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

Изобретение относится к строительству и может найти широкое применение при строительстве высотных зданий и сооружений в сейсмических и взрывоопасных районах, а также в районах, подверженных действию сильных ветров.

Известны многоэтажные сейсмостойкие здания, имеющие установленные друг на друга двутаврообразные элементы, каждый из которых включает плиту перекрытия и наружные стены, и устройства сейсмозащиты в виде шарообразных катков в обоймах. Шарообразные катки в обоймах распределены по всей высоте здания, и обоймы выполнены в верхних и нижних гранях стеновых панелей в виде полусфер с радиусами кривизны, один из которых составляет 1,2-1,3 радиуса катка, а другой, в опорной части, равен радиусу катка [1] (аналог).

Однако известные здания имеют низкую сейсмическую и, особенно, низкую ветровую устойчивость.

Известны многоэтажные сейсмостойкие здания типа башни, включающие фундамент, несущий полый ствол, этажные конструкции и подвески, прикрепленные к стволу и заанкеренные в фундаменте. В нижней части полого ствола образована опорная конструкция, выполненная в виде связево-ростверковой структуры и закрепленная на подвесках, на которую оперты этажные конструкции. Опорная конструкция соединена с фундаментом посредством выключающихся связей, расположенных по периметру здания [2] (аналог).

Однако данные здания малоустойчивы к сейсмической и ветровой воздействиям.

Известно также многоэтажное сейсмостойкое здание, включающее фундамент, пространственно жесткие верхние этажи, перекрытие и гибкие стойки нижнего этажа, между которыми размещены выключающиеся связи в виде арочных элементов, шарнирно соединенных с фундаментом и в замке с перекрытием, причем в узлах соединения между поверхностями сопряжения стыкуемых элементов помещена упругая прокладка [3] (прототип).

Однако известное многоэтажное сейсмостойкое здание имеет следующие недостатки:
а) малая устойчивость сооружения при действии горизонтальных нагрузок, особенно, от ветра;
б) техническое решение не допускает необходимых угловых (изгибных) перемещений вертикальной оси здания при действии сейсмических и ветровых нагрузок;
в) арочные элементы не воспринимают растягивающих усилий при воздействии опрокидывающих сил;
г) конструкция арочных элементов и в целом вся опорная система не обеспечивают достаточно эффективной сейсмозащиты, так как не позволяет эффективно гасить вертикальные и горизонтальные сейсмические колебания;
д) опорная система не гарантирует защиту здания от возникновения автоколебательных и резонансных явлений.

Целью (задачами) данного изобретения являются повышение сейсмостойкости и ветровой устойчивости здания за счет увеличения гибкости опорной системы и эффективности гашения вертикальных и горизонтальных нагрузок.

Указанные задачи достигаются тем, что в многоэтажном сейсмостойком здании, включающем фундамент, пространственно-жесткие верхние этажи, гибкие стойки нижнего этажа и центральную опору, гибкие стойки выполнены в виде энергопоглотителей из эластично-упругих пластинчатых элементов дугообразной формы, опирающихся одним концом о базовый опорный пояс фундамента здания, а другим концом закрепленных к опорному поясу нижнего перекрытия здания, причем дуги пластинчатых элементов выгнуты, в основном, наружу. Упомянутый базовый опорный пояс фундамента здания и опорной пояс нижнего перекрытия здания дополнительно связаны демпфирующими устройствами, а центральная опора имеет сферические контактные поверхности, сопряженные со сферическими контактными поверхностями опорных поясов. Пластинчатые элементы могут быть изготовлены и переменного сечения. Центральные опоры могут быть выполнены в виде сплошной или полой сферы, эллипсоида вращения, вертикально расположенного цилиндра или усеченного конуса со сферической контактной поверхностью на верхнем и нижнем основаниях, а также в виде горизонтально лежащего чечевицеобразного тела. Эластично-упругие пластинчатые элементы и демпфирующие устройства расположены осесимметрично относительно вертикальной оси центральной опоры, в простейшем случае они равнорасположены по окружности. Фундамент может быть выполнен, в частности, в виде центральной сваи, заглубленной в грунт, который в верхней части имеет жестко закрепленную горизонтальную плиту. Указанная плита в одном из вариантов исполнения заанкерована к дополнительным подземным блокам, расположенным по периферии фундамента.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема здания со сферической центральной опорой; на фиг. 2 - то же, с центральной опорой в виде эллипсоида вращения; на фиг. 3 - горизонтальный разрез А-А по фиг.1 с четырьмя эластично-упругими пластинчатыми элементами; на фиг.4 - то же, с минимальным числом (с тремя) эластично-упругих пластинчатых элементов; на фиг.3 приведен горизонтальный разрез Б-Б по фиг.2 с архитектурно выразительным размещением упругих пластинчатых элементов; на фиг.6 показана схема здания с центральной опорой в виде усеченного конуса со сферической поверхностью на его основании, а также с дополнительными анкерами для фундамента; на фиг.7 приведена схема здания с центральной опорой в виде чечевицеобразного тела.

