Ограничение гололедообразования и устройство для предотвращения образования наледей и сосулек на скатных крышах

1.

Ограничение гололедообразования и устройство для
предотвращения образования наледей и сосулек на скатных
крышах с помощью демпфирующего стального троса с
использованием антиобледенительного маятникового гасителя
пляски типа ОГК и КПП-2,-13 ООО ТПК ООО ТПК Энергомаш
(Украина, патент РФ № 2387063) , по слому и удалению сосулек
путем обеспечения многокаскадного демпфирования гасителя
пляски или с помощью демпфирующих сдвиговых тросовых
петель, закрепленных на стальном тросе, преимущественно при
импульсных многокаскадных ветровых нагрузках, согласно
изобретения № 154506 «Панель противовзрывная»№№ 1143895,
1168755, 1174616, 2010136746, 165076
Авторы: СПб ГАСУ Аубакирова И. У, Мажиев Х. Н, Тихонов Ю М , инж.механик Андреева Е И [email protected] (999) 535-47-29, (921) 962-67-78
Restriction of ice formation and a device for preventing the formation of ice and icicles on pitched roofs using a damping steel
cable using an anti-icing pendulum dance extinguisher of the OGK and KPP-2 type,-13 LLC TPK LLC TPK Energomash
(Ukraine, RF patent No. 2387063) , for the scrapping and removal of icicles by providing multi-stage damping of the dance
extinguisher or using damping shear cable loops fixed on steel cable, mainly for pulsed multi-stage wind loads, according to
invention No. 154506 "Anti-explosion panel"№№ 1143895, 1168755, 1174616, 2010136746, 165076
Испытательного центра СПб ГАСУ, аккредитован Федеральной службой по аккредитации (аттестат №
RA.RU.21СТ39, выдан 27.05.2015), Организация "Сейсмофонд" при СПб ГАСУ ОГРН: 1022000000824
1

2.

На фотографии изобретатель РСФСР Андреев Борис Александрович, автор
конструктивного решения по использованию фрикционно -демпфирующих связей
(компенсаторов) для применения ограничителей гололедообразования для
скатных крыш , с зафиксированными запорными элементов в штоке, по линии
снеговой (ледяной) нагрузки , согласно изобретения № 165076 «Опора
сейсмостойкая» для увеличения демпфирующей способности
антиоблединительного троса , при импульсных растягивающих нагрузках, для
обеспечения многокаскадного демпфирования , для улучшения демпфирующих
свойств фрикционно- демпфирующего компенсатора , согласно изобретениям
проф ПГУПС дтн проф Уздина А М №№ 1168755, 1174616, 1143895 и внедренные в
США для ограничения гололедообразования на скатных крышах в Канаде, США
Аннотация — в современных условиях для защиты скатных крыш
от гололедообразования, используется целый ряд различных
методов и реализующих их устройств, выполняющих защиту
скатных крыш, от гололедообразования. В настоящее время
актуальна разработка универсального средства защиты от
гололедообразования , от климатических воздействий с
применением опыта разработки наиболее эффективных
защитных устройств. Разработано универсальное устройство,
способное защищать от гололедообразования ,всех перечисленных
2

3.

негативных воздействий. В работе описана математическая
модель работы устройства, проведены испытания устройства в
лабораторных условиях, приведена методика расчѐта схем
защиты скатных крыш с использованием маятникового гасителя
пляски ,типа ОГК% и КПП-2Ю4-13 ООО ПТК Энергомаш Украина
–ограничитель гололедообразования на скатных крышах.
3

4.

4

5.

Предлагаемая устройство относится к инженерному
оборудованию зданий, а точнее к оборудованию скатных крыш или
нижних частей балконов, веранд или др. выступов зданий для
удаления сосулек, особенно вблизи замѐрзших водостоков,
представляющих угрозу для пешеходов, обрушением этих сосулек с
крыши или балкона.
5

6.

6

7.

Радикальным способом борьбы с замерзанием водостоков и
последующим созданием наледей и сосулек является система
электрического подогрева поверхности наружного водостока с
помощью [реющего электрического кабеля (патент России №
2158809, кл. E04D 13/064, 2000 г.].
Однако, данная система потребляет значительное количество
электроэнергии в зимний период времени как на обогрев воронкики
и водосточной трубы по всей еѐ высоте. Уменьшает образование
наледей и последующих сосулек тщательное изолирование крыши
от тепла чердака, что также требует больших вложений
средств, однако в периоды оттепели снег на крыше всѐ равно
тает, теперь уже от наружной температуры с образованием
тех же наледей и сосулек и для предотвращения образования
7

8.

наледей и сосулек на скатных крышах с помощью
демпфирующего стального троса с использованием
антиобледенительного маятникового гасителя пляски , по слому
и удалению сосулек путем обеспечения многокаскадного
демпфирования гасителя пляски или с помощью демпфирующих
сдвиговых тросовых петель, закрепленных на стальном тросе,
преимущественно при импульсных многокаскадных ветровых
нагрузках
8

9.

.
Поэтому остаѐтся актуальным поиск методов удаления сосулек и
устройство антиобледенительных устройство по слому и
удалению сосулек путем обеспечения многокаскадного
демпфирования с помощью демпфирующих петель закрепленных
9

10.

на стальном тросе, преимущественно при импульсных
многокаскадных нагрузках, с использованием о изобретений №
154506 «Панель противовзрывная»№№ 1143895, 1168755, 1174616,
2010136746, 165076 , для создания импульсных нагрузок
10

11.

11

12.

Антиобледенительное устройство по слому и удалению сосулек
путем обеспечения многокаскадного демпфирования с помощью
демпфирующих петель закрепленных на стальном тросе для
скатных крыш зданий , преимущественно при импульсных
многокаскадных нагрузках , для ограничения гололедообразования
с помощью демпфирующего стального троса с использованием
антиобледенительного маятникового гасителя пляски типа ОГК
и КПП-2,-13 ООО ТПК ООО ТПК Энергомаш (Украина, патент
РФ № 2387063) , по слому и удалению сосулек путем
обеспечения многокаскадного демпфирования гасителя пляски
или с помощью демпфирующих сдвиговых тросовых петель,
закрепленных на стальном тросе, преимущественно при
импульсных многокаскадных ветровых нагрузках, согласно
изобретения № 154506 «Панель противовзрывная»№№ 1143895,
1168755, 1174616, 2010136746, 165076
12

13.

Устройство по слому и удалению сосулек происходит , путем
обеспечения многокаскадного демпфирования с помощью
демпфирующих петель закрепленных на стальном тросе для
скатных крыш , преимущественно при импульсных
многокаскадных нагрузках резонаторы - ограничители
гололедообразования с помощью демпфирующего стального
троса с использованием антиобледенительного маятникового
гасителя пляски типа ОГК и КПП-2,-13 ООО ТПК ООО ТПК
Энергомаш (Украина, патент РФ № 2387063) , по слому и
удалению сосулек путем обеспечения многокаскадного
демпфирования гасителя пляски или с помощью демпфирующих
сдвиговых тросовых петель, закрепленных на стальном тросе,
преимущественно при импульсных многокаскадных ветровых
нагрузках, согласно изобретения № 154506 «Панель
противовзрывная»№№ 1143895, 1168755, 1174616, 2010136746,
165076
13

14.

За прототип берѐм устройство по удалению сосулек с крыши
здания с помощью, антиобледенительного маятникового
гасителя пляски типа ОГК и КПП-2,-13 ООО ТПК ООО ТПК
Энергомаш (Украина, патент РФ № 2387063) , по слому и
удалению сосулек путем обеспечения многокаскадного
демпфирования гасителя пляски или с помощью демпфирующих
сдвиговых тросовых петель, закрепленных на стальном тросе,
преимущественно при импульсных многокаскадных ветровых
нагрузках, согласно изобретения № 154506 «Панель
противовзрывная»№№ 1143895, 1168755, 1174616, 2010136746,
165076
Задача заявляемою устройства состоит в упрощении и
удешевлении конструкции при еѐ большем универсализме
применительно к разным элементам здания, например с помощью
демпфирующего стального троса с использованием
антиобледенительного маятникового гасителя пляски типа ОГК
и КПП-2,-13 ООО ТПК ООО ТПК Энергомаш (Украина, патент
РФ № 2387063) , по слому и удалению сосулек путем
14

15.

обеспечения многокаскадного демпфирования гасителя пляски
или с помощью демпфирующих сдвиговых тросовых петель,
закрепленных на стальном тросе, преимущественно при
импульсных многокаскадных ветровых нагрузках, согласно
изобретения № 154506 «Панель противовзрывная»№№ 1143895,
1168755, 1174616, 2010136746, 165076
15

16.

16

17.

17

18.

Рис. I. Схема устройства для удаления сосулек, с помощью
демпфирующего стального троса с использованием
антиобледенительного маятникового гасителя пляски типа ОГК
и КПП-2,-13 ООО ТПК ООО ТПК Энергомаш (Украина, патент
РФ № 2387063) , по слому и удалению сосулек путем
обеспечения многокаскадного демпфирования гасителя пляски
или с помощью демпфирующих сдвиговых тросовых петель,
закрепленных на стальном тросе, преимущественно при
импульсных многокаскадных ветровых нагрузках, согласно
изобретения № 154506 «Панель противовзрывная»№№ 1143895,
1168755, 1174616, 2010136746, 165076
18

19.

Устройство иллюстрируется на примере здания с двухскат ной
крышей на фронтальных стенах, которого крепятся с двух
сторон здания краевые пластинчатые держатели на уровне
карнизов крыши с профильными протяженными отверстиями,
с помощью демпфирующего стального троса с использованием
антиобледенительного маятникового гасителя пляски типа ОГК
и КПП-2,-13 ООО ТПК ООО ТПК Энергомаш (Украина, патент
РФ № 2387063) , по слому и удалению сосулек путем
обеспечения многокаскадного демпфирования гасителя пляски
или с помощью демпфирующих сдвиговых тросовых петель,
закрепленных на стальном тросе, преимущественно при
импульсных многокаскадных ветровых нагрузках, согласно
изобретения № 154506 «Панель противовзрывная»№№ 1143895,
1168755, 1174616, 2010136746, 165076
Часть троса в пределах карниза соединяется с вне- карнизной
частью с помощью связующего узла .
19

20.

Эффект легкого подрезания сосулек достигается, если сосульки
не толще 1 - 3 см, а такая толщина может создаться за один два дня оттепели, например. Специальных расчѐтов прочности
троса не проводим, т.к. он выдерживают нагрузки в сотни кГ. И
здесь главное - не упустить время для слома сосулек, иначе
разрушение сосулек по всей крыше может быть затруднено и
способ перестаѐт работать.
Отдельно для водостока возможно построение тросовой
системы вокруг во- лостока со спуском шнура у водостока.
20

21.

21

22.

22

23.

Рис. 2. Конструкция и способ крепления, с помощью
демпфирующего стального троса с использованием
антиобледенительного маятникового гасителя пляски типа ОГК
и КПП-2,-13 ООО ТПК ООО ТПК Энергомаш (Украина, патент
РФ № 2387063) , по слому и удалению сосулек путем
обеспечения многокаскадного демпфирования гасителя пляски
или с помощью демпфирующих сдвиговых тросовых петель,
закрепленных на стальном тросе, преимущественно при
импульсных многокаскадных ветровых нагрузках, согласно
изобретения № 154506 «Панель противовзрывная»№№ 1143895,
1168755, 1174616, 2010136746, 165076
23

24.

Рис. 3. Насадки к воронке
Предлагаемое устройство для удаления сосулек пригодно не
только для крыш, но для балконов, веранд и др. выступов дома.
24

25.

В этом случае профильные держатели крепятся к боковым
сторонам нижней плиты балкона с двух его сторон, а два конца
троса от пластинчатых держателей рабочего троса,
соединяются в узловой элемент, движение которого через блок
управляется круговым тросом, выведенным в форточку и
перемещать трос, ломая сосульки.
25

26.

Рис. 4. Ограничение гололедообразования с помощью
демпфирующего стального троса с использованием
антиобледенительного маятникового гасителя пляски типа ОГК
и КПП-2,-13 ООО ТПК ООО ТПК Энергомаш (Украина, патент
РФ № 2387063) , по слому и удалению сосулек путем
обеспечения многокаскадного демпфирования гасителя пляски
или с помощью демпфирующих сдвиговых тросовых петель,
закрепленных на стальном тросе, преимущественно при
импульсных многокаскадных ветровых нагрузках, согласно
26

27.

изобретения № 154506 «Панель противовзрывная»№№ 1143895,
1168755, 1174616, 2010136746, 165076
Предлагаемое устройство относится к инженерному
оборудованию зданий, а точнее к оборудованию скатных крыш для
удаления сосулек, представляющих угрозу для пешеходов,
обрушением этих сосулек с карниза крыши.
Вызывает вопрос изготовления конструкции на крупных зданиях,
которых немало в С.-Петербурге, с необходимостью создания и
монтажа крупногабаритного режущего элемента, с помощью
демпфирующего стального троса с использованием
антиобледенительного маятникового гасителя пляски типа ОГК
и КПП-2,-13 ООО ТПК ООО ТПК Энергомаш (Украина, патент
РФ № 2387063) , по слому и удалению сосулек путем
обеспечения многокаскадного демпфирования гасителя пляски
или с помощью демпфирующих сдвиговых тросовых петель,
27

28.

закрепленных на стальном тросе, преимущественно при
импульсных многокаскадных ветровых нагрузках, согласно
изобретения № 154506 «Панель противовзрывная»№№ 1143895,
1168755, 1174616, 2010136746, 165076
.
Задача состоит в упрощении и удешевлении конструкции при
еѐ большем универсализме применительно к разным элементам
здания.
Поставленная задача решается за счѐт того, что в качестве
ломающего элемента используется единая ячеистая протяж
ѐнная структура, выполненная из гибкого материала во всю длину
карниза, а по ширине эта структура с одной стороны крепится к
кромке крыши, выступая за эту кромку с помощью крепѐжных
держателей, а с другой стороны крепится дискретно с
интервалами, превышающими шаг ячеек к тросу, являющимся
тягой для ломающего ячеистого элемента и закреплѐнного под
карнизом посредством крепѐжных держателей, при этом трос
может смещать всю ячеистую структуру и ломать вросшие в
него сосульки.
Устройство представляет собой ограничитель
гололедообразования с помощью демпфирующего стального
троса с использованием антиобледенительного маятникового
гасителя пляски типа ОГК и КПП-2,-13 ООО ТПК ООО ТПК
Энергомаш (Украина, патент РФ № 2387063) , по слому и
удалению сосулек путем обеспечения многокаскадного
демпфирования гасителя пляски или с помощью демпфирующих
сдвиговых тросовых петель, закрепленных на стальном тросе,
преимущественно при импульсных многокаскадных ветровых
нагрузках, согласно изобретения № 154506 «Панель
противовзрывная»№№ 1143895, 1168755, 1174616, 2010136746,
165076
Цепочка может охватывать не один скат крыши, а даже два или
три при соответствующем видоизменении конструкции на углах.
28

29.

Наконец, на рисунках , показаны два направления
демпфирующего троса вниз к земле, и вверх, которые показывают
возможности управления тянущим тросом с земли или с крыши.
Сосульки с карниза удаляются натяжением и движением троса
или цепочки , которая сдвигает ячеистую структуру и ломает
вросшие в сетку или цепочку сосульки
При необходимости трос может натягиваться неоднократным
натяжением и отпуском, что позволяет удалить возможное
обледенение троса и всей структуры карниза, крыши.
Ключевые слова — воздушные линии; вибрация; пляска;
гололѐдообразование; защита скатных крыш; экономическая
эффективность ограничителей гололедообразования
Скатные крыши , нередко подвержены ветровым воздействиям,
в результате которых образуется гололедообразование.
Указанные явления в значительной степени снижают срок
службы скатных кровель .
Для ограничения гололедообразования на скатных крышах, для
защиты от негативных воздействий применяется арсенал
различных средств, каждое из которых, как правило, призвано
защищать только от одного из описанных явлений, например .
ограничение гололедообразования на скатных крышах с помощью
демпфирующего стального троса с использованием
антиобледенительного маятникового гасителя пляски, по слому и
удалению сосулек путем обеспечения многокаскадного
демпфирования гасителя пляски или с помощью демпфирующих
сдвиговых тросовых петель, закрепленных на стальном тросе,
преимущественно при импульсных многокаскадных ветровых
нагрузках,
29

30.

Опыт эксплуатации скатных крыш убедительно показывает, что
данное обстоятельство значительно усложняет защиту кровли
от ограничения гололедообразования на скатных крышах с
помощью демпфирующего стального троса с использованием
антиобледенительного маятникового гасителя пляски, по слому и
удалению сосулек путем обеспечения многокаскадного
демпфирования гасителя пляски или с помощью демпфирующих
сдвиговых тросовых петель, закрепленных на стальном тросе,
преимущественно при импульсных многокаскадных ветровых
нагрузках.
A. Состояние вопроса
Организация «Сейсмофонд» при СПб ГАСУ имеет
двадцатипятилетний опыт по разработке расчетных методик,
созданию современных высокоэффективных конструкций для
защиты скатных крыш от гололедообразования
30

31.

31

32.

Рис. 1. Демпфирующая петля , гаситель вибрации
многочастотный виброизоляторов для ограничения
гололедообразования на скатных крышах с помощью
демпфирующего стального троса с использованием
антиобледенительного маятникового гасителя пляски, по слому и
удалению сосулек путем обеспечения многокаскадного
демпфирования гасителя пляски или с помощью демпфирующих
32

33.

сдвиговых тросовых петель, закрепленных на стальном тросе,
преимущественно при импульсных многокаскадных ветровых
нагрузках,
Рис. 2. Гаситель пляски и ограничитель гололѐдообразования –
виброизолятор и демпфирующая тросовая петля для ограничение
33

34.

гололедообразования на скатных крышах с помощью
демпфирующего стального троса с использованием
антиобледенительного маятникового гасителя пляски, по слому и
удалению сосулек путем обеспечения многокаскадного
демпфирования гасителя пляски или с помощью демпфирующих
сдвиговых тросовых петель, закрепленных на стальном тросе,
преимущественно при импульсных многокаскадных ветровых
нагрузках,
С учетом сказанного становится актуальной задача по
разработке относительно недорогого устройства, совмещающего
в себе функционал сразу нескольких защитных методов от
гололедообразования .
Имеется конструкция демпфирующего гасителя, с использованием
антиобледенительного маятникового гасителя пляски, по слому и
удалению сосулек путем обеспечения многокаскадного
демпфирования гасителя пляски или с помощью демпфирующих
сдвиговых тросовых петель, закрепленных на стальном тросе,
преимущественно при импульсных многокаскадных ветровых
нагрузках,
На основании поставленной задачи разработан универсальный
гаситель ветровых колебаний – виброизолятор организации
«Сейсмофонд» который заменяет собой сразу все три
устройства для защиты скатных крыш , а именно: с помощью
гасителя вибрации, гасителя пляски и ограничителя
гололѐдообразования на скатных крышах.
34

35.

35

36.

Внешний вид виброизоляторв с демпфирующей петлей
представлен на Рис. 3, для ограничение гололедообразования на
скатных крышах с помощью демпфирующего стального троса с
использованием антиобледенительного маятникового гасителя
пляски, по слому и удалению сосулек путем обеспечения
многокаскадного демпфирования гасителя пляски или с помощью
демпфирующих сдвиговых тросовых петель, закрепленных на
стальном тросе, преимущественно при импульсных
многокаскадных ветровых нагрузках,
Конструкция состоит из силовой пряди 1, выполненной из
нескольких спиральных элементов, соединенных между собой с
помощью клеевой композиции. Согнутая в нескольких местах
прядь образует плоскую разомкнутую рамку в форме меандра.
Средней частью силовая прядь навита на демпферном тросе 2 с
грузами 3 и 4 (Рис. 3). Верхними изогнутыми концами прядь
крепится на проводе, грозотросе или самонесущем оптическом
кабеле.
В результате получается замкнутая жесткая конструкция.
36

37.

Спирали силовой пряди изготовлены из стальной проволоки с
защитным антикоррозионным покрытием. Демпферный трос
вместе с грузами, по сути, образует встроенный гаситель
вибрации. Плечи и грузы такого гасителя могут быть как
одинаковыми (длина, масса), так и различными.
В случае значительной разницы между наружными диаметрами
защищемого провода и демпферного троса 2 на последний
навивается протектор из стальных спиралей в виде
выравнивающего повива 5.
Длина гасителя в зависимости от назначения может
варьироваться от 0,4 м до 0,8 м, а масса - 2,0...8,0 кг.
Виброизолятор выпускаются для всех известных типов проводов,
грозотросов и оптических кабелей с диапазоном диаметров 8-37,5
мм.
III. ГАШЕНИЕ ВИБРАЦИИ для гололедообразования на скатных
крышах с помощью демпфирующего стального троса с
использованием антиобледенительного маятникового гасителя
пляски, по слому и удалению сосулек путем обеспечения
многокаскадного демпфирования гасителя пляски или с помощью
демпфирующих сдвиговых тросовых петель, закрепленных на
стальном тросе, преимущественно при импульсных
многокаскадных ветровых нагрузках,
Одним из назначений виброизоляторов, является гашение
вибрации. Эту функцию выполняет встроенный гаситель
вибрации, представляющий собой демпферный трос с
закреплѐнными по концам грузами (см. рис.5) и ограничение
гололедообразования на скатных крышах с помощью
демпфирующего стального троса с использованием
антиобледенительного маятникового гасителя пляски, по слому и
37

38.

удалению сосулек путем обеспечения многокаскадного
демпфирования гасителя пляски или с помощью демпфирующих
сдвиговых тросовых петель, закрепленных на стальном тросе,
преимущественно при импульсных многокаскадных ветровых
нагрузках,
Как известно, вибрация проводов возникает при скоростях ветра
от 1 до 7 м/с - представляет собой колебания с относительно
малой амплитудой, не превышающей диаметра провода и высокой
частотой (3-150 Гц).
При длительном воздействии она часто приводит к усталостным
разрушениям элементов виброизоляции .
A. Динамическая модель виброизолятора и демпфирующей петли
Для расчѐта оптимальной конструкции виброизолятора в
работе использовалась математическая динамическая модель
38

39.

гасителя. В еѐ основу положены исходные положения указанные
ниже (Рис. 4).
• Демпферный трос - упругая инерционная балка с различной
изгибной жесткостью и погонной массой, что позволяет учесть
спирали рамки и возможное использование протекторов;
• Диссипация в тросе учитывается на основе модели
частотнонезависимого
трения (метода комплексных
жесткостей ).
• Грузы моделируются твердыми телами с заданными массами,
моментами инерции и расстояниями между центрами масс и
точками соединения с тросом.
• Рамка характеризуется жесткостью вертикальных сторон на
растяжение.
Диссипация энергии гасителем, согласно принятой модели,
происходит в результате работы изгибающего момента на
изменениях кривизны троса, то есть силовым фактором является
момент, а обобщенной скоростью - скорость изменения кривизны.
В результате расчѐтов, мощность диссипации равна:
Изгибная жесткость троса и спиралей крепления к проводу
может быть выражена через минимальную изгибную жесткость
39

40.

Для конкретного примера расчета возьмем следующие
параметры гасителя для скатных крыш :
В результате расчета получена спектральная характеристика
для гасителя, который может быть использован для защиты
40

41.

проводов, диаметром свыше 20 мм, частотный диапазон вибрации
которых ограничен 3... 60 Гц (Рис. 5). Стоит иметь в виду, что
такая модель не учитывает дополнительное рассеяние,
обусловленное участием в процессе спиральной рамы гасителя.
B. Конструктивные особенности демпфирующей петли и
виброизолторов для ограничения гололедообразования на скатных
крышах с помощью демпфирующего стального троса с
использованием антиобледенительного маятникового гасителя
пляски, по слому и удалению сосулек путем обеспечения
многокаскадного демпфирования гасителя пляски или с помощью
демпфирующих сдвиговых тросовых петель, закрепленных на
стальном тросе, преимущественно при импульсных
многокаскадных ветровых нагрузках,
Конструкция гасителя вибрации имеет ряд принципиальных
особенностей , которые способностью разработки организации
«Сейсмофонд» представлены изготовленного демпферного
гасителя Ограничение гололедообразования на скатных крышах с
помощью демпфирующего стального троса с использованием
антиобледенительного маятникового гасителя пляски, по слому и
удалению сосулек путем обеспечения многокаскадного
демпфирования гасителя пляски или с помощью демпфирующих
сдвиговых тросовых петель, закрепленных на стальном тросе,
преимущественно при импульсных многокаскадных ветровых
нагрузках,
В гасителе использован демпферный трос с высокой
к энергопоглощению собственной
41

42.

