АДАПТИВНАЯ СЕЙСМОЗАЩИТА ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ Российский патент 2003 года по МПК E04H9/02 E02D27/34 

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 силы 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, 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 плоских панелей, имеющих вырез на одной из закругленных граней и соединенных между собой посредством заведения паза одной из них в паз другой с образованием крестообразных в сечении стоек. 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.

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 в многоэтажном сейсмостойком здании, включающем верхние пространственно жесткие этажи, образованные колоннами, ригелями, перекрытиями, стеновыми панелями и первый или цокольный этаж из крестообразных стоек, обладающих свойством "Ваньки-встаньки" (то есть свойством устойчиво покачиваться вокруг своего первоначального неподвижного состояния) и образованных парой панелей с закругленными верхними и нижними гранями, имеющих паз на одной из закругленных граней и соединенных между собой посредством заведения паза одной в паз другой, согласно изобретению в элементах нижней и верхней обвязки, являющихся фундаментными подушками, и элементах верхней обвязки, являющихся частью перекрытия первого или цокольного этажа, предусмотрены борозды, причем крестообразные стойки, обладающие свойством "Ваньки-встаньки", выполнены с возможностью качения во время землетрясения по указанным бороздам, а закругленные грани выполнены с переменной кривизной так, что эта кривизна, играя роль включающихся и выключающихся связей, ограничивает развитие больших горизонтальных перемещений, действующих на здание.

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 связок, 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 панель крестообразной подвижной стойки имеет две закругленные грани, которые во время качания стоек находятся в бороздах элементов верхней и нижней обвязок. Закругленные грани плоских панелей имеют переменную кривизну, которая, начиная с середины панели, в обе стороны уменьшается. Такая "геометрия" закругленных граней плавно или мелкими скачками увеличивает жесткость крестообразных стоек как подвижной системы.

Поскольку система изначально низкочастотна, она слабо реагирует на высокочастотные возмущения землетрясения. В случае наличия в спектре возмущения низких частот, даже при незначительных сейсмических силах, в системе начинают развиваться большие перемещения. При этом в работу включаются участки закругленных граней стоек с относительно малой кривизной, что приводит к возрастанию частоты собственных колебаний здания. Таким образом, система "убегает" от низкочастотного резонанса. Высокочастотный резонанс здесь исключен.

Таким образом, переменность кривизны закругленных граней играет роль включающихся и выключающихся связей: система адаптируется к возмущениям землетрясения. При этом нет необходимости в устройстве специальных приспособлений или дополнительных элементов, играющих роль включающихся и выключающихся связей.

Меняя кривизну закругленных граней нужным образом, можно обеспечить системе необходимые свойства: ограничить развитие больших перемещений при сохранении свойства подвижных стоек, существенно снижать сейсмические силы.

Для улучшения работы контактных поверхностей устраиваются четыре или пять арматурных сеток на закругленных гранях (в бетоне) подвижных стоек и в бороздах элементов верхней и нижней обвязок.

Подвижные крестообразные стойки, соответственно и элементы верхней и нижней обвязок, выполняются в двух вариантах.

Вариант I
Если толщина d плоских панелей, из которых компонуется крестообразная подвижная стойка, значительна, например d≥40 см, то стойка в средней части "креста" и элементы обвязок не имеют расширения.

Вариант II
Если толщина панелей незначительна, например d<40 см, то стойка в средней части "креста" и элементы обвязок имеют расширение.

Каждая закругленная грань плоских панелей, из которых компонуется кинематическая опора, разбивается на отдельные участки (фиг.4).

Длина дуги каждого участка обозначается через V_i (i=1,2,3...,m); на каждом i-м участке радиус кривизны R_i - постоянная величина на i-м участке. При этом для обеспечения устойчивости системы во время землетрясения, то есть придания ей свойства "Ваньки-встаньки", должны быть соблюдены следующие соотношения:

где Н - высота панели (фиг.4).

