EA201491066A1 20141128 Номер и дата охранного документа [PDF] EAPO2014\PDF/201491066 Полный текст описания [**] EA201491066 20121102 Регистрационный номер и дата заявки US61/564,870 20111130 Регистрационные номера и даты приоритетных заявок US2012/063127 Номер международной заявки (PCT) WO2013/081769 20130606 Номер публикации международной заявки (PCT) EAA1 Код вида документа [pdf] eaa21411 Номер бюллетеня [**] КЛАСС ОПОР ДЛЯ ЗАЩИТЫ КОНСТРУКЦИЙ ОТ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ И ДРУГИХ АНАЛОГИЧНЫХ ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ Название документа [8] E02D 27/34 Индексы МПК [US] Хао Су Сведения об авторах [US] ХАО СУ Сведения о заявителях
 

Патентная документация ЕАПВ

 
Запрос:  ea201491066a*\id

больше ...

Термины запроса в документе

Реферат

[RU]

Класс опор, каждая из которых может использоваться в качестве соединителя для соединения двух частей конструктивной системы и в качестве опорного элемента, передающего нагрузки от одной части к другой, например силу тяжести от верхней конструкции к нижней конструкции моста или здания или от станка к его фундаменту. Выполняя передачу нагрузки, устройство может уменьшать передачу переходных вибраций между двумя соединенными конструктивными частями и сохранять целостность всей конструктивной системы, например, для защиты конструктивной целостности моста, когда его быки и фундамент подвергаются воздействию землетрясения, или когда цунами наносит удар по верхней конструкции, или когда оба явления происходят одновременно.


Полный текст патента

(57) Реферат / Формула:

Класс опор, каждая из которых может использоваться в качестве соединителя для соединения двух частей конструктивной системы и в качестве опорного элемента, передающего нагрузки от одной части к другой, например силу тяжести от верхней конструкции к нижней конструкции моста или здания или от станка к его фундаменту. Выполняя передачу нагрузки, устройство может уменьшать передачу переходных вибраций между двумя соединенными конструктивными частями и сохранять целостность всей конструктивной системы, например, для защиты конструктивной целостности моста, когда его быки и фундамент подвергаются воздействию землетрясения, или когда цунами наносит удар по верхней конструкции, или когда оба явления происходят одновременно.


2420-517263ЕА/042 КЛАСС ОПОР ДЛЯ ЗАЩИТЫ КОНСТРУКЦИЙ ОТ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ И ДРУГИХ
АНАЛОГИЧНЫХ ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ
Область изобретения
В настоящем изобретении описан класс устройств. Указанное устройство используется в качестве конструктивного компонента в крупномасштабной системе гражданского строительства, такой как здание, мост или станок и его фундамент, имеющей по меньшей мере три следующие функции: использование в качестве поддерживающего элемента, несущего вес части указанной системы, соединение разных частей системы для обеспечения конструктивной целостности и проектная передача сил, отличных от силы тяжести, между соединенными частями с одновременным демпфированием или изолированием нежелательных вибраций.
Указанную инженерную систему, такую как мост или здание, по существу можно разделить на две части: верхняя конструкция, такая как пролеты или настил моста, несущие проектные рабочие нагрузки, и нижняя конструкция, включающая в себя быки, опорное уширение и фундамент моста, которые несут верхнюю конструкцию. Причем указанная опора представляет собой конструктивный компонент, соединяющий верхнюю и нижнюю конструкции, передавая вес верхней конструкции, которую он несет, и рабочие нагрузки нижней конструкции.
Предпосылки создания изобретения
Землетрясение представляет собой внезапное движение тектонической плиты в точке внутри земной коры, излучающее волны напряжения в окружающую среду, что приводит к вибрациям земной поверхности. Для крупномасштабной конструкции гражданского строительства, такой как здание или мост, поражающее действие землетрясения обусловлено главным образом двумя факторами: ускорением грунта, вызывающим инерционные силы, и резонансом, аккумулирующим энергию, связанную с ускорением в конструкции. Таким образом, вызванная ускорением внутренняя сила инерции является основным фактором, вызывающим повреждения конструкций.
Ускорение грунта можно разделить на вертикальный (параллельный направлению силы тяжести) и горизонтальный компоненты, которые характеризуются соответствующими пиковыми значениями, совместно называемыми "пиковое ускорение грунта" (ПУГ) в процессе анализа проекта. Согласно прошлому опыту, горизонтальное ПУГ обычно больше вертикального. В настоящее время в Соединенных Штатах Америки нормы и стандарты проектирования зданий и мостов требуют, чтобы все проекты сейсмостойких конструкций были способны выдерживать горизонтальные ПУГ, количественно определенные в карте зон опасности землетрясения, предоставляемой Геологической службой США (ГС США), см. Фиг.1. На этой карте приведен статистический прогноз горизонтальных ПУГ в любом месте страны с вероятностью превышения 7,5% в последующие 7 5 лет. На Фиг.2 представлен прогноз горизонтальных ПУГ для Дальневосточной Азии.
В проектах сейсмостойких конструкций, например, для мостов, общепринятый принцип заключается в изоляции верхней конструкции от нижней конструкции, которая непосредственно подвержена воздействию движения грунта с ускорением при землетрясении. Опора, жестко соединяющая нижнюю и верхнюю конструкции, зачастую становится "слабым звеном" всей конструктивной системы. Это обусловлено тем, что в качестве осевого стержня, несущего все рабочие нагрузки и верхнюю конструкцию, опора также является "узким местом" вызванной инерцией передачи силы, когда на любую конструктивную часть действуют динамические нагрузки. В противоположность этому, при наличии гибкого соединения, которое может временно разъединять соединенные части, когда на одну из них воздействует внешняя динамическая нагрузка, соответствующей передачи большой силы инерции происходить не будет.
Однако в действительности по существу невозможно полностью "изолировать" передачу силы инерции между соединенными частями в конструкции гражданского строительства. Основная задача сейсмоизолирующего проектирования заключается по существу в обеспечении определенной гибкости соединений между основными частями конструкции, чтобы уменьшить силу инерции, обеспечивая
возможность временного сдвига собственных резонансных частот конструкции во избежание резонанса с движениями грунта. С другой стороны, согласно требованиям практики проектирования такое соединение также должно обладать определенной прочностью, поскольку верхняя конструкция должна иметь возможность выдерживать множество различных видов рабочих нагрузок, например, значительных поперечных сил, вызванных ураганом и цунами. Тяжелый опыт, полученный во время землетрясения 11 марта 2011 г. в Японии, показал, что после землетрясения с большой магнитудой многие мосты и здания уцелели, однако их верхние конструкции были смыты последующим цунами.
Таким образом, в противоположность традиционной изоляции, в основе настоящего изобретения лежит концепция "целостной конструкции", которая требует определенной гибкости в соединениях и опорах для уменьшения и демпфирования нежелательных вибраций с возможностью сохранения всей конструкции в виде единого целого.
Краткий обзор известного уровня техники и доступных на рынке изделий
Проектирование сейсмоустойчивых зданий и мостов представляет собой одно из наиболее активных и инновационных направлений в сфере гражданского проектирования и строительства. На Фиг.3 на примере трехэтажного здания проиллюстрированы различные уровни техники и технологии, необходимые, предлагаемые или уже применяемые на практике. Уровни техники, описанные в настоящей статье, можно использовать в качестве сейсмоустойчивой опоры в левом нижнем углу здания или моста.
Опору можно рассматривать в качестве соединения. В зависимости от функций опорные изделия по существу можно поделить на три категории: (i) демпферные соединения, в которых используются традиционные механические устройства, такие как демпфер на основе поршневых цилиндров, фрикционный демпфер со штифтами криволинейного сечения и так далее, в которых некоторые современные способы реализуются с помощью сплавов с памятью формы, а управление осуществляется с помощью
электрических датчиков; (ii) обычные конструктивные опоры, такие как эластомерные, обладающие определенным улучшенным поперечным сопротивлением; (iii) опоры на основе маятникового механизма с узлом трения, предназначенные для сейсмической изоляции.
