МНОГОСЕКЦИОННОЕ ЗДАНИЕ Российский патент 1997 года по МПК E04H9/02 

Известно устройство кирпичных и панельных стен каркасных и бескаркасных зданий, в которых стены являются основными несущими конструкциями зданий с обязательным фундаментом, что и приводит к разрушению зданий при землетрясениях. (Руководство по проектированию зданий и сооружений на подрабатываемых территориях. Ч. П. Промышленные и гражданские здания /НИИСК Госстроя СССР, Донецкий ПромстройНИИпроект, КиевЗНИЭП, КиевНИИградостроительство. М. Стройиздат, 1986. 304 с. стр. 162).

Наиболее близким техническим решением является а.с. СССР N 447227, кл. E 04 H 9/02, 1975 г. поскольку оно имеет большее число общих признаков с заявленным решением. К недостаткам прототипа следует отнести следующее.

На опорном стволе подвешены на амортизаторах секции здания как фрукты на дереве. В случае наклона и тем более при деформациях земной поверхности, обязательных при землетрясениях, подвесные секции и опорный ствол будут разрушены, в результате наклона и среза секций зданий при взаимодействии с опорным стволом.

Целью изобретения является надежная защита зданий землетрясений.

Поставленная цель достигается тем, что:
1. Многосекционное здание, включающее фундаменты, опертые на них вертикальные несущие опоры, размещенные между секциями здания с зазором относительно них, и гибкие связи, отличающееся тем, что вертикальные несущие опоры выполнены в виде стен, а секции здания оперты на поверхность грунта, имеют наружные несущие поперечные стены, расположенные у вертикальных опор и соединенные с последними гибкими связями, которые прикреплены концами к их верхним торцам.

2. Многосекционное здание по п. 1, отличающееся тем, что боковые поверхности вертикальных несущих опор, обращенные к секциям здания, выполнены наклонными с образованием их поперечного сечения в форме трапеции с нижним большим основанием.

3. Многосекционное здание по пп. 1, 2, отличающееся тем, что зазор между вертикальными несущими опорами и секциями здания заполнен посредством легкосжимаемого и водоотталкивающего материала.

Выявленные отличительные признаки не обнаружены в известных технических решениях, следовательно, предполагаемое техническое решение отвечает критерию "существенные отличия".

В сейсмоопасных районах здание строится без фундамента с жестким каркасом, который выполняется в виде встроенной арматуры (ребра жесткости) по двугранным углам, обеспечивающим устойчивость здания при частичном подвешивании его на стальных канатах. Здание возводится секциями, размеры которого продиктованы прочностью усиливающих конструкций и несущий способности подвешиваемых гибких конструкций 4, например стальных канатов. Секция пятиэтажного здания длиной 20 30 м отвечает этим условиям (Фиг. 1 и 2). В промежутках между секциями возводятся вертикальные несущие опоры 2, которые возводятся с фундаментом из предварительно напряженного железобетона (фиг. 1). Опорные стены 2 возводятся с трапецеидальным поперечным сечением (см. фиг. 1), во избежание соприкосновения несущих опор 2 со стенками секции 1 при их наклонах и горизонтальных смещениях. Для внешней опорной стены (фиг. 2), опора 2 выполняется со скошенной внутренней поверхностью, наружная поверхность ее является вертикальной.

Компенсационное пространство 3, показанное на фиг. 1 и 2, заполняются легкосжимаемым и водоотталкивающим материалом, например стекловатой с древесными опилками. Количество элементов с фундаментом равно n + 1, где n - количество секций в здании. Опорные стены 2 являются одновременно и противопожарными ("Brandmauer"), что актуально при землетрясениях, т.к. всегда возникают от замыкания электрических сетей пожары.

Конструкция стен, показанная на фиг. 1 и 2, при соответствующих наполнителях компенсационного пространства, является надежным противошумовым экраном, что имеет немаловажное значение при проявлении аномальных природных явлений.

В верхней части опорной стены 2, примерно через 1 м анкерно крепятся стаольные канаты 4, соединяющие опорный элемент стены с "подвешиваемым" элементом 1 и всей секции. Таким образом, 3-х слойная конструкция стен (фиг. 1 и 2) позволяет осуществлять набор секции охораняемого здания под одной крышей. Поскольку отсек здания свободно располагается на земле, следовательно, сдвигающие напряжения при землятресении должны быть больше сопротивления пород на сдвиг, а нормальные напряжения от веса здания σ = τ/tgρ, где t -прочность грунта на сдвиг, МПа; r-угол трения грунта с подошвой здания, град.