Рис. 6. Демпфирующей петли гистерезиса демпферных тросов. По
осям: Сила, приложенная к концу троса, усл. ед., Амплитуда
изгиба усл. ед.
Наличие удлиненного демпферного троса за счет его среднего
участка добавляет демпфирующие свойства гасителю. Способ
защемления демпферного троса силовой рамкой не препятствует
относительным перемещениям проволочных спиралей в тросе,
что приводит к появлению дополнительных демпфирующих
свойств - повышает эффективность гасителя. Рамка выполнена
42

43.

из спиралей и колеблется в процессе передачи энергии от провода является дополнительным элементом демпфирования
конструкции.
На рисунке 7 представлены спектральные характеристики двух
гасителей, снятые с помощью вибрационного стенда в
испытательной лаборатории организации «Сейсмофонд» при
СПб ГАСУ для скатных крыш
43

44.

Фиг 3
44

45.

Фиг 4
45

46.

Фиг 5
46

47.

47

48.

Фиг 6
48

49.

49

50.

50

51.

51

52.

Из демпфирующей петли и виброизоляторов (рис.7-10) для
ограничения гололедообразования на скатных крышах с помощью
52

53.

демпфирующего стального троса с использованием
антиобледенительного маятникового гасителя пляски, по слому и
удалению сосулек путем обеспечения многокаскадного
демпфирования гасителя пляски или с помощью демпфирующих
сдвиговых тросовых петель, закрепленных на стальном тросе,
преимущественно при импульсных многокаскадных ветровых
нагрузках для скатных крыш, следует, что гаситель имеет
значительное количество резонансных частот, равномерно
распределенных в рабочем частотном диапазоне.
Оптимальная гамма собственных частот гасителя формируется
за счет распределения масс по длине грузов, соотношений масс
грузов, длин рабочих элементов демпферного троса и габаритов
спиральной рамы, которые также способны влиять на
собственные моды гасителя.
Другим важным преимуществом данного гасителя по
отношению к типовым гасителям вибрации, использующих
плашечное крепление, является сниженные требования к месту
установки гасителя. При правильной установке гасителя с
плашечным креплением существует необходимость выбирать
точку крепления так, чтобы не попасть в узел одной из
колебательных мод пролета, так как в таком случае гаситель не
сможет эффективно рассеивать энергию колебаний пролета.
На Рис. 8 пунктиром показаны возможные варианты установки
гасителя с плашечным креплением, а красным кружком - моды, на
которых гаситель неработоспособен для скатных крыш.
В конструкции демпфирующего гасителя полностью
отсутствуют резьбовые крепления. Монтаж гасителя на провод
производится вручную без применения гаечных или иных ключей.
При монтаже не требуется высокой квалификации линейного
персонала, качество монтажа проверяется визуально, ввиду чего
53

54.

исключается возможность ошибки в процессе установки.
Чтобы рекомендации по выбору конструктивных параметров
виброизоляторов и демпфирующей тросовой петли (массы груза и
плеча) сделать по возможности универсальными, целесообразно
выразить конструктивные параметры провода, влияющие на
частоты колебаний, через какой-либо стандартизованный
параметр. Анализ характеристик проводов, приведенных в ГОСТ
839-80 [6]. «Провода неизолированные для воздушных линий
электропередачи. Технические условия», показал, что таким
параметром может быть предельное разрывное усилие (R).
При гололедообразовании изменяется погонная масса провода и
соответственно тяжение. Оценим влияние гололеда на частоту
вертикальных колебаний, исходя из уравнения равновесия провода
и соотношения упругости:
IV. ГАШЕНИЕ ПЛЯСКИ, на скатных крышах с помощью
демпфирующего стального троса с использованием
антиобледенительного маятникового гасителя пляски, по слому и
удалению сосулек путем обеспечения многокаскадного
демпфирования гасителя пляски или с помощью демпфирующих
сдвиговых тросовых петель, закрепленных на стальном тросе,
преимущественно при импульсных многокаскадных ветровых
нагрузках,
Пляска проводов относится к низкочастотным колебаниям
порядка 0,1-1 Гц с амплитудой 0,1-1 от стрелы провисания
провода, обусловлена взаимодействием вертикальных и
крутильных колебаний провода в результате ветрового
воздействия при скоростях 4-20 м/с.
При наличии гололѐдных отложений центр масс
сечения провода смещается, и при вертикальных колебаниях
возникает сила инерции, вектор которой смещен относительно
оси провода. Эта сила создает крутящий момент,
54

55.

поддерживающий крутильные колебания.
Вертикальные и крутильные колебания взаимно поддерживают
друг друга и при скорости ветра, превышающей некоторое
критическое значение, могут развиться до значительных
амплитуд.
Одним из назначений ГВКУ является рассогласование частот
вертикальных и крутильных колебаний и исключение их близости
при обледенении провода.
Пусть погонная масса провода изменилась на Am. Уравнения (8)
перепишем относительно приращений стрелы провисания, массы
и тяжения:
Исключая с помощью второго равенства Af , найдем связь
приращения массы с приращением тяжения:
Второй сомножитель в правой части учитывает растяжимость
провода, без которой колебания провисающего провода по первому
тону невозможны. Таким образом, провод с гололедом имеет
изменившиеся параметры:
Таким образом, при проектировании гасителя для исключения
близости частот крутильных и вертикальных колебаний
необходимо выполнения условия присутствия демпфирования и
виброизоляцию для скатных крышах с помощью демпфирующего
стального троса с использованием антиобледенительного
маятникового гасителя пляски, по слому и удалению сосулек
путем обеспечения многокаскадного демпфирования гасителя
пляски или с помощью демпфирующих сдвиговых тросовых
петель, закрепленных на стальном тросе, преимущественно при
импульсных многокаскадных ветровых нагрузках,
При установке гасителя в пролѐте необходимо понимать, что
наиболее опасными формами колебаний при пляске является одно-,
55

56.

двух- и трѐх-полуволновая пляска. Эти формы наиболее опасны изза значительных бросков тяжения провода, способных не только
повредить сам провод, но и линейную арматуру, для скатных
крыш
В районах с отрицательной температурой остро стоит вопрос о
гололѐдных отложениях, образующихся на проводах для скатных
крыш, что приводит к увеличению погонной массы
пролета, вызывает существенное повышение нагрузки на
демпфирующий трос
С отложением гололеда, меняется внешний диаметр провода,
что в свою очередь изменяет его амплитудно- частотные
характеристики, на которые схема виброзащиты не рассчитана.
Это приведет к интенсификации ветрового воздействия на
провод и разрушению элементов подвески, либо самого провода.
И, наконец, из-за образования гололеда повышается вероятность
возникновения пляски. Отмеченные обстоятельства вызывают
необходимость ограничивать объемы гололедных отложений на
проводах.
Принцип действия виброизоляторов в качестве ограничителя
гололедообразования основан на фиксировании углового положения
защищаемого провода за счет увеличенного момента инерции
провода в точках крепления гасителя.
Гололед, как правило, образуется с наветренной стороны
провода, затем за счет появившегося эксцентриситета провод
проворачивается вокруг своей оси, фактически подставляя
гололеду другой бок. Таким образом, провод равномерно
покрывается гололедом, который прочно держится на проводе.
При использовании виброизоляторов в качестве защиты у
56

57.

провода ограничивается возможность проворачиваться, провод
стабилизируется и гололед намерзает лишь с наветренной
стороны. При таком намерзании погонная масса провода с
гололедом возрастает не так сильно, а кроме того в результате
намерзания увеличивается вероятность отрыва гололедных
отложений от провода за счет силы тяжести и
эксцентриситета, создаваемого самим же односторонним
гололедом.
При появлении наледи с наветренной стороны возникает
вращательная неуравновешенность провода и закручивание на угол
Наличие гасителя создает стабилизирующий момент
Условие (20) необходимо учитывать при проектировке
гасителя. Выбор массы груза и плеча виброизолятора должны
ограничивать угол закрутки провода при гололеде (< 90°).
VI. ЗАКЛЮЧЕНИЕ по ограничению гололедообразования и
устройство для предотвращения образования наледей и сосулек
на скатных крышах с помощью демпфирующего стального троса
с использованием антиобледенительного маятникового гасителя
пляски , по слому и удалению сосулек путем обеспечения
многокаскадного демпфирования гасителя пляски или с помощью
демпфирующих сдвиговых тросовых петель, закрепленных на
стальном тросе, преимущественно при импульсных
многокаскадных ветровых нагрузках
Разработанные устройство и методика могут быть
применены для защиты скатных крыш и ограничение
гололедообразования на скатных крышах с помощью
демпфирующего стального троса с использованием
антиобледенительного маятникового гасителя пляски, по слому и
удалению сосулек путем обеспечения многокаскадного
демпфирования гасителя пляски или с помощью демпфирующих
сдвиговых тросовых петель, закрепленных на стальном тросе,
57

58.

преимущественно при импульсных многокаскадных ветровых
нагрузках,
Демпфирующая петля и виброизоляторы является
многофункциональной конструкцией для демпфирования и
расстраивания колебаний, вызываемых ветровым воздействием,
таких как пляска и вибрация, а также в качестве ограничителя
гололедообразования и ограничения гололедообразования на
скатных крышах с помощью демпфирующего стального троса с
использованием антиобледенительного маятникового гасителя
пляски, по слому и удалению сосулек путем обеспечения
многокаскадного демпфирования гасителя пляски или с помощью
демпфирующих сдвиговых тросовых петель, закрепленных на
стальном тросе, преимущественно при импульсных
многокаскадных ветровых нагрузках,
Совмещая в себе одновременно несколько защитных устройств,
виброизоляторов позволяет существенно сократить расходы на
защиту от гололедообразования скатных крыш
Список литературы по ограничению гололедообразования и
устройство для предотвращения образования наледей и сосулек
на скатных крышах с помощью демпфирующего стального троса
с использованием антиобледенительного маятникового гасителя
пляски , по слому и удалению сосулек путем обеспечения
многокаскадного демпфирования гасителя пляски или с помощью
демпфирующих сдвиговых тросовых петель, закрепленных на
стальном тросе, преимущественно при импульсных
многокаскадных ветровых нагрузках
[1] Гаситель вибрации, патент на изобретение №2180765, Рыжов
С.В., Тищенко А.В., 2007 г.
[2] Гасители пляски спирального типа, четвертый
58

59.

международный электроэнергетический семинар «Современное
состояние вопросов эксплуатации, проектирования
строительства ВЛ», Колосов С. В., Рыжов С. В., Фельдштейн В.
А., 2009 г.
[3] ГОСТ 3063-80. «Канат одинарной свивки типа ТК конструкции
1x19(1+6+12)».
[4] Умные воздушные линии: проектирование и реконструкция,
«Эффективные решения защиты проводов и тросов как путь
экономии средств на этапах проектирования, строительства и
эксплуатации ВЛ», Санкт-Петербург, 2014г., Мельников А.А.
[5] ГОСТ 839-80 «Провода неизолированные для воздушных линий
электропередачи. Технические условия».
[6] Технический отчет «Применение торсионных гасителей на
основе спиральной арматуры для подавления пляски
проводов»,ЭССП.
Ограничение гололедообразования на скатных крышах с помощью
демпфирующего стального троса с использованием
антиобледенительного маятникового гасителя пляски, по слому и
удалению сосулек путем обеспечения многокаскадного
демпфирования гасителя пляски или с помощью демпфирующих
сдвиговых тросовых петель, закрепленных на стальном тросе,
преимущественно при импульсных многокаскадных ветровых
нагрузках и учитывая известную неопределенность
характеристик гололедных отложений, можно дать
приближенную оценку угла закручивания.
Масса гололеда на пролет, равная Am = т(Лт — 1), создает
крутящий момент наледи относительно оси провода. Этот
момент уравновешивается моментом силы тяжести гасителей.
Наиболее эффективно гасители стабилизируют провод при р <
90°, когда
Здесь являются неопределенными коэффициент утяжеления
провода и эксцентриситет. Для оценки примем, что первый из них
59

60.

равен 1,5, то есть погонная масса провода при гололеде
увеличилась на 50%, а эксцентриситет приблизительно равен
диаметру провода.
Тогда, пользуясь корреляционными зависимостями диаметра и
погонной массы от разрывного усилия, можно и надо
использовать, ограничители гололедообразования на скатных
крышах с помощью демпфирующего стального троса с
использованием антиобледенительного маятникового гасителя
пляски, по слому и удалению сосулек путем обеспечения
многокаскадного демпфирования гасителя пляски или с помощью
демпфирующих сдвиговых тросовых петель, закрепленных на
стальном тросе, преимущественно при импульсных
многокаскадных ветровых нагрузках,
[1] Ryzhov S. V., Tishchenko A. V. Gasitel' vibracii. patent na
izobretenie №2180765 [Vibration damper, patent of invention
#2180765], 2007.
[2] Kolosov S. V., Ryzhov S. V., Feldstein V. A. Gasiteli pljaski
spiral'nogo tipa, chetvertyj mezhdunarodnyj jelektrojenergeticheskij
seminar «Sovremennoe sostojanie voprosov jekspluatacii,
proektirovanija stroitel'stva VL» [Helical galloping dampers. 4th
International Electric Power Workshop «State of the Art in Operation,
Design and Construction of Overhead Lines»], 2009.
[3] GOST 3063-80. «Kanat odinarnoj svivki tipa TK konstrukcii
1*19(1+6+12)» [Single-Stranding Rope of TK Design 1x19(1+6+12)].
[4] Melnikov A.A. Umnye vozdushnye linii: proektirovanie i
rekonstrukcija, «Jeffektivnye reshenija zashhity provodov i trosov kak
put' jekonomii sredstv na jetapah proektirovanija, stroitel'stva i
jekspluatacii VL» [Smart air lines: Design and reconstruction,
«Efficient solutions for wire and cable protection as a way of cost
reduction at the stages of design, construction and operation of
overhead lines»], St. Petersburg, 2014.
[5] GOST 839-80 «Provoda neizolirovannye dlja vozdushnyh linij
jelektroperedachi. Tehnicheskie uslovija» [GOST 839-80 Bare
60

61.

Conductors for Overhead Power Lines. Specifications].
[6] Tehnicheskij otchet «Primenenie torsionnyh gasitelej na osnove
spiral'noj armatury dlja podavlenija pljaski provodov» [Technical data
report «Use of torsional vibration dampers employing helical fixture for
conductor galloping suppression»], ESSP JSC.
и устройство для предотвращения
образования наледей и сосулек на скатных крышах с помощью
демпфирующего стального троса с использованием
антиобледенительного маятникового гасителя пляски , по слому
и удалению сосулек путем обеспечения многокаскадного
демпфирования гасителя пляски или с помощью демпфирующих
сдвиговых тросовых петель, закрепленных на стальном тросе,
преимущественно при импульсных многокаскадных ветровых
нагрузках
Ограничитель гололедообразования
Реферат:
Изобретение может быть использовано в ограничении
гололедообразования на скатных кровлях , а именно в качестве
устройства для ограничения колебаний проводов (вибрации и пляски), а
также отложений на них гололеда на скатных крышах. Устройство
выполняется в виде упругого демпферного элемента (демпфирующей
петли или виброизолятора ), грузов, закрепляемых по концам этого
элемента, и зажима, которым устройство крепится к проводу и
посередине троса , в виде ограничителя гололедообразования , наледи и ссулек
на скатных кровлях, расположенной в месте крепления водостока , опор с самими
опорами
Ограничитель гололедообразования скатных крышах , расположенной в месте
крепления кабеля электрических опор с самими опорами выполнен в виде
виброизолтора или демпфирующей петли
Компоновкой и оптимальным выбором размеров стержней
достигается возможность подавления как низкочастотных колебаний,
так и высокочастотных колебаний проводов линии, а также
ограничения образования гололеда на проводах, за счет ограничителя
гололедообразования на скатных крышах расположенной в месте крепления кабеля
электрических опор с самими опорами
61

62.

Это позволяет достичь существенного снижения затрат
проектирование, монтаж и эксплуатации скатных крыш.
на
Изобретение относится к области ограничения гололедообразования
и устройство для предотвращения образования наледей и
сосулек на скатных крышах с помощью демпфирующего
стального троса с использованием антиобледенительного
маятникового гасителя пляски , по слому и удалению сосулек
путем обеспечения многокаскадного демпфирования гасителя
пляски или с помощью демпфирующих сдвиговых тросовых
петель, закрепленных на стальном тросе, преимущественно при
импульсных многокаскадных ветровых нагрузках, а более
конкретно к ограничителям гололедообразования на скатных крышах
.
Провода и грозозащитные тросы выполняют роль , о граничения
гололедообразования на скатных крышах с помощью
демпфирующего стального троса с использованием
антиобледенительного маятникового гасителя пляски, по слому и
удалению сосулек путем обеспечения многокаскадного
демпфирования гасителя пляски или с помощью демпфирующих
сдвиговых тросовых петель, закрепленных на стальном тросе,
преимущественно при импульсных многокаскадных ветровых
нагрузках, скатных крыш, которые подвержены одновременным
действиям различных видов статических и динамических нагрузок.
Статическое действие нагрузок соответствует состоянию провода и
других частей конструкций или узлов линий, когда они не испытывают
ускорения и в них не возникают добавочные динамические напряжения.
При наличии ускорений возникают колебания, которые в некоторых
случаях могут дать явления резонанса, связанные с резким увеличением
напряжений. Поэтому колебания проводов представляют наибольшую
опасность для элементов линий и могут в ряде случаев стать главным
фактором, определяющим их надежность. Разрушение проводов от
колебаний обусловлено усталостью материала и происходит при
нагрузках, значительно меньших, чем расчетные нагрузки, создаваемые
отложением гололеда или воздействием ветра. Однако, если опасность
воздействия динамических нагрузок в основном зависит от
продолжительности колебаний, а статических нагрузок от величины
62

63.

отложения гололеда (равномерного ветра), то совместное их действие
значительно увеличивает напряженное состояние проводов и еще более
ухудшает положение с их несущей способностью и надежностью.
Проведенные в последнее время теоретические и экспериментальные
исследования показали, что требуются комплексные технические
решения, обеспечивающие одновременное ограничение вибрации и пляски
проводов, а также отложение сверхрасчетного гололеда, что
позволило бы существенно повысить надежность и для устройство
для предотвращения образования наледей и сосулек на скатных
крышах с помощью демпфирующего стального троса с
использованием антиобледенительного маятникового гасителя
пляски , по слому и удалению сосулек путем обеспечения
многокаскадного демпфирования гасителя пляски или с помощью
демпфирующих сдвиговых тросовых петель, закрепленных на
стальном тросе, преимущественно при импульсных
многокаскадных ветровых нагрузках и снизить затраты по их
монтажу и эксплуатации на два-три порядка.
Известен гаситель вибрации для проводов воздушной линии
электропередачи, содержащий выполненный в виде проволочного
стального троса упругий демпферный элемент, жестко закрепленные
на некотором расстоянии от подвески гасителя на концах упругого
демпферного элемента литые грузы и выполненный в виде захвата и
плашки зажим, причем зажим закреплен на средней части упругого
демпферного элемента, а захват крепится на проводе при помощи
плашки и крепежного болта .
Такой гаситель достаточно эффективен при гашении эоловых
вибраций в диапазоне частот от 5 до 100 Гц, где он имеет все
необходимые собственные частоты, хотя для того, чтобы перекрыть
весь этот частотный диапазон для множества линейных объектов
требуется варьировать длину упругого демпферного элемента и массы
распределения грузов по длине, что приводит к возрастанию
номенклатуры выпуска гасителей, используемых на воздушных линиях
электропередачи различного класса напряжений.
Но главный недостаток этого гасителя вибрации состоит в том,
что он не может эффективно работать как ограничитель
63

64.

гололедообразования, так и гасителя пляски. Для ограничения величины
гололеда проводу необходимо увеличивать жесткость на кручение,
которую можно достигнуть, устанавливая под проводом груз на
достаточно длинной консоли. Возникающий реактивный крутящий
момент от такого груза будет препятствовать закручиванию провода
при отложении на нем гололеда. Это вызовет образование гололеда
вытянутой формы, более облегченного, вместо цилиндрического, более
тяжелого (в 2-3 раза).
Подавление низкочастотных колебаний (пляски) можно осуществить
за счет расстройства крутильных колебаний, которые управляют
этим процессом. Наиболее приемлемыми устройствами для этих целей
являются маятниковые гасители пляски на удлиненной консоли,
которые удобно вписываются в устройство гасителя вибрации за счет
развития его геометрических размеров в вертикальной плоскости.
Наиболее близким техническим решением по отношению к
предложенному является ограничитель гололедообразования и
колебаний проводов и ограничения гололедообразования и
устройство для предотвращения образования наледей и сосулек
на скатных крышах с помощью демпфирующего стального троса
с использованием антиобледенительного маятникового гасителя
пляски , по слому и удалению сосулек путем обеспечения
многокаскадного демпфирования гасителя пляски или с помощью
демпфирующих сдвиговых тросовых петель, закрепленных на
стальном тросе, преимущественно при импульсных
многокаскадных ветровых нагрузках, , содержащий упругий
демпферный элемент, разные демпфирующие петли и виброизоляторы ,
который расположены в месте крепления троса к самими опорам, жестко
закрепленных по концам упругого демпферного элемента, и зажим,
предназначенный для подвески на проводе, закрепленный одним концом
посередине упругого демпферного элемента, а другим подсоединенный к
проводу линии .
Однако данное устройство имеет существенные недостатки:
- конструктивная компоновка грузов этого гасителя не позволяет
достичь их оптимальных размеров, чтобы обеспечить эффективное
гашение вибраций, а тем более низкочастотных колебаний большой
амплитуды типа пляски проводов;
64

65.

- кроме того, у данного гасителя не хватает длины рычага
прямолинейных участков стержней грузов (они практически сближены
с упругим демпферным элементом) для того, чтобы развить
максимальный крутящий момент, который бы стопорил нарастание
гололеда на проводе или при положительной температуре провода
приводил бы к его осыпанию;
Авторы ставили перед собой задачу разработать комплексное
устройство, позволяющее одновременно гасить вибрацию и ветровую
нагрузку , пляску проводов и ограничивать величину
гололедообразования до размеров, не превышающих расчетных
значений; массово применяемые в настоящее время защитные средства
против атмосферных воздействий основаны на индивидуальном подходе
к защите от каждого вида атмосферного воздействия. Поставленная
авторами задача достигается за счет совокупности существенных
признаков предложенного технического решения, а именно:
ограничитель гололедообразования и колебаний проводов для
предотвращения образования наледей и сосулек на скатных
крышах с помощью демпфирующего стального троса с
использованием антиобледенительного маятникового гасителя
пляски , по слому и удалению сосулек путем обеспечения
многокаскадного демпфирования гасителя пляски или с помощью
демпфирующих сдвиговых тросовых петель, закрепленных на
стальном тросе, преимущественно при импульсных
многокаскадных ветровых нагрузках , содержащий упругий
демпферный элемент, грузы, выполненные в виде демпфирующей петли
и виброизоляторов, жестко закрепленных по концам упругого
демпферного элемента, и зажим, предназначенный для подвески на
проводе, закрепленный одним концом посередине упругого демпферного
элемента, а другим подсоединенный к проводу линии; причем
прямолинейные отрезки изогнутых стержней, расположенные под
упругим демпферным элементом, выполнены такой длины, что их
концевые участки заходят друг за друга таким образом, что оба груза и
упругий демпферный петли или виброизоляторва
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1-21- общий
вид ограничителя гололедообразования и колебаний проводов для
предотвращения образования наледей и сосулек на скатных
65

66.

