Приложение А. Способы уменьшения колебаний несущих конструкций

Приложение А

Способы уменьшения колебаний несущих конструкций

А.1 В тех случаях, когда установленные расчетом колебания конструкций не удовлетворяют требованиям, обеспечивающим их несущую способность, или физиологическим требованиям по ограничению уровня вибраций, следует применять указанные в настоящем подразделе способы уменьшения колебаний несущих конструкций.

При выборе способа в каждом конкретном случае следует руководствоваться принципами целесообразности, эффективности и экономичности его применения.

Ожидаемые результаты осуществления того или иного мероприятия следует проверять повторным динамическим расчетом конструкций, т.е. определением максимальных перемещений и внутренних усилий в измененных условиях.

Примечание - Рекомендации по снижению уровней колебаний при периодической нагрузке приведены в подразделах А.2, А.3.

А.2 К основным методам уменьшения колебаний несущих конструкций, вызванных гармоническими (периодическими) нагрузками, относятся:

а) изменение соотношения между частотой вынужденных колебаний и частотами собственных колебаний конструкции путем изменения жесткости, массы или схемы конструкции, а также путем изменения частоты вынужденных колебаний;

б) изменение расположения и способа крепления машин и установок на несущих конструкциях, передача динамических нагрузок на отдельные фундаменты, колонны, разгрузочные балки и т.п.;

в) устройство виброизоляции;

г) применение динамических и ударных гасителей колебаний, увеличение демпфирования колебаний, устройство жестких и нежестких ограничителей;

д) уравновешивание и балансировка машин, создание эксплуатационных условий, препятствующих разбалансировке и образованию случайных дебалансов; применение специальных устройств, обеспечивающих работу нескольких машин попарно в противофазе.

А.2.1 Изменение массы и жесткости конструкции

А.2.1.1 Если частота вынужденных колебаний близка к нижней границе какой-либо частотной зоны и несколько ниже, то колебания конструкции следует уменьшить, увеличив ее жесткость или уменьшив массу. Увеличения жесткости конструкции следует достигать путем уменьшения пролетов, увеличения поперечных сечений или изменения ее конструктивной схемы (введение жестких узлов, превращение разрезных конструкций в неразрезные и т.д.). Допускается также устройство под машину жесткого, но легкого постамента, постановку дополнительных связей, устройство специальных портальных рам и т.п.

А.2.1.2 Если частота вынужденных колебаний близка к верхней границе какой-либо частотной зоны резонансных колебаний и несколько выше, то колебания конструкций следует уменьшать, увеличив ее массу или снизив жесткость. Снижение жесткости конструкции следует достигать путем увеличения пролета или уменьшения поперечного сечения, а также с помощью изменения конструктивной схемы.

Увеличение массы конструкции посредством устройства массивного постамента, не связанного жестко с конструкцией, или увеличение поперечного сечения за счет ввода дополнительных нежестких слоев, надбетонок и т.п. допускается лишь в необходимых случаях для машин и установок категорий динамичности III и IV.

Уменьшение жесткости конструкций и увеличение их массы допускается осуществлять лишь в тех случаях, когда динамические перемещения составляют существенную часть статического прогиба, значение которого в свою очередь не менее чем на 20% - 30% ниже предельного.

А.2.2 Изменение расположения и крепления машин и установок

А.2.2.1 Вертикальные колебания конструкций необходимо уменьшать, расположив машины и установки, создающие вертикальные гармонические нагрузки, вблизи опор или узловых точек резонирующих форм собственных колебаний, а машины и установки, создающие горизонтальные динамические нагрузки, в серединах пролетов конструкций или вблизи пучностей резонирующих форм колебаний.

А.2.2.2 Горизонтальные колебания зданий и сооружений необходимо уменьшать, расположив машины и установки, создающие горизонтальные гармонические нагрузки, таким образом, чтобы динамические усилия воздействовали в направлении, для которого либо жесткость здания максимальна, либо частоты собственных колебаний заметно отличаются от частоты возбуждения.

А.2.2.3 В целях борьбы с колебаниями несущих конструкций промышленных зданий и сооружений следует применять различные конструктивные мероприятия, связанные с размещением машин и установок, создающих динамические нагрузки, на специальных опорных элементах, не соединенных с отдельными несущими конструкциям (например, перекрытиями) или со всем каркасом в целом. В качестве таких опорных элементов следует применять разгрузочные балки, соединенные со стойками каркаса или главными балками перекрытия, отдельные фундаменты, не соединенные с фундаментом здания или сооружения, опорные рамы на самостоятельных фундаментах и т.п.

