Сейсмостойкое здание
Владельцы патента RU 2535567:
Соболев Валериан Маркович (RU)
Юзепчук Кирилл Сергеевич (RU)
Жарков Фёдор Анатольевич (RU)
Изобретение относится к области строительства, в частности к защите строительных конструкций от сейсмического воздействия и снижению сейсмической нагрузки на здание. Технический результат: повышение сейсмостойкости здания, позволяющей упростить конструкцию фундаментов, и вместе этим расширить область использования сейсмозащиты, повышение технико-эксплуатационных характеристик здания с уменьшением горизонтальной сейсмической нагрузки на 2-3 балла в широком спектре частот. Сейсмостойкое здание включет пространственно жесткие этажи, колонны каркаса, опертые на нижнее железобетонное основание, которое не имеет жестких связей с вышележащими несущими конструкциями и лежит на скользящей прокладке, фундаменты выполнены из монолитного бетона в виде плиты или перекрестных лент. Для сейсмозащиты здания используется диссипация энергии землетрясения, построенная на принципах демпфирования сухого трения, при этом коэффициент трения материала прокладки между фундаментом и несущими элементами здания принимается от доли весовой характеристики, приложенной на каждой опоре, а несущие колонны здания в уровне сопряжения с фундаментом имеют дополнительные упругие элементы опор, которые принимают участие в работе по достижению перемещений несущими колоннами заданной величины и способствуют возвращению несущих колонн в исходное положение, при этом жесткость упругих опор назначается от остаточной доли, которая воспринимается демпферами сухого трения по весовой характеристике здания для каждого опорного элемента колонн, а упругие элементы выполнены из цилиндрических, или тарельчатых пружин, или их комбинации; для обеспечения условий устойчивости здания от суммарной ветровой нагрузки, интенсивности сейсмической нагрузки и предельного значения перемещения здания при сейсмическом воздействии колонны опираются на фундаменты через скользящие прокладки и объединенны жесткой горизонтальной платформой из перекрестных балок, на фундаментных конструкциях устроены опорные столики с закладными анкерами и пластинами, в пространстве между опорными столиками и перекрестными балками вставлены упругие элементы. 10 з.п. ф-лы, 22 ил. 4 табл.
Изобретение относится к области строительства, в частности к защите строительных конструкций от сейсмического воздействия и снижению сейсмической нагрузки на здание.
Известны устройства для защиты сооружения от сейсмического воздействия (аналог), включающие резино-металлические опоры (РМО), выполненные из поочередно уложенных друг на друга упругих резиновых листов (прокладок) и металлических листов (акцептованная заявка JP №1-23633, E04H 9/02, E04B 1/36, F16F 15/02, 1989). В известных устройствах горизонтальное перемещение сооружения (здания) относительно фундамента происходит за счет деформации сдвига упругих резиновых листов.
Недостатком антисейсмических резино-металлических опор является изменение физико-механических свойств материала прокладок при неблагоприятных условиях эксплуатации сооружения. Кроме того, к недостаткам можно отнести отсутствие достаточной по величине восстанавливающей силы, обеспечивающей возможность возвращения сооружения (здания) в исходное положение относительно фундамента после взаимного смещения последних при сейсмическом воздействии.
Отмеченных недостатков не имеют сейсмоизолирующие опоры кинематического типа. Наиболее простыми по конструктивному исполнению являются опоры, в которых относительные перемещения сооружения и фундамента обеспечиваются расположенными в зазоре между нижней торцевой поверхностью сооружения (здания) и фундаментом жесткими звеньями, которые непосредственно воспринимают и передают весовую нагрузку от сооружения (здания) на фундамент.
Известно устройство адаптивной сейсмозащиты зданий и сооружений по патенту RU 2200810 C2, E04H 9/02, E02D 27/34, 2003 г. Известное устройство включает первый или цокольный этаж из крестообразных стоек, обладающих свойством «Ваньки-встаньки» и образованных парой панелей с закругленными верхними и нижними гранями, имеющих паз на одной из закругленных граней и соединенных между собой посредством заведения паза одной в паз другой. В элементах нижней и верхней обвязки, являющихся фундаментными подушками, и элементах верхней обвязки, являющихся частью перекрытия первого или цокольного этажа, предусмотрены борозды. Крестообразные стойки, обладающие свойством «Ваньки-встаньки», выполнены с возможностью качения во время землетрясения по указанным бороздам, а закругленные грани выполнены с переменной кривизной так, что эта кривизна, играя роль включающихся и выключающихся связей, ограничивает развитие больших горизонтальных перемещений, действующих на здание.
Однако известное устройство имеет относительно низкую несущую способность, т.к. весовая нагрузка ограничена допустимыми контактными напряжениями при качении крестообразных стоек по соответствующим бороздам, а также не имеет возвращающего механизма в исходное положение здания.
