Кинематические стены сейсмостойких зданий и сооружений
Изобретение относится к строительству и предназначено для зданий, строящихся в сейсмически опасных районах, или для сооружений, имеющих специальное назначение. Технический результат: повышение сейсмостойкости и надежности здания или сооружения при землетрясениях с широким спектром частот, снятие проблемы концентрации напряжений, характерной для зданий, покоящихся на отдельно стоящих кинематических опорах. Многоэтажное сейсмостойкое здание включает верхние пространственно жесткие этажи, образованные колоннами, ригелями, перекрытиями, стеновыми панелями, и первый или цокольный этаж, или и первый и цокольный этажи из стен с ребрами, имеющих закругленные верхние и нижние грани и обладающих свойством устойчиво покачиваться во время землетрясения по бороздам, предусмотренным в горизонтальных плитах, между которыми располагаются указанные выше стены. Закругленные грани стен и их ребер выполнены с переменной кривизной так, что эта кривизна, играя роль включающихся и выключающихся связей, ограничивает развитие больших перемещений при сохранении способности стен существенно снижать сейсмические силы, действующие на здание или сооружение во время землетрясения. Здание содержит отдельно стоящие стены с ребрами, установленные в двух уровнях, между которыми находится промежуточная горизонтальная плита, выполненная сплошной или с отверстиями, или в виде перекрестной системы балок. Стены и их ребра обладают закругленными гранями с переменной кривизной, образующей цилиндрические поверхности качения, что, многократно увеличивая площади взаимного контакта поверхностей, существенно снижает концентрацию напряжений на них, а сами стены, в каждом уровне их расположения, имеют возможность покачиваться только вдоль или только поперек здания, но так, чтобы вектор перемещений в нижнем уровне и вектор перемещений в верхнем уровне были в плане под прямым углом относительно друг друга. 10 ил.
Изобретение относится к строительству и предназначено для зданий, строящихся в сейсмически опасных районах, или для сооружений, имеющих специальное назначение.
Известно сейсмостойкое здание, включающее пространственно жесткий каркас, столбчатые фундаменты, в стаканах которых расположены подвижные связи, находящиеся в упругой среде [1]. Через подвижные связи проходят предварительно напряженные стержни.
Недостатком этого здания является то, что при сейсмических воздействиях подвижные связи, находясь в упругой среде, в теле фундамента, ограничивают горизонтальные перемещения и незначительно уменьшают сейсмические силы на здание; происходит потеря предварительного напряжения стержней, что снижает эффективность конструкций.
Известно многоэтажное сейсмостойкое здание, включающее пространственно жесткие верхние этажи, опертые на гибкие в горизонтальном направлении стойки нижнего этажа, которые имеют сферическую форму центральной части торцов и соединены с перекрытием и фундаментом [2].
Недостатком этого технического решения является то, что после разрушения включающихся связей, во время землетрясения, необходимо немедленное их восстановление, что не всегда практически осуществимо. Изготовление стоек с сферическими торцами и высокоточными поверхностями качения требует высокой точности, присущей скорее машиностроительному производству, чем строительной индустрии, что ограничивает массовость применения этой конструкции; высокая концентрация напряжений на торцах стоек охрупчивает материал и приводит к разрушению конструкции.
Наиболее близким техническим решением предлагаемому является многоэтажное здание [3], [4], включающее верхние пространственно жесткие этажи, образованные колоннами, ригелями, перекрытиями, стеновыми панелями, и первый или цокольный этаж из кинематических стоек, имеющих закругленные верхние и нижние грани и обладающих свойством устойчиво покачиваться, во время землетрясения, по бороздам, предусмотренным в элементах верхней обвязки, являющихся частью перекрытия или цокольного этажа, и в элементах нижней обвязки, являющихся фундаментными подушками, причем закругленные грани стоек выполнены с переменной кривизной так, что эта кривизна, играя роль включающихся и выключающихся связей, ограничивает развитие больших горизонтальных перемещений здания при сохранении способности стоек значительно снижать сейсмические силы, действующие на здание или сооружение во время землетрясения; согласно изобретению кинематические стойки выполнены монолитными или сборными из частей без открытых закладных деталей, при этом горизонтальные сечения кинематических стоек выполнены в плане в виде 3-х, 4-х, 5-ти, 6-ти, 7-ми, 8-ми, 9-ти ...n конечной звезды при неограниченном увеличении числа n ее конечностей, играющих роль ребер жесткости.
