Способ защиты высотных сооружений от сейсмических воздействий Российский патент 2023 года по МПК E04H9/02 

Изобретение относится к области сейсмостойкого строительства, и может быть использовано для сейсмозащиты высотных сооружений от влияния кинематического воздействия в диапазоне низких частот.

Предшествующий уровень техники

По мере роста численности населения и уплотнения городов растет острая необходимость в инновационных решениях в строительстве. Мегаполисы перенасыщаются, и нехватка пространств заставляет увеличивать высоту зданий. В настоящее время здания в городах высотой 20-30 этажей уже считаются нормой даже в Сибири, где казалось бы нет проблем со свободными площадями. При этом многие территории на земном шаре испытывают относительно регулярные и довольно мощные сейсмические воздействия, приводящие к трагическим последствиям. Примеров тому, особенно в последнее время, достаточно много. В связи с этим есть необходимость строить в зонах возможных землетрясений сейсмоустойчивые здания и сооружения.

Сейсмоустойчивость – это способность построек, конструкций, плотин и дорог выдерживать землетрясения с минимальными повреждениями. https://www.saveplanet.su/nts_term_4150.html

Самым первым, приходящим на ум, способом защиты от землетрясений является увеличение изгибной прочности высотных зданий. Однако такое решение обходится слишком дорого, так как требует большого количества металлических конструкций, увеличивающих прочность здания «на разрыв». Металл необходим потому, что большинство строительных материалов, таких как бетон, кирпич или кладочный раствор, имеют чрезвычайно малую прочность на разрыв. Поэтому в конструкцию высотных строений всегда закладываются элементы, увеличивающие прочность всего строения на разрыв.

Например, в статье «Сейсмоустойчивость зданий. Справка» https://ria.ru/20110311/344900842.html указывается, что сборные железобетонные перекрытия замоноличивают и в горизонтальной плоскости, и с вертикальными несущими конструкциями. Для связи с элементами каркаса в панелях (плитах) предусматривают выпуски арматуры или закладные детали. Перегородки из кирпича или камня армируют на всю длину не реже, чем через 700 мм по высоте стержнями общим сечением в шве не менее 0,2 кв. см.

Там же говорится, что в мире разрабатываются разнообразные устройства систем сейсмозащиты. Наблюдаются следующие направления в сейсмозащите.

Первое направление – это применение сейсмоизоляции зданий, которая устраивается, как правило, в нижних этажах. Это различные резинометаллические опоры самой различной модификации, с низким и высоким демпфированием, с сердечником из свинца и без него, с применением различных материалов. Есть также фрикционные скользящие опоры маятникового типа. И те и другие опоры применяются в мире очень широко.

Второе направление – применение демпфирования (гашения колебаний), которое известно очень давно и постоянно совершенствуется.

Для высотного строительства, как правило, используется сочетание: сейсмоизоляцию располагают в нижнем этаже, а по высоте здания устанавливают демпфирование. Сейчас производители предлагают самые различные демпферы: металлические, жидкостные, есть специальные сплавы с памятью, специальные демпфирующие стены, последние устройства, хотя и относительно дорогие, но достаточно эффективные.

По способу применения все системы сейсмозащиты можно разделить на пассивные и активные. Пассивные системы не требуют никакого управления. Они автоматически отвечают на возникающие сейсмические колебания. Активные системы регистрируют сейсмические колебания, и воздействуют на здание таким образом, чтобы напряжения в его конструкциях были минимальны. Часто активная система управляет какой-то большой массой, находящейся внутри здания, перемещая ее так, чтобы скомпенсировать внешнее воздействие.

Пассивные системы защиты часто основаны на том, что здание отделяется от фундамента и связывается с ним или только за счет сил трения, или пружинными связями низкой жесткости. При этом, чем меньше коэффициент трения между фундаментом и собственно зданием, тем меньшие силы воздействуют на здание. Если предположить, что трение совсем отсутствует, то при горизонтальных перемещениях фундамента (вместе с грунтом), здание останется неподвижным, поскольку нет действующих на него сил.