Многоэтажное сейсмостойкое здание включает в себя фундамент 1, каркас 2, центральную опору 3, гибкие стойки 4 и демпфирующие устройства 5. Фундамент 1 выполнен в виде заглубленного в грунт центрального ствола 6 (например, сваи), к верхней части которого жестко прикреплена горизонтальная плита 7. На горизонтальную плиту 7 уложен и прикреплен к ней нижний опорный пояс 8, который имеет центральное углубление обычно сферической формы. В углублении нижнего опорного пояса 8 находится центральная опора, которая может быть выполнена в виде сплошных или полых: сферы 9, эллипсоида вращения 10, усеченного конуса 11 (или, в частности, цилиндра), а также наиболее эффективный вариант в виде чечевицеобразного тела 12. В случае применения усеченного конуса или цилиндра их основания имеют верхние 13 и нижние 14 сферические опорные поверхности.

На центральной опоре покоится верхний опорный пояс 15 со сферическим углублением в нижней его части. Таким образом, углубления верхнего и нижнего опорных поясов противолежат друг другу и между ними находится центральная опора 3.

Нижний 8 и верхний 15 опорные пояса связаны друг с другом посредством гибких стоек 4, выполненных в виде эластично-упругих пластинчатых элементов дугообразной формы (обычно из рессорного металла). Пластинчатые элементы могут быть и переменного сечения.

Гибкие стойки нижними кольцами жестко прикреплены к нижнему опорному поясу 8, а верхними - к верхнему опорному поясу 1. Дуги пластинчатых элементов гибких стоек 4 обычно обращены наружу от вертикальной оси центральной опоры 3, хотя допускается и расположение с обращением дуг внутрь (в этом случае должны соблюдаться определенные размерные характеристики взаиморасположения дуг пластинчатых элементов и центральной опоры, в том числе и размеры самой центральной опоры).

Демпфирующие устройства 5 могут быть различной конструкции, например, в одном из вариантов они представляют собой гидравлические или воздушные демпферы цилиндро-поршневого типа. В последнем случае демпферы шарнирно связаны, например, корпусом цилиндра с нижним опорным поясом 8, а штоком - с верхним опорным поясом 15.

Поскольку пластинчатые элементы гибких стоек 4 и демпфирующие устройства 5 работают обычно в паре друг с другом, то они представляют собой энергопоглащающий комплекс и расположены по периферии здания с соблюдением принципа симметрии относительно центральной вертикальной оси центральных опор 3. Например, они могут быть равнорасположены по окружности или расположены с учетом архитектурного замысла в несколько рядов по окружности (на фиг.5 они расположены по двум окружностям) или в других эстетически приемлемых вариантах.

Таким образом, стойки 4, работающие в паре с демпфирующими устройствами 5, выполняют роль энергопоглотителей.

Каркас 2 здания (или собственно само здание) опирается на верхний опорный пояс 15, причем каркас 2 и верхний опорный пояс 15 жестко (прочно) скреплены друг с другом.

Дополнительно для упрочнения фундамента можно установить расположенные по периферии фундамента подземные блоки 16, с которыми посредством анкеров 17 связана горизонтальная плита 7 фундамента. Анкеры 17 желательно располагать наклонно под углом α.

Сооружение работает следующим образом.

При сейсмическом или ветровом (штормовом) воздействии на здание антисейсмические устройства создают свободу углового (наклон) и горизонтального (в меньшей мере и вертикального) перемещения каркаса 2 здания относительно фундамента 1. В процессе воздействия внешнего возмущения происходит незначительное перекатывание центральной опоры 3 по углублению нижнего опорного пояса 8, а верхнего опорного пояса 15 по центральной опоре 3 (по сферическим контактным поверхностям). При этом энергия воздействия погашается системой эластично-упругих стоек и демпфирующих устройств. Таким образом, система эластично-упругих стоек и демпфирующих устройств гасит упругую внутреннюю энергию, накапливающуюся в процессе деформирования системы под воздействием внешних нагрузок.

Предлагаемая конструкция многоэтажного сейсмостойкого здания позволяет получить целостную гибкую систему, которая благодаря упругодемпфирующим свойствам опорных элементов обеспечивает, во-первых, повышение сейсмостойкости и ветровой устойчивости здания за счет увеличения гибкости опорной системы и эффективности гашения вертикальных и горизонтальных нагрузок, во-вторых, уменьшение изгибных напряжений, действующих на каркас здания.

Годовой экономический эффект составляет ориентировочно 860 тысяч рублей на одно здание (при расчете не учтены людские потери в чрезвычайных ситуациях при разрушениях обычных зданий).