На Фиг.4 представлен "поглотитель энергии" предшествующего
уровня техники (WO97/25520), в котором различные
зигзагообразные поверхности контакта, включая волнистую и V-образную поверхность контакта, выполнены с возможностью передачи силы в отсутствие скольжения между материалом сердцевины и каркасом, в котором он содержится. Очевидно, что его можно использовать в качестве поперечного крепления, показанного на Фиг.З, для демпфирования сдвигающей силы, но он неспособен выдерживать силу тяжести.
На Фиг.5 представлено устройство предшествующего уровня
техники (US4187573), в котором для демпфирования вибраций
используется эластомер 5, тогда как каркас 11 ограничивает
относительное горизонтальное смещение между двумя
контактирующими частями. Очевидно, что при этом никакого ограничения вертикального смещения не происходит. На Фиг.б представлено другое устройство предшествующего уровня техники (WO2008/004475), разновидность традиционной эластомерной опоры, в которой основные компоненты представляют собой композитный блок, изготовленный из многослойной структуры из эластомера 2Ь, листа усиления 2с и центральной сердцевины 3, изготовленной из высокопластичного материала. Функции последней заключаются в усилении сопротивления поперечной деформации с улучшением демпфирующих свойств. Если в качестве материала сердцевины используется свинец, такой вид опор также называют "свинцово-резиновой опорой" (СРО). Однако когда конструкция испытывает сильное движение грунта, сопротивления трению между эластомером и подушками опоры может быть недостаточно для сопротивления силе скольжения, вызванной инерцией. В случае возникновения скольжения после деформации сердцевины здесь отсутствует внутренняя движущая сила, позволяющая восстановить обратно исходную форму такой опоры.
На Фиг.7 представлено устройство предшествующего уровня техники (US6021992), называемое "маятниковой скользящей опорой с узлом трения" (friction pendulum sliding bearing, FPS) . Оно относится к группе, включающей десяток патентов США и десятки патентов, выданных в других странах, которые основаны на принципе маятника, изображенного на фигуре справа, в которой вес несомой верхней конструкции используется в качестве естественной силы, сопротивляющейся горизонтальной инерции, вызванной движением грунта. После окончания всего диапазона движений грунта сила тяжести восстанавливает обратно исходное положение опоры.
Теоретически маятник представляет собой консервативную систему, не рассеивающую энергию. Таким образом, в отсутствие трения фактический маятник может вечно качаться вокруг своего статичного положения после начала движения. Таким образом, трение между парой контактных поверхностей также является основным механизмом опоры FPS, требующим большой области контакта для обеспечения достаточной силы трения и способности нести тяжелую верхнюю конструкцию. С другой стороны, для получения достаточного поперечного сопротивления необходима определенная высота искривленной поверхности, по меньшей мере для нижней посадочной поверхности опоры, показанной на Фиг.7.
Целостность объединенных нижней и верхней конструкции очень важна для высотных зданий и мостов с высокими конструктивными элементами. Это вызвано тем, что, кроме мощных внешних сил, таких как ураган или цунами, непосредственно воздействующих на верхнюю конструкцию, причиной возникновения опрокидывающего момента, воздействующего на верхнюю конструкцию, могут стать вибрации, вызванные горизонтальным движением грунта. Величина этого момента приблизительно пропорциональна соотношению между высотой конструкции и одним наибольшим из ее размеров (длиной или шириной) на земной поверхности.
Для достижения целостности нижней и верхней конструкции используется другое устройство предшествующего уровня техники, показанное на Фиг.8, которое называется "антисейсмическим
соединителем" (antiseismic connector, ANSC) (US5669189). По существу оно представляет собой узел, состоящий из многослойной эластомерной опоры 3, плюс тросы (арматурные пучки) б, прикрепленные к соединенным верхней и нижней конструкциям с помощью вращаемого крепежного элемента 21. Однако арматурные пучки и вращаемые крепежные элементы имеют ограниченную способность выдерживать горизонтальное скольжение и вращение высокой конструкции.
Краткое описание изобретений
Поиск литературы не позволил выявить опоры с высокой
несущей способностью предшествующего уровня техники, которые
обладали бы двойными свойствами изоляции/демпфирования сильных
вибраций и сохранения конструктивной целостности
крупномасштабных конструкций гражданского строительства. В патенте US5669189 предложено решение этого класса проблем, по меньшей мере для легких верхних конструкций, таких как дом на одну семью, однако конструкция арматурных пучков и системы бесповоротных крепежных элементов известного уровня техники сохраняет гибкость при горизонтальном движении несомой верхней конструкции. Это движение приводит к снижению сопротивления опрокидывающему моменту, и в случае его возникновения трения между эластомерными слоями создают сопротивление, препятствующее восстановлению исходной формы опоры. С другой стороны, компоновка системы арматурных пучков и крепежных элементов требует для устройства относительно большого пространства.
Таким образом, чтобы предложить практически применимые и эффективные опорные изделия для наших жилых зданий и объектов транспортной инфраструктуры, в настоящей заявке описан новый класс устройств, которые можно использовать в качестве конструктивных опор, целью которых является удовлетворение следующих критериев:
(A) Прочность - устойчивое и надежное соединение между
соединенными конструктивными частями, например, верхней и
нижней конструкцией моста, в обычных условиях эксплуатации.
(B) Предохранение - способность компенсировать временное
разделение соединенных частей, когда одна из них подвергается воздействию переходного движения с ускорением, которое может быть вызвано землетрясением, ураганом, столкновением с баржей или судном или взрывом, с целью сведения к минимуму повреждений других частей.
(C) Целостность - всегда поддерживает связанные части в
качестве целостной конструктивной системы, несмотря на временно
локализованное разделение в целях внутренней изоляции.
(D) Самовосстановление - способность восстанавливать
исходное состояние после выполнения упомянутой выше функции
"предохранения".
(E) Экологичность - не создает шума или дополнительных значительных опасных факторов, не потребляет дополнительную энергию во время работы.
(F) Надежность при длительном применении и удобство в управлении.
(G) Не создает сложностей при изготовлении и выполнении строительно-монтажных работ в полевых условиях.
(H) Позволяет осуществлять количественный расчет,
отвечающий широкому кругу потребностей, например, для
демпфирования и изоляции сил инерции, вызванных диапазоном
ускорений грунта, прогнозируемых на Фиг.1 и 2.
Для снижения и, в конечном счете, предотвращения возможных повреждений зданий и мостов, вызванных широким диапазоном стихийных бедствий, в настоящей статье описано множество устройств в отношении независимых вариантов осуществления или их комбинации.
Первый основной вариант осуществления представляет собой пару контактных V-образных поверхностей в качестве основного класса описанных опор (см. Фиг.9), причем указанная опора представляет собой устройство, соединяющее разные части конструктивной системы, передавая предусмотренные рабочие нагрузки, например вес, вдоль направления, вертикального к указанной паре поверхностей, между соединенными частями, причем указанная V-образная контактная поверхность содержит по меньшей мере две грани и шпунт на пересечении между смежными гранями,
причем указанный термин "вертикальный" относится к направлению прямой линии, перпендикулярной линии пересечения между двумя указанными смежными гранями и имеющей равные углы наклона с их соответствующими проекциями на две грани. Указанная рабочая нагрузка создает поперечный компонент силы на грани под углом наклона. Когда две указанные V-образные поверхности в паре контактных поверхностей полностью прикреплены, поперечные силы, создаваемые рабочей нагрузкой на всей паре контактных граней, скрывают друг друга. Скольжение вдоль одной или множества указанных пар граней в указанной паре V-образных поверхностей означает потерю контакта между остальными парами граней в указанной паре поверхностей. Неуравновешенные поперечные силы стремятся подтолкнуть указанную пару V-образных поверхностей обратно в положение полного контакта. Таким образом, благодаря поперечным силам на указанной V-образной поверхности опора становится надежным соединителем в обычных условиях эксплуатации и действует в качестве сопротивления поперечному скольжению, когда конструктивная система испытывает ускорение, вызванное внешним воздействием (см. Фиг.10). Опоры с конструкцией описанной пары контактных V-образных поверхностей позволяют удовлетворить всем упомянутым выше критериям, за исключением критерия (С).
