МНОГОЭТАЖНОЕ СЕЙСМОСТОЙКОЕ ЗДАНИЕ Российский патент 2003 года по МПК E04H9/02 E02D27/34 

Раздел: область применения и сравнительный анализ наиболее близких конструктивных решений.

Изобретение относится к строительству и предназначено для зданий, строящихся в сейсмически опасных районах, или для сооружений, имеющих специальное назначение.

Известно сейсмостойкое здание, включающее пространственно жесткий каркас, столбчатые фундаменты, в стаканах которых расположены подвижные связи, находящиеся в упругой среде [1]. Через подвижные связи проходят предварительно напряженные стержни.

Недостатком этого здания является то, что при сейсмических воздействиях подвижные связи, находясь в упругой среде, в теле фундамента, ограничивают горизонтальные перемещения и незначительно уменьшают сейсмические воздействия на здания, тем самым ограничивают область применения такого решения.

Известно многоэтажное сейсмостойкое здание, включающее пространственно жесткие верхние этажи, опертые на гибкие в горизонтальном направлении стойки нижнего этажа, которые имеют сферическую форму центральной части торцов и соединены с перекрытием и с фундаментом [2].

Недостатком этого технического решения является то, что после разрушения включающихся связей во время землетрясения необходимо немедленное их восстановление, что не всегда практически осуществимо. Изготовление стоек с сферическими торцами и высокопрочными поверхностями требует высокой точности, присущей скорее машиностроительному производству, чем строительной индустрии, что ограничивает массовость применения этой конструкции.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является многоэтажное здание [3], включающее верхние пространственно жесткие этажи, образованные колоннами, ригелями, перекрытиями, покрытием, стеновыми панелями, и первый или цокольный этаж, выполненный гибким. На первом или цокольном этаже здания расположены подвижные связи, представляющие собой стойки с закругленными верхним и нижним торцами, шарнирно соединенными с перекрытиями цокольного или первого этажа. Каждая стойка образована парой панелей, имеющих вырез на одной из горизонтальных граней и соединенных между собой посредством заведения паза одной из них в паз другой с образованием крестообразного сечения стойки. Это решение отличается технологичностью изготовления, транспортировки и монтажа, эффективностью при высокочастотных землетрясениях.

Недостатком этого технического решения является то, что при низкочастотных землетрясениях и землетрясениях с широким спектром частот здание может получить чрезмерно большие, недопустимые по условиям эксплуатации горизонтальные перемещения; гибкая арматура, фиксирующая крестообразную стойку с верхней и нижней обвязками, подвержена коррозии, что снижает коррозийную стойкость конструкции, работающей большей частью во влажных условиях.

Раздел: цель изобретения и способы ее достижения.

Цель предлагаемого изобретения - ограничение возможных больших горизонтальных перемещений здания при землетрясениях с широким спектром частот (включающем как низкие, так и высокие частоты), при сохранении способности подвижных крестообразных стоек эффективно снижать сейсмические силы; повышение коррозийной стойкости крестообразных подвижных стоек.

Поставленная цель достигается тем, что крестообразные стойки, обладающие свойствами "Ваньки-встаньки", во время землетрясения катятся по бороздам, предусмотренным в элементах верхней и нижней обвязок, что позволяет обходиться без фиксирующей гибкой арматуры.

После заведения паза одной плоской панели в паз другой панели соединяются путем сварки концов арматурных стержней; концы арматуры выступают в специальных нишах; после сварки стержней, соединяющих плоские панели, ниши заделываются бетоном мелкой фракции или более эффективным материалом. Таким образом, как элементы верхней и нижней обвязок, так и крестообразные железобетонные стойки (могут быть использованы и другие материалы) не имеют открытых металлических частей в виде фиксирующей гибкой арматуры или закладных деталей. Если же используется металл, то его необходимо защитить от коррозии. Каждая плоская железобетонная панель крестообразной подвижной стойки имеет мягкие включающиеся связи, которые при развитии чрезмерно больших горизонтальных перемещений здания плавно вступают в работу и ограничивают тем самым амплитуду колебаний.

