Недавние разрушительные землетрясения в Турции, Греции и Тайване указывают на необходимость структурного контроля в зданиях, который мог бы уменьшить воздействие сейсмических событий на конструкции. Такой контроль может спасти жизни и миллионы долларов от повреждения зданий и инфраструктуры.
Профессор гражданского строительства Вашингтонского университета в Сент-Луисе испытал новое устройство на модельном здании, установленном на «вибрационном столе», имитирующем землетрясение, которое обещает свести к минимуму ущерб при землетрясениях.
Ширли Дайк, доктор философии, доцент кафедры гражданского строительства в Школе инженерии и прикладных наук Вашингтонского университета, испытала устройство, гасящее землетрясения, называемое магнитореологическим (МР) демпфером, на металлической конструкции высотой шесть футов. Испытания проводились в университетской лаборатории структурного контроля и сейсмостойкого проектирования, которой она руководит. Используя данные стандартного землетрясения 1940 года в Эль-Сентро, штат Калифорния, она применила силовые параметры этого землетрясения, чтобы воспроизвести эффекты на модели. Она сравнила результаты испытаний конструкции без демпферов MR, а затем с демпферами.
Измеряя реакцию на каждом этаже здания, Дайк обнаружил, что демпферы MR снижают пиковое ускорение на 50 процентов.
"Это очень обнадеживает", - говорит Дайк. «Наша цель состояла в том, чтобы продемонстрировать, что эти устройства эффективны для уменьшения отклика, и мы ясно продемонстрировали это в этом масштабе. Наша идея состоит в том, чтобы начать с небольших столов, а затем попробовать это с большим вибростолом. Теперь мы также работаем над тем, чтобы определить, какие типы конструкций выиграют от демпферов MR, и в конечном итоге мы разработаем для них рекомендации».
Дайк представил доклад об исследовании вибростенда на Международной конференции IEEE по приложениям управления, состоявшейся 23-27 августа 1999 г. в Коне, Гавайи. Ее работа спонсируется Национальным научным фондом.
Из жидкого в твердое
Демпфер MR представляет собой устройство, которое действует как амортизатор на конструкцию. Три горизонтальные металлические пластины соединены вместе, две внешние пластины соединены с одним концом здания, а средняя - с другим концом.
Когда гидравлическая система вибростенда перемещает здание, средняя пластина скользит вперед и назад между двумя внешними пластинами. Датчики прикреплены к этажам здания для измерения раскачивания при сотрясении. Эти данные немедленно передаются на компьютер, который вычисляет, где включить питание и заставить работать амортизаторы, чтобы уменьшить тряску.
Жидкость MR покрывает средние пластины и превращается в твердое вещество при подаче небольшого электрического тока от батареи. Это заставляет три пластины слипаться, уменьшая тряску. Жидкость превращается в твердое тело, потому что частицы железа в жидкости соединяются вместе под действием магнитного поля, создаваемого электрическим током.
Весь процесс происходит за доли секунды, и когда ток отключается, твердое тело снова превращается в жидкость. Таким образом, этот процесс гасит вибрацию, так что она не может ускоряться через этажи здания или сооружения.
'Великое обещание'
«Устройство имеет большие перспективы, предлагая наилучшие возможности внедрения и принятия инженерами как для нового строительства, так и для модернизации», - говорит Дайк.
Заслонка в модельном корпусе помещается на ладони. В реальном здании демпфер был бы размером с картонную упаковочную коробку и вставлялся бы внутрь стены строения.
Концепция жидкости была разработана в 1940-х годах, но только в конце 1980-х исследователи начали находить для нее применение, говорит Дайк. Компания Lord Corp. из Кэри, Северная Каролина, разработала жидкость для устройства, которое поможет гасить вибрации, которым подвергаются водители грузовиков, путешествующих на большие расстояния. Lord Corp. также поставляет материалы для исследований Дайка. Другие текущие приложения - в тренажерах и стиральных машинах.
Технология демпфирования MR недорога, относительно проста и работает при мощности всего от 20 до 50 ватт - столько потребляет бытовая лампочка. А если электричество отключится во время сильного землетрясения, устройство все равно будет работать, потому что питается от батареи.
Мы продемонстрировали, что демпферы работают, и теперь хотим провести более тщательное исследование, чтобы разработать рекомендации по проектированию, чтобы тот, кто разрабатывает 20-этажное здание, знал, как лучше всего реализовать эту технологию, чтобы свести к минимуму ущерб во время землетрясение», - говорит Дайк.