Недостатком этого технического решения, а также любого здания, где применяются отдельно стоящие кинематические опоры, является высокая концентрация напряжений на поверхностях качения, из-за которой возникают проблемы, связанные с конструированием контактных поверхностей. Серьезным препятствием на пути к внедрению в практику строительства сейсмостойких зданий и сооружений, покоящихся на кинематических опорах, является высокая концентрация напряжений, возникающих на поверхностях качения. Концентрация напряжений охрупчивает материал. Задачей изобретения является существенное снижение концентрации напряжений на поверхностях качения, сведение концентрации напряжений на нет при сохранении высокой эффективности кинематических опор и их способности существенно снижать сейсмические силы и ограничивать развитие больших перемещений здания при землетрясениях с широким спектром частот без устройства специальных включающихся и выключающихся связей.
Поставленная задача решается за счет того, что многоэтажное сейсмостойкое здание включает верхние пространственно жесткие этажи, образованные колоннами, ригелями, перекрытиями, стеновыми панелями, и первый или цокольный этаж, или и первый и цокольный этажи из отдельно стоящих кинематических стен с ребрами, имеющих закругленные верхние и нижние грани и обладающих свойством устойчиво покачиваться во время землетрясения по бороздам, предусмотренным в горизонтальных плитах, между которыми располагаются указанные выше стены. Закругленные грани стоек выполнены с переменной кривизной так, что эта кривизна, играя роль включающихся и выключающихся связей, ограничивает развитие больших перемещений, при сохранении способности стен существенно снижать сейсмические силы, действующие на здание или сооружение во время землетрясения. Отдельно стоящие кинематические стены с ребрами установлены в двух уровнях, между которыми находится промежуточная горизонтальная плита. Эта плита может быть сплошной или может иметь отверстия, или может быть изготовлена в виде перекрестной системы балок. Стены с ребрами обладают закругленными гранями с переменной кривизной, образующей цилиндрические поверхности качения, что многократно увеличивает площади взаимного контакта поверхностей. А это, в свою очередь, существенно снижает концентрацию напряжений на них, а сами стены, в каждом уровне их расположения, имеют возможность покачиваться только вдоль или только поперек здания, но так, чтобы вектор перемещений в нижнем уровне и вектор перемещений в верхнем уровне были в плане под прямым углом относительно друг друга.
Предлагаемая здесь конструкция может успешно применяться в многоэтажных сейсмостойких зданиях и сооружениях, причем этажность здесь не ограничена. Все размеры, а также необходимое количество кинематических стен и их ребер жесткости подбираются расчетным путем.
В качестве примера на фиг.1 приводится продольный разрез III-III здания (см. фиг.1 и 3). В пределах цокольного этажа располагаются кинематические стены в двух уровнях, между которыми находится горизонтальная промежуточная плита 5; в нижнем уровне - кинематические стены 4 и их ребра 3; в верхнем уровне - кинематические стены 2 и их ребра 1; сплошная фундаментная плита (которая может иметь в общем случае и отверстия) 6 имеет ребра 17, идущие вдоль и поперек здания и располагающиеся в плане непосредственно под кинематическими стенами 4 и их ребрами 3; в нижнем уровне кинематические стены 4 имеют возможность покачиваться во время землетрясения только в поперечном направлении здания, и наоборот, в верхнем уровне кинематические стены 2 могут покачиваться только в продольном направлении.
