m0919

превращений которого находиться в интервале от -170 до 1000 С. [7] Преимущества (по сравнению с никелидом титана):

Можно выплавлять в обычной атмосфере. Легко обрабатывается резанием.

Цена – в пять раз дешевле. Недостатки:

Хуже по характеристикам формозапоминания. Хуже механические и коррозионные свойства.

При термообработке легко происходит укрупнение зерна, что приводит к снижению механических свойств.

Проблемы стабилизации зерна в порошковой металлургии. [7] Итак, подведем итог, при использовании элементов с формой памяти в качестве элементов

сейсмозащиты, практический интерес представляют следующие моменты:

Сплав имеет превосходную антикоррозийную стойкость, выше, чем у легированной стали. Высокую циклическую прочность элементов, т.е. способность выдерживать большие зна-

копеременные нагрузки без разрушения.

Отметим, что «долговечность» изделий из сплава в тысячи раз больше, чем у изделий из традиционных материалов. При этом циклическая стойкость обеспечивается все тем же особым механизмом мартенситного превращения, которое не сопровождается соседства атомов и разрушением межатомных связей. А, следовательно, не происходит и накопления дефектов структуры, которые, в конечном счете, приводят к образованию трещин и разрушению обычных сплавов. [8]

Кроме этого, оказалось, что сплавам с памятью, присуща высокая способность рассеивать механическую энергию в окружающее пространство. Это связано с тем, что при мартенситных превращениях перестройка кристаллической решетки сопровождается выделением или поглощением тепла. Поэтому, если внешняя нагрузка вызывает мартенситное превращение, то происходит интенсивный переход механической энергии в тепло и наоборот – подведение тепла к элементу вызывает деформацию. [8]

В качестве недостатков отметим следующие моменты:

Программирование сплава на изменение формы состоит в его специальной термомеханической обработке, посредством которой и определяется форма изделия, как при нагреве, так и при охлаждении. При пространственном характере сейсмического воздействия, по каждому из направлений потребуется своя система элементов, что усложняет и удорожает сейсмозащиту.

Для многократного механического срабатывания элементов, на основе сплава памяти формы, потребуются регулирующая система и источники тепла и холода. Кроме этого, источники тепла и холода нужно где-то располагать и которые нужно постоянно поддерживать в рабочем состоянии.

Температурная инерционность выше скорости, чем скорость изменения сейсмических импульсов. На практике это означает, что пока элемент с памятью формы сработает, ряд сейсмических импульсов достигнет сейсмоизолируемой части строительного объекта.

Получается, задействовав существенные материальные средства на установку новых элементов, сейсмозащита не приобретает дополнительного приращения по эффективности и надежности, и мы зря потеряли время и деньги.

В целом, учитывая ограниченные технические возможности, высокую материалоемкость, трудоемкость изготовления, требования высокой точности изготовления и большие эксплутационные затраты систем на базе сервомеханизмов на данном этапе технического развития общества следует признать бесперспективным, а возможность их применения и использования в строительной практике нежелательным.

121

1.3.4. СЕЙСМИЧЕСКИЕ ЭКРАНЫ. 1.3.4.1. Волновые завесы.

Идея сейсмоизолирующих экранов базируется на волновых свойствах упругих волн, с одной стороны связанных с явлением дифракции, а с другой - с явлением интерференции волн. Отсюда два конструктивных типа сейсмоизолирующих экранов: волновые завесы и волновые преобразователи.

