Кинематические опоры сейсмостойких зданий и сооружений

Изобретение относится области строительства и предназначено для зданий и сооружений, строящихся в сейсмически опасных районах, или для объектов, имеющих специальное назначение. Многоэтажное сейсмостойкое здание включает верхние пространственно жесткие этажи, образованные колоннами, ригелями, перекрытиями, стеновыми панелями, и первый или цокольный этаж из кинематических стоек, имеющих закругленные верхние и нижние грани и обладающих свойством устойчиво покачиваться во время землетрясения по бороздам, предусмотренным в элементах верхней обвязки, являющихся частью перекрытия или цокольного этажа, и в элементах нижней обвязки, являющихся фундаментными подушками, причем закругленные грани стоек выполнены с переменной кривизной так, что эта кривизна, играя роль включающихся и выключающихся связей, ограничивает развитие больших горизонтальных перемещений, при сохранении способности стоек значительно снижать сейсмические силы, действующие на здания и сооружения во время землетрясения. Новым является то, что кинематические стойки выполнены монолитными или сборными из частей без открытых закладных деталей, при этом горизонтальные сечения кинематических стоек выполнены в плане в виде 3-х, 4-х, 5-и, 6-и, 7-и, 8-и, 9-и…n–конечной звезды, при неограниченном увеличении числа n ее конечностей, выполняющих роль ребер жесткости. Технический результат изобретения состоит в повышении эффективности, прочности и устойчивости кинематических опор сейсмостойких зданий и сооружений при землетрясениях с широким спектром частот. 9 ил.

 

Изобретение относится к строительству и предназначено для зданий, строящихся в сейсмически опасных районах, или для сооружений, имеющих специальное назначение.

Известно сейсмостойкое здание, включающее пространственно жесткий каркас, столбчатые фундаменты, в стаканах которых расположены подвижные связи, находящиеся в упругой среде [1]. Через подвижные связи проходят предварительно напряженные стержни.

Недостатком этого здания является то, что при сейсмических воздействиях подвижные связи, находясь в упругой среде, в теле фундамента, ограничивают горизонтальные перемещения и незначительно уменьшают сейсмические силы на здание; происходит потеря предварительного напряжения стержней, что снижает эффективность конструкции.

Известно многоэтажное сейсмостойкое здание, включающее пространственно жесткие верхние этажи, опертые на гибкие в горизонтальном направлении стойки нижнего этажа, которые имеют сферическую форму центральной части торцов и соединены с перекрытием и фундаментом [2].

Недостатком этого технического решения является то, что после разрушения включающихся связей, во время землетрясения необходимо немедленное их восстановление, что не всегда практически осуществимо. Изготовление стоек с сферическими торцами и высокоточными поверхностями качения требует высокой точности, присущей скорее машиностроительному производству, чем строительной индустрии, что ограничивает массовость применения этой конструкции.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является многоэтажное здание [3], включающее верхние пространственно жесткие этажи, образованные колоннами, ригелями, перекрытиями, стеновыми панелями, и первый или цокольный этаж, выполненный гибким. На первом или цокольном этаже здания расположены подвижные связи, представляющие собой стойки с закругленными верхним и нижним торцами, которые имеют возможность устойчиво покачиваться по бороздам, предусмотренным в элементах верхней и нижней обвязок, являющихся частью перекрытия и фундаментов. Каждая стойка образована парой плоских одинаковых панелей, имеющих вырез на одной из закругленных граней и соединенных между собой посредством заведения паза одной из них в паз другой с образованием крестообразной в сечении стойки. Это решение отличается переменностью кривизны поверхностей качения, которая играя роль включающихся и выключающихся связей, ограничивает перемещение здания без устройства специальных приспособлений, при сохранении способности стоек снижать сейсмические силы, действующие на здание при землетрясениях с широкими спектром частот, включающем как низкие, так и высокие частоты. Эта конструкция эффективна, технологична и надежна.

Недостатком этого технического решения является то, что с увеличением этажности, соответственно и нагрузки, прочность и устойчивость кинематических опор, предложенных в [3], могут оказаться недостаточными, а сами опоры - нерациональными.

Задачей изобретения является существенное повышение прочности и устойчивости кинематических опор при сохранении их высокой эффективности снижать сейсмические силы и ограничивать перемещения здания при землетрясениях с широким спектром частот, без устройства специальных включающихся и выключающихся связей.