В случае, когда число участков m→∞, кривизна меняется по дуге закругленной грани непрерывно. Практически достаточно принять m = 4 или 5.

Ниже поясняется правило построения линии искривленной грани, обладающей переменной кривизной. На фиг.4 дуга А₀C₁ (далее точка А₀ называется центральной) разбивается для простоты рассуждений на 3 участка:

Длины дуг на этих участках обозначаются соответственно через V₁, V₂, V₃.

Далее проводится (фиг. 4) дуга A₀A₁ радиусом R₁ = |O₁ A₀| с центром кривизны в точке O₁, лежащей на вертикальной оси А₀O плоской панели.

Далее продолжается прямая A₁O₁ до некоторой точки O₂ и проводится дуга радиусом R₂ = |O₂ A₁|. Прямая А₁O₂ продолжается до некоторой точки О₃ и проводится дуга радиусом
Линия О, О₁, O₂, О₃ называется эволютой кривой Аналогично строится и кривая
Принципиально важно, чтобы центры кривизны закрепленной грани лежали на так называемой эволюте, правило построения которой было изложено выше. Только в этом случае обеспечивается плавный переход от одного участка к другому, и главное, изменение кривизны приводит к увеличению жесткости системы при ее качении во время землетрясения.

Изменение горизонтальной силы (реакции) F в зависимости от перемещений "у" и числа участков "m" показано на графиках фиг. 5.

Чтобы кинематические стойки эффективно гасили сейсмические силы и при этом одновременно ограничивали большие перемещения, рекомендуется первый и второй участки, на закругленных гранях, брать с радиусом R₁ и R₂, близкими к H/2, а V₁ и V₂ относительно большими, и наоборот, начиная с третьего участка, радиусы R₃, R₄, R₅ ... назначать значительными при относительно малых V₃, V₄, V₅ ... .

При такой "геометрии" обеспечивается необходимый плавный рост реакции F - кривая "в", фиг. 5.

Все размеры и "геометрия" крестообразных стоек и элементов верхней и нижней обвязок определяются расчетным путем. При этом как материал, из которого изготовляются подвижные стойки, так и параметры, характеризующие "геометрию" и размеры предлагаемой конструкции, могут меняться в широких пределах.

В частности, как один из возможных вариантов, рекомендуются следующие параметры:
каждая половина закругленной грани плоской панели, начиная с центральной точки АО, разбивается на 5 участков:
V₁ = 15 см, V₂ = V₃ = V₄ = 5 см, - оставшийся большой участок;
Н = (280-320) см, в = 300 см, R₂=R₁+100 см,
R₃=R₂+400 см, R₄=R₃+800 см, R₅=R₄+1500 см.

При d≥40 см - панели без расширения в средней части "креста" - вариант подвижных стоек; при d<40 см - панели с расширением в средней части "креста" - вариант II подвижных стоек; r≈1,4•d - фиг. 16.

Материал: железобетон.