Напомним что упругие волны - это изменение состояния среды (возмущения), распространяющиеся в этой среде и несущие с собой энергию. Упругие волны существуют в твердых телах, жидкостях и газах. Сейсмические волны, так же как звуковые и ультразвуковые волны, это всего лишь частный случай упругих волн, отличительной особенностью которых является то, что они происходят в Земле от природных (землетрясений, извержений вулканов, обвалов в карстовых полостях, горных ударов и т.д.) или искусственных (взрывов, вибраторов, пневматических, газодинамических, электроискровых, гидравлических) источников. [1-4]

При распространении упругих волн происходит перенос энергии упругой деформации в отсутствии потока вещества, который имеет место только в особых случаях, например при акустическом ветре. Всякая гармоническая упругая волна характеризуется амплитудой и частотой колебаний частиц среды, волны, фазовой и групповой скоростями, законом распределения смещения и напряжения по фронту волны. При этом частотный диапазон сейсмических волн находиться в диапазоне от 0.0001 Гц до 100 Гц. Особенность упругих волн состоит в том, что их фазовая и групповая скорости не зависят от амплитуды и геометрии волны (плоская, цилиндрическая или сферическая волна).

Из-за внутреннего трения и теплопроводности среды распространение упругих волн сопровождается их затуханием с расстоянием. Если на пути упругих волн встречается препятствие, то происходит дифракция волн на этом препятствии. Частный случай дифракции - отражение и преломление упругих волн на плоской границе двух сред. [1-7]

Хотя полного тождества между свойствами разных видов упругих волн нет, но, тем не менее, между ними все же есть и общие закономерности. В частности к основным законам распространения упругих волн относятся законы отражения и преломления волн на границе различных сред, дифракция и рассеяние волн при наличии препятствий и неоднородностей в среде и неравномерностей на границах, законы волноводного распространения в ограниченных объемах. [1-7]

При проходе упругих волн из одной среды в другую и если волна падает под каким-либо углом к поверхности, то происходит преломление волны. При этом коэффициенты отражения и преломления зависят от акустического или волнового сопротивления сред, т.е. от скорости упругой волы в средах и их плотности, а также от угла падения волнового луча на границе раздела. Так если скорость упругой волны во второй среде больше скорости упругой волны в первой среде, то угол преломления будет больше угла падения. Если угол падения больше критического (больше 90°), то произойдет полное внутреннее отражение и упругая энергия не попадает во вторую среду. [2-4, 6]

Наблюдения так же показывают, что влияние приповерхностных слоев, из-за явлений дифракции и интерференции сейсмических волн и проявления резонансных свойств приповерхностных грунтовых слоев, может приводить как уменьшению уровня интенсивности землетрясения на 2-3 балла, так и, наоборот, к увеличению интенсивности сейсмических волн на 2-3

балла. [11-13]

Заметим, что строительные нормы (СНиП II-7-81 табл. 1 и ДБН В.1.1-12:2006 табл. 1.1) более умерено варьируют изменение балльности площадки строительства в зависимости от свойств грунтов. В частности в нормах за основу взяты грунты II категории. При этом для грунтов I категории сейсмическая балльность участка снижается на единицу, а для грунтов III категории наоборот – балльность участка повышается на один балл. [15-16]

Получается, что подбором физической и геометрической структуры слов волновой завесы (экрана) можно в существенной мере влиять на интенсивность сейсмических волн. Отсюда и идея волновых экранов.

Наиболее простой вариант активной сейсмозащиты в конце тридцатых годов двадцатого столетия был предложен инженером Баркановым Д.Д. В соответствие с его предложением, волно-

122

вая завеса выполняется в виде глубокой траншеи 2 (Рис. 1.22, а), образованной по периметру на некотором расстоянии от строительного объекта 1. Одновременно с этим, траншея заполняется поглощающим энергию сейсмических колебаний материалом 3. При этом стенки траншеи преломляют и отражают сейсмические волны, а поглощающий материал рассеивает сейсмическую энергию, вследствие чего, и происходит существенное снижение сейсмического воздействия на объект.

Однако, даже, без учета технических трудностей, связанных с практической реализацией сейсмоизолирующих экранов, если исходить из длин сейсмических волн и соответствующего диаметра строительных массивов, оконтуренных защитным сейсмоизолирующим экраном, то вполне очевидно и ясно, что по данному принципу работы сейсмозащиты физически невозможно полностью обезопасить строительный объект от сейсмического воздействия. Не следует забывать, что сейсмическое воздействие зарождается в земной глубине (эпицентре) и только потом в виде хаотических колебаний грунта проявляется на земной поверхности. Понятно, что общее движение многокилометровых масс земли неизбежно приведет к определенным подвижкам и небольших, ограниченных волновыми завесами строительных площадок и вместе с ними - строительных объектов. Это аналогично тому, как морские волны во время шторма, несмотря на наличие волноломов, раскачивают корабли.

