Фундамент
Изобретение относится к строительству, а именно к сейсмостойким фундаментам. Двухростверковый фундамент для зданий содержит нижний ростверк, слой материала с низким коэффициентом трения, укладываемый на нижний ростверк, платформу, содержащую множество лежащих в одной плоскости плит из материала с низким коэффициентом трения, расположенную с возможностью скольжения по упомянутому слою нижнего ростверка, верхний ростверк, соединенный с упомянутыми плитами платформы, и надстройку, соединенную с верхним ростверком, где верхний ростверк расположен на нижнем ростверк таким образом, чтобы, в случае землетрясения упомянутая платформа из плит верхнего ростверка могла скользить по упомянутому слою нижнего ростверка, обеспечивая возможность перемещения верхнего ростверка относительно нижнего ростверка. Статический коэффициент трения скольжения и динамический коэффициент трения скольжения между упомянутым слоем нижнего ростверка и упомянутыми плитами платформы верхнего ростверка равны или меньше 0,04. Технический результат состоит в обеспечении повышения эффективности сейсмической изоляции сооружения и поддержания его конструктивных характеристик, снижении материалоемкости. 8 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к двухростверковому фундаменту.
Ростверковый фундамент является наиболее популярным типом фундамента, который в настоящее время используют для зданий малого, среднего и большого размера.
В случае строительства 2-3-этажного здания, после выкапывания земли заливают слой тощего бетона высотой приблизительно 20 см и получают рабочую поверхность. Затем заливают ростверк высотой приблизительно 50-60 см для 2-3-этажных конструкций непосредственно на рабочей поверхности, приготовленной из тощего бетона. Колонны и конструкцию, несущую нагрузку, возводят на ростверке.
Несомненно, во время землетрясения, такая конструкция подвергается высоким напряжениям, которые ослабляет механическую стойкость конструкции.
В настоящее время, даже если все конструкции зданий, созданные человеком, подвергаются динамическим напряжениям, вызванным землетрясением, только некоторые из них защищены от землетрясений различными типами устройств контроля рабочих характеристик конструкции.
Эти устройства могут быть разделены на три категории систем:
- активную систему, разработанную для мониторинга конструкции и приложения сил для регулирования динамического статуса конструкции;
- полуактивную систему, ограниченную контролем гашения колебаний конструкции;
- пассивную систему, пассивно воспринимающую динамическое воздействие землетрясения.
Наилучшим решением является решение, представленное пассивной системой, т.е. системой, способной сейсмически изолировать здание таким образом, чтобы сейсмическое напряжение не передавалось на конструкцию.
В настоящее время известны различные типы рассеивателей энергии, предназначенные для защиты конструкции здания от землетрясений. Однако для обеспечения правильного действия рассеиватели энергии известного типа следует применять при создании тяжелых конструкций, т.е. железобетонных зданий, содержащих как минимум четыре этажа и как максимум - десять этажей. Такие рассеиватели энергии не работают в случае использования их при строительстве легких деревянных конструкций или 2-3-этажных железобетонных зданий.
В документе FR2619589 раскрыт двухростверковый фундамент для зданий, содержащих нижний ростверк и битумный скользкий слой, расположенный внутри нижнего ростверка. Первая битумная плита расположена на скользящем слое, а вторая битумная плита расположена на первой плите. Верхний ростверк присоединен к первой битумной плите и ко второй битумной плите, а надстройка присоединена к верхнему ростверку. Если известно, что скользящий слой нижнего ростверка изготовлен из битума, а также плиты, присоединенные к верхнему ростверку, изготовлены из битума, то статический и динамический коэффициенты трения между скользящим слоем и плитами очевидно являются очень высокими. Как известно, коэффициент трения между битумом и битумом приблизительно равен 0,5. Следовательно, в случае землетрясения, скольжение верхнего ростверка относительно нижнего ростверка будет очень небольшим.
Целью настоящего изобретения является исключение недостатков прототипа посредством создания двухростверкового фундамента, пригодного для сейсмической изоляции конструкции здания.
Другой целью настоящего изобретения является создание такого двухростверкового фундамента, пригодного для использования при строительстве легких малоразмерных конструкций, для минимизации, таким образом, веса и стоимости конструкции здания.
Дополнительной целью настоящего изобретения является создание такого двухростверкового фундамента, который был бы эффективным и пригодным для поддержания его конструктивных характеристик, не изменяющихся со временем, включая состояние после землетрясения.
