Инновационное использование фрикционных коннекторов для сейсмостойких стальных рам

В последние годы строительная отрасль добилась значительных успехов в области сейсмостойкого проектирования, особенно в конструкциях стальных каркасов. Одной из наиболее перспективных инноваций является использование разъемов на основе трения, которые повышают способность здания противостоять землетрясениям за счет поглощения и рассеивания энергии через контролируемое скольжение. Эти разъемы предлагают сдвиг парадигмы от обычных жестких соединений, обеспечивая не только улучшенную безопасность, но и ремонтопригодность после землетрясения и более низкие затраты на жизненный цикл. В этой статье рассматриваются механика, преимущества, конструктивные соображения, реальные применения и будущие перспективы разъемов на основе трения для сейсмически устойчивых стальных рам.

Понимание фрикционных коннекторов

Разъемы на основе трения представляют собой специализированные конструктивные компоненты, которые передают нагрузки между стальными элементами через фрикционные силы, генерируемые на границе с зажатыми пластинами.В отличие от традиционных болтовых или сварных соединений, которые предназначены для того, чтобы оставаться жесткими, эти разъемы спроектированы так, чтобы проскальзывать под заданной пороговой силой, тем самым рассеивая сейсмическую энергию и ограничивая силы, передаваемые основным конструктивным элементам.Фундаментальный принцип прост: когда приложенная нагрузка превышает сопротивление скольжения, пластины скользят относительно друг друга, преобразуя кинетическую энергию в тепло и уменьшая нагрузку на балки, колонны и фундаменты.

Существует несколько конфигураций, в том числе длинносорванные болтовые соединения, где болты проходят через удлиненные отверстия в одной из соединенных пластин; дисковые пружинные шайбы, которые поддерживают контролируемую силу зажима в диапазоне движения; и фрикционные амортизаторы, которые включают тормозные колодки или композиционные материалы. Наиболее распространенным типом в стальных рамах является слотированное болтовое соединение трения, часто используемое в шарнирных шарнирах или брекетах. В этих соединениях высокопрочные болты постнапряжены до заданной предварительной нагрузки, генерируя нормальную силу, необходимую для трения. Нагрузка проскальзывания - сила, при которой начинается скольжение - тщательно калибруется путем выбора силы зажима и коэффициента трения материалов интерфейса. Исследования А. А. Эльнашай и другие в Университете Иллинойса показали, что коэффициенты трения между очищенными стальными пластинами могут варьироваться от 0,2 до 0,5, в зависимости от обработки поверхности и смазки. Более сложные конструкции включают в себя зажимы латуни или меди для достижения последовательного тре

Механика рассеивания энергии

Во время землетрясения движение земли вызывает циклические силы в структуре. В разъеме на основе трения каждый цикл скольжения производит петлю гистерезиса, которая поглощает энергию. Область, заключенная в цикл, представляет собой рассеиваемую энергию за цикл. В отличие от выхода стали, которая вызывает постоянную деформацию и потенциальную усталость от низкого цикла, скольжение в разъемах трения может происходить неоднократно без повреждения базового материала. Эта характеристика делает их идеальными для систем , где силы восстановления эластичности в раме могут вернуть здание в исходное положение после события. Механизм скольжения также ограничивает пиковые силы, которые могут передаваться, действуя как структурный предохранитель.

Как фрикционные коннекторы повышают сейсмическую производительность

Основным механизмом повышенной сейсмической устойчивости является рассеивание энергии через контролируемое скольжение. В жестком соединении силы землетрясения передаются непосредственно в раму, вызывая высокие напряжения, которые могут привести к хрупкому перелому или чрезмерному пластиковому шарнирному натяжению. Разъемы трения препятствуют этому, устанавливая «порог скольжения» — как только сейсмическая нагрузка превышает этот порог, разъем скользит, рассеивая энергию и уменьшая спрос на основную конструкцию. Такое поведение аналогично поведению проходимого предохранителя, но с преимуществом легкой замены после события.