Между верхней и нижней подушками опоры, изображенной на Фиг.9, может находиться один или множество сопрягающих листов, либо такой лист может отсутствовать. Функции сопрягающих листов заключаются в смазывании скользящих поверхностей и демпфирования вибраций вдоль вертикального направления. Однако при высокой амплитуде вибраций такого рода становится необходим дополнительный инновационный проект скользящего штифта. Этот вариант осуществления, обеспечивающий соответствие устройства критерию (С), описан на Фиг.11.
Когда желательно использовать множество сопрягающих листов, предлагается другой основной вариант осуществления, т.е. вертикально встроенные штифты, который включает в себя два подкласса: (i) штифт, усиливающий V-образные сопрягающие листы и изготовленный из материала с более низким предельным
напряжением текучести, чем у материала листа, но имеющего способность к большой пластической деформации; (ii) штифт, изготовленный из материала с более высоким предельным напряжением текучести, чем у материала листа, но при этом два конца каждого штифта прикреплены соответственно к верхней и нижней подушкам без гибкости при вращении. Основная функция первого из них, называемого "вертикально установленный рассеивающий штифт" (vertically-laid dissipation pin, VDP) , заключается в рассеивании энергии вибрации. Второй, являющийся высокопрочным штифтом, не предназначен для рассеивания, но обеспечивает дополнительное поперечное сопротивление в отношении вибрации и восстановление движущей силы и называется "вертикальным усиливающим штифтом" (vertical reinforcement pin, VRP) . На Фиг.12(а) представлен прототип, в котором скомбинирован вариант осуществления, представленный на Фиг.11, с VDP. На Фиг.12(b) представлен прототип V-образной эластичной опоры с множеством V-образных профилей в паре контактных поверхностей и с дополнительными VRP.
Преимущество варианта осуществления с вертикальным усиливающим штифтом (VRP) заключается в том, что он связывает вместе соединенные части, например, верхнюю и нижнюю конструкции моста, в то время как опора по-прежнему выполняет функцию демпфирования. Очевидно, что устройство с VRP удовлетворяет всем упомянутым выше критериям.
Краткое описание чертежей
Фиг.1. Карта зон опасности землетрясения, предоставляемая ГС США (Геологической службой США). Изоконтурные линии на карте показывают значения прогнозируемого горизонтального "пикового ускорения грунта" (ПУГ) с вероятностью превышения 7,5% в последующие 75 лет. Эта карта используется в стандарте проектирования мостов и зданий США.
Фиг.2. Прогнозируемое горизонтальное "пиковое ускорение грунта" (ПУГ) с вероятностью превышения 10% в последующие 50 лет в континентальной части Дальневосточной Азии (исключая сейсмическую область Азиатско-Тихоокеанского региона, такую как Япония), источник: Программа по оценке глобальной сейсмической
опасности (см. www.usgs.gov).
Фиг.3. Технологии, применяемые в настоящее время для проекта сейсмоустойчивого трехэтажного здания. Устройство уровня техники, описанного в настоящей статье, представляет собой класс новых сейсмоизолирующих опор, показанных в левом нижнем углу.
Фиг.4. Предшествующий уровень техники: поглотитель энергии для демпфирования поперечных сил вибрации за счет деформации его сердцевины 28, изготовленной из поглощающего материала, такого как свинец, после приложения давления в вертикальном направлении. На фигурах справа показаны различные проекты геометрии поверхности контакта 11, обеспечивающие отсутствие скольжения между материалом сердцевины и каркасом, таким как верхняя подушка 10, нижняя подушка 12 или средняя подушка 20.
Фиг.5. Предшествующий уровень техники (US4187573): конструктивная опора, в которой используется эластомер для демпфирования поперечной и вертикальной вибрации, несущая при этом вес верхней конструкции.
Фиг.б. Предшествующий уровень техники (WO2008/004475), который можно рассматривать в качестве дальнейшего развития уровня техники, изображенного на Фиг.5, в котором основным компонентом является композитный блок, изготовленный из многослойной структуры из эластомера 2Ь и листа усиления 2с. Блок содержит центральную сердцевину 3, изготовленную из высокопластичного материала, например, свинца, для повышения сопротивления поперечной деформации с улучшением способности к демпфированию.
Фиг.7. Предшествующий уровень техники (US6021992), называемый "маятниковой скользящей опорой с узлом трения" (FPS), которая относится к группе, включающей десяток патентов США и десятки патентов, выданных в других странах, которые основаны на принципе маятника, изображенного на фигуре справа, в котором вес несомой верхней конструкции используется в качестве естественной силы, сопротивляющейся горизонтальной инерции, вызванной движением грунта. После окончания такого диапазона движений грунта сила тяжести восстанавливает обратно
исходное положение опоры.
Фиг.8. Предшествующий уровень техники (US5669189) устройство, называемое антисейсмическим соединителем (ANSC). По существу представляет собой узел, состоящий из многослойной эластомерной опоры 3 плюс анкерные стяжки (или тросы) б, прикрепленные к соединенным верхней и нижней конструкциям с помощью вращаемого крепежного элемента 21.
Фиг.9. Вариант осуществления опоры для сейсмической изоляции на основе пары V-образных контактных поверхностей.
Фиг.10. Показано, каким образом сила тяжести используется для сопротивления вибрации, вызванной горизонтальным ускорением грунта, с помощью пары V-образных контактных поверхностей. Для упрощения предполагается, что коэффициент трения на фигуре является исчезающе малым.
Фиг.11. Вариант осуществления опоры со скользящим штифтом на основе пары V-образных контактных поверхностей.
Фиг.12. (а) Прототип V-образной эластичной опоры со скользящим штифтом, показанной на Фиг.11, с вертикальным рассеивающим штифтом (VDP); (Ь) прототип V-образной эластичной опоры, показанной на Фиг.10, но с множеством V-образных профилей в паре контактных поверхностей и с дополнительным вертикальным усиливающим штифтом (VRP).
Фиг.13. (а) Прототип V-образной эластичной опоры (VEB) с двумя ортогонально наложенными V-образными парами контактных поверхностей для компенсации вибраций вдоль любого направления в пределах горизонтальной плоскости; (Ь) прототип VEB с U-образной парой контактных поверхностей, наложенной поверх V-образной пары контактных поверхностей для компенсации вращения верхней конструкции.
Фиг.14. Сверху: пример проекта UVEB, в котором сопрягающие листы 2 и 4 имеют специально запроектированные области контакта для контроля коэффициента трения. Два скользящих положения в нижней части фигуры показывают, как работает продольный стопор.
Фиг.15. Прототип MVEB, подкласс изобретенных устройств, в котором V-образная контактная поверхность содержит более трех граней. Между контактными поверхностями верхней или нижней
подушки находится эластомерный сопрягающий блок, содержащий по меньшей мере один металлический или высокопрочный композитный сопрягающий лист.
Фиг.16. Примеры проекта 360° VEB: (а) тройной; (Ь) четверной; (с) четверной UV и сопрягающие листы с областями специально спроектированных контактных поверхностей.
Фиг.17. Пример проекта "односторонней VEBSP", который позволяет компенсировать относительное поперечное разделение, вызванное вибрацией, в пределах плоскости с V-образной геометрией, в то время как скольжение вдоль направления, перпендикулярного V-образному профилю, ограничено накладными листами, прикрепленными к верхней подушке.
Фиг.18. Пример проекта 3 60° VEBSP, позволяющего компенсировать относительные поперечные разделения, вызванные вибрацией, вдоль всех горизонтальных направлений, в то же время сохраняя целостность соединенных верхней и нижней конструкции.
Фиг.19. Примеры проектов скользящих штифтов и боковых стопоров для VEBSP.
Фиг.20. Два прототипа VEBSP с демпфирующими механизмами.
