Способ снижения горизонтальной инерционной нагрузки объекта на сейсмоизолирующем кинематическом фундаменте

Изобретение относится к строительству, в частности к способам снижения горизонтальных инерционных нагрузок зданий и сооружений на сейсмоизолирующих кинематических фундаментах при внешнем воздействии от сейсмических и техногенных колебаний грунта. Способ снижения горизонтальной инерционной нагрузки объекта на сейсмоизолирующем кинематическом фундаменте включает взаимное горизонтальное смещение опорной и фундаментной плит при сейсмическом воздействии грунта и возвращение их из отклоненного к начальному положению горизонтальной силой реакции эквивалентной упругой связи между опорной и фундаментной плитами, пропорциональной отклонению при колебаниях. Отклонение и возвращение из отклоненного к начальному положению опорной плиты осуществляют с учетом выбора конструктивных параметров упругой связи и введением коэффициента жесткости горизонтальной эквивалентной упругой связи между опорной и фундаментной плитами и коэффициента трения качения опорных тел качения, по которым выбирают предельно допустимое значение отклонения от начального положения равновесия опорной плиты при колебаниях по основному тону собственных колебаний всей динамической системы с общим весом G при условии получения частоты основного тона в диапазоне 0.03÷0.14 герц, при этом необходимый коэффициент трения качения определяют по приведенным зависимостям. Технический результат состоит в снижении горизонтальной инерционной нагрузки объекта на сейсмоизолирующем кинематическом фундаменте до значений несейсмических зон, снижении материалоемкости на антисейсмические мероприятия по защите объектов. 2 ил.

 

Изобретение относится к строительству, в частности к способам снижения горизонтальных инерционных нагрузок зданий и сооружений на сейсмоизолирующих кинематических фундаментах при внешнем воздействии от сейсмических и техногенных колебаний грунта.

Известен способ снижения горизонтальных инерционных нагрузок для сейсмоизолирующего кинематического фундамента со сферическими поверхностями опорных тел качения, в котором при сейсмическом воздействии обеспечивают взаимные горизонтальные смещения опорной части здания, лежащей на телах качения, и фундаментной части, несущей тела качения.

Недостаток его в том, что в нем отсутствует собственное своевременное возвращение здания к начальному положению, обеспечивающее постоянную готовность к восприятию повторных сейсмических воздействий, что не исключает в этом случае возможных запредельных смещений, ведущих к разрушениям (см. Поляков B.C. Последствия сильных землетрясений. Москва. Стройиздат. 1978 г, стр.298).

Известен также способ снижения горизонтальных сейсмических нагрузок для кинематического фундамента с опорными телами качения в виде стоек со сферическими торцами, в котором обеспечивают при сейсмическом воздействии взаимное горизонтальное смещение опорной и фундаментной плит и возвращение к начальному положению равновесия силой взаимной реакции между опорной и фундаментной плитами пропорциональной отклонению, возникающей подобно реакции от действия жесткости эквивалентной упругой связи. Реакция, возникающая за счет обусловленного эксцентричностью поверхностей качения торцов стоек поднятия центра тяжести объекта при его горизонтальном отклонении, имеет фиксированное значение коэффициента пропорциональности, аналогичного коэффициенту жесткости эквивалентной упругой связи (см. авторское свидетельство СССР №554386, МПК⁸ Е04Н 9/02, опубл. 15.04.1977).

Недостатком данного аналога является то, что коэффициент жесткости определен фиксированным значением радиуса сферических торцов, что ограничивает свободу выбора частоты основного тона собственных колебаний, оставляя его в области возможных спектров низких частот землетрясений. Кроме того, это создает возможность возникновения резонансных эффектов на этих частотах сейсмических воздействий, ведущих к опасному повышению сейсмической нагрузки. Этот недостаток не позволяет достичь технического результата заявляемого изобретения.

Известно многоэтажное сейсмическое здание, в котором реализован способ снижения горизонтальных сейсмических нагрузок для кинематического фундамента, включающий взаимное горизонтальное смещение опорной и фундаментной плит при сейсмическом воздействии грунта и возвращение из отклоненного к начальному положению горизонтальной силой реакции между опорной и фундаментной плитами, пропорциональной отклонению при колебаниях (см. SU 554388 А, Е04Н 9/02, 25.04.1977).

Недостаток такого решения в том, что здание может при выключенных связях, пока они еще не восстановлены, не выдержать низкочастотного сейсмического воздействия. Ведь не исключена возможность, что в одной серии сейсмических толчков в спектре преобладают высокие частоты колебаний и разрушают выключающиеся связи, а сразу за этим в очередной серии толчков будут преобладать низкие частоты воздействия. Та же опасность возникнет и при просто широком спектре частот воздействия, когда вначале здание отзовется резонансом на высокие частоты спектра воздействия, разрушая выключающиеся связи, а без связей мгновенно отзовется резонансом на низкие частоты спектра сейсмического воздействия и рухнет. Такой период незащищенности здания не позволяет достичь требуемого технического результата. В сравнении с предлагаемым способом использование выключающихся связей является лишним усложнением, препятствующим достижению результата заявляемого изобретения.