Другим критическим преимуществом является предотвращение выхода колонн. В традиционных механоустойчивых рамах ожидается образование пластиковых шарниров в балках, но в плохо спроектированных соединениях шарниры могут образовываться в колоннах, что потенциально приводит к коллапсу. Разъемы трения, размещенные в шарнирно-колонных соединениях, обеспечивают контролируемое ограничение пластической деформации зоной соединения. Кроме того, поскольку разъемы не полагаются на выход материала, они могут быть рассчитаны на несколько циклов без ухудшения прочности. Экспериментальные испытания в Университете Кентербери, Новая Зеландия, продемонстрировали, что соединения трения могут выдерживать более 50 циклов большого смещения без значительного снижения емкости (]Исследование трения Университета Кентербери].

Самоцентрирующее поведение

Одним из новых направлений является сочетание фрикционных разъемов с постнапрягающими сухожилиями или сплавами памяти формы для создания самоцентрирующихся систем. Эти системы не только рассеивают энергию, но и активно возвращают структуру к первоначальному выравниванию после землетрясения. Это устраняет остаточные дрейфы, которые являются основным источником затрат на ремонт после землетрясения. Например, система Pres-Lam, разработанная в Новой Зеландии, использует фрикционные соединения в деревянных и стальных гибридных конструкциях, достигая как рассеивания энергии, так и более позднего обзора системы Pres-Lam.

Основные преимущества перед традиционными связями

Разъемы на основе трения предлагают несколько различных преимуществ по сравнению с обычными сварными или болтовыми соединениями:

Передняя диссипация энергии: Гистерезисные петли фрикционных соединений шире, чем у выдающейся стали, что означает больше энергии, поглощенной за цикл.

Избегание повреждений: Никакой пластической деформации балок или колонн; повреждение ограничивается сменными фрикционными прокладками или болтами.

Ремонтируемость после землетрясения: После крупного события разъем трения можно проверить и восстановить или заменить прокладки, тогда как сварные соединения часто требуют резки и помола.

Сокращение стоимости жизненного цикла:] Несмотря на несколько более высокую начальную стоимость изготовления, возможность ремонта, а не замены конструктивных элементов, снижает общие затраты на владение в течение срока службы здания.

Предсказуемость:] Нагрузка на скольжение может быть точно рассчитана с использованием закона трения Кулона, и поведение менее чувствительно к изменчивости материала, чем сварные соединения.

Простота установки: Трение соединения могут быть собраны в поле с болтовкой, избегая необходимости в квалифицированных сварщиков и сокращения времени строительства.

Например, при сейсмической модернизации существующих стальных зданий фрикционные разъемы могут быть добавлены к скобным рамам без обширной модификации существующих соединений.Исследования Американского института стального строительства (AISC) показали, что фрикционные амортизаторы могут удвоить мощность рассеивания энергии рамы по сравнению с обычными брекетами.

Соображения в отношении проектирования и осуществления

Проектирование разъемов на основе трения требует тщательного внимания к нескольким параметрам. Первый - нагрузка на скольжение, которая должна быть установлена таким образом, чтобы разъем проскальзывал до того, как конструктивные элементы достигнут своей выходной мощности. Это достигается за счет указания количества болтов, напряжения предударной нагрузки на болт и коэффициента трения на скольжении интерфейса. Такие стандарты, как Еврокод 3 и AISC 360, обеспечивают расчетные значения коэффициентов трения в критических соединениях скольжения, но для сейсмических применений коэффициент может потребоваться проверить путем тестирования, поскольку обработка поверхности и износ могут повлиять на него.

