СЕЙСМОСТОЙКОЕ ЗДАНИЕ ПОДВЕСНОГО ТИПА Российский патент 2002 года по МПК E04H9/02 

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при сооружении сейсмостойких зданий.

Известны многоэтажные сейсмостойкие здания с несущими ядрами жесткости, к которым неподвижно присоединены перекрытия этажей здания [1]. Такое крепление перекрытий приводит к непосредственной передаче сейсмических воздействий от ядра жесткости этажам здания без ослабления. Это существенно повышает требования к динамической прочности здания в целом, что дополнительно усложняет его конструкцию и повышает стоимость строительства.

Уменьшение передачи сейсмических воздействий этажам здания достигнуто в подвесном здании, являющемся наиболее близким техническим решением (прототипом).

Указанное здание [2] содержит жесткие опорные стволы, неподвижно соединенные с фундаментом здания, двухконсольные фермы и подвесную часть здания (подвески и подвесные перекрытия). В местах опирания каждой двухконсольной фермы на ствол размещены устройства упругой связи (амортизаторы). К фермам и стволам с помощью устройств упругой связи прикреплена подвесная часть здания. Устройства упругой связи (амортизаторы) содержат упругие элементы (рессоры, пружины) и демпфирующие элементы из резины и других материалов, хорошо рассеивающих энергию сейсмовоздействий.

Существенными недостатками прототипа является то, что в устройствах упругой связи используются рессоры и спиральные пружины. Это приводит к очень большим статическим перемещениям ферм и подвесной части здания. Кроме того, спиральные пружины обладают малым демпфированием [6, стр.28] и поэтому необходимо использовать специальные демпфирующие элементы для эффективного рассеяния энергии сейсмовоздействий в области резонансных частот.

Для обеспечения эффективной сейсмозащиты подвесной части здания необходимо, чтобы его собственные частоты здания лежали вне основного частотного диапазона сейсмовоздействий. Кроме того, устройства упругой связи должны обладать хорошими демпфирующими свойствами для эффективного рассеяния энергии сейсмовоздействий.

Наиболее характерные периоды колебания почвы при замлетрясениях лежат в диапазоне Т= 0,1-1,5 с [3, стр.6]. Эти периоды соответствуют основному диапазону частот сейсмовоздействий p=Т^-1=0,67-10 Гц.

Ослабление сейсмовоздействий происходит на тех частотах, на которых динамический коэффициент передачи (μ) сейсмовоздействий фермам и подвесной части здания через устройства упругой связи меньше единицы. В первом приближении без учета демпфирования этот коэффициент можно найти по формуле

где k -частота собственных колебаний здания [3, стр.28 ].

Из этой формулы следует, что ослабление динамических воздействий (μ<1) будет наблюдаться при Для того чтобы устройства упругой связи эффективно ослабляли сейсмовоздействия на всех частотах p=0,67-10 Гц, необходимо, чтобы низшая собственная частота колебаний здания, установленного на указанных устройствах упругой связи, была меньше 0,707p≈0,48 Гц. Для обеспечения такой низкой собственной частоты вертикальная статическая осадка двухконсольных ферм относительно опорных стволов на устройствах упругой связи должна составлять
y_ст = g(4π²k²)^-1 = 1,1(м),
где g - ускорение свободного падения (g=9,81 м/c²) [4, стр.103, формула 7,2, при этом принято θ = 2πk].

Аналогично статическое смещение подвесной части здания на устройствах упругой связи должно составлять также не менее 1,1м.

Указанные вертикальные статические смещения существенно усложняют конструкцию устройств упругой связи и здания в целом.

Таким образом, возникает техническая задача создания устройств упругой связи, обеспечивающих низкую собственную частоту подвесной части здания и малое вертикальное статическое смещение. При этом устройство упругой связи должно обладать хорошими демпфирующими свойствами для эффективного рассеяния энергии сейсмовоздействий.