С другой стороны - большая инерционность системы, одновременно определяемая массой сейсмозащищаемого объекта и массой колеблющегося грунтового массива, в какой-то мере, сгладит (срежет) пиковые всплески силового воздействия, что естественно снизит общую негативную составляющую сейсмического воздействия и благоприятно скажется на несущей способности сейсмозащищаемого объекта. К сожалению, в какой мере и насколько положительно это скажется на эффективности и надежности сейсмозащиты строения из-за малого объема теоретических исследований и почти полного отсутствия экспериментальных данных пока сказать сложно. Это одна из причин, по которой волновые завесы пока не могут быть рекомендованы к использованию в строительной практике.

Последовавшие затем технические решения, по существу, являются лишь вариантами развития идеи Барканова, незначительно отличаясь от нее и друг от друга пространственным распространением траншеи, формой изготовления и материалом заполнения траншеи. Так если по а.с.

СССР № 215100 основанной элемент сейсмоизолирующий экрана - это траншея, состоящая из непрерывного ряда (цепи) наклонных скважин, то по а.с. СССР № 343000 (Рис. 1.22, 6)- это уже траншея, представляющая собой прерывистую цепь клинообразных скважин, расположенных в шахматном порядке. В целом, изготовление сейсмоизолирующего экрана в виде траншей прерывного или непрерывного ряда для нас малосущественно, так как осуществляются оба варианта по одной той же технологии.

Встроительной практике так же имеются и способы изготовления наклонных скважин. Однако, из-за необходимости при этом применения специальных методов крепления стенок скважин от обрушения, способ изготовления траншей посредством наклонных скважин, по сравнению с вертикальным способом изготовлением траншеи, является более трудоемким и более дорогим.

Если учесть, что до сих пор вообще нет развернутых теоретических исследований и практически отсутствуют экспериментальные доказательства эффективности и надежности сейсмоизолирующих экранов в виде волновых завес, то пока идею как сплошного, так и прерывистого, «шахматного» расположения волновой завесы следует признать гипотетическими. А значит, у нас пока нет никаких оснований ни отклонить, ни подтвердить работоспособность идеи сейсмоизолирующих экранов в виде волновых завес. Хотя, при этом, несомненно, одно, - применение наклонных, а тем более клинообразных скважин, для изготовления траншеи еще больше увеличит сложность и стоимость работы по устройству волновых завесы.

Втехнических решениях а.с. СССР № 601355 и № 727764, для более эффективного отражения сейсмических волн, активно используется форма траншеи. Достигается это посредством изменение поперечного сечения траншеи по ее высоте: в первом случае поперечному сечению траншеи придается трапецеидальная форма (Рис. 1.22, в), а во втором - одна из стен траншеи выполняется либо по окружности, либо по выпуклой кривой второго порядка (Рис. 1.22, г). При этом, авторы идей, решая проблему эффективной и надежной сейсмозащиты строительных объ-

123

124

ектов, упускают из виду очень важный и существенный практический момент, заключающийся в том, что придание траншеи сложной формы будет осуществляться в грунте. А это значит, что в прочном грунте придется выдалбливать нужную нам форму, а в слабом грунте, из-за слабого сцепления между собой его слагающих частиц, из-за обводнения и непрерывно действующих сил тяжести,- стенки траншеи придется защищать от самообрушения. Причем осуществлять все это нужно будет на значительной глубине (по крайней мере, в пределах нескольких десятков метров). Если, учитывая ровность поверхности стен траншеи при организации ее просто наклонного (а.с. СССР № 215100) или в виде трапецеидального опалубке железобетонных стен нужной формы, организацию специальных конструктивных мер по обеспечение ими устойчивости в процессе эксплуатации экрана и последующую засыпку котлована. Технически такое изготовление траншеи сейсмоизолирующего экрана сложно, трудоемко и обойдется очень дорого. Разумеется, что чем больше будет глубина траншеи, чем сложнее и массивнее будут изготавливаемые железобетонные стены сейсмоизолирующего экрана, тем дороже будет стоить и сейсмозащита строительного объекта.