Поставленная задача решается за счет того, что в многоэтажном сейсмостойком здании, включающем верхние пространственно жесткие этажи, образованные колоннами, ригелями, перекрытиями, стеновыми панелями, и первый или цокольный этаж из кинематических стоек, имеющих закругленные верхние и нижние грани и обладающих свойством устойчиво покачиваться во время землетрясения по бороздам, предусмотренным в элементах верхней обвязки, являющихся частью перекрытия или цокольного этажа, и в элементах нижней обвязки, являющихся фундаментными подушками, причем закругленные грани стоек выполнены с переменной кривизной так, что эта кривизна, играя роль включающихся и выключающихся связей, ограничивает развитие больших горизонтальных перемещений, при сохранении способности стоек значительно снижать сейсмические силы, действующие на здания и сооружения во время землетрясения, согласно изобретению, кинематические стойки выполнены монолитными или сборными из частей без открытых закладных деталей, при этом горизонтальные сечения кинематических стоек выполнены в плане в виде 3-х, 4-х, 5-и, 6-и, 7-и, 8-и, 9-и…n–конечной звезды, при неограниченном увеличении числа n ее конечностей, выполняющих роль ребер жесткости.

Конечности “звезды”, играя роль ребер жесткости опоры, существенно повышают ее прочность и устойчивость.

Таким образом, здесь сохраняется все положительное, присущее конструкции, предложенной в [3]:

- ограничение перемещений здания, без устройства специальных включающихся и выключающихся связей, при сохранении способности кинематических опор значительно снижать сейсмические силы, действующие. на здания и сооружения, когда землетрясение имеет широкий спектр частот. А для существенного повышения прочности, устойчивости и коррозийной стойкости конструкции кинематические опоры выполняются в сечении в виде многоконечной “звезды”. Конечности “звезды”, играя роль ребер жесткости опоры, обеспечивают ей высокую прочность и устойчивость.

Предлагаемая конструкция может успешно работать в сейсмостойких многоэтажных зданиях. Причем этажность здания здесь неограниченна: все конструктивные параметры кинематических опор, а также их количество подбираются расчетным путем.

На фиг.1 показана принципиальная схема вертикальной компоновки кинематической опоры 4 и элементов верхней 2 и нижней 3 обвязок. Горизонтальное сечение опоры может быть в виде 3-х, 4-х, 5-и, 6-и, 7-и, 8-и, 9-и... -конечной звезды. Число конечностей “звезды” может меняться последовательно от 3-х до ∞ . В [3] рассматривался частный случай, когда n=4, то есть опора в сечении представляла собой крест.

В качестве примера на фиг.2 дается кинематическая опора, которая в горизонтальном сечении имеет вид восьмиконечной “звезды”.

Когда число конечностей звезды (см. фиг.2, 3 и 9) стремится к бесконечности или 2 r = b, то сечение 4 кинематической опоры стремится к кругу. Борозды 5 (фиг.4), в которых находятся поверхности качения опоры, выполняются одинаковыми как в элементах верхней, так и в элементах нижней обвязок, а в вертикальном сечении элементы верхней и нижней обвязок могут быть различными (фиг.5 и 6).

Кривизна поверхностей качения 4 опоры (фиг.2) - переменна по горизонтальному радиусу r и осесимметрична относительно вертикальной центральной оси (фиг.3).

Принципиальная схема построения кривизны осесимметричной (или близкой к ней) поверхности качения приводится на фиг.7. Ниже поясняется правило построения этой кривизны. Половина дуги В А₀ A₅ (фиг.7) делится, к примеру, на 5 участков:

А₀A₁, A₁A₂, A₂A₃, A₃A₄, A₄A₅. Длина каждого участка обозначается соответственно через V₁, V₂, V₃, V₄ V₅. На центральной вертикальной оси (фиг.7) выбирается точка O₁, так чтобы был отрезок .

Радиусом R₁=|А₀O₁| с центром кривизны в точке O₁ проводится дуга |А₀A₁|=V₁. На продолжении радиуса O₁ A₁ назначается точка О₂.

Далее радиусом R₂=|А₁O₂|, с центром кривизны в точке O₂ проводится дуга |А₁A₂|=V₂.