Мягкие включающиеся связи, в зависимости от конкретных условий, выполняются в 3 вариантах.

I вариант
В углах нижних закругленных граней крестообразной стойки имеются "каблуки" (выступы), которые при качении подвижной стойки во время землетрясения ложатся на песчаные подушки, расположенные в отверстиях элементов нижней обвязки и в основании здания.

II вариант
В верхних и нижних углах закругленных граней крестообразной стойки имеются "каблуки" (выступы), которые при качении подвижной стойки во время землетрясения ложатся на резиновые подушки, расположенные в гнездах элементов верхней и нижней обвязок.

III вариант
В верхних и нижних углах закругленных граней крестообразной стойки имеются "столики" (горизонтальные площадки), которые при качении подвижной стойки во время землетрясения ложатся на выступающие резиновые подушки, расположенные в гнездах элементов верхней и нижней обвязок.

Вместо песчаных или резиновых подушек могут быть использованы пружины, рессоры и другие упругие и упругоподатливые приспособления. Меняя зазоры между песчаным и резиновым подушками и "каблуками" или "столиками" крестообразной подвижной стойки, можно регулировать величину наибольших свободных перемещений крестообразной стойки. При этом, назначив необходимую величину зазора, можно сохранить способность подвижной стойки эффективно снижать сейсмические силы.

Изначально низкочастотная система, которая эффективно снижает сейсмические силы при высокочастотных землетрясениях, допускает достаточно большие относительно "свободные" колебания за счет наличия зазора. Величина зазора определяется по расчету. Если землетрясение обладает низкими частотами или оно имеет широкий спектр частот, в системе могут развиваться большие горизонтальные перемещения. При этом включается в работу мягкая связь (песчаные или резиновые подушки), после чего система "убегает" от резонансного или близкого к нему состояния.

Наличие борозд позволяет обходиться без фиксирующей арматуры, а применение вместо традиционных закладных деталей ниш и выпусков арматуры с последующей их сваркой и заделкой повышает коррозийную стойкость и прочность конструкции.

Как показывают проведенные нами испытания крестообразных подвижных стоек, обычные закладные детали, применяемые в железобетонных конструкциях, плохо работают: вокруг закладных деталей развиваются трещины. Поэтому плоские панели сплачиваются путем сваривания выпусков, которые выходят в специальные ниши. После сварки все ниши заделываются бетоном мелкой фракции или другими эффективными материалами.

Для улучшения работы контактных поверхностей устраиваются четыре или пять арматурных сеток на закругленных гранях (в бетоне) подвижных стоек. С этой целью предусматриваются в плоских элементах стоек специальные ниши. После сварки ниши заделываются бетоном мелкой фракции или более эффективным материалом.

Такое конструктивное решение повышает коррозийную стойкость и прочность крестообразных подвижных стоек как пространственных элементов, работающих на сжатие и сдвиг.

При R<H/2 система крестообразных стоек неустойчива;
При R=H/2 система безразлична (стойка превращается в колесо и возвратный момент М равен нулю);
При H/2<R<φ система устойчива при качении, М>0, система обладает свойством "Ваньки-встаньки";
При R = φ система устойчива, но стойки не обладают свойством "Ваньки-встаньки" (торцы крестообразных стоек превращаются в горизонтальные площадки).

Расчеты, проведенные нами, свидетельствуют о том, что горизонтальные перемещения здания при землетрясении на 90% обеспечиваются за счет качения крестообразных стоек, расположенных в уровне цокольного этажа, остальные 10% за счет деформаций верхних этажей. Это позволяет рассматривать многоэтажное здание на кинематических опорах как систему с одной степенью свободы, то есть как одну массовую систему.

При этом частота собственных горизонтальных колебаний здания (до включения в работу песчаных подушек), как одной массовой системы равна

где g ускорение свободного падения, R,H - геометрические размеры крестообразных стоек.