Затем в завесах, в качестве поглощающего энергию материала, используется материал с малой акустической жесткостью (или рыхлые материалы). В частности по а.с. СССР № 215100 для этого предлагается использовать шлак, керамзит, связанный с глиной или с водно-битумной эмульсией. Если учесть, что упругие волны, по сравнению с их распространением в твердых средах, значительно хуже распространяются по воздуху, то получается что, чем рыхлее будет засыпка, тем эффективнее она будет работать и, как следствие, эффективнее будет обеспечена сейсмозащита строительного объекта. Однако рыхлые материалы со временем слеживаются, самоуплотняются и проседают. Поэтому по техническим решениям (Рис. 1.22, в-г) сверху траншея перекрывается железобетонными плитами перекрытия. Это еще больше увеличивает стоимость изготовления экрана.

И, наконец, заполнение траншеи материалом, поглощающим энергию сейсмического воздействия, в процессе эксплуатации существенно ограничивает проведение контроля за состоянием стен волновой завесы (траншеи) и возможность их ремонта. Дело в том, что из-за разной удаленности эпицентра от строительной площади, особенностей фунтового массива, через который проходят сейсмические волны, протяженности элементов сейсмоизолирующих экранов в виде волновых завес, наказных участках сейсмоизолирующих экранов в разные моменты времени будет иметь место разное падение и отражение сейсмической волны от элементов волновой завесы. В результате наложения нескольких волновых колебаний перед волновой завесой могут образовываться стоячие волны, которые по-разному будут воздействовать на стены сейсмоизолирующие экрана. В свою очередь, разная степень интенсивного воздействия приведет к разной степени разрушения элементов экрана. Следует заметить, что стены волновых завес могут разрушаться и по другим причинам, например, из-за оползневых грунтовых подвижек. Отсюда вытекает требование необходимости постоянного доступа к контролю состояния элементов волновой завесы.

Не решается проблема экономичности сейсмоизолирующего экрана и в том случае, когда с целью повышения эффективности защиты в качестве материала с малой акустической жесткостью (Рис. 1.22, д) используются резиновые, пустотелые, замкнутые элементы (мячи).

Во-первых, заполнять траншею сейсмоизолирующего экрана придется на всю глубину траншеи и по всему периметру строительного объекта, следовательно, понадобиться очень большое количество пустотелых, резиновых элементов. Это неизбежно негативно скажется на стоимости сейсмозащиты.

Во-вторых, со временем резина стареет, т.е. меняет свои свойства и прочностные качества. Поэтому нет гарантии, что в процессе длительной эксплуатации сейсмозащищаемого строительного объекта будет обеспечена его надлежащая, эффективная и надежная сейсмозащита. Вследствие чего, теряется экономическая заинтересованность в использовании отмечаемой новации.

Как видим, конструктивные недостатки волновых завес преобладают над их достоинствами и сводятся к следующему:

1. Слишком велика материалоемкость, сложность изготовления и, как следствие, высокая стоимость сейсмоизолирующих экранов в виде волновых завес;

2. Нет необходимого объема достоверной и объективной информации по работоспособ-

125

ности сейсмозащиты; 3. Нет теории расчета, которая позволяла бы удовлетворительно определять состав и

параметры волновой завесы и вносимые ею изменения на характер силового воздействия.

