Рассмотрена техника имитации сейсмического воздействия на модель сейсмоизолирующей системы. Механическая система генерации вынужденных гармонических колебаний позволяет производить плавную регулировку частоты колебаний и ступенчатую — амплитуды колебаний. Для контроля и точного определения частоты колебаний используется электронный осциллограф.

Ключевые слова: землетрясение, сейсмостойкое строительство, трубобетонная опора, сейсмоизолирующие опоры, сейсмограмма, акселерограмма, имитация сейсмического воздействия, дисковая механическая передача, кривошипно-ползунный механизм, осциллограф.

Введение

Исследования сейсмоизолирующих систем на их моделях с имитацией сейсмических колебаний являются довольно продуктивными [1, 2]. Такие опыты достаточно наглядны, что весьма ценно для целей обучения. При этом они достаточны просты в реализации, т. к. в них не используется сложное и дорогостоящее оборудование и, соответственно, не требуется больших материальных затрат. Тем не менее они подтверждают результаты и выводы, полученные и сделанные в более серьезных экспериментальных и теоретических работах [3–7].

В работах [1, 2] проводились исследования сейсмоизолирующей системы Курзанова-Семенова с помощью ее макетов (моделей). В работе [1] исследована динамика системы при выведении ее из положения равновесия. Поведение системы при имитации сейсмического воздействия на нее приведено в [2]. Однако в исследовании [2] имитация сейсмовоздействия на модель сейсоизолирующей системы проводилась «вручную» (рис. 1), поэтому оценка частоты и амплитуды колебаний была проведена очень приблизительно.

Следующий шаг своих исследований имитационного сейсмовоздействия авторы видят в установлении зависимостей динамики колебаний от их частоты и амплитуды колебаний. А для этого необходим точный контроль частоты и амплитуды колебаний с возможностью их плавной или ступенчатой регулировки. В данной работе приведено рассмотрение техники для реализации такого «контролируемого» сейсмовоздействия.

Основная часть

Выше упоминалось, что в более ранних исследованиях имитация сейсмовоздействия на модель сейсмоизолирующей системы проводилось вручную (рис. 1).

Рис. 1. «Ручная» имитация сейсмического воздействия на сооружение [2]

Внешний вид вибросистемы для генерации гармонических вынужденных колебаний приведен на рис. 2.

Рис. 2. Внешний вид виброгенератора: 1 — электродвигатель; 2 — дисковая (фрикционная) передача; 3 — кривошипно-ползунный механизм (КПМ); 4 — ползуны разноамплитудные; 5 — рукоять для поперечного смещения электродвигателя и диска связанного с ним

Кривошипно-ползунный (кривошипно-шатунный) механизм 3 (рис. 2) преобразует вращательное движение ведомого диска 2 фрикционной передачи в возвратно-поступательное движение ползунов. Крутящий момент создает электродвигатель 1, питающийся от однофазной бытовой сети 230/400 В. Двигатель АОЛ11–4 1960 года выпуска с частотой вращения ротора 1380 об/мин (23 об/с).

Вращающийся коленвал через шатуны «передает движение» на ползуны 4 (рис. 2), которые представляют из себя металлические стержни (рис. 3). Так как оси соответствующих шатунных шеек коленвала имеют разное смещение относительно его «основной» оси (оси коренных шеек), то амплитуды ползунов различны (рис. 3). В дальнейшем указанные ползуны-стержни будут называться «толкателями» виброгенератора.

Рис. 3. Вид сверху на толкатели виброгенератора (ползуны КПМ)

Амплитуды движения толкателей имеют значения: 45 мм, 10 мм, 4.6 мм и 2 мм (рис. 3). Таким образом, можно ступенчато изменять амплитуду колебаний при имитации сейсмовоздействия, соединяя модель сейсмоизолирующей системы с соответствующим стержнем-ползуном.

Ведущий диск дисковой фрикционной передачи 2 (рис. 2) имеет диаметр d ₁ =77 мм, ведомый — d ₂ =132 мм. Эти параметры данной механической передачи позволяют изменять ее передаточное число k от бесконечности k =132/0=∞ до k =132/77≈1.7. Соответственно, можно регулировать частоту колебаний толкателей от нуля (0) до 23/1.7=13.5 Гц. Плавная регулировка частоты производится рукояткой 5 (рис. 2). Причем делать это можно «на ходу», т. е. при включенной (крутящейся, колеблющейся) системе.

Частоту колебаний толкателей можно вычислять с помощью передаточного числа k . Однако, это требует времени, отсутствует наглядность и будет существовать погрешность, так как во фрикционной передаче может присутствовать и проскальзывание дисков относительно друг друга.

Авторами предусмотрено прямое измерение частоты колебаний с помощью осциллографа. На вибраторе имеется кнопка (электрический замыкатель-размыкатель или прерыватель). Она указана стрелкой на рис. 4.

Рис. 4. Электрический замыкатель-размыкатель или прерыватель (указан стрелкой)

Прерыватель замыкается — размыкается путем надавливания на его кнопку одним из концов ползуна-толкателя, который имеет амплитуду 45 мм. На фотографиях, представленных на рисунках 2 и 3, это верхний толкатель, находящийся за ведомым диском фрикционной передачи.

Принципиальная схема измерений представлена на схеме (рис. 5).

Рис. 5. Схема для измерения частоты (ИП — источник постоянного напряжения, К — прерыватель, О — осциллограф)

Внешний вид измерительной системы и виброгенератора представлен на рис. 6.

Рис. 6. Экспериментально-измерительный комплекс: 1 — виброгенератор; 2 — источник постоянного напряжения; 3 — осциллограф

В случае, когда кнопка прерывателя не нажата, измерительная цепь является замкнутой и осциллограф 3 демонстрирует уровень напряжения, подаваемый с источника питания 2. При нажатии кнопки прерывателя цепь размыкается и уровень напряжения, показываемый осциллографом, нулевой (0). В итоге на осциллографе отображается прямоугольный сигнал (меандр) (рис. 7).

Рис. 7. Вид сигнала на экране осциллографа

Определить период T сигнала (рис. 7), зная установленный переключателем масштаб (с/дел — секунд на деление) по оси времени (горизонтальная ось), не представляет труда. Тогда частота сигнала и, соответственно, частота колебаний толкателей вибратора — n =1/ T .

В продемонстрированном на фотографии (рис. 7) случае период T равен 1.8 деления. Масштаб по времени соответствовал 0.2 с/дел. Тогда период и частота колебаний T =0.36 c и n =2.8 Гц, соответственно.

Заключение

Рассмотренный в работе экспериментально-измерительный комплекс позволяет производить плавную регулировку частоты колебаний от нуля до 13.5 Гц и выбирать амплитуду из ряда: 45 мм, 10 мм, 4.6 мм и 2 мм. Электрическая цепь, включающая в себя осциллограф, позволяет производить точный контроль частоты колебаний. Другими словами, комлекс позволит в будущих экспериментах избежать погрешностей (неточностей) в задании (измерении) частоты и амплитуды колебаний Данная работа, являясь подготовительным этапом к выполнению запланированных экспериментов по имитации сейсмического воздействия на модель сейсмоизолирующей системы Курзанова-Семенова, в следующих статьях даст возможность избежать объемной описательной части, касающейся техники и методики экспериментов и измерений.

Литература:

1. Горб П. Д., Кириллов А. М. Исследование модели сейсмоизолирующей системы Курзанова — Семенова // Юный ученый. — 2025. — № 3 (88). — С. 102–108.
2. Горб П. Д., Кириллов А. М. Имитация сейсмического воздействия на сейсмоизолирующую систему Курзанова — Семенова // Юный ученый. — 2025. — № 4(89). — С. 71–76.
3. Тяпин А. Г. Плоские колебания жесткого сооружения на кинематических опорах: общий случай геометрии // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. — 2020. — № 4. — С. 41–54. — DOI 10.37153/2618–9283–2020–4–41–54. — EDN KZFLQK.
4. Тяпин А. Г. Уравнение плоских колебаний жесткого сооружения на кинематических опорах А. М. Курзанова // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. — 2020. — № 5. — С. 19–31. — DOI 10.37153/2618–9283–2020–5–19–31. — EDN DICCJY.
5. Тяпин А. Г. Плоские колебания жесткого сооружения на кинематических опорах А. М. Курзанова // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. — 2020. — № 6. — С. 27–38. — DOI 10.37153/2618–9283–2020–6–27–38. — EDN NQIZTD
6. Кириллов А. М., Сухарев Ф. И., Семенов С. Ю., Иваненко Н. А. Сейсмоизолирующие опоры Курзанова — Семенова: теория и эксперимент // Вестник евразийской науки. — 2024. — Т. 16, № 4. — EDN IOHUNT.
7. Кириллов А. М., Сухарев Ф. И., Семенов С. Ю., Иваненко Н. А. Исследование движения суперструктуры при сейсмическом воздействии // Вестник евразийской науки. — 2025. — Т. 17, № 1. — EDN NUEZVT.