СЕЙСМОСТОЙКАЯ КОНСТРУКЦИЯ ЗДАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК E04H9/02 E04B1/34 

Изобретение относится к сооружениям для местностей, которые подвержены землетрясению и может быть использовано практически для любой местности, т. к. предсказание стихийного бедствия для любой местности носит очень приблизительный характер из-за непредсказуемости внутренних земных процессов в недрах земли.

Известно техническое решение, когда здание оперто на фундамент шарнирно и имеет возможность относительно перемещаться при смещении поверхности земли (см. а.с. N 1654461, кл. E 04 H 9/02, 1991 г.).

Недостатками этого технического решения следует считать:
значительная радиальная составляющая усилия, т.к. трение между блоком здания и сопряжением подвижным будет передаваться за счет трения,
невосприятие вертикальной составляющей колебаний почвы никакими гасящими устройствами и эти колебания полностью будут передаваться на блок этажей,
расположение центра тяжести системы выше опорной плоскости, что создает неблагоприятные условия для гашения колебаний почвы.

Все перечисленные факторы приведут к разрушению здания при сильных колебаниях почвы со всеми последствиями.

Наиболее близким аналогом является техническое решение сейсмостойкой конструкции здания, содержащее блок этажей с шахтой, в которой размещена стойка, соединенная с грунтом и с блоком этажей через верхнюю и нижнюю плиты указанного блока, причем плиты соединены между собой тягами (см. патент ФРГ N 3325783, кл. E 04 H 3/02, 1984 г.).

Недостатками описанной конструкции следует считать:
фактически соединение тягами блока этажей со стойкой будет жестким, что предопределяет передачу колебания стойки через тяги на блок этажей,
передачи колебаний стойки на блок этажей через амортизаторы между шахтой и стойкой,
передача колебаний вертикальной составляющей на блок этажей через плиты от стойки через тяги.

Причем следует иметь ввиду, что жесткость системы будет меняться в зависимости от температуры окружающей среды: ниже температура больше жесткость и наоборот.

Кроме этого, при циклических колебаниях произойдет раскачка блока этажей в особенности при резонансной частоте.

Целью предложения является устранение указанных недостатков за счет понижения жесткости связи между блоком этажей и стойкой, надежного гашения колебаний в системе связей между блоком этажей и стойкой как вертикальной так и горизонтальной составляющей, повышения связи стойки с грунтом при снижении объема и сложности работ при изготовлении фундамента и сохранения здания даже при перекосе стойки от воздействия сдвига почвы.

Поставленная цель достигается тем, что соединение блока этажей со стойкой выполнено в виде сопрягаемых подвижно чаши и полой емкости с жидкостью в зазоре между ними, которые закреплены на стойке и с блоками этажей через нижнюю плиту, причем соединение нижней плиты блока этажей с емкостью выполнено в виде тяг, а соединение стойки с фундаментом осуществлено посредством утопленной в грунт трубы, сопряженной со стойкой, при этом труба снабжена радиальными лапами, которые соединены со сваями.

Тяги могут быть размещены внутри каналов чаши в шахте или снаружи блока этажей, а внутренняя полость трубы и стойки заполнены бетоном.

На чертеже представлена конструктивная схема сейсмостойкой конструкции задания (вертикальный разрез, в аксонометрии, слева от оси представлен вариант с размещением тяг внутри шахты, а справа размещение тяг снаружи блока этажей).

Здание содержит блок этажей 1 с верхней и нижней плитами 2, 3. Внутри блока этажей 1 расположена шахта 4 и стойка 5 с трубой 6 в своей нижней части. Труба 6 имеет лапы 7, которые расположены радиально и соединены со сваями 8. Нижняя плита 3 тягами 9 соединена с емкостью 10 через каналы 11 с чашей 12, причем последняя соединена со стойкой 5. Чаша 112 и емкость 10 установлены с зазором, который выбирается по максимальной запасом амплитуде радиальной составляющей колебания почвы и этот зазор заполнен жидкостью 13. Труба 6 залита бетоном 14. Действует сейсмостойкая конструкция здания следующим образом.

При возникновении колебаний почвы начинает с этой же амплитудой колебаться и стойка 5, что приводит к перемещению чаши 12, возникает либо подъемная сила, которая стремится поднять весь блок этажей 1, либо подъемная сила стремится опустить блок этажей 1. Импульс этой силы мал из-за малого временного интервала ее воздействия. И значительная инерционная масса здания не позволяет воспринять амплитуду в полном размере, т.е. следует ожидать либо вообще полного отсутствия перемещений, либо перемещение будет незначительным (во много раз меньше, чем амплитуда перемещения грунта. Система представляет собой массу, которая подвешена, т.е. обладает безразличным равновесием, как маятник при малых отклонениях его от разновесного состояния.

Конструкция трубы 6 и стойки 5 могут быть выполнены зацело из металлической трубы, которая наваривается по мере возрастания здания. Чем труба 6 больше внедрена в грунт, тем больше ее жесткость и прочность сцепления с грунтом. Самая жесткая и прочная конструкция будет при полном заполнении трубы 6 и стойки 5 бетоном. При такой системе даже перенос стойки 5 (разлом грунта) не приведет к разрушению стойки 5, а емкость 10 компенсирует перекос.

