

Более доступным сплавом с памятью является сплав Cu-Zn-Al, температура мартенситовых

120