Многоэтажное сейсмостойкое здание

 

Использование: строительство многоэтажных сейсмостойких зданий. Сущность изобретения: между нижним жестким этапом и плитой фундамента размещены сейсмоизолирующие элементы из шаровых сегментов и упругих вставок, размеры которых определены из соотношений, приведенных в формуле изобретения. 3 ил.

Изобретение относится к строительству сейсмостойких зданий с системой сейсмоизоляции и может быть использовано в строительстве любых сооружений, в том числе требующих защиты технологических процессов и прецизионного оборудования от внешних механических воздействий.

Известны конструкции сейсмостойких зданий, опертых на жесткие в вертикальном направлении столбы с торцами в виде жестких шаровых сегментов [1] Недостатком такого решения является то, что оно предусматривает защиту здания от воздействия только горизонтальных сил.

Наиболее близким по технической сущности является сейсмостойкое здание, включающее верхние этажи, опертые на пространство жесткий первый этаж с жесткой опорной плитой, установленной на плиту фундамента через сейсмоизолирующие элементы в виде верхнего и нижнего шаровых сегментов, соединенных между собой цилиндрической вставкой [2] Недостатками этого изобретения является невозможность замены опорных стоек в процессе эксплуатации здания и высокая техническая сложность изготовления устройства изоляции.

Задачей изобретения является обеспечение сейсмостойкости здания при произвольно направленных переменных сейсмических воздействия за счет введения свободных сейсмоизолирующих блоков между зданием и фундаментом, обеспечивающих устойчивое положение равновесия здания, снижение трудоемкости изготовления и замены сейсмоизолирующих блоков при ремонтных работах.

Поставленная задача решена тем, что вставка выполнена из упругого материала, а размеры ее и всего сейсмоизолирующего элемента определены из соотношений: где h_o толщина свободной упругой вставки (до нагружения); Е модуль Юнга материала вставки; S площадь вставки одного элемента; M_g вес здания, приходящийся на один элемент; , h_мин ≈ const толщина предельно нагруженной вставки;
,
где D диаметр шара, образующего сегменты;
H h_o + 2d,
где Н высота сейсмоизолирующего элемента с упругой вставкой в свободном несжатом состоянии;
d высота шарового сегмента;
ω_z,ω_H циклическая частота соответственно вертикальных и горизонтальных колебаний грунта;
g 9,81 м/с².

На фиг. 1 изображен фрагмент многоэтажного сейсмостойкого здания; на фиг. 2 сейсмоизолирующий элемент; на фиг. 3 то же, в аксонометрии.

Многоэтажное сейсмостойкое здание состоит из пространственного жесткого первого этажа 1, плиты фундамента 2 и сейсмоизолирующих элементов 3. Каждый сейсмоизолирующий элемент 3 состоит из верхнего и нижнего шаровых сегментов 4, представляющих собой штампованные из листовой нержавеющей стали сферические чаши, заполняемые железобетоном, между которыми заключена вставка 5 из упругого материала. В рабочем состоянии общая высота элемента 3 должна быть меньше диаметра сферы сегментов 4. Опорная плита 6 первого этажа 1 выполнена из сборного железобетона со сваркой и замоноличиванием швов. На нижней поверхности плиты 6 и верхней поверхности плиты фундамента 2 для их жесткого контакта с изолирующими элементами 3 закреплены листы 7 из нержавеющей стали. Первый этаж 1 на опорной плите 1 выполнен и монолитного железобетона. Вышерасположенные этажи 8 здания возводят как несейсмостойкие. Отсутствие жесткого соединения сейсмоизолирующих элементов 3 с плитой фундамента 2 и плитой 6 облегчает замену элементов 3 в процессе эксплуатации.

В начальном положении равновесия элементы 3 находятся в состоянии статической деформации, соответствующем минимуму потенциальной энергии здания. Во время землетрясения под воздействием волн сейсмоизолирующие элементы переходят из состояния покоя в качение переменного направления по поверхности плиты фундамента 2 с одновременным изменением их высоты. Подъем здания на наклоняющихся элементах 3 и деформация их упругого материала только увеличивают потенциальную энергию системы здание сейсмоизоляция, что обусловливает возвращение здания в устойчивое положение равновесия в системе отсчета, связанной с грунтом. Возникающие при землетрясении упругие и квазиупругие силы, их моменты компенсируют сейсмические силы и моменты этих сил. При этом здание в системе координат, связанной с центром Земли, остается в состоянии, близком к состоянию покоя.

Применение сейсмоизолирующих элементов 3 с шаровыми сегментами 4 и вставками 5 из упругого материала впервые дает возможность уменьшить влияние на сооружение движений грунта по шести степеням свободы не только поступательных, но и вращательных компонент.

Применение такой сейсмоизоляции позволяет повысить сейсмостойкость здания за счет понижения частоты собственных колебаний системы здание - сейсмоизоляции и выведения ее из диапазона частот спектра сейсмических волн, опасного в данной точке поверхности Земли. Сейсмоизолирующий эффект при этом обеспечивается при условиях:
(1)
где h_o толщина свободной упругой вставки (до нагружения);
Е модуль Юнга материала вставки в нагруженном состоянии;
S площадь вставки одного сейсмоизолирующего элемента;
М вес здания, приходящийся на один элемент;
;
h_мин толщина предельно нагруженной вставки;
h_мин ≈ const;
ω_z циклическая частота вертикальных колебаний грунта;
g 9,81 м/с²;
(2)
q=D/H; D диаметр шара, образующего сегменты;
Н высота сейсмоизолирующего элемента с упругими вставками в свободном, несжатом состоянии:
H h_o + 2d,
где d высота шарового сегмента;
ω_H циклическая частота горизонтальных колебаний грунта;
g 9,81 м/с².

При выполнении этих условий (1) и (2) здание изолировано от колебаний.

Из этих же соотношений определены и размеры (толщина, площадь) каждого элемента, сегментов и вставки.

Формула изобретения

Многоэтажное сейсмостойкое здание, включающее верхние этажи, опертые на пространственно-жесткий первый этаж с жесткой опорной плитой, установленной на плиту фундамента через сейсмоизолирующие элементы в виде верхнего и нижнего шаровых сегментов, соединенных между собой цилиндрической вставкой, отличающееся тем, что вставка выполнена из упругого материала, а форма и размеры ее и всего сейсмоизолирующего элемента определены из соотношений


где h_o толщина свободной упругой вставки;
E модуль Юнга упругого материала вставки;
S площадь вставки одного элемента;
M_д вес здания, приходящийся на один элемент;
k h_min/h_o, h_min≈const толщина предельно нагруженной вставки;
q D/H, где D диаметр шара, образующего сегменты;
H h_o + 2d высота сейсмоизолирующего элемента с упругой вставкой в свободном несжатом состоянии, d- высота шарового сегмента;
ω_z и циклическая частота соответственно вертикальных и горизонтальных колебаний грунта;
g 9,8 м/с².

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3