Вообще-то, волновые завесы (экраны) можно устанавливать не только вертикально, но и горизонтально. Изменение ориентации установки завес, никак не скажется на способности завесы отражать и преломлять сейсмические волны. Однако при этом горизонтальное изготовление завес намного проще и дешевле

В строительной практике горизонтально устанавливаемые волновые завесы известны исстари – со времени строительства пирамид, правда, известны они нам под другим названием, а именно, как песчаные и глинистые подушки.

Дело в том, материал подушек: песок и глина обладают не только силой трения, но и определенной упругостью. Одновременно с этим, подушки обладают еще и способностью волновой дифракции. К сожалению. если трение песка и глины мы легко можем определить практическими методами, то зафиксировать волновые преобразования в грунте более сложная задача.

Понятно, что слои грунта толщиной в несколько десятков и сотен метров искусственно менять и варьировать исходя, из наших потребностей (программирования), экономически не целесообразно. Тем более что экспериментальные исследования последних десятилетий показали, что физическая и геометрическая структура системы приповерхностных слоев, общая толщина которых составляет порядка десятков метров, также может оказывать существенное влияние на интенсивность сейсмических волн. Получается, что нужного для нас результата можно добиться и работая в приповерхностной зоне. В результате чего, появляется экономическая целесообразность в использовании волновых завес. [11]

За счет искусственного подбора волновой системы (структуры и геометрии основания, конструкции фундамента и самого строительного объекта) в ряде случаев можно существенно снизить негативное влияние сейсмического воздействия на строительный объект.

Знание частот, которые фильтрируют подушки, конструктивными мероприятиями строительную систему можно вывести из резонансных или пиковых режимов и, тем самым, уменьшить негативное влияние сейсмического воздействия на защищаемый объект. [11-12]

Итак, в результате представленного критического анализа конструктивных возможностей волновых завес вытекает, что практический интерес для нас представляют лишь горизонтальные завесы более известные как песчаные и глинистые засыпки. Однако для широкого практического применения волновых завес нахватает экспериментальных данных и теории расчета, посредством которой можно было бы рассчитывать и подбирать элементы волновой системы (структуру и геометрию основания, конструкцию фундамента и самого строительного объекта) и определять влияние которое они оказывают на силовое воздействие и несущие свойства строительной системы.

Следует особо отметить, что все, выше отмечаемые теоретические и экспериментальные исследования, нужны нам не только для разработки сейсмических экранов, но и для получения эффективной и надежной сейсмозащиты вообще.

1.3.4.2.Волновые преобразователи.

Врамках общего анализа технических, эксплуатационных и стоимостных возможностей всех активных систем сейсмозащиты строительных объектов, исследуются положительные и отрицательные моменты непосредственно сейсмоизолирующих экранов в виде волновых преобразователей

землетрясение, сейсмоизолирующий экран, волновой преобразователь, амплитуда, частота, фаза, воздействие, ультразвуковое излучение, магнитострикционный и пьезоэлектрический излучатель

Волновые преобразователи это другой конструктивный тип сейсмоизолирующих экранов, привнесенный в строительную практику из ультразвуковой техники. Базируется идея на явлении волновой интерференции или на возможности существенного ослабления амплитуды основной волны посредством искусственного наложения на нее встречной, аналогичной, специально сге-

126

нерированной (ультразвуковой) волны сдвинутой по фазе на 180 .[1-3] Сама по себе идея довольно заманчива. Однако, к сожалению, ее практическая реализация

упирается в возможность генерации встречной гасящей волны средствами ультразвуковой техники, что фактически исключает возможность практического использования идеи. Данное обстоятельство для нас весьма существенно. Попробуем это кратко обосновать.

В силу индивидуальности землетрясений, связанной с целым рядом объективных причин, инструментальные записи, характеризующие закономерности изменения сейсмического воздействия во времени, присущие отдельному землетрясению (его форшокам и афтершокам) никогда не повторяют друг друга даже при возникновении в одном и том же месте. Поэтому об их особенностях можно говорить только лишь в некоторых общих чертах [3-6].