крышах с помощью демпфирующего стального троса с
использованием антиобледенительного маятникового гасителя
пляски , по слому и удалению сосулек путем обеспечения
многокаскадного демпфирования гасителя пляски или с помощью
демпфирующих сдвиговых тросовых петель, закрепленных на
стальном тросе, преимущественно при импульсных
многокаскадных ветровых нагрузках, выполненного согласно
настоящему изобретению, вид спереди перпендикулярно проводу; на
фиг.2 - то же, вид сбоку (вдоль провода) по стрелке А на фиг.1; на
фиг.3 - вариант предложенного устройства, выполненного по п.2
формулы изобретения.
Заявляемый ограничитель гололедообразования, колебаний и разрыва
от ветровой и ураганной нагрузки проводов 1 воздушных линий
электропередачи состоит из упругого демпферного элемента 2,
например стального проволочного троса, грузов 3, демпфирующего
зажима 4, захвата 5 зажима 4, плашки 6 зажима 4 и крепежного болта
7. Зажимом 4 ограничитель крепится к середине троса 2, а с помощью
демпфирующей петли и виброизоляторов 6, захвата 5 он
подвешивается к проводу 1 воздушной линии электропередачи и
крепится на нем посредством крепежного болта на фрикционноподвижных соединениях 7.
Для достижения оптимальности демпфирующих свойств
ограничителя линейные размеры его элементов рассчитываются и
выбираются в определенных соотношениях и пропорциях.
Предложенный ограничитель гололедообразования и колебаний
проводов 1 воздушных линий электропередачи работает следующим
образом.
На воздушных линиях электропередачи возникают две формы
колебаний проводов, обусловленных действием ветра и гололеда, высокочастотные (десятки Гц), но небольшой амплитуды порядка
диаметра провода и низкочастотные (до 2-х Гц) достаточно больших
амплитуд (пляска). Для эффективного демпфирования колебаний какимлибо устройством необходимо, чтобы его демпфирующая система
имела такую же или близкую собственную частоту колебаний.
Указанный принцип гашения колебаний достигается в предложенном
ограничителе за счет специальной конфигурации стержней грузов 3,
обеспечивающей работу устройства как в низкочастотном, так и в
66

67.

высокочастотном диапазонах колебаний и позволяющей достичь
увеличения энергии рассеивания и декремента затухания системы:
упругий демпферный элемент 2 - грузы 3. При этом за счет
существенного разнесения в вертикальной плоскости прямолинейных
отрезков 10 и 11 стержней 3 в заявленном ограничителе удается
значительно увеличить длину рычага от подвески до длинных
прямолинейных отрезков 11 и тем самым увеличить крутящий момент
системы, фиксирующий крутильные колебания и действующий также
противоположно крутящему моменту, обеспечивающему
одностороннее нарастание гололеда на проводе 1. В результате
гашение колебаний осуществляется на всех интересующих нас
частотах, охватывая как резонансные формы крутильных колебаний
провода, так и резонансные формы изгибных колебаний упругого
демпферного элемента 2. Меняя диаметр демпфирующей петли и длины
прямолинейных отрезков 11 стержней 3, а также и их вес (например,
дополнительным изгибом конца отрезка), можно охватить весь спектр
частотных колебаний, имеющих место на воздушных линиях
электропередачи (от вибрации до пляски).
Предложенный ограничитель гололедообразования и колебаний
проводов воздушных линий электропередачи представляет собой
демпфирующее устройство нового типа, решающее задачу снижения
колебаний комплексно, то есть позволяет одновременно гасить
вибрацию, пляску проводов и ограничить величину гололедообразования
до минимальных размеров. Настоящее техническое решение
эффективно в борьбе с пляской проводов и при гашении вибрационных
колебаний высокой частоты, что позволяет существенно снизить
затраты на проектирование, сооружение и эксплуатацию воздушных
линий электропередачи. В настоящее время предложенное устройство
успешно прошло испытания на испытательном стенде ―Сейсмофонд» и
рекомендовано к изготовлению; предполагается серийный выпуск таких
ограничителей гололедообразования и колебаний проводов воздушных
линий электропередачи и демпфирование при ветровой и ураганной
нагрузке исключающей разрыв линии электропередач
Источники информации
[1] Патент США №4,159,393, класс 174 - 42 (Н 02 G 7/14), 26.06.1979.
[2] Патент США №3,400,209, класс 174 - 42 (Н 02 G 7/14), 03.09.1968.
Формула изобретения
67

68.

1. Ограничитель гололедообразования и колебаний проводов для
ограничения гололедообразования и устройство для
предотвращения образования наледей и сосулек на скатных
крышах с помощью демпфирующего стального троса с
использованием антиобледенительного маятникового гасителя
пляски , по слому и удалению сосулек путем обеспечения
многокаскадного демпфирования гасителя пляски или с помощью
демпфирующих сдвиговых тросовых петель, закрепленных на
стальном тросе, преимущественно при импульсных
многокаскадных ветровых нагрузках, содержащий демпфирующею
пелю и вироизоляторы , выполненные в виде демпфирующей петли,
жестко закрепленных по концам упругого демпферного элемента, и
зажим, предназначенный для подвески на проводе, закрепленный одним
концом посередине упругого демпферного элемента, а другим
подсоединенный к проводу, жестко закрепленных по концам упругого
демпферного элемента, по которому происходит демпфирования линий
электропередачи при ветровой и ураганной нагрузки с демпфированием
воздушных линий в местах крепления кабеля с опорой
2. Ограничитель по п.1, отличающийся тем, что один из концов
кабеля линий электропередачи закреплении к демпфирующей петле или
виброизолятору имеет демпфирующие характеристики, по линии
нагрузки от ветра и направлены к упругому демпферному элементу.
3. Ограничитель по п.1, отличающийся тем, что на одном из концевых
участков отрезков демпфирующей петли или виброизолятора
закреплен к опоре или ограничение гололедообразования и
устройство для предотвращения образования наледей и сосулек
на скатных крышах с помощью демпфирующего стального троса
с использованием антиобледенительного маятникового гасителя
пляски , по слому и удалению сосулек путем обеспечения
многокаскадного демпфирования гасителя пляски или с помощью
демпфирующих сдвиговых тросовых петель, закрепленных на
стальном тросе, преимущественно при импульсных
многокаскадных ветровых нагрузках с демпфирующими элементами
68

69.

Фиг 1
69

70.

Фиг2
70

71.

Фиг 3
71

72.

72

73.

Фиг 4
73

74.

Фиг 5
74

75.

Фиг 6
Фиг 7
75

76.

Фиг 8
Фиг 9
76

77.

Фиг 10
Фиг 11
77

78.

Фиг 12
78

79.

Фиг 13
Фиг 14
79

80.

Фиг 15
Фиг 17
Фиг 18
80

81.

81

82.

Фиг 19
Фиг 20
82

83.

Фиг 21
83

84.

84

85.

85

86.

86

87.

87

88.

88

89.

89

90.

90

91.

91

92.

92

93.

93

94.

94

95.

95

96.

96

97.

Расчетный метод обоснования технологических мероприятий по
предотвращению образования ледяных дамб на крышах зданий
со скатной кровлей
К.т.н., доцент А.С. Горшков*; д.т.н., профессор Н.И. Ватин;
магистрант А.И. Урустимов,
ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный
политехнический университет;
к.ф.-м.н., профессор П.П. Рымкевич, ФВГОУ ВПО Военнокосмическая академия имени А.Ф. Можайского
Рисунок 1. Схема образования ледяной дамбы
Ключевые слова: энергоэффективность; уравнение теплового
баланса; холодный чердак; крыши зданий; наледи
Настоящая работа посвящена проблеме образования наледей
(сосулек) на крышах зданий и способам борьбы с ними. Особенно
сильно подвержены такому негативному явлению чердачные
крыши зданий со скатной кровлей. Данному вопросу и способам его
решения посвящен ряд российских [1-11] и иностранных
публикаций [12-20].
Следует отметить, что сосульки являются лишь видимой частью
обозначенной выше проблемы, которая заключается в образовании
на кровле так называемой ледяной плотины или дамбы (ice dam).
Ледяная дамба (рис. 1) в виде гребня льда обычно образуется на
кровле параллельно линии ее свеса, предотвращает сход тающего
снега с кровли. Ледяные дамбы в виде наледей могут
образовываться вокруг световых фонарей, вентиляционных
каналов, ендов, разжелобков.
Недостаточная теплоизоляция и отсутствие надлежащей
вентиляции чердачного помещения (а в конце зимы и солнечная
радиация) вызывают нагрев кровельного покрытия до плюсовой
температуры и расплавление снега выше дамбы, в то время как
температура на кровельном свесе остается ниже нуля. В этом
случае вода стекает по кровле и накапливается за гребнем дамбы.
Дальнейшие пути накопленной воды в рамках внутрисуточного
колебания наружной температуры - это наращивание тела
97

98.

ледяной дамбы, перелив или просачивание через дамбу с
формированием сосулек, просачивание сквозь кровельное покрытие
в виде протечек.
Целью настоящей работы является разработка научнотехнического обоснования технологических условий и инженерных
мероприятий, обеспечивающих защиту от образования наледей на
крышах зданий с неотапливаемым (так называемым «холодным»)
чердаком в периоды времени, характеризующиеся наиболее
низкими температурами наружного воздуха. Предлагаемая в
работе методика основана на составлении уравнения теплового
баланса чердачных помещений здания.
Схема
баланса
теплопотерь и
теплопоступлений чердачных помещений здания с холодным
чердаком и скатной кровлей представлена на рисунке 2.
Из представленной на рисунке 2 схемы теплового баланса
помещений холодного чердака видно, что теплопоступления в них
формируются за счет притока тепла через чердачное перекрытие
из помещений верхнегоэтажа
эксплуатируемого здания, а также за счет теплоотдачи
проложенных на чердаке трубопроводов системы
отопления. Теплопотери
складываются из утечек тепла через наружные ограждающие
конструкции чердака (стены и покрытие) и потерь за счет
вентиляции чердачных
помещений наружным
воздухом.
Рисунок 2. Схема баланса теплопоступлений и теплопотерь
холодных чердаков зданий
Аналитически представленную на рисунке 2 схему теплового
баланса чердачных помещений здания можно выразить
следующим уравнением:
98

99.

где tint - температура внутреннего воздуха в помещениях верхнего
этажа здания, принимаемая согласно требованиям ГОСТ 30494
[21] для жилых и общественных зданий, ГОСТ 12.1.005 [22] для
производственных зданий, °С, или определяемая инструментально
в процессе натурных измерений параметров микроклимата в
помещениях здания;
tgt - температура воздуха в помещениях холодного чердака здания,
°С;
А +, R+ - соответственно площадь, м2, и приведенное
сопротивление теплопередаче, м2 °С/Вт, i-го участка ограждения
между отапливаемыми в здании помещениями и помещениями
холодного чердака (чердачное перекрытие, стены вентканалов,
перегородки между чердачными помещениями и помещениями
лестничных маршей и др.);
qpj - линейная плотность теплового потока через поверхность
теплоизоляции, приходящаяся на 1 п.м. длины трубопровода j-го
диаметра с учетом теплопотерь через изолированные опоры,
фланцевые соединения и арматуру, Вт/м (для чердаков и подвалов
значения qpj в зависимости от условного диаметра трубопровода
и средней температуре теплоносителя приведены в табл. 12 СП
23-101 [23]); /pj - длина трубопровода j-го диаметра, м (для
эксплуатируемых зданий принимается по фактическим данным);
text - температура наружного воздуха, °С, принимаемая для
соответствующего населенного пункта по средней температуре
наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92 согласно
СНиП 23-01 [24];
А_ ,R_ - соответственно площадь, м2, и приведенное
сопротивление теплопередаче, м2°С/Вт, k-го участка наружных
ограждающих конструкций чердачных помещений (покрытие,
наружные стены, заполнения оконных проемов при наличии);
Vg - объем воздуха, заполняющего пространство холодного
чердака, м3; na - кратность воздухообмена в помещениях
холодного чердака, ч-1.
99

100.

Левая часть уравнения (1) показывает суммарное количество
тепловой энергии, поступающей в помещения холодного чердака,
правая часть - потери тепловой энергии через наружные
ограждающие конструкции, а также за счет вентиляции
чердачного пространства наружным воздухом.
(2)
Для предотвращения образования наледей на крышах зданий с
холодным чердаком в период наиболее низких температур
наружного воздуха необходимо, чтобы температура воздуха в
чердачных помещениях не более чем на 4 °С превышала
температуру наружного воздуха [25]. Разности температур в 2-4
°С в подавляющем большинстве случаев оказывается
недостаточно для разогрева нижнего слоя снежного покрова,
лежащего на кровельном покрытии. Аналитически данное условие
может быть выражено в следующем виде:
Климат Санкт-Петербурга в отопительный период
эксплуатации зданий характеризуется значительным разбросом
температур наружного воздуха. Для климатических условий
Санкт-Петербурга температура воздуха наиболее холодной
пятидневки с обеспеченностью 0,92 составляет -26 °С.
Выполнение условия (2) при температуре наружного воздуха -26
°С автоматически означает выполнение условия (2) при более
высоких температурах наружного воздуха (т.е. при
температурах text—-26 °С).
Из уравнения (1) можно рассчитать температуру воздуха на
холодном чердаке здания t
Все обозначения в формуле (3) те же, что и в формуле (1).
Анализ формул (1) и (3) позволяет сделать следующие
заключения. Для того чтобы уменьшить тепловой поток через
наружные ограждающие конструкции помещений холодного
чердака, необходимо
снизить температуру воздуха на чердаке. При заданных значениях
температур наружного (text) и
100

101.

внутреннего (tint ) воздуха, неизменных геометрических размерах
ограждающих конструкций холодного
чердака (А +, А _ , Vg) и постоянной длине трубопроводов систем
отопления и горячего водоснабжения (
/pj) снижение температуры воздуха в помещениях холодного
чердака обеспечивается уменьшением
теплопоступлений. Добиться уменьшения теплопоступлений в
помещения холодного чердака можно путем проведения
следующих инженерных мероприятий:
• утепления чердачного перекрытия (увеличением величины R+);
• теплоизоляции трубопроводов систем отопления и горячего
водоснабжения (уменьшением величины q pj );
• увеличения воздухообмена в чердачных помещениях (увеличением
численного значения na).
Перечисленные выше мероприятия по предотвращению
образования ледяных дамб и наледей (сосулек) на свесах кровли
достаточно хорошо известны. Преимущество предложенного
расчетного метода заключается, в частности, в точном
определении требуемых толщин утеплителя для изоляции
трубопроводов и утепления чердачных перекрытий.
Утепление чердачного перекрытия уменьшает приток тепла
из помещений верхнего эксплуатируемого этажа здания, изоляция
трубопроводов снижает их теплоотдачу. Тем самым
уменьшается количество поступающего на чердак тепла.
Соответственно, на чердаке снижается температура воздуха.
При определенной толщине слоя утеплителя, которую можно
рассчитать по уравнению теплового баланса, достигается такое
снижение температуры воздуха в чердачном
пространстве (tglt), при котором энергии теплового потока
становится недостаточно для разогрева
покрова снега, лежащего на кровельном покрытии здания. Если
снег на кровле не будет таять над помещениями чердака, значит,
не будут образовываться наледи на свесах кровельного покрытия.
101

102.

Следует отметить, что только при совокупном и
одновременном выполнении перечисленных выше мероприятий
можно достигнуть положительного результата. Утепление
только чердачного перекрытия без соответствующей изоляции
трубопроводов может привести к размораживанию системы
отопления, проложенной на чердаке.
Помимо решения проблемы образования наледей на крышах
зданий с холодным чердаком, перечисленный выше комплекс
мероприятий приводит к уменьшению потерь тепловой энергии на
отопление, к улучшению параметров микроклимата в
эксплуатируемых помещениях верхних этажей.
Для реализации перечисленных мероприятий могут быть
использованы любые материалы и технологии, обеспечивающие
необходимый уровень теплоизоляции для конкретного здания и
удовлетворяющие действующим на территории Российской
Федерации противопожарным и санитарно- гигиеническим
требованиям.
Анализ формулы (3) приводит также к другому
немаловажному выводу. При увеличении сопротивления
теплопередаче наружных ограждающих конструкций холодного
чердака (Rk), например,
кровельного покрытия, температура воздуха в чердачных
помещениях (tgnt) возрастает.
Это автоматически приводит к нарушению условия (2). Тем
самым создаются условия для образования наледи на кровельном
покрытии. Слой снега определенной толщины на кровельном
покрытии
увеличивает его сопротивление теплопередаче R-, т.е. является
противовесом для описанных ранее мероприятий по
предотвращению образования наледей на крышах зданий. Это, в
частности, означает, что одним из условий предотвращения
образования наледей на крышах является периодическая уборка
снега с кровельных покрытий зданий с холодным чердаком. Т.е.
убирать снег с кровельных покрытий зданий в любом случае
102

103.

необходимо, даже при совокупной реализации предлагаемых выше
мероприятий.
Наличие наледей на крышах зданий после их механического
удаления в процессе уборки и сброса снега с крыш часто приводит
к протечкам кровельного покрытия, которое повреждается в
результате ударных воздействий острых металлических
предметов. Таким образом, отсутствие наледей на крышах
обеспечивает, в том числе, лучшую сохранность кровельного
покрытия после уборки и сброса снега, увеличивает
эксплуатационный срок службы покрытия, уменьшает
вероятность образования протечек.
Литература
1. Гусев Н. И., Кубасов Е. А. Конструктивные решения по
предотвращению образования наледи на крышах // Региональная
архитектура и строительство. 2011. №1. С. 100-107.
2. Гусев Н. И., Кубасов Е. А., Кочеткова М. В. Средства для
удаления наледи с крыш // Региональная архитектура и
строительство. 2011. №2. С. 104-108.
3. Петров К. В., Золотарева Е. А., Володин В. В., Ватин Н. И.,
Жмарин Е. Н. Реконструкция крыш Санкт- Петербурга на основе
легких стальных тонкостенных конструкций и
антиобледенительной системы // Инженерно-строительный
журнал. 2010. №2. С. 59-64.
5. Гурьянова О. Н. Энергосберегающая технология борьбы с
сосульками // Горный информационно- аналитический бюллетень
(научно-технический журнал) Mining information and analytical
bulletin (scientific and technical journal). 2007. №12. С. 213-215.
6. Бугаев А. С., Лапшин В. Б., Палей А. А. Почему возникла
проблема сосулек? // Водоочистка. Водоподготовка.
Водоснабжение. 2010. № 3. С. 14-25.
7. Васин А. П. Тепловизионное обследование зданий и анализ причин
образования наледей // Вестник гражданских инженеров. 2011. №
2. С. 92-98.
8. Лукинский О. А. Проблемы скатных кровель // Жилищное
строительство. 2008. № 2. С. 46-47.
103

104.

9. Москвитин В. А. Устройство теплоизоляции чердачных
перекрытий монолитной укладки из композиционного материала
«ПОРОПЛАСТ CF 02» // Промышленное и гражданское
строительство. 2006. № 6. С. 53-54.
10. Порывай Г. А. Техническая эксплуатация зданий. М.:
Стройиздат, 1974. 254 с.
11. Сокова С. Д. Основы создания методики оценки состояния и
прогнозирования долговечности кровель в условиях эксплуатации //
Academia. Архитектура и строительство. 2009. № 5. С. 542-544.
12. Tobiasson W., Buska J., Greatorex A. Вентиляция чердаков для
ликвидации сосулек на карнизах кровли // АВОК: Вентиляция,
отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и
строительная теплофизика. 2011. № 3. С. 20-25.
13. Antonio Colantonio. Thermal Performance Patterns on Solid
Masonry Exterior Walls of Historic Buildings // Journal of Building
Physics. 1997. Vol. 21, 2. Pp. 185-201.
14. Jokisalo Juha, Kurnitski Jarek, Korpi Minna, Kalamees Targo,
Vinha Juha. Building leakage, infiltration and energy performance
analyses for Finnish detached houses // Building and Environment.
2009. Vol. 44, Iss. 2. Pp. 377-387.
15. Dyrbol S., Svendsen S., Elmroth A. Experimental Investigation of the
Effect of Natural Convection on Heat Transfer in Mineral Wool //
Journal of Thermal Envelope and Building Science. 2002. Vol. 26(2).
Pp. 153-164.
16. Haese P. M., Teubner M. D. Heat exchange in an attic space //
International Journal of Heat and Mass Transfer. 2002. Vol. 45, Iss. 25.
Pp. 4925-4936.
17. Paula Wahlgren. Overview and Literature Survey of Natural and
Forced Convection in Attic Insulation // Journal of Building Physics.
2007. Vol. 30, 4. Pp. 351-370.
18. Paula Wahlgren. Measurements and Simulations of Natural and
Forced Convection in Loose-Fill Attic Insulation // Journal of Building
Physics. 2002. Vol. 26. Pp. 93-109.
19. Peter Blom. Venting of Attics and Pitched, Insulated Roofs //
Journal of Building Physics. 2001. Vol. 25, 1. Pp. 32-50.
104

105.

20. Shimin Wang, Zhigang Shen, Linxia Gu. Numerical simulation of
buoyancy-driven turbulent ventilation in attic space under winter
conditions // Energy and Buildings. 2012. Vol. 47. Pp. 360-368.
21. ГОСТ 30494-96. Здания жилые и общественные. Параметры
микроклимата в помещениях.
22. ГОСТ 12.1.005-882. ССБТ. Общие санитарно-гигиенические
требования к воздуху рабочей зоны.
23. СП 23-101-2004. Проектирование тепловой защиты зданий.
24. СНиП 23-01-99*. Строительная климатология.
25. Правила и нормы технической эксплуатации жилищного фонда
/ Минюст РФ. 2003. Pегистрационный №5176).
doi: 10.5862/MCE.29.9
Computational justification for engineering measures preventing the ice
dams formation on the pitched roofs
A.S. Gorshkov,
Saint-Petersburg State Polytechnical University, Saint-Petersburg,
Russia
N.I. Vatin,
Saint-Petersburg State Polytechnical University, Saint-Petersburg,
Russia
A.I. Urustimov,
Saint-Petersburg State Polytechnical University, Saint-Petersburg,
Russia
P.P. Rymkevich, Military Space Academy named after AF Mozhaisky
+7(921) 388-43-15; e-mail: [email protected]
Key words
energy efficiency; heat balance equation; cold attic; roof covering;
icicle
Abstract
The following article deals with the problem of icicles formation on
the roofs and the elimination methods. The attic roofs with pitched
roofing are highly susceptible to this negative phenomenon.
This research regards the generation of heat balance equation for
cold attics. Using this equation, the engineering and technical
105

106.

substantiation for the list of measures preventing ice mounds formation
in the roofs during the period with lowest outside temperature is made.
With no ice mound the roofing remains perfectly safe after snow
removal, its working lifespan extends and the leakages probability
decreases.
References
1. Gusev N. I., Kubasov Ye. A. Regionalnaya arkhitektura i stroitelstvo
[Regional architecture and engineering]. 2011. No. 1. Pp. 100-107.
(rus)
2. Gusev N. I., Kubasov Ye. A., Kochetkova M. V. Regionalnaya
arkhitektura i stroitelstvo [Regional architecture and engineering].
2011. No. 2. Pp. 104-108. (rus)
3. Petrov K. V., Zolotareva Ye. A., Volodin V. V., Vatin N. I., Zhmarin
Ye. N. Magazine of civil engineering. 2010. No. 2. Pp. 59-64. (rus)
4. Druzhinin P. V., Barash A. L, Savchuk A. D. Yurchik Ye. Yu.
Tekhniko-tekhnologicheskiye problemy servisa [Technical and
technological service problems]. 2007. Vol. 4. No. 14. Pp. 6-13. (rus)
5. Guryanova O. N. Mining information and analytical bulletin
(scientific and technical journal). 2007. No. 12. Pp. 213-215. (rus)
6. Bugayev A. S., Lapshin V. B., Paley A. A. Vodoochistka.
Vodopodgotovka. Vodosnabzheniye [Water purification. Water
treatment. Water supply]. 2010. No. 3. Pp. 14-25. (rus)
7. Vasin A. P. Vestnik grazhdanskikh inzhenerov [Bulletin of civil
engineers]. 2011. No. 2. Pp. 92-98. (rus)
8. Lukinskiy O. A. Zhilishchnoye stroitelstvo [House building]. 2008.
No. 2. Pp. 46-47. (rus)
9. Moskvitin V. A. Promyshlennoye i grazhdanskoye stroitelstvo
[Industrial and civil building]. 2006. No. 6. Pp. 53-54. (rus)
10. Poryvay G. A. Tekhnicheskaya ekspluatatsiya zdaniy [Technical
operation of buildings]. Moscow: Stroyizdat, 1974. 254 p. (rus)
11. Sokova S. D. Academia. Arkhitektura i stroitelstvo [Academy.
Architecture and building]. 2009. No. 5. Pp. 542-544. (rus)
12. Tobiasson W., Buska J., Greatorex A. Ventilyatsiya cherdakov dlya
likvidatsii sosulek na karnizakh krovli. AVOK: Ventilyatsiya, otopleniye,
106

107.

konditsionirovaniye vozdukha, teplosnabzheniye i stroitelnaya
teplofizika. 2011. No. 3. Pp. 20-25.
13. Antonio Colantonio. Thermal Performance Patterns on Solid
Masonry Exterior Walls of Historic Buildings. Journal of Building
Physics. 1997. Vol. 21, 2. Pp. 185-201.
14. Jokisalo Juha, Kurnitski Jarek, Korpi Minna, Kalamees Targo,
Vinha Juha. Building leakage, infiltration and energy performance
analyses for Finnish detached houses. Building and Environment. 2009.
Vol. 44, Iss. 2. Pp. 377-387.
15. Dyrbol S., Svendsen S., Elmroth A. Experimental Investigation of the
Effect of Natural Convection on Heat Transfer in Mineral Wool.
Journal of Thermal Envelope and Building Science. 2002. Vol. 26(2).
Pp. 153-164.
16. Haese P. M., Teubner M. D. Heat exchange in an attic space.
International Journal of Heat and Mass Transfer. 2002. Vol. 45, Iss. 25.
Pp. 4925-4936.
17. Paula Wahlgren. Overview and Literature Survey of Natural and
Forced Convection in Attic Insulation. Journal of Building Physics.
2007. Vol. 30, 4. Pp. 351-370.
18. Paula Wahlgren. Measurements and Simulations of Natural and
Forced Convection in Loose-Fill Attic Insulation. Journal of Building
Physics. 2002. Vol. 26. Pp. 93-109.
19. Peter Blom. Venting of Attics and Pitched, Insulated Roofs. Journal
of Building Physics. 2001. Vol. 25, 1. Pp. 32-50.
20. Shimin Wang, Zhigang Shen, Linxia Gu. Numerical simulation of
buoyancy-driven turbulent ventilation in attic space under winter
conditions. Energy and Buildings. 2012. Vol. 47. Pp. 360-368.
21. GOST 30494-96. Zdaniya zhilyye i obshchestvennyye. Parametry
mikroklimata v pomeshcheniyakh [Residential and public buildings. The
parameters of the indoor climate]. (rus)
22. GOST 12.1.005-88*. SSBT. Obshchiye sanitarno-gigiyenicheskiye
trebovaniya k vozdukhu rabochey zony [General hygiene requirements
for working zone air]. (rus)
23. SP 23-101-2004. Proyektirovaniye teplovoy zashchity zdaniy
[Design of thermal protection of buildings]. (rus)
107

108.