Фиг.21. Иллюстрация работы демпфирующего механизма для прототипа, изображенного на Фиг.20(а), сверху, и проект устройства.
Фиг.22. Вариант осуществления "вертикальной усиленной эластомерной опоры" (VREB) с усиливающими штифтами, диаграмма решения проблемы.
Фиг.23. Два примера проекта V-образной основы VREB: (а) без последующего натяжения; (Ь) с последующим натяжением.
Фиг.24. Два примера проекта плоских контактных поверхностей VREB: (а) без последующего натяжения; (Ь) с последующим натяжением.
Фиг.25. Два примера проекта VREB с демпфирующей сердцевиной: (а) V-образный проект контактных поверхностей; (Ь) плоский проект контактных поверхностей.
Описание вариантов осуществления изобретения
Первый вариант осуществления изобретения основан на концепции "V-скольжения", изображенной на Фиг.9, в которой по
меньшей мере одна пара V-образных контактных поверхностей скольжения используется для установления соединения между верхней и нижней конструкциями крупномасштабной конструктивной системы гражданского строительства, обеспечивая возможность временного относительного скольжения, когда на одну из нижней или верхней конструкции оказывается одиночное внешнее воздействие или диапазон внешних воздействий, чтобы защитить другую часть от передачи силы инерции, вызванной воздействиями. Если такая пара контактных поверхностей стремится к скольжению, вес несомой верхней конструкции создает поперечную силу в направлении, противоположном направлению скольжения, что в сочетании с трением превращает опору в надежное соединение в условиях обычной эксплуатации или в случаях, когда поперечная сила, вызванная инерцией, меньше полученного статического трения и поперечного сопротивления, вызванного весом верхней конструкции. Последнее определяется углом наклона V, который рассчитывается в соответствии с Фиг.1 или 2 и который также создает движущую силу для восстановления его исходного соединения после временного скольжения. Устройства, основанные на этом варианте осуществления, образуют подкласс описанной области техники, сокращенно называемый VEB, что означает "V-образная эластичная опора". Инновационный проект со скользящим штифтом (см. Фиг.11) в сочетании с VEB определяет второй подкласс указанных устройств, удовлетворяющих критерию С, которые называются VEBSP, что означает "V-образная эластичная опора со скользящим штифтом".
Очевидно, что угол а У-образного профиля является основным параметром проекта, определяющим порог поперечной силы, вызывающей разделение при скольжении. Эта сила, обозначаемая Q, приводит к соответствующему распределению напряжения как по верхней, так и по нижней конструкции, при этом пиковое значение
°Peak(Q)
коэффициента напряжения 7 должно быть ограничено
допустимым уровнем, не вызывающим повреждений, т.е.
& peak {О) . (r) allowable
^ allowable _ I (л\
^ > ° allowable =СТг/Пв (1)
(TY <7Y
где а АО)
элемента материала с напряжением р под воздействием
поперечной силы Q и проектной рабочей нагрузкой и собственным весом; nQ представляет собой коэффициент запаса прочности, причем Пд> 1. Условие (1) по существу обеспечивает работу всей конструкции без текучести, поэтому угол а пары V-образных поверхностей рассчитывают по порогу допустимой силы воздействия, обозначаемому как QTHr который представляет собой наибольшее значение Q, удовлетворяющее условию (1), т.е.
Q Теперь рассмотрим пример: мост имеет четыре опоры, а общая масса его верхней конструкции и проектной рабочей нагрузки представлена величиной 4М. Тогда QR, поперечное сопротивление возникновению скольжения, составляет (см. Фиг.17):
QR=M-g[tm(a) + fr] (3)
где f. - коэффициент трения между V-образной контактной поверхностью и сопрягающим листом. Согласно условию (2):
QR * Q* (4)
Подставляя (3) в (4) и устанавливая знак равенства, получим, что максимально допустимый угол а, удовлетворяющий условию (2), дает:
(5)
¦fr
а = tan 1
Для семейства изобретенных V-образных опор вторым основным параметром проекта является максимально допустимое расстояние скольжения 1, количественно определяемое путем применения второго закона Ньютона. Когда опоры используются преимущественно для сейсмической изоляции, Фиг.1 и 2 дают прогноз горизонтального ПУГ (пикового ускорения грунта) в любом
месте, где строится здание или мост. Фактическое землетрясение
по существу включает в себя диапазон движений грунта с
различными частотами к±, 1=1, 2, ... п, но его амплитуды
ограничены ПУГ. Таким образом, можно определить
2> .
"характеристическую частоту", например, среднее значение , представляющее собой диапазон движений грунта в форме
к =
i=l
следующей синусоидальной волны: PGA . (_
w(f) = ^-sin(jtf) (6) к
Таким образом, соответствующая поперечная сила, вызванная инерцией, для каждой опоры моста в момент времени t составляет:
QPRED М - М ^(r) = М ¦ PGA ¦ sin(iS) (7)
Предположив, что верхняя конструкция начинает скользить в момент времени to, когда Qpred {t)> Q±n, то в момент времени t> to его скорость скольжения составит V(t), а пройденное расстояние будет равно S{t), поэтому
V(t) = \Q^(r)~Q* dt и S(t) = \v(t)dt (8)
согласно второму закону Ньютона.
' VS/JTT- и lvEBsP=-PGA-^^-^f-tl (9)
л: ММ^" Мк1 2М
Таким образом, при использовании VEBSP верхняя конструкция может скользить на максимально допустимое расстояние скольжения Ivebsp вдоль нижней V-образной контактной поверхности в течение интервала времени ts-to, после чего будет остановлено боковым стопором, имеющим эквивалентную массу МБ±^е и жесткость КБ±^е, в соответствии с данными о воздействии на верхнюю конструкцию. Применяя закон сохранения импульса, силу воздействия на стопор Fside можно приблизит е ль но оценить следующим образом:
side
Время ts может быть определено из первого уравнения (9) при известном Fs±der которое должно определяться на основе допустимого напряжения опоры; затем, используя второе
уравнение, определяют IVEBSP', или наоборот.
Аналогичным образом, для VEB, с учетом требований к расстоянию скольжения IVEB, которое обеспечивает прекращение скольжения несомой верхней конструкции в пределах V-образной контактной поверхности в момент времени tE, получаем следующие соотношения:
V(tE) = 0 и S(tE) Примеры проектов с дополнительными вариантами
осуществления
На Фиг.13 представлены два прототипа проекта VEB: вариант, показанный слева, имеет две ортогонально наложенные пары V-образных контактных поверхностей, позволяющие демпфировать вибрации вдоль любого направления в пределах горизонтальной плоскости, и называется V-VEB. В варианте, показанном справа, используется пара U-образных контактных поверхностей, наложенных поверх пары V-образных контактных поверхностей, для компенсации вращения верхней конструкции, и этот вариант конструкции можно назвать U-VEB. На Фиг.14 показан пример проекта U-VEB, включающий в себя другой вариант осуществления для регулирования коэффициента трения между сопрягающим листом и подушками опоры путем регулирования контактной области.
Чтобы использовать преимущества эластомера или материала, подобного эластомеру, для демпфирования и целей экологии, например, уменьшения шума, на практике необходимо решить проблему сведения к минимуму риска нестабильности натяжения для этого класса материалов. Это приводит к изобретению другого подкласса VEB, называемого "многогранная V-образная эластомерная опора" (M-VEB). Проект MVEB показан на Фиг.20. При использовании пары V-образных контактных поверхностей, когда между парой граней возникает относительное скольжение, в то время как между другими парами граней имеет место разделение,
такое разделение растягивает содержащийся эластомерный слой и может вызвать нестабильность натяжения. Таким образом, в проекте, показанном на Фиг.15, волнообразная многогранная геометрия V-образных контактной поверхности перераспределяет единое пространство, обусловленное разделением между нескользящими сторонами пары с одной гранью, в полости между парами многогранных V-образных поверхностей, благодаря чему сохраняются основной вариант осуществления VEB и связанные благоприятные свойства. Это преимущество в сочетании с благоприятными свойствами эластомерного материала делают данный класс опор кандидатом на применение в конструкциях, используемых в областях с умеренным сейсмическим риском.