Из акселерограмм сильных землетрясений, с учетом имеющегося многообразия строительных объектов, частотный диапазон сейсмических волн можно определить пределами 0.02 ÷ 100 Гц [5-6]. При этом из-за явления волновой интерференции частота сейсмического воздействия является нерегулярной, волновые свойства которой, в рамках общего частотного диапазона, проявляются в виде суммарного набора ряда элементарных волн, обладающих своей конкретной частотой, амплитудой и энергией. В этом диапазоне смещения могут достигать 80 ÷ 100 см, скорости 100 ÷ 150 см/с, ускорения 2g. Относительная длительность сильных землетрясений в большинстве случаев составляет от 10 до 60 (время колебаний, в пределах которых ускорения превышает 0.03g).c. а число амплитуд в записи ускорений (акселерограмм) достигает более 100 [8-9]. Общая продолжительность процесса неодинакова, она возрастает с увеличением интенсивности землетрясения и эпицентрального расстояния.

Теперь об энергии выделяемой сильными землетрясениями. Так при проведении подземных атомных взрывов на Алеутских островах в 1971 году была выделена энергия 5.7*1016 Дж, что соответствует сильному землетрясению с магнитудой в 8 баллов (Ms= 8). При сильных землетрясениях в Колумбии (1906 г) и Санрикю (1933 г) с магнитудой Ms ≈ 9 была высвобождена энергия в 1.6*1018 Дж, эквивалентная взрыву 300-мегатонной бомбы. Иначе, одно землетрясение с магнитудой Ms = 6.8 могло бы обеспечить среднегодовое потребление энергией город с населением в 100 тыс. человек, а землетрясение с магнитудой в Ms= 8.75 - такой город уже более чем на

600 лет. [3]

Даже, если предположить, что нам повезло, и мы вдруг узнали время и место проявления землетрясения, то и в этом случае выделяемая при сильных землетрясениях энергия слишком значительна, чтобы ее можно было простыми средства эффективно нейтрализовать. Спасают положение два следующих обстоятельства:

во-первых, нам не нужно нейтрализовывать всю энергию землетрясения, и, во-вторых - что к интересуемой нас строительной площадке подходит только, рассеянная в

пространстве и ослабленная расстоянием, небольшая, хотя в целом и существенная, часть от общего объема энергии землетрясения.

С другой стороны, по действующим в ультразвуке градациям, отмечаемые частотные параметры землетрясений соответствуют низкочастотному, ультразвуковому диапазону, широкое распространение в котором получили преобразователи магнитострикционного и пьезоэлектрического типов. Обычно, в зависимости от задействованного магнитострикционного или пьезоэлектрического эффекта, ультразвуковые преобразователи используются либо как ультразвуковые приемники, либо как ультразвуковые излучатели. Если используется явление изменения намагниченности ферромагнитного образца при деформации или явление возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой эффект), то ультразвуковой преобразователь работает как ультразвуковой приемник; а если используется явление изменения формы и размеров тела при намагничивании или под действием электрического поля (обратный эффект) - как ультразвуковые излучатели. [2,7]

Другой особенностью в использовании преобразователей является то, что преобразователи, работающие как приемники, используются в широком диапазоне частот вне резонанса, а преобразователи, работающие как излучатели, используются в узком диапазоне частот вблизи резонанса их механической системы [2,7]. Узкая частотная настройка излучателя ведет к тому, что из всего волнового набора, составляющего сейсмическое возмущение, будет сгенерирована и нейтрали-

127

зована только лишь одна конкретная волна. Естественно, если воспользоваться настройкой излучателя на резонансную частоту сейсмозащищаемого объекта, то в определенной мере можно существенно снизить влияние вредного силового воздействия на объект. Еще большего положительного эффекта можно достигнуть, если одновременно задействовать ряд излучателей, настроенных на разные частоты. Однако при этом, из-за уникальности землетрясений, заранее невозможно подобрать волновой набор, который мог бы полностью нейтрализовать силовое проявление землетрясения.