24. SNiP 23-01-99*. Stroitelnaya klimatologiya [Building Climatology].
(rus)
25. Pravila i normy tekhnicheskoy ekspluatatsii zhilishchnogo fonda
[Rules and regulations of the technical operation of the housing stock].
Minyust RF. 2003.Pegistratsionnyy N 5176). (rus)
Full text of this article in Russian: pp. 69-73.
1 Дружинин П. В., Бараш А. Л, Савчук А. Д. Юрчик Е. Ю.
Способы недопущения льдообразования на крышах зданий //
Технико-технологические проблемы сервиса. 2007. Т.4. №14. С. 613.
2Александр Сергеевич Горшков, Санкт-Петербург, Россия Тел.
моб.: +7(921) 388-43-15; эл. почта: [email protected]
TECHNOLOGY
Magazine of Civil Engineering, №3, 2012
Инженерно-строительный журнал, №3, 2012
ТЕХНОЛОГИЯ
72
Горшков А.С., Ватин Н.И., Урустимов А.И., Рымкевич П.П.
Расчетный метод обоснования технологических
мероприятий по предотвращению образования ледяных дамб на
крышах зданий со скатной кровлей
Горшков А.С., Ватин Н.И., Урустимов А.И., Рымкевич П.П.
Расчетный метод обоснования технологических
мероприятий по предотвращению образования ледяных дамб на
крышах зданий со скатной кровлей
73
TECHNOLOGY
Magazine of Civil Engineering, №3, 2012
Gorshkov A.S., Vatin N.I., Urustimov A.I., Rymkevich P.P.
Computational justification for engineering measures
preventing the ice dams formation on the pitched roofs
108

109.

Gorshkov A.S., Vatin N.I., Urustimov A.I., Rymkevich P.P.
Computational justification for engineering measures
preventing the ice dams formation on the pitched roofs
Инженерно-строительный журнал, №3, 2012
ТЕХНОЛОГИЯ
Gorshkov A.S., Vatin N.I., Urustimov A.I., Rymkevich P.P.
Computational justification for engineering measures
preventing the ice dams formation on the pitched roofs
109

110.

110

111.

111

112.

112

113.

113

114.

114

115.

115

116.

116

117.

117

118.

118

119.

119

120.

120

121.

121

122.

122

123.

123

124.

124

125.

125

126.

126

127.

127

128.

128

129.

129

130.

130

131.

131

132.

132

133.

133

134.

134

135.

135

136.

136

137.

137

138.

138

139.

139

140.

140

141.

141

142.

142

143.

143

144.

144

145.

145

146.

146

147.

147

148.

148

149.

149

150.

150

151.

151

152.

152

153.

153

154.

154

155.

155

156.

156

157.

157

158.

158

159.

159

160.

160

161.

161

162.

162

163.

163

164.

164

165.

165

166.

166

167.

СПОСОБ ЗАЩИТЫ ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ ПРИ ВЗРЫВЕ С ИСПО ЛЬЗОВАНИЕМ
СДВИГОУСТОЙЧИВЫХ И ЛЕГКОСБРАСЫВАЕМЫХ СОЕДИНЕНИЙ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ СИСТЕМУ
ДЕМПФИРОВАНИЯ ФРИКЦИОННОСТИ И СЕЙСМОИЗОЛЯЦИЮ ДЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ ВЗРЫВНОЙ И
СЕЙСМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
(19)
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
RU
(11)
2010 136 746
(13)
A
(51) МПК
(12)
E04C 2/00 (2006.01)
ЗАЯВКА НА ИЗОБРЕТЕНИЕ
Состояние делопроизводства: Экспертиза завершена (последнее изменение статуса: 02.10.2013)
(21)(22) Заявка: 2010136746/03, 01.09.2010
Приоритет(ы):
(22) Дата подачи заявки: 01.09.2010
(43) Дата публикации заявки: 20.01.2013 Бюл. № 2
Адрес для переписки:
443004, г.Самара, ул.Заводская, 5, ОАО
"Теплант"
(71) Заявитель(и):
Открытое акционерное общество "Теплант" (RU)
(72) Автор(ы):
Подгорный Олег Александрович (RU),
Акифьев Александр Анатольевич (RU),
Тихонов Вячеслав Юрьевич (RU),
Родионов Владимир Викторович (RU),
Гусев Михаил Владимирович (RU),
Коваленко Александр Иванович (RU)
(54) СПОСОБ ЗАЩИТЫ ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ ПРИ ВЗРЫВЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
СДВИГОУСТОЙЧИВЫХ И ЛЕГКОСБРАСЫВАЕМЫХ СОЕДИНЕНИЙ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ СИСТЕМУ
ДЕМПФИРОВАНИЯ ФРИКЦИОННОСТИ И СЕЙСМОИЗОЛЯЦИЮ ДЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ ВЗРЫВН ОЙ И
СЕЙСМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
(57) Формула изобретения
1. Способ защиты здания от разрушений при взрыве или землетрясении, включающий
выполнение проема/проемов рассчитанной площади для снижения до допустимой величины
взрывного давления, возникающего во взрывоопасных помещениях при аварийных внутренних
взрывах, отличающийся тем, что в объеме каждого проема организуют зону, представленную в
виде одной или нескольких полостей, ограниченных эластичным огнестойким материалом и
установленных на легкосбрасываемых фрикционных соединениях при избыточном давлении
воздухом и землетрясении, при этом обеспечивают плотную посадку полости/полостей во всем
объеме проема, а в момент взрыва и землетрясения под действием взрывного давления
обеспечивают изгибающий момент полости/полостей и осуществляют их выброс из проема и
соскальзывают с болтового соединения за счет ослабленной подпиленной гайки.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что «сэндвич»-панели, щитовые панели смонтированы
на высокоподатливых с высокой степенью подвижности фрикционных, скользящих
соединениях с сухим трением с включением в работу фрикционных гибких стальных затяжек
диафрагм жесткости, состоящих из стальных регулируемых натяжений затяжек сухим трением
и повышенной подвижности, позволяющие перемещаться перекрытиям и «сэндвич»-панелям в
горизонтали в районе перекрытия 115 мм, т.е. до 12 см, по максимальному отклонению от
вертикали 65 мм, т.е. до 7 см (подъем пятки на уровне фундамента), не подвергая разрушению и
обрушению конструкции при аварийных взрывах и сильных землетрясениях.
167

168.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что каждая «сэндвич»-панель крепится на
сдвигоустойчивых соединениях со свинцовой, медной или зубчатой шайбой, которая
распределяет одинаковое напряжение на все четыре-восемь гаек и способствует
одновременному поглощению сейсмической и взрывной энергии, не позволяя разрушиться
основным несущим конструкциям здания, уменьшая вес здания и амплитуду колебания здания.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что за счет новой конструкции сдвигоустойчивого
податливого соединения на шарнирных узлах и гибких диафрагмах «сэндвич»-панели могут
монтироваться как самонесущие без стального каркаса для малоэтажных зданий и сооружений.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что система демпфирования и фрикционности и
поглощения сейсмической энергии может определить величину горизонтального и
вертикального перемещения «сэндвич»-панели и определить ее несущую способность при
землетрясении или взрыве прямо на строительной площадке, пригрузив «сэндвич»-панель и
создавая расчетное перемещение по вертикали лебедкой с испытанием на сдвиг и перемещение
до землетрясения и аварийного взрыва прямо при монтаже здания и сооружения.
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что расчетные опасные перемещения определяются,
проверяются и затем испытываются на программном комплексе ВК SCAD 7/31 r5, ABAQUS 6.9,
MONOMAX 4.2, ANSYS, PLAKSIS, STARK ES 2006, SoliddWorks 2008, Ing+2006, FondationPL
3d, SivilFem 10, STAAD.Pro, а затем на испытательном при объектном строительном полигоне
прямо на строительной площадке испытываются фрагменты и узлы, и проверяются
экспериментальным путем допустимые расчетные перемещения строительных конструкций
(стеновых «сэндвич»-панелей, щитовых деревянных панелей, колонн, перекрытий,
перегородок) на возможные при аварийном взрыве и при землетрясении более 9 баллов
перемещение по методике разработанной испытательным центром ОО «Сейсмофонд» - «Защита
и безопасность городов».
ПАНЕЛЬ ПРОТИВОВЗРЫВНАЯ 154506
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
(19)
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
RU
(11)
154 506
(13)
U1
(51) МПК
(12)
E04B 1/92 (2006.01)
ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ
Статус: не действует (последнее изменение статуса: 02.07.2021)
Пошлина: Возможность восстановления: нет.
(21)(22) Заявка: 2014131653/03, 30.07.2014
(24) Дата начала отсчета срока действия патента:
30.07.2014
Приоритет(ы):
(22) Дата подачи заявки: 30.07.2014
(72) Автор(ы):
Андреев Борис Александрович (RU),
Коваленко Александр Иванович (RU)
(73) Патентообладатель(и):
Андреев Борис Александрович (RU),
Коваленко Александр Иванович (RU)
(45) Опубликовано: 27.08.2015 Бюл. № 24
Адрес для переписки:
168

169.

190005, Санкт-Петербург, 2Красноармейская ул д 4 пр. СПб ГАСУ
Коваленко Александр Иванович
(54) ПАНЕЛЬ ПРОТИВОВЗРЫВНАЯ
(57) Реферат:
Техническое решение относится к области строительства и предназначено для защиты
помещений от возможных взрывов. Конструкция позволяет обеспечить надежный и быстрый
сброс легкосбрасываемой панели, сброс давления при взрыве и зависание панели на опорной
плите, Конструкция представляет собой опорную плиту с расчетным проемом, которая жестко
крепится на каркасе защищаемого сооружения. На опорной плите крепежными элементами,
имеющими ослабленное резьбовое поперечное сечение, закреплена панель легкосбрасываемая.
Ослабленное резьбовое соединение каждого крепежного элемента образовано лысками
выполненными с двух сторон резьбовой части. Кроме того опорная плита и легкосбрасываемая
панель соединены тросом один конец которого жестко закреплен на опорной плите, а другой
конец соединен с крепежным элементом через планку, с возможностью перемещения. 4 ил.
Техническое решение относится к области строительства и предназначено для защиты
помещений содержащих взрывоопасные среды.
Известна панель для легкосбрасываемой кровли взрывоопасных помещений по Авт.св.
617552, М.Кл. 2 E04B 1/98 с пр. от 21.11.75. Панель включает ограждающий элемент с
шарнирно закрепленными на нем поворотными скобами, взаимодействующими через опоры
своими наружными полками с несущими элементами. С целью защиты от воздействия ветровой
нагрузки, панель снабжена подвижной плитой, шарнирно соединенной с помощью тяг с
внутренними концами поворотных скоб, которые выполнены Т-образными. Недостатком
предлагаемой конструкции является низкая надежность шарнирных соединений при
переменных внешних и внутренних нагрузках. Известна также легкосбрасываемая
ограждающая конструкция взрывоопасных помещений по Патенту SU 1756523, МПК5 E06B
5/12 с пр. от 05.10.1990. Указанная конструкция содержит поворотную стеновую панель,
состоящую из нижней и верхней секций и соединенную с каркасом временной связью. Нижняя
секция в нижней части шарнирно связана с каркасом здания, а в верхней части - шарнирно
соединена с верхней секцией панели. Верхняя секция снабжена роликами, установленными в
направляющих каркаса здания. Недостатком указанной конструкции является низкая
надежность вызванная большим количеством шарнирных соединений, требующих высокой
точности изготовления в условиях строительства. Известна также противовзрывная панель по
Патенту RU 2458212, E04B 1/92 с пр. от 13.04.2011, которую выбираем за прототип.
Изобретение относится к защитным устройствам применяемым во взрывоопасных объектах.
Противопожарная панель содержит металлический каркас с бронированной обшивкой и
наполнителем-свинцом. Панель имеет четыре неподвижных патрубка-опоры, а в покрытии
взрывоопасного объекта жестко заделаны четыре опорных стержня, которые телескопически
вставлены в неподвижные патрубки-опоры панели. Наполнитель выполнен в виде дисперсной
системы воздух-свинец, а опорные стержни выполнены упругими. Недостатком вышеуказанной
панели является низкая надежность срабатывания телескопических сопряжений при
воздействии переменных внешних и внутренних нагрузок.
Задачей заявляемого устройства является обеспечение надежности открывания проема при
взрыве (сбрасывания легкосбрасываемой панели) за минимальное время и обеспечение
зависания панели после сброса.
Сущность заявляемого решения состоит в том, что для защиты стен, оборудования и
персонала от возможного взрыва, помещение снабжено панелью противовзрывной,
обеспечивающей надежное и быстрое открытие проема при взрыве и сброс избыточного
давления, а также зависание панели на плите опорной. Панель противовзрывная содержит
плиту опорную которая жестко закреплена на стене защищаемого помещения и имеет проем
169

170.

соответствующий проему в стене, а с другой стороны плиты опорной винтами с резьбой,
ослабленной по сечению, закреплена панель легкосбрасываемая. Площадь проема плиты
опорной и проема помещения определяется в зависимости от объема помещения, от
взрывоопасной среды, температуры горения, давления, скорости распространения фронта
пламени и др. параметров. Винты имеют резьбовую часть, ослабленную по сечению с двух
сторон лысками до размера <Z> и т. о. образуется ослабленное резьбовое сопряжение,
разрушаемое под воздействием взрывной волны.
Сущность предлагаемого решения поясняется чертежами где:
на фиг. 1 изображен разрез Б-Б (фиг. 2) панели противовзрывной;
на фиг. 2 изображен разрез Α-A (фиг. 1);
на фиг. 3 изображен вид по стрелке В (фиг. 1) в увеличенном масштабе;
на фиг. 4 изображен разрез Г-Г (фиг. 2), узел крепления троса в увеличенном масштабе.
Панель противовзрывная состоит из опорной плиты 1, которая жестко крепится к каркасу
защищаемого помещения (на чертеже не показано). В каркасе помещения и в опорной плит е
выполнен проем 2, имеющий расчетную площадь S=b*h, которая зависит от объема
защищаемого помещения, температуры горения, давления, скорости распространения фронта
пламени и др. параметров. На опорной плите 1, резьбовыми крепежными элементами, например
саморежущими шурупами 3, имеющими ослабленное поперечное резьбовое сечение,
закреплена легкосбрасываемая панель 4. Кроме того, легкосбрасываемая панель соединена с
опорной плитой гибким узлом, состоящим из планки 5, закрепленной с одной стороны на тросе
6, а с др. стороны сопряженной с крепежным элементом 3. Ослабленное поперечное сечение
резьбовой части образовано лысками, выполненными с двух сторон по всей длине резьбы до
размера <Z>. Ослабленная резьбовая часть в совокупности с обычным резьбовым отверстием в
опорной плите 1, образуют ослабленное резьбовое сопряжение, разрушаемое под действием
взрывной волны. Разрушение (вырыв) в ослабленном резьбовом соединении возможно или за
счет разрушения резьбы в опорной плите, или за счет среза резьбы крепежного элеме нтасамореза 3, в зависимости от геометрии резьбы и от соотношения пределов прочности
материалов самореза и плиты опорной. Рассмотрим пример. На опорной плите 1 толщиной 5
мм, изготовленной из стали 3, самосверлящими шурупами 3 размером 5,5/6,3×105,
изготовленными из стали У7А, закреплена легкосбрасываемая панель 4, изготовленная из
стали 20. Усилие вырыва при стандартной резьбе для одного шурупа составляет 1500 кгс.
Опытным путем установлено, что после доработки шурупа путем стачивания резьбы с двух
сторон до размера Z=3 мм, величина усилия вырыва составляет 700 кгс. Соответственно, при
креплении плиты четырьмя шурупами, усилие вырыва составит 2800 кгс. При условии, что
площадь проема S=10000 см 2, распределенная нагрузка для вырыва должна быть не менее 0,28
кгс/см2 . Таким образом, зная параметры взрывоопасной среды, объем и компоновку
защищаемого помещения, выбираем конструкцию крепежных элементов после чего, в
зависимости от заданного усилия вырыва, можно определить величину <Z> - толщину
ослабленной части резьбы.
Панель противовзрывная работает следующим образом. При возникновении взрывной
нагрузки, взрывная волна через проем 2 в опорной плите 1 воздействует по площади
легкосбрасываемой панели 4, закрепленной на опорной плите 1 четырьмя саморежущими
шурупами 3, имеющими ослабленное резьбовое сечение. При превышении взрывным усилием
предела прочности резьбового соединения, резьбовое соединение разрушается по ослабленному
сечению, легкосбрасываемая панель освобождается от механического крепления, после чего
сбрасывается, сечение проема открывается и давление сбрасывается до атмосферного. После
сбрасывания панель легкосбрасываемая зависает на тросе 6, один конец которого закреплен на
опорной плите, а другой, через планку 5 сопряжен с крепежным элементом 3.
Формула полезной модели
1. Панель противовзрывная, содержащая опорную плиту, на которой резьбовыми
крепежными элементами закреплена панель легкосбрасываемая, отличающаяся тем, что в
опорной плите выполнен проем, а панель легкосбрасываемая выполнена сплошной, пр и этом
крепежные элементы, скрепляющие панель легкосбрасываемую с опорной плитой, имеют
170

171.

ослабленное поперечное сечение резьбовой части, образованное лысками, выполненными с
двух сторон по всей длине резьбы и, кроме того, панель легкосбрасываемая соединена с
опорной плитой тросом, один конец которого жестко закреплен в опорной плите, а другой
конец соединен с панелью легкосбрасываемой.
2. Панель противовзрывная по п.1, отличающаяся тем, что трос соединен с панелью
легкосбрасываемой через планку, сопряженную с крепежным элементом.
171

172.

172

173.

173

174.

ОПОРА СЕЙСМОСТОЙКАЯ 165076
(19)
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
RU
(11)
165 076
(13)
U1
(51) МПК
(12)
E04H 9/02 (2006.01)
ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ
Статус: не действует (последнее изменение статуса: 02.07.2021)
Пошлина: Возможность восстановления: нет.
(21)(22) Заявка: 2016102130/03, 22.01.2016
(24) Дата начала отсчета срока действия патента:
22.01.2016
Приоритет(ы):
(22) Дата подачи заявки: 22.01.2016
(72) Автор(ы):
Андреев Борис Александрович (RU),
Коваленко Александр Иванович (RU)
(73) Патентообладатель(и):
Андреев Борис Александрович (RU),
Коваленко Александр Иванович (RU)
(45) Опубликовано: 10.10.2016 Бюл. № 28
Адрес для переписки:
190005, Санкт-Петербург, 2Красноармейская ул д 4 пр. СПб ГАСУ
Коваленко Александр Иванович
(54) ОПОРА СЕЙСМОСТОЙКАЯ
(57) Реферат:
Опора сейсмостойкая предназначена для защиты объектов от сейсмических воздействий за
счет использования фрикцион но податливых соединений. Опора состоит из корпуса в котором
выполнено вертикальное отверстие охватывающее цилиндрическую поверхность щтока. В
корпусе, перпендикулярно вертикальной оси, выполнены отверстия в которых установлен
запирающий калиброванный болт. Вдоль оси корпуса выполнены два паза шириной <Z> и
длиной <I> которая превышает длину <Н> от торца корпуса до нижней точки паза,
выполненного в штоке. Ширина паза в штоке соответствует диаметру калиброванного болта.
Для сборки опоры шток сопрягают с отверстием корпуса при этом паз штока совмещают с
поперечными отверстиями корпуса и соединяют болтом, после чего одевают гайку и
затягивают до заданного усилия. Увеличение усилия затяжки приводит к уменьшению
зазора<Z>корпуса, увеличению сил трения в сопряжении корпус-шток и к увеличению усилия
сдвига при внешнем воздействии. 4 ил.
Предлагаемое техническое решение предназначено для защиты сооружений, объектов и
оборудования от сейсмических воздействий за счет использования фрикционно податливых
соединений. Известны фрикционные соединения для защиты объектов от динамических
воздействий. Известно, например Болтовое соединение плоских деталей встык по Патенту RU
1174616, F15B 5/02 с пр. от 11.11.1983. Соединение содержит металлические ли сты, накладки и
прокладки. В листах, накладках и прокладках выполнены овальные отверстия через которые
пропущены болты, объединяющие листы, прокладки и накладки в пакет. При малых
174

175.

