Сейсмостойкое здание

 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при строительстве зданий и сооружений в сейсмоопасных районах. Сейсмостойкое здание состоит из фундамента, фундаментной плиты, подвешенной к фундаменту на стержнях, а между фундаментной плитой и перекрытием нижнего этажа здания установлен упругий подвес, состоящий из упругих блоков. Каждый упругий блок состоит из упругих тросовых модулей, а между ними расположен корректор жесткости. Упругая система подвеса выполнена в режиме квазинулевой жесткости, которая позволяет обеспечить очень низкую собственную частоту колебаний при малых статических смещениях здания при сейсмовоздействиях. Использование в упругом подвесе тросовых элементов позволяет уменьшить колебания здания при сейсмовоздействиях за счет повышенного демпфирования в тросах. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при строительстве зданий в сейсмических районах.

Известны конструкции зданий на маятниковой подвеске [1, стр. 3-9, рис. 1к, л]. Здание установлено на фундаментной плите, которая подвешена на стержнях. Стержни закреплены с одной стороны в выступах фундамента, неподвижно соединенного с грунтом, а с другой стороны в фундаментной плите. Стержни имеют большую жесткость на растяжение-сжатие в вертикальном направлении и малую жесткость на изгиб. Поэтому такая система сейсмоизоляции обеспечивает эффективную защиту здания только от горизонтальных составляющих сейсмических воздействий.

Реальные измерения при землетрясениях показали, что вертикальные составляющие сейсмовоздействий нередко превышают их горизонтальные составляющие [2, стр. 106-107, табл. 5.1]. Поэтому полную сейсмоизоляцию здания обеспечивает только пространственная сейсмозащита зданий.

Наиболее близким техническим решением (прототипом), обеспечивающим пространственную сейсмозащиту, является здание с сейсмоизолирующими устройствами В.Ф.Зеленкова [1, стр. 8-9, рис. 1м].

Для обеспечения пространственной сейсмозащиты в прототипе, кроме маятниковой подвески, использован упругий подвес фундаментной плиты со зданием. Упругий подвес выполнен из цилиндрических пружин, надетых на стержни. Фундаментная плита оперта на торцы пружин, противоположные торцы которых уперты в выступы стержней. Стержни закреплены в фундаменте с возможностью поворота. Предложенная конструкция создает пространственную виброзащиту здания: в горизонтальной плоскости за счет маятникового подвеса фундаментной плиты со зданием, а в вертикальной плоскости за счет пружинного упругого подвеса.

Недостатком прототипа являются его ограниченные возможности по эффективной защите от вертикальных составляющих сейсмовоздействий. Это обусловлено использованием в упругом подвесе цилиндрических пружин. Их применение при обеспечении низкой собственной частоты, лежащей вне частотного диапазона сейсмовоздействий, требует очень больших статических смещений фундаментной плиты со зданием. Кроме того, пружины имеют низкую демпфирующую способность рассеяния колебаний.

Действительно, наиболее характерные периоды колебаний почвы при землетрясениях лежат в диапазоне 0,1-1,5 с [1, стр. 6, 3 абзац сверху]. Эти периоды соответствуют диапазону частот сейсмовоздействий f_в=T^-1=0,67-10 Гц. Эффект сейсмоизоляции проявляется на тех частотах, на которых коэффициент динамичности меньше единицы. Этот коэффициент без учета демпфирования в первом приближении можно определить по формуле μ = (1-f²_в/f²_c)^-1 [1, стр. 28, f_в=p, а_c= k]. Из этой формулы следует, что ослабление динамических воздействий системой сейсмозащиты возможно при Таким образом, чтобы система сейсмозащиты ослабляла все характерные частотные составляющие f_в=0,67- Гц необходимо чтобы собственная частота здания на упругом подвесе была не выше Для обеспечения такой низкой собственной частоты статическая осадка фундаментной плиты на пружинах должна составлять δ_ст = g(4π²f²_c)^-1 = 1,1 м, где g - ускорение свободного падения [3, стр. 103, формула 7.2, при этом принято V_ст = δ_ст, угловая частота Θ = 2πf_c, где f_с - собственная частота здания на упругом подвесе в герцах].