Теперь о конструктивных особенностях ультразвуковых излучателей: Магнитострикционные излучатели представляют собой сердечник из магнитострикционного

материала (никеля, специальных сплавов, или ферритов) в форме стержня, прямоугольника или кольца преобразователя, по которому протекает переменный ток. Их главное достоинство - высокая механическая прочность и надежность. При этом частотный динамический диапазон находиться в пределах 1-100 кГц. А к.п.д. излучателей из металлических материалов достигает -50%, у ферритовых излучателей, благодаря отсутствию потерь на токи Фуко и высокой механической добротности, он достигает -70-80%. Удельная мощность излучения может достигать 20 и более Вт/см2. Основной причиной ограничения мощности определяется прочностными и нелинейными свойствами материала излучателей (магнитострикционным насыщением), а так же особенностями использования излучателей. [6-7].

Пьезоэлектрические излучатели для этого диапазона частот обычно имеют составную стержневую конструкцию в виде пластины пьезоэлектрического кристалла или из пьезокерамики, зажатой между двумя металлическими блоками, к которым прикладывается высокое переменное электрическое напряжение. Динамический диапазон излучателей данного типа составляет от нескольких кГц до десятков МГц и ограничивается сверху электрической и механической прочностью, а также нагреванием вследствие собственных энергетических потерь. Их к.п.д. достигает 40 ÷ 70%, а удельная мощность - 10 Вт/см2 [6-7].

Сопоставив параметрические данные исходного, сейсмического воздействия с волновыми параметрами, генерируемых ультразвуковым воздействием, несложно прийти к выводу, что между ними имеется весьма существенное расхождение: для частотных характеристик у магнитострикционных излучателей оно достигает сотен раз, а у пьезоэлектрических излучателей - тысяч раз.

Еще хуже обстоит дело с возможностью генерации у гасящей ультразвуковой волны нужных значений амплитуды, которые зависят от среды распространения, мощности, способов организации излучения. Так у пьезоэлектрических излучателей волновая амплитуда достигает значений 0.01 -0.1 мкм; у ферритовых, при излучении в твердую среду на частотах 20÷40 кГц,- она достигает 2 мкм. Что в десятки и тысячи раз меньше значений наблюдаемых у сейсмических волн и полностью исключает всякую возможность генерации встречной гасящей ультразвуковой волны.

И, наконец, чтобы обеспечить нейтрализацию энергией сейсмической волны, необходимо чтобы энергия генерируемого излучения была соизмерима. При этом следует сделать еще поправки на большую энергетическую диссипацию грунта и потери в самом ультразвуковом излучателе (учесть к.п.д. излучателя). А все вместе - требует обязательного наличия источника энергии большой мощности. Причем самостоятельного и компактного источника энергии.

Требование самостоятельности энергоисточника вытекает из-за возможности выхода из строя общей энергетической систем, 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 еще и саму энергоустановку, а это новые капитальные затраты.

Естественно, что все выше перечисленное еще больше усложнит сейсмозащиту и очень негативно скажется на ее себестоимости. Даже, без анализа других недостатков рассматриваемой системы сейсмозащиты, уже отмеченных недостатков вполне достаточно, чтобы вынести общее негативное решение о возможности практического использования сейсмозащиты в строительной практике. И все же, для обеспечения объективности и полноты представления о практических возможностях в строительной практике сейсмоизолирующих экранов на базе волновых преобра-

128

зователей, продолжим критический анализ на приеме двух новаций по а.с. СССР № 630345 (Рис. 1.23, б) и № 623923 (Рис. 1.23, в).

Целью первой новации пьезоэлектрического типа является повышения точности стабилизации положения фундамента при действии сейсмовозмущений. Это достигается тем, что сейсмоизолирующий экран выполняется из верхней 2 (1.23, б) и нижней 3 инерционных плит ряда пьезодатчиков 4 и компенсирующих пьезодатчиков 5 и содержит основание 6, упрочняющую 7 и сигнальную 8 арматуру, выводы 9, усилители 10 ультразвукового сигнала.