горизонтальных нагрузках силы трения между листами пакета и болтами не преод олеваются. С
увеличением нагрузки происходит взаимное проскальзывание листов или прокладок
относительно накладок контакта листов с меньшей шероховатостью. Взаимное смещение
листов происходит до упора болтов в края овальных отверстий после чего соединения р аботают
упруго. После того как все болты соединения дойдут до упора в края овальных отверстий,
соединение начинает работать упруго, а затем происходит разрушение соединения за счет
смятия листов и среза болтов. Недостатками известного являются: ограничение демпфирования
по направлению воздействия только по горизонтали и вдоль овальных отверстий; а также
неопределенности при расчетах из-за разброса по трению. Известно также Устройство для
фрикционного демпфирования антиветровых и антисейсмических воздействий по Патенту TW
201400676 (A)-2014-01-01. Restraint anti-wind and anti-seismic friction damping device, E04B 1/98,
F16F 15/10. Устройство содержит базовое основание, поддерживающее защищаемый объект,
нескольких сегментов (крыльев) и несколько внешних пластин. В сегментах выполнены
продольные пазы. Трение демпфирования создается между пластинами и наружными
поверхностями сегментов. Перпендикулярно вертикальной поверхности сегментов, через пазы,
проходят запирающие элементы - болты, которые фиксируют сегменты и пластины друг
относительно друга. Кроме того, запирающие элементы проходят через блок поддержки, две
пластины, через паз сегмента и фиксируют конструкцию в заданном положении. Таким образом
получаем конструкцию опоры, которая выдерживает ветровые нагрузки но, при возникновении
сейсмических нагрузок, превышающих расчетные силы трения в сопряжениях, смещается от
своего начального положения, при этом сохраняет конструкцию без разрушения.
Недостатками указанной конструкции являются: сложность конструкции и сложность
расчетов из-за наличия большого количества сопрягаемых трущихся поверхностей.
Целью предлагаемого решения является упрощение конструкции, уменьшение количества
сопрягаемых трущихся поверхностей до одного сопряжения отверстие корпуса - цилиндр
штока, а также повышение точности расчета.
Сущность предлагаемого решения заключается в том, что опора сейсмостойкая выполнена из
двух частей: нижней - корпуса, закрепленного на фундаменте и верхней - штока,
установленного с возможностью перемещения вдоль общей оси и с возможностью ограничения
перемещения за счет деформации корпуса под действием запорного элемента. В корпусе
выполнено центральное отверстие, сопрягаемое с цилиндрической поверхностью штока, и
поперечные отверстия (перпендикулярные к центральной оси) в которые устанавливают
запирающий элемент-болт. Кроме того в корпусе, параллельно центральной оси, выполнены
два открытых паза, которые обеспечивают корпусу возможность деформироваться в
радиальном направлении. В теле штока, вдоль центральной оси, выполнен паз ширина которого
соответствует диаметру запирающего элемента (болта), а длина соответствует заданному
перемещению штока. Запирающий элемент создает нагрузку в сопряжении шток -отверстие
корпуса, а продольные пазы обеспечивают возможность деформации корпуса и «переход»
сопряжения из состояния возможного перемещения в состояние «запирания» с возможностью
перемещения только под сейсмической нагрузкой. Длина пазов корпуса превышает расстояние
от торца корпуса до нижней точки паза в штоке. Сущность предлагаемой конструкции
поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен разрез А-А (фиг. 2); на фиг. 2 изображен
поперечный разрез Б-Б (фиг. 1); на фиг. 3 изображен разрез В-В (фиг. 1); на фиг. 4 изображен
выносной элемент 1 (фиг. 2) в увеличенном масштабе.
Опора сейсмостойкая состоит из корпуса 1 в котором выполнено вертикальное отверстие
диаметром «D», которое охватывает цилиндрическую поверхность штока 2 например по
подвижной посадке H7/f7. В стенке корпуса перпендикулярно его оси, выполнено два отверстия
в которых установлен запирающий элемент - калиброванный болт 3. Кроме того, вдоль оси
отверстия корпуса, выполнены два паза шириной «Z» и длиной «I». В теле штока вдоль оси
выполнен продольный глухой паз длиной «h» (допустмый ход штока) соответствующий по
ширине диаметру калиброванного болта, проходящего через этот паз. При этом длина пазов «I»
всегда больше расстояния от торца корпуса до нижней точки паза «Н». В нижней части корпуса
1 выполнен фланец с отверстиями для крепления на фундаменте, а в верхней части штока 2
175

176.

выполнен фланец для сопряжения с защищаемым объектом. Сборка опоры заключается в том,
что шток 2 сопрягается с отверстием «D» корпуса по подвижной посадке. Паз штока
совмещают с поперечными отверстиями корпуса и соединяют калиброванным болтом 3, с
шайбами 4, с предварительным усилием (вручную) навинчивают гайку 5, скрепляя шток и
корпус в положении при котором нижняя поверхность паза штока контактирует с поверхностью
болта (высота опоры максимальна). После этого гайку 5 затягивают тарировочным ключо м до
заданного усилия. Увеличение усилия затяжки гайки (болта) приводит к деформации корпуса и
уменьшению зазоров от «Z» до «Z1» в корпусе, что в свою очередь приводит к увеличению
допустимого усилия сдвига (усилия трения) в сопряжении отверстие корпуса - цилиндр штока.
Величина усилия трения в сопряжении корпус-шток зависит от величины усилия затяжки гайки
(болта) и для каждой конкретной конструкции (компоновки, габаритов, материалов,
шероховатости поверхностей, направления нагрузок и др.) определяется экспериментально.
При воздействии сейсмических нагрузок превышающих силы трения в сопряжении корпус шток, происходит сдвиг штока, в пределах длины паза выполненного в теле штока, без
разрушения конструкции.
Формула полезной модели
Опора сейсмостойкая, содержащая корпус и сопряженный с ним подвижный узел,
закрепленный запорным элементом, отличающаяся тем, что в корпусе выполнено центральное
вертикальное отверстие, сопряженное с цилиндрической поверхностью штока, при этом шток
зафиксирован запорным элементом, выполненным в виде калиброванного болта, проходящего
через поперечные отверстия корпуса и через вертикальный паз, выполненный в теле штока и
закрепленный гайкой с заданным усилием, кроме того в корпусе, параллельно центральной оси,
выполнено два открытых паза, длина которых, от торца корпуса, больше расстояния до нижней
точки паза штока.
176

177.

177

178.

178

179.

179

180.

180

181.

181

182.

Адрес испытательной лаборатории организации"Сейсмофонд" ИНН 2014000780 190005, СПб, 2-я
Красноармейская ул. д 4 СПб ГАСУ [email protected] [email protected] (921) 962-67-78
Подтверждение компетентности организации «Сейсмофонд» при СПб
ГАСУ Номер решения о прохождении процедуры подтверждения
компетентности ИНН 2014000780 ОГРН 1022000000824
8590-гу (А-5824) https://pub.fsa.gov.ru/ral/view/13060/applicant
https://pub.fsa.gov.ru/ral/view/13060/applicant
Для предотвращения наледи и сосулек для скатных крышах,
для увеличения демпфирующей антиобледенительного
демпфирующего троса, способного при импульсных
растягивающих нагрузках, для обеспечения многокаскадного
демпфирования предварительно напряженных вантовых
конструкции по изобретениям №№ 2193635, 2406798,1143895,
1168755, 1174616,165076 «Опора сейсмостойкая» и опыт применения
и реализация в программном комплексе SCAD Office ,
Материалы:
182

183.

предотвратить гололедообразование наледи и сосулек на скатных
крышах
И специальные технические условия (СТУ) для ограничение
гололедообразования на скатных крышах с помощью
демпфирующего стального троса с использованием
антиобледенительного маятникового гасителя пляски, по слому и
удалению сосулек путем обеспечения многокаскадного
демпфирования гасителя пляски или с помощью демпфирующих
сдвиговых тросовых петель, закрепленных на стальном тросе,
преимущественно при импульсных многокаскадных ветровых
нагрузках, с использования антисейсмических фрикционнодемпфирующих виброизоляторов, с зафиксированными запорными
элементов в штоке, по линии нагрузки , согласно изобретения № 165076
«Опора сейсмостойкая» хранятся на Кафедре металлических и деревянных
конструкций 190005, Санкт-Петербург, 2-я , Красноармейская ул., д. 4, СПб
ГАСУ у заведующий кафедрой металлических и деревянных конструкций ,
дтн проф ЧЕРНЫХ Александр Григорьевич строительный факультет
[email protected] [email protected] (921) 962-67-78, (996) 79826-54, (999) 535-47-29
Более подробно смотрите публикации:
Protection of overhead power lines wires from wind impacts using a wind vibration dampener universal vibration
isolators or a damping cable loop according to invention No. 154506 "anti-explosion Panel" No. 165076
"earthquake-resistant support", No. 2010136746 " Method for protecting buildings and structures in an explosion
using shear-resistant easily resettable connections using a damping system, frictionality to absorb
explosive and seismic energy» https://ppt-online.org/845350
Инженерные решения по ограничению гололедообразования воздушных линий электропередач в условиях
гололедных и ветровых нагрузок с помощью тросовых демпфирующих виброизоляторов ,
виброизолирующих тросовых демпфирующих компенсаторов , расположенной в месте крепления кабеля
электрических опор с самими опорами, что не позволяет образовываться ледяным наростам
(гололедообразованию или с помощью демпфирующей петли, расположенной в месте крепления кабеля
электрических опорах, с самими опорами , согласно изобретения № 154506 «Панель противовзрывная».
Разрушение ледяного нароста , происходит , за счет демпфирования воздушных проводов или за счет
магнитных потоков с завихрением: по американскому изобретению «Method and apparatus for breaking ice
assertion on an aerial cable» US 6518497 USA Method and apparatus for breaking ice accretions on an aerial cable
https://patents.google.com/patent/US6518497
https://www.compusult.com/html/IWAIS_Proceedings/IWAIS_2005/Papers/IW18.PDF
https://en.ppt-online.org/839221
183

184.

Способ разрушения гололедообразования ( ледяных наростов) на воздушных проводах линий
электропередач (ЛЭП) с помощью демпфирующей петли, расположенной в месте крепления кабеля
электрических опорах с самими опорами ( смотри изобретение № 154506 «Панель противовзрывная»
разрушение ледяного нароста , происходит при демпфирующих нагрузках» )
https://en.ppt-online.org/836557
Повышения надежности ОГРАНИЧИТЕЛЯ ГОЛОЛЕДООБРАЗОВАНИЯ И КОЛЕБАНИЙ
ПРОВОДОВ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ с увеличение демпфирующей способность соединения
воздушных линий, при импульсных растягивающих и динамических нагрузках, за счет демпфирующей петли
по изобретению номер 154506 «Панель противовзрывная» Способ разрушения ледяных наростов на
воздушном кабеле (патент US6518497 US США ) и устройство для его осуществления и
обеспечение надежности ОГРАНИЧИТЕЛЯ ГОЛОЛЕДООБРАЗОВАНИЯ И КОЛЕБАНИЙ ПРОВОДОВ ВОЗДУШНЫХ
ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ с использованием демпфирующей петли c завихрением магнитных потоков
https://en.ppt-online.org/836284
Конструктивные решения повышения ДЕМПФИРОВАНИЯ при КОЛЕБАНИЙ ПРОВОДОВ ВОЗДУШНЫХ
ЛИНИЙ и вантовых тросов В УСЛОВИЯХ ГОЛОЛЕДООБРАЗОВАНИЯ, за счет закручивания по виткам спирали,
тросом в полимерной оплетке, что не позволяет проводам вантовым тросам и проводам
колебаться с большой амплитудой. Тем самым ветер гасит сам себя
https://en.ppt-online.org/833763 https://en.ppt-online.org/836557
Рекомендации конструктивных решения по ограничению гололедообразования воздушных линий
электропередач в условиях гололедных и ветровых нагрузок с помощью демпфирующей петл,
расположенной в месте крепления кабеля электрических опор с самими опорами, что не позволяет
образовываться ледяным наростам (гололедообразованию). С помощью демпфирующей петли,
расположенной в месте крепления кабеля электрических опорах, с самими опорами , согласно изобретения
№ 154506 «Панель противовзрывная». Разрушение ледяного нароста , происходит ,
за счет демпфирования воздушных проводов или за счет магнитных потоков с завихрением: по
американскому изобретению «Method and apparatus for breaking ice assertion on an aerial cable» US 6518497
USA Method and apparatus for breaking ice accretions on an aerial cable
https://patents.google.com/patent/US6518497
https://www.compusult.com/html/IWAIS_Proceedings/IWAIS_2005/Papers/IW18.PDF
https://ppt-online.org/838902
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ТРЕНИЯ,
РАСЧЕТ И ТЕХНОЛОГИЯ ПРИМЕНЕНИЯ
ФРИКЦИОННО-ПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
УЗДИН А.М., ЕЛИСЕЕВ О.Н., , НИКИТИН А.А., ПАВЛОВ В.Е., СИМКИН А.Ю.,
КУЗНЕЦОВА И.О.
184

185.

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ТРЕНИЯ,
РАСЧЕТ И ТЕХНОЛОГИЯ ПРИМЕНЕНИЯ
ФРИКЦИОННО-ПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
185

186.

СОДЕРЖАНИЕ
1
Введение
3
2
Элементы теории трения и износа
6
3
Методика расчета одноболтовых ФПС
18
3.1
Исходные посылки для разработки методики расчета ФПС
18
3.2
Общее уравнение для определения несущей способности ФПС.
20
3.3
Решение общего уравнения для стыковых ФПС
21
3.4
Решение общего уравнения для нахлесточных ФПС
22
4
Анализ экспериментальных исследований работы ФПС
26
5
Оценка
параметров
диаграммы
деформирования
многоболтовых
фрикционно-подвижных соединений (ФПС)
31
5.1
Общие положения методики расчета многоболтовых ФПС
31
5.2
Построение уравнений деформирования стыковых многоболтовых ФПС
32
5.3
Построение уравнений деформирования нахлесточных многоболтовых 38
ФПС
6
Рекомендации по технологии изготовления ФПС и сооружений с такими
соединениями
6.1
42
Материалы болтов, гаек, шайб и покрытий контактных поверхностей
стальных деталей ФПС и опорных поверхностей шайб
42
6.2
Конструктивные требования к соединениям
43
6.3
Подготовка
контактных
поверхностей
элементов
и
методы
контроля
6.4
45
Приготовление и нанесение протекторной грунтовки ВЖС 83-0287. Требования к загрунтованной поверхности. Методы контроля
6.4.1
Основные требования по технике безопасности при работе с
грунтовкой ВЖС 83-02-87
6.4.2
Транспортировка
и
47
хранение
элементов
законсервированных грунтовкой ВЖС 83-02-87
6.5
46
и
деталей,
49
Подготовка и нанесение антифрикционного покрытия на опорные 49
поверхности шайб
6.6
7
Сборка ФПС
49
Список литературы
51
186

187.

1. ВВЕДЕНИЕ
Современный подход к проектированию сооружений, подверженных экстремальным, в
частности, сейсмическим нагрузкам исходит из целенаправленного проектирования предельных
состояний конструкций. В литературе [1, 2, 11, 18] такой подход получил название проектирования
сооружений с заданными параметрами предельных состояний. Возможны различные технические
реализации отмеченного подхода. Во всех случаях в конструкции создаются узлы, в которых от
экстремальных нагрузок могут возникать неупругие смещения элементов. Вследствие этих
смещений нормальная эксплуатация сооружения, как правило, нарушается, однако исключается его
обрушение. Эксплуатационные качества сооружения должны легко восстанавливаться после
экстремальных воздействий. Для обеспечения указанного принципа проектирования и были
предложены фрикционно-подвижные болтовые соединения.
Под
фрикционно-подвижными
соединениями
(ФПС)
понимаются
соединения
металлоконструкций высокопрочными болтами, отличающиеся тем, что отверстия под болты в
соединяемых деталях выполнены овальными вдоль направления действия экстремальных нагрузок.
При экстремальных нагрузках происходит взаимная сдвижка соединяемых деталей на величину до 34 диаметров используемых высокопрочных болтов. Работа таких соединений имеет целый ряд
особенностей и существенно влияет на поведение конструкции в целом. При этом во многих случаях
оказывается возможным снизить затраты на усиление сооружения, подверженного сейсмическим и
другим интенсивным нагрузкам.
ФПС были предложены в НИИ мостов ЛИИЖТа в 1980 г. для реализации принципа
проектирования мостовых конструкций с заданными параметрами предельных состояний. В 1985-86
г.г. эти соединения были защищены авторскими свидетельствами [16-19]. Простейшее стыковое и
нахлесточное соединения приведены на рис.1.1. Как видно из рисунка, от обычных соединений на
высокопрочных болтах предложенные в упомянутых работах отличаются тем, что болты пропущены
через овальные отверстия. По замыслу авторов при экстремальных нагрузках должна происходить
взаимная подвижка соединяемых деталей вдоль овала, и за счет этого уменьшаться пиковое значение
усилий, передаваемое соединением. Соединение с овальными отверстиями применялись в
строительных конструкциях и ранее, например, можно указать предложения [8, 10 и др]. Однако в
упомянутых работах овальные отверстия устраивались с целью упрощения монтажных работ. Для
реализации принципа проектирования конструкций с заданными параметрами предельных состояний
необходимо фиксировать предельную силу трения (несущую способность) соединения.
При использовании обычных болтов их натяжение N не превосходит 80-100 кН, а разброс
натяжения N=20-50 кН, что не позволяет прогнозировать несущую способность такого соединения
по трению. При использовании же высокопрочных болтов при том же N натяжение N= 200 - 400
187

188.

Рис.1.1. Принципиальная схема фрикционно-подвижного
соединения
а) встык , б) внахлестку
1- соединяемые листы; 2 – высокопрочные болты;
3- шайба;4 – овальные отверстия; 5 – накладки.
кН, что в принципе может позволить задание и регулирование несущей способности соединения.
Именно эту цель преследовали предложения [3,14-17].
Однако проектирование и расчет таких соединений вызвал серьезные трудности. Первые испытания
ФПС показали, что рассматриваемый класс соединений не обеспечивает в общем случае стабильной
работы конструкции. В процессе подвижки возможна заклинка соединения, оплавление контактных
поверхностей соединяемых деталей и т.п. В ряде случаев имели место обрывы головки болта.
Отмеченные
исследования
позволили
выявить
способы
обработки
соединяемых
листов,
обеспечивающих стабильную работу ФПС. В частности, установлена недопустимость использования
для ФПС пескоструйной обработки листов пакета, рекомендованы использование обжига листов,
нанесение на них специальных мастик или напыление мягких металлов. Эти исследования показали,
что расчету и проектированию сооружений должны предшествовать детальные исследования самих
соединений. Однако, до настоящего времени в литературе нет еще систематического изложения
общей теории ФПС даже для одноболтового соединения, отсутствует теория работы многоболтовых
188

189.

ФПС. Сложившаяся ситуация сдерживает внедрение прогрессивных соединений в практику
строительства.
В силу изложенного можно заключить, что ФПС весьма перспективны для использования в
сейсмостойком строительстве, однако, для этого необходимо детально изложить, а в отдельных
случаях и развить теорию работы таких соединений, методику инженерного расчета самих ФПС и
сооружений с такими соединениями. Целью, предлагаемого пособия является систематическое
изложение теории работы ФПС и практических методов их расчета. В пособии приводится также и
технология монтажа ФПС.
2.ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ТРЕНИЯ И ИЗНОСА
Развитие науки и техники в последние десятилетия показало, что
надежные и долговечные машины, оборудование и приборы могут быть
созданы только при удачном решении теоретических и прикладных задач
сухого и вязкого трения, смазки и износа, т.е. задач трибологии и
триботехники.
Трибология – наука о трении и процессах, сопровождающих трение
(трибос – трение, логос – наука). Трибология охватывает экспериментальнотеоретические
результаты
исследований
физических
(механических,
электрических, магнитных, тепловых), химических, биологических и других
явлений, связанных с трением.
Триботехника
трибологии
при
–
это
система
знаний
проектировании,
о
практическом
изготовлении
и
применении
эксплуатации
трибологических систем.
С
трением
связан
износ
соприкасающихся
тел
–
разрушение
поверхностных слоев деталей подвижных соединений, в т.ч. при резьбовых
соединениях. Качество соединения определяется внешним трением в витках
резьбы и в торце гайки и головки болта (винта) с соприкасающейся деталью
или шайбой. Основная характеристика крепежного резьбового соединения –
усилие затяжки болта (гайки), - зависит от значения и стабильности моментов
сил
трения
сцепления,
возникающих
189
при
завинчивании.
Момент
сил

190.

сопротивления затяжке содержит две составляющих: одна обусловлена
молекулярным воздействием в зоне фактического касания тел, вторая –
деформированием
тончайших
поверхностей
слоев
контактирующими
микронеровностями взаимодействующих деталей.
Расчет этих составляющих осуществляется по формулам, содержащим ряд
коэффициентов,
установленных
в
результате
экспериментальных
исследований. Сведения об этих формулах содержатся в Справочниках
«Трение, изнашивание и смазка» [22](в двух томах) и «Полимеры в узлах
трения машин и приборах» [13], изданных в 1978-1980 г.г. издательством
«Машиностроение». Эти Справочники не потеряли своей актуальности и
научной обоснованности и в настоящее время. Полезный для практического
использования материал содержится также в монографии Геккера Ф.Р. [5].
Сухое трение. Законы сухого трения
1. Основные понятия: сухое и вязкое трение; внешнее и внутреннее
трение, пограничное трение; виды сухого трения.
Трение – физическое явление, возникающее при относительном движении
соприкасающихся газообразных, жидких и твердых тел и вызывающее
сопротивление движению тел или переходу из состояния покоя в движение
относительно конкретной системы отсчета.
Существует два вида трения: сухое и вязкое.
Сухое трение возникает при соприкосновении твердых тел.
Вязкое трение возникает при движении в жидкой или газообразной среде,
а также при наличии смазки в области механического контакта твердых тел.
При учете трения (сухого или вязкого) различают внешнее трение и
внутренне трение.
Внешнее трение возникает при относительном перемещении двух тел,
находящихся в соприкосновении, при этом сила сопротивления движению
зависит от взаимодействия внешних поверхностей тел и не зависит от
состояния внутренних частей каждого тела. При внешнем трении переход
190

191.

части механической энергии во внутреннюю энергию тел происходит только
вдоль поверхности раздела взаимодействующих тел.
Внутреннее трение возникает при относительном перемещении частиц
одного и того же тела (твердого, жидкого или газообразного). Например,
внутреннее трение возникает при изгибе металлической пластины или
проволоки, при движении жидкости в трубе (слой жидкости, соприкасающийся
со стенкой трубы, неподвижен, другие слои движутся с разными скоростями и
между ними возникает трение). При внутреннем трении часть механической
энергии переходит во внутреннюю энергию тела.
Внешнее
трение
соприкосновения
в
твердых
чистом
тел
виде
без
возникает
смазочной
только
прослойки
в
между
случае
ними
(идеальный случай). Если толщина смазки 0,1 мм и более, механизм трения не
отличается от механизма внутреннего трения в жидкости. Если толщина
смазки менее 0,1 мм, то трение называют пограничным (или граничным). В
этом случае учет трения ведется либо с позиций сухого трения, либо с точки
зрения вязкого трения (это зависит от требуемой точности результата).
В истории развития понятий о трении первоначально было получено
представление о внешнем трении. Понятие о внутреннем трении введено в
науку в 1867 г. английским физиком, механиком и математиком Уильямом
Томсоном (лордом Кельвиным).1)
Законы сухого трения
Сухое трение впервые наиболее полно изучал Леонардо да Винчи (14521519). В 1519 г. он сформулировал закон трения: сила трения, возникающая
1)
*Томсон (1824-1907) в 10-летнем возрасте был принят в университет в Глазго, после обучения в
котором перешел в Кембриджский университет и закончил его в 21 год; в 22 года он стал профессором
математики. В 1896 г. Томсон был избран почетным членом Петербургской академии наук, а в 1851 г. (в 27
лет) он стал членом Лондонского королевского общества и 5 лет был его президентом+.
191

192.

при контакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна нагрузке
(силе прижатия тел), при этом коэффициент пропорциональности – величина
постоянная и равна 0,25:
F 0 ,25 N .
Через 180 лет модель Леонарда да Винчи была переоткрыта французским
механиком и физиком Гийомом Амонтоном2), который ввел в науку понятие
коэффициента трения как французской константы и предложил формулу силы
трения скольжения:
F f N.
Кроме того, Амонтон (он изучал равномерное движение тела по наклонной
плоскости) впервые предложил формулу:
f tg
,
где f – коэффициент трения; - угол наклона плоскости к горизонту;
В 1750 г. Леонард Эйлер (1707-1783), придерживаясь закона трения
Леонарда да Винчи – Амонтона:
F f N,
впервые получил формулу для случая прямолинейного равноускоренного
движения тела по наклонной плоскости:
f tg
2S
,
g t 2 cos 2
где t – промежуток времени движения тела по плоскости на участке
длиной S;
g – ускорение свободно падающего тела.
Окончательную формулировку законов сухого трения дал в 1781 г. Шарль
Кулон3)
Эти законы используются до сих пор, хотя и были дополнены результатами
работ ученых XIX и XX веков, которые более полно раскрыли понятия силы
2)
Г.Амонтон (1663-1705) – член Французской академии наук с 1699 г.
3) Ш.Кулон (1736-1806) – французский инженер, физик и механик, член Французской академии наук
192

193.