Все размеры определяются по расчету. Основные размеры опор, а также материалы могут меняться в широких пределах. Как один из возможных вариантов, размеры рекомендуются назначать следующими:
Н=300 см, R=165 см, b=300см;
=40 см, d=(40-50)см, u=10 см;
материал железобетон.

При этом частота собственных колебаний системы Z ≅ 56 c^-1, соответствующий период Т=11 с: система изначально низкочастотна.

Период колебаний реальных землетрясений находится в пределах T ≅ 0,1-2,0 с, то есть предлагаемая система далека от состояния, близкого к резонансу.

Изобретение иллюстрируется чертежами:
на фиг. 1 изображена конструктивная схема многоэтажного сейсмостойкого здания, продольный разрез;
на фиг.2 - план цокольного этажа;
на фиг.3, 4, 5 - 1-ый вариант узла А на фиг.1;
на фиг.6,7,8 - 2-ой вариант узла А на фиг.1;
на фиг.9, 10,11 - 3-ий вариант узла А на фиг.1;
на фиг.12 - крестообразные стойки в работе;
на фиг.13, 14 - разрез 6-6 на фиг.3, 6, 9;
на фиг.15 вертикальный разрез верха крестообразной стойки;
на фиг.16, 17 - фрагменты нижней и верхней обвязок.

Фиг.1 - разрез пятиэтажного здания с цокольным этажом, где располагаются крестообразные подвижные стойки из плоских панелей 3 и 11; элементы 1 и 2 служат соответственно верхней и нижней обвязками; узел А дается на фигурах 3, 6, 9; сечение I-I дано на фиг.2.

Фиг.2 - схема расположения в плане крестообразных стоек из плоских панелей 3 и 11; плита 2, которая служит фундаментом, состоит из элементов нижней обвязки фиг.16; 4 и 5 элементы контурной подпорной системы цокольного этажа.

Фиг.3 - 1-ый вариант крестообразной стойки, вид в статическом состоянии; элементы 1 и 2 составляют верхнюю и нижнюю обвязки; 6 песчаные подушки, расположенные в отверстиях 10; "каблуки" 16 не доходят до песчаной подушки 6 из-за наличия зазора "u"; 8 и 9 борозды на элементах обвязки, которые служат направляющими для панелей 3 и 11 при качении крестообразной стойки; расположение центров радиусов R по указанной на фиг.3 схеме обеспечивает устойчивость колебаниям здания в процессе землетрясения.

Фиг. 4 и 5 - пара одинаковых плоских панелей, из которых составляется пространственная крестообразная стойка фиг.3. Здесь: Н высота панели; 13, 14, 15 ниши, где располагаются выпуски арматуры 17 (фиг.14 и 15).

Фиг.6 - крестообразная стойка в статическом состоянии, вариант II, когда вместо песчаных используются резиновые подушки 22, которые располагаются в гнездах элементов обвязок 1 и 2; позицией 7 показано основание.

Фиг.7 и 8 - пара плоских панелей, из которых образуется пространственная крестообразная стойка варианта II фиг.6.

Фиг. 9 - крестообразная стойка в статическом положении вариант III, которая отличается от варианта II тем, что здесь вместо "каблуков" 13 фиг.7 и 8 используются "столики" 39 фиг.10 и 11, а резиновые подушки 21 имеют выступы относительно борозды, оставляя зазор "u"; элементы 1 и 2 составляют верхнюю и нижнюю обвязки; 7 основание.

Фиг. 10 и 11 - пара плоских панелей, из которых образуется пространственная крестообразная стойка фиг.9 вариант III.

фиг.12 - крестообразная стойка (вариант I фиг.3) в процессе движения при землетрясении, когда зазор "u" уже преодолен и правый "каблук" 16 ложится на песчаную подушку 6; при этом возникает возвратный момент "М", который усиливается из-за наличия песчаной подушки реакция "Р"; паре сил F сейсмического воздействия оказывает противодействие внутренняя пара сил Q, + P.