На основании вышесказанного, можно сформулировать ряд жестких требований, которые должны быть предъявлены к способам сейсмозащиты.

Во-первых, все высотные сооружения, строительство которых может продолжаться в течение нескольких лет, должны, как минимум, оснащаться способом пассивной сейсмозащиты, который способен сохранить от разрушения строящееся здание, т.к. все способы активной сейсмозащиты начинают работать только после окончания строительных работ.

Во-вторых, способ сейсмозащиты должен быть готов к защите здания от землетрясения сразу после закладки его фундамента и до конца эксплуатации сооружения, т.е. на срок до 50 лет.

В-третьих, способ сейсмозащиты должен быть универсальным, т.е. пригодным к возведению целого комплекса сооружений, включающем: здания различной высоты; здания различной (в плане) конфигурации; здания многократно отличающихся друг от друга по массе, применяемым для возведения каркаса здания строительным материалам и технологиям строительства.

В-четвертых, способ сейсмозащиты должен быть достаточно дешев и прост при тиражировании.

В-пятых, способ сейсмозащиты должен оставаться в работоспособном состоянии после произошедшего землетрясения и/или иметь возможность проведения быстрых ремонтных работ по восстановлению его функционирования в полном объеме.

В-шестых, способ сейсмозащиты должен, гарантировано защищать здание от землетрясения, даже в случаях, если его амплитуда превышает расчетную, поскольку предсказание землетрясений очень сложная задача, а тем более практически невозможно предсказать предельную амплитуду в месте строительства здания, сооружения, например, вблизи (термин вблизи является условным, и распространяется на сотни километров) мест природных или техногенных источников геологических катаклизмов. Поэтому, например, голландцы практически полностью прекращают добычу газа на месторождении «Гронинген» (скважины месторождения расположены на севере Нидерландов и шельфе Северного моря), эксплуатация которого привела к негативным геологическим процессам, в том числе землетрясениям и просадкам поверхности земли (см. https://ru.abcdef.wiki/wiki/Groningen_gas_field).

Известно, что самые древние стены, были построены из сложенных друг на друга камней без всякого связующего (глины, раствора, клея и т.п.). Такой способ строительства принято называть «сухой кладкой». Многие такие постройки сохранились до наших дней. См., например, полигональные кладки инков – https://ru.wikipedia.org/wiki/Сухая_кладка.

За счет того, что отсутствует связь между рядами камней, камни в полигональной кладке при землетрясении колеблются отдельно каждый сам по себе и после прекращения воздействия вновь встают на свои места. В стенах, при этом, не возникает никаких изгибных напряжений, которые обычно и ломают камни, кирпичи и раствор.

Основным недостатком полигональной кладки, является то, что возведенные таким способом здания не могут иметь большую высоту. Такие стены не способны выдерживать ветровые нагрузки, особенно если здание в плане имеет небольшой размер по сравнению с высотой.

Известен пассивный способ защиты зданий и сооружений, раскрытый в описании патента на фундамент сейсмически защищенного здания (см. патент РФ №2388869, МКИ E02D 27/34, 2010г.).

Сущность известного пассивного способа защиты зданий от землетрясений заключается в том, что фундамент отделяют от массива здания. При этом усилие на массив здания со стороны двигающегося вместе с поверхностной волной землетрясения передается только за счет силы трения. Чем эта сила меньше, тем целее массив здания. Величина силы трения обычно определяется эффективным коэффициентом трения (эффективный коэффициент трения равен отношению силы трения к весу здания).