Эти цели достигают согласно изобретению, с обеспечением характеристик, указанных в независимом п. 1 формулы изобретения.
Благоприятные варианты осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Двухростверковый фундамент согласно изобретению был разработан для сейсмической изоляции легкой конструкции здания, например, одно- или двухэтажного дома, принимая во внимание, что в таком случае рассеиватели энергии согласно прототипу не эффективны.
Двухростверковый фундамент согласно изобретению содержит:
- нижний ростверк;
- слой материала с низким коэффициентом трения, уложенный на нижний ростверк;
- платформу, содержащую множество лежащих в одной плоскости плит из материала с низким коэффициентом трения, расположенных с возможностью скольжения по упомянутому слою с низким коэффициентом трения нижнего ростверка;
- верхний ростверк, созданный совместно на упомянутой платформе; и
- надстройку, присоединенную к верхнему ростверку.
Верхний ростверк располагают на нижнем ростверке таким образом, чтобы, в случае землетрясения, упомянутая платформа верхнего ростверка могла скользить по упомянутому слою с низким коэффициентом трения нижнего ростверка, обеспечивая возможность перемещения верхнего ростверка относительно нижнего ростверка.
Материалы с низким коэффициентом трения являются материалами, которые при, взаимном трении, обладают статическим и динамическим коэффициентами трения скольжения, равными или более низкими, чем статический μст и динамический μдин коэффициенты трения скольжения в случае использования пары тефлон - сталь, т.е. материалов с коэффициентами μст ≤ 0,04 и μдин ≤ 0,04.
Следовательно, благоприятным образом, слой, которым покрыт нижний ростверк, может быть изготовлен из тефлона, а плиты платформы могут быть изготовлены из стали.
Идея настоящего изобретения заключается в обеспечении возможности сейсмического сдвига в паре тефлон-сталь или в паре тефлон-тефлон, выполненной в сочетании с любой конструкцией, и при любых климатических условиях.
Двухростверковый фундамент согласно изобретению обладает следующими преимуществами:
- перемещение надстройки отделено от перемещения земли, и верхний ростверк отделен от нижнего ростверка, благодаря чему ограничивается количество поступающей сейсмической энергии и исключается повреждение: надстройки, расположенной на верхнем ростверке; нижней части конструкции, расположенной под нижним ростверком; и изоляционного устройства в виде пары тефлон-сталь или тефлон-тефлон;
- надстройку, создаваемую на верхнем ростверке, выполняют менее прочной, так как она должна противостоять меньшим силам (и она, следовательно, является более дешевой), благодаря чему обеспечивается возможность изолирования легких конструкций;
- стоимость тефлоновых плит не очень высока, и она намного ниже стоимости любых других типов систем пассивного рассеивания энергии;
- поступающую сейсмическую энергию рассеивают, используя пригодные гасители колебаний, и конструкция является самоцентрирующейся;
- не требуется техническое обслуживание, и эффективность поддерживается после каждого землетрясения и в течение всего срока службы надстройки;
- толщина скользящей системы пары тефлон-сталь может быть сокращена до двух сантиметров или даже меньше; скользящая система проста в установке, и ее можно быстро осуществлять;
- поверхность скольжения изготавливают из самосмазывающегося материала тефлона, который не приклеивается ни к какому материалу;
- при применении такой поверхности скольжения гарантированно обеспечивается стойкость в холодном состоянии при температуре до -260°C, стойкость в нагретом состоянии при температуре до +260°C, а также стойкость к кислотам и к огню;
- при применении такой поверхности скольжения гарантированно обеспечивается электрическая и термическая изоляция.
Дополнительные отличительные особенности изобретения станут более очевидными после ознакомления с последующим описанием, в котором даны ссылки на приведенные просто в качестве примеров варианты осуществления, не ограничивающие объем изобретения, которые проиллюстрированы на прилагаемых технических чертежах, на которых изображено:
на фиг. 1 - сечения различных частей двухростверкового фундамента в разобранном состоянии согласно изобретению;
на фиг. 2 - сечение фундамента, представленного на фиг. 1, в собранном состоянии;
на фиг. 3 - вид в перспективе в разобранном состоянии трех плит верхнего ростверка фундамента согласно настоящему изобретению;
на фиг. 4 - сечение с частичными обрывами сборки из двух плит, представленных на фиг. 3;
на фиг. 5 - сечение здания с заглубленной нижней частью конструкции и a построенной сверху конструкцией;
на фиг. 6 - сечение высотного здания, в котором каждый модуль дома изготовлен с двухростверковым фундаментом согласно настоящему изобретению.
