В случаях, когда установленные расчетом или выявленные на практике колебания конструкций не удовлетворяют требованиям, обеспечивающим их несущую способность или физиологическим и технологическим требованиям по ограничению уровня вибраций, рекомендуется применять различные способы уменьшения колебаний несущих конструкций.
При выборе способа в каждом конкретном случае следует руководствоваться соображениями целесообразности, эффективности и экономичности его применения.
Ожидаемые результаты осуществления того или иного мероприятия должны проверяться повторным динамическим расчетом конструкций, т.е. определением амплитуд перемещений и внутренних усилий в измененных условиях.
Основные методы уменьшения колебаний конструкций, вызванных гармоническими нагрузками:
1) Изменение соотношения между частотой вынужденных колебаний и частотами собственных колебаний конструкции (отстройка) путём изменения жесткости, массы или схемы конструкции, а также путем изменения частоты вынужденных колебаний.
2) Изменение расположения и способа крепления машин и установок на несущих конструкциях, передача динамических нагрузок на отдельные фундаменты, колонны, разгрузочные балки и т.п.
3) Устройство эффективной виброизоляции
4) Применение динамических и ударных гасителей колебаний, увеличение демпфирования колебаний, устройство жестких и нежёстких ограничителей
5) Уравновешивание и балансировка машин, создание эксплуатационных условий, препятствующих разбалансировке и образованию случайных дебалансов, применение специальных устройств, обеспечивающих работу нескольких машин попарно в противофазе.
Мероприятия по уменьшению колебаний несущих конструкций, воспринимающих импульсивные и ударные нагрузки от машин и оборудования, устанавливаемых на перекрытиях промышленных зданий, выполняются в соответствии с указаниями 'Инструкции по расчету перекрытий на импульсивные нагрузки'.
Более подробно о каждом способе:
1) Изменение жесткости, массы и схемы конструкции
Если частота вынужденных колебаний близка к нижней границе какой-либо частотной зоны, то колебания можно уменьшить, увеличив её жесткость иди уменьшив массу. Увеличение жесткости конструкции можно достичь путем уменьшения пролетов, увеличения поперечных сечений или изменения её конструктивной схемы (введение жестких узлов, превращение неразрезных конструкций в разрезные и т.д.). Возможны также: устройство под машину жесткого, но легкого постамента, постановка дополнительных связей, устройство специальных портальных рам и т.д.
Если частота вынужденных колебаний близка к верхней границе какой-либо частотной зоны, то колебания конструкции можно уменьшить, увеличив её массу или снизив жесткость. Снижения жесткости можно достичь путём увеличения пролёта и уменьшения поперечного сечения, а также с помощью изменения конструктивной схемы конструкции. Увеличение массы конструкции посредством устройства массивного постамента, не связанного жестко с конструкцией, или увеличения поперечного сечения за счет ввода дополнительных нежёстких слоев, надбетонок и т.п. допускается лишь в необходимых случаях для машин и установок 3 и 4 категории динамичности. Уменьшение жесткости конструкций и увеличение их массы допускается лишь в тех случаях, когда динамические перемещения составляют существенную часть статического прогиба.
2) Изменение расположения и крепления машин и установок
Вертикальные колебания конструкций можно уменьшить, если машины и установки, создающие вертикальные гармонические нагрузки, располагать вблизи опор или узловых точек резонирующих форм собственных колебаний, а машины и установки, создающие горизонтальные динамические нагрузки, в серединах пролетов конструкций или вблизи пучностей резонирующих форм колебаний.
Горизонтальные колебания зданий и сооружений можно уменьшить, если располагать машины и установки, создающие горизонтальные гармоничные нагрузки, таким образом, чтобы динамические усилия действовали в направлении, для которого либо жесткость здания максимальна, либо частоты собственных колебаний больше отличаются от частоты возбуждения.
В целях борьбы с колебаниями несущих конструкций промышленных зданий и сооружений могут применяться различные конструктивные мероприятия, связанные с размещением машин и установок, создающих динамические нагрузки, на специальных опорных элементах, не соединенных с отдельными несущими конструкциями (например, перекрытиями) или со всем каркасом в целом. В качестве таких опорных конструкций могут применяться разгрузочные балки, соединенные со стойками каркаса или главными балками перекрытия, отдельные фундаменты, не соединенные с фундаментом здания или сооружения, опорные рамы на самостоятельных фундаментах и т.п.