В сравнении с WEB, изображенной на Фиг.13(а), на Фиг.16 представлены примеры проектов с вариантом осуществления, в котором используется одна пара призматических контактных поверхностей для демпфирования вибраций вдоль любого направления в пределах горизонтальной плоскости на основе концепции VEB, в которой призматическая контактная поверхность содержит N граней, где N представляет собой целое число больше 2. Грани могут иметь одинаковые или различные углы наклона к горизонтальной плоскости. В случае разделения при скольжении, вызванном вибрацией, скольжение может возникать либо в пределах одной пары контактных граней, имеющей угол наклона aF, либо вдоль двух смежных пар граней с движением вдоль края между двумя смежными гранями. В последнем случае край имеет угол наклона аЕ к горизонтальной плоскости, определяемый следующим уравнением:
sin а,, (
- = cos -
sinaF yN;
(П)
аЕ по существу меньше углов смежных граней. Данный подкласс VEB называется "3 60° VEB". На Фиг.16 показаны примеры, соответственно, тройного, четверного и четверного проекта [TV-типа 3 60° VEB.
На Фиг.17 показан пример проекта VEB со скользящим штифтом, способного компенсировать относительное поперечное
разделение, вызванное вибрацией, в плоскости с V-образной
геометрией, направляемой с помощью скользящих штифтов,
сохраняющих верхнюю и нижнюю конструкции в виде цельной
конструкции с использованием подушек, установленных сверху и
снизу. Вдоль направления, перпендикулярного V-образному
профилю, скольжение ограничено накладными листами,
прикрепленными на верхней подушке. Данный подкласс опор на основе концепции V-скольжения называется "односторонней VEBSP". В противоположность этому на Фиг.18 представлен пример проекта "3 60° VEBSP", позволяющего компенсировать относительные поперечные разделения, вызванные вибрацией, вдоль всех горизонтальных направлений, сохраняя целостность соединенных верхней и нижней конструкции. В примерах проектов, показанных на Фиг.17 и 18, скользящие штифты могут свободно скользить внутри каналов на верхней подушке, но при этом они направляются вырезами в боковых стопорах, привинченных на нижней подушке. Нет значительного различия, когда боковые стопоры прикреплены к верхней подушке, а канавки для скользящих штифтов вырезаны в нижней подушке.
На Фиг.19 представлены примеры различных проектов со скользящими штифтами и боковыми стопорами VEBSP. Цилиндрический палец штока имеет более низкое контактное трение, но отличается жесткими требованиями к прочности и износостойкости материала. Боковой стопор с прямым пазом обеспечивает жесткое вертикальное ограничение относительного движения между верхней и нижней подушками, но требует более тщательного обслуживания контактных поверхностей на штифтах и прорезях боковых стопоров, чтобы избежать фрикционного зажима. Он также требует, чтобы между канавкой для штифтов и V-образной контактной поверхностью было определенное расстояние.
При использовании опоры VEB (или VEBSP), например, показанной на Фиг.11, при переходе скольжения между одной парой граней и другой парой граней, которая была разделена, направление скользящего движения изменяется. Воздействие скользящего толчка можно уменьшить с помощью проектов с соответствующими демпфирующими механизмами, приведенными на
Фиг.20, в дополнение к VDP, представленному на Фиг.12(а). В
устройстве, показанном в части (Ь) , используется деформируемое
кольцо, содержащее демпфирующую сердцевину. Кольцо
прикрепляется на концах двух противоположных скользящих штифтов, растягиваясь и сжимаясь при возникновении скольжения, что приводит к пластической деформации сердцевины. Сердцевина изготовлена из нечувствительного к деформации материала, например, свинца. Проект этого устройства показан на Фиг.21. Устройство, изображенное на Фиг.20(Ь), аналогично устройству, показанному на Фиг.20(а), однако оно имеет два деформируемых кольца и содержащиеся в них сердцевины.
При использовании как VEB, так и VEBSP следует выбирать надлежащие материалы, позволяющие изготовить каждую деталь соответствующего устройства так, чтобы они удовлетворяли следующим требованиям: (i) прочность; (ii) сопротивление усталости; (iii) свойства трения, включая указанный коэффициент трения и износостойкость; (iv) жесткость; (v) способность к поглощению энергии и демпфированию; (vi) коррозионная стойкость.
Эластомер, традиционный материал для опор мостов и зданий, также можно использовать в качестве материала сопрягающего листа между парой V-образных контактных поверхностей, например, в прототипе, показанном на Фиг.15. Механизм разделения при скольжении, возникающий в конструкциях VEB и VEBSP, сопрягаемых с помощью другого материала, может не действовать при использовании эластомерного сопрягающего листа благодаря его высокому коэффициенту трения. В общем случае эластомер часто прикрепляют к металлической поверхности опор. Скольжение между металлической поверхностью и эластомером может вызывать местную нестабильность натяжения, что приводит к нарушению работы последнего. Очевидно, что поперечное сопротивление, обеспечиваемое модулем сдвига эластомера, ограничено. Таким образом, данный класс опор не обладает достаточной движущей силой для самовосстановления при воздействии сильных движений грунта. Кроме того, когда температура окружающей среды падает ниже точки замерзания, эластомер становится хрупким, а его
сопротивление трению понижается.
Чтобы избежать упомянутых выше недостатков этого типа
материалов и использовать их благоприятные свойства, предложен
другой основной вариант осуществления настоящего изобретения -
концепция "вертикального усиления", представленная прототипами
опоры на Фиг.22, называемой "вертикальной усиленной
эластомерной опорой", или сокращенно VREB. Основной
особенностью VREB является перпендикулярное встраивание набора
штифтов, изготовленных из высокопрочного упругого материала и
названных ранее VRP (вертикальными усиливающими штифтами), в
эластомерный блок. Два конца каждого штифта прикрепляются
соответственно к верхней и нижней подушке, связывая две подушки
вместе и не давая свободы вращения. Поскольку верхняя подушка
установлена на верхней конструкции, а нижняя подушка
установлена на нижней конструкции, эти вертикально
установленные штифты по существу удерживают две части в
качестве целостной конструкции. Когда оба конца такого штифта
плотно прикреплены к верхней и нижней подушкам соответственно,
штифт не может свободно вращаться вокруг своих закрепленных
концов, что создает дополнительное сопротивление
горизонтальному смещающему движению между подушками, обеспечивая внутреннюю упругую силу, приводящую систему обратно в исходное положение после смещений. Простота геометрии обеспечивает удобство изготовления при повышенной рентабельности. Подобно строительному бетону встроенные вертикальные штифты и горизонтальный металлический лист образуют эластомерную резиново-композитную конструкцию с желаемой жесткостью и демпфирующими свойствами. Встроенные штифты также могут обеспечивать дополнительные конструктивные функции, такие как последующее натяжение.
Как показано на Фиг.22, вариант осуществления VREB облегчен благодаря превосходным свойствам человеческого волоса. Прочность волоса в действительности выше, чем у мягкой стали. Его сверхмягкость и гибкость, обусловленная малым диаметром, породила идею использовать множество высокопрочных арматурных стержней малого диаметра в эластомерных блоках для получения
желаемых двойных (изоляция и усиление) свойств. б примеров проекта VREB представлены на Фиг.23-25. Промышленная применимость
Применимость описанного уровня техники поясняется на Фиг.3 и в связанном тексте.
