УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕЙСМОИЗОЛЯЦИИ СООРУЖЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК E02D27/34 E02D31/08 

Изобретение относится к сейсмостойкому строительству и может быть использовано в конструкции фундаментов зданий, сооружаемых в сейсмических районах.

В конструкциях сооружений, возводимых в сейсмических районах, широко используются устройства, обеспечивающие снижение перегрузок, передаваемых на здание при землетрясении.

Известна конструкция сейсмоизолирующего скользящего пояса, выполненного в виде ряда опор, расположенных между фундаментом здания и надземными конструкциями. Каждая опора имеет две пластины - из нержавеющей стали и фторопласта - 4. При землетрясении в случае превышения инерционными нагрузками определенного уровня здание по плоскости стальной и фторопластовой пластины начинает проскальзывать относительно фундамента, что приводит к снижению ускорений, воздействующих на здание. Для уменьшения горизонтальных перемещений здания относительно фундамента в скользящем поясе предусмотрены ограничители, которые с целью смягчения соударений опор с фундаментом выполняются упругими в виде резиновых параллелепипедов.

Известна конструкция упругоскользящей опоры по авт.св. N 910989, состоящей из двух металлических листов, один из которых прикреплен неподвижно к строительной конструкции, а другой выполнен в форме поддона и установлен свободно на опорную поверхность строительной конструкции (фундамента). Между этими листами размещена упругая прослойка и пружины. Пружины закреплены на верхнем листе и имеют возможность скольжения (качения) относительно нижнего листа-поддона.

При сейсмическом воздействии происходит перемещение частей конструкции друг относительно друга с уменьшением возникающих при этом вертикальных и горизонтальных ускорений.

К недостаткам данной конструкции, также как и сейсмоизолирующего скользящего пояса, является то, что максимальная поперечная нагрузка, передаваемая на сооружение (являющаяся для сооружения наиболее критичной по сравнению с вертикальной) однозначно определяется усилием (коэффициентом) трения в зоне контакта поддона с опорной поверхностью фундамента и не может быть меньше этого усилия, а именно:
Х_max = F_max = n_max^y - G - f_mp, где Х_max - максимальная поперечная нагрузка;
F_max - максимальное усилие трения в контакте поддона с опорной поверхностью фундамента;
n_max^y - максимальная вертикальная перегрузка;
G - вес сооружения, приходящийся на одну опору;
f_mp - коэффициент трения.

Так как n_max^y и G заданные параметры, которые не могут варьироваться, нагрузка Х_max определяется коэффициентом трения. Это не позволяет достигнуть высокого уровня сейсмоизоляции сооружения.

Устройства, приведенные в заявке Японии N 47-39174 и авт.св. N 896190, содержат решение, позволяющее снизить максимальные поперечные нагрузки на сооружения в условиях землетрясения при одновременном ограничении относительных поперечных перемещений. Оно заключается в монтаже сооружения на опорах качения с установкой параллельно "работающих" с этими опорами демпфирующих устройств. Назначение демпфирующих устройств - уменьшение относительных перемещений сооружения относительно фундамента с соблюдением ограничений по передаваемым нагрузкам. Эффективность решения этой задачи определяется видом и стабильностью силовой характеристики демпфирующего устройства (зависимости поперечного усилия от кинематических параметров смещения сооружения относительно фундамента).

Результаты исследований показывают, что наилучшим видом характеристики является при этом характеристика "сухого трения" - см. фиг. 1.

Указанная характеристика типа "сухого трения" позволяет при требуемом ограничении поперечной нагрузки достигнуть наибольшей эффективности в снижении относительных поперечных смещений сооружения и фундамента, избежать резонансных явлений в том широком спектре частот, которым характеризуются условия землетрясения.

Существенно менее эффективны "упругий" вид характеристики (когда усилие практически однозначно определяется величиной и знаком смещения - вне зависимости от направления движения при этом смещении) - см. фиг. 2.

При любых конкретных параметрах характеристики в спектре сотрясений всегда находятся частоты, приводящие к резонансным явлениям, приводящим к увеличенным нагрузкам и смещениям.

Устройство по заявке Японии N 47-39174 (кл. Е 04 В 1/98, 1972) содержит два ряда расположенных друг над другом и отделенных промежуточной плитой роликов, обеспечивающих поперечные смещения сооружения относительно фундамента. Плиты, между которыми размещены ролики, снабжены идущими по периметру ребрами, что в нижней, скрепленной с фундаментом, плите образует канавку, в которую входит ребро, скрепленное с верхней, закрепленной на сооружении, плите. Канавку заполняют мелкозернистым материалом.