Чтобы уменьшить статические смещения фундаментной плиты на пружинах обычно учитывают диапазон периодов колебаний 0,1- 0,5 с, в котором сосредоточена наибольшая энергия сейсмовоздействий [1, стр. 6, 3 абзац сверху]. Это соответствует диапазону возмущающих частот f_в=2-10 Гц и статической осадке фундаментной плиты 0,14 М. Однако в этом случае необходимо хорошее (близкое к критическому) демпфирование упругого подвеса, так как собственная частота вертикальных колебаний фундаментной плиты со зданием будет находиться внутри полного частотного диапазона сейсмовоздействий f_в=0,67-10 Гц. В этом случае возможно совпадение f_с с гармоникой сейсмовоздействий (f_в) такой же частоты. Это приведет к резонансному усилению колебаний здания с фундаментной плитой на упругом подвесе, что может привести к существенным повреждениям здания. Для уменьшения резонансного усиления смещения здания на упругом подвесе необходимо хорошее демпфирование упругого подвеса.

Цилиндрические пружины, использованные в упругом подвесе прототипа, имеют малое демпфирование, что приведет к существенному резонансному усилению сейсмических воздействий упругим подвесом (коэффициент динамичности при резонансе для пружин составляет 10-20 [4, стр. 28-29, раздел "Пружины].

Таким образом, поставленная техническая задача создания упругого подвеса фундаментной плиты со зданием с низкой собственной частотой, малой статической осадкой и существенным стабильным демпфированием.

Поставленная задача в предполагаемом изобретении решается за счет выполнения упругого подвеса в режиме квазинулевой жесткости.

Системы квазинулевой жесткости позволяют обеспечить очень низкую (близкую к нулевой) собственную частоту колебаний при малых статических смещениях здания на упругом подвесе.

Это достигается параллельным включением упругих элементов с линейной зависимостью силы упругости от смещения и корректоров жесткости - элементов с отрицательным участком жесткости. Подбором параметров упругих элементов и корректоров жесткости обеспечивается малая статическая осадка и режим квазинулевой жесткости, в котором система на упругом подвесе будет иметь близкие к нулевым собственные (резонансные) частоты [5, стр. 93, рис. 4 а, б, стр. 95] . Выполнение упругих элементов из тросов обеспечивает стабильное существенное демпфирование колебаний [4, стр. 28 (пружины), стр. 30 (тросовые виброизоляторы)].

В предполагаемом изобретении упругий подвес размещен между фундаментной плитой и перекрытием нижнего этажа и образован из одинаковых по конструкции упругих блоков, в каждом из которых реализован режим квазинулевой жесткости. Для обеспечения изотропии упругих и диссипативных свойств упругого подвеса в горизонтальной плоскости упругие блоки размещены симметрично так, что центр масс здания с фундаментной плитой расположен на вертикальной оси симметрии размещения упругих блоков.

Каждый упругий блок образован из двух упругих модулей и корректора жесткости, который размещен между упругими модулями.

Каждый упругий модуль выполнен из двух вертикальных стоек и одинаковых по длине эквидистантных отрезков тросов, закрепленных одним концом перпендикулярно стойке, соединенной неподвижно с перекрытием нижнего этажа, другим концом наклонно к стойке, закрепленной неподвижно на фундаментной плите. Наклонное крепление тросов позволяет увеличить упругое противодействие модулей воздействию сил тяжести при отсутствии сейсмовоздействий.

Корректор жесткости выполнен из двух одинаковых по длине и диаметру тросов, соединенных между собой в середине и присоединенных к фундаментной плите через устройство регулировки в вертикальном направлении. Концы тросов разведены и неподвижно присоединены через устройства предварительного осевого поджатия к перекрытию нижнего этажа. Осевое поджатие тросов приводит к их изгибу и выпучиванию средней точки из плоскости, проходящей через продольные оси концов троса. С помощью регулировочного устройства, после нагружения, средняя точка возвращается в указанную плоскость.

В результате тросы корректора жесткости будут находиться в нейтральном неустойчивом положении, которое удерживается за счет крепления средней точки к фундаментной плите. Пример выполнения корректора жесткости показан, например, в [6, фиг. 3 и 4].

Каждый упругий блок и упругий подвес в целом должны в идеале иметь одинаковую жесткость к горизонтальным сейсмическим воздействиям любого направления. Однако упругие модули и корректор жесткости обладают разной жесткостью в различных направлениях.