Для снижения коэффициента трения в нижней опорной части массива здания в известном изобретении устанавливаются сейсмоизолирующие опоры, каждая из которых выполнена в виде замкнутого герметичного заполненного водой гидрообъема, причем замкнутый гидрообъём каждой сейсмоопоры отделен от гидрообъёмов остальных сейсмоопор и верхней частью неподвижно связан с опорной плитой массива здания, а снизу ограничен гладким покрытием из листового тефлона поверхности верха фундаментной опорной плиты. С боков гидрообъемы ограничены прижимными деталями скользящего уплотнения. Жидкость внутри гидрообъемов находится под таким давлением, чтобы удерживать весь массив здания. Заметим, что в известном способе жидкость закачивается под рабочим давлением в гидрообъемы только после окончания строительства. До этого момента массив здания стоит на стенках гидрообъемов и дополнительных опорах, расположенных внутри гидрообъемов.

При землетрясении массив здания, размещенный на верхней опорной плите, скользит по гладкому покрытию фундаментной опорной плиты. Детали скользящего уплотнения с боков гидрообъема удерживают жидкость в объеме и одновременно не дают ей протекать вдоль гладкого покрытия опорной плиты фундамента. Эффективный коэффициент трения при таком способе складывается из вязкого трения жидкости в гидрообъемах и трения скользящего уплотнения.

Судя по описанию известного способа, внутри гидрообъема размещены дополнительные опоры, детали скользящего уплотнения и пружины его дополнительного прижатия, следовательно, ясно, что глубина гидрообъема и, соответственно, толщина слоя жидкости в нем достаточно велики (порядка нескольких десятков сантиметров), и поэтому вязкое трение там ничтожно. При этом трение скользящего уплотнения о гладкое покрытие опорной плиты фундамента зависит от конкретной конструкции, но тоже может быть сделано достаточно малым, следовательно, в известном способе вполне можно достичь коэффициента трения порядка 1% и менее.

Таким образом, известный способ пассивной сейсмозащиты, позволяет осуществлять защиту возведенного сооружения при горизонтальных колебаниях поверхности при землетрясениях.

Однако известному способу присущи и серьезные недостатки.

Во-первых, он мало подходит для защиты сооружений, предназначенных для длительного срока эксплуатации, т.к. в нем используются скользящие уплотнения, выполненные из полимерных материалов. Практически все полимерные материалы обладают свойством «ползучести». Этот термин означает непрерывное (но медленное) изменение размеров полимера за длительное время под нагрузкой. В известном способе тефлон скользящего уплотнения и гладкого покрытия опорной плиты фундамента со временем будет необратимо деформироваться под нагрузкой и в итоге герметичность гидрообъемов нарушится. После этого вся нагрузка здания ляжет на дополнительные опоры и боковые стенки гидрообъемов. Они упрутся напрямую в покрытие нижней опорной плиты фундамента, а коэффициент трения станет обычным для твердых материалов, и достигнет нескольких десятков процентов.

Во-вторых, между сейсмоопорами за все время эксплуатации здания (50 лет и более) будет постоянно накапливать всевозможный мусор (пыль, остатки жизнедеятельности насекомых, вода и т.п.). В случае засорения зазоров между сейсмоопорами, опоры перестанут двигаться при землетрясении. Из-за этого фундаментная опорная плита жестко соединится с массивом здания, а эффективный коэффициент трения между массивом здания и фундаментом станет равным единице. Фундамент и массив здания окажутся жестко связанными, а воздействие поверхностной волны полностью передастся массиву здания.

В-третьих, известный способ защиты зданий, начинает работать только после завершения строительства. Это означает, что применять его при строительстве крупных высотных объектов не представляется возможным. Строительство таких объектов занимает порой несколько лет и рассчитывать на то, что за это время не произойдет землетрясения слишком рискованно.

В-четвертых, в природе всегда присутствуют слабые сейсмические события, которых мы не замечаем – сейсмические колебания малой амплитуды, как техногенного, так и естественного происхождения. В городской черте к ним еще добавляются колебания от трамваев, большегрузных автомобилей и др. Эти воздействия, за счет их большого количества за годы эксплуатации здания, вполне могут деформировать полимерные детали конструкции за счет усталости материала уплотнения. В результате этого, потеряется подвижность уплотнений и герметичность гидрообъемов, со всеми вытекающими последствиями.