Затем на продолжении радиуса O₂A₂ выбирается точка О₃. После чего радиус R₃=|А₂O₃|, с центром кривизны в точке O₃. Проводится дуга |А₂A₃|=V₃.

Аналогично назначаются центры кривизны O₄ и O₅ и определяются радиусы R₄,R₅ и дуги |А₃А₄|=V₄, |A₄A₅|=V₅. Кривая O₀ O₁ O₂ O₃ O₄ O₅ называется эволютой кривой А₀ А₁ А₂ А₃ А₄ А₅.

Кинематическая опора устойчива при качении, если выполняются условия:

В общем случае число участков, на которое разбивается дуга А₀А₅ (фиг.7), может стремиться к бесконечности (i → ∞ ). При расположении центров кривизны на эволюте переход от одного участка дуги к другому происходит плавно, и главное, от участка к участку убывает кривизна поверхности качения, то есть растет жесткость кинематической опоры. А это приводит к росту чистоты собственных колебаний здания с увеличением горизонтальных перемещений.

Поскольку система изначально низкочастотна, она слабо реагирует на высокочастотные возмущения землетрясения. В случае наличия в спектре возмущения низких частот, даже при незначительных сейсмических силах в системе начинают развиваться большие перемещения. При этом в работу включаются участки закругленных граней стоек с относительно малой кривизной, что приводит к возрастанию частоты собственных колебаний здания.

Таким образом, система “убегает” от низкочастотного резонанса. Высокочастотный резонанс здесь исключен.

На фиг.8, как пример, приводятся графики изменения силы (реакции) F в зависимости от горизонтальных перемещений у здания.

Меняя величины дуг V_i (i=1, 2, 3, 4, 5) и значения соответствующих радиусов R_i (фиг.7), а также высоту Н, можно получить конструкции кинематической опоры с различными свойствами. При этом число вариантов бесчисленное множество. При i→ ∞ ломаные графики (фиг.7) обретают плавный вид.

Чтобы кинематические опоры эффективно гасили сейсмические силы, при этом одновременно ограничивали большие перемещения, рекомендуется первый и второй участки на закругленных гранях брать с радиусом R₁ и R₂, близкими к , a V₁ и V₂ относительно большими, и наоборот, начиная с третьего участка, радиусы R₃, R₄, R₅ назначать значительными при относительно малых V₃, V₄, V₅.

При такой “геометрии” обеспечивается необходимый рост реакции F=F(у) - фиг.8.

Все размеры и “геометрия” кинематических опор и элементов верхней и нижней обвязок определяются расчетным путем. При этом как материал, из которого изготовляются подвижные стойки, так и параметры, характеризующие “геометрию” и размеры предлагаемой конструкции, могут меняться в широких пределах. В частности, как один из возможных вариантов, рекомендуются следующие параметры: каждая половина закругленной грани (по радиусу в плане), начиная с центральной точки Ао (фиг.7), разбивается на 5 участков:

V₁=7 см, V₂=3 см, V₃=2 см, V₄=2 см,

в - оставшийся большой участок.

Н=(280-320) см; в=(260-300) см;

; R₂=R₁+50 см;

R₃=R₂+200 см; R₃=R₂+400 см;

R₅=R₄+800 cм;d=(18-30) см, r=1,4d.

Материал - железобетон.

Нами были проведены численные эксперименты на компьютере по исследованию перемещений и сейсмических сил, действующих на здания при 9-балльных землетрясениях. Рассматривалось большое множество вариантов конструктивных параметров опоры R_i, V_i.

При этом проводился сравнительный анализ для 5, 7, 9-этажных зданий, когда:

- фундаменты представляют собой обычные фундаментные подушки и фундаментные блоки;

- фундаменты представляют собой столбчатые фундаменты;

- фундаменты представляют собой предлагаемые кинематические опоры. Из проведенного нами сравнительного анализа численных экспериментов, выполненных на компьютере, следуют выводы:

- сейсмические силы в зданиях с предлагаемыми опорами уменьшаются примерно

в 5, 10, 15, 20, 25 раз по сравнению с сейсмическими силами, которые возникают в случае обычных и столбчатых фундаментов;

- при этом перемещения составляют 18-30 см.

Верхняя часть здания с кинематическими опорами колеблется как абсолютно-жесткая, одномассовая система: разница в перемещениях для различных узлов здания составляет 2-3%;

- влияние вторых и третьих форм колебаний ничтожно мало.