На чертежах показан двухростверковый фундамент согласно изобретению, который в общем обозначен позицией номер 1.
Для сооружения двухростверкового фундамента 1 (см. фиг. 1 и 2) согласно настоящему изобретению произведена выемка 20 в земле 2 и в выемку 20 залит тощий бетон 21 точно так же, как на стройках, которые выполняют в настоящее время.
Затем создан нижний ростверк 3 из железобетона на тощем бетоне 21; например, в случае строительства 2-3-этажного дома, где нижний ростверк имеет толщину, составляющую приблизительно 30-40 см. Верхняя поверхность 30 нижнего ростверка 3 является гладкой, плоской и выровненной. Благоприятным образом сглаживающий материал, например, цементный раствор, наносят на верхнюю поверхность 30 нижнего ростверка для исправления неровностей, которые могли быть образованы при заливке тощего бетона 21.
Благоприятным образом нижний ростверк 3 может быть сформирован в виде емкости со стенками 31 по периметру, поднятыми относительно верхней поверхности 30 нижнего ростверка таким образом, чтобы было образовано углубленное пространство 32.
Слой материала с низким коэффициентом трения, предпочтительно слой тефлона 4 толщиной 1-10 см, укладывают и закрепляют на верхней поверхности нижнего ростверка. Слой 4 тефлона должен иметь постоянную толщину и верхнюю поверхность 40, как можно более ровную. Благоприятным образом слой материала с низким коэффициентом трения может содержать смесь тефлона и углерода для обеспечения лучшего скольжения и более продолжительного срока службы слоя материала с низким коэффициентом трения.
Множество плит 5, образующих платформу, расположено на слое тефлона. Плиты 5 изготовлены из материала с низким коэффициентом трения, например, из стали и/или тефлона.
Благоприятным образом плиты 5 изготовлены из стали, и они имеют как минимум толщину, составляющую 1-2 мм. Таким образом, плиты 5 из стали находятся в непосредственном контакте со слоем 4 тефлона, и плиты 5 могут скользить по слою 4 тефлона. Благоприятным образом плиты 5 могут быть изготовлены из стали и могут содержать покрытую тефлоном нижнюю поверхность 50. Таким образом, тефлоновая поверхность плиты 5 может вступать в контакт со слоем 4 тефлона, благодаря чему минимизируется трение между слоем 4 тефлона и плитой 5. Плита 5 может быть изготовлена только из тефлона.
Каждая стальная плита 5 (см. фиг. 3 и 4) сформирована в виде прямоугольной емкости, обеспеченной нижней стенкой 51 и четырьмя боковыми стенками 52, поднимающимися вертикально вверх от нижней стенки на высоту, составляющую приблизительно 2-4 см.
Две смежные боковые стенки 52 стальной плиты содержат направленный вниз U-образный изгиб верхнего края 53, выполненный таким образом, чтобы было определено пространство 54, открытое снизу. Таким образом вторая плита 5 может быть сопряжена с первой плитой 5, которая уже уложена на слой 4 тефлона, посредством введения верхнего края боковой стенки 52 первой плиты внутрь пространства 54 верхнего края второй плиты таким образом, чтобы было образовано соединение между двумя плитами и создана единая стальная поверхность из двух плит. Принимая во внимание сказанное выше, платформу изготавливают модульной конструкции, содержащей множество взаимосвязанных стальных плит 5.
После сборки плит 5, соединения между плитами герметизируют клейкой лентой (не показана на чертежах) для предотвращения попадания бетона на слой 4 тефлона. Теперь, после получения герметизированной стальной поверхности, изготавливают верхний ростверк 6.
Сначала, стальные балки (не показаны на чертежах) укладывают на плиты 5, а затем на плиты 5 заливают бетон таким образом, чтобы был образован верхний ростверк 6 из железобетона толщиной, составляющей приблизительно 30-40 см, для 2-3-этажных домов. Верхний ростверк 6 должен иметь размеры поверхности (длину и ширину), меньшие размеров поверхности слоя 4 тефлона, заложенного в нижний ростверк 3, для обеспечения возможности скольжения по упомянутому слою 4 тефлона. Например, верхний ростверк 6 может быть сцентрирован в углубленном пространстве 32 нижнего ростверка 3, где при этом оставлен зазор, составляющий около 30-50 см между верхним ростверком и боковыми стенками 31 нижнего ростверка.
Верхний ростверк 6 соединяют с надстройкой 60, которая может быть обеспечена, например, одним или большим количеством модулей дома.
Низ верхнего ростверка 6 представляет собой платформу, образованную из плит 5, уложенную на слой 4 тефлона. Принимая во внимание то, что трение стали по тефлону подобно трению стали по льду, получают надстройку 60, которая может скользить по нижнему ростверку 3 практически без трения.
Нижний ростверк 3 должен быть шире верхнего ростверка 6, для обеспечения возможности скольжения, и должен содержать бордюр, выступающий вверх по периферии, образованный из боковых стенок 31, для предотвращения выхода верхнего ростверка 6 за пределы нижнего ростверка 3. Кроме того, при такой конфигурации обеспечивается возможность использования демпфирующей системы 7 для демпфирования скольжения верхнего ростверка 6, и центрирующей системы 8 для центрирования верхнего ростверка 6 относительно нижнего ростверка 3 после окончания землетрясения. Демпфирующую систему 7 и центрирующую систему 8 располагают между периметрическими стенками 31 нижнего ростверка 3 и верхним ростверком 6.
Благоприятным образом нижний ростверк 3 может быть выполнен на много шире верхнего ростверка 6. В таком случае использование рассеивающих энергию устройств и центрирующих устройств не обязательно, так как верхний ростверк 6 может быть сцентрирован относительно нижнего ростверка 3 с помощью гидродомкрата после окончания землетрясения. Эта система может быть благоприятным образом применена в областях с низкой сейсмической опасностью для сокращения стоимости строительства.
Сталь выбирают в качестве поверхности трения для верхнего ростверка просто по экономическим причинам. Дополнительный слой тефлона может быть использован в качестве поверхности скольжения для верхнего ростверка в случае сооружения двухростверковых фундаментов в местах с очень холодным или очень теплым климатом, в местах с высокой кислотностью и агрессивной окружающей средой, или фундаментов для предприятий со специальными требованиями, и т.п. При скольжении тефлона по тефлону имеют место те же показатели трения, что и при скольжении стали по тефлону, и они близки к показателям трения при скольжении стали по льду.
В качестве альтернативы железобетону, верхний ростверк 6 и надстройка 60, соединенная с верхним ростверком, могут быть изготовлены из другого материала, например, дерева, стали, кирпича или камня.
Следует понимать, что в двухростверковом фундаменте 1 рабочая толщина ограничена общей величиной, составляющей приблизительно 2 см, где 1 см приходится на слой 4 тефлона нижнего ростверка и 1 см приходится на стальную плиту 5 верхнего ростверка.
В случае строительства здания, у которого два или три этажа находятся над уровнем земли и один подземный этаж, используемый как гараж (см. фиг. 5), подземный этаж (нижняя часть 36 здания) может быть, как обычно, изготовлен из железобетона, чтобы таким образом он был соединен с нижним ростверком 3. Вместо этого, этажи надстройки 60, расположенные выше уровня земли, соединяют с верхним ростверком 6. Таким образом, сейсмический сдвиг происходит на уровне первого этажа. Этим может быть обеспечена более легкая работа здания и может быть обеспечено сокращение стоимости строительства здания. Например, нижняя часть 36 здания и нижний ростверк 3 могут быть изготовлены из железобетона, а надстройка 60 может быть изготовлена из дерева.
Всегда принимая во внимание ограниченную толщину, требующуюся для действия двухростверкового фундамента согласно изобретению, новые действия возможны для возведения высотных зданий.
Верхний ростверк 6 и надстройка 60 (см. фиг. 6), соединенная с верхним ростверком, образуют предварительно изготовленный модуль 9, отделенный от несущей нагрузку конструкции S высотного здания. Этажи высотного здания образуют нижние ростверки 3. Слой 4 тефлона толщиной 1 см, уложенный совместно на нижние ростверки 3, образованные из этажей высотного здания. Платформа, содержащая плиты 5 из тефлона толщиной 1 см, уложена совместно под верхним ростверком 6, образованным из основания предварительно изготовленного модуля 9. Таким образом, предварительно изготовленные модули 9 располагают в несущей нагрузку конструкции S высотного здания с двухростверковым фундаментом.
Рассеивающие энергию устройства 7 и центрирующие устройства 8 располагают между несущей нагрузку конструкцией S высотного здания и верхним ростверком 6, образованным из основания предварительно изготовленного модуля 9.
Таким образом, высотное здание содержит предварительно изготовленные модули 9, которые ведут себя различным образом на каждом этаже, при постепенном подъеме вверх. Вся несущая нагрузку конструкция S высотного здания оказывается менее напряженной во время землетрясения. Сейсмическое перемещение несущей нагрузку конструкции S соответствует перемещению предварительно изготовленных модулей, которые скользят по этажам несущей нагрузку конструкции S.
В объеме настоящих вариантов осуществления изобретения могут быть выполнены многочисленные варианты осуществления и модификации, в пределах, доступных для специалиста в данной области техники, которые подпадают под объем действия изобретения.
1. Двухростверковый фундамент (1) для зданий, содержащий:
- нижний ростверк (3);
- слой (4) материала с низким коэффициентом трения, укладываемый на нижний ростверк (3);
- платформу, содержащую множество лежащих в одной плоскости плит (5) из материала с низким коэффициентом трения, расположенную с возможностью скольжения по упомянутому слою (4) нижнего ростверка;
- верхний ростверк (6), соединенный с упомянутыми плитами (5) платформы; и
- надстройку (60), соединенную с верхним ростверком (6);
где верхний ростверк (6) расположен на нижнем ростверке (3) таким образом, чтобы, в случае землетрясения, упомянутая платформа из плит (5) верхнего ростверка могла скользить по упомянутому слою (4) нижнего ростверка, обеспечивая возможность перемещения верхнего ростверка относительно нижнего ростверка,
отличающийся тем, что
статический коэффициент трения скольжения и динамический коэффициент трения скольжения между упомянутым слоем (4) нижнего ростверка и упомянутыми плитами (5) платформы верхнего ростверка равны или меньше 0,04.
2. Фундамент (1) по п. 1, в котором упомянутый слой (4) нижнего ростверка изготовлен из тефлона, а упомянутые плиты (5) платформы верхнего ростверка изготовлены из стали и/или тефлона.
3. Фундамент (1) по п. 1 или 2, в котором упомянутый нижний ростверк (3) сформирован в виде емкости с поднятыми вверх по периметру стенками (31) для расположения в ней упомянутого верхнего ростверка (6).
4. Фундамент (1) по п. 3, дополнительно содержащий рассеивающие энергию демпфирующие устройства (7) и центрирующие устройства (8), расположенные между упомянутыми периметрическими стенками (31) нижнего ростверка и упомянутым верхним ростверком (6), для демпфирования перемещения верхнего ростверка (6) и центрирования верхнего ростверка (6) относительно нижнего ростверка (3) после землетрясения.
5. Фундамент (1) по любому из пп. 1 - 4, в котором упомянутый слой (4) нижнего ростверка является слоем из тефлона толщиной приблизительно 1-2 см.
6. Фундамент (1) по любому из пп. 1 - 5, в котором каждая плита (5) платформы верхнего ростверка сформирована в виде прямоугольной емкости с боковыми стенками (52), выступающими вверх от нижней стенки (51).
7. Фундамент (1) по п. 6, в котором каждая плита (5) верхнего ростверка содержит по меньшей мере одну боковую стенку (52), обеспеченную U-образным изгибом верхнего края таким образом, чтобы было определено пространство (54), предназначенное для введения в него верхнего края боковой стенки (52) смежной плиты, для соединения плит (5), из которых образуют платформу, имеющую модульную конструкцию.
8. Фундамент (1) по любому из пп. 1 - 7, содержащий нижнюю часть (36) конструкции, расположенную под нижним ростверком (3) и соединенную с нижним ростверком.
9. Фундамент (1) по любому из пп. 1 - 8, в котором упомянутая надстройка (60), соединенная с верхним ростверком (6), составляет предварительно изготовленный модуль (9), отделенный от несущей нагрузку конструкции (S) высотного здания, где нижние ростверки (3) представляют собой этажи высотного здания, а предварительно изготовленные модули (9) расположены на этажах высотного здания.