При этом пьезодатчики 4 и компенсирующие пьезодатчики 5 выполняются в виде армированных пьезоблоков. Внутри пьезодатчиков 4 и компенсирующих пьезодатчиков 5 находится упрочняющая арматура 7 и сигнальная арматура 8 с выводами 9. Арматура 7 служит для повышения статической и динамической прочности пьезодатчиков 4 и 5, а арматура 8 - для съема электрических сигналов с пьезодатчиков 4 и возбуждения механических напряжений в компенсирующих пьезодатчиках 5. Выводы 9 сигнальной арматуры 8 пьезодатчиков 4 через усилители 10 подключены к выводам 9 арматуры 8 компенсирующих пьезодатчиков 5.

По мнению автора идеи, работа системы заключается в следующем:

Верхняя инерционная плита 2 установлена на пьезодатчиках 4, опирающихся на нижнюю инерционную плиту 3. Та, в свою очередь, лежит на компенсирующих пьезодатчиках 5. И, наконец, пьезодатчики 5 прикреплены к основанию 6 (грунту). В исходном положении верхняя 2 и нижняя 3 инерционные плиты выставлены в горизонтальное положение и при отсутствии сейсмовозмущений сохраняют его.

При действии сейсмовозмущений нижняя плита 3 подвергается силовому воздействию, воспринимающемуся пьезодатчиками 4, в которых, в силу действия прямого пьезоэлектрического эффекта, возникают электрические заряды, т.е. механический сигнал преобразуется в электрический. Затем, полученный электрический сигнал с помощью сигнальной арматуры 8 с выводов 9 снимается и подается на выход для индикации, обработки и преобразования в вычислительную машину. Дальше преобразованный электрический сигнал через усилители 10 подается на сигнальную арматуру 8 компенсирующих пьезодатчиков 5. Электрический сигнал, пришедший от усилителя 10 на компенсирующие пьезодатчики 5, в силу действия обратного пьезоэлектрического эффекта вызывает в нижней инерционной плите 3 механические напряжения, направленные в противоположную сторону относительно пришедшего силового воздействия сейсмического возмущения. В результате этого на инерционной плите 3 происходит погашение волны сейсмовозмущения.

При этом авторы идеи считают:

Во-первых, что арматура 7 и 8 может быть внедрена внутрь пьезодатчиков любым способом, обеспечивающим надежное сцепление ее кристаллической решеткой пьезоэлектрика.

Во-вторых, что благодаря внедренной внутрь пьезодатчиков 4 сигнальной арматуре 8 (Рис. 1.23, б) достигается высокая чувствительность их к действию сейсмовозмущений в широком диапазоне частот, а благодаря внедрению внутрь компенсирующих пьезодатчиков 5 арматуре 8 обеспечивается высокое быстродействие гашения сейсмовозмущений.

В третьих, что путем внедрения в пьезодатчики 4 и 5 упрочняющей арматуры 7 достигается высокая статическая и динамическая прочность фундамента.

И, наконец, что предлагаемый к рассмотрению сейсмостойкий фундамент обеспечивает стабильность положения инерционных плит 2 и 3 как при низких уровнях сейсмических воздействий в широком диапазоне частот, так и при высоких уровнях сейсмических воздействий, а также при силовых ударах с крутыми фронтами.

К сожалению, все это не соответствует действительности. К ранее представленным аргументам против возможности использования идеи следует добавить следующие аргументы:

Обычно пьезоэлемент (пьезодатчики 4, 5), как основной элемент пьезоэлектрического преобразователя, представляет собой стержень диск или цилиндр (Рис. 1.23, а), вырезанный из монокристалла (например, кварца, турмалина и т.д.) или элемент, изготовленный из пьезокерамики, снабженный по поверхности электродами. Внешне пьезоэлемент имеет небольшие габаритные размеры, достигающие по площади нескольких квадратных сантиметров и по толщине - нескольких миллиметров. Учитывая особенности материала и малые размеров пьезоэлемента, его очень сложно проармировать. Опять же, учитывая массу и габариты строительных объектов, величину

129

130