Известно устройство сейсмостойкого здания по патенту RU 2066362 C1 (E04H 9/02, 1996). В известном устройстве между нижним жестким этажом здания и плитой фундамента размещены сейсмоизолирующие элементы из шаровых сегментов и упругих вставок, размеры которых и каждого сейсмоизолирующего элемента определены из заданных определенным образом соотношений. Известное устройство позволяет повысить сейсмостойкость здания за счет понижения частоты собственных колебаний системы здание - сейсмоизоляция и выведения ее из диапазона частот спектра сейсмических волн, опасного в данной точке поверхности Земли.
Недостатком известного устройства является относительно низкое значение весовой нагрузки, передаваемой сферической поверхностью шарового сегмента при контакте с соответствующей ответной плоской поверхностью.
Известна опора сейсмостойкого здания по патенту RU 2063503 C1 (E04H 9/02, 1996). Опора размещена между строительными конструкциями здания и образована из части сферы с внесенным в нее цилиндром, упругого элемента, расположенного в нише последней, и жесткого цилиндрического элемента, который установлен в полости части сферы и оперт на упругий элемент нижней частью. Жесткий цилиндрический элемент установлен в упомянутой полости с возможностью его перемещения по вертикали относительно части сферы и имеет оголовок с горизонтальным основанием. Диаметр оголовка жесткого цилиндрического элемента равен диаметру цилиндра. Основание последнего совпадает с горизонтальным основанием части сферы. В варианте осуществления упругий элемент выполнен в виде дисковой пружины с прокладками из упругопластического материала и ядром из прокаленного песка. Упругий элемент может быть заменен при необходимости. Нижняя строительная конструкция здания имеет выемку, в которой размещена основанием упомянутая часть сферы. Полость между частью сферы и стенками выемки заполнена песком. с образованием демпфера, обеспечивающего вязкое затухание колебаний. Опора такой конструкции представляет собой самовосстанавливающуюся связь.
К недостаткам известного устройства можно отнести следующие:
- при использовании подобной опоры горизонтальное перемещение здания относительно фундамента сопровождается его вертикальным перемещением (колебаниями);
- высокий уровень контактных напряжений в узле взаимодействия верхней торцевой поверхности цилиндра, возникающих при наклоне опоры, что существенно ограничивает несущую способность опоры;
- демпфирование горизонтальных колебаний определяется качеством песка, заполняющего выемку в нижней строительной конструкции здания, что не позволяет оптимизировать демпфирующие характеристики устройства;
- сложность конструктивного исполнения опоры.
- диссипация энергии сейсмического воздействия гасится только вязким трением в узлах взаимодействия опор, которые имеют различные весовые характеристики, приходящиеся от верхних конструкций здания. При сейсмическом воздействии различной интенсивности может оказаться, что вязкого трения для защиты может оказаться недостаточно, что может привести к разрушению здания или его частей.
Известно устройство фундамента для сейсмостойкого здания по патенту RU 2119012 E02D 27/34. Фундамент для сейсмостойкого здания включает верхний и нижний элементы, разделенные горизонтальным швом, заполненным сыпучим материалом. Сыпучий материал помещен с уплотнением в упругие торообразные емкости, имеющие вырезы на внутренних поверхностях, края которых скреплены кольцевым бандажом, причем емкости помещены в стакан фундамента с зазором, который заполнен сыпучим материалом без уплотнения.
К недостаткам известного устройства можно отнести следующие:
- демпфирование горизонтальных колебаний определяется качеством песка, заполняющего выемку в нижней строительной конструкции здания, что не позволяет оптимизировать демпфирующие характеристики устройства;
- диссипация энергии сейсмического воздействия гасится только вязким трением в узлах взаимодействия опор, которые имеют различные весовые характеристики, приходящиеся от верхних конструкций здания. При сейсмическом воздействии различной интенсивности может оказаться, что вязкого трения для защиты может оказаться недостаточно, что может привести к разрушению здания или его частей.
Во всех известных заявителям устройствах сейсмозащиты зданий основным недостатком является ограниченная область их применения в зависимости от интенсивности сейсмического воздействия (баллов). Эти ограничения определяются величиной остаточных смещений грунта основания.
Многоэтажные здания имеют вертикальную жесткость зданий по сравнению с горизонтальной в десятки раз выше, поскольку они в основном предназначены для восприятия паразитической нагрузки от собственного веса, которая обусловлена гравитационными силами, и полезных нагрузок. Фактические записи землетрясений также подтверждают то, что в большинстве случаев (75-95%) наибольшую опасность представляют горизонтальные составляющие сейсмического воздействия. Например, данные акселерограмм наиболее сильного землетрясения, не так давно происшедшего на Гаити 5 января 2010 г., показывают, что наиболее опасным является горизонтальная составляющая (табл.1-3).