На фиг.2 приводится горизонтальный разрез здания в уровне II-II (план). Здесь показаны кинематические стены 4 и их ребра 3, расположенные в первом уровне, то есть под промежуточной плитой 5; сплошная фундаментальная плита 6 и подпорная стенка 7 с контрфорсами 16 образуют корыто, в пределах которого находятся кинематические стены и промежуточная плита, имеющие возможность свободно покачиваться во время землетрясения; даются два варианта:
а - кинематические стены с двумя ребрами;
б - кинематические стены с четырьмя ребрами.
На фиг.3 приводится горизонтальный разрез в уровне I-I. Здесь кинематические стены 2 и их ребра 1 покоятся на промежуточной плите 5; на кинематических стенах 2 лежит надцокольная плита 8 (см. фиг.1); контрфорсы по высоте доходят до уровня промежуточной плиты (с вычетом необходимого зазора 8-10 см), поэтому они на фиг.3 не показаны, они приведены на фиг.2; даются два варианта плана:
а - кинематические стены с двумя ребрами;
б - кинематические стены с двумя и четырьмя ребрами - смешанный вариант.
На фиг.4 приведены аксонометрии кинематических стен с ребрами; даны два варианта отдельно стоящих стен:
а - кинематические стены с двумя ребрами;
б - кинематические стены с четырьмя ребрами.
Верхние и нижние грани кинематических стен и их ребер имеют закругленные грани в виде цилиндрической поверхности с переменной по длине дуги кривизной; кинематические стены могут быть сборными, сборно-монолитными или монолитными.
На фиг.5 дается схема в плане расположения борозд 19 на верхней грани промежуточной плиты 5; борозды 19 образуются с помощью выступов 18; ширина борозды 19 определяется расчетным путем.
На фиг.6 и 7 даются разрезы 1-1 и 2-2; здесь показаны борозды 19 на верхней и нижней гранях промежуточной плиты; аналогично устраиваются борозды на поверхностях фундаментной и надцокольной плит. На фиг.8 приводится геометрическая схема ребра 1 кинематической стены 2; высота H подбирается расчетным путем; переменность кривизны цилиндрической поверхности B A0 A1 A2 A3 A4 обеспечивается с помощью изменения радиусов кривизны по длине дуги. Принципиальная схема построения кривизны цилиндрической поверхности закругленных граней кинематической стены и ее ребер жесткости приводится на фиг.8. Ниже поясняется правило построения этой кривизны. Половина дуги B A0 A4 (фиг.8) делится, к примеру, на 4 участка (чем больше участков, тем более плавно идет кривая, показанная на фиг.10): A0 A1, A1 A2, A2 A3, A3 A4. Длина каждого участка дуги обозначается соответственно через V1, V2, V3, V4. На центральной вертикальной оси выбирается точка O1, так чтобы был отрезок |A0A1|>H/2.
Радиусом R1=|A0A1|, с центром кривизны к точке O1, проводится дуга |A0A1|=V1. На продолжении радиуса O1 A1 назначается точка O2. Далее радиусом R2=|A1O2|, с центром кривизны в точке O2, проводится дуга |A1A2|=V2. Затем на продолжении радиуса O2 A2 выбирается точка O3. После чего радиус R3=|A2O3|, с центром кривизны в точке O3. Проводится дуга |A2A3|=V3. Аналогично находится центр кривизны O4 и проводится дуга |A3A4|=V4.
Длина дуги V1 первого участка кривизны цилиндрических поверхностей кинематических стен состоит из двух частей:
V1=Vк+Vсв.
Здесь:
Vк - часть дуги V1, которая идет непосредственно в пределах линии контакта поверхностей качения; при этом полная длина линии контакта равна 2Vк (слева и справа от центральной точки A0 - фиг.8); величина 2Vк определяется расчетным путем, используя известное решение задачи Герца;
Vсв - часть дуги V1, которая предназначена для свободного пробега здания во время его покачивания силами землетрясения.