Размещение и конфигурация

Трение разъемы стратегически размещены в регионах, где рассеивание энергии наиболее необходимо: балки-к-колоннам соединения, скобки соединения и луча связи в эксцентричных скобчатых рамах. В момент-сопротивляющихся рамах, общая конфигурация является "фланца луча трения подключен к конечной пластины через щелевые отверстия, и болты затянуты к определенному крутящему моменту. В скошенных рамах, фрикционные соединения используются в скольжениях пластины, чтобы позволить контролируемое скольжение. Пропускная способность - общее расстояние путешествия - должна вместить ожидаемый межэтажный дрейф без дна. Для высоких зданий в зонах с высокой сейсмичностью, проскальзывание емкость может быть как 50-100 мм.

Зажим силы и предварительная нагрузка

Поддержание постоянной силы зажима с течением времени имеет решающее значение. Ползучесть в прокладках, расслабление напряжения болта и коррозия могут уменьшить преднагрузку. Для смягчения этого многие конструкции включают дисковые пружины (стиры Беллвилла), которые поддерживают почти постоянную силу в диапазоне отклонений. Кроме того, напряжение болта должно контролироваться и, возможно, усиливаться после первых нескольких циклов в лабораторных испытаниях для учета потерь сидений. Интерфейсный материал также играет роль; некоторые дизайнеры используют слой тонкой резины или стального композитного материала для достижения стабильного коэффициента трения. Федеральное управление автомобильных дорог (FHWA) опубликовало руководящие принципы по соединениям трения для мостов, которые применимы и к строительным рамам.

Обслуживание и инспекция

После сейсмического события фрикционные разъемы должны быть проверены на наличие признаков чрезмерного скольжения, деформации болтов или износа прокладок. Если скольжение произошло всего несколько раз, разъем может просто потребовать герметизации. Однако, если болтовые отверстия овальизировались, может потребоваться замена пластин. При проектировании важна доступность - разъемы должны быть расположены в районах, которые позволяют проводить осмотр без крупного сноса. Некоторые современные конструкции включают нагрузочные элементы или тензодатчики для удаленного мониторинга событий скольжения.

Реальные приложения и тематические исследования

Разъемы на основе трения были реализованы в нескольких известных зданиях по всему миру, особенно в Новой Зеландии, Японии и Соединенных Штатах. Одним из ярких примеров является здание Департамента гражданского строительства Кентерберийского университета, которое было модернизировано с амортизаторами трения после землетрясения в Крайстчерче в 2011 году. Здание смогло оставаться функциональным после последующих подземных толчков, демонстрируя эффективность технологии. Другим примером является Британский исследовательский центр рака Колумбии в Ванкувере, который использовал устройства трения в своих стальных скобчатых рамах для достижения высокого уровня сейсмических характеристик при сохранении гибкого плана этажа.

В Японии фрикционные разъемы использовались в Городском музее Сендай и нескольких высотных жилых башнях.Исследования Такеши Накамуры в Киотском университете показали, что фрикционные амортизаторы могут уменьшить силы сдвига основания до 40% по сравнению с обычными моментными рамами Накамура и др., «Сейсмическое поведение стальных рам с амортизаторами трения», Engineering Structures, 2017. В США, в Департаменте транспорта Орегона , используется фрикционные соединения для модернизации мостов в сейсмических зонах, применяя те же принципы к стальным балочным мостам.

Уроки восстановления Крайстчерча

После землетрясений 2011 года Крайстчерч стал испытательным полигоном для инновационных сейсмических технологий. Несколько новых зданий включали в себя фрикционные раздвижные соединения в стальной раме, в том числе Научное здание Университета Кентербери и Центральную библиотеку Крайстчерчской церкви . После событийные проверки подтвердили, что эти здания получили минимальные структурные повреждения, в то время как смежные обычные конструкции требовали обширного ремонта. Разъемы трения позволили зданиям претерпевать большие дрейфы без хрупкого отказа, а сменные компоненты были быстро заменены, сводя к минимуму время простоя. Эта реальная проверка ускорила принятие в районах с высокой сейсмичностью во всем мире.