Задачей заявляемого изобретения является снижение горизонтальной инерционной нагрузки объекта на сейсмоизолирующем кинематическом фундаменте до значений несейсмических зон.

Решение технической задачи достигается тем, что в известном способе снижения горизонтальной инерционной нагрузки объекта на сейсмоизолирующем кинематическом фундаменте, включающем взаимное горизонтальное смещение опорной и фундаментной плит при сейсмическом воздействии грунта и возвращение из отклоненного к начальному положению горизонтальной силой реакции между опорной и фундаментной плитами, пропорциональной отклонению при колебаниях, согласно изобретению отклонение и возвращение из отклоненного к начальному положению опорной плиты осуществляют с введением такого, определяемого тем, что выбирают конкретную форму и материал упомянутой упругой связи, коэффициента жесткости этой связи, и такого, который получают по данным выбора этих же формы и материала, коэффициента трения качения опорных тел качения, по которым выбирают предельно допустимое значение отклонения от начального положения равновесия опорной плиты при колебаниях по основному тону собственных колебаний всей динамической системы с общим весом G, чтобы достигалось условие получения частоты основного тона в диапазоне 0,03÷0,14 герц, для чего необходимый коэффициент трения качения К определяют по формуле K=S/(G·(n+1), где S - заданное значение горизонтальной инерционной нагрузки, n=4÷20, а требуемый коэффициент жесткости С определяют по формуле C=K·G·n/Δ, где Δ - значение предельно допустимого отклонения от начального положения равновесия. В приведенных выше формулах n - это отношение максимальной горизонтальной реакции эквивалентной упругой связи при предельном отклонении, равном Δ, к силе трения качения опорных тел качения.

Данный способ позволит снизить горизонтальную инерционную нагрузку объекта на сейсмоизолирующем кинематическом фундаменте до значений несейсмических зон, устранить затраты, направленные на антисейсмические мероприятия самого здания или сооружения над опорной плитой.

Минимальное значение n, равное 4, выбрано из условия допустимости при прекращении сейсмических воздействий неполного возврата к начальному положению за счет превышения силы трения над уменьшающимся до нуля вблизи положения равновесия значением возвращающей силы.

При n меньше 4 неполнота возврата превышает 25%, что при совпадающем направлении сейсмического толчка не позволяет снизить горизонтальную инерционную нагрузку объекта до значений несейсмических зон. При значении n больше 20 неполнота возврата меньше 5%, которое уже практически может считаться пренебрежимо малым влиянием сил трения на частоту колебаний, и увеличивать n не имеет смысла.

Значение верхнего предела получаемой частоты основного тона, равное 0.14 герц, выбрано из условия приемлемой степени отстройки при возможном реальном спектре частот воздействия с нижней частотой порядка 0.7÷1.0 герц, а значение нижнего предела частоты основного тона, равное 0.03 герц, выбрано из условия приемлемой степени отстройки при реальном спектре частот воздействия с нижней частотой порядка 0.2÷0.25 герц. Поскольку регистрируемые частоты обычных землетрясений не ниже этих значений, нижний предел частоты основного тона, равный 0.03 герц, достаточен и нет смысла его еще больше снижать.

Сущность способа поясняется чертежами, где на фиг.1 показан кинематический фундамент с телами качения в виде стоек со сферическими торцами; на фиг.2 показан эквивалентный по действию горизонтальных колебаний кинематический фундамент с заменяющими стойки шаровыми телами качения и упругой возвращающей связью, с коэффициентом жесткости эквивалентной упругой связи, дающей реакцию, равную реакции стойки со сферическими торцами. Этот эквивалентный фундамент может быть применен вместо любых кинематических фундаментов с линейной характеристикой горизонтальной возвращающей силы при выборе их параметров.

Пример конкретной реализации способа.

Фундамент, содержащий фундаментную плиту на грунте 1, опорную плиту 2 над ней с сейсмоизолируемым объектом 3 и тела качения 4, расположенные между ними для возможности горизонтальной подвижности опорной плиты 2 относительно фундаментной плиты 1. Для достижения решения задачи изобретения осуществляют отклонение и возвращение из отклоненного к начальному положению опорной плиты с введением таких значений коэффициента трения качения тел качения, а также коэффициента эквивалентной жесткости упругой связи 5, используемой в качестве конструктивно реализуемого ее формой и материалом параметра жесткости горизонтальной упругой связи динамической системы совместно колеблющихся масс фундамента и объекта, определяемых по формулам K=S/(G·(n+1)) и С=К·С·n/Δ, что по ним становится достижимым выбрать практически возможное значение предельного допустимого отклонения при колебаниях, при котором степень отстройки частоты основного тона собственных колебаний в низкочастотную область относительно спектра частот воздействия колебаний грунта окажется достаточной для достижения частоты основного тона в диапазоне 0,03÷0,14 герц.

