Способ защиты от многократных сейсмических воздействий заглубленного в грунт объекта и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области строительства, в частности к способу защиты от многократных сейсмических воздействий заглубленного в грунт объекта и устройству для осуществления способа. Заявляемое изобретение включает в себя податливую облицовку в виде крупногабаритного сильфона, полости в земле, предназначенной для размещения защищаемого объекта, и маятниковые подвески из по крайней мере демпферов-амортизаторов, на которых объект подвешен в полости к опорному кольцу. Крупногабаритный сильфон не экранирует сейсмическое воздействие, а уклоняется от него, деформируясь по любым направлениям. Благодаря этому обстоятельству в грунте вокруг полости реализуется арочный эффект, благодаря чему полость не схлопывается, а только деформируется. Сейсмическое воздействие обтекает полость. Колебания грунта вместе с полостью гасятся маятниковыми подвесками и демпферами-амортизаторами и до защищаемого объекта практически не доходят. Этот эффект достигают путем настройки демпферов на заранее заданную перегрузку защищаемого объекта. Способ защиты с помощью крупногабаритного податливого сильфона и амортизационно-демпфирующих маятниковых подвесок основан на использовании арочного эффекта в грунте вокруг полости. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области строительства атомных электростанций и других заглубленных в землю сооружений, защищаемых от разрушительного воздействия землетрясений естественного и искусственного происхождения.

Известен способ защиты от многократных сейсмических воздействий заглубленного в грунт объекта, включающий выполнение полости в грунте, размещение в ней жесткого днища, укрепление податливой облицовки стенок полости и установку в ней объекта (авт. св. СССР N 1101536, кл, E 04 H 9/02, 1984).

Известно также устройство защиты от многократных сейсмических воздействий заглубленного в грунт объекта, включающее податливую облицовку, размещенную в полости грунта на жестком днище, установленном на дне полости (авт. св. СССР N 1101536, кл. E 04 H 9/02, 1984).

Общим недостатком указанных способа и устройства является низкая эффективность защиты объекта, заглубленного в грунт, от многократных сейсмических воздействий.

Поставленная задача решена тем, что в способе облицовку выполняют в виде крупногабаритного сильфона и крепят герметично нижним концом к жесткому днищу, при этом на уплотненном грунте размещают опорное кольцо, к которому крепят верхний конец сильфона, а защищаемый за счет использования арочного эффекта, реализующегося в грунте вокруг полости, объект подвешивают в полости к опорному кольцу посредством маятниковых подвесок с амортизационно-демпфирующими устройствами.

Поставленная задача достигается в устройстве тем, что оно снабжено опорным кольцом, размещенным на уплотненном грунте, а податливая облицовка выполнена в виде крупногабаритного сильфона, герметично соединенного с днищем и опорным кольцом, при этом объект подвешен к опорному кольцу посредством маятниковых подвесок с амортизационно-демпфирующими устройствами с возможностью регулировки нагрузки от сейсмических воздействий на объект.

Кроме того, маятниковые подвески с амортизационно-демпфирующими устройствами могут быть выполнены в виде системы стержней, работающих на растяжение при сжатии амортизационно-демпфирующих устройств и на сжатие при обратном ходе амортизационно-демпфирующих устройств.

На фиг.1 изображено устройство для защиты заглубленных в грунт объектов от многократных сейсмических воздействий; на фиг.2 - амортизационно-демпфирующее устройство; на фиг.3 диаграмма статического нагружения; на фиг.4 диаграмма динамического нагружения; на фиг.5 - скоростная диаграмма.

Устройство защиты от многократных сейсмических воздействий содержит податливую облицовку 1, размещенную в цилиндрической полости 2 грунта 3 на жестком днище 4, которое установлено на дне полости 2.

Податливая облицовка 1 выполнена в виде крупногабаритного сильфона, который герметически соединен с днищем 4 нижним концом и с жестким опорным кольцом 5 верхним концом.

Крупногабаритный гофрированный сильфон 1 может быть сварен из тонкостенной (тонколистовой) нержавеющей стали с помощью электродуговой сварки или из упруго-пластического полимера с использованием специальной оснастки с применением плазово-шаблонного метода, используемого в самолетостроении.