Поставленная задача решается за счет создания устройства упругой связи с режимом квазинулевой жесткости. Это устройство содержит параллельно включенные упругие элементы и корректоры жесткости. Подбором параметров упругих элементов и корректоров жесткости обеспечиваются малые статические перемещения здания и режим квазинулевой жесткости, в котором упруго подвешенная часть здания будет иметь близкие к нулевым собственные (резонансные) частоты [5, стр.93, рис. 4а,б] при колебаниях в вертикальном направлении.

В горизонтальных направлениях низкая собственная частота обеспечивается подбором жесткости упругих элементов, установленных между боковой поверхностью опорных стволов и перекрытиями подвесной части здания. Эти упругие элементы не воспринимают статической нагрузки в горизонтальных направлениях и их жесткость в горизонтальном направлении может быть обеспечена малой.

В предлагаемом изобретении устройства упругой связи, реализующие режим квазинулевой жесткости, выполнены с использованием упругих тросовых элементов и тросовых корректоров жесткости. Использование тросовых (канатных) элементов в устройствах упругой связи позволяет обеспечить существенное и стабильное демпфирование колебаний [6, стр.30]. Корректоры жесткости расположены между верхней торцевой поверхностью ствола и нижней поверхностью фермы, а также между перекрытием нижнего этажа подвесной части здания и его фундаментом.

Горизонтальная сейсмоизоляция подвесных частей здания осуществляется за счет изогнутых полукольцом отрезков тросов, прикрепленных к опорному стволу и перекрытиям подвесной части здания. Для обеспечения одинаковой жесткости упругого подвеса во всех горизонтальных направлениях отрезки тросов расположены равномерно в радиальных направлениях относительно вертикальной оси опорного ствола.

Части здания подвешены к двухконсольным фермам с помощью устройств упругой связи, содержащих упругие элементы, выполненные из тросов в виде винтовой пружины.

Каждый виток тросовой винтовой пружины прикреплен в диаметрально противоположных местах к фермам и перекрытиям верхнего этажа подвесной части здания, содержащих сквозные отверстия, через которые пропущены с возможностью продольного перемещения витки винтовой тросовой пружины. Такое присоединение витков пружины к фермам и перекрытиям верхнего этажа позволяет обеспечить более равномерное нагружение витков пружины. Кроме того, дополнительное трение витков пружины о боковые поверхности отверстий в фермах и перекрытиях верхнего этажа, возникающее при относительных колебаниях подвесной части здания и фермы, увеличивает рассеяние энергии сейсмовоздействий.

Корректор жесткости выполнен из двух одинаковых по длине и диаметру тросов, соединенных между собой в середине и присоединенных к фундаменту через устройство регулировки в вертикальном направлении. Концы тросов разведены и неподвижно присоединены через устройства осевого поджатия к подвесной части здания. Осевое поджатие соединенных тросов приводит к возникновению вертикальной неустойчивости и возможности "прощелкивания" средней точки соединенных тросов в вертикальном направлении. С помощью регулировочного устройства средняя точка соединенных тросов возвращается в нейтральное неустойчивое положение, которое удерживается за счет крепления средней точки к фундаменту. Это положение соответствует середине зоны квазинулевой жесткости устройств упругой связи в целом.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемое сейсмостойкое здание подвесного типа обладает следующими существенными новыми признаками:
1) в местах опирания каждой фермы на ствол параллельно упругим элементам установлены корректоры жесткости;
2) между перекрытиями нижнего этажа подвесной части здания и фундаментом также установлены корректоры жесткости;
3) упругие элементы, установленные между опорными стволами и подвесной частью здания, выполнены из изогнутых в виде полукольца отрезков тросов, неподвижно прикрепленных к боковой поверхности опорного ствола и перекрытиям подвесной части здания;
4) отрезки тросов расположены равномерно в радиальных направлениях относительно вертикальной оси опорного ствола.

5) упругие элементы, установленные между двухконсольными фермами и подвесной частью здания, выполнены в виде тросовых винтовых пружин, каждый виток которых присоединен в диаметрально противоположных местах к фермам и перекрытиям верхнего этажа подвесной части здания.