При сейсмическом или техногенном воздействии колебаний грунта колеблющаяся фундаментная плита совершает горизонтальные движения вместе с грунтом, а здание или сооружение остается почти неподвижным, т.к. его инерционная сила не может по исходному условию функционирования кинематического фундамента с использованием заявляемого способа превысить сумму сил трения качения тел качения и эквивалентной реакции упругой связи. Эта сумма сил и обуславливает по условиям равновесия всех действующих сил заданное значение инерционной силы, которую можно, при необходимости, снизить до значений много меньших сил от ветра, например, в условиях отсутствия ветровых нагрузок.

Возможности осуществления технического результата снижения инерционной нагрузки до заданного значения и гарантированному достижению решения способствуют и допущение больших значений предельных отклонений, например от 0,1 до 1,0 м, и существенно сниженное данной выше формулой значение коэффициента трения, позволяющие снижать заданное значение горизонтальной инерционной нагрузки и до значений много меньших ветровой нагрузки надземных объектов в необходимых случаях, например, для изолированных от ветра или подземных объектов, для особо чувствительных к инерционным силам при сейсмическом воздействии подземных точных производств, управляющих или исследовательских центров. По параметрам частоты основного тона, жесткости связи и ветровой и весовой нагрузки выбираются конструктивные параметры связи, элементов кинематических опор и здания. Например, при заданном значении горизонтальной инерционной нагрузки, равном ветровой нагрузке, составляющей 1% веса крупнопанельного здания, и амплитуде предельных отклонений опорной плиты вместе со зданием 0.5 м, обеспечивающей достаточную отстройку от частот сейсмического воздействия, частота основного тона, как для системы с одной степенью свободы, равна с достаточной для практики точностью значению: f=0.5·(0.01/0.5)^0.5=0.071 герц (период Т=14 сек), а при выборе амплитуды 0.25 м f=0.1 герц (Т=10 сек), а выборе амплитуды 0.125 м f=0.14 герц (Т=7 сек), а амплитуды 1 м f=0.05 герц (Т=20 сек).

Использование предлагаемого способа снижения горизонтальной инерционной нагрузки объекта на сейсмоизолирующем кинематическом фундаменте по сравнению с прототипом позволит сэкономить затраты, направленные на антисейсмические мероприятия самого здания или сооружения над опорной плитой. Кроме экономической задачи появляется недостижимая ранее техническая эффективность. Архитектура в сейсмически опасных районах освобождается от множества ограничений, обусловленных сейсмическими нагрузками. Ограничениями заявляемого изобретения являются значения предельных амплитуд смещений здания относительно фундаментной плиты, а не деформации самого здания, не превышающие их значений от действия, например, ветра, если заданное значение горизонтальной инерционной нагрузки взято равным ему. Однако экономически целесообразнее решить проблему гибкого подвода коммуникаций к сильно смещаемому, но неповреждаемому зданию из несейсмических конструкций, чем делать сейсмостойкие конструкции всего здания, в которых допускается согласно нормам проектирования возникновение при землетрясениях частичных повреждений, могущих препятствовать дальнейшей эксплуатации зданий, но без обрушений, мешающих эвакуации, и которые подлежат затем восстановлению несущих конструкций или сносу.

Способ снижения горизонтальной инерционной нагрузки объекта на сейсмоизолирующем кинематическом фундаменте, включающий взаимное горизонтальное смещение опорной и фундаментной плит при сейсмическом воздействии грунта и возвращение их из отклоненного к начальному положению горизонтальной силой реакции, эквивалентной упругой связи между опорной и фундаментной плитами, пропорциональной отклонению при колебаниях, отличающийся тем, что отклонение и возвращение из отклоненного к начальному положению опорной плиты осуществляют с учетом выбора конструктивных параметров упругой связи и введением коэффициента жесткости горизонтальной эквивалентной упругой связи между опорной и фундаментной плитами и коэффициента трения качения опорных тел качения, по которым выбирают предельно допустимое значение отклонения от начального положения равновесия опорной плиты при колебаниях по основному тону собственных колебаний всей динамической системы с общим весом G, при условии получения частоты основного тона в диапазоне 0,03÷0,14 Гц, а необходимый коэффициент трения качения определяют по формуле K=S/(G·(n+1)), где S - заданное значение горизонтальной инерционной нагрузки, n=4÷20 - отношение максимальной горизонтальной реакции эквивалентной упругой связи при предельном отклонении, равном А, к силе трения качения опорных тел качения, а требуемый коэффициент жесткости определяют по формуле C=K·G·n/Δ, где Δ - значение предельно допустимого отклонения от начального положения равновесия.