трения покоя (силы сцепления) и силы трения скольжения, а также понятия о
трении качения и трении верчения.
Многие десятилетия XX века ученые пытались модернизировать законы
Кулона,
учитывая
все
новые
и
новые
результаты
физико-химических
исследований явления трения. Из этих исследований наиболее важными
являются исследования природы трения.
Кратко о природе сухого трения можно сказать следующее. Поверхность
любого
твердого
тела
обладает
[шероховатость
поверхности
классов)
характеристикой
–
микронеровностями,
оценивается
«классом
качества
шероховатостью
шероховатости»
обработки
(14
поверхности:
среднеарифметическим отклонением профиля микронеровностей от средней
линии и высотой неровностей].
Сопротивление сдвигу вершин микронеровностей в зоне контакта тел –
источник трения. К этому добавляются силы молекулярного сцепления между
частицами,
принадлежащими
разным
телам,
вызывающим
прилипание
поверхностей (адгезию) тел.
Работа
внешней
силы,
приложенной
к
телу,
преодолевающей
молекулярное сцепление и деформирующей микронеровности, определяет
механическую энергию тела, которая затрачивается частично на деформацию
(или даже разрушение) микронеровностей, частично на нагревание трущихся
тел (превращается в тепловую энергию), частично на звуковые эффекты –
скрип, шум, потрескивание и т.п. (превращается в акустическую энергию).
В последние годы обнаружено влияние трения на электрическое и
электромагнитное поля молекул и атомов соприкасающихся тел.
Для решения большинства задач классической механики, в которых надо
учесть сухое трение, достаточно использовать те законы сухого трения,
которые открыты Кулоном.
В современной формулировке законы сухого трения (законы Кулона)
даются в следующем виде:
193

194.

В случае изотропного трения сила трения скольжения тела А по
поверхности тела В всегда направлена в сторону, противоположную скорости
тела А относительно тела В, а сила сцепления (трения покоя) направлена в
сторону, противоположную возможной скорости (рис.2.1, а и б).
Примечание. В случае анизотропного трения линия действия силы трения
скольжения не совпадает с линией действия вектора скорости. (Изотропным
называется сухое трение, характеризующееся одинаковым сопротивлением
движению тела по поверхности другого тела в любом направлении, в
противном случае сухое трение считается анизотропным).
Сила трения скольжения пропорциональна силе давления на опорную
поверхность
(или
нормальной
реакции
этой
поверхности),
при
этом
коэффициент трения скольжения принимается постоянным и определяется
опытным путем для каждой пары соприкасающихся тел. Коэффициент трения
скольжения зависит от рода материала и его физических свойств, а также от
степени обработки поверхностей соприкасающихся тел:
(рис. 2.1 в).
FСК fСК N
Y
Y
Fск
tg =fск
N
N
V
Fск
X
G
X
G
N
Fсц
а)
в)
б)
Рис.2.1
Сила сцепления (сила трения покоя) пропорциональна силе давления на
опорную поверхность (или нормальной реакции этой поверхности) и не может
быть
больше
максимального
значения,
определяемого
произведением
коэффициента сцепления на силу давления (или на нормальную реакцию
опорной поверхности):
194

195.

FСЦ f СЦ N .
Коэффициент сцепления (трения покоя), определяемый опытным путем в
момент перехода тела из состояния покоя в движение, всегда больше
коэффициента трения скольжения для одной и той же пары соприкасающихся
тел:
f СЦ f СК .
Отсюда следует, что:
max
FСЦ
FСК ,
поэтому график изменения силы трения скольжения от времени движения
тела, к которому приложена эта сила, имеет вид (рис.2.2).
При переходе тела из состояния покоя в движение сила трения
max до
скольжения за очень короткий промежуток времени изменяется от FСЦ
FСК (рис.2.2). Этим промежутком времени часто пренебрегают.
В последние десятилетия экспериментально показано, что коэффициент
трения скольжения зависит от скорости (законы Кулона установлены при
fсц
max
Fсц
Fск
fск
V
t
V0
Рис. 2.2
Vкр
Рис. 2. 3
равномерном движении тел в диапазоне невысоких скоростей – до 10 м/с).
Эту зависимость качественно можно проиллюстрировать графиком f СК ( v )
(рис.2.3).
v0
- значение скорости, соответствующее тому моменту времени, когда
сила FСК достигнет своего нормального значения FСК fСК N ,
195

196.

v КР
- критическое значение скорости, после которого происходит
незначительный рост (на 5-7 %) коэффициента трения скольжения.
Впервые этот эффект установил в 1902 г. немецкий ученый Штрибек (этот
эффект впоследствии был подтвержден исследованиями других ученых).
Российский ученый Б.В.Дерягин, доказывая, что законы Кулона, в
основном, справедливы, на основе адгезионной теории трения предложил
новую формулу для определения силы трения скольжения (модернизировав
предложенную Кулоном формулу):
FСК fСК N S p0 .
[У Кулона: FСК fСК N А , где величина А не раскрыта].
В формуле Дерягина: S – истинная площадь соприкосновения тел
(контактная площадь), р0 - удельная (на единицу площади) сила прилипания
или сцепления, которое надо преодолеть для отрыва одной поверхности от
другой.
Дерягин также показал, что коэффициент трения скольжения зависит от
нагрузки N (при соизмеримости сил N и
S p0
) - fСК ( N ) , причем при
увеличении N он уменьшается (бугорки микронеровностей деформируются и
сглаживаются, поверхности тел становятся менее шероховатыми). Однако, эта
зависимость учитывается только в очень тонких экспериментах при решении
задач особого рода.
Во многих случаях S p0 N , поэтому в задачах классической механики, в
которых следует учесть силу сухого трения, пользуются, в основном, законом
Кулона, а значения коэффициента трения скольжения и коэффициента
сцепления определяют по таблице из справочников физики (эта таблица
содержит значения коэффициентов, установленных еще в 1830-х годах
французским ученым А.Мореном (для наиболее распространенных материалов)
и дополненных более поздними экспериментальными данными. [Артур Морен
196

197.

(1795-1880) – французский математик и механик, член Парижской академии
наук, автор курса прикладной механики в 3-х частях (1850 г.)].
В случае анизотропного сухого трения линия действия силы трения
скольжения
составляет
с
прямой,
по
которой
направлена
скорость
материальной точки угол:
arctg
Fn
,
Fτ
где Fn и Fτ - проекции силы трения скольжения FCK на главную нормаль и
касательную к траектории материальной точки, при этом модуль вектора
FCK определяется формулой: FCK Fn2 Fτ2 . (Значения Fn и Fτ определяются по
методике Минкина-Доронина).
Трение качения
При качении одного тела по другому участки поверхности одного тела
кратковременно соприкасаются с различными участками поверхности другого
тела, в результате такого контакта тел возникает сопротивление качению.
В конце XIX и в первой половине XX века в разных странах мира были
проведены эксперименты по определению сопротивления качению колеса
вагона или локомотива по рельсу, а также сопротивления качению роликов
или шариков в подшипниках.
В результате экспериментального изучения этого явления установлено,
что сопротивление качению (на примере колеса и рельса) является следствием
трех факторов:
1) вдавливание колеса в рельс вызывает деформацию наружного слоя
соприкасающихся тел (деформация требует затрат энергии);
2)
зацепление
бугорков
неровностей
и
молекулярное
сцепление
(являющиеся в то же время причиной возникновения качения колеса по
рельсу);
197

198.

3)
трение
скольжения
при
неравномерном
движении
колеса (при
ускоренном или замедленном движении).
(Чистое качение без скольжения – идеализированная модель движения).
Суммарное
влияние
всех
трех
факторов
учитывается
общим
коэффициентом трения качения.
Изучая трение качения, как это впервые сделал Кулон, гипотезу
абсолютно твердого тела надо отбросить и рассматривать деформацию
соприкасающихся тел в области контактной площадки.
Так как равнодействующая N реакций опорной поверхности в точках зоны
контакта смещена в сторону скорости центра колеса, непрерывно набегающего
на впереди лежащее микропрепятствие (распределение реакций в точках
контакта несимметричное – рис.2.4), то возникающая при этом пара сил N и G
( G - сила тяжести) оказывает сопротивление качению (возникновение качения
Vc
C
N
G
Fск
K
N
K
Рис. 2.4
обязано
силе
образует
Fсопр
Vс
C
моментом
N
Рис. 2.5
которая
вторую
составляющую
полной
реакции опорной поверхности).
Момент
Fсц
FСЦ ,
сцепления
198
пары
сил
сопротивления
N , G
называется
качению.
Плечо

199.

пары сил «к» называется коэффициентом трения качения. Он имеет
размерность длины.
Момент сопротивления качению определяется формулой:
MC N k ,
где N - реакция поверхности рельса, равная вертикальной нагрузке на
колесо с учетом его веса.
Колесо, катящееся по рельсу, испытывает сопротивление движению,
которое можно отразить силой сопротивления Fсопр , приложенной к центру
колеса (рис.2.5), при этом: Fсопр R N k , где R – радиус колеса,
откуда
Fсопр N
k
N h,
R
где h – коэффициент сопротивления, безразмерная величина.
Эту формулу предложил Кулон. Так как множитель h
k
R
во много раз
меньше коэффициента трения скольжения для тех же соприкасающихся тел, то
сила Fсопр на один-два порядка меньше силы трения скольжения. (Это было
известно еще в древности).
Впервые в технике машин это использовал Леонардо да Винчи. Он изобрел
роликовый и шариковый подшипники.
Если на рисунке дается картина сил с обозначением силы Fсопр , то силу N
показывают
без
смещения
в
сторону
скорости
(колесо
и
рельс
рассматриваются условно как абсолютно твердые тела).
Повышение угловой скорости качения вызывает рост сопротивления
качению. Для колеса железнодорожного экипажа и рельса рост сопротивления
качению заметен после скорости колесной пары 100 км/час и происходит по
параболическому
закону.
Это
объясняется
деформациями
колес
гистерезисными потерями, что влияет на коэффициент трения качения.
199
и

200.

Трение верчения
Трение верчения возникает при вращении тела,
опирающегося на некоторую поверхность. В этом
случае следует рассматривать зону контакта тел, в
Fск
Fск
r
О
точках которой возникают силы трения скольжения
FСК (если контакт происходит в одной точке, то
трение верчения отсутствует – идеальный случай)
Fск
(рис.2.6).
Рис. 2.6.
А – зона контакта вращающегося тела, ось
вращения которого перпендикулярна к плоскости
этой зоны. Силы трения скольжения, если их привести к центру круга (при
изотропном трении), приводятся к паре сил сопротивления верчению, момент
которой:
М сопр N f ск r ,
где r – средний радиус точек контакта тел;
f ск
- коэффициент трения скольжения (принятый одинаковым для всех
точек и во всех направлениях);
N – реакция опорной поверхности, равная силе давления на эту
поверхность.
Трение верчения наблюдается при вращении оси гироскопа (волчка) или
оси стрелки компаса острием и опорной плоскостью. Момент сопротивления
верчению стремятся уменьшить, используя для острия и опоры агат, рубин,
алмаз и другие хорошо отполированные очень прочные материалы, для
которых коэффициент трения скольжения менее 0,05, при этом радиус круга
опорной площадки достигает долей мм. (В наручных часах, например, М сопр
менее
5 10 5
мм).
Таблица коэффициентов трения скольжения и качения.
200

201.

к (мм)
f ск
Сталь по стали……0,15
Шарик из закаленной стали по стали……0,01
Сталь по бронзе…..0,11
Мягкая сталь по мягкой стали……………0,05
Железо по чугуну…0,19
Дерево по стали……………………………0,3-0,4
Сталь по льду……..0,027
Резиновая шина по грунтовой дороге……10
Процессы износа контактных поверхностей при трении
Молекулярное
сцепление
приводит
к
образованию
связей
между
трущимися парами. При сдвиге они разрушаются. Из-за шероховатости
поверхностей трения контактирование пар происходит площадками. На
площадках с небольшим давлением имеет место упругая, а с большим
давлением - пластическая деформация. Фактическая площадь соприкасания
пар представляется суммой малых площадок. Размеры площадок контакта
достигают 30-50 мкм. При повышении нагрузки они растут и объединяются. В
процессе разрушения контактных площадок выделяется тепло, и могут
происходить химические реакции.
Различают три группы износа: механический - в форме абразивного
износа, молекулярно-механический - в форме пластической деформации или
хрупкого разрушения и коррозийно-механический - в форме коррозийного и
окислительного износа. Активным фактором износа служит газовая среда,
порождающая
окислительный
износ.
Образование
окисной
пленки
предохраняет пары трения от прямого контакта и схватывания.
Важным фактором является температурный режим пары трения. Теплота
обусловливает физико-химические процессы в слое трения, переводящие
связующие в жидкие фракции, действующие как смазка. Металлокерамические
материалы на железной основе способствуют повышению коэффициента
трения и износостойкости.
Важна быстрая приработка трущихся пар. Это приводит к быстрому
локальному износу и увеличению контурной площади соприкосновения тел.
201

202.

При
медленной
приработке
локальные
температуры
приводят
к
нежелательным местным изменениям фрикционного материала. Попадание
пыли, песка и других инородных частиц из окружающей среды приводит к
абразивному разрушению не только контактируемого слоя, но и более
глубоких слоев. Чрезмерное давление, превышающее порог схватывания,
приводит к разрушению окисной пленки, местным вырывам материала с
последующим, абразивным разрушением поверхности трения.
Под нагруженностью фрикционной пары понимается совокупность условий
эксплуатации:
давление
поверхностей
трения,
скорость
относительного
скольжения пар, длительность одного цикла нагружения, среднечасовое число
нагружений, температура контактного слоя трения.
Главные требования, предъявляемые к трущимся парам, включают
стабильность коэффициента трения, высокую износостойкость пары трения,
малые модуль упругости и твердость материала, низкий коэффициент
теплового расширения, стабильность физико-химического состава и свойств
поверхностного слоя, хорошая прирабатываемость фрикционного материала,
достаточная механическая прочность, антикоррозийность, несхватываемость,
теплостойкость и другие фрикционные свойства.
Основные факторы нестабильности трения - нарушение технологии
изготовления
деталей,
фрикционных
даже
в
элементов; отклонения
пределах
установленных
размеров отдельных
допусков;
несовершенство
конструктивного исполнения с большой чувствительностью к изменению
коэффициента трения.
Абразивный
износ
фрикционных
пар
подчиняется
следующим
закономерностям. Износ пропорционален пути трения s,
=ks s,
(2.1)
а интенсивность износа— скорости трения
k s v
(2.2)
202

203.

Износ не зависит от скорости трения, а интенсивность износа на единицу
пути трения пропорциональна удельной нагрузке р,
kp p
s
Мера
(2.3)
интенсивности
износа
рv
не
должна
превосходить
нормы,
определенной на практике (pv<С).
Энергетическая концепция износа состоит в следующем.
Для имеющихся закономерностей износа его величина представляется
интегральной функцией времени или пути трения
t
s
k p pvdt k p pds .
0
(2.4)
0
В условиях кулонова трения, и в случае kр = const, износ пропорционален
работе сил трения W
k w W
kp
f
s
W ; W Fds .
(2.5)
0
Здесь сила трения F=f N = f p ; где f – коэффициент трения, N – сила
нормального давления; - контурная площадь касания пар.
Работа сил трения W переходит в тепловую энергию трущихся пар E и
окружающей среды Q
W=Q+ E.
Работа сил кулонова трения при гармонических колебаниях s == а sin t за
период колебаний Т == 2л/ определяется силой трения F и амплитудой
колебаний а
W= 4F а.
(2.6)
3. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ОДНОБОЛТОВЫХ ФПС
203

204.

3.1. Исходные посылки для разработки методики
расчета ФПС
Исходными посылками для разработки методики расчета ФПС
являются
экспериментальные
исследования
одноболтовых
нахлесточных соединений [13], позволяющие вскрыть основные
особенности работы ФПС.
Для выявления этих особенностей в НИИ мостов в 1990-1991 гг.
были выполнены экспериментальные исследования деформирования
нахлесточных соединений такого типа. Анализ полученных диаграмм
деформирования позволил выделить для них 3 характерных стадии
работы, показанных на рис. 3.1.
На первой стадии нагрузка Т не превышает несущей способности
соединения [Т], рассчитанной как для обычного соединения на
фрикционных высокопрочных болтах.
На второй стадии Т > [Т] и происходит преодоление сил трения по
контактным плоскостям соединяемых элементов при сохраняющих
неподвижность шайбах высокопрочных болтов. При этом за счет
деформации болтов в них растет
сила натяжения, и как следствие
растут
силы
трения
по
всем
плоскостям контактов.
На третьей стадии происходит
срыв с места одной из шайб и
дальнейшее взаимное смещение
соединяемых
процессе
Рис.3.1. Характерная диаграмма деформирования
ФПС
1 – упругая работа ФПС;
2 – стадия проскальзывания листов ФПС при
заклиненных шайбах, характеризующаяся ростом 204
натяжения болта вследствие его изгибной деформации;
3 – стадия скольжения шайбы болта,
характеризующаяся интенсивным износом контактных
поверхностей.
элементов.
В
подвижки
наблюдается интенсивный износ
во
всех
контактных
парах,

205.

сопровождающийся падением натяжения болтов и, как следствие,
снижение несущей способности соединения.
В процессе испытаний наблюдались следующие случаи выхода из
строя ФПС:
• значительные взаимные перемещения соединяемых деталей, в
результате которых болт упирается в край овального отверстия и в
конечном итоге срезается;
• отрыв головки болта вследствие малоцикловой усталости;
• значительные пластические деформации болта, приводящие к
его
необратимому
удлинению
и
исключению
из
работы
при
“обратном ходе" элементов соединения;
• значительный износ контактных поверхностей, приводящий к
ослаблению болта и падению несущей способности ФПС.
Отмеченные
результаты
экспериментальных
исследований
представляют двоякий интерес для описания работы ФПС. С одной
стороны для расчета усилий и перемещений в элементах сооружений
с ФПС важно задать диаграмму деформирования соединения. С
другой стороны необходимо определить возможность перехода ФПС в
предельное состояние.
Для
описания
диаграммы
деформирования
наиболее
существенным представляется факт интенсивного износа трущихся
элементов соединения, приводящий к падению сил натяжения болта
и несущей способности соединения. Этот эффект должен определять
работу как стыковых, так и нахлесточных ФПС. Для нахлесточных
ФПС важным является и дополнительный рост сил натяжения
вследствие деформации болта.
Для оценки возможности перехода соединения в предельное
состояние необходимы следующие проверки:
а) по предельному износу контактных поверхностей;
205

206.

б) по прочности болта и соединяемых листов на смятие в случае
исчерпания зазора ФПС u0;
в) по несущей способности конструкции в случае удара в момент
закрытия зазора ФПС;
г) по прочности тела болта на разрыв в момент подвижки.
Если учесть известные результаты [11,20,21,26], показывающие,
что закрытие зазора приводит к недопустимому росту ускорений в
конструкции,
то
проверки
(б)
и
(в)
заменяются
проверкой,
ограничивающей перемещения ФПС и величиной фактического
зазора в соединении u0.
Решение вопроса об износе контактных поверхностей ФПС и
подвижке в соединении должно базироваться на задании диаграммы
деформирования
соединения,
представляющей
зависимость
его
несущей способности Т от подвижки в соединении s. Поэтому
получение зависимости Т(s) является основным для разработки
методов
расчета
ФПС
и
сооружений
с
такими
соединениями.
Отмеченные особенности учитываются далее при изложении теории
работы ФПС.
3.2. Общее уравнение для определения несущей
способности ФПС
Для
построения
общего
уравнения
деформирования
ФПС
обратимся к более сложному случаю нахлесточного соединения,
характеризующегося трехстадийной диаграммой деформирования. В
случае стыкового соединения второй участок на диаграмме Т(s) будет
отсутствовать.
Первая стадия работы ФПС не отличается от работы обычных
фрикционных соединений. На второй и третьей стадиях работы
несущая способность соединения поменяется вследствие изменения
206

207.

натяжения болта. В свою очередь натяжение болта определяется его
деформацией (на второй стадии деформирования нахлесточных
соединений) и износом трущихся поверхностей листов пакета при их
взаимном
смещении.
При
этом
для
теоретического
описания
диаграммы деформирования воспользуемся классической теорией
износа
[5,
14,
23],
согласно
которой
скорость
V
износа
пропорциональна силе нормального давления (натяжения болта) N:
(3.1)
V K N,
где К— коэффициент износа.
В свою очередь силу натяжения болта N можно представить в
виде:
(3.2)
N N0 a N1 N2
здесь
a
EF
l
N0 -
начальное -натяжение болта, а - жесткость болта;
, где l - длина болта, ЕF - его погонная жесткость,
N1 k f ( s ) -
увеличение
натяжения
болта
вследствие
его
деформации;
N2 ( s ) - падение натяжения болта вследствие его пластических
деформаций;
s - величина подвижки в соединении, - износ в соединении.
Для стыковых соединений обе добавки N1 N 2 0 .
Если пренебречь изменением скорости подвижки, то скорость V
можно представить в виде:
V
d d ds
V ср ,
dt
ds dt
(3.3)
где V ср — средняя скорость подвижки.
После подстановки (3.2) в (3.1) с учетом (3.3) получим уравнение:
k a k N0 к f ( s ) ( s ) ,
(3.4)
где k K / Vср .
207

208.

Решение уравнения (3.4) можно представить в виде:
s
k N0 a 1 1 e kas k e ka( s z ) k f ( z ) ( z ) dz ,
0
или
s
0
k N0 a 1 e kas k k f ( z ) ( z ) ekazdz N0 a 1 .
(3.5)
3.3. Решение общего уравнения для стыковых ФПС
Для стыковых соединений общий интеграл (3.5) существенно
упрощается, так как в этом случае N 1 N 2 0 , и обращаются в 0
функции
f(z)
и
( z ) ,
входящие в (3.5). С учетом сказанного
использование интеграла. (3.5) позволяет получить следующую
формулу для определения величины износа :
1 e kas k N0 a 1
(3.6)
Падение натяжения N при этом составит:
N 1 e kas k N0 ,
а
(3.7)
несущая
соединений
способность
определяется
по
формуле:
T T0 f N T0 f 1 e kas k N 0 a 1
T0 1 1 e kas k a 1 .
(3.8)
Рис.3.2.Падение несущей способности ФПС в
зависимости от величины подвижки для болта 24
мм при коэффициенте износа k=5 10-8Н-1 для
различной толщины листов пакета l
- l=20 мм; - l=30 мм; - l=40 мм; - l=50 мм;
- l=60 мм; - l=70 мм; - l=40 мм
Как
видно
из
полученной
формулы относительная несущая
способность соединения КТ =Т/Т0
определяется
всего
двумя
параметрами - коэффициентом износа k и жесткостью болта на
растяжение а. Эти параметры могут быть заданы с достаточной
208

209.

точностью и необходимые для этого данные имеются в справочной
литературе.
На рис. 3.2 приведены зависимости КТ(s) для болта диаметром 24
мм и коэффициента износа k~5×10-8 H-1 при различных значениях
толщины пакета l, определяющей жесткость болта а. При этом для
наглядности несущая способность соединения Т отнесена к своему
начальному значению T0, т.е. графические зависимости представлены
в безразмерной форме. Как видно из рисунка, с ростом толщины
пакета падает влияние износа листов на несущую способность
соединений. В целом падение несущей способности соединений
весьма существенно и при реальных
величинах
подвижки
s
2 3см
составляет для стыковых соединений
80-94%.
характер
Весьма
существенно
падений
на
несущей
способности соединения сказывается
Рис.3.3. Падение несущей способности ФПС в
зависимости от величины подвижки для болта
24 мм при коэффициенте износа k=3 10-8Н-1 для
различной толщины листов пакета l
- l=20 мм; - l=30 мм; - l=40 мм;
- l=50 мм; - l=60 мм; - l=70 мм; - l=80 мм
коэффициент износа k. На рис.3.3
приведены
зависимости
несущей
способности соединения от величины
подвижки s при k~3×10-8 H-1.
Исследования показывают, что при k > 2 10-7 Н-1 падение несущей
способности соединения превосходит 50%. Такое падение натяжения
должно приводить к существенному росту взаимных смещений
соединяемых деталей и это обстоятельство должно учитываться в
инженерных расчетах. Вместе с тем рассматриваемый эффект будет
приводить к снижению нагрузки, передаваемой соединением. Это
позволяет при использовании ФПС в качестве сейсмоизолирующего
элемента конструкции рассчитывать усилия в ней, моделируя ФПС
демпфером сухого трения.
209

210.