В-пятых, известный способ довольно дорог в реализации. Большое количество тефлона сильно удорожает строительство. Цена тефлона на рынке почти в 100 раз выше цены стали (в пересчете на единицу объема), поэтому покрытие всей площади фундамента здания тефлоном очень дорогостоящее мероприятие.

В-шестых, при вертикальных перемещениях земной поверхности, что не редко при землетрясениях, давление жидкости внутри опор возрастает в (а+g)/g раз, где: а – ускорение вертикального перемещения фундамента; g – ускорение силы тяжести. Поскольку боковые стенки опор имеют довольно большую площадь, то силы от дополнительного увеличения давления способны разрушить гидрообъемы.

Наиболее близким к заявляемому, является, взятое в качестве прототипа техническое решение, использующее жидкость для защиты зданий и сооружений от горизонтальных колебаний земной коры при землетрясениях (см. патент РФ №2072406, МКИ E02D 27/34, E04H 9/02, 1997г.). Способ обеспечения пассивной сейсмической защиты зданий от разрушений при землетрясениях состоит в использовании жидкости под высоким давлением, которая производит разделение инерционных масс, то есть отделение массива здания от фундамента, путем создания полости заполненной жидкостью, причем полость образована верхней опорной поверхностью массива здания, нижней верхней опорной поверхностью фундамента и компенсатором, герметизирующим объем по периметру. Известный способ предлагает организацию в плитах фундамента и основания массива здания системы каналов (водопроводов), по которым жидкость распределяется практически по всей площади здания. В процессе строительства плиты соприкасаются друг с другом, но при подаче в каналы жидкости под давлением она появляется под всей поверхностью плиты основания массива здания и поддерживает здание в жидкости. В жидкости поддерживается давление равное среднему давлению, создаваемому массивом здания.

Жидкость нагнетается при помощи трубопровода, давление в котором создается за счет гидростатики (за счет высоты столба жидкости). На самом верху трубопровода имеется резервная емкость с жидкостью для компенсации утечек. Чтобы жидкость не утекала из пространства между плитами, по периметру имеется компенсатор, который позволяет фундаменту здания перемещаться в горизонтальном направлении практически без усилий и при этом выполнять функцию герметизации.

Известный способ также относится к пассивным способам защиты зданий от землетрясений и его действие тоже основано на принципе отделения массива здания от фундамента, неразрывно связанного с землей.

В известном способе роль субстанции, снижающей эффективный коэффициент трения между фундаментом и массивом здания, исполняет жидкость. Вязкостное трение в жидкости зависит от нескольких величин: динамической вязкости жидкости, высоты щели, в которой эта жидкость находится, и скорости относительного перемещения плит. При обычной для землетрясений скорости перемещения порядка 0,1 м/сек и высоте щели порядка 1 мм коэффициент трения становится ничтожным практически для любых жидкостей. Поэтому эффективный коэффициент трения фактически определяется компенсатором.

Видно, что величина коэффициента трения при горизонтальных перемещениях фундамента, может быть уменьшена до величины менее 1%. Однако известный способ имеет и свои существенные недостатки.

Во-первых, известный способ не может защищать строящееся высотное здание от землетрясений потому, что резервная емкость с жидкостью на самом верху трубопровода, предназначенного для создания гидростатического давления и компенсации утечек жидкости должна находиться на высоте порядка 100 метров. Именно такой столб воды создает давление порядка 10 атм, что примерно соответствует среднему расчетному давлению массива высотного здания на грунт. То есть, пока здание не достигло высоты 100 метров, емкость с жидкостью не может быть установлена, а она является практически основными элементом способа сейсмозащиты.