- На фиг.1 изображена схема расположения по вертикали кинематической опоры и элементов верхней и нижней обвязки;

- на фиг.2 - сечение кинематической опоры;

- на фиг.3 - вертикальный разрез кинематической опоры;

- на фиг.4 - элемент нижней и верхней обвязки;

- на фиг.5 -элемент верхней обвязки;

- на фиг.6 - элемент нижней обвязки;

- на фиг.7 дана принципиальная геометрическая схема построения кинематической опоры с переменной кривизной;

- на фиг.8 - графики, изображающие зависимость реакции F подвижных опор от перемещений y

- на фиг.9 приведены варианты горизонтальных сечений кинематических опор.

Фиг.1: приведен вертикальный разрез, показывающий взаимное расположение кинематической опоры 4, элемента 2 верхней обвязки, элемента 3 нижней обвязки; 1 и 6 - соответственно верхняя часть здания и грунтовое основание; 5-борозда.

Фиг.2: как один из вариантов дано горизонтальное сечение 4 кинематической опоры, которое имеет вид восьмиконечной звезды; размеры r и d определяются по расчету; сечение 1-1 дано на фиг.4.

Фиг.3: приводится сечение 1-1 кинематической опоры и контуры закругленных граней, высота опоры 4 равна Н, ширина - в; сечение 3-3 дано на фиг.3.

Фиг.4: элементы 2 и 3 нижней и верхней обвязки в плане имеют один и тот же вид; 5 - углубления в виде борозды, на которые сажается кинематическая опора своими закругленными поверхностями качения; D - выпуски арматурных стержней, которые сварными швами соединяются со смежными элементами. Сечение 2-2 дано на фигурах 5 и 6.

Фиг.5: элементы верхней обвязки;

5 - расположение борозды; D - выпуски арматурных стержней.

Фиг.6: приводится сечение элемента 3 нижней обвязки;

5- расположение борозды; D - выпуски арматурных стержней.

Фиг.7: даны геометрические размеры;

Н -высота, в - ширина кинематической опоры в ее вертикальном сечении; половина закругленной грани, с переменной кривизной, разбита, для примера, на 5 участков А₀ А₁, А₁ А₂, А₂ А₃, А₃ А₄, А₄ А₅; центры кривизны О₀, О₁, О₂, О₃, О₄, О₅ образуют эволюту кривой А₀ А₅;

R₁, R₂, R₃, R₄, R₅ - соответствующие радиусы кривизны.

Фиг.8: приводятся, для примера, графики изменения реакции F кинематической опоры в зависимости от горизонтальных перемещений у здания; меняя “геометрию” и кривизну стоек, можно получить многочисленные варианты кинематических опор с различными свойствами.

Фиг.9: даются примеры горизонтальных сечений кинематических опор в виде 3-х, 4-х, 5-и, 6-и, 7-и, 8-и, 9-и, 10-и, 11-и, 12... n - конечной звезды. При n→ ∞ сечение стремится к кругу.

Литература

1. Патент Японии №51-29324, Е 04 В 1/36;

2. Авторское свидетельство СССР №12654504, Е 04 Н 9/02, 1991;

3. Патент RU2200810 C2, 20.03.2003.

Многоэтажное сейсмостойкое здание, включающее верхние пространственно жесткие этажи, образованные колоннами, ригелями, перекрытиями, стеновыми панелями, и первый или цокольный этаж из кинематических стоек, имеющих закругленные верхние и нижние грани и обладающих свойством устойчиво покачиваться во время землетрясения по бороздам, предусмотренным в элементах верхней обвязки, являющихся частью перекрытия или цокольного этажа, и в элементах нижней обвязки, являющихся фундаментными подушками, причем закругленные грани стоек выполнены с переменной кривизной так, что эта кривизна, играя роль включающихся и выключающихся связей, ограничивает развитие больших горизонтальных перемещений, при сохранении способности стоек значительно снижать сейсмические силы, действующие на здания и сооружения во время землетрясения, отличающееся тем, что кинематические стойки выполнены монолитными или сборными из частей без открытых закладных деталей, при этом горизонтальные сечения кинематических стоек выполнены в плане в виде 3-х, 4-х, 5-и, 6-и, 7-и, 8-и, 9-и…n–конечной звезды, при неограниченном увеличении числа n ее конечностей, выполняющих роль ребер жесткости.