Стандарты и положения Кодекса

Хотя разъемы на основе трения еще не являются универсально кодифицированными, несколько стандартов сейсмической конструкции теперь включают положения для них. Американский институт стального строительства (AISC 341-16) включает в себя раздел «Сейсмические положения для стальных конструкций», который охватывает специальные временные рамки (SMF) и специальные концентрически скошенные рамы (SCBF), но использование соединений трения обычно охватывается альтернативными положениями раздела 14 — «Системы, не специально разработанные для сейсмического сопротивления». Инженеры должны продемонстрировать эквивалентность посредством тестирования и анализа. Еврокод 8 (EN 1998-1) также позволяет использовать устройства рассеивания энергии, включая амортизаторы трения, при условии, что они соответствуют требованиям стандартов продукта.

Международный совет по коду (ICC) признал системы демпфера трения через отчеты об оценке, основанные на циклическом тестировании по протоколам тестирования FEMA P-751 или ANSI/AISC 341. Производители проприетарных разъемов трения часто предоставляют данные тестирования для поддержки их включения в проекты. По мере того, как становится доступным больше исследований, вероятно, будущие версии этих кодов будут включать в себя явные процедуры проектирования для соединений на основе трения, подобно тому, как теперь кодифицируются брекеты с ограничением пряжки.

Будущие направления и исследования

Текущие исследования направлены на повышение производительности и надежности фрикционных разъемов. Одной из активных областей является разработка умных фрикционных разъемов , которые включают датчики для мониторинга силы скольжения, смещения и температуры в режиме реального времени. Это позволит владельцам зданий оценивать состояние соединений после землетрясения без физического осмотра. Другим перспективным направлением является использование композитных материалов на фрикционном интерфейсе для достижения более последовательного и стабильного коэффициента трения. Керамо-металлические прокладки, армированные углеродным волокном полимеры и покрытия на основе графена находятся в стадии изучения.

Также продвинулось численное моделирование, при этом исследователи использовали детальный анализ конечных элементов для моделирования поведения скольжения, включая тепловые эффекты, удлинение болта и износ контакта. Эти модели позволяют параметрическим исследованиям оптимизировать геометрию створок, расположение болтов и силу зажима. Машинное обучение применяется для прогнозирования оставшейся емкости разъемов трения после нескольких циклов, что позволяет создавать конструкцию на основе производительности, которая учитывает кумулятивное повреждение от землетрясения.

Наконец, концепция устойчивых и ремонтируемых зданий стимулирует интеграцию фрикционных разъемов с другими технологиями с низким уровнем повреждения, такими как качающиеся стены, брекеты с ограничением пряжки и вязкие амортизаторы. Цель состоит в том, чтобы создать структуры, которые остаются в рабочем состоянии после крупного землетрясения — необходимость для больниц, центров реагирования на чрезвычайные ситуации и критической инфраструктуры. Трение разъемы являются ключевой технологией, позволяющей использовать их, потому что они по своей сути многоразовые и заменяемые. По мере того, как отрасль движется к сейсмическому дизайну на основе производительности, использование этих разъемов, вероятно, станет более распространенным, не только в стальных рамах, но и в деревянных и бетонных гибридных системах.

Заключение

Разъемы на основе трения представляют собой значительный прогресс в разработке сейсмостойких стальных каркасов. Их способность рассеивать энергию за счет контролируемого скольжения, минимизировать структурные повреждения и облегчить ремонт после землетрясения делает их экономически эффективным и устойчивым решением для регионов, подверженных сейсмической активности. В то время как проектирование и реализация требуют тщательной инженерии для обеспечения надежного поведения скольжения, растущий объем исследований и успешных тематических исследований со всего мира обеспечивают прочную основу для их принятия. По мере развития кодов и интеграции интеллектуальных технологий разъемы трения готовы стать стандартным элементом в инструментарий сейсморазведчика, помогая создавать более безопасные и более устойчивые сообщества.