В описании известного патента, в качестве примера реализации, приводится здание весом Т = 70000 т = 7·10⁷ кг и диаметром d = 50 м. Из этих данных можно вычислить среднее рабочее давление жидкости в объеме:

Р = Т/(π·d²/4)

Подставляя в вышеприведенную формулу параметры здания, получим значение давления: Р=3,6 атм. Для создания такого давления при помощи гидростатики, как утверждается в патенте, емкость должна находиться на высоте более 36 м. С учетом того, что вся высота здания в примере реализации 60 м, то становится понятно, что способ начинает защищать строящееся здания в момент, когда оно уже на 60% построено.

Во-вторых, компенсатор, который обеспечивает герметизацию пространства между плитами по периметру, должен выдерживать рабочее давление жидкости. Это при том, что его ширина должна быть не меньше прогнозируемой амплитуды перемещения фундамента при землетрясении. В частности, если среднее рабочее давление под зданием должно быть порядка 10 атм, то при расчетной амплитуде даже в 10 см, сила, действующая на погонный метр длины компенсатора, составит 10 тонн. Соответственно материалы компенсатора в известном способе, а в их число обязательно должны входить полимеры или резина, не выдержат эксплуатации в течение длительного срока за счет ползучести полимеров или старения резины. Для примера, зданию МГУ в Москве уже почти 70 лет.

Возвращаясь к приведенному в описании известного способа примеру, оценим усилие, действующее на компенсатор при давлении в жидкости Р = 3,6 атм. Авторы указывают, что ширина компенсатора 0,5 м. Соответственно, площадь одного погонного метра компенсатора S= 5000 см². Отсюда суммарная сила F давящая на компенсатор со стороны жидкости определяется произведением:

F = Р·S = 3,6·5000 = 18000 кг

Поскольку компенсатор крепится с двух сторон (и к фундаменту, и к опорной плите массива здания), то сила, приходящаяся на погонный метр крепления равна половине от общей силы, действующей на компенсатор, то есть 9000 кг (9 т). Понятно, что при такой действующей нагрузке, невозможно отремонтировать компенсатор не сбросив давление жидкости в объеме.

В-третьих, размеры компенсатора, который обеспечивает герметизацию пространства между плитами по периметру, проектируется исходя из расчетной прогнозируемой амплитуды перемещения фундамента при землетрясении. Однако амплитуды землетрясений крайне сложно поддаются расчету. И никто не может гарантировать, что в данной местности не произойдет землетрясения с амплитудой больше расчетной. В таком случае, компенсатор в некоторых частях здания будет разрушен, вода быстро по каналам начнет вытекать из-под здания, плита фундамента и опорная плита массива здания придут в соприкосновение (перестанут быть отделенными) и коэффициент трения возрастет до нескольких десятков процентов. Имеющийся трубопровод не сможет поддерживать давление жидкости под зданием т.к. его поперечное сечение (производительность) не сможет обеспечить нужный расход, а резервной емкости с жидкостью просто не хватит на все время землетрясения.

В-четвертых, несмотря на то, что авторы говорят о возможности использования более вязких жидкостях, чем вода, в способе может использоваться только вода, потому что любая утечка любой другой жидкости приведет к экологической катастрофе и большим экономическим потерям. Кроме того, каналы в фундаменте настолько велики, что даже вязкая жидкость вытечет довольно быстро, а при землетрясениях афтершоки возможны еще в течение нескольких часов.

В-пятых, в известном патенте совсем не обсуждается ремонтопригодность элементов, обеспечивающих герметизацию пространства между плитами по периметру, что необходимо для реализации известного способа. Практически все узлы и детали, обеспечивающие указанную герметизацию, находятся под высоким давлением и для того, чтобы что-то заменить или починить, необходимо сбросить давление, то есть поставить опорную плиту массива здания на плиту фундамента, отключив тем самым полностью защиту здания от землетрясений.