А.2.3 Виброизоляция машин и установок

Виброизоляция является одним из наиболее эффективных методов борьбы с колебаниями конструкций, возбуждаемых периодическими (гармоническими) нагрузками от машин и установок, размещенных в промышленных зданиях и сооружениях.

Виброизоляцию следует применять в целях уменьшения динамических нагрузок, передаваемых машиной или установкой на несущие конструкции (активная виброизоляция), и в целях защиты машин от колебаний несущих конструкций, на которых они находятся (пассивная виброизоляция).

Виброизоляцию следует применять для машин и установок второй и третьей групп по частотности.

Машины и установки категории динамичности IV, размещаемые в промышленных зданиях, следует устанавливать на виброизоляторы независимо от результатов динамического расчета несущих конструкций.

А.2.4 Применение динамических и ударных гасителей

Динамические и ударные гасители колебаний следует применять в тех случаях, когда устройство виброизоляции или осуществление других мер уменьшения колебаний, не представляется возможным.

Динамические гасители необходимо применять для уменьшения колебаний конструкций при стабильной частоте вынужденных колебаний. Особенно эффективно применение этих гасителей в резонансных режимах. Собственную частоту динамического гасителя следует настраивать на частоту вынужденных колебаний конструкции.

Конструкция динамического гасителя должна иметь устройства, обеспечивающие его настройку на частоту вынужденных колебаний, регулировку и надежное фиксирование частоты гасителя в процессе эксплуатации.

Ударный гаситель колебаний изготовляется в виде свободной или упруго соединенной массой с конструкцией, ударяющей по ней при колебаниях в определенном месте (бойке).

Расчет и проектирование динамических и ударных гасителей осуществляется научно-исследовательскими и конструкторскими организациями.

А.2.5 Уравновешивание, балансировка и изменение частот возмущающей нагрузки

А.2.5.1 Колебания несущих конструкций, вызываемые работой некоторых машин и установок с возвратно-поступательным движением или вращением масс с большим эксцентриситетом, следует уменьшать применением способов уравновешивания инерционных сил, например спариванием кривошипно-шатунных механизмов или уравновешиванием вращающейся массы. Возможно также применение специальных устройств, поддерживающих работу машин и установок в противофазе.

А.2.5.2 Колебания несущих конструкций, вызываемые работой машин и установок с номинально уравновешенными вращающимися массами, следует уменьшать с помощью статической и динамической балансировок в том случае, если таковые не проводились или если машина разбалансировалась в процессе эксплуатации.

А.2.5.3 В тех случаях, когда имеется возможность изменять в некоторых пределах число оборотов машины или установки, колебания конструкций следует уменьшать:

а) понижением числа оборотов машины, если частота вынужденных колебаний близка к нижней границе одной из частотных зон конструкции (несколько ниже);

б) повышением числа оборотов машины, если частота вынужденных колебаний близка к верхней границе одной из частотных зон конструкции (несколько выше).

А.2.5.4 Колебания несущих конструкций при пуске и остановке виброизолированных и невиброизолированных машин вследствие перехода через резонанс следует уменьшать, увеличив скорости нарастания или убывания числа оборотов.

Уменьшение колебаний несущих конструкций в режимах пуска и остановки виброизолированных машин следует осуществлять включением дополнительных диссипативных элементов при прохождении резонансной зоны, устройством ограничителей и т.п.

А.3 К основным способам, позволяющим снижать колебания несущих конструкций, вызванных ударными или импульсными нагрузками, относятся:

а) увеличение массы конструкции;

б) увеличение жесткости конструкции;

в) одновременное увеличение массы и жесткости конструкции;

г) изменение мест приложения импульсов или ударов на перекрытии;

д) виброизоляция установок с импульсными нагрузками;

е) изменение жесткости, массы и схемы конструкции;

ж) уровень колебаний фундаментов и элементов конструкций, возбуждаемый внешними источниками и передающийся через грунт от оборудования в промышленных зонах, движущегося транспорта и т.п., следует уменьшать:

- снижением уровней динамических воздействий от оборудования одним из указанных выше способов;

- созданием внешних преград.

А.3.1 Увеличение массы конструкции

С увеличением массы конструкции с помощью присоединения дополнительной массы при постоянстве прочих независимых параметров (размеров поперечных сечений, пролета, импульса) переменные перемещения и изгибающие моменты уменьшаются обратно пропорционально квадратному корню из полной массы конструкции, приведенной к равномерно распределенной в пролете, или к сосредоточенной в точке приложения импульса (удара).