При землетрясении происходит перемещение мелкозернистого материала, размещенного в канавке, с помощью ребра, скрепленного с верхней плитой, что демпфирует (уменьшает) колебания сооружения относительно фундамента.

К недостаткам использованного в данной разработке демпфирующего устройства следует отнести отсутствие элементов регулирования его силовой характеристики, нестабильность ее за счет зависимости возникающих усилий от скоростного режима смещения (отличие от характеристики "сухого трения"), что в определенных пределах снижает эффективность сейсмоизоляции сооружения.

Наиболее близким по конструктивному исполнению к устройству является устройство по авт.св. N 896190.

Устройство содержит заключенные в обоймы шаровые элементы, на которые устанавливается сооружение (здание), размещаемые между плоскими участками опорного блока и нижней опорной плиты. В плите выполнена сферическая выемка, в которой также размещен шаровой элемент. Радиус этого шарового элемента меньше радиуса сферической выемки. Устройство имеет размещенный в вертикальном отверстии опорного блока подпружиненный шток, опирающийся своей плоской головкой на шаровой элемент, размещенный в сферической выемке. Поджатие подпружинивающего штока упругого элемента регулируется с помощью установленной на штоке регулировочной гайки.

В момент сейсмического воздействия возникают поперечные колебания фундамента относительно здания и шаровые элементы, воспринимая вес здания, перекатываются по плоским участкам опорного блока и нижней опорной плиты. Трение, возникающее при этом в контакте шаровых элементов с опорными поверхностями и обоймами, в какой-то степени способствуют затуханию колебаний. Кроме того, шаровой элемент, заключенный в сферическую выемку, перемещается по ее поверхности вверх вместе со штоком, сжимая упругий элемент. Под действием упругих сил шаровой элемент стремится вернуться в исходное положение, способствуя уменьшению поперечных смещений здания относительно сооружения.

К недостаткам данной конструкции относится следующее.

Система подпружиненного штока с шаром, находящимся в сферической выемке, имеет "упругий" вид силовой характеристики, причем характеристики "жесткой", т. е. с увеличивающейся по мере увеличения поперечного смещения жесткостью (см. фиг. 2).

Указанная характеристика будучи "упругой" не обеспечивает устранения резонансных явлений, а являясь "жесткой", не может обеспечить высокой степени сейсмозащиты, так как, давая хороший эффект в части уменьшения относительных смещений, такая характеристика реализует довольно значительные нагрузки. Демпфирующее же воздействие усилий трения шаровых элементов на возникающие при землетрясении колебания здания, во-первых, представляется незначительным (так как это трение качения), а во-вторых, в устройстве не предусмотрено элементов, позволяющих устанавливать эти усилия на требуемом уровне (устройство регулировки поджатия пружины предназначено для установки на заданном уровне "упругого" усилия, возвращающего опорный блок в исходное состояние).

Целью предлагаемого изобретения является разработка надежной сейсмоизолирующей конструкции с повышенной степенью защищенности (уменьшенным уровнем нагрузок, передаваемых на сооружения) путем использования в этой конструкции демпфирующего устройства, имеющего характеристику "сухого трения", с заданным уровнем усилий.

Цель достигается тем, что подпружиненный элемент выполнен в форме стакана, донная часть которого, обращенная к фундаменту, имеет покрытия с заданными фрикционными свойствами. Стакан донной частью оперт на плиту фундамента. Поджатие стакана к плите фундамента выполнено с помощью установленных между дном стакана и дном углубления в опоре пакета тарельчатых пружин и регулировочной прокладки. Толщина прокладки выбирается в соответствии с конкретным значением коэффициента трения в контакте стакана с плитой фундамента, значениями жесткости и поджатия пакета тарельчатых пружин. По периметру опоры размещена скрепленная с ней обойма, в которой смонтировано контактирующее с плитой фундамента кольцевое фторопластовое уплотнение. Шарикоподшипник установлен с радиальными зазорами относительно элементов опоры, равными половине максимального перемещения сооружения при землетрясении расчетной интенсивности.

На фиг. 3 показан продольный разрез устройства.