Список цитируемой литературы Родственная патентная литература США:
4,033,005
4,187,573
4,269,011
4,617769
4,644,714
4,974,378
5,054,251
5,071,261
5,228,663
5,438,807
5,490,356
5,491,937
5,597,240
5,599,106
5,669,189
5,682,712
5,797,228
5,862,638
5,867,951
5,881,507
6,021,992
6,126,136
6,126,136
6,178,706 В1
6,226,935 В1
6,289,640 В1
6,394,242 В1
6,631,593 В2
6,474,030
6,481,894
6,688,051 В2
6,820,380 В2
6,862,849 В2
6,951,083 В2
6,971,795 В2
7,398,964 В2
7,419,145 В2
7,547,142 В2
2004/123530
2005/0205749 А1
2006/0024453 А1
2006/0174555 А1
2007/0283635 А1
2008/0222975 А1
2008/0136071 А1
2009/0126288 А1
2009/0188179 А1
2009/0205273
Родственная патентная литература WO:
82/02930
94/13974
97/25550
99/02287
05/095819
07/114072
08/004475
09/001807
09/033213
09/054533
09/139645А1
11/043242
Непатентная литература
[1] Федеральное агентство по чрезвычайным ситуациям (FEMA), отчеты 350-353, 2000 г.
[2] Сайт ГС США (Геологической службы США): www.usgs.gov [3] Министерство транспорта Калифорнии (Caltran), The
Continuing Challenge: The Northridge Earthquake of January 17,
1994 .
[4] Комитет по исследованию транспорта, Национальная программа совместных исследований в области автомобильных дорог (TRB NCHRP) 12-68, заключительный отчет: Rotational Limits for Elastomeric Bearings, 2004 г.
[5] Типовые технические условия Американской ассоциации государственных служащих, отвечающих за автодорожные перевозки (AASHTO), на проектирование сейсмоустойчивых мостов с учетом коэффициентов нагрузки и устойчивости (КНиУ), 2-е изд., 20112012 гг.
[б] Поправка к Техническим условиям AASHTO на проектирование мостов с учетом КНиУ, 4-е изд., раздел 14: Соединения и опоры, Caltran, 2010 г.
[7] Touaillon J., Improvement in Buildings, United States Patents Office, Letters Patent No. 99.973, 15 февраля 1870 г.
[8] Типовые технические условия на проектирование сейсмической изоляции, AASHTO, третье издание, июль 2010 г.
[9] Типовые технические условия на проектирование сейсмоустойчивых мостов, AASHTO, второе издание, 2 011 г.
[10] Технические условия на проектирование мостов с учетом КНиУ, AASHTO, 5-е издание, редакция 2011 г.
[11] Калифорнийская поправка к Техническим условиям на проектирование мостов с учетом КНиУ, AASHTO, четвертое издание (раздел 14).
[12] Experimental Investigation on the Seismic Response of Bridge Bearings, Univ. of California, Berkeley, EERC-2008-02, 2008 r.
[13] Kelly, J. M., 1997, Earthquake-resistant design with rubber, 2nd Ed., Springer, London.
[14] Rotation Limits for Elastomeric Bearings, Report 1268, University of Washington, 2006 (published as report NCHRP 596, 2008). Civil, Structural & Environmental Eng., University at Buffalo.
[15] Buckle, 1, Nagarajaiah, S., and Ferrell, K. 2002. Stability of elastomericisolation bearings: Experimental study. J. Struct. Eng., 128(1), pp. 3-11.
[16] Constantinou M.C., and Kneifati, M.C., Dynamics of soil-base isolated structure system, Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 114, No. 1, 1988, pp. 211-221.
[17] Jerry, B. J. and Yuen, W. P. Seismic Performance and Design of Bridges With Curve and Skew, FHWA Report, Accession Number: 01080786, 2006.
[18] Cooper J., Friedland I. M., Buckle I. G., Nimis R. В., Bobb N. M., 2009, The Northridge earthquake: progress made and learned from seismic-resistance design, FHWA.
[19] Bazant, B. Stability of Structures: Elastic,
Inelastic, Fracture, and Damage 2001
[20] Galambos V. Theodore, Concepts and Applications for Willies & Son, 2008 r.
Theories, Mineola, Dover Pub.
Structural Stability of Steel Structural Engineers, John,
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Устройство, используемое в качестве соединителя для соединения двух частей в конструктивной системе, выполняющего функции опорного элемента, передающего силы от одной части к другой, например силу тяжести от верхней конструкции к нижней конструкции моста или здания или от станка к его фундаменту, причем часть конструкции относится к части указанной конструктивной системы, например верхней или нижней конструкции, причем компонент указанного устройства называется деталью или деталью указанного устройства, при этом
указанное устройство может обеспечивать надежное соединение между двумя соединенными конструктивными частями, когда указанная система находится в условиях статической нагрузки, или когда на нее воздействует динамическая нагрузка проектного уровня; оно также может уменьшать передачу переходных вибраций и связанной силы инерции в одной или множестве пар V-образных контактных поверхностей в указанном устройстве с помощью относительного скольжения, когда на указанную систему воздействуют динамические нагрузки, превышающие указанный проектный уровень; оно также имеет способность к самовосстановлению исходного состояния указанной системы после относительного скольжения; причем
(a) указанное устройство содержит по меньшей мере две детали вдоль его вертикального направления;
(b) указанное вертикальное направление представляет собой направление силы с наибольшей амплитудой среди всех указанных сил, передаваемых указанным устройством в статических условиях или под действием динамических нагрузок указанного проектного уровня; такой силой для зданий и мостов является сила тяжести; таким образом, горизонтальная плоскость указанного устройства параллельна земной поверхности;
(c) указанное устройство содержит по меньшей мере одну пару V-образных контактных поверхностей, причем V-образная контактная поверхность в указанной паре поверхностей является вогнутой и образована по меньшей мере двумя гранями, тогда как другая V-образная контактная поверхность является выпуклой и
(a)
образована равным или меньшим числом граней в ее сопряженной части; причем указанная грань представляет собой деталь плоскости, не параллельной указанной горизонтальной плоскости указанного устройства;
(d) указанная пара V-образных контактных поверхностей находится в указанном устройстве, причем две V-образные поверхности в паре могут быть либо связаны вместе с помощью адгезива, либо просто наложены без дополнительного связующего вещества или разделены с помощью одного или множества сопрягающих листов между ними; в двух последних случаях относительное скольжение вдоль по меньшей мере одной пары граней указанной пары контактных поверхностей допустимо;
(e) указанный сопрягающий лист содержится между двумя поверхностями в паре V-образных контактных поверхностей, причем указанный сопрягающий лист изготовлен из материала, выбранного из группы, включающей металл, композит и эластомер, чтобы обеспечить компенсацию относительного вращения без потери контакта, возникающего во всех задействованных парах контактных поверхностей, когда указанный сопрягающий лист изготовлен из более мягкого материала, чем материал указанной пары V-образных контактных поверхностей, и регулирование коэффициента контактного трения, когда указанный сопрягающий лист содержит предварительно выполненные вырезы для регулирования площади контакта;
(f) указанное устройство содержит по меньшей мере одну пару V-образных контактных поверхностей, причем самая верхняя V-образная контактная поверхность относится к детали устройства, которая установлена либо непосредственно, либо с помощью других деталей к верхней конструкции указанной конструктивной системы; аналогичным образом, самая нижняя V-образная контактная поверхность относится к детали устройства, которая установлена либо непосредственно, либо с помощью других деталей к нижней конструкции указанной конструктивной системы; верхняя и нижняя конструкции соединены с помощью всех указанных пар V-образных контактных поверхностей внутри указанного устройства;
(d)
(g) когда указанное устройство соединяет верхнюю и нижнюю конструкции указанной конструктивной системы для сейсмической изоляции, в то время как вес верхней конструкции передается через указанные пары V-образных контактных поверхностей нижней конструкции, углы между каждой гранью и указанной горизонтальной плоскостью устройства определяют указанный "проектный уровень", который позволяет начать временное скольжение, когда амплитуда динамической нагрузки ниже уровня, который количественно определяется в соответствии с пиковым ускорением грунта (ПУГ), прогнозируемым по опубликованной Геологической службой (ГС) США карте зон опасности землетрясения, действующей в данный момент для участка расположения конструктивной системы на территории США, или по действующей карте зон опасности землетрясения, опубликованной в стране, где применяется указанное устройство.