В-шестых, в известном способе массив здания находится в состоянии неустойчивого равновесия (точка приложения силы со стороны жидкости находится ниже центра масс массива здания) и при наличии, например, неравномерной нагрузки на опорную плиту массива здания или просто случайного возмущения, плита наклонится и прижмется к плите фундамента, что непредсказуемо увеличит эффективный коэффициент трения, а опорная плита фундамента и опорная плита массива здания перестанут быть полностью отделенными друг от друга. Хотя в описании патента и говорится о снижении коэффициента трения из-за присутствия воды в местах соприкосновения плит, но необходимо помнить о неровностях опорных плит фундамента и массива здания, которые непременно будут фактически цепляться друг за друга.

В-седьмых, в воде, которая заполняет герметичный объем, с течением времени обязательно появятся какие-нибудь организмы (бактерии, грибки и т.д.). Их наличие может существенно ускорить процесс разрушения не только пластмасс и резины, но и бетона. Добавление же в воду химических веществ, препятствующих развитию организмов, может привести к экологической катастрофе в случае нарушения герметичности.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом заявляемого технического решения является сохранение основных достоинств прототипа – обеспечение пассивной сейсмической защиты зданий от разрушений при землетрясениях за счет разделения инерционных масс, то есть надежного отделения массива здания от фундамента, путем установки между ними объема, заполненного жидкостью под давлением, уравновешивающим вес массива здания, при одновременном устранении его указанных недостатков.

Указанный технический результат в способе пассивной защиты зданий от горизонтальных колебаний земной коры при землетрясениях, включающем отделение массива здания от подвижной опорной части фундамента, расположенной в земной коре, путем расположения между ними герметичного объема, заполненного жидкостью под избыточным давлением, достаточным для удержания веса здания, достигается тем, что в качестве жидкости использована жидкость с высоким коэффициентом динамической вязкости, а герметичный объем выполнен в виде одного или нескольких горизонтальных или близких к горизонтальным зазоров, разделенных герметизирующими уплотнениями на один или несколько отдельных герметичных объемов, расположенных в плане между массивом здания и подвижной опорной частью фундамента, при этом величина зазора превышает суммарную высоту неровностей опорных плит фундамента и массива здания, образующих зазор, на величину минимальной толщины слоя жидкости, обеспечивающей массиву здания величину эффективного коэффициента вязкого трения, достаточную для защиты здания от воздействия сейсмической волны.

Наполнение горизонтального зазора вязкой жидкостью позволяет одновременно решать несколько задач. Несмотря на высокую вязкость жидкости, эффективный коэффициент трения достигает величины менее 1% уже при очень малых значениях горизонтального зазора. Например, для мазута (динамическая вязкость 0,064 Па⋅с) уже при зазоре существенно менее 1 мм эффективный коэффициент трения становится менее 1%. С ростом зазора коэффициент трения становится еще меньше.

В случае нарушения герметичности уплотнений объемов, например, при землетрясении, вязкая жидкость будет очень долго вытекать из зазора. По сделанным оценочным расчетам, мазут из зазора 10 мм при диаметре герметичного объема 100 м и давлении в нем 10 атм, будет вытекать около 6 часов, а при величине зазора 2 мм – несколько дней. Таким образом, несмотря на нарушенную герметичность, все это время здание будет оставаться защищенным от горизонтальных колебаний земной коры.

За счет того, что в предлагаемом способе зазор, в котором выполнен герметичный объем мал, то и вертикальный размер герметизирующего уплотнения тоже мал, а также ничтожно мала сила, действующая на него со стороны жидкости, находящейся под высоким давлением. Так, например, при давлении в жидкости 10 атм при зазоре менее 10 мм, на погонный метр герметизирующего уплотнения, действующая сила составляет всего несколько десятков килограмм, тогда как в прототипе аналогичная сила - порядка 10 тонн. Поэтому, в заявляемом способе, при нарушении герметичности уплотнений при землетрясении, можно будет легко восстановить уплотнение, даже не снижая давление в жидкости. При этом, расход жидкости при нарушении герметичности объема по сравнению с прототипом, меньше во много раз, за счет того, что коэффициент динамической вязкости, например, мазута примерно в 100 больше вязкости воды, а зазор, как минимум, в 10 раз меньше размеров каналов (размер канала превышает максимальное горизонтальное перемещение расчетного сейсмического воздействия) в фундаменте прототипа. Исходя из того, что расход жидкости в зазоре пропорционален третьей степени его величины и первой степени коэффициента динамической вязкости, то скорость истечения мазута примерно в 10⁵ раз меньше, чем скорость истечения воды в прототипе, при прочих равных условиях.