6) тросовые винтовые пружины прикреплены с возможностью продольного относительного перемещения их витков с трением в местах присоединения к фермам и перекрытиям верхнего этажа подвесной части здания.

Заявителем просмотрена техническая литература по М. Кл Е 04 9/02, УДК 699 841 (088.8).

Анализ известных технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них существенных признаков, сходных с существенными признаками заявляемого сейсмостойкого здания подвесного типа.

Предложенная совокупность отличительных, существенных признаков представляет новое решение поставленной задачи и соответствует изобретательскому уровню.

На фиг.1. изображена схема здания; на фиг.2 - крепление подвесной части здания к опорным стволам, вид сбоку; фиг.3 - крепление подвесной части здания к опорным стволам, вид сверху (сечение А-А); на фиг.4 - корректор жесткости; на фиг.5 - корректор жесткости, вид сверху сечение (Г- Г).

Сейсмостойкое здание подвесного типа состоит из опорных стволов 1, двухконсольной фермы 2, подвесной части здания 3, включающей перекрытия 4, и фундамента 5. Между верхней торцевой поверхностью опорного ствола 1 и нижней поверхностью фермы 2 расположены устройства упругой связи, состоящие из параллельно включенных упругих элементов 6 и корректоров жесткости 7.

Упругие элементы 6 выполнены из криволинейных отрезков троса, противоположные концы которых закреплены перпендикулярно опорным площадкам, например, как это указано [6, стр.39 рис. 2.2. (в) или на рис. 2.2. (г)].

Подвесная часть здания 3 прикреплена к ферме 2 с помощью упругих элементов 8, а к фундаменту - с помощью корректоров жесткости 7.

Упругие элементы 8 выполнены из троса в виде тросовой винтовой пружины [6, стр.39, рис.2.2. (б)]. Каждый виток такой пружины присоединен в диаметрально противоположных местах к ферме и перекрытию верхнего этажа подвесной части здания с возможностью относительного перемещения тросов.

Корректор жесткости выполнен из двух одинаковых по длине и диаметру тросов 9, середины которых соединены вместе и через регулировочное устройство 10 прикреплены к фундаменту 5 с возможностью регулировочного перемещения в вертикальном направлении. Концы тросов разведены и неподвижно присоединены через устройства осевого поджатия 11 к перекрытию подвесной части здания 4. Устройством осевого поджатия осуществляется регулировка корректирующего усилия, чем больше осевое поджатие тросов корректора жесткости, тем больше корректирующее усилие.

Упругие элементы 12, установленные между перекрытиями 4 подвесной части здания и опорным стволом, выполнены из отрезков троса. Отрезки троса предварительно изогнуты полукольцом и закреплены одним концом к поверхности опорного ствола 1, другим - к перекрытиям подвесной части здания 4. Упругие элементы 12 расположены равномерно в радиальных направлениях относительно вертикальной оси опорного ствола 1.

После окончания монтажа здания устройства упругой связи необходимо настроить. Для этого во всех корректорах жесткости с помощью регулировочного устройства 10 средняя точка отрезков тросов выводится в одну горизонтальную плоскость с концами этих отрезков и закрепляется. На фиг.4 показан корректор жесткости при настроенных устройствах упругой связи.

Диаметр отрезков тросов в упругих элементах и корректорах жесткости, а также количество упругих элементов зависит от массы здания.

Сейсмостойкое здание подвесного типа работает следующим образом. При вертикальных смещениях грунта опорные стволы 1 смещаются в вертикальной плоскости. Передача смещений от опорных стволов фермам 2, а от ферм подвесной части здания 3 ослабляется устройствами упругой связи, работающими в режиме квазинулевой жесткости. При вертикальных смещениях упругие элементы 6, 8 начинают упруго деформироваться, а тросы корректоров жесткости 7, выходя из неустойчивого положения равновесия, в котором они находились в статическом состоянии, уменьшают жесткость устройств упругой связи, тем самым обеспечивая сейсмозащиту здания на низких частотах в вертикальном направлении.