Как показывают вычисления, выполненные для приведенных выше параметров, период собственных колебаний (для первой формы колебаний, остальные формы несущественны), пока горизонтальные перемещения здания |y|≤27 см, равен Т≈19 с. Если происходит раскачивание системы, то в работу включаются поочередно участки V₂, V₃, V₄, V₅. При этом от участка к участку растет реакция F системы, а период собственных колебаний плавно падает с Т=19 с до Т=3,7 с; перемещения не превышают у=35 см. Система адаптируется и "убегает" от раскачивания; сейсмические силы здесь уменьшаются примерно в 5 раз, чем в зданиях с первым гибким этажом из отдельно стоящих колонн. Расчеты были сделаны для 9-балльного участка строительства.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема многоэтажного сейсмостойкого здания, продольный разрез;
на фиг.2 - план цокольного этажа;
на фиг.3 - вариант I узла А на фиг.1;
на фиг. 4 - принципиальная геометрическая схема плоской панели с закругленными, с переменной кривизной, гранями;
на фиг.5-7 - графики, изображающие зависимость реакции F подвижных стоек от перемещений "у" и числа участков "m" на закругленных гранях;
на фиг. 8-10 и 11-13 - пара плоских панелей, из которых компонуется вариант I крестообразной подвижной стойки;
на фиг.14 - сечение стойки в варианте I;
на фиг.15 - узел соединения двух плоских панелей в варианте I;
на фиг.16 - узел соединения арматурных сеток на контактных поверхностях плоских панелей в варианте I;
на фиг.17 - элемент нижней и верхней обвязок в варианте I;
на фиг.18-20 - плоская панель в варианте II подвижной стойки;
на фиг.21-23 и 24-26 - пара плоских панелей, из которых компонуются крестообразные стойки в варианте II;
на фиг.27 - сечение крестообразной стойки в варианте II;
на фиг.28 - узел соединения двуx плоских панелей в варианте II;
на фиг.29 - узел соединения арматурных сеток на контактных поверхностях плоских панелей в варианте II;
на фиг.30 - элемент нижней и верхней обвязок в варианте II.

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

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

Фиг. 3: вариант I крестообразной стойки, вид в статическом состоянии; 1 и 2 - элементы верхней и нижней обвязок; 3 - плоские панели, из которых компонуется стойка; 8 - борозды в элементах обвязок, в которых располагаются закругленные торцы стойки; Д₁ и Д₂ - выпуски арматуры, фиг. 11; Н - высота панели (крестообразной стойки); Q - вертикальная нагрузка на стойку от здания.

Фиг.4: схема расположения участков A₀A₁, A₀A₂, на закругленных гранях панели; О, O₁, O₂, O₃ - линия эволюты.

Фиг.5-7: зависимость силы (реакции) F от величины перемещений "у":
фиг.5 - в случае 2 участников;
фиг.6 - в случае 3 участников;
фиг.7 - в случае бесконечно большого числа участников.

Фиг. 8-10 и 11-3: пара плоских панелей в варианте I; 9 и 10 - ниши, в которых располагаются концы стержней арматурных сеток на контактных поверхностях панелей - фиг.16; 17 и 18-20 - ниши, в которых располагаются концы арматурных стержней 13 - фиг.15; в и Н - размеры панелей.

Фиг.14: вид сечения крестообразной стойки в варианте I.

Фиг. 15: узел сопряжения двух плоских панелей в варианте I; после заведения паза одной плоской панели 3 в паз другой концы арматурных стержней 13, расположенных в нишах 11 и 12, привариваются 14, после чего ниши заделываются 15.

Фиг. 16: в нишах 9 и 10 (фиг.8-10 и 11-13) располагаются концы стержней 16 арматурных сеток, расположенных на контактных поверхностях панелей 3; после компоновки крестообразной стойки из плоских панелей 3 концы стержней 16 соединяются с помощью сварных швов 17, затем ниши 9 и 10 заделываются бетоном или более эффективным материалом.

Фиг.17: вид сверху элемента нижней обвязки; аналогичный вид имеет элемент и верхней обвязки; Д₁ и Д₂ - выпуски арматуры, которые соединяются со смежными элементами обвязки; 8 - борозда (фиг. 3).

Фиг.18: принципиальная геометрическая схема плоской панели 3* в варианте II; в средней своей части плоская панель (на одной половине) имеет расширение. Это во время землетрясения улучшает работу подвижной стойки, когда толщина панели d незначительна, например d<40 см.

Фиг. 21-23 и 24-26: пара плоских панелей 3*, из которых компонуется подвижная стойка в варианте II; 9 и 10 - ниши, в которых располагаются концы стержней (элемент - фиг.29) арматурных сеток на контактных поверхностях панелей 3*; 11 и 12 - ниши, где находятся контуры арматурных стержней (позиция 13, фиг.28).