2. Устройство, используемое в качестве соединителя для соединения двух частей в конструктивной системе, выполняющего функции опорного элемента, передающего силы от одной части к другой, например, силу тяжести от верхней конструкции к нижней конструкции моста или здания или от станка к его фундаменту, причем часть конструкции относится к части указанной конструктивной системы, например верхней или нижней конструкции, причем компонент указанного устройства называется деталью или деталью указанного устройства, причем
указанное устройство может обеспечивать надежное соединение между двумя соединенными конструктивными частями, когда указанная система находится в условиях воздействия статической нагрузки или под воздействием динамической нагрузки проектного уровня; оно также позволяет уменьшать передачу переходных вибраций и связанной силы инерции как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении с помощью скользящего штифта, направляемого относительным скольжением между двумя соединенными частями указанной системы, когда на последнюю воздействуют динамические нагрузки, превышающие проектный уровень; оно также обеспечивает возможность самовосстановления исходного состояния указанной системы после
относительного скольжения; причем
(a) указанное устройство содержит по меньшей мере три детали вдоль его вертикального направления;
(b) указанное вертикальное направление представляет собой направление силы с наибольшей амплитудой среди всех указанных сил, передаваемых указанным устройством в статических условиях или под действием динамических нагрузок указанного проектного уровня; такой силой для зданий и мостов является сила тяжести; таким образом, горизонтальная плоскость указанного устройства параллельна земной поверхности;
(c) указанное устройство содержит по меньшей мере одну пару V-образных контактных поверхностей, причем V-образная контактная поверхность в указанной паре поверхностей является вогнутой и образована по меньшей мере двумя гранями, тогда как другая V-образная контактная поверхность является выпуклой и образована равным или меньшим числом граней в ее сопряженной части; причем указанная грань представляет собой деталь плоскости, не параллельной указанной горизонтальной плоскости указанного устройства;
(d) указанное устройство содержит по меньшей мере одну пару V-образных контактных поверхностей, причем самая верхняя V-образная контактная поверхность относится к детали устройства, которая установлена либо непосредственно, либо с помощью других деталей к верхней конструкции указанной конструктивной системы; аналогичным образом, самая нижняя V-образная контактная поверхность относится к детали устройства, которая установлена либо непосредственно, либо с помощью других деталей к нижней конструкции указанной конструктивной системы; верхняя и нижняя конструкции соединены с помощью всех указанных пар V-образных контактных поверхностей внутри указанного устройства;
(e) указанная пара V-образных контактных поверхностей находится в указанном устройстве, причем две V-образные поверхности в паре могут быть либо связаны вместе с помощью адгезива, либо просто наложены без дополнительного связующего вещества или разделены с помощью одного или множества
(a)
сопрягающих листов между ними; в двух последних случаях относительное скольжение вдоль по меньшей мере одной пары граней указанной пары контактных поверхностей допустимо;
(f) указанный сопрягающий лист содержится между двумя поверхностями в паре V-образных контактных поверхностей, причем указанный сопрягающий лист изготовлен из материала, выбранного из группы, включающей металл, композит и эластомер, чтобы обеспечить компенсацию относительного вращения без потери контакта, возникающего во всех задействованных парах контактных поверхностей, когда указанный сопрягающий лист изготовлен из более мягкого материала, чем материал указанной пары V-образных контактных поверхностей, и регулирование коэффициента контактного трения, когда указанный сопрягающий лист содержит предварительно выполненные вырезы для регулирования площади контакта;
(д) указанное устройство содержит по меньшей мере один скользящий штифт и средство для указанного направленного скольжения, причем указанный скользящий штифт имеет две прямые части, расположенные вдоль его продольного направления; две части наклонены в направлении друг к другу под углом, совпадающим с углом между двумя противоположными гранями в V-образной контактной поверхности внутри указанного устройства; геометрия поперечного сечения вдоль одной прямой части указанного штифта выполнена с возможностью вставлять ее в направляющую, встроенную в деталь указанного устройства, причем одна V-образная контактная поверхность находится в указанной паре поверхностей; в то время как геометрия сечения другой прямой части указанного штифта выполнена с возможностью скольжения через открытую прорезь в боковом стопоре, который является частью или прикреплен к другой детали указанного устройства с другой V-образной контактной поверхностью в указанной паре поверхностей; таким образом, скользящий штифт может свободно перемещаться вдоль указанной направляющей или через указанную открытую прорезь бокового стопора или выполнять и то, и другое одновременно, устанавливая соединение с возможностью скольжения между двумя деталями указанного
устройства, которые изначально находились в контакте через пару V-образных поверхностей, но препятствует любым другим относительным движениям между частями пары;
(h) указанное устройство имеет дополнительную демпфирующую
сердцевину, причем указанное устройство содержит по меньшей
мере одну полость, причем по меньшей мере одна указанная
полость начинается в точке детали устройства, где проходит
указанная самая верхняя V-образная контактная поверхность, и по
меньшей мере одна указанная полость оканчивается в точке детали
устройства, где проходит указанная самая нижняя V-образная
контактная поверхность; все полости заполнены демпфирующей
средой, выбранной из группы материалов с высокой способностью к
пластической деформации, например, таких как свинец и олово,
или смесь материалов этого класса;
(i) когда указанное устройство соединяет верхнюю и нижнюю
конструкции указанной конструктивной системы для сейсмической
изоляции, в то время как вес верхней конструкции передается
через указанные пары V-образных контактных поверхностей нижней
конструкции, углы между каждой гранью и указанной
горизонтальной плоскостью устройства определяют указанный
"проектный уровень", который позволяет начать временное
скольжение, когда амплитуда динамической нагрузки ниже уровня,
который количественно определяется в соответствии с пиковым
ускорением грунта (ПУГ), прогнозируемым по опубликованной ГС
США карте зон опасности землетрясения, действующей в данный
момент для участка расположения конструктивной системы на
территории США, или по действующей карте зон опасности
землетрясения, опубликованной в стране, где применяется
указанное устройство.
3. Указанное устройство по пп. 1 или 2 с дополнительным механизмом вертикального усиления, причем устройство содержит по меньшей мере один вертикально выровненный штифт, причем один конец каждого указанного вертикально выровненного штифта прикреплен к детали устройства, представляющей собой деталь с указанной самой верхней V-образной контактной поверхностью или расположенной над ней; в то время как другой конец штифта
прикреплен к детали устройства, представляющей собой деталь с указанной самой нижней V-образной контактной поверхностью или расположенной под ней; ни один из вертикально выровненных штифтов не может свободно вращаться вокруг любого из своих концов после прикрепления к соответствующим деталям указанного устройства.