| Таблица 1 | |
| Характеристики землетрясения 5 января 2010 года в Гаити с магнитудой 8,9 баллов по направлению Х | |
| Максимальное ускорение 11.2401143 м/сек2 достигается в момент времени 23.71 сек | |
| Максимальная скорость - 1.89 м/сек достигается в момент времени 34.23 сек | |
| Максимальное перемещение 4.24 м достигается в момент времени 29.51 сек | |
| Отношение максимальной скорости к максимальному ускорению - 0.168 сек | |
| Среднеквадратичное ускорение 2.3378054 м/сек2 | |
| Среднеквадратичная скорость 0.532 м/сек | |
| Среднеквадратичное перемещение 2.093 м |
| Таблица 2 | |
| Характеристики землетрясения 5 января 2010 года в Гаити с магнитудой 8,9 баллов по направлению Y | |
| Максимальное ускорение 10.1946 м/сек2 достигается в момент времени 25.35 сек | |
| Максимальная скорость 2.834 м/сек достигается в момент времени 30.77 сек | |
| Максимальное перемещение 7.478 м достигается в момент времени 34.34 сек | |
| Отношение максимальной скорости к максимальному ускорению 0.278 сек | |
| Среднеквадратичное ускорение 2.2213851 м/сек2 | |
| Среднеквадратичная скорость 0.816 м/сек | |
| Среднеквадратичное перемещение 3.662 м |
| Таблица 3 | |
| Характеристики землетрясения 5 января 2010 года в Гаити с магнитудой 8,9 баллов по направлению Z | |
| Максимальное ускорение 5.64728 м/сек2 достигается в момент времени 28.74 сек | |
| Максимальная скорость 1.378 м/сек достигается в момент времени 43.18 сек | |
| Максимальное перемещение -5.26 м достигается в момент времени 29.24 сек | |
| Отношение максимальной скорости к максимальному ускорению 0.244 сек | |
| Среднеквадратичное ускорение 1.5238034 м/сек2 | |
| Среднеквадратичная скорость 0.394 м/сек | |
| Среднеквадратичное перемещение 2.812 м |
Опытные данные остаточных смещений грунта Uo (мм), которые связаны с интенсивностью землетрясений I (баллы MSK-64) зависимостью (патент RU 2334843 C2, МПК E02D 27/34) (первоисточник-Грайзер В.М. Сейсмические данные об остаточных смещениях при взрывах и землетрясениях // ДАН. 1989. т.306, №4, с.822-825)
lgUo=-4.6+0.78·I.
Например, для интенсивности I=9 баллов:
lgUo=-4.6+0.78·9; lgUo=2.42; Uo=102.42=263 мм.
Сведем вычисления в таблицу 4.
| Таблица 4 | ||
| Баллы землетрясений, MSK-64 | Предельные смещения грунта Uo, мм | |
| 6 | Uo=100.08 | 1.2 |
| 7 | Uo=100.86 | 7.24 |
| 8 | Uo=101.64 | 43.6 |
| 9 | Uo=102.42 | 263 |
| 10 | Строительство запрещено |
Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении сейсмостойкости здания, позволяющая упростить конструкцию фундаментов и вместе этим расширить область использования сейсмозащиты. При этом используются различные варианты диссипации энергии землетрясения, построенные на принципах демпфирования сухого трения, а также упругих элементов из цилиндрических, тарельчатых, плоских пружин, рессор, амортизаторов, торообразных емкостей или их комбинации. Все перечисленные элементы сейсмоизоляции позволяют в своей части обеспечить поглощение энергии сейсмического воздействия и тем самым в сумме погасить часть колебаний здания, при этом уменьшить их амплитуду, в результате чего повышаются защитные свойства зданий.
Технический результат, полученный при решении поставленной задачи, на достижение которого направлено заявляемое изобретение и которое устраняет недостатки, присущие прототипам, достигается следующим образом.
Сейсмостойкое здание, включающее пространственно жесткие этажи, колонны каркаса, опертые на нижнее железобетонное основание, которое не имеет жестких связей с вышележащими несущими конструкциями и лежит на скользящей прокладке, фундаменты выполнены из монолитного бетона в виде плиты или перекрестных лент. Для сейсмозащиты здания используется различные варианты диссипации энергии землетрясения, построенные на принципах демпфирования сухого трения, при этом коэффициент трения материала прокладки между фундаментом и несущими элементами здания принимается от доли весовой характеристики, приложенной на каждой опоре. Несущие колонны здания в уровне сопряжения с фундаментом имеют дополнительные упругие элементы опор, которые принимают участие в работе по достижению перемещений несущими колоннами заданной величины и способствуют возвращению несущих колонн в исходное положение, жесткость упругих опор назначается от остаточной доли, которая воспринимается демпферами сухого трения по весовой характеристике здания для каждого опорного элемента колонн. Упругие элементы выполнены из цилиндрических, или тарельчатых пружин, или их комбинации. Для обеспечения условий устойчивости здания от суммарной ветровой нагрузки, интенсивности сейсмической нагрузки и предельного значения перемещения здания при сейсмическом воздействии на фундаменты через скользящие прокладки опираются несущие колонны, объединенные жесткой горизонтальной платформой из перекрестных балок. На фундаментных конструкциях устроены опорные столики с закладными анкерами и пластинами, в пространстве между опорными столиками и перекрестными балками вставлены упругие элементы из цилиндрических или тарельчатых пружин, цилиндрические и тарельчатые пружины вставлены в цилиндрический стакан высотой, равной предельной деформации упругого элемента.