Поэтому с целью уменьшения анизотропии упругих свойств блоков направления минимальной жесткости упругих модулей совмещаются с направлением максимальной жесткости корректора жесткости.

Упругие модули имеют минимальную жесткость при работе тросовых элементов на изгиб, т. е. в направлении, перпендикулярном вертикальной плоскости, в которой расположены продольные оси эквидистантных отрезков тросов.

У корректора жесткости максимальная жесткость в горизонтальной плоскости в направлении, совпадающем с осью симметрии разведенных концов тросов.

Таким образом, с целью уменьшений анизотропии горизонтальной жесткости упругого блока упругие модули каждого блока размещены так, что вертикальные плоскости, в которых расположены продольные оси эквидистантных отрезков тросов перпендикулярны горизонтальной оси симметрии разведенных концов тросов корректора жесткости.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемое сейсмостойкое здание обладает следующими существенными новыми признаками.

1. Упругий подвес расположен между фундаментной плитой перекрытием первого этажа.

2. Упругий подвес выполнен из упругих блоков квазинулевой жесткости.

3. Каждый упругий блок состоит из двух упругих модулей и установленного между ними корректора жесткости.

4. Упругий модуль содержит две вертикальные стойки и закрепленные между ними эквидистантные отрезки тросов. Одни концы тросов крепятся перпендикулярно к стойке, закрепленной неподвижно к перекрытию первого этажа здания, а другие концы крепятся наклонно к стойке и стойка неподвижно соединяется с фундаментной плитой.

Корректор жесткости состоит из двух отрезков тросов, середины которых соединены между собой и прикреплены к фундаментной плите с возможностью регулировочного перемещения в вертикальном направлении, а концы разведены и неподвижно присоединены через устройство предварительного осевого поджатия к перекрытию нижнего этажа.

5. Упругие модули каждого упругого блока размещены относительно корректора жесткости так, что вертикальная плоскость, в которой расположены продольные оси эквидистантных отрезков тросов каждого модуля перпендикулярна горизонтальной оси симметрии разведенных концов отрезков тросов корректора жесткости.

Заявителем просмотрена техническая документация по МКл⁵ E 04 H 9/02, УДК 624.042.7, 621.642, 699.841 (088.8).

Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области, также в смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков сходных с существенными признаками заявляемого сейсмостойкого здания.

Предложенная совокупность отличительных существенных признаков представляет новое решение поставленной задачи и соответствует изобретательскому уровню.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен в разрезе фундамент с подвешенной к нему фундаментной плитой и перекрытие нижнего этажа и вмонтированный между ними упругий подвес; на фиг. 2 показан упругий модуль (вид сбоку); фиг. 3 - упругий блок, вид в плане.

Сейсмостойкое здание состоит из фундамента 1, фундаментной плиты 2, подвешенной к фундаменту 1 на стержнях 3.

Между фундаментной плитой 2 и перекрытием нижнего этажа 4 здания 5 установлен упругий подвес, состоящий из упругих блоков 6. Каждый упругий блок состоит из двух упругих модулей 7 и корректора жесткости 8. Каждый упругий модуль 7 состоит из двух стоек 9 и 10, которыми модуль крепится к фундаментной плите 2 и перекрытию нижнего этажа 4, а между стойками 9 и 10 закреплены эквидистантные отрезки тросов 11, к стойке 9 наклонно, к стойке 10 перпендикулярно. Корректор жесткости 8, установленный между модулями 7, состоит из двух одинаковых отрезков тросов 12, середины которых соединены вместе через регулировочное устройство 13 прикреплены к фундаментной плите 2 с возможностью регулировочного перемещения в вертикальном направлении. Концы отрезков тросов 12 через устройство осевого поджатия 14 соединены с перекрытием нижнего этажа 4. Устройством осевого поджатия 14 осуществляется поджатие тросов 12 корректора жесткости 7, тем больше корректирующее усилие.

После окончания монтажа здания 5 упругий подвес необходимо настроить. Для этого во всех упругих блоках 6 с помощью регулировочного устройства 13 средняя точка отрезков тросов 12 корректора 8 выводится в одну горизонтальную плоскость с концами этих отрезков и закрепляется. На фиг. 1 упругий подвес показан в настроенном состоянии.