Выгодно при строительстве здания организовывать в зазоре всего один объем, загерметизировав его по периметру здания, но при этом нужно учесть, что здание, удерживаемое давлением жидкости, будет находиться в состоянии неустойчивого равновесия. При малейшей несимметричности массива здания оно обязательно наклонится до того момента, пока опорная плита массива здания не упрется одним из своих краев в опорную часть фундамента. Для исключения этого, предлагается добавить пружины, расположенные по периметру здания, которые позволят привести его в состояние устойчивого равновесия. Расчет пружин должен быть произведен с учетом жесткости опорной плиты массива здания и несимметричности нагрузки на фундамент.

Перспективно организовывать в зазоре сразу несколько отдельных объемов с жидкостью под давлением. Так, например, при наличии трёх или более отдельных объемов с жидкостью под давлением, можно отказаться от применения дополнительных пружин, препятствующих перекосу здания, т.к. в этом случае, у массива здания не будет возможности наклоняться, поскольку положение плоскости однозначно задается тремя точками опоры.

Целесообразно для контроля состояния жидкости снабдить каждый герметичный объем автономным трубопроводом для подачи в него жидкости, а также средствами для контроля ее давления и уровня наполнения объема. Благодаря наличию автономного трубопровода можно продолжительное время обеспечивать защиту здания от воздействия землетрясения, несмотря на наличие локальной утечки жидкости.

Удобно при изготовлении фундамента и опорной плиты массива здания сделать технологические проходы, что позволит при проведении регламентных или ремонтных работ получить доступ ко всем герметизирующим уплотнениям. А поскольку ремонт уплотнений может быть выполнен без снятия давления, то восстановить уплотнения можно сразу после прохождения поверхностной волны от землетрясения.

Полезно в качестве жидкости с высоким коэффициентом динамической вязкости использовать нефть различных марок, очищенную от механических примесей, или мазут различных марок, или глицерин. Указанные вязкие жидкости способны в течение длительного срока (многих десятков лет) сохранять свои свойства, а значит, обеспечивать надежную защиту здания от горизонтальных колебаний земной коры при землетрясениях.

Заявляемый способ пассивной защиты здания, благодаря использованию вязкой жидкости в малому зазору между массивом здания и опорной частью фундамента, расположенного в земной коре, позволяет не только устранить основные недостатки прототипа, но и приобрести ряд новых дополнительных преимуществ.

Во-первых, использование вязкой жидкости и малому зазору между массивом здания и опорной частью фундамента позволяет многократно повысить надежность устройств сейсмозащиты. Даже в случае нарушения герметичности объемов, время необходимое для повышения эффективного коэффициента трения до величины 1% очень велико.

Во-вторых, при амплитуде поверхностной волны больше, чем прогнозируемая, может разрушиться только герметизирующее уплотнение, что конечно, приведет к возникновению утечек жидкости, но не приведет к отказу сейсмозащиты в течение еще очень длительного времени.

В-третьих, заявляемый способ защиты универсален, так как может использоваться, как для защиты высотных зданий, так и любых сооружений, нуждающихся в надежной защите от горизонтальных колебаний земной коры при землетрясениях, например, атомных станций.

В-четвертых, восстановление функционирования заявляемого способа защиты здания после землетрясения, при котором была на каком-либо участке нарушена герметичность уплотнения, заключается всего лишь в восстановлении герметизирующего уплотнения, что можно сделать, не снижая давления в жидкости практически любым способом вплоть до затыкания зазора паклей или сантехнической каболкой.