Сейсмостойкое здание дополнительно имеет ядро жесткости, которое опирается на фундамент через скользящую прокладку со своим коэффициентом трения, по углам в уровне фундаментов ядро жесткости объединено с жесткой горизонтальной платформой ортогональными балками. С внутренней и наружной сторон стен ядра жесткости и примыкающих ортогональных балок устроены опорные столики с закладными анкерами и пластинами, а в пространстве между опорными столиками и стенами ядра жесткости вставлены упругие элементы из цилиндрических или тарельчатых пружин.
Сейсмостойкое здание с ядром жесткости расположено на фундаменте, в котором устроен лоток с вырезом по углам, в пространство между стенками лотка и стенами ядра жесткости вставлены упругие элементы из цилиндрических, или тарельчатых пружин.
Сейсмостойкое здание имеет упругие элементы, которые выполнены из плоских пружин, и закреплены в углублениях фундаментов, в перекрестных балках устроены квадратные окна шириной равной предельной деформации (смещения) здания при сейсмическом воздействии. В местах окон перекрестные балки усилены пластинами с площадью ослабленного сечения, упругие элементы из плоских пружин могут быть установлены отдельно, или в комбинации с цилиндрическими, или тарельчатыми пружинами.
В сейсмостойком здании в месте опор несущих колонн в фундаментах устроены выемки в виде сферической чаши, а несущая колонна на конце имеет высоту большую на глубину чаши и скругления по ее сферическому радиусу, под ядром жесткости в фундаментах устроены цилиндрические каналы с радиусом и глубиной в поперечном сечении, равным радиусу и глубине сферической чаши.
В сейсмостойком здании в фундаментах устроены стаканы, несущие колонны опираются на дно стаканов через скользящие прокладки, а между стенками стаканов и несущими колоннами вставлены упругие элементы из цилиндрических или тарельчатых пружин.
В сейсмостойком здании между стенками стаканов и несущими колоннами вставлены упругие элементы в виде рессорных элементов.
В сейсмостойком здании в рессорах по концам в вертикальной плоскости устроены цилиндрические пружины растяжения, или амортизаторы, или их комбинация.
В сейсмостойком здании между стенками стаканов и несущими колоннами вставлены упругие элементы - торообразные емкости (в виде использованных покрышек), соединенных между собой дискретно расположенными бандажами, пространство между покрышками и в них засыпано упругим материалом, определенной фракции, с регулируемым модулем деформации.
В сейсмостойком здании упругие элементы в виде цилиндрических, тарельчатых пружин, или торообразных емкостей (использованных покрышек), или их комбинации, размещены в стаканах фундаментов, а дополнительные упругие элементы из плоских пружин расположены в перекрестных балках, лежащих на железобетонном основании, и которые имеют окна размером более ширины балки и усилены подкрепляющими косынками и пластинами
В сейсмостойком здании фундаментная плита или перекрестные фундаментные ленты опираются на искусственное свайное основание. В нижней части монолитного ростверка оголовки свай установлены с зазором в нижних стаканах, между стенками нижних стаканов и сваями вставлены дополнительные упругие элементы из цилиндрических, тарельчатых, листовых пружин, или рессоры, или торообразных емкостей, или их комбинация, а в верхних стаканах между их стенками и несущими колоннами также вставлены дополнительные упругие элементы из цилиндрических, тарельчатых, листовых пружин, или рессоры, или использованные покрышки, или их комбинация.
Технический результат использования изобретения состоит в повышении технико-эксплуатационных характеристик здания с уменьшением горизонтальной сейсмической нагрузки на 2-3 балла в широком спектре частот за счет рассеивания энергии как с помощью демпферов сухого трения, так и при помощи упругих элементов в различных комбинациях. При этом энергия рассеивания по сравнению со зданиями на обычных фундаментах в 4-10 раз выше. Кроме того, полностью снимается проблема концентрации напряжений в области кинематических опор.