Тяги 9 в обеих вариантах проходят через проушины верхней плиты 2, что обеспечивает монолитность блока этажей 1 с плитами 2, 3, могут быть предусмотрены и дополнительные стяжки верхней и нижней плит 2, 3 для усиления монолита блока этажей 1.

Лапы 7 размещены радиально и могут представлять единую площадку, однако более целесообразно выполнять их в виде сварных соединений с трубой 6 с ребрами жесткости и соединением со сваями либо просто опиранием, либо сваркой, либо размещением между ними клиньев или домкратов. Такие варианты позволяет упростить изготовление фундамента, который фактически будет состоять на трубы 6 с бетоном 14 и лап 7 без необходимости тщательного выравнивания площадки под фундамент.

Лифт может быть выполнен в стойке 5, если она полая с выходом под нижнюю плиту 3. Магистрали жизнеобеспечения желательно иметь либо с гибкой вставкой, либо со слабым звеном, которое разрушается при возникновении колебаний.

Высота емкости 10 и чаши 12 примерно составляет 10% от высоты здания, а внутренняя полость емкости 10 может быть использована для хозяйственных нужд. Сама емкость 10 может быть выполнена в виде секторов для выравнивания масс и регулирования соосности шахты 4 и стойки 5 путем заполнения жидкостью секторов той же жидкостью до получения соосности. Могут быть предусмотрены ограничители колебаний всей системы между стойкой 5 и шахтой 4, однако в большинстве случаев можно обойтись увеличением зазора между указанными элементами конструкции. Возможно эквивалентное техническое решение, когда ставятся оттяжки с внешней стороны, которые крепятся к нижней плите для снижения амплитуды, причем этими оттяжками можно как выравнить массы, так и снизить всю систему. Сами оттяжки должны играть роль мягких амортизаторов, т.е. выполняться из троса с гибкими вставками или сами тросы должны быть рассчитаны для срабатывания как пружины.

Вертикальные стяжки также могут выполняться из троса и действовать как гибкая связь аналогично арматуры в напряженном бетоне. На сжатие элементы конструкции "работают" хорошо, поэтому такие стяжки обеспечивают прочность, объемную конструкцию.

На чертеже представлена симметричная конструкция в виде цилиндра, однако возможно выполнение строения любой формы с установкой независимых стоек.

Возможно усиление жесткости конструкции за счет стяжек между емкостью 10 или чашей 12 и концами лап 7 или путем соединений со сваями 8. В этом исполнении конструкция будет достаточно жесткой для любых колебаний почвы. Для местности с пониженной температурой в качестве жидкости может быть использована вода с подогревом или жидкость типа охлаждающей для автотранспорта. Ее потребуется мало, т.к. ее масса определяется зазором между сопрягаемыми чашей 12 и емкостью 10.

Существенно упрощается изготовление фундамента, т.к. не требуется точного выполнения выступающих концов свай 8, разность размеров которых может быть компенсирована вставками, домкратами. Кроме этого снижается объем земляных работ, которые составляют значительную стоимость. Стойка 5 из технологических сооружений может быть изготовлена из нескольких труб, которые соединены между собой сваркой для образования единого целого. Соединение должно быть осуществлено, по крайней мере, с выступающей частью трубы.

Таким образом, система состоит из жесткой связанной с грунтом стойки со всеми элементами и гибкой связи между указанной жесткой частью конструкции здания, которая посредством силы Архимеда, амплитуды колебаний компенсирует любое направление с жесткой монолитной частью блока этажей, который заключен между нижней и верхней плитами.

Изобретение позволяет решить все поставленные задачи, а именно:
противостоять сейсмическим воздействиям любой амплитуды и направления колебаний и резко сократить земляные работы при повышении жесткости связей несущей части конструкции до гибкого элемента.

Все это позволит сохранить народнохозяйственные объекты от стихийных бедствий и избежать человеческих жертв.

Сейсмостойкая конструкция здания практически способна устоять при любом землетрясении, при этом ее сооружение позволяет снизить затраты на земляные работы. Стойка размещена внутри шахты блока этажей, соединена с ним через чашу, закрепленную на стойке, и включает полую емкость, соединенную тяжами с нижней плитой блока этажей. Стойка соединена с трубой, которая заглублена в грунт и снабжена лапами, опертыми на сваи. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Сейсмостойкая конструкция здания, включающая шахту, образованную блоком этажей, который имеет верхнюю и нижнюю плиты, стойку, размещенную в шахте, закрепленную в фундаменте и соединенную с блоком этажей, отличающаяся тем, что соединение блока этажей здания со стойкой выполнено по средством закрепленной в верхней части стойки чаши и расположенной в ней полой емкости с зазором между ними, заполненным жидкостью, причем нижняя плита блока этажей соединена с полой емкостью посредством тяг, проходящих через каналы в чаше, а фундамент выполнен в виде трубы с радиально расположенными лапами, взаимодействующими с установленными под ними сваями. 2. Конструкция по п.1, отличающаяся тем, что тяги размещены в шахте между блоком этажей и стойкой. 3. Конструкция по п.1, отличающаяся тем, что тяги размещены с наружной стороны блока этажей. 4. Конструкция по пп.1 3, отличающаяся тем, что труба и размещенная в ней часть стойки заполнены бетоном по крайней мере до уровня грунта.