Кинематическая стена устойчива при качении, если выполняются следующие условия: H/2<R1≤R2≤R3≤R4.
В общем случае число участков, на которое разбивается дуга A0 A4 (фиг.8), может стремиться к бесконечности. При расположении центров кривизны на эволюте переход от одного участка к другому происходит плавно, и главное, от участка к участку убывает кривизна цилиндрической поверхности качения, то есть растет жесткость кинематической стены при колебаниях. А это приводит к росту частоты собственных колебаний здания с увеличением его горизонтальных перемещений.
Поскольку система изначально низкочастотна, она слабо реагирует на высокочастотные возмущения землетрясения. В случае наличия в спектре возмущения низких частот, то есть если спектр частот широкополосный, в системе начинают развиваться большие перемещения. При этом в работу включаются участки закругленных граней кинематических стен и их ребер с относительно малой кривизной, что приводит к возрастанию частоты собственных колебаний здания.
Таким образом, система "убегает" от низкочастотного резонанса. Высокочастотный резонанс здесь исключен.
На фиг.9 дается фронтальная проекция кинематической стены с ребрами жесткости.
На фиг.10 приводится примерный график изменения силы (реакции) F в зависимости от горизонтальных перемещений "y" здания.
Меняя величины дуг V1, V2, V3, V4 и значения соответствующих радиусов R1, R2, R3, R4, а также высоту H (фиг.8), можно получать кинематические стены с ребрами жесткости, имеющие различные свойства. При этом число вариантов бесчисленное множество. При увеличении числа участков, на которое разбивается дуга A0 A4 (фиг.8), ломаный график (фиг.10) обретает плавный вид.
Чтобы кинематические стены эффективно гасили сейсмические силы, при этом и одновременно ограничивали большие перемещения, рекомендуется первый и второй участки на закругленных гранях брать с радиусом R1 и R2, близкими к H/2, а V1 и V2 - относительно большими, и наоборот, начиная с третьего участка, радиусы R3, R4 назначать значительными при относительно малых V3, V4.
При такой "геометрии" обеспечивается необходимый рост реакции F=F(y) - фиг.10.
Все размеры и "геометрия" кинематических стен и ребер жесткости, а также толщина фундаментной, надцокольной и промежуточной плит определяются расчетным путем. При этом как материал, из которого изготовляются предлагаемые конструкции, так и параметры, и характеризующие ее "геометрию" размеры, могут меняться в широких пределах. В частности, как один из возможных вариантов, рекомендуются следующие параметры:
каждая половина закругленной грани (по дуге), начиная с центральной точки A0 (фиг.8), разбивается на 4 участка:
Vсв=10 см, V2=4 см, V3=2 см, V4 - оставшийся участок;
H=150 см;
R1=76 см; R2=R1+50 см;
R3=R2+400 см; R4=R3+800 см;
материал - железобетон;
кинематические стены в первом и втором уровнях располагаются в пределах высоты только цокольного этажа.
При приведенных выше параметрах период собственных колебаний (когда перемещения здания не выходят за пределы первого участка) равен примерно 20 секундам. Число этажей до 12. Периоды колебаний землетрясений, как свидетельствует статистика, находятся в пределах 0,1÷1,5 секунды. Другими словами, предлагаемая система практически не реагирует на возмущения землетрясений, а если будут частоты возмущения в спектре - низкие,
то включаются в работу вторые, третьи участки кривизны.
Другой вариант
Н=300 см.
В нижнем уровне кинематические стены идут на всю высоту цокольного этажа; в верхнем уровне кинематические стены идут на всю высоту первого этажа здания. Таким образом, цокольный и первый этажи, в этом варианте, становятся эксплуатируемыми. Не требуется специальная промежуточная плита между верхним и нижним уровнями, здесь ее роль играет плита перекрытия цокольного этажа. Остальные параметры кинематических стен следующие: R1=152 см; R2=R1+50 см; R3=R2+400 см;
R4=R3+800 см; Vсв=9 см; V2=3 см; V3=2 см; V4 - оставшийся участок; материал - железобетон.