На фиг.1 показана цокольная (подвальная, техподпольная) часть здания с сейсмоизоляцией; на фиг.2 - то же, вид сверху; на фиг.3 - колонна каркаса с балками горизонтальной платформы, лежащими на упругой скользящей прокладке, и упругими элементами из тарельчатых пружин; на фиг.4 - то же, вид сверху; на фиг.5 - то же, вид сбоку; на фиг.6 - ядро жесткости, установленное в фундаментном лотке на скользящую прокладку, и упругие элементы; на фиг.7 - то же, вид сверху; на фиг.8 - то же, вид сбоку; на фиг.9 - вид сверху колонны каркаса с балками горизонтальной платформы и упругими элементами из цилиндрических и плоских пружин; на фиг.10 - разрез 1-1 на фиг.9; на фиг.11 - колонна каркаса, установленная в сферической чаше с упругими элементами, подкрепляющими балки горизонтальной платформы; на фиг.12 - колонна каркаса, установленная в стаканы фундаментов с упругими элементами в них из тарельчатых, или цилиндрических пружин; на фиг.13 - то же, что на фиг 12 - вид сверху; на фиг.14 - колонна каркаса, установленная в стаканы фундаментов с упругими элементами в них из тарельчатых пружин или цилиндрических пружин; на фиг.15 - колонна каркаса, установленная в стаканы фундаментов с упругими элементами в них из рессор; на фиг.16 - колонна каркаса, установленная в стаканы фундаментов с упругими элементами в них из рессор и пружин; на фиг.17 - то же, что на фиг 15-16, с упругими элементами из рессор, пружин и амортизаторов; на фиг.18 - колонна каркаса, установленная в стаканы фундаментов с упругими элементами в виде торообразных емкостей (использованных покрышек) и засыпкой упругим материалом с регулируемым модулем деформации; на фиг.19 - колонна каркаса, установленная в стаканы фундаментов с упругими элементами в них, и упругие пластинчатые элементы, установленные в углублениях фундаментов; на фиг.20 - то же, что на фиг.19, вид сверху; на фиг.21 - колонна каркаса с балками горизонтальной платформы, установленные на ростверк фундаментов (перекрестные ленты, или монолитная плита) с упругими элементами, а оголовок сваи установлен в нижнем стакане с устройством упругих элементов в нем в виде пружин, или рессор, или амортизаторов, или их комбинации; на фиг.22 - колонна каркаса, установленная в верхний стакан ростверка фундаментов (перекрестные ленты, или монолитная плита) с упругими элементами, а оголовок сваи установлен в нижнем стакане с устройством упругих элементов в нем в виде пружин, или рессор, или амортизаторов, или их комбинации.
Сейсмостойкое здание, включающее пространственно жесткие этажи, колонны каркаса 1, опертые на нижнее железобетонное основание 2, которое не имеет жестких связей с вышележащими несущими конструкциями, и лежит на скользящей прокладке 5, фундаменты выполнены из монолитного бетона в виде плиты 3 или перекрестных лент 4. Для сейсмозащиты здания используются различные варианты диссипации энергии землетрясения, построенные на принципах демпфирования сухого трения, при этом коэффициент трения материала прокладки 5 между фундаментом 2-4 и несущими элементами здания принимается от доли весовой характеристики, приложенной на каждой опоре. Несущие колонны здания 1 в уровне сопряжения с фундаментом 2-4 имеют дополнительные упругие элементы 6 опор, которые принимают участие в работе по достижению перемещений несущими колоннами 1 заданной величины Uo, и способствуют возвращению несущих колонн 1 в исходное положение, жесткость упругих опор 6 назначается от остаточной доли, которая воспринимается демпферами сухого трения по весовой характеристике здания для каждого опорного элемента колонн 1. Упругие элементы 6 выполнены из цилиндрических 7, тарельчатых 8 пружин, или их комбинации. Для обеспечения условий устойчивости здания от суммарной ветровой нагрузки, интенсивности сейсмической нагрузки и предельного значения перемещения Uo здания при сейсмическом воздействии, на фундаменты через скользящие прокладки 5 опираются несущие колонны 1, объединенные жесткой горизонтальной платформой 9 из перекрестных балок 10. На фундаментных конструкциях 2-4 устроены опорные столики 11 с закладными анкерами 12 и пластинами. В пространстве между опорными столиками 11 и перекрестными балками 10 вставлены упругие элементы 6 из цилиндрических 7 или тарельчатых 8 пружин. Цилиндрические 7 и тарельчатые 8 пружины вставлены в цилиндрический стакан 13 или опорный стержень, в который вставлены пружины. Цилиндрический стакан принят высотой, равной предельной деформации Uo упругого элемента.
В варианте сейсмостойкое здание дополнительно имеет ядро жесткости 14, которое опирается на фундамент 2-4 через скользящую прокладку 5 со своим коэффициентом трения (фиг.6-7). По углам в уровне фундаментов 2-4 ядро жесткости 14 объединено с жесткой горизонтальной платформой 9 ортогональными балками 15. С внутренней и наружной сторон стен ядра 14 жесткости и примыкающих ортогональных балок 15 устроены опорные столики 11 с закладными анкерами 12 и пластинами. В пространстве между опорными столиками 11 и стенами ядра жесткости 14 вставлены упругие элементы 6 из цилиндрических 7 или тарельчатых пружин 8.
В варианте сейсмостойкое здание имеет ядро жесткости 14, которое расположено на фундаменте 2-4, в котором устроен лоток 16 с вырезом по углам (фиг.8). В пространство между стенками лотка 16 и стенами ядра жесткости 14 вставлены упругие элементы 6 из цилиндрических 7 или тарельчатых пружин 8.