Фиг. 27: сечение крестообразной стойки (в варианте II) с расширением в средней части "креста".

Фиг. 28: узел сопряжения двух плоских панелей 3* в варианте II подвижной стойки; за счет наличия расширения в панелях стойка в средней части "креста" имеет круглое сечение, что улучшает работу стойки во время землетрясения; арматурные стержни 13, расположенные в нишах 11 и 12, привариваются 14, затем ниши заделываются 15.

Фиг. 29: узел сопряжения контактных поверхностей плоских панелей 3* в варианте II; концы арматурных сеток 16 (число сеток 4 или 5 в толще бетона), расположенных в нишах 9 и 10 (фиг.21-23 и 24-26), соединяются с помощью сварных швов 17, после чего ниши заделываются 18. Таким образом, из двух плоских панелей компонуется объемная крестообразная подвижная стойка, имеющая в средней части креста расширение и на закругленных гранях переменную кривизну.

Фиг.30: вид сверху элементов 1* и 2* нижней и верхней обвязок в варианте II крестообразной подвижной стойки; 8 - борозда, в которой располагаются торцы панелей 3*; Д₁ и Д₂ - концы арматурных стержней, которые соединяются со смежными элементами обвязок; радиусом r определяется расширение "креста" в местах пересечения плоских панелей 3* - фиг.28.

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

2. Авторское свидетельство СССР 12654504, Е 04 Н 9 / 02, 1991.

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

Изобретение относится области строительства и предназначено для зданий и сооружений, строящихся в сейсмически опасных районах, или для объектов, имеющих специальное назначение. Задачей изобретение является ограничение возможных больших горизонтальных перемещений здания при землетрясениях с широким спектром частот (включающим как низкие, так и высокие частоты), при сохранении способности подвижных крестообразных стоек эффективно снижать сейсмические силы, повышение коррозийной стойкости и прочности крестообразных подвижных стоек. Задача решается за счет того, что в многоэтажном сейсмостойком здании, включающем верхние пространственно жесткие этажи, образованные колоннами, ригелями, перекрытиями, стеновыми панелями, и первый или цокольный этаж из крестообразных стоек, обладающих свойством "Ваньки-встаньки" и образованных парой панелей с закругленными верхними и нижними гранями, имеющих паз на одной из закругленных граней и соединенных между собой посредством заведения паза одной в паз другой, в элементах нижней и верхней обвязки, являющихся фундаментными подушками, и элементах верхней обвязки, являющихся частью перекрытия первого или цокольного этажа, предусмотрены борозды. Крестообразные стойки, обладающие свойством "Ваньки-встаньки", выполнены с возможностью качения во время землетрясения по указанным бороздам, а закругленные грани выполнены с переменной кривизной так, что эта кривизна, играя роль включающихся и выключающихся связей, ограничивает развитие больших горизонтальных перемещений, действующих на здание. 30 ил.

Многоэтажное сейсмостойкое здание, включающее верхние пространственно жесткие этажи, образованные колоннами, ригелями, перекрытиями, стеновыми панелями, и первый или цокольный этаж из крестообразных стоек, обладающих свойством "Ваньки-встаньки" и образованных парой панелей с закругленными верхними и нижними гранями, имеющих паз на одной из закругленных граней и соединенных между собой посредством заведения паза одной в паз другой, отличающееся тем, что в элементах нижней и верхней обвязки, являющихся фундаментными подушками, и элементах верхней обвязки, являющихся частью перекрытия первого или цокольного этажа, предусмотрены борозды, причем крестообразные стойки, обладающие свойством "Ваньки-встаньки", выполнены с возможностью качения во время землетрясения по указанным бороздам, а закругленные грани выполнены с переменной кривизной так, что эта кривизна, играя роль включающихся и выключающихся связей, ограничивает развитие больших горизонтальных перемещений, действующих на здание.