Горизонтальные составляющие при сейсмовоздействии вызывают горизонтальные смещения опорных стволов 1. Передача смещений подвесным частям здания осуществляется через упругие элементы 12. Малая жесткость и повышенное демпфирование упругих тросовых элементов, возникающие при трении тросов в местах крепления упругих элементов, ослабляют передачу усилий от опорных стволов подвесной части здания.

На резонансных частотах ограничение колебаний здания обеспечивается повышенным демпфированием упругих тросовых элементов. Кроме того, устройства упругой связи, работающие в режиме квазинулевой жесткости, имеет очень низкие собственные частоты колебаний, не попадающие в зоны частот сейсмовоздействии, имеющих значительные ускорения.

Источники информации
1. А.С. 802481, М. Кл. Е 04 Н 9/02, Кочейшвили Н.Н., Марджанишвили М.А., Кизирия Г.В. Многоэтажное сейсмостойкое здание.

2. А.С. 477227, М. Кл. Е 04 Н 9/02, Корчинский И. Л. Грилль А. А. и др. Подвесное здание.

3. Назин В.В. Новые сейсмостойкие конструкции и железобетонные механизмы сейсмоизоляции зданий и сооружений. -М.: Стройиздат, 1993.

4. Динамический расчет зданий и сооружений/ Барштейн М.Ф., Ильичев В.А, и др. -М.: Стройиздат, 1984.

5. Никифоров И.С., Андреев Ю.Д., Самуйло Ю.В. Опыт разработки технических средств виброизоляции с использованием отрицательной жесткости/ В сб. Методология и социология техники. - Новосибирск, 1990. 6. Горбунов В.Ф., Резников И.Г. Канатные виброизоляторы. - Новосибирск, Наука, 1988.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при строительстве зданий и сооружений в сейсмоопасных районах. Сейсмостойкое здание подвесного типа состоит из опорных стволов, двухконсольных ферм, подвесной части здания, прикрепленной к фермам с помощью устройств упругой связи, включающих в себя упругие элементы и корректоры жесткости. Упругие элементы совместно с корректорами жесткости реализует режим квазинулевой жесткости, что позволяет обеспечить очень низкую собственную частоту вертикальных колебаний подвесной части здания. В горизонтальной плоскости сейсмоизоляция обеспечивается применением отрезков троса, изогнутых полукольцом и прикрепленных к опорному стволу и перекрытиям подвесной части здания. Использование в устройствах упругой связи тросовых элементов позволяет уменьшить колебания подвесной части здания в области резонансных частот за счет повышенного демпфирования в тросах. 1 с. и 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Сейсмостойкое здание подвесного типа, содержащее опорные стволы, неподвижно соединенные с фундаментом, двухконсольные фермы, прикрепленные к стволам с помощью устройств упругой связи, содержащих упругие элементы, включающую перекрытия подвесную часть здания, присоединенную устройствами упругой связи к опорным стволам и двухконсольным фермам, отличающееся тем, что в местах опирания каждой фермы на ствол, а также между перекрытиями нижнего этажа подвесной части здания и фундаментом параллельно упругим элементам установлены корректоры жесткости, упругие элементы, установленные между опорными стволами и подвесной частью здания, выполнены из изогнутых в виде полукольца отрезков тросов, неподвижно прикрепленных к боковой поверхности ствола и перекрытиям подвесной части здания, и расположенных равномерно в радиальных направлениях относительно вертикальной оси опорного ствола, упругие элементы, установленные между двухконсольными фермами и подвесной частью здания, выполнены в виде тросовых винтовых пружин, каждый виток которых прикреплен в диаметрально противоположных местах к ферме и перекрытиям верхнего этажа подвесной части здания. 2. Сейсмостойкое здание подвесного типа по п. 1, отличающееся тем, что каждая тросовая винтовая пружина прикреплена с возможностью продольного относительного перемещения ее витков с трением в местах их присоединения к ферме и перекрытиям верхнего этажа подвесной части здания.