Фиг. 13 - поперечное сечение 6 фиг.3; паз одной панели 3 заводится в паз другой 11, образуя в сечение крест.

Фиг. 14 - сопряжение двух плоских панелей 13 и 11; в нишах 12 и 13 арматура имеет выпуски 17, которые привариваются с помощью сварных швов 18; после чего ниши 12 и 13 заделываются бетоном 19.

Фиг. 15 - здесь показаны арматурные сетки 20, которые имеют свои выпуски в нишах 14 и 15; после компоновки стоек выпуски привариваются 18, а ниши заделываются бетоном 19; арматурные сетки повышают прочность "на смятие" контактных поверхностей панелей 3 и 11.

Фиг.16 - крестообразный элемент 2 обвязки; элементы 10 резиновые подушки во II и III-ем вариантах крестообразной стойки, и отверстия в I-ом варианте; 9 борозды, которые служат направляющими для движения крестообразной стойки во время землетрясения. B₀ арматурные выпуски для соединения со смежными элементами: после сварки выпусков стык замоноличивается, таким образом обеспечивается сборно-монолитный монтаж перекрытия и фундаментной плиты.

Фиг.17 - крестообразный элемент верхней обвязки, соответствующий первому варианту стойки; 8 борозды; B₁, В выпуски арматуры.

Источники информации
1. Патент Японии 51-29324, Е 04 В 1/36.

2. Авторское свидетельство СССР 1654504, Е 04 Н 9/02, 1991.

3. Патент России (Роспатент) 2025563. Зарегистрировано в Гос. реестре изобретений 30 декабря 1994.

Изобретение относится к области строительства, в частности к возведению сейсмостойких зданий. Задачей изобретения является ограничение возможных больших горизонтальных перемещений здания при землетрясениях с широким спектром частот при сохранении способности подвижных крестообразных стоек эффективно снижать сейсмические силы, а также повышение коррозионной стойкости крестообразных подвижных стоек. Задача решается за счет того, что в многоэтажном сейсмостойком здании, включающем верхние пространственно жесткие этажи, образованные колоннами, ригелями, перекрытиями, покрытием, стеновыми панелями, и первый или гибкий цокольный этаж из крестообразных стоек, образованных парой панелей, имеющих вырез на одной из закругленных граней и соединенных между собой посредством заведения паза одной в паз другой, в элементах нижней обвязки, являющихся фундаментными блоками, выполнены борозды и отверстия с песчаными, или резиновыми, или другими упругоподатливыми подушками, крестообразные стойки, обладающие свойством "Ваньки-встаньки", выполнены с возможностью качения во время землетрясения по бороздам в элементах верхней, в уровне перекрытия цокольного этажа и нижней обвязок и имеют на углах закругленных граней "каблуки" или "столики", выполненные с определенным зазором относительно песчаных, или резиновых, или других упругоподатливых подушек и с возможностью ложиться во время землетрясения на эти подушки, образуя мягкие включающиеся связи. 17 ил.

Многоэтажное сейсмостойкое здание, включающее верхние пространственно жесткие этажи, образованные колоннами, ригелями, перекрытиями, покрытием, стеновыми панелями, и гибкий первый или цокольный этаж из крестообразных стоек, образованных парой панелей, имеющих вырез на одной из закругленных граней и соединенных между собой посредством заведения паза одной в паз другой, отличающееся тем, что в элементах нижней обвязки, являющихся фундаментными блоками, выполнены борозды и отверстия с песчаными, или резиновыми, или другими упругоподатливыми подушками, крестообразные стойки, обладающие свойством "Ваньки-встаньки", выполнены с возможностью качения во время землетрясения по бороздам в элементах верхней, в уровне перекрытия цокольного этажа и нижней обвязок и имеют на углах закругленных граней "каблуки" или "столики", выполненные с определенным зазором относительно песчаных или резиновых или других упругоподатливых подушек и с возможностью ложиться во время землетрясения на эти подушки, образуя тем самым мягкие включающиеся связи.