Источники информации, принятые во внимание
1. Авторское свидетельство СССР 654792 по М.Кл. Е 04 Н 9/02, опубл. 30.03.79г., бюл. 12.

2. Авторское свидетельство СССР 771308 по М.Кл. Е 04 Н 9/02, опубл. 15.10.80г., бюл. 38.

3. Авторское свидетельство СССР 922258 по М.Кл. Е 04 Н 9/02, Е 04 Н 5/02, опубл. 23.04.82г., бюл. 15.

Изобретение относится к строительству и может найти широкое применение при строительстве высотных зданий и сооружений в сейсмических и взрывоопасных районах, а также в районах, подверженных действию сильных ветров. Задача изобретения - повышение сейсмостойкости и ветровой устойчивости здания за счет увеличения гибкости опорной системы и эффективности гашения вертикальных и горизонтальных нагрузок. Поставленная задача достигается тем, что в многоэтажном сейсмостойком здании, включающем фундамент, пространственно-жесткие верхние этажи, гибкие стойки нижнего этажа и центральную опору, гибкие стойки выполнены из эластично-упругих пластинчатых элементов дугообразной формы, опирающихся одним концом о базовый опорный пояс фундамента здания, а другим концом закрепленных к опорному поясу нижнего перекрытия здания. Базовый опорный пояс фундамента здания и опорной пояс нижнего перекрытия здания дополнительно связаны демпфирующими устройствами. Центральная опора имеет сферические контактные поверхности, сопряженные со сферическими контактными поверхностями опорных поясов. Центральные опоры выполнены в виде сплошной или полой сферы, эллипсоида вращения, вертикально расположенного цилиндра или усеченного конуса со сферической контактной поверхностью на верхнем и нижнем основаниях, а также в виде горизонтально лежащего чечевицеобразного тела. Эластично-упругие пластинчатые элементы и демпфирующие устройства расположены осесимметрично относительно вертикальной оси центральной опоры. Фундамент может быть выполнен в виде центральной сваи, заглубленной в грунт, который в верхней части имеет жестко закрепленную горизонтальную плиту. Указанная плита заанкерована к дополнительным подземным блокам, расположенным по периферии фундамента. 10 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Многоэтажное сейсмостойкое здание, включающее фундамент, пространственно-жесткие верхние этажи, гибкие стойки и центральную опору, отличающееся тем, что гибкие стойки выполнены из эластично-упругих пластинчатых элементов дугообразной формы, опирающихся одним концом о базовый опорный пояс фундамента здания, а другим концом закрепленных к опорному поясу нижнего перекрытия здания, при этом базовый опорный пояс фундамента здания и опорной пояс нижнего перекрытия здания дополнительно связаны демпфирующими устройствами, а центральная опора имеет сферические контактные поверхности, сопряженные со сферическими контактными поверхностями опорных поясов. 2. Многоэтажное сейсмостойкое здание по п.1, отличающееся тем, что дуги пластинчатых элементов выгнуты в основном наружу и могут быть изготовлены переменного сечения. 3. Многоэтажное сейсмостойкое здание по п.1 или 2, отличающееся тем, что центральные опоры выполнены в виде сплошной или полой сферы. 4. Многоэтажное сейсмостойкое здание по п.1 или 2, отличающееся тем, что центральные опоры выполнены в виде сплошного или полого эллипсоида вращения. 5. Многоэтажное сейсмостойкое здание по п.1 или 2, отличающееся тем, что центральные опоры выполнены в виде сплошного или полого усеченного конуса с вертикальной осью, имеющего сферические контактные поверхности на верхнем и нижнем основаниях. 6. Многоэтажное сейсмостойкое здание по п.1 или 2, отличающееся тем, что центральные опоры выполнены в виде сплошного или полого вертикально расположенного цилиндра со сферическими контактными поверхностями на верхнем и нижнем основаниях. 7. Многоэтажное сейсмостойкое здание по п.1 или 2, отличающееся тем, что центральные опоры выполнены в виде сплошного или полого горизонтально лежащего чечевицеобразного тела. 8. Многоэтажное сейсмостойкое здание по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что эластично-упругие пластинчатые элементы и демпфирующие устройства расположены осесимметрично относительно вертикальной оси центральной опоры. 9. Многоэтажное сейсмостойкое здание по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что эластично-упругие пластинчатые элементы и демпфирующие устройства равнорасположены по окружности. 10. Многоэтажное сейсмостойкое здание по любому из пп.1-9, отличающееся тем, что фундамент выполнен в виде центральной сваи, заглубленной в грунт, который в верхней части имеет жестко закрепленную горизонтальную плиту. 11. Многоэтажное сейсмостойкое здание по п.10, отличающееся тем, что горизонтальная плита заанкерована к дополнительным подземным блокам, расположенным по периферии фундамента.