Таким образом, имеется замкнутая механическая система, в которой опорные стены могут передвигаться и наклоняться в процессе землетрясения, а подвешенная секция здания, перемещаться вверх-вниз. Самым неблагоприятным случаем, когда опорные стены будут наклоняться в сторону здания, тогда нагрузка на фундамент будет максимальной, возрастут и силы трения согласно закону Амонтона-Кулона. Единственной силой, способной придать колебание секции здания будет контакт с земной поверхностью. В результате силой трения здание будет отклонено на угол a, см. фиг. 3. Согласно фиг. 3 секция здания может быть подвергнута колебанию, если сдвигающие силы T будут превышать силы инерции F_in= ma, где a ускорение частиц грунта при землетрясении. Сдвигающие силы T равны mgtgr. При F_in-T = ma-mgtgρ = m(a-gtgρ) > 0 (1) колебание невозможно, поскольку инерционные силы превышают сдвигающие. Поскольку коэффициент трения обычно составляет 0,3, то из приведенного уравнения сследует, что когда ускорение упругой волны больше 3 м/с², то здание не будет успевать за колебаниями земной поверхности, т. е. будет наблюдаться проскальзывание земной поверхности под зданием. В противном случае, возможно колебание, т.е. отклонение центра тяжести здания от равновесного состояния. Известно, что в Японии, в стране примечательной частыми землетрясениями, еще в средние века в середине храма подвешивали толстое бревно, которое раскачиваясь, гасило колебания в стенах храма. В нашем случае в замкнутой механической системе "опора секция здания" последняя служит демпфером гасителем колебаний. Запишем согласно закону сохранения импульсов равенство mv MV, где m, M масса опорной стены и секции здания, v, V скорость колебания опорной стены и секции здания.

Отсюда следует, что V vm/M и пропорционально отношению масс опорной стены секции здания.

Из условия равновесия здания (1) следует, что если уменьшить нагрузку на грунт, т.е. часть веса mg будет передаваться на гибкие конструкции, например на стальные канаты, то сдвигающие, отклоняющие секцию здания, силы будут уменьшены, то проскальзывание возможно и при меньших ускорениях волны.

Не приводя полного расчета кинематики механической системы "опора - секция здания", следует отметить, что при передаче на грунт 50% веса секции здания, практически обеспечивает его сохранность при колебаниях любой бальности, а возможные колебания с торможением по подошве здания с грунтом будут уменьшены на порядок, на два и более и погашены в результате демпфирующей роли секции здания системы "опора секция здания".

Например, при землетрясениях скорость упругой волны достигает 500 м/с, m 10 тонн, масса секции 1000 тонн, тогда скорость колебания секции здания уменьшается в 100 раз и составит 50 м/с.

Очевидно, что при такой рекордной скорости 5000 м/с и ускорение будет более 3 м/с², т.е. не произойдет колебания продольных волн в здании. Предложенное техническое решение обеспечивает устойчивость охраняемого здания, эффективность которого возрастает с увеличением бальности землетрясения, а при малой бальности землетрясения они быстро гасятся самим зданием и трансформируются в неопасные колебания по вертикали.

Кроме того, предложенное устройство стен позволяет устранить сопутствующие нежелательные эффекты землетрясения пожары и шумы, порой приносящие не меньший отрицательный эффект, чем явление его вызвавшее.

Использование: строительство многосекционных зданий на сейсмоопасных территориях. Сущность изобретения: вертикальные несущие опоры оперты на фундаменты, размещены между секциями здания с зазором относительно них и соединены с ними гибкими связями с трансформацией в процессе землятресений разрушающих горизонтальных смещений в неопасные вертикальные смещения. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Многосекционное здание, включающее фундаменты, опертые на них вертикальные несущие опоры, размещенные между секциями здания с зазором относительно них, и гибкие связи, отличающееся тем, что вертикальные несущие элементы выполнены в виде стен, а секции здания оперты на поверхность грунта, имеют наружные несущие поперечные стены, расположенные у вертикальных опор, и соединены с последними гибкими связями, которые прикреплены концами к их верхним торцам. 2. Здание по п.1, отличающееся тем, что боковые поверхности вертикальных несущих опор, обращенные к секциям здания, выполнены наклонными с образованием их поперечного сечения в форме трапеции с нижним большим основанием. 3. Здание по пп.1 и 2, отличающееся тем, что зазор между вертикальными несущими опорами и секциями здания заполнен легкосжимаемым и водоотталкивающим материалом.