Опорное кольцо 5 размещено на поверхности уплотненного грунта 3, исключающего допустимую усадку в процессе эксплуатации.

Опорное кольцо 5 выполнено в виде сварной металлоконструкции.

Через днище 4 выведены гибкие коммуникации 6, соединяющие реактор 7 с внешними устройствами и приборами.

Реактор 7 подвешен к опорному кольцу 5 посредством четырех амортизационно-демпфирующих устройств 8, прикрепленных к опорному кольцу 5 и реактору 7 посредством шаровых опор 9.

Амортизационно-демпфирующие устройства 8 выполнены, в основном, из стали 30 ХГСНА или из другой высокопрочной конструкционной стали, применяемой в авиастроении и ракетостроении.

каждое амортизационно-демпфирующее устройство 8 (фиг.2) состоит из демпфера-амортизатора 10 и системы стержней 11, трансформирующей усилия сжатия демпферов-амортизаторов 10 в усилия растяжения и сжатия.

Демпфер-амортизатор 10 состоит из двух частей 12 корпуса 13, разделительного днища 14, зажатого между двумя частями 12 корпуса 13, газового поршня 15 с закрепленной в нем профилированной иглой 16, газовой полости 17, одного или двух демпферов 18, корпуса 19 перепускного клапана, гильзы-поршня 20, штока-поршня 21, главной полости 22 для жидкости, вспомогательной полости 23 для жидкости, двух шаровых опор 9, направляющей шайбы 24, опорной шайбы 25, нижней траверсы 26, верхней траверсы 27, упора 28 для гильзы 20, упора 26 для штока 21.

На фиг. 2 изображена диаграмма статического нагружения демпфера-амортизатора 10 одной четвертой частью силы веса P₀=G_o/4 защищаемого объекта 7 (фиг.1).

Сила P_o действует на нижнюю шаровую опору 9 одного из демпферов-амортизаторов 10.

По мере возрастания силы P_o от P=0 до P_o=G_o/4 траверса 27 вместе со штоком-поршнем 21 перемещается относительно верхней шаровой опоры 9 и корпуса 13 вниз. При этом происходит сжатие газа в полости 17. Так реализуется ход I сжатия (диаграмма статического нагружения на фиг.3).

В процессе хода I сжатия жидкость, находящаяся в полости 22, выдавливается через демпфер 13 в полость 23, заставляя перемещаться вниз газовый поршень 15.

В конце хода I сжатия шток-поршень 21 становится на упор 29, а сила веса продолжит свой рост до своего естественного предела P_o=G_o/4.

Если увеличить статическую нагрузку, устремляя ее к конечному значению P_к, то усилие на неподвижном штоке-поршне 21 возрастает до величины P^max. В этом момент снимется со своего упора 28 гильза-поршень 20 и начнет перемещаться вниз, выдавливая жидкость через демпфер 18 в полость 23.

В конце хода II сжатия усилие достигает своего конечного значения P_к. При этом гильза-поршень 20 упирается в разделительное днище 14.

Динамическое нагружение устройства (диаграмма динамического нагружения на фиг.4) задается и предопределяется пользователем путем регулировки демпфера 18.

Скоростная диаграмма (фиг. 5) дает представление о характере изменения скорости движения защищаемого объекта относительно верхнего опорного кольца 5 (фиг.1).

В изобретении все характеристики внешних воздействий и все характеристики защитного устройства взаимосвязаны. Эта связь прослеживается и с массами (весами) защищаемых объектов.

Данное обстоятельство позволяет, для удобства пользователей, заранее определять ряды взаимосвязанных величин, инвариантных относительно внешних воздействий.

Устройство защиты от многократных сейсмических воздействий возводят следующим образом.

Выполняют полость 2 в грунте 3, уплотняют грунт 3 на поверхности вокруг полости 2, размещают на ее дне жесткое днище 4, устанавливают податливую облицовку 1 в виде крупногабаритного сильфона и герметически крепят его нижний конец к днищу 4, а после установки на уплотненный грунт 3 опорного кольца 5 к нему прикрепляют герметически верхний конец сильфона 1. Опорное кольцо 5 может быть установлено и до размещения сильфона 1 в полости грунта 3. Затем подвешивают к опорному кольцу 5 реактор 7 на амортизационно-демпфирующих подвесках 8, которые прикрепляют к опорному кольцу 5 и реактору 7 посредством шаровых опор 9.