3.4. Решение общего уравнения для нахлесточных ФПС
Для нахлесточных ФПС общее решение (3.5) определяется видом
функций f(s) и >(s).Функция f(s) зависит от удлинения болта
вследствие искривления его оси. Если принять для искривленной оси
аппроксимацию в виде:
u( x ) s sin
x
2l
(3.9)
,
где x — расстояние от середины болта до рассматриваемой точки
(рис. 3.3), то длина искривленной оси стержня составит:
1
L
1
2
s
2 2
1
2
2
cos
8l 2 1
2
x
2l
1
s 2 2
x
1 s
cos dx 1
cos
dx
2
4l
2l
2l
8
l
1
2
2
2
du
1 dx
dx
1
1
1
2
2
dx 1
2
2
s 2 2
.
8l
Удлинение болта при этом определится по формуле:
l L l
s 2 2
.
8l
Учитывая,
(3.10)
что
приближенность
представления
(3.9)
компенсируется коэффициентом k, который может быть определен из
экспериментальных данных, получим следующее представление для
f(s):
2
f(s) s
l
.
Для дальнейшего необходимо учесть, что деформирование тела
болта будет иметь место лишь до момента срыва его головки, т.е. при
s < s0. Для записи этого факта воспользуемся единичной функцией
Хевисайда :
f(s)
s2
( s s0 ).
l
(3.11)
210

211.

Перейдем теперь к заданию функции (s). При этом необходимо
учесть следующие ее свойства:
1. пластика проявляется лишь при превышении подвижкой s
некоторой величины Sпл, т.е. при Sпл<s<S0.
2. предельное натяжение стержня не превосходит усилия Nт, при
котором напряжения в стержне достигнут предела текучести,
т.е.:
lim ( N0 кf ( s ) ( s )) 0 .
(3.12)
s
Указанным условиям удовлетворяет функция (s) следующего
вида:
( s ) N пл ( NТ N пл ) ( 1 e q( s S пл ) ) 1 ( s s0 ) ( s S пл).
(3.13)
Подстановка выражений (3.11, 3.12) в интеграл (3.5) приводит к
следующим зависимостям износа листов пакета от перемещения s:
при s<Sпл
s
N0
k
2
2
( 1 e k1as ) s 2
s
1 e k1as
2
a
al
k1a
k1a
,
(3.14)
при Sпл< s<S0
( s ) I ( Sпл ) k1(
),
NT
N N пл
1 ek1a( S пл s ) T
k1a
k1 a
(3.15)
e ( S пл s ) ek1a( S пл s )
при s<S0
( s ) II ( S0 )
N ( S0 )
( 1 e k 2 a( s S0 ) ).
a
Несущая
способность
(3.16)
соединения
определяется
при
этом
выражением:
(3.17)
T T0 fv a .
Здесь fv— коэффициент трения, зависящий в общем случае от
скорости
подвижки
v.
Ниже
211
мы
используем
наиболее

212.

распространенную зависимость коэффициента трения от скорости,
записываемую в виде:
f
f0
,
1 kvV
(3.18)
где kv — постоянный коэффициент.
Предложенная
зависимость
содержит
9
неопределенных
параметров:
k1, k2, kv, S0, Sпл, q, f0, N0, и k0. Эти параметры должны
определяться из данных эксперимента.
В отличие от стыковых соединений в формуле (3.17) введено два
коэффициента
износа
-
на
втором
участке
диаграммы
деформирования износ определяется трением между листами пакета
и характеризуется коэффициентом износа k1, на третьем участке
износ определяется трением между шайбой болта и наружным
листом пакета; для его описания введен коэффициент износа k2.
На
рис.
3.4
приведен
пример
теоретической
диаграммы
деформирования при реальных значениях параметров k1 = 0.00001;
k2 =0.000016; kv = 0.15; S0 = 10 мм; Sпл = 4 мм; f0 = 0.3; N0 = 300 кН.
Как видно из рисунка, теоретическая диаграмма деформирования
соответствует описанным выше экспериментальным диаграммам.
212

213.

Рис. 3.4 Теоретическая диаграмма деформирования ФПС
213

214.

26
4. АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОТЫ ФПС
Для анализа работы ФПС и сооружений с такими соединениями необходимы
фактические
данные
о
параметрах
исследуемых
соединений.
Экспериментальные
исследования работы ФПС достаточно трудоемки, однако в 1980-85 гг. такие исследования
были начаты в НИИ мостов А.Ю.Симкиным [3,11]. В частности, были получены записи Т(s)
для нескольких одноболтовых и четырехболтовых соединений.
Для анализа поведения ФПС были испытаны соединения с болтами диаметром 22, 24,
27 и 48 мм. Принятые размеры образцов обусловлены тем, что диаметры 22, 24 и 27 мм
являются наиболее распространенными. Однако при этом в соединении необходимо
размещение слишком большого количества болтов, и соединение становится громоздким.
Для уменьшения числа болтов необходимо увеличение их диаметра. Поэтому было
рассмотрено ФПС с болтами наибольшего диаметра 48 мм. Общий вид образцов показан на
рис. 4.1.
Рис. 4.1 Общий вид образцов ПС с болтами 48 мм
Пластины ФПС были выполнены из толстолистовой стали марки 10ХСНД.
Высокопрочные болты были изготовлены тензометрическими из стали 40Х "селект" в
соответствии с требованиями [6]. Контактные поверхности пластин были обработаны
протекторной цинкосодержащей грунтовкой ВЖС-41 после дробеструйной очистки. Болты
были предварительно протарированы с помощью электронного пульта АИ-1 и при сборке
соединений натягивались по этому же пульту в соответствии с тарировочными
зависимостями ручным ключом на заданное усилие натяжения N0.
214
4.

215.

АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ РАБОТЫ ФПС
Для анализа работы ФПС и сооружений с такими соединениями
необходимы
соединений.
фактические
данные
Экспериментальные
о
параметрах
исследования
исследуемых
работы
ФПС
достаточно трудоемки, однако в 1980-85 гг. такие исследования были
начаты в НИИ мостов А.Ю.Симкиным [3,11]. В частности, были
получены
записи
Т(s)
для
нескольких
одноболтовых
и
четырехболтовых соединений.
Для анализа поведения ФПС были испытаны соединения с
болтами диаметром 22, 24, 27 и 48 мм. Принятые размеры образцов
обусловлены тем, что диаметры 22, 24 и 27 мм являются наиболее
Рис. 4.1 Общий вид образцов ПС с болтами 48 мм
распространенными. Однако при этом в соединении необходимо
размещение слишком большого количества болтов, и соединение
становится громоздким. Для уменьшения числа болтов необходимо
увеличение их диаметра. Поэтому было рассмотрено ФПС с болтами
215

216.

наибольшего диаметра 48 мм. Общий вид образцов показан на рис.
4.1.
Пластины ФПС были выполнены из толстолистовой стали марки
10ХСНД.
Высокопрочные
тензометрическими
требованиями
из
[6].
стали
болты
40Х
Контактные
были
"селект"
в
поверхности
изготовлены
соответствии
пластин
с
были
обработаны протекторной цинкосодержащей грунтовкой ВЖС-41
после
дробеструйной
очистки.
Болты
были
предварительно
протарированы с помощью электронного пульта АИ-1 и при сборке
соединений натягивались по этому же пульту в соответствии с
тарировочными зависимостями ручным ключом на заданное усилие
натяжения N0.
Испытания проводились на пульсаторах в НИИ мостов и на
универсальном динамическом стенде УДС-100 экспериментальной
базы ЛВВИСКУ. В испытаниях на стенде импульсная нагрузка на ФПС
обеспечивалась путем удара движущейся массы М через резиновую
прокладку в рабочую тележку, связанную с ФПС жесткой тягой.
Масса и скорость тележки, а также жесткость прокладки подбирались
таким образом, чтобы при неподвижной рабочей тележке получился
импульс силы с участком, на котором сила сохраняет постоянное
значение, длительностью около 150 мс. Амплитудное значение
импульса силы подбиралось из условия некоторого превышения
несущей способности ФПС. Каждый образец доводился до реализации
полного смещения по овальному отверстию.
Во
время
испытаний
на
стенде
и
пресс-пульсаторах
контролировались следующие параметры:
• величина динамической продольной силы в пакете ФПС;
• взаимное смещение пластин ФПС;
• абсолютные скорости сдвига пластин ФПС;
216

217.

• ускорение движения пластин ФПС и ударные массы (для
испытаний на стенде).
После
каждого
нагружения
проводился
замер
напряжения
высокопрочного болта.
Из полученных в результате замеров данных наибольший интерес
представляют для нас зависимости продольной силы, передаваемой
на соединение (несущей способности ФПС), от величины подвижки S.
Эти зависимости могут быть получены теоретически по формулам,
приведенным выше в разделе 3. На рисунках 4.2 - 4.3 приведено
графическое
Рис. 4.2, 4.3 Экспериментальные диаграммы деформирования ФПС для
болтов 22 мм и 24 мм.
представление полученных диаграмм деформирования ФПС. Из
рисунков видно, что характер зависимостей Т(s) соответствует в
целом принятым гипотезам и результатам теоретических построений
предыдущего раздела. В частности, четко проявляются три участка
деформирования
соединения,
соединения:
после
до
проскальзывания
проскальзывания
листов
элементов
пакета
и
после
проскальзывания шайбы относительно наружного листа пакета.
Вместе
с
тем,
необходимо
отметить
существенный
разброс
полученных диаграмм. Это связано, по-видимому, с тем, что в
проведенных испытаниях принят наиболее простой приемлемый
217

218.

способ обработки листов пакета. Несмотря на наличие существенного
разброса,
полученные
диаграммы
оказались
пригодными
для
дальнейшей обработки.
В результате предварительной обработки экспериментальных
данных построены диаграммы деформирования нахлесточных ФПС. В
соответствии с ранее изложенными теоретическими разработками
эти диаграммы должны описываться уравнениями вида (3.14). В
указанные уравнения входят 9 параметров:
N0— начальное натяжение; f0 — коэффициент трения покоя;
k0
—
коэффициент,
определяющий
влияние
скорости
на
коэффициент трения скольжения;
k1— коэффициент износа по контакту трущихся листов пакета;
k2— коэффициент износа по контакту листа и шайбы;
Sпл
—
предельное
смещение,
при
котором
возникают
пластические деформации в теле болта;
S0— предельное смещение, при котором возникает срыв шайбы
болта относительно листа пакета;
к — коэффициент, характеризующий увеличение натяжения
болта вследствие геометрической нелинейности его работы;
q — коэффициент, характеризующий уменьшение натяжения
болта вследствие его пластической работы.
Обработка
экспериментальных
данных
заключалась
в
определении этих 9 параметров. При этом параметры варьировались
на сетке их возможных значений. Для каждой девятки значений
параметров по методу наименьших квадратов вычислялась величина
невязки
между
деформирования,
расчетной
причем
и
экспериментальной
невязка
суммировалась
цифровки экспериментальной диаграммы.
218
диаграммами
по
точкам

219.

Для поиска искомых значений параметров для болтов диаметром
24 мм последние варьировались в следующих пределах:
k1, k2— от 0.000001 до 0.00001 с шагом 0.000001 Н; kv— от 0 до 1 с
шагом 0.1 с/мм;
S0 — от величины Sпл до 25 с шагом 1 мм; Sпл — от 1 до 10 с шагом
1 мм;
q— от 0.1 до 1 с шагом 0.1 мм~1; f0— от 0.1 до 0.5 с шагом 0.05;
N0— от 30 до 60 с шагом 5 кН; к — от 0.1 до 1 с шагом 0.1;
Н
а рис.
4.4 и
4.5
приве
дены
харак
терн
Рис. 4.5
Рис.4.4
ые
диаграммы деформирования ФПС, полученные экспериментально и
соответствующие
им
теоретические
диаграммы.
Сопоставление
расчетных и натурных данных указывают на то, что подбором
параметров ФПС удается добиться хорошего совпадения натурных и
расчетных диаграмм деформирования ФПС. Расхождение диаграмм
на конечном их участке обусловлено резким падением скорости
подвижки
перед
остановкой,
не
учитываемым
в
рамках
предложенной теории расчета ФПС. Для болтов диаметром 24 мм
было обработано 8 экспериментальных диаграмм деформирования.
Результаты определения параметров соединения для каждой из
подвижек приведены в таблице 4.1.
Таблица 4.1
219

220.

Результаты определения параметров ФПС
параметры k1106, k2
k ,
S0, SПЛ
q,
f0 N0, к
1
6
-1
N подвижки кН10 , с/мм мм мм мм
кН
1
кН1
11
32
0.25 11
9 0.0000 0.34 105 260
2
8
15
0,24 8
7 0.0004
0.36 152 90
1
3
12
27
0.44 13.5 11.2 0.0001
0.39 125 230
4
4
7
14
0.42 14.6 12 0.0001
0.29 193 130
2
5
14
35
0.1
8 4.2 0.0006
0.3 370 310
1
6
6
11
0.2 12
9 0.0000 0.3 120 100
7
8
20
0.2 19 16 0.0000
0.3 106 130
2
8
8
15
0.3
9 2.5 0.0002
0.35 154 75
1
8
Приведенные в таблице 4.1 результаты вычислений параметров
соединения
были
статистически
обработаны
и
получены
математические ожидания и среднеквадратичные отклонения для
каждого из параметров. Их значения приведены в таблице 4.2. Как
видно
из
приведенной
таблицы,
значения
параметров
характеризуются значительным разбросом. Этот факт затрудняет
применение
одноболтовых
ФПС
с
поверхности (обжиг листов пакета).
одноболтовых
к
многоболтовым
рассмотренной
обработкой
Вместе с тем, переход от
соединениям
должен
снижать
разброс в параметрах диаграммы деформирования.
Таблица. 4.2.
Результаты статистической обработки значений параметров ФПС
Значения параметров
Параметры
математическо среднеквадратичн
соединени
е
ое
6я
1
ожидание
отклонение
k1 10 , КН9.25
2.76
6
1
k2 10 , кН21.13
9.06
kv с/мм
0.269
0.115
S0, мм
11.89
3.78
Sпл , мм
8.86
4.32
-1
q, мм
0.00019
0.00022
f0
0.329
0.036
Nо,кН
165.6
87.7
220

221.

165.6
88.38
5. ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ДИАГРАММЫ
ДЕФОРМИРОВАНИЯ МНОГОБОЛТОВЫХ
ФРИКЦИОННО-ПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ (ФПС)
5.1. Общие положения методики расчета
многоболтовых ФПС
Имеющиеся теоретические и экспериментальные исследования
одноболтовых ФПС позволяют перейти к анализу многоболтовых
соединений. Для упрощения задачи примем широко используемое в
исследованиях фрикционных болтовых соединений предположение о
том, что болты в соединении работают независимо. В этом случае
математическое ожидание несущей способности T и дисперсию DT
(или среднеквадратическое отклонение T ) можно записать в виде:
T( s )
DT
T ( s , 1 , 2 ,... k ) p1( 1 ) p2 ( 2 )... pk ( k )d 1d 2 ...d k
(T T )
2
p1 p2 ... pk d 1d 2 ...d k
... T 2 p1 p2 ... pk d 1d 2 ...d k
(5.1)
(5.2)
T
2
T DT
(5.3)
В приведенных формулах:
T ( s , 1 , 2 ,... k ) - найденная выше зависимость несущей способности
T от подвижки s и параметров соединения i; в нашем случае в
221

222.

качестве параметров выступают коэффициент износа k, смещение
при срыве соединения S0 и др.
pi(ai) — функция плотности распределения i-го параметра; по
имеющимся данным нам известны лишь среднее значение i
и их
стандарт (дисперсия).
Для дальнейших исследований приняты два возможных закона
распределения
возможном
параметров
диапазоне
ФПС:
равномерное
изменения
параметров
в
некотором
и
min i max
нормальное. Если учесть, что в предыдущих исследованиях получены
величины
математических
ожиданий
i и
стандарта
i ,
то
соответствующие функции плотности распределения записываются в
виде:
а) для равномерного распределения
pi
1
при 3 3
2 i 3
(5.4)
и pi = 0 в остальных случаях;
б) для нормального распределения
pi
1
i 2
2
i ai
e
2 i 2
(5.5)
.
Результаты расчетного определения зависимостей T(s) и (s) при
двух законах распределения сопоставляются между собой, а также с
данными натурных испытаний двух, четырех, и восьми болтовых
ФПС.
5.2. Построение уравнений деформирования стыковых
многоболтовых ФПС
Для
вычисления
несущей
способности
соединения
сначала
рассматривается более простое соединение встык. Такое соединение
222

223.

характеризуется всего двумя параметрами - начальной несущей
способностью Т0 и коэффициентом износа k. При этом несущая
способность одноболтового соединения описывается уравнением:
T=Toe-kas .
(5.6)
В случае равномерного распределения математическое ожидание
несущей способности соединения из п болтов составит:
k T 3
dk
dT
kas
T
e
2
3
2
3
k
T
3
k T 3
T0 T 3
T n
T0 T
nT0 e kas
При
sh( sa k 3 )
sa k
(5.7)
.
нормальном
законе
распределения
математическое
ожидание несущей способности соединения из п болтов определится
следующим образом:
T n
kas
Te
1
T 2
( T T ) 2
e
2 T 2
1
k 2
( k k )2
e
2 k 2
dkdT
( k k )2
( T T ) 2
2
2
1
1
2 k
2 T
kas
n
Te
dT
e
e
dk
.
T 2
k 2
Если
учесть,
математическим
что
для
ожиданием
любой
случайной
функцией
x
величины
распределения
x
с
р(х}
выполняется соотношение:
x
x p( x ) dx ,
то первая скобка. в описанном выражении для вычисления
несущей
способности
соединения
Т
равна
математическому
ожиданию начальной несущей способности Т0. При этом:
T nT0
1
k 2
kas
e
( k k )2
2 k 2
dk .
223

224.

Выделяя в показателе степени полученного выражения полный
квадрат, получим:
T nT0
nT0
1
k 2
1
k 2
k k as k2 2 as k as k2
2 k2
e
2
dk
2
as 2
k k as k2
k
as k
2
2 k2
e
e
dk .
Подынтегральный член в полученном выражении с учетом
1
множителя
k 2
представляет не что иное, как функцию плотности
нормального распределения с математическим ожиданием k as k2 и
среднеквадратичным отклонением k . По этой причине интеграл в
полученном выражении тождественно равен 1
и выражение для
несущей способности соединения принимает окончательный вид:
T nT0 e
ask
a 2 s 2 k2
2
.
(5.8)
Соответствующие принятым законам распределения дисперсии
составляют:
для равномерного закона распределения
2
2
D nT0 e 2 ask 1 T F ( 2 x ) F ( x )2 ,
2
T0
где F ( x )
(5.9)
shx
; x sa k 3
x
для нормального закона распределения
2
2
2 1
D n T0 T2 1 ( A1 ) e A1 T0 e A 1 ( A ) ,
2
где A1 2 as( k2 as k ).
224
(5.10)

225.

Представляет интерес сопоставить полученные зависимости с
аналогичными
зависимостями,
выведенными
выше
для
одноболтовых соединений.
Рассмотрим,
прежде
всего,
характер
изменения
несущей
способности ФПС по мере увеличения подвижки s и коэффициента
k
износа
для
случая
использования
равномерного
закона
распределения в соответствии с формулой (5.4). Для этого введем по
аналогии с (5.4) безразмерные характеристики изменения несущей
способности:
относительное падение несущей способности
sh( x )
kas
T
x
1
e
nT0
(5.11)
.
коэффициент перехода от одноболтового к многоболтовому
соединению
1
T
nT0 e kas
Наконец
sh( x )
.
x
для
(5.12)
относительной
величины
среднеквадратичного
отклонения с с использованием формулы (5.9) нетрудно получить
1
nT0 e kas
2
1
T2 sh2 x shx
1
.
2 2 x
n
x
T
0
(5.13)
Аналогичные зависимости получаются и для случая нормального
распределения:
2
1 A
e 1 ( A ) ,
2
(5.14)
2 2
k s
1 2 kas
2 e
1 ( A )
2
2
T2
1
1
2
n
T0
,
(5.15)
2
1 ( A ) e A1 1 e A 1 ( A ) ,
1
2
где
225
(5.16)

226.

k2 s 2
A
2 s ka ,
2
A1 2 As ( k2 sa k ) ,
( A )
2
A
2
z
e dz .
0
На рис. 5.1 - 5.2 приведены зависимости i и i от величины
подвижки s. Кривые построены при тех же значениях переменных,
что использовались нами ранее при построении зависимости T/T0 для
одноболтового соединения. Как видно из рисунков, зависимости
i ( k , s ) аналогичны
зависимостям,
полученным
для
одноболтовых
соединений, но характеризуются большей плавностью, что должно
благоприятно сказываться на работе соединения и конструкции в
целом.
Особый интерес представляет с нашей точки зрения зависимость коэффициента перехода
i ( k , a , s ) . По своему смыслу математическое ожидание несущей способности многоболтового
соединения T получается из несущей способности одноболтового соединения Т1 умножением на ,
т.е.:
T T1
(5.17)
Согласно (5.12) lim x 1 . В частности, 1 при неограниченном увеличении
математического ожидания коэффициента износа k или смещения s. Более того, при выполнении
условия
k k 3
(5.18)
будет иметь место неограниченный рост несущей способности ФПС с увеличением подвижки s,
что противоречит смыслу задачи.
Полученный результат ограничивает возможность применения равномерного распределения
условием (5.18).
Что касается нормального распределения, то возможность его применения определяется
пределом:
lim 2
s
1
lim e ( kas A ) 1 ( A ) .
2 s
226

227.

Для анализа этого предела учтем известное в теории вероятности соотношение:
x2
1 2 1
lim 1 x lim
e
.
x
x
x
2
227

228.

1=
а)
2=Т/nT0
S, мм
Подвижка S, мм
Рис.5.1. Графики зависимости расчетного снижения несущей способности ФПС от величины
подвижки в соединении при различной толщине пакета листов l
а) при использовании равномерного закона распределения параметров ФПС
б) при использовании нормального закона распределения параметров ФПС
228

229.

● - l=20мм; ▼- l=30мм; □ - l=40мм; - l=50мм; - l=60мм; ○ - l=70мм; - l=80мм;
229

230.

1
а)
S, мм
Коэффициент перехода 2
б)
Подвижка S, мм
Рис.5.2. Графики зависимости коэффициента перехода от одноболтового к многоболтовому ФПС
от величины подвижки в соединении при различной толщине пакета листов l
230

231.

а) при использовании равномерного закона распределения параметров ФПС
б) при использовании нормального закона распределения параметров ФПС
● - l=20мм; - l=30мм; □ - l=40мм; - l=50мм; - l=60мм; ○ - l=70мм; - l=80мм
С учетом сказанного получим:
1
1
lim 2 lim e kas A
e
s
s 2
2
A2
2
1
0.
A
(5.19)
Предел (5.19) указывает на возможность применения нормального закона распределения при
любых соотношениях k и k.
Результаты обработки экспериментальных исследований, выполненные ранее, показывают,
что разброс значений несущей способности ФПС для случая обработки поверхностей соединяемых
листов путем нанесения грунтовки ВЖС достаточно велик и достигает 50%. Однако даже в этом
случае применение ФПС вполне приемлемо, если перейти от одноболтовых к многоболтовым
соединениям. Как следует из полученных формул (5.13, 5.16), для среднеквадратичного отклонения
1 последнее убывает пропорционально корню из числа болтов.
На рисунке 5.3 приведена
зависимость относительной величины среднеквадратичного отклонения 1 от безразмерного
параметра х для безразмерной подвижки 2-х, 4-х, 9-ти и 16-ти болтового соединений. Значения T и
T0 приняты в соответствии с данными выполненных экспериментальных исследований. Как видно из
графика, уже для 9-ти болтового соединения разброс значений несущей способности Т не
превосходит 25%, что следует считать вполне приемлемым.
231

232.