4. Устройство, используемое в качестве соединителя для соединения двух частей конструктивной системы и в качестве опорного элемента, передающего нагрузки от одной части к другой, например, силу тяжести от верхней конструкции к нижней конструкции моста или здания или от станка к его фундаменту, причем конструктивная часть относится к части указанной конструктивной системы, например верхней или нижней конструкции, в то время как компонент указанного устройства называется деталью или деталью устройства; деталь или конструктивная часть является компонентом конструктивной системы, при этом
указанное устройство может обеспечивать надежное соединение между двумя соединенными частями конструкции, когда указанная система находится в условиях статической нагрузки или под воздействием динамической нагрузки проектного уровня; оно также позволяет уменьшать передачу переходных вибраций и связанной силы инерции как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях с помощью по меньшей мере одного вертикально усиленного штифта между двумя соединенными частями указанной системы, когда на последнюю воздействуют динамические нагрузки, превышающие проектный уровень; оно также обеспечивает возможность самовосстановления исходного состояния указанной системы после относительного скольжения, причем
(a) указанное устройство содержит по меньшей мере четыре детали;
(b) указанное вертикальное направление представляет собой направление силы с наибольшей амплитудой среди всех указанных сил, передаваемых указанным устройством в статических условиях или под действием динамических нагрузок указанного проектного уровня; такой силой для зданий и мостов является сила тяжести;
(a)
таким образом, горизонтальная плоскость указанного устройства параллельна земной поверхности;
(c) указанное устройство содержит по меньшей мере одну пару V-образных контактных поверхностей, причем самая верхняя V-образная контактная поверхность относится к детали устройства, которая установлена либо непосредственно, либо с помощью других деталей к верхней конструкции указанной конструктивной системы; аналогичным образом, самая нижняя V-образная контактная поверхность относится к детали устройства, которая установлена либо непосредственно, либо с помощью других деталей к нижней конструкции указанной конструктивной системы; верхняя и нижняя конструкции соединены с помощью всех указанных пар V-образных контактных поверхностей внутри указанного устройства;
(d) указанная пара контактных поверхностей находится в указанном устройстве, причем две поверхности в паре могут быть связаны вместе с помощью адгезива или просто наложены без дополнительного связующего материала; в последнем случае относительное движение между двумя поверхностями допустимо, причем указанное относительное движение между парой контактных поверхностей относится к случаю, когда существует разность смещений между двумя поверхностями, но эта разность не приводит к потере контакта между всеми парами граней пары контактных поверхностей; иными словами, по меньшей мере одна пара контактных граней остается в контакте;
(e) указанное устройство содержит по меньшей мере два вертикально выровненных штифта, причем один конец каждого указанного вертикально выровненного штифта прикрепляется к детали устройства, представляющей собой деталь с указанной самой верхней контактной поверхностью, в то время как другой конец штифта прикреплен к детали устройства, представляющей собой деталь с указанной самой нижней контактной поверхностью; таким образом, ни один из вертикально выровненных штифтов не может свободно вращаться вокруг любого из своих концов после прикрепления к соответствующим деталям указанного устройства;
(f) когда указанное устройство соединяет верхнюю и нижнюю
конструкции указанной конструктивной системы для сейсмической изоляции, в то время как вес верхней конструкции передается через указанные пары V-образных контактных поверхностей нижней конструкции, углы между каждой гранью и указанной горизонтальной плоскостью устройства определяют указанный "проектный уровень", который позволяет начать временное скольжение, когда амплитуда динамической нагрузки ниже уровня, который количественно определяется в соответствии с пиковым ускорением грунта (ПУГ), прогнозируемым по опубликованной ГС США карте зон опасности землетрясения, действующей в данный момент для участка расположения конструктивной системы на территории США, или по действующей карте зон опасности землетрясения, опубликованной в стране, где применяется указанное устройство;
(д) указанное устройство имеет дополнительную демпфирующую сердцевину, причем указанное устройство содержит по меньшей мере одну полость, причем по меньшей мере одна указанная полость начинается в точке детали устройства, где проходит указанная самая верхняя V-образная контактная поверхность, и по меньшей мере одна указанная полость оканчивается в точке детали устройства, где проходит указанная самая нижняя V-образная контактная поверхность; все полости заполнены демпфирующей средой, выбранной из группы материалов с высокой способностью к пластической деформации, например, таких как свинец и олово, или смесь материалов этого класса.
По доверенности
1/25
517263
поперечные связывающие демпфирующие соединения
/5\
i'o: !v|S
ФИГ. 3
* J
i-?
ФИГ. За
ФИГ. зь
ФИГ. 1
2S ¦!
сила
вибрации
| q сила вибрации
10, 12: верхняя и нижняя подушка 20; средняя подушка 28: сердцевина
11: поверхность контакта между сердцевиной и верхней, средней, нижней подушкой
ФИГ. 4. ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ: ДЕМПФЕР ПОПЕРЕЧНОГО СДВИГА
нижняя конструкция
ФИГ. 5. ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ: ЭЛАСТОМЕРНАЯ ОПОРА (ЕВ)
соединена с нижней конструкцией
ФИГ. 6. ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ: ЭЛАСТОМЕРНАЯ ОПОРА С ДЕМПФИРУЮЩЕЙ СЕРДЦЕВИНОЙ
верхняя конструкция
*62
- ч:
маятник
нижняя конструкция
ФИГ. 7. ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ: МАЯТНИКОВАЯ СКОЛЬЗЯЩАЯ ОПОРА С УЗЛОМ ТРЕНИЯ (FPS)
верхняя конструкция
100
> 1 -г
\ 1 i
is*
\ t '
....
3: эластомер + усиливающие листы 6; трос
21: вращаемый крепежный элемент
нижняя конструкция
ФИГ. 8.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ: АНТИСЕЙСМИЧЕСКИЙ СОЕДИНИТЕЛЬ (ANSC)
I подушка подходящей геометрии, j I изготовленная из выбранного материала ! ; для достижения требуемой жесткости j
верхняя конструкция ^
нижняя конструкция
(а)
сопрягающий лист, изготовленный из гипоэластичного материала для демпфирования
ФИГ. 9
верхняя конструкция
нижняя конструкция
ШШв^М'мяя конструкция
Р; = R cos(cf)
предполагается отсутствие трения
R : общая сила на поверхности
М: масса верхней конструкции и несомые рабочие нагрузки
А Сила инерции:
1 ' 0-М -а
ФИГ. 10
металлические блоки
крепежные элементы
верхняя несущая плита
верхняя подушка
Вертикальный усиливающий штифт (VRP), добавленный к опоре, показанной на фиг. 9
резина
(о)
ФИГ. 12
(Ь)
нижняя подушка
ФИГ.
ФИГ. 14
1,5: Нижняя и верхняя подушки 2,4: Сопрягающие листы 3: Средняя подушка 6: продольный стопор 7: боковые стопоры
1. верхняя подушка 5. нижний боковой стопор
2. нижняя подушка 6. верхний боковой стопор
3. эластомерный блок
4. металлический (или композитный) сопрягающий лист
1. верхняя подушка 5. боковой стопор
rh М Г Л 7 ^ сопрягающий лист б. накладной лист
3. нижняя подушка 7, отверстия для винтов, удерживающих
4. скользящий штифт накладной лист
ФИГ. 18
1. верхняя подушка 4. скользящие штифты
2. нижняя подушка 5. боковые стопоры
3. сопрягающий лист 6. накладные листы, прикрепленные
на верхней подушке
верхняя подушка нижняя подушка сопрягающий лист Боковой стопор/направители штифтов
скользящие штифты накладные листы винты
кольцо из пружинной стали 9. демпфирующая сердцевина
остаточная деформация _ исходная форма
после землетрясения
'.верхняя подушка]
деформация во время землетрясения
Эластомерная опора: широко применяется для изоляции Ограничения: (а) поперечное сопротивление ограничено
(b) низкое трение и низкая способность к деформации при низких температурах
(c) меньше способность к самовосстановлению
Решение: встроить высокопрочные эластичные усиливающие штифты на основе "волосяного механизма"
\нижняя подушка]
Встраивание множества высокопрочных стержней малого диаметра в эластомерный блок для усиления поперечного сопротивления при поддержании исходной гибкости блока для сейсмической изоляции; эти стержни также связывают вместе верхнюю и нижнюю подушки опоры для сохранения общей целостности конструкции.
крепежные элементы
sfh rfh r#i clH гш щ
Верхняя конструкция
'I-
(a)
нижняя подушка
Нижняя конструкция
крепежные элементы
верхняя несущая плита
Верхняя конструкция
верхняя подушка
V I
1 1
стальные листы
(о)
нижняя подушка
Нижняя конструкция
ФИГ. 24
металлические блоки
верхняя несущая плита
крепежные элементы
крепежные элементы
i ГР
¦fl ?
* Li
демпфирующая сердцевина
нижняя подушка
демпфирующая сердцевина
(Ь)
ФИГ. 25
2/25
2/25
3/25
3/25
4/25
4/25
4/25
4/25
4/25
4/25
4/25
4/25
4/25
4/25
7/25
7/25
7/25
7/25
8/25
8/25
8/25
8/25
8/25
8/25
8/25
8/25
8/25
8/25
9/25
9/25
10/25
10/25
12/25
12/25
12/25
12/25
13/25
13/25
15/25
16/25
16/25
17/25
17/25
21/25
21/25
22/25
22/25
22/25
22/25
22/25
22/25
23/25
23/25
23/25
23/25
23/25
23/25
24/25
24/25
24/25
24/25
24/25
24/25
24/25
24/25
25/25
25/25
25/25
25/25
25/25
25/25
25/25
25/25