Способ защиты заглубленного в грунт объекта от многократных сейсмических воздействий основан на обеспечении максимального уклонения (ухода) защищаемого объекта от сейсмического сжатия в первой фазе сейсмического воздействия и максимальном снижении уровня динамического воздействия на защищаемый объект с помощью демпферов-амортизаторов 10 маятниковых подвесок 8 во второй фазе сейсмического воздействия.

Податливая облицовка 1 защитного устройства легко деформируется в вертикальном и горизонтальном направлениях под действием небольшого силового воздействия, соизмеримого с воздействием двукратного или трехкратного гидростатического напора. По сравнению с возможным давлением во фронте сейсмической волны сжатия σ = 300 кг/см² это ничтожно малое давление.

Низкая жесткость и низкая сопротивляемость облицовки 1 не препятствуют перераспределению напряжений в грунте 3 в окрестности полости 2.

Следствием этого является то, что первая фаза сейсмического удара практически не загружает маятниковые подвески 8 защищаемого объекта.

Только вторая фаза сейсмического воздействия загружает маятниковые подвески 8, которые демпфируют и амортизируют эту загрузку так, что на защищаемый объект приходит заранее заданная перегрузка, например, n≅2.

Жесткое днище 4 практически не влияет на загрузку маятниковой подвески 8 при сейсмических воздействиях.

Изобретение защищает заглубленный в грунт 3 объект как от вертикальной, так и от горизонтальной составляющих сейсмоудара. При этом величина силового воздействия на защищаемый объект предварительно задается путем настройки демпферов-амортизаторов 10.

Благодаря использованию податливой облицовки 1 (оболочки), приведенная жесткость которой значительно меньше окружающего грунта 3, в окрестности полости 2 происходит перераспределение напряжений в грунте 3 в момент сейсмического воздействия. Срабатывает так называемый арочный эффект, обнаруженный автором в целом ряде опытов и экспериментов, проведенных в реальных условиях, который в мягких и сыпучих грунтах реализуется по тем же физическим законам, по которым происходит перераспределение напряжений в металлах и пластмассах у отверстий.

Определяющую роль в способе защиты объекта играет то обстоятельство, что податливая облицовка (оболочка) 1 полости 2 не экранирует силовое воздействие грунта 3, а уклоняется от него, не мешая формироваться арочному эффекту.

Изобретение может быть использовано в третьей и четвертой зонах напряженного состояния грунта при сейсмических воздействиях естественного и искусственного происхождения.

Формула изобретения

1. Способ защиты от многократных сейсмических воздействий заглубленного в грунт объекта, включающий выполнение полости в грунте, размещение в ней жесткого днища, укрепление податливой облицовкой стенок полости и установку в ней объекта, отличающийся тем, что облицовку выполняют в виде крупногабаритного сильфона и крепят герметично нижним концом к жесткому днищу, при этом на уплотненном грунте размещают опорное кольцо, к которому герметически крепят верхний конец сильфона, а защищаемый за счет использования арочного эффекта, реализующегося в грунте вокруг полости, объект подвешивают в полости к опорному кольцу посредством маятниковых подвесок с амортизационно-демпфирующими устройствами.

2. Устройство защиты от многократных сейсмических воздействий заглубленного в грунт объекта, включающее податливую облицовку, размещенную в полости грунта на жестком днище, установленном на дне полости, отличающееся тем, что устройство снабжено опорным кольцом, размещенным на уплотненном грунте, а податливая облицовка выполнена в виде крупногабаритного сильфона, герметично соединенного с днищем и опорным кольцом, при этом объект подвешен к опорному кольцу посредством маятниковых подвесок с амортизационно-демпфирующими устройствами с возможностью регулировки нагрузки от сейсмических воздействий на объект.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что маятниковые подвески с амортизационно-демпфирующими устройствами выполнены в виде системы стержней, работающих на растяжение при сжатии амортизационно-демпфирующих устройств и на сжатие при обратном ходе амортизационно-демпфирующих устройств.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5