В-пятых, заявляемое техническое решение позволяет существенно удешевить выполнение сейсмозащиты здания по сравнению с прототипом, поскольку для его реализации не требуются дорогостоящие детали и узлы из полимеров и резины. В прототипе, площадь компенсатора на погонный метр периметра здания составляет примерно 0,5 м², что при заявленной толщине 2 мм (что на наш взгляд явно не достаточно для длительной эксплуатации полимерных материалов), составляет примерно 2,5 кг, тогда как в заявляемом способе площадь герметизирующего уплотнения составляет всего лишь 0,01 м² весом порядка 100 г. Кроме того, компенсаторы должны иметь крепежные элементы для закрепления на фундаменте и опорной плите массива здания (напоминаем, что крепежные элементы, в приведенном примере должны удерживать по 9 тонн на погонный метр каждый), тогда, как заявляемое герметизирующее уплотнение может удерживаться в зазоре только лишь за счет трения о стенки зазора (усилие составляет всего 360 кг на погонный метр при зазоре 10 мм).

В-шестых, заявляемый способ остается работоспособным в любых условиях, т.е. до тех пор, пока вязкая жидкость практически полностью не вытечет из зазора. Даже если все герметизирующие уплотнения нарушены, жидкость через них вытекает и в зазоре её осталось всего несколько десятых долей миллиметра, эффективный коэффициент трения между массивом здания и опорной частью фундамента все еще будет менее одного процента. При этом время, которое будет вытекать жидкость из объема диаметром 100 м, составляет ориентировочно несколько суток. Данное время указано без использования системы вторичной подачи вытекшего и очищенного от примесей мазута обратно в разгерметизированный объем. Использование указанной системы может увеличить время пассивной сейсмозащиты защиты здания до нескольких месяцев и более.

Таким образом, заявляемый способ позволяет существенно расширить возможности пассивной сейсмозащиты здания за счет отделения массива здания от подвижной опорной части фундамента, расположенной в земной коре, зазором, разделенным на один или несколько объемов при помощи герметизирующих уплотнений, заполненных вязкой жидкостью под давлением, удерживающим здание, причем заявляемая сейсмозащита здания остается работоспособной в течение длительного времени даже при разгерметизации объемов, что не имеет аналогов среди известных способов, используемых для защиты зданий от горизонтальных колебаний земной коры при землетрясениях, а значит, заявляемый способ отвечает критерию «изобретательский уровень».

Краткое описание чертежей

Суть заявляемого способа поясняется рисунками на фиг. 1 – фиг. 16.

На фиг. 1 представлен рисунок, поясняющий реализацию заявляемого способа защиты зданий от горизонтальных колебаний земной коры при землетрясениях, использующего отделение массива здания от подвижной опорной части фундамента, расположенной в земной коре, путем расположения между ними герметичного объема, заполненного жидкостью под избыточным давлением, где: 1 – грунт, на котором расположен фундамент здания 2; 3 - массив здания, отделенный от фундамента герметичным объемом 4 в виде зазора, ограниченного герметизирующим уплотнением 5; 6 – пружинные опоры, придающие устойчивость и удерживающие массив здания от наклонов, размещенные в колодцах 7. Для наглядности, на этом рисунке и на всех рисунках далее, нарушена пропорция, и высота зазора очень сильно увеличена.

На фиг. 2 представлен рисунок сечения А-А (см. фиг.1), на котором представлен единый герметичный объем 4 образованный в щели и ограниченный герметизирующим уплотнением 5 с вязкой жидкостью, а также колодцы 7, изображенные в виде квадратов с перекрестиями (пружинные опоры 6, размещенные в колодцах 7 на рисунке условно не показаны) на фоне фундамента здания 2.

На фиг. 3 представлен рисунок, поясняющий реализацию заявляемого способа защиты зданий от горизонