Сейсмостойкое здание
Изобретение относится к области строительства, а именно к возведению зданий и сооружений в сейсмических районах. Сейсмостойкое здание содержит здание, фундамент и упругий подвес, установленный между фундаментом и перекрытием нижнего этажа здания, выполненный из упругих опор квазинулевой жесткости, размещенных так, что центр масс здания расположен на вертикальной оси симметрии упругого подвеса. Упругие опоры содержат параллельно соединенные упругие модули с положительной жесткостью и корректоры жесткости, работающие в области упругой неустойчивости. Гибкие упругие стержни упругих опор выполнены из отрезков тросов. Каждая упругая опора выполнена из двух оснований, соединенных между собой гибкими упругими стержнями корректора жесткости и упругого модуля. Нижнее основание прикреплено к фундаменту, верхнее – к перекрытию нижнего этажа здания. Концы стержней корректора жесткости закреплены неподвижно в обоих основаниях. Места крепления этих стержней в обоих основаниях расположены друг против друга равномерно по окружностям одинакового диаметра, центры которых расположены на вертикальной оси симметрии опоры. Стержни корректора жесткости сжаты весом здания до потери устойчивости так, что их средние части выпучены в радиальных направлениях. Упругий модуль выполнен из центрального гибкого упругого стержня и периферийных гибких упругих стержней. Один конец центрального стержня и концы периферийных стержней закреплены неподвижно в верхнем основании. Продольная ось центрального стержня совпадает с вертикальной осью симметрии опоры. Места крепления периферийных стержней расположены равномерно по окружности с центром на вертикальной оси симметрии опоры. Другие концы периферийных стержней и другой конец центрального стержня введены в центральное отверстие нижнего основания с возможностью продольного перемещения с трением. Далее концы периферийных стержней разведены и закреплены в разведенном положении. Технический результат обеспечивает пространственную сейсмоизоляцию здания любых размеров и веса, а также упрощение конструкции упругого подвеса здания. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при возведении зданий и сооружений в сейсмических районах.
Известны сейсмостойкие здания, для сейсмоизоляции которых использованы многослойные резинометаллические опоры ([1], стр.6-14, рис.2, 3, 4). Эти опоры содержат нижнее и верхнее основания (в аналоге [1] они называются опорными стальными листами (рис.3), верхними и нижними опорными стальными плитами (рис.4)).
Между основаниями размещены чередующиеся слои резины и металлические листы. Нижнее основание опоры неподвижно соединено с фундаментной плитой, непосредственно воспринимающей сейсмические воздействия. Верхнее основание опоры неподвижно соединено с изолируемым объектом (зданием, сооружением), которое изолируется от сейсмических воздействий.
Жесткость резинометаллических опор в горизонтальном направлении в 100 и более раз меньше, чем жесткость в вертикальном направлении. Поэтому резинометаллические опоры используются для сейсмоизоляции зданий и сооружений от горизонтальных сейсмовоздействий.
При действии вертикальных составляющих сейсмовоздействий эффект сейсмоизоляции незначителен. В этом заключается основной недостаток систем сейсмоизоляции зданий с использованием многослойных резинометаллических опор.
Указанный недостаток устранен в системе сейсмоизоляции зданий за счет использования пневматических подушек, установленных между верхними основаниями резинометаллических опор и перекрытием нижнего этажа здания ([1], стр.14-15, рис.5). Система сейсмоизоляции здания обеспечивает пространственную сейсмоизоляцию здания от вертикальных и горизонтальных составляющих сейсмовоздействий.
Основным недостатком является сложность конструкции. Для поддержания постоянного давления воздуха в пневматических подушках необходимо специальное компрессорное оборудование и система контроля давления воздуха в подушках.
Этот недостаток устранен в сейсмостойком здании [2], которое является наиболее близким аналогом (прототипом).
Указанное здание установлено на фундаментной плите, которая подвешена к фундаменту с помощью стержней. Такая маятниковая подвеска обеспечивает эффективную сейсмоизоляцию здания от горизонтальных сейсмических воздействий. Для изоляции здания от вертикальных составляющих сейсмовоздействий используется упругий подвес, установленный между фундаментной плитой и перекрытием нижнего этажа и состоящий из упругих блоков квазинулевой жесткости.
Каждый упругий блок (в дальнейшем упругая опора) образован из двух упругих модулей и корректора жесткости, который размещен между упругими модулями. Упругие модули и корректоры жесткости выполнены из отрезков тросов. Концы отрезков тросов упругих модулей закреплены неподвижно в вертикальных стойках. При этом одна стойка каждого модуля закреплена неподвижно с фундаментной плитой, а другая стойка закреплена неподвижно с перекрытием нижнего этажа здания. Корректор жесткости выполнен из двух одинаковых отрезков тросов, середины которых соединены между собой и прикреплены к фундаментной плите. Концы тросов разведены и неподвижно соединены с фундаментной плитой.
Основной недостаток прототипа заключается в том, что упругие опоры обеспечивают эффективную сейсмоизоляцию здания только в вертикальном направлении. Используемая для сейсмоизоляции в горизонтальном направлении маятниковая подвеска здания существенно усложняет и удорожает систему сейсмоизоляции здания в целом. Для ее реализации необходима специальная жесткая фундаментная плита и система стержней, которые должны выдерживать вес здания. В целом маятниковая подвеска может быть использована для сейсмоизоляции сравнительно небольших по размеру и весу зданий и сооружений.
Таким образом, возникает техническая задача создания сейсмостойкого здания, упругий подвес которого имеет более простую конструкцию и обеспечивает пространственную сейсмоизоляцию здания любых размеров и веса.
В предполагаемом изобретении поставленная задача решается за счет выполнения упругого подвеса из упругих опор, обеспечивающих режим квазинулевой жесткости в любом горизонтальном направлении с одновременным снижением вертикальной жесткости опор.
Это достигается за счет использования в упругих опорах корректоров жесткости, выполненных из гибких упругих стержней, закрепленных в нижнем и верхнем основании опоры. При этом нижнее основание каждой опоры неподвижно присоединено к фундаменту, а верхнее - к перекрытию нижнего этажа здания. Концы гибких упругих стержней корректоров жесткости закреплены в нижнем и верхнем основаниях опоры. До нагружения весом здания гибкие упругие стержни корректоров жесткости прямолинейны, их продольные оси параллельны оси вертикальной симметрии. Места крепления гибких упругих стержней корректоров жесткости в обоих основаниях расположены друг против друга равномерно по окружностям одинакового диаметра, центры которых расположены на вертикальной оси симметрии опоры.
Диаметры и длина гибких упругих стержней корректора жесткости выбираются таким образом, чтобы при нагружении опоры частью веса здания гибкие упругие стержни потеряли устойчивость и произошло их выпучивание в радиальных направлениях, то есть гибкие упругие стержни корректоров жесткости работают в области упругой неустойчивости. После потери устойчивости максимальные механические напряжения в гибких стержнях не превосходят предела пропорциональности, их деформации остаются упругими (выполняется закон Гука [3], стр.436-441, §93). В качестве гибких упругих стержней корректоров жесткости могут использоваться прямолинейные отрезки тросов.
После выпучивания середины гибких упругих стержней корректоров жесткости, нагруженные опоры без упругих модулей с положительной жесткостью находятся в неустойчивом среднем положении и будут стремиться сместить верхние основания и, соответственно, здание в целом в каком-либо горизонтальном направлении.
Направление возможного горизонтального смещения является случайным и обусловлено малыми различиями жесткостей гибких упругих стержней и малой асимметрией расположения упругих опор за счет производственных допусков на их изготовление и монтаж.
Таким образом, систему выпученных гибких упругих стержней с неустойчивым средним положением можно использовать как корректор жесткости для любого горизонтального направления.
Для удержания выпученных гибких упругих стержней в неустойчивом среднем положении в каждую опору введен упругий модуль, имеющий положительную жесткость при любом горизонтальном смещении верхнего основания опоры. Упругий модуль выполнен из центрального гибкого упругого стержня и периферийных гибких упругих стержней.
Один конец центрального гибкого упругого стержня и концы периферийных гибких упругих стержней закреплены неподвижно в верхнем основании. Продольная ось центрального гибкого упругого стержня совпадает с вертикальной осью симметрии опоры. Места крепления периферийных гибких упругих стержней расположены равномерно по окружности с центром, лежащим на вертикальной оси симметрии опоры, другие концы периферийных гибких упругих стержней и другой конец центрального гибкого упругого стержня введены в центральное отверстие нижнего основания с возможностью продольного перемещения с трением между собой и боковой поверхностью центрального отверстия.
Такое выполнение упругого модуля позволяет создавать упругое сопротивление смещению оснований относительно друг друга при любом их горизонтальном смещении. При этом одновременно происходит рассеяние механической энергии смещения за счет взаимного трения центрального и периферийных гибких упругих стержней о боковую стенку центрального отверстия в нижнем основании.
При вертикальном относительном смещении оснований упругое сопротивление оказывают в основном выпученные гибкие упругие стержни корректора жесткости. При этом гибкие упругие стержни упругого модуля рассеивают энергию перемещения за счет трения о стенки центрального отверстия в нижнем основании. Для увеличения рассеивающей способности упругого модуля при больших относительных смещениях оснований концы периферийных гибких упругих стержней разведены. Вследствие этого при увеличении относительной амплитуды смещения оснований возрастают силы нормального давления в точках контакта периферийных гибких упругих стержней о боковую поверхность центрального отверстия в нижнем основании и, соответственно, силы сухого трения.
Малая статическая осадка в вертикальном направлении обеспечивается за счет того, что большая часть веса здания воспринимается гибкими упругими стержнями корректоров жесткости, которые при этом испытывают очень малые деформации сжатия.
Геометрические размеры гибких упругих стержней могут быть выбраны таким образом, что Р кр=(0,8-0,9)G, где Ркр - суммарная сила, сжимающая стержни, при превышении которой происходит потеря устойчивости и выпучивание гибких упругих стержней, G - вес здания.
При действии дополнительной части веса здания (Рдоп =(0,1-0,2)G) гибкие упругие стержни корректора жесткости изгибаются в плоскости выпучивания и их вертикальная жесткость резко уменьшается. За счет этого достигаются низкая собственная частота вертикальных колебаний здания и его эффективная сейсмоизоляция в вертикальном направлении. Описание указанных закономерностей поведения гибкого упругого стержня с защемленными концами при сжатии приведены в книге [4, стр.128-130, рис.101].
В горизонтальном направлении параллельное включение корректора жесткости и упругого модуля позволяют создать режим квазинулевой жесткости во всех горизонтальных направлениях.
Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемое сейсмостойкое здание обладает следующими существенными признаками:
1. Каждая упругая опора выполнена из двух оснований, соединенных между собой гибкими упругими стержнями корректора жесткости и упругого модуля, нижнее основание прикреплено к фундаменту, верхнее - к перекрытию нижнего этажа здания.
2. Концы гибких упругих стержней корректора жесткости закреплены неподвижно в обоих основаниях, места крепления этих стержней в обоих основаниях расположены друг против друга равномерно по окружностям одинакового диаметра, центры которых расположены на вертикальной оси симметрии. Гибкие упругие стержни корректора жесткости сжаты весом здания до потери устойчивости так, что их средние части выпучены в радиальных направлениях.
3. Упругий модуль выполнен из центрального гибкого упругого стержня и периферийных гибких упругих стержней. Один конец центрального гибкого упругого стержня и концы периферийных гибких упругих стержней закреплены неподвижно в верхнем основании, продольная ось центрального гибкого упругого стержня совпадает с вертикальной осью симметрии опоры. Места крепления периферийных гибких упругих стержней расположены равномерно по окружности с центром на вертикальной оси симметрии опоры, другие концы периферийных гибких упругих стержней и другой конец центрального гибкого упругого стержня введены в центральное отверстие нижнего основания с возможностью продольного перемещения с трением. Для обеспечения существенного трения периферийных гибких упругих стержней о поверхность центрального отверстия их противоположные концы разведены и закреплены в разведенном положении. Верхние концы периферийных гибких упругих стержней неподвижно прикреплены к верхнему основанию, а нижние удерживаются в разведенном положении с помощью кольца.
4. На торцевых поверхностях обоих оснований, обращенных в сторону выпученностей гибких упругих стержней корректора жесткости, в местах крепления этих стержней выполнены радиальные пазы так, что половина боковой поверхности каждого гибкого упругого стержня со стороны, противоположной его выпученности, охвачена боковой поверхностью паза.
5. Места крепления периферийных гибких упругих стержней упругого модуля в верхнем основании выполнены так, что каждое место крепления периферийного гибкого упругого стержня расположено на одинаковых расстояниях от мест крепления соседних гибких упругих стержней корректора жесткости.
Заявителем просмотрена техническая литература по М.Кл Е 04 9/02, УДК 699841 (088.8).
Анализ известных технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них существенных признаков, сходных с существенными признаками заявляемого сейсмостойкого здания подвесного типа.
Предложенная совокупность отличительных, существенных признаков представляет новое решение поставленной задачи и соответствует изобретательскому уровню.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображено сейсмоизолированное здание, в дальнейшем просто здание, установленное на упругих опорах; на фиг.2 показана упругая опора, нагруженная зданием; на фиг.3 показаны сечение и вид отсеченной части упругой опоры.
Сейсмостойкое здание состоит из фундамента 1, здания 2 и упругого подвеса, установленного между фундаментом 1 и перекрытием нижнего этажа здания 2. Упругий подвес выполнен из упругих опор квазинулевой жесткости 3 (фиг.1), размещенных так, что центр масс здания расположен на вертикальной оси симметрии упругого подвеса.
Упругие опоры состоят из двух расположенных друг против друга оснований, верхнего 4 и нижнего 5 (фиг.2). Верхнее основание упругой опоры 4 прикреплено к нижним перекрытиям здания 2, а нижнее основание 5 - к фундаменту 1. Основания соединены друг с другом с помощью гибких упругих стержней корректора жесткости 6 и гибких упругих стержней упругого модуля, включающего в себя центральный гибкий упругий стержень 7 и периферийные гибкие упругие стержни 8.
Концы гибких упругих стержней 6 корректора жесткости закреплены неподвижно в обоих основаниях 4 и 5. Места крепления гибких упругих стержней 6 к основаниям 4 и 5 расположены друг против друга равномерно по окружностям одинакового диаметра. Центры окружностей мест крепления стержней расположены на одной вертикальной оси симметрии O-O. Один конец центрального гибкого упругого стержня 7 и концы периферийных гибких упругих стержней 8 закреплены неподвижно в верхнем основании 4, продольная ось центрального гибкого упругого стержня совпадает с вертикальной осью симметрии опоры O-O. Места крепления периферийных гибких упругих стержней 8 расположены равномерно по окружности с центром, на вертикальной оси симметрии опоры, другие концы периферийных гибких упругих стержней 8 и другой конец центрального гибкого упругого стержня 7 введены в центральное отверстие нижнего основания 5 с возможностью продольного перемещения с трением.
Упругий модуль обладает положительной жесткостью, а корректор жесткости, выполненный из гибких упругих стержней, работающих в области упругой неустойчивости, - отрицательной. Для обеспечения квазинулевой жесткости в горизонтальном направлении упругий модуль и корректор жесткости в упругой опоре включены параллельно.
Для обеспечения существенного трения периферийных гибких упругих стержней 8 о поверхность центрального отверстия, а также увеличения величины силы трения с увеличением амплитуды их противоположные концы разведены и закреплены в разведенном положении. Верхние концы периферийных гибких упругих стержней неподвижно прикреплены к верхнему основанию 4, а нижние закреплены в разведенном положении с помощью кольца 10.
До нагружения весом здания гибкие упругие стержни корректора жесткости прямолинейны, их продольные оси параллельны оси вертикальной симметрии. Сжатие гибких упругих стержней 6 корректора жесткости до потери устойчивости и вследствие этого выпучивание их средних частей в радиальных направлениях осуществляется весом здания. Для обеспечения выпучивания гибких упругих стержней корректора жесткости в радиальных направлениях на торцевых поверхностях оснований 4 и 5 в местах крепления гибких упругих стержней 6 корректора жесткости выполнены радиальные пазы 9 таким образом, что половина боковой поверхности каждого гибкого упругого стержня со стороны, противоположной его выпученности, охвачена боковой поверхностью паза.
Гибкие упругие стержни 6 корректора жесткости и стержни 7 и 8 упругого модуля выполнены из отрезков тросов. Диаметр отрезков тросов корректора жесткости и упругого модуля, их длина и количество зависят от массы здания и подбираются таким образом, чтобы после завершения монтажа здания деформация упругих опор в вертикальном направлении была равна расчетной.
В вертикальном направлении эффективная сейсмоизоляция обеспечивается за счет малой жесткости продольно сжатых гибких упругих стержней 6 корректора жесткости. В горизонтальном - за счет режима квазинулевой жесткости упругого подвеса.
Сейсмостойкое здание работает следующим образом. При вертикальных смещениях грунта фундамент 1 смещается в вертикальном направлении. Передача смещений от фундамента 1 зданию 2 ослабляется упругими опорами 3. При этом выпученные гибкие упругие стержни корректоров жесткости 6 начинают упруго деформироваться в вертикальном направлении, а гибкие упругие стержни упругого модуля 7, 8 перемещаются с трением в центральном отверстии. В случае совпадения частоты воздействия с собственной частотой вертикальных колебаний здания происходит увеличение амплитуды колебаний. При этом смещаются гибкие упругие стержни 8 относительно основания 5. Так как стержни 8 разведены, то при их вертикальном смещении относительно основания 5 увеличивается сила их прижатия к стенке центрального отверстия. При этом возрастает сила трения периферийных гибких упругих стержней 8 о стенку центрального отверстия основания 5. За счет этого существенно увеличивается рассеяние энергии резонансных колебаний и уменьшается их амплитуда. При уменьшении амплитуды колебаний в зарезонансной зоне уменьшается рассеяние их энергии и повышается эффект виброизоляции.
Горизонтальные составляющие сейсмовоздействия вызывают горизонтальные смещения фундамента 1. Передача смещений зданию 2 также осуществляется через упругие опоры. При горизонтальных смещениях основания 5 вместе с фундаментом 1 гибкие упругие стержни 7, 8 начинают деформироваться в горизонтальном направлении, а параллельно включенные гибкие упругие стержни корректоров жесткости 6, выходя из неустойчивого положения равновесия, в котором они находились в статическом состоянии, уменьшают жесткость упругих опор. За счет малой жесткости упругих опор в горизонтальной плоскости обеспечивается сейсмоизоляция здания на низких частотах в горизонтальных направлениях.
Кроме того, на резонансных частотах ограничение колебаний здания обеспечивается повышенным демпфированием упругих тросовых элементов. При вертикальных колебаниях и частично при горизонтальных энергия колебаний рассеивается за счет трения периферийных гибких упругих стержней упругого модуля друг о друга и о стенки центрального отверстия. Разведение концов периферийных гибких упругих стержней упругого модуля и закрепление их в разведенном положении значительно повышает силу трения гибких упругих стержней о поверхность центрального отверстия с увеличением амплитуды колебаний.
Источники информации
1. Современные методы сейсмозащиты зданий и сооружений. Казина Г.А., Килимник Л.Ш. - Обзор. М.: ВНИИИС, 1987.
2. Патент № 2129644, Никифоров И.С. Сейсмостойкое здание.
3. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов, М.: Наука, 1974, 560 с.
4. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов, том второй, М.: Наука, 1965.
Формула изобретения
1. Сейсмостойкое здание, содержащее здание, фундамент и упругий подвес, установленный между фундаментом и перекрытием нижнего этажа здания, выполненный из упругих опор квазинулевой жесткости, размещенных так, что центр масс здания расположен на вертикальной оси симметрии упругого подвеса, упругие опоры содержат параллельно соединенные упругие модули с положительной жесткостью и корректоры жесткости, работающие в области упругой неустойчивости, причем гибкие упругие стержни упругих опор выполнены из отрезков тросов, отличающееся тем, что каждая упругая опора выполнена из двух оснований, соединенных между собой гибкими упругими стержнями корректора жесткости и упругого модуля, нижнее основание прикреплено к фундаменту, верхнее - к перекрытию нижнего этажа здания, концы стержней корректора жесткости закреплены неподвижно в обоих основаниях, места крепления этих стержней в обоих основаниях расположены друг против друга равномерно по окружностям одинакового диаметра, центры которых расположены на вертикальной оси симметрии опоры, стержни корректора жесткости сжаты весом здания до потери устойчивости так, что их средние части выпучены в радиальных направлениях, упругий модуль выполнен из центрального гибкого упругого стержня и периферийных гибких упругих стержней, один конец центрального стержня и концы периферийных стержней закреплены неподвижно в верхнем основании, продольная ось центрального стержня совпадает с вертикальной осью симметрии опоры, места крепления периферийных стержней расположены равномерно по окружности с центром на вертикальной оси симметрии опоры, другие концы периферийных стержней и другой конец центрального стержня введены в центральное отверстие нижнего основания с возможностью продольного перемещения с трением, далее концы периферийных стержней разведены и закреплены в разведенном положении.
2. Сейсмостойкое здание по п.1, отличающееся тем, что на торцевых поверхностях обоих оснований, обращенных в сторону выпученностей стержней корректора жесткости, в местах крепления этих стержней выполнены радиальные пазы так, что половина боковой поверхности каждого стержня со стороны, противоположной его выпученности, охвачена боковой поверхностью паза.
3. Сейсмостойкое здание по п.1, отличающееся тем, что места крепления периферийных стержней упругого модуля в верхнем основании выполнены так, что каждое место крепления периферийного стержня расположено на одинаковых расстояниях от мест крепления соседних стержней корректора жесткости.
РИСУНКИ