Способ применим в случаях, когда переменные перемещения и изгибающие моменты, вызываемые импульсной нагрузкой, составляют существенную долю соответственно от прогиба и момента, вызываемых статической нагрузкой (собственным весом и полезными грузами). В противном случае, даже при значительном уменьшении колебаний этим способом, условие прочности может не удовлетворяться вследствие повышения статических напряжений с увеличением постоянной нагрузки на конструкцию.

Примечание - При выполнении этого условия в некоторых случаях уровни колебаний (в том числе скоростей и ускорений) могут быть снижены при введении в систему виброизоляции дополнительной массы. Расчетная схема системы в этом случае - система с двумя степенями свободы.

Способ эффективен при применении к конструкциям, находящимся под действием импульсов категории динамичности IV, а также к конструкциям, характеризующимся небольшими статическими напряжениями (например, к перегородкам, подверженным действию импульсов или ударов).

А.3.2 Увеличение жесткости конструкции

Уменьшение пролета конструкции при постоянстве прочих независимых параметров (масс, поперечных сечений, импульса) приводит к уменьшению перемещения (пропорционально квадрату пролета), а переменные изгибающие моменты не меняются.

Уменьшение пролета возможно в случаях, когда требуется резко снизить только переменные перемещения конструкции.

Увеличение момента инерции поперечных сечений конструкции при постоянстве прочих независимых параметров (масс, продолжительности импульса) приводит к уменьшению перемещения (обратно пропорционально квадратному корню из момента инерции), а переменные изгибающие моменты увеличиваются пропорционально той же величине.

Способ применим в случаях, когда амплитуды колебаний (перемещений) ограничены четким требованием, а в конструкции имеются неиспользованные запасы прочности.

А.3.3 Одновременное увеличение массы и жесткости конструкции

Одновременным увеличением массы и жесткости конструкции следует обеспечивать (А.3.1, А.3.2) существенное уменьшение переменных перемещений при некотором уменьшении суммарных изгибающих моментов (от статических и импульсных нагрузок).

А.3.4 Изменение мест приложения импульсов или ударов на перекрытии

Переменные перемещения и изгибающие моменты в перекрытии следует уменьшать расположением установки:

- с импульсным воздействием на основание на тех элементах перекрытия, которые имеют наибольшую массу;

- порождающей импульсы сил в вертикальном направлении, вблизи опор конструкций;

- порождающей импульсы моментов, действующих в плоскости изгиба элемента, в середине пролета элемента.

А.3.5 Виброизоляция установок с импульсными нагрузками

А.3.5.1 Наиболее эффективным способом уменьшения скоростей и ускорений колебаний перекрытия, а в определенных случаях и изгибающих моментов в перекрытии, вызванных действием импульсных нагрузок, является виброизоляция установок, порождающих эти нагрузки, т.е. передача импульсов или ударов на достаточно большие массы, опирающиеся на перекрытие через гибкие элементы (пружины, резиновые опоры и т.п.) и обладающие низкой частотой собственных колебаний в сравнении с перекрытием. Такими массами могут служить в случае установок, порождающих импульсы, либо сами установки, если они достаточно массивны, либо установки с присоединенным к ним постаментом; а в случае ударов свободно летящих тел - массивные постаменты. Расчет и проектирование виброизоляции осуществляют в соответствии с нормативными документами по виброзащите.

А.3.5.2 Эффективность виброизоляции установок с импульсными нагрузками тем выше, чем больше период собственных колебаний виброизолированной установки и чем менее продолжительность действия импульса в сравнении с основным периодом собственных колебаний перекрытия . Эффективность виброизоляции допускается оценивать следующим образом:

а) с точки зрения влияния колебаний на людей - отношением ускорений или скоростей колебаний перекрытия, возникающих под действием невиброизолированной и виброизолированной установки с импульсной нагрузкой, вычисляемым по формуле

; (А.1)

б) с точки зрения прочности перекрытия - отношением амплитуд колебаний перекрытия, возникающих под действием невиброизолированной и виброизолированной установки с импульсной нагрузкой, вычисляемым по приближенной формуле

. (A.2)

Коэффициенты и принимают в соответствии с таблицей 4.3.

А.3.5.3 Из формул (А.1) и (А.2) следует, что виброизоляция установок с импульсными нагрузками особенно эффективна в тех случаях, когда требуется резко уменьшить скорость или ускорение колебаний перекрытия и снизить их вредное влияния на людей. В тех же случаях, когда требуется снизить переменные напряжения, виброизоляция оказывается эффективной только при действии импульсных нагрузок малой продолжительности, для которых коэффициент мал в сравнении с единицей.