Рис.5.3. Зависимость относительного разброса несущей
способности ФПС от величины подвижки при различном
числе болтов n
5.3. Построение уравнений деформирования
нахлесточных многоболтовых соединений
Распространение использованного выше подхода на расчет нахлесточных соединений
достаточно громоздко из-за большого количества случайных параметров, определяющих работу
соединения. Однако с практической точки зрения представляется важным учесть лишь
максимальную силу трения Тmax, смещение при срыве соединения S0 и коэффициент износа k. При
этом диаграмма деформирования соединения между точками (0,Т0) и (S0, Tmax) аппроксимируется
линейной зависимостью. Для учета излома графика T(S) в точке S0 введена функция :
1 при 0 S S 0
0 при S S 0
S , S 0
(5.20)
При этом диаграмма нагружения ФПС описывается уравнением:
T ( S ) T1( S , S0 ,T0 ,Tmax ) ( S , S0 ) T2 ( S ,Tmax ,k , S0 ) 1 ( S , S0 ) ,
232
(5.21)

233.

где T1( S ) T0 ( Tmax T0 )
S
,
S0
T2 ( S ) Tmax e ka( S S0 ) .
Математическое ожидание несущей способности нахлесточного соединения из n болтов
определяется следующим интегралом:
T n
T
( S ) p( k ) p( S0 ) p( Tmax ) dk dS0 dT0 dTmax n I 1 I 2
(5.22)
k S0 T0 Tmax
Обратимся сначала к вычислению первого интеграла. После подстановки в (5.22)
представления для Т1 согласно (5.20) интеграл I1 может быть представлен в виде суммы трех
интегралов:
s
T0 ( Tmax T0 ) s , S 0 p( S 0 ) p( T0 ) p( Tmax )
S0
S0 T0 Tmax
dS 0 dT0 dTmax I 1,1 I 1,2 I 1,3
I1
(5.23)
где
I1,1
T0 p( T0 ) ( s ,S0 )p( S0 ) p( T0 ) p( Tmax )dTmax dS0 dT0
S0 T0 Tmax
T0 p( T0 )dT0 s , S0 p( S0 )dS0 Tmax p( Tmax )dTmax
T0
S0
Tmax
Если учесть, что для любой случайной величины x выполняются соотношения:
p( x )dx 1
и
xp( x )dx x ,
то получим
I 1,1 T ( s , S0 )p( S0 ) dS0 .
S0
Аналогично
I1,2
Tmax
S0 T0 Tmax
T max
S0
( s , S0 )
S0
s
( s , S0 )p( S0 ) p( T0 ) p( Tmax ) dS0 dT0 dTmax
S0
p( S0 ) dS0 .
233

234.

I1,3
T0
S0 T0 Tmax
T0
( s , S0 )
S0
S0
s
( s , S0 )p( S0 ) p( T0 ) p( Tmax ) dS0 dT0 dTmax
S0
p( S0 ) dS0 .
Если ввести функции
1 ( s ) ( s , S 0 ) p( S 0 ) dS0
(5.24)
и
1( s )
( s , S0 )
S0
p( S 0 ) dS0 ,
(5.25)
то интеграл I1 можно представить в виде:
I 1 T 1( s ) ( T max T 0 )s 2 ( s ).
(5.26)
Если учесть, что на первом участке s < S0, то с учетом (5.20) формулы (5.24) и (5.25) упростятся и
примут вид:
1( s ) p( S0 )dS0
(5.27)
s
2( s )
s
p( S0 )
dS0 .
S0
(5.28)
Для нормального распределения p(S0) функция 1 1 erf ( s ) , а
функция записывается в виде:
( S0 S 0 )2
2
s
e
2 s2
S0
(5.29)
dS0 .
Для равномерного распределения функции 1 и 2 могут быть
представлены аналитически:
234

235.

1 при s S 0 s 3
1 S0 s 3 s при S 0 s 3 s S 0 s 3
0 при s S 0 s 3 .
(5.30)
S0 s 3
1
ln
при s S 0 s 3
2 s 3 S 0 s 3
S0 s 3
1
2
ln
при S 0 s 3 s S 0 s 3
s
2 s 3
0 при s S 0 s 3
(5.31)
Аналитическое
представление
для
интеграла
(5.23)
весьма
сложно. Для большинства видов распределений его целесообразно
табулировать; для равномерного распределения интегралы I1 и I2
представляются в замкнутой форме:
S0 s 3
S
ln
при S S 0 s 3
T 0 ( T max T 0 )
2 s 3 S 0 s 3
S0 s 3
S0 s 3
1
( T max T 0 )S ln
I1
T 0 S 0 s 3 S ln
(5.32)
s
s
2 s 3
при S 0 s 3 S S 0 s 3
0 при S S 0 3
s
0 при S S 0 s 3
I2 T m
F( S ) F( s 3 )
2 s 3
при
(5.33)
S S0 s 3,
причем F ( x ) Ei ax( k k 3 ) Ei ax( k k 3 ) . В формулах (5.32, 5.33)
Ei - интегральная показательная функция.
Полученные
экспериментальных
формулы
подтверждены
исследований
многоболтовых
результатами
соединений
и
рекомендуются к использованию при проектировании сейсмостойких
конструкций с ФПС.
235

236.

42
6. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ТЕХНОЛОГИИ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФПС И СООРУЖЕНИЙ С
ТАКИМИ СОЕДИНЕНИЯМИ
Технология изготовления ФПС включает выбор материала элементов соединения,
подготовку контактных поверхностей, транспортировку и хранение деталей, сборку
соединений. Эти вопросы освещены ниже.
6.1. Материалы болтов, гаек, шайб и покрытий
контактных поверхностей стальных деталей ФПС
и опорных поверхностей шайб
Для ФПС следует применять высокопрочные болты по ГОСТ 553-77, гайки по ГОСТ
22354-74, шайбы по ГОСТ 22355-75 с обработкой опорной поверхности по указаниям
раздела 6.4 настоящего пособия. Основные размеры в мм болтов, гаек и шайб и расчетные
площади поперечных сечений в мм2 приведены в табл.6.1.
Таблица 6.1.
Номиналь
Расчетная
Высота
Высота
ный
площадь
головки
гайки
12
15
диаметр по сечения
телу по резьбе
по
болта
16
201
157
Размер
Диаметр
Размеры шайб
Толщина
Диаметр
под ключ опис.окр.
внутр.
нар.
гайки
27
29,9
4
18
37
18
255
192
13
16
30
33,3
4
20
39
20
314
245
14
18
32
35,0
4
22
44
22
380
303
15
19
36
39,6
6
24
50
24
453
352
17
22
41
45,2
6
26
56
27
573
459
19
24
46
50,9
6
30
66
30
707
560
19
24
46
50,9
6
30
66
36
1018
816
23
29
55
60,8
6
39
78
42
1386
1120
26
34
65
72,1
8
45
90
48
1810
1472
30
38
75
83,4
8
52
100
Полная длина болтов в случае использования шайб по ГОС 22355-75 назначается в
соответствии с данными табл.6.2.
6.
236

237.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФПС И
СООРУЖЕНИЙ С ТАКИМИ СОЕДИНЕНИЯМИ
Технология
элементов
изготовления
соединения,
транспортировку
и
ФПС
включает
подготовку
хранение
выбор
контактных
деталей,
сборку
материала
поверхностей,
соединений.
Эти
вопросы освещены ниже.
6.1.
Материалы болтов, гаек, шайб и покрытий
контактных поверхностей стальных деталей ФПС и
опорных поверхностей шайб
Для ФПС следует применять высокопрочные болты по ГОСТ 55377, гайки по ГОСТ 22354-74, шайбы по ГОСТ 22355-75 с обработкой
опорной поверхности по указаниям раздела 6.4 настоящего пособия.
Основные размеры в мм болтов, гаек и шайб и расчетные площади
поперечных сечений в мм2 приведены в табл.6.1.
Таблица 6.1.
Номина Расчетная
льный
диаметр
болта
Высота Высот Разме Диамет
площадь головк
сечения
и
а
р под
р
Размеры шайб
Диаметр
внут нар.
на
Толщи
гайки ключ опис.ок
по
р.
р. гайки
по телу по
16
201 резьбе
157
12
15
27
29,9
4
18
37
18
255 192
13
16
30
33,3
4
20
39
20
314 245
14
18
32
35,0
4
22
44
22
380 303
15
19
36
39,6
6
24
50
24
453 352
17
22
41
45,2
6
26
56
27
573 459
19
24
46
50,9
6
30
66
237

238.

30
707 560
19
24
46
50,9
6
30
66
36
1018 816
23
29
55
60,8
6
39
78
42
1386 1120
26
34
65
72,1
8
45
90
48
1810 1472
30
38
75
83,4
8
52
100
Полная длина болтов в случае использования шайб по ГОС 2235575 назначается в соответствии с данными табл.6.2.
Таблица 6.2.
Номинальна Длина резьбы 10 при номинальном диаметре
16 18 20 22 24 27 30 36 42 48
я
длина резьбы d
40
*
45
38 *
стержня
50
38 42 *
55
38 42 46 *
60
38 42 46 50 *
65
38 42 46 50 54
70
38 42 46 50 54 60
75
38 42 46 50 54 60 66
80
38 42 46 50 54 60 66
85
38 42 46 50 54 60 66
90
38 42 46 50 54 60 66 78
95
38 42 46 50 54 60 66 78
100
38 42 46 50 54 60 66 78
105
38 42 46 50 54 60 66 78 90
110
38 42 46 50 54 60 66 78 90 102
115
38 42 46 50 54 60 66 78 90 102
120
38 42 46 50 54 60 66 78 90 102
125
38 42 46 50 54 60 66 78 90 102
130
38 42 46 50 54 60 66 78 90 102
140
38 42 46 50 54 60 66 78 90 102
150
38 42 46 50 54 60 66 78 90 102
160,
170,
190,
200, 44 48 52 56 60 66 72 84 96 108
180
240,260,280,
220
Примечание:
знаком * отмечены болты с резьбой по всей длине стержня.
300
Для консервации контактных поверхностей стальных деталей
следует применять фрикционный грунт ВЖС 83-02-87 по ТУ. Для
нанесения на опорные поверхности шайб методом плазменного
напыления антифрикционного покрытия следует применять в
238

239.

качестве материала подложки интерметаллид ПН851015 по ТУ14-1-3282-81, для несущей структуры - оловянистую бронзу
БРОФ10-8 по ГОСТ, для рабочего тела - припой ПОС-60 по ГОСТ.
Примечание: Приведенные данные действительны при сроке
хранения несобранных конструкций до 1 года.
6.2. Конструктивные требования к соединениям
В
конструкциях
соединений
должна
быть
обеспечена
возможность свободной постановки болтов, закручивания гаек и
плотного
стягивания
постановки
с
пакета
болтами
применением
во
всех
местах
динамометрических
ключей
их
и
гайковертов.
Номинальные
диаметры
круглых
и
ширина
овальных
отверстий в элементах для пропуска высокопрочных болтов
принимаются по табл.6.3.
Таблица 6.3.
Группа
Номинальный диаметр болта в мм.
16 18 20 22 24 27 30 36 42 48
соединений
Определяющи 17 19 21 23 25 28 32 37 44 50
х геометрию
Не
20
23
25
28
30
33
36
40
45
52
определяющи
Длины овальных
х геометрию
отверстий
в
элементах
для
пропуска
высокопрочных болтов назначают по результатам вычисления
максимальных абсолютных смещений соединяемых деталей для
каждого ФПС по результатам предварительных расчетов при
обеспечении
несоприкосновения
болтов
о
края
овальных
отверстий, и назначают на 5 мм больше для каждого возможного
направления смещения.
ФПС следует проектировать возможно более компактными.
239

240.

Овальные отверстия одной детали пакета ФПС могут быть не
сонаправлены.
Размещение болтов в овальных отверстиях при сборке ФПС
устанавливают
с
учетом
назначения
ФПС
и
направления
смещений соединяемых элементов.
При необходимости в пределах одного овального отверстия
может быть размещено более одного болта.
Все
контактные
поверхности
деталей
ФПС,
являющиеся
внутренними для ФПС, должны быть обработаны грунтовкой
ВЖС 83-02-87 после дробеструйной (пескоструйной) очистки.
Не допускается осуществлять подготовку тех поверхностей
деталей ФПС, которые являются внешними поверхностями ФПС.
Диаметр болтов ФПС следует принимать не менее 0,4 от
толщины соединяемых пакета соединяемых деталей.
Во всех случаях несущая способность основных элементов
конструкции, включающей ФПС, должна быть не менее чем на
25%
больше
несущей
способности
ФПС
на
фрикционно-
неподвижной стадии работы ФПС.
Минимально
допустимое
расстояние
от
края
овального
отверстия до края детали должно составлять:
- вдоль направления смещения >= 50 мм.
- поперек направления смещения >= 100 мм.
В соединениях прокатных профилей с непараллельными
поверхностями
полок
или
при
наличии
непараллельности
наружных плоскостей ФПС должны применяться клиновидные
шайбы, предотвращающие перекос гаек и деформацию резьбы.
Конструкции
ФПС
и
конструкции,
обеспечивающие
соединение ФПС с основными элементами сооружения, должны
240

241.

допускать
возможность
ведения
последовательного
не
нарушающего связности сооружения ремонта ФПС.
6.3. Подготовка контактных поверхностей элементов
и методы контроля.
Рабочие контактные поверхности элементов и деталей ФПС
должны быть подготовлены посредством либо пескоструйной
очистки
в
соответствии
с
указаниями
ВСН
163-76,
либо
дробеструйной очистки в соответствии с указаниями.
Перед обработкой с контактных поверхностей должны быть
удалены заусенцы, а также другие дефекты, препятствующие
плотному прилеганию элементов и деталей ФПС.
Очистка должна производиться в очистных камерах или под
навесом,
или
на
открытой
площадке
при
отсутствии
атмосферных осадков.
Шероховатость поверхности очищенного металла должна
находиться в пределах 25-50 мкм.
На очищенной поверхности не должно быть пятен масел,
воды и других загрязнений.
Очищенные
контактные
соответствовать
первой
поверхности
степени
удаления
должны
окислов
и
обезжиривания по ГОСТ 9022-74.
Оценка
шероховатости
контактных
поверхностей
производится визуально сравнением с эталоном или другими
апробированными способами оценки шероховатости.
Контроль степени очистки может осуществляться внешним
осмотром поверхности при помощи лупы с увеличением не менее
6-ти кратного. Окалина, ржавчина и другие загрязнения на
очищенной поверхности при этом не должны быть обнаружены.
241

242.

Контроль
степени
обезжиривания
осуществляется
следующим образом: на очищенную поверхность наносят 2-3
капли бензина и выдерживают не менее 15 секунд. К этому
участку поверхности прижимают кусок чистой фильтровальной
бумаги и держат до полного впитывания бензина. На другой
кусок фильтровальной бумаги наносят 2-3 капли бензина. Оба
куска выдерживают до полного испарения бензина. При дневном
освещении
сравнивают
фильтровальной
внешний
бумаги.
Оценку
вид
степени
обоих
кусков
обезжиривания
определяют по наличию или отсутствию масляного пятна на
фильтровальной бумаге.
Длительность
перерыва
между
пескоструйной
очисткой
поверхности и ее консервацией не должна превышать 3 часов.
Загрязнения, обнаруженные на очищенных поверхностях, перед
нанесением консервирующей грунтовки ВЖС 83-02-87 должны
быть
удалены
жидким
калиевым
стеклом
или
повторной
очисткой. Результаты проверки качества очистки заносят в
журнал.
6.4. Приготовление и нанесение протекторной
грунтовки ВЖС 83-02-87. Требования к
загрунтованной поверхности. Методы контроля
Протекторная грунтовка ВЖС 83-02-87 представляет собой
двуупаковочный
лакокрасочный
материал,
состоящий
из
алюмоцинкового сплава в виде пигментной пасты, взятой в
количестве 66,7% по весу, и связующего в виде жидкого
калиевого стекла плотностью 1,25, взятого в количестве 33,3%
по весу.
242

243.

Каждая
партия
документации
поступившие
материалов
на
должна
соответствие
без
ТУ.
быть
проверена
Применять
документации
по
материалы,
завода-изготовителя,
запрещается.
Перед смешиванием составляющих протекторную грунтовку
ингредиентов
следует
довести
жидкое
калиевое
стекло
до
необходимой плотности 1,25 добавлением воды.
Для приготовления грунтовки ВЖС 83-02-87 пигментная
часть и связующее тщательно перемешиваются и доводятся до
рабочей вязкости 17-19 сек. при 18-20°С добавлением воды.
Рабочая вязкость грунтовки определяется вискозиметром ВЗ4 (ГОСТ 9070-59) по методике ГОСТ 17537-72.
Перед
и
во
время
нанесения
следует
перемешивать
приготовленную грунтовку до полного поднятия осадка.
Грунтовка
ВЖС
83-02-87
сохраняет
малярные
свойства
(жизнеспособность) в течение 48 часов.
Грунтовка ВЖС 83-02-87 наносится под навесом или в
помещении. При отсутствии атмосферных осадков нанесение
грунтовки можно производить на открытых площадках.
Температура воздуха при произведении работ по нанесению
грунтовки ВЖС 83-02-87 должна быть не ниже +5°С.
Грунтовка
ВЖС
83-02-87
может
наноситься
методами
пневматического распыления, окраски кистью, окраски терками.
Предпочтение следует отдавать пневматическому распылению.
Грунтовка ВЖС 83-02-87 наносится за два раза по взаимно
перпендикулярным
направлениям
с
промежуточной
сушкой
между слоями не менее 2 часов при температуре +18-20°С.
Наносить грунтовку следует равномерным сплошным слоем,
добиваясь окончательной толщины нанесенного покрытия 90243

244.

110 мкм. Время нанесения покрытия при естественной сушке при
температуре воздуха 18-20 С составляет 24 часа с момента
нанесения последнего слоя.
Сушка загрунтованных элементов и деталей во избежание
попадания
атмосферных
осадков
и
других
загрязнений
на
невысохшую поверхность должна проводится под навесом.
Потеки, пузыри, морщины, сорность, не прокрашенные места
и другие дефекты не допускаются. Высохшая грунтовка должна
иметь серый матовый цвет, хорошее сцепление (адгезию) с
металлом и не должна давать отлипа.
Контроль
толщины
покрытия
осуществляется
магнитным
толщиномером ИТП-1.
Адгезия определяется методом решетки в соответствии с
ГОСТ
15140-69
на
контрольных
образцах,
окрашенных
по
принятой технологии одновременно с элементами и деталями
конструкций.
Результаты
проверки
качества
защитного
покрытия
заносятся в Журнал контроля качества подготовки контактных
поверхностей ФПС.
6.4.1 Основные требования по технике безопасности
при работе
с грунтовкой ВЖС 83-02-87
Для обеспечения условий труда необходимо соблюдать:
"Санитарные
применением
правила
ручных
при
окрасочных
распылителей"
здравоохранения СССР, № 991-72)
244
работах
с
(Министерство

245.

"Инструкцию по санитарному содержанию помещений и
оборудования производственных предприятий" (Министерство
здравоохранения СССР, 1967 г.).
При
пневматическом
увеличения
методе
распыления,
туманообразования
и
расхода
во
избежание
лакокрасочного
материала, должен строго соблюдаться режим окраски. Окраску
следует производить в респираторе и защитных очках. Во время
окрашивания
в
располагаться
таким
материала
имела
закрытых
помещениях
образом,
чтобы
направление
струя
маляр
должен
лакокрасочного
преимущественно
в
сторону
воздухозаборного отверстия вытяжного зонта. При работе на
открытых площадках маляр должен расположить окрашиваемые
изделия так, чтобы ветер не относил распыляемый материал в
его сторону и в сторону работающих вблизи людей.
Воздушная магистраль и окрасочная аппаратура должны
быть оборудованы редукторами давления и манометрами. Перед
началом
работы
маляр
должен
проверить
герметичность
шлангов, исправность окрасочной аппаратуры и инструмента, а
также
надежность
присоединения
краскораспределителю
и
воздушных
шлангов
воздушной
к
сети.
Краскораспределители, кисти и терки в конце рабочей смены
необходимо
тщательно
очищать
и
промывать
от
остатков
грунтовки.
На каждом бидоне, банке и другой таре с пигментной частью
и связующим должна быть наклейка или бирка с точным
названием и обозначением этих материалов. Тара должна быть
исправной с плотно закрывающейся крышкой.
245

246.

При приготовлении и нанесении грунтовки ВЖС 83-02-87
нужно соблюдать осторожность и не допускать ее попадания на
слизистые оболочки глаз и дыхательных путей.
Рабочие
и
ИТР,
работающие
на
участке
консервации,
допускаются к работе только после ознакомления с настоящими
рекомендациями, проведения инструктажа и проверки знаний по
технике
безопасности.
На
участке
консервации
и
в
краскозаготовительном помещении не разрешается работать без
спецодежды.
Категорически запрещается прием пищи во время работы.
При попадании составных частей грунтовки или самой грунтовки
на слизистые оболочки глаз или дыхательных путей необходимо
обильно промыть загрязненные места.
246

247.

6.4.2 Транспортировка и хранение элементов и
деталей, законсервированных грунтовкой
ВЖС 83-02-87
Укладывать,
законсервированные
исключить
хранить
и
элементы
возможность
и
транспортировать
детали
нужно
механического
так, чтобы
повреждения
и
загрязнения законсервированных поверхностей.
Собирать можно только те элементы и детали, у которых
защитное
покрытие
высохло.
контактных
Высохшее
защитное
поверхностей
полностью
покрытие
контактных
поверхностей не должно иметь загрязнений, масляных пятен и
механических повреждений.
При наличии загрязнений и масляных пятен контактные
поверхности
должны
быть
обезжирены.
Обезжиривание
контактных поверхностей, законсервированных ВЖС 83-02-87,
можно
производить
водным
раствором
жидкого
калиевого
стекла с последующей промывкой водой и просушиванием.
Места механических повреждений после обезжиривания должны
быть подконсервированы.
6.5. Подготовка и нанесение антифрикционного
покрытия на опорные поверхности шайб
Производится очистка только одной опорной поверхности
шайб в дробеструйной камере каленой дробью крупностью не
более 0,1 мм. На отдробеструенную поверхность шайб методом
плазменного напыления наносится подложка из интерметаллида
ПН851015 толщиной . …..м. На подложку из интерметаллида
ПН851015 методом плазменного напыления наносится несущий
247

248.

слой
оловянистой
бронзы
БРОФ10-8.
На
несущий
слой
оловянистой бронзы БРОФ10-8 наносится способом лужения
припой ПОС-60 до полного покрытия несущего слоя бронзы.
6.6. Сборка ФПС
Сборка
ФПС
фрикционным
проводится
покрытием
с
использованием
одной
из
шайб
поверхностей,
с
при
постановке болтов следует располагать шайбы обработанными
поверхностями внутрь ФПС.
Запрещается
деталей
ФПС.
очищать
внешние
Рекомендуется
поверхности
использование
внешних
неочищенных
внешних поверхностей внешних деталей ФПС.
Каждый болт должен иметь две шайбы (одну под головкой,
другую под гайкой). Болты и гайки должны быть очищены от
консервирующей смазки, грязи и ржавчины, например, промыты
керосином и высушены.
Резьба болтов должна быть прогнана путем провертывания
гайки от руки на всю длину резьбы. Перед навинчиванием гайки
ее резьба должна быть покрыта легким слоем консистентной
смазки.
Рекомендуется следующий порядок сборки:
совмещают отверстия в деталях и фиксируют их взаимное
положение;
устанавливают
гайковертами
на
болты
90%
от
и
осуществляют
проектного
их
усилия.
натяжение
При
сборке
многоболтового ФПС установку болтов рекомендуется начать с
болта находящегося в центре тяжести поля установки болтов, и
продолжать установку от центра к границам поля установки
болтов;
248

249.

после
проверки
плотности
стягивания
ФПС
производят
герметизацию ФПС;
болты затягиваются до нормативных усилий натяжения
динамометрическим ключом.
249

250.

250

251.

251

252.

252

253.

253

254.

254

255.

255

256.

256

257.

257