3) Виброизоляция машин и установок
Виброизоляция является одним из наиболее эффективных методов борьбы с колебаниями конструкций, возбуждаемых гармоническими нагрузками от машин и установок, размещенных в промышленных зданиях и сооружениях. Виброизоляция применяется в целях уменьшения динамических нагрузок, передаваемых машиной или установкой на несущие конструкции (активная виброизоляция), и в целях, защиты машин, приборов и оборудования,, чувствительных к вибрациям, от колебаний несущих конструкций, на которых они находятся (пассивная виброизоляция).
Расчет и проектирование виброизоляции осуществляется в соответствии с указаниями 'Инструкции по проектированию и расчету виброизоляции машин с динамическими нагрузками и оборудования, чувствительного к вибрациям'.
Применение виброизоляции без расчета не допускается, так как неправильный выбор параметров виброизоляции может существенно снизить её эффективность и даже привести не к снижению, а к увеличению колебаний конструкций (при активной виброизоляции), а также машин и оборудования(при пассивной виброизоляции). Виброизоляция применяется, как правило, для машин и установок 2-й и 3-й группы по частотности. При этом машины и установки 4 категории по динамичности, размещаемые в промышленных зданиях, рекомендуется устанавливать на виброизоляторы независимо от результатов динамического расчета несущих конструкций.
4) Применение динамических и ударных гасителей
Динамические и ударные гасители колебаний можно применять в тех случаях, когда устройство виброизоляции или осуществление других мер уменьшения колебаний, перечисленных ниже, не представляется возможным. Динамические гасители применяются для уменьшения колебаний при стабильной частоте вынужденных колебаний. Особенно эффективно применение этих гасителей в резонансных режимах.
Динамический гаситель колебаний представляет собой дополнительную колебательную систему, присоединяемую к конструкции в месте её наибольшей динамической податливости (в пучностях форм динамических колебаний). Собственная частота динамического гасителя настраивается на частоту вынужденных колебаний конструкции.
Простейшая схема динамического гасителя - сосредоточенная масса m(г), соединенная с конструкцией посредством упругого элемента, имеющего жесткость к(г). При этом масса и жесткость гасителя подбираются таким образом, чтобы корень отношения жесткости гасителя к его массе был равен циклической частоте возмущающей нагрузки w.
Если динамический гаситель не настроен на частоту вынужденных колебаний или эта частота нестабильна, то эффект гашения колебаний может значительно снизиться. В этом случае возможно даже увеличение амплитуд колебаний конструкций. Поэтому конструкция динамического гасителя должна иметь устройства, обеспечивающие настройку гасителя на частоту вынужденных колебаний, регулировку и надежное фиксирование частоты гасителя в процессе эксплуатации.
Ударный гаситель колебаний изготавливается в виде свободной или упруго соединенной с конструкцией массы, ударяющей по ней при колебаниях в определенном месте (бойке).
5) Уравновешивание, балансировка и изменение частот возмущающей нагрузки
Колебания несущих конструкций, вызываемые работой некоторых машин и установок с возвратно-поступательным движением или вращением масс с большим эксцентриситетом, можно значительно уменьшить, применяя простые способы уравновешивания инерционных сил - например, спаривание кривошипношатунных механизмов или уравновешивание вращающейся массы. Возможно также применение специальных устройств, поддерживающих работу машин и установок в противофазе.
Колебания несущих конструкций, вызываемые работой машин и установок с номинально уравновешенными вращающимися массами, можно значительно уменьшить с помощью статической и динамической балансировок в том случае, если таковые не производились или если машина разбалансировалась в процессе эксплуатации.
В тех случаях, когда имеется возможность изменять в некоторых пределах число оборотов (ходов) машины или установки, колебания конструкций можно значительно уменьшить:
- понижением числа оборотов машины, если циклическая частота вынужденных колебаний близка к нижней границе одной из частотных зон конструкции
- повышением числа оборотов машины, если циклическая частота вынужденных колебаний близка к верхней границе одной из частотных зон конструкции
Колебания несущих конструкций при пуске и остановке виброизолированных и невиброизолированных машин вследствие перехода через резонанс можно уменьшить посредством увеличения скорости нарастания или убывания числа оборотов. Увеличение скорости убывания числа оборотов при остановке может быть достигнуто посредством механического или электрического торможения вала машины. Уменьшение колебаний несущих конструкций в режимах пуска и остановки виброизолированных машин может быть осуществлено также включением дополнительных диссипативных элементов при прохождении резонансной зоны, устройством ограничителей и т.п.