В варианте сейсмостойкое здание (фиг.9-10) имеет упругие элементы 6, которые выполнены из плоских пружин 17, которые закреплены в углублениях фундаментов 18. В перекрестных балках 10 устроены квадратные окна 19 шириной, равной предельной деформации (смещения Uo) здания при сейсмическом воздействии. В местах окон 19 перекрестные балки 10 усилены пластинами 20 с площадью ослабленного сечения. Упругие элементы 6 из плоских пружин 17 могут быть установлены отдельно или в комбинации с цилиндрическими 7 или тарельчатыми 8 пружинами, в зависимости от величины предельного смещения Uo и от весовой характеристики здания в месте опоры.
В варианте сейсмостойкое здание (фиг.11) в месте опор несущих колонн 1 в фундаментах 2-4 устроены выемки в виде сферической чаши 21. А несущие колонны 1 на конце имеют высоту, большую на глубину чаши 21, и скруглены по ее сферическому радиусу. Под ядром жесткости 14 в фундаментах 2-4 устроены цилиндрические каналы 22 с радиусом и глубиной в поперечном сечении, равным радиусу и глубине сферической чаши 21.
В варианте сейсмостойкое здание (фиг.12-14) имеет в фундаментах 2-4 устроены стаканы 23, несущие колонны 1 опираются на дно стаканов через скользящие прокладки 5, а между стенками стаканов и несущими колоннами 1 вставлены упругие элементы 6 из цилиндрических 7 или тарельчатых 8 пружин.
В варианте сейсмостойкое здание (фиг.15) имеет между стенками стаканов 23 и несущими колоннами 1 вставленные упругие элементы 6 в виде рессорных элементов 24, ширина которых принята более ширины колонны.
В варианте сейсмостойкое здание (фиг.16-17) имеет в рессорах 24 по концам в вертикальной плоскости илиндрические пружины 7 растяжения, или амортизаторы 25, или их комбинация.
В варианте сейсмостойкое здание (фиг.18) имеет между стенками стаканов 23 и несущими колоннами 1 вставленные упругие элементы 6 в виде торообразных емкостей 26. Торообразные емкости могут выполнены из использованных покрышек, соединенных между собой дискретно расположенными бандажами 28. В пространство между покрышками 26 засыпан упругий материал 27 определенной фракции, с регулируемым модулем деформации.
В варианте сейсмостойкое здание (фиг.19-20) имеет упругие элементы 6 в виде цилиндрических 7, тарельчатых 8 пружин, или торообразных емкостей 26, или их комбинации, которые размещены в стаканах фундаментов 23. Дополнительные упругие элементы из плоских пружин 17 расположены в перекрестных балках 10, лежащих на железобетонном основании 2-4, и которые имеют окна размером более ширины балки, и усилены подкрепляющими косынками 31 и пластинами 20.
В варианте сейсмостойкое здание (фиг.21-22) имеет фундаментную плиту 3 или перекрестные фундаментные ленты 4, которые опираются на искусственное свайное основание. В нижней части монолитного ростверка 3-4 оголовки свай 29 установлены с зазором в нижних стаканах 30. Между стенками нижних стаканов 30 и сваями 29 вставлены дополнительные упругие элементы 6 из цилиндрических 7, тарельчатых 8, плоских пружин 17, или рессор 24, или торообразных емкостей 26, или их комбинация. В верхних стаканах 23 между их стенками и несущими колоннами 1 так же вставлены дополнительные упругие элементы 6 из цилиндрических 7, тарельчатых 8, плоских 17 пружин, или рессоры 24, или торообразные емкости 26, или их комбинации.
Сейсмостойкое здание и его сейсмозащиты подбирается работает следующим образом.
В зависимости от результатов инженерно-геологических изысканий грунтов основания строительной площадки принимается фундамент в виде монолитной плиты или системы перекрестных лент. В зависимости от результатов сейсмического районирования строительной площадки назначается ее сейсмоопасность. В зависимости от предельного смещения грунтов Uo (табл.4) предварительно принимается погонная жесткость пружин Спр и величина предельной сжимаемости пружин. Сооружения с системой сейсмоизоляции (ССИ) должны воспринимать ветровые нагрузки. Это обстоятельство должно учитываться конструкцией сейсмоизоляции: усилие трения Pт должно быть больше суммарной ветровой нагрузки. Условие для эффективного применения ССИ с учетом ветровой нагрузки:
- Рв≤Рт - эффективное применение ССИ,
- Рв≥Рт - неэффективное применение ССИ,
где PT - усилие, при котором происходит переход с упругой в пластическую зону работы, Рв - суммарная ветровая нагрузка с учетом статической и пульсационной составляющей.
Для сейсмоизолированных зданий и сооружений при расчете на сейсмическое воздействие важнейшее значение имеет кинематическое условие ограничения взаимных смещений Uo основных несущих элементов колонн каркаса и горизонтальной платформы относительно фундаментных конструкций u≤[Uo]. Предельное значение [Uo] принимается исходя из конструктивных особенностей сейсмоизолирующих опор.
При окончании предварительного расчета принимаются коэффициенты трениях скользящих прокладок под каждой опорой здания в зависимости от весовой характеристики (продольная сила N в колонне каркаса 1 от невыгодного сочетания нагрузок). Затем коэффициенты трения и выбор соответствующего материала скользящих прокладок объединяют в группы материалов, и повторяем расчет. Например, для ядра жесткости с максимальной вертикальной нагрузкой принимается стальная прокладка с коэффициентом трения металла по металлу. Для самых ненагруженных элементов принимается коэффициент трения с большими значениями (например, бетон по бетону и т.п).
Остаточная доля горизонтальных сил будет восприниматься упругими элементами 6, 7, 8, 17, 24-27. В цикле производимых вычислений мы подбираем жесткости пружин с соблюдением условий:
- Pв≤Pт - эффективное применение ССИ;
- Pв≥Pт - неэффективное применение ССИ;
- u≤[uo].
Для расчета можно использовать аттестованные программные комплексы, такие как SCAD, ING+ и др. Жесткость пружин как односторонних связей, которые отключаются при сжатии или растяжении.
В настоящее время анализ прочности сооружений при сейсмическом воздействии производится на базе линейно-спектральной теории сейсмостойкости. В соответствии с ним можно оценить сейсмические нагрузки и усилия в элементах линейной системы. Исходными данными для расчета являются уровень сейсмического воздействия (зависящий от балльности землетрясения) и спектр отклика ускорений, т.е. зависимость коэффициентов динамичности сейсмовоздействий β от собственных частот сооружения. Если сооружение поставлено на систему сейсмоизоляции (ССИ), то вышеуказанный подход неприемлем. Действительно, силовая характеристика сейсмоизоляционных опор нелинейна. Поэтому всевозможные спектральные подходы являются нереализуемые.
При расчете сейсмоизолируемого здания сейсмическое воздействие целесообразно задавать выборками реальных акселерограмм, сгруппированных по балльности либо по принципу учета возможных для данного региона амплитудных, частотных характеристик, а также длительности сейсмического воздействия.
Сравнение результатов расчета сейсмоизолированного здания и здания без ССИ подтверждает эффективность сейсмоизоляции здания, т.к. при установке под фундаментом здания ССИ горизонтальные ускорения на верхней отметке конструкции в зависимости от этажности здания снижаются в 5-15 раз по сравнению с несейсмоизолированным зданием. Результаты расчета по отклику опорных реакций по оси Y для варианта с жесткой заделкой несущих конструкций в фундаментах, и для варианта с устройством сейсмоизоляции при воздействии в 9 баллов показывают, что горизонтальная реакция при установке упругих элементов практически сведена к нулю. В здании с устройством сейсмоизоляции, по предлагаемому принципу, все конструктивные элементы при интенсивности землетрясения в 9 баллов удовлетворяют требованиям прочности и устойчивости (I-группа предельных состояний).
При сейсмическом воздействии происходит достаточно сложное вертикальное и горизонтальное в любом направлении перемещение фундамента 2-4, сопровождающееся вертикальными и горизонтальными перегрузками. Вертикальные перегрузки, действующие на фундамент и, соответственно, на жестко связанное с фундаментом сооружение для большинства сооружений, возводимых в сейсмоопасных зонах, находятся в допускаемых для сооружения пределах. В связи с этим устройств, снижающих вертикальные перегрузки, действующие на сооружение, не требуется (рассматриваются именно такие практически реализуемые в сооружениях условия).
Таким образом, благодаря особенности исполнения сейсмозащиты сооружения изобретение позволяет создать унифицированную опору сейсмостойкого сооружения, обладающую достаточно большой несущей способностью, обеспечивающую минимизацию горизонтального нагружения защищаемого сооружения, надежную работу при эксплуатации в условиях сейсмического воздействия и позволяющую упростить конструкции фундамента и фундаментной плиты сооружения. Вместе с этим изобретение позволяет создать достаточно компактную конструкцию опоры, которая полностью собирается на месте строительства защищаемого сооружения (здания). Подобное конструктивное исполнение сейсмоизоляции позволяет существенно сократить объем монтажно-строительных работ, уменьшить их трудоемкость и, следовательно, сократить сроки и стоимость строительства сооружения в целом. Кроме того, изобретение обеспечивает возможность создания модульной системы сейсмозащиты, легко модифицируемой в зависимости от конкретных параметров сооружения (здания) и интенсивности сейсмического воздействия. При этом изобретение обеспечивает приспособляемость опоры к сооружениям с различными габаритно-массовыми показателями, что расширяет ее эксплуатационные возможности и повышает унификацию.
1. Сейсмостойкое здание, включающее пространственно жесткие этажи, колонны каркаса, опертые на нижнее железобетонное основание, которое не имеет жестких связей с вышележащими несущими конструкциями и лежит на скользящей прокладке, фундаменты выполнены из монолитного бетона в виде плиты или перекрестных лент, отличающееся тем, что для сейсмозащиты здания используется диссипация энергии землетрясения, построенная на принципах демпфирования сухого трения, при этом коэффициент трения материала прокладки между фундаментом и несущими элементами здания принимается от доли весовой характеристики, приложенной на каждой опоре, а несущие колонны здания в уровне сопряжения с фундаментом имеют дополнительные упругие элементы опор, которые принимают участие в работе по достижению перемещений несущими колоннами заданной величины и способствуют возвращению несущих колонн в исходное положение, при этом жесткость упругих опор назначается от остаточной доли, которая воспринимается демпферами сухого трения по весовой характеристике здания для каждого опорного элемента колонн, а упругие элементы выполнены из цилиндрических, или тарельчатых пружин, или их комбинации; для обеспечения условий устойчивости здания от суммарной ветровой нагрузки, интенсивности сейсмической нагрузки и предельного значения перемещения здания при сейсмическом воздействии, колонны опираются на фундаменты через скользящие прокладки и объединенны жесткой горизонтальной платформой из перекрестных балок, на фундаментных конструкциях устроены опорные столики с закладными анкерами и пластинами, в пространстве между опорными столиками и перекрестными балками вставлены упругие элементы.
2. Сейсмостойкое здание по п.1, отличающееся тем, что дополнительно имеет ядро жесткости, которое опирается на фундамент через скользящую прокладку со своим коэффициентом трения, по углам в уровне фундаментов ядро жесткости объединено с жесткой горизонтальной платформой ортогональными балками, с внутренней и наружной сторон стен ядра жесткости и примыкающих ортогональных балок устроены опорные столики с закладными анкерами и пластинами, в пространстве между опорными столиками и стенами ядра жесткости вставлены упругие элементы, выполненные в виде цилиндрических или тарельчатых пружин.
3. Сейсмостойкое здание по п.2, отличающееся тем, что ядро жесткости расположено на фундаменте, в котором устроен лоток с вырезом по углам, в пространство между стенками лотка и стенами ядра жесткости вставлены упругие элементы, выполненные в виде цилиндрических или тарельчатых пружин.
4. Сейсмостойкое здание по п.1, отличающееся тем, что упругие элементы выполнены из плоских пружин, которые закреплены в углублениях фундаментов, при этом в перекрестных балках устроены квадратные окна шириной, равной предельной деформации (смещения) здания при сейсмическом воздействии, а в местах окон перекрестные балки усилены пластинами с площадью ослабленного сечения, упругие элементы из плоских пружин могут быть установлены отдельно или в комбинации с цилиндрическими или тарельчатыми пружинами.
5. Сейсмостойкое здание по п.2, отличающееся тем, что в месте опор несущих колонн в фундаментах устроены выемки в виде сферической чаши, а несущие колонны на конце имеют высоту, большую на глубину чаши и скруглены по ее сферическому радиусу, под ядром жесткости в фундаментах устроены цилиндрические каналы с радиусом и глубиной в поперечном сечении, равным радиусу и глубине сферической чаши.
6. Сейсмостойкое здание по п.1, отличающееся тем, что в фундаментах устроены стаканы, несущие колонны опираются на дно стаканов через скользящие прокладки, а между стенками стаканов и несущими колоннами вставлены упругие элементы из цилиндрических или тарельчатых пружин.
7. Сейсмостойкое здание по п.6, отличающееся тем, что между стенками стаканов и несущими колоннами вставлены упругие элементы в виде рессор.
8. Сейсмостойкое здание по п.7, отличающееся тем, что в рессорах по концам в вертикальной плоскости устроены цилиндрические пружины растяжения, или амортизаторы, или их комбинация.
9. Сейсмостойкое здание по п.6, отличающееся тем, что между стенками стаканов и несущими колоннами вставлены упругие элементы в виде торообразных емкостей, соединенных между собой дискретно расположенными бандажами, в пространство между торообразными емкостями в них засыпан упругий материал определенной фракции, с регулируемым модулем деформации.
10. Сейсмостойкое здание по любому из пп.1, 4 и 6, отличающееся тем, что упругие элементы в виде цилиндрических, или тарельчатых пружин, или торообразных емкостей, или их комбинации, размещены в стаканах фундаментов, а дополнительные упругие элементы из плоских пружин расположены в перекрестных балках, лежащих на железобетонном основании, и которые имеют окна размером более ширины балки и усилены подкрепляющими косынками и пластинами.
11. Сейсмостойкое здание по п.6, отличающееся тем, что фундаментная плита или перекрестные фундаментные ленты опираются на искусственное свайное основание, а в нижней части монолитного ростверка оголовки свай установлены с зазором в нижних стаканах, между стенками нижних стаканов и сваями вставлены дополнительные упругие элементы из цилиндрических, или тарельчатых, или листовых пружин, или рессоры, или торообразные емкости, или их комбинация, а в верхних стаканах между их стенками и несущими колоннами также вставлены дополнительные упругие элементы из цилиндрических, тарельчатых, листовых пружин, или рессоры, или торообразные емкости, или их комбинация.