Количество упругих блоков в упругом подвесе зависит от массы здания. Упругие блоки устанавливаются симметрично так, что центр масс здания должен находиться на оси симметрии расположения упругих блоков для уменьшения динамической связанности вертикальных и горизонтальных колебаний здания. На фиг. 1 показаны два упругих блока.

Диаметр отрезков тросов 11 в упругом модуле 7 и угол наклона их при закреплении в стойке 9 выбирается исходя из массы здания.

При горизонтальных смещениях фундамент 1 смещается в горизонтальной плоскости, при этом стержни 3, на которых подвешена фундаментная плита 2, поворачиваются в гнездах и вследствие этого уменьшается передача горизонтальных смещений почвы на фундаментную плиту 2, а малая жесткость тросов 10 упругих модулей 6 дополнительно ослабляет передачу сейсмосмещений почвы зданию.

Вертикальные смещения почвы практически полностью передаются от фундамента 1 через стержни 3 фундаментной плите 2. Передача смещений от фундаментной плиты 2 зданию 5 ослабляется упругим подвесом квазинулевой жесткости. При сейсмосмещениях в вертикальном направлении отрезки тросов 11 упругих модулей 6 начинают упруго деформироваться, а тросы корректора 8 выходя из неустойчивого положения равновесия, в котором они находились в спокойном статическом состоянии, уменьшают жесткость упругих модулей и тем самым обеспечивается сейсмозащита здания на низких частотах.

На резонансных частотах уменьшение колебаний здания обеспечивается повышенным демпфированием тросовых упругих элементов. Кроме того, при проектировании упругого подвеса резонансные частоты выбираются вне зоны частот сейсмовоздействий наибольшей интенсивности.

Предложенное сейсмостойкое здание прошло экспериментальную проверку на макетном образце в лаборатории Сибирской Государственной академии телекоммуникаций и информатики г. Новосибирска с положительными результатами.

Источники информации 1. Назин В.В. Новые сейсмостойкие конструкции и железобетонные механизмы сейсмоизоляции зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1993 (прототип).

2. Модели сейсмостойкости сооружений/ Гольденблат И.И., Николаенко Н.А. и др. - М.: Наука, 1979.

3. Динамический расчет зданий и сооружений/ Барштейн М.Ф., Ильичев В.А. и др. - М.: Стройиздат, 1984.

4. Горбунов В.Ф., Резников И.Г. Канатные виброизоляторы. - Новосибирск: Наука, 1988.

5. Никифоров И. С. , Андреев Ю.Д., Самуйло Ю.В. Опыт разработки технических средств виброизоляции с использованием отрицательной жесткости/ В сб. Методология и социология техники. - Новосибирск, 1990.

6. А.С. 1261209, кл. B 60 N 1/02. Мигиренко Г.С., Георгиади А.Г., Гернер И.И. и др. Подвеска сиденья транспортного средства.

Формула изобретения

1. Сейсмостойкое здание, содержащее здание, фундаментную плиту, подвешенную к фундаменту на стержнях, и упругий подвес, отличающееся тем, что упругий подвес установлен между фундаментной плитой и перекрытием нижнего этажа здания и выполнен из упругих блоков квазинулевой жесткости, размещенных симметрично так, что центр масс здания расположен на вертикальной оси симметрии размещения упругих блоков, а каждый упругий блок выполнен из упругих модулей и корректора жесткости, установленного между ними, причем каждый упругий модуль выполнен из двух вертикальных стоек, а между стойками закреплены эквидистантные отрезки тросов, одни концы которых закреплены перпендикулярно стойке, соединенной неподвижно с перекрытием нижнего этажа, а другие концы закреплены наклонно к другой стойке, неподвижно соединенной с фундаментной плитой, корректор жесткости выполнен из двух одинаковых отрезков тросов, середины которых соединены между собой и прикреплены к фундаментной плите с возможностью регулировочного перемещения в вертикальном направлении, концы тросов разведены и неподвижно присоединены через устройства предварительного осевого поджатия к перекрытию нижнего этажа.

2. Здание по п.1, отличающееся тем, что упругие модули каждого упругого блока размещены относительно корректора жесткости так, что вертикальная плоскость, в которой расположены продольные оси эквидистантных отрезков тросов каждого модуля, перпендикулярна горизонтальной оси симметрии разведенных концов отрезков тросов корректора жесткости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3