СЕЙСМОСТОЙКОЕ СООРУЖЕНИЕ Российский патент 1998 года по МПК E04H9/02 

Предлагаемое изобретение относится к строительству сооружений и может быть использовано для возведения зданий и промышленных объектов в зонах повышенной сейсмичности.

Известны проекты сейсмостойких зданий. Они содержат железобетонные корпуса, опорные плиты, ригели, напряженную арматуру, фундамент, шаровые опоры, фрикционные подкладки, демпферы, оболочки, соединительные элементы. Эти проекты сложны в конструировании перечисленных элементов, их изготовлении и обслуживании. При поломке хотя бы одного из элементов нарушается вся система синхронного обеспечения сейсмостойкости здания.

Основной недостаток описанных проектов (см. авторские свидетельства N 1659611, E 04 H 9/02, N 1694830, E 04 H 9/02, N 1535958, E 04 H 9/02 и др.) состоит в том, что они возводятся на фундаменте, заглубленном в грунт.

В проекте здания (см. авт. свид. N 1701875, E 04 H 9/02) вместо фундамента используется опорная плита с нижней криволинейной выпуклой поверхностью и размещенной свободно на слое подсыпки, образованной из амортизирующего материала. Опорная плита жестко соединена с жестким остовом. Высота здания равна или меньше его минимального размера в плане.

Конструкция такого здания может противостоять только одному сейсмическому удару. Оно не сможет вернуться в исходное первоначальное положение, то есть будет "плавно" повалено на бок в противоположную сторону от действующей на здание силы. Вернуться в исходное положение зданию не позволит использование слоя из амортизирующего материала. В случае повторного сейсмоудара поверженное на бок здание будет разрушено.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и достижение наибольшей эффективности в сейсмостойкости здания, надежности и его экономичности.

Указанная цель достигается тем, что пространственно жесткие верхние этажи сооружения вместо фундамента опираются лишь на плиту, с которой жестко связаны. Нижняя центральная часть поверхности плиты выполнена в виде сферы, плавно сопрягаемой с горизонтально расположенной периферийной частью и размещенной без заглубления на уплотненном слое подсыпки. Центр тяжести сооружения в статическом положении размещен на одной вертикальной оси симметрии, но ниже центра радиуса сферы опорной плиты. На сооружении закреплена система демпферов, выполненных в виде эластичных замкнутых кольцевых несообщающихся между собой емкостей, заполненных на 60...65% текучей жидкой средой. Демпферы крепятся на нижней части опорной плиты по поверхности сферы и на поверхности, плавно сопрягающей сферу с горизонтально расположенной ее периферийной частью. Применение демпферов обеспечит при воздействии сейсмических сил перемещение текучей жидкой среды в сторону действия этих сил и приведет к импульсивному росту момента сил тяжести, противодействующему опрокидыванию сооружения.

На фиг. 1 приведена схема сейсмостойкого сооружения, состоящего из пространственно жестких верхних этажей 1, опирающихся на верхнюю часть опорной плиты 2. Нижняя часть плиты 2 состоит из нескольких поверхностей. Ее центральная часть 3 - сферическая с центром радиуса сферы в точке 0 плавно сопрягается поверхностью 4 с горизонтальной поверхностью 5. К поверхностям 3, 4 крепятся демпферы 6. Центр тяжести в статическом положении сооружения 1 и опорной плиты 2 с закрепленными демпферами 6 расположен в точке C на вертикальной оси симметрии, на которой также находится центр радиуса сферы 0. Сооружение 1 посредством плиты 2 опирается без заглубления на уплотненный слой подсыпки 7.

При возникновении сейсмических колебаний и распространении их по поверхности земли происходит импульсивное вспучивание поверхности в виде гребня волны с последующей впадиной. В зоне, близкой к экстремальному вспучиванию (фиг. 2), от результирующей сейсмической силы P_c заглубленный фундамент (здания выполнены в классическом варианте) резко сместится в сторону, противоположную эпицентру землетрясения. Каркас сооружения 2 за счет результирующей силы инерции P_и наклонится к эпицентру. Силы P_c и P_и вызовут различные деформации в конструкциях сооружения вплоть до разрушения.

В предлагаемом варианте сооружение (фиг. 3) при сейсмическом воздействии отклонится от вертикальной оси на угол, затем начнет возвращаться в первоначальное положение. Согласно теореме Лагранжа-Дирихле: если потенциальная энергия консервативной системы имеет в положении равновесия минимум, то равновесие системы в этом положении является устойчивым. Когда точка C находится ниже точки 0, то при любом возмущении сооружение будет совершать гармонические колебания относительно положения равновесия.

Изобретение можно использовать при возведении промышленных объектов и гражданских сооружений в зоне повышенной сейсмичности. С применением предлагаемого изобретения можно добиться перераспределения сейсмоэнергии. Вместо разрушения элементов, узлов сооружения энергия придаст ему вначале импульс, вызывающий гармонические колебания относительно вертикальной оси симметрии. В дальнейшем за счет этой же энергии осуществляются усиленное гашение колебаний сооружения и возврат его в исходное положение. Предлагаемая конструкция позволяет быстро возводить экономичные сооружения, противостоящие мощным ударам стихии, при этом самим сохранять свою первозданную прочность. Вышесказанное достигается применением в конструкции сооружения следующих параметров: опорной плиты, на верхнюю поверхность которой жестко крепится пространственный жесткий каркас сооружения. Нижняя поверхность опорной плиты выполнена в виде сферы, плавно сопрягаемой с горизонтальной периферийной частью и размещенной без заглубления на уплотненном слое подсыпки; центр тяжести сооружения и точка радиуса сферы наружной поверхности опорной плиты располагаются на одной вертикальной оси симметрии; системы демпферов, выполненных в виде круговых замкнутых не сообщающихся между собой эластичных емкостей, закрепленных на внешней опорной плите, заполненных на 60-65% жидкой текучей средой, выполняющих одновременно роль амортизаторов и гасителей колебаний. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Сейсмостойкое сооружение, включающее пространственно-жесткие этажи, опертые на плиту, размещенную на слое подсыпки и жестко с ней связанную, отличающееся тем, что центр нижней части плиты выполнен в виде сферы, плавно сопрягаемой с горизонтально расположенной ее периферийной частью, при этом слой подсыпки утрамбован, а плита размещена на нем без заглубления. 2. Сооружение по п.1, отличающееся тем, что ее центр тяжести размещен на вертикальной оси симметрии ниже центра сферы опорной плиты. 3. Сооружение по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено системой демпферов, выполненных в виде эластичных замкнутых кольцевых несообщающихся между собой емкостей, заполненных на 60 - 65% текучей жидкой средой, размещенных на нижней сферической и плавно сопрягаемой поверхностях опоры, обеспечивающих при воздействии сейсмических сил перемещение по ним текучей среды в сторону действия этих сил.