Для этого варианта кинематических стен период собственных колебаний здания равен примерно 36 секундам; здесь число этажей может быть как менее 12, так и более 12.
По сравнению со зданиями на столбчатых фундаментах или на отдельно стоящих колоннах, или на фундаментах из обычных подушек и блоков в рассматриваемом варианте сейсмические силы, действующие на здание, уменьшаются в 5, 10, 15, 20 раз.
Как показывает множество численных экспериментов, проведенных нами на компьютере, вероятность невыхода перемещений "y" здания за пределы первого участка кривизны 
определяющей цилиндрические поверхности кинематических стен и их ребер, равна 0,997.
Это сводит на нет возможность изгиба здания под воздействием своего собственного веса, при кручении в плане сооружения силами землетрясения, поскольку 
R1=152 см; 
В расчетах были использованы реальные акселелограммы 10-балльных землетрясений по Газли и Taft; решалась нелинейная вероятностная задача; ускорения поверхности земли моделировались нестационарным гауссовским случайным процессом. Здесь речь идет не столько о перемещениях самого здания относительно поверхности земли, сколько о перемещениях земли относительно здания. При этом сейсмические силы ничтожно малы - см. фиг.10, первый участок в окрестности нуля - здесь реакция F=F(y) незначительна.
На фиг.1 - вертикальный разрез здания III-III;
на фиг.2 - горизонтальный разрез здания по нижнему уровню II-II;
на фиг.3 - горизонтальный разрез здания по верхнему уровню I-I;
на фиг.4 - аксонометрии кинематических стен с ребрами;
на фиг.5 - схема расположения в плане борозд;
на фиг.6 - вертикальный разрез промежуточной плиты вдоль борозды;
на фиг.7 - вертикальный разрез промежуточной плиты поперек борозды;
на фиг.8 - принципиальная схема построения "геометрии" кинематической стены с ребрами жесткости;
на фиг.9 - фронтальная проекция кинематической стены;
на фиг.10 - примерный график изменения реакции кинематической стены в зависимости от горизонтальных перемещений здания.
Фиг.1: как пример приведен вертикальный разрез здания; перекрытия - 11 (число этажей здесь принято для примера равным шести); сплошная фундаментная плита 6 имеет ребра 17, идущие вдоль и поперек здания в тех местах в плане, где имеются кинематические стены 4 и их ребра 3; на промежуточной плите 5 располагаются кинематические стены 2 и их ребра 1; на этих стенах лежит надцокольная плита 8, на которой возводятся вертикальные несущие конструкции 12 (колонны или стены); по контуру фундаментной плиты идет подпорная стенка 7, имеющая зазоры 14 и 17 для обеспечения свободного качения здания; позициями 9 и 10 обозначены лоджии и ограды соответственно; шаг L разбивочных осей может быть и переменным; позиция 13 - основание, на которое сажается здание.
Фиг.2: здесь показаны в плане и покрыты штрихами кинематические стены 4 и их ребра 3, которые опираются на фундаментную плиту - это нижний уровень (даны два варианта: а - кинематические стены с двумя ребрами; б - кинематическая стена с четырьмя ребрами); кинематические стены с ребрами имеют возможность покачиваться только в поперечном направлении здания; подпорная стенка 7 совместно с фундаментной плитой 6 образует корыто, в котором находятся кинематические стены, их ребра и промежуточная плита 5 (см. фиг.3); контрфорсы 16 доходят по высоте только до промежуточной плиты 5, оставляя при этом между верхом контрфорса и низом промежуточной плиты свободный зазор 8÷10 см.