Устройство содержит шарнирно связанную со зданием (сооружением) 1 и установленную на плиту 2 фундамента 3 опору 4. На фундаменте 3 закреплены установленные с зазором относительно опоры 4 упругие резинометаллические упоры 5. В углублении опоры 4 смонтирован с возможностью вертикальных перемещений стакан 6, донная часть которого по поверхности, обращенной к фундаменту, имеет заданные фрикционные свойства. Между донной частью стакана 6 и донной частью углубления установлены с поджатием пакеты тарельчатых пружин 7 и регулировочная прокладка 8. По периметру опоры размещена скрепленная с ней обойма 9, в которой смонтировано контактирующее с плитой 2 кольцевое фторопластовое уплотнение 10. Между опорным стаканом 6 и обоймой 9 размещен с зазором относительно опоры плоский шарикоподшипник из шариков 11, - заключенных в кольцевой сепаратор 12 и контактирующих с плитой 2 и 13. Величина зазора Δ составляет половину максимального перемещения δ здания относительно фундамента при землетрясении, что обеспечивает несоударение шарикоподшипника с опорой.

Толщина регулировочной прокладки 8, влияющая на усилие поджатия пакета тарельчатых пружин 7, а следовательно, и на величину усилия трения в контакте стакана 6 с плитой 2, выбираются исходя из необходимой величины усилия трения, обеспечивающей допустимый уровень нагрузок на сооружение и допустимых относительных смещений фундамента и сооружения.

При землетрясении фундамента 3 сооружение 1 начинает совершать колебания, которые приводят к возникновению поперечной реакции в контакте опоры 4 с фундаментом 3. Как только величина этой реакции достигнет величины суммарной силы трения: трения качения шарикоподшипника и трения скольжения стакана 6 по плите фундамента 2 - опора начинает перемещаться относительно фундамента 3.

Дальнейшее увеличение интенсивности колебаний фундамента 3 не приводит к увеличению реакции, а следовательно, и ограничивает уровень ускорений, передаваемых на здание 1. В случае, если перемещение 3 относительно здания 1 превысит величину зазора между обоймой 9 опоры и резинометаллическими упорами 5 происходит обжатие этих упоров с возникновением в них усилий, способствующих центрированию опоры относительно фундамента 3.

Перемещение Δ шарикоподшипника относительно опоры 4 при этом происходит в пределах, не превышающих половины максимальных смещений δ фундамента относительно здания, что обеспечивает несоударение шарикоподшипника с опорой.

Уплотнение 10 при эксплуатации устройства как в обычных условиях, так и в условиях землетрясения препятствует попаданию во внутреннюю полость опоры посторонних загрязняющих включений, которые могли бы помешать нормальной работе шарикоподшипника и подпружиненного стакана.

Предложенное устройство сейсмоизоляции сооружений по сравнению с известными аналогичными устройствами позволяет:
- снизить нагрузки, передаваемые на сооружения при землетрясении;
- повысить надежность сейсмоизоляции сооружения.

Разработан технический проект устройства сейсмоизоляции гостиницы массой 300 - 1000 тс, снижающего передаваемые при землетрясении 9 баллов поперечные нагрузки в 8 раз при максимальном относительном перемещении 200 мм.

Сущность изобретения: устройство для сейсмоизоляции сооружения содержит опору, которая шарнирно соединена с надфундаментной частью сооружения и оперта на фундамент через элементы подвижной связи в виде шариков, заключенных в сепаратор. На фундаменте соосно опоре установлен открытый кверху стакан. В стакане расположена пружина, верхний конец которой уперт в нижнюю поверхность опоры. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕЙСМОИЗОЛЯЦИИ СООРУЖЕНИЯ, включающее опору, размещенную между надфундаментной частью сооружения и фундаментом и опертую на фундамент через элементы подвижной связи в виде объединенных кольцевым сепаратором шариков, пружину с элементом ее регулируемого поджатия, размещенную в осевом углублении опоры на ее нижней поверхности и упертой в дно углубления, и поперечные упоры, отличающееся тем, что устройство снабжено контактирующими с шариками плитами, закрепленными на обращенных одна к другой поверхностях опоры и фундамента, и открытым кверху стаканом, установленным на плите фундамента соосно с углублением опоры, причем пружина образована пакетом тарельчатых элементов и уперта нижним концом в его дно, элемент регулируемого поджатия пружины выполнен в виде прокладки, а поперечные упоры - упругими и закреплены на фундаменте с зазором относительно боковой поверхности опоры. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сепаратор элемента подвижной связи размещен относительно образованного на нижней поверхности опоры оконтуривающего углубление выступа с кольцевым зазором, равным половине максимального перемещения надфундаментной части сооружения относительно фундамента при землетрясении расчетной интенсивности. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно снабжено закрепленной на опоре по ее периметру обоймой, в которой смонтировано контактирующее с фундаментом кольцевое уплотнение из фторопласта.