Фиг.3: здесь показаны в плане и заштрихованы кинематические стены 2 и их ребра 1 - это второй уровень; даны два варианта:
а - кинематические стены с двумя ребрами;
б - кинематическая стена с двумя и четырьмя ребрами - смешанный вариант; позиция 3 - промежуточная плита, на которой располагаются кинематические стены с ребрами, которые имеют возможность покачиваться только в продольном направлении здания, зазор 15 обеспечивает свободу зданию при его покачивании сейсмическими силами; 7 - контурная подпорная стенка; здесь контрфорсы 16 не показаны, они даны на фиг.2.
Фиг.4: для наглядности даются аксонометрии кинематических стен и их ребер; 20 - цилиндрическая поверхность;
вариант а - кинематические стены с двумя ребрами;
б - кинематическая стена с четырьмя ребрами.
Фиг.5: здесь приводится фрагмент плана промежуточной плиты 5; для образования борозд 19 устраиваются выступы 18; размеры ширины борозд "в1 и в2" определяются в зависимости от вычисляемых по расчету ширины кинематической стены и ширины ее ребер (в частном случае в1=в2).
Фиг.6: выступы 18, образующие борозды 19, располагаются на верхней и нижней гранях промежуточной плиты 5; здесь дается вертикальный разрез по борозде, поэтому выступы непосредственно не попадают в разрез.
Фиг.7: здесь вертикальный разрез идет по выступам 18;
5 - промежуточная плита; 19 - борозды, в которые сажаются кинематические стены и их ребра; высота h определяется по расчету.
Фиг.8: здесь показана кинематическая стена 2 и ее ребро 1; линия O1 O2 O3 O4 образует эволюту, на которой находятся центры кривизны с радиусами R1 R2 R3 R4 соответственно; дается принципиальная схема построения "геометрии" кривизны.
Фиг.9: здесь приводится кинематическая стена в ее фронтальной проекции; дается как пример, только вариант стены с двумя ребрами; 20 - цилиндрическая поверхность.
фиг.10: здесь приводится примерный график изменения реакции F кинематической стены в зависимости от горизонтального перемещения "у" здания; график представляет собой кусочно-линейную кососимметричную функцию.
Источники информации
1. Патент Японии №51-29324, Е04В 1/36;
2. Авторское свидетельство СССР №12654504, Е04Н 9/02, 1991
3. Патент RU2200810 C2, 20.03.2003.
4. Патент RU2256749 С2, Е02D 27/34, E04H 9/02.
Многоэтажное сейсмостойкое здание, включающее верхние пространственно жесткие этажи, образованные колоннами, ригелями, перекрытиями, стеновыми панелями, и первый или цокольный этаж, или и первый, и цокольный этажи из стен с ребрами, имеющих закругленные верхние и нижние грани и обладающих свойством устойчиво покачиваться во время землетрясения по бороздам, предусмотренным в горизонтальных плитах, между которыми располагаются указанные выше стены, причем закругленные грани стен и их ребер выполнены с переменной кривизной так, что эта кривизна, играя роль включающихся и выключающихся связей, ограничивает развитие больших перемещений, при сохранении способности стен существенно снижать сейсмические силы, действующие на здание или сооружение во время землетрясения, отличающееся тем, что оно содержит отдельно стоящие стены с ребрами, установленные в двух уровнях, между которыми находится промежуточная горизонтальная плита, выполненная сплошной или с отверстиями, или в виде перекрестной системы балок, причем стены и их ребра обладают закругленными гранями с переменной кривизной, образующей цилиндрические поверхности качения, что, многократно увеличивая площади взаимного контакта поверхностей, существенно снижает концентрацию напряжений на них, а сами стены, в каждом уровне их расположения, имеют возможность покачиваться только вдоль или только поперек здания, но так, чтобы вектор перемещений в нижнем уровне и вектор перемещений в верхнем уровне были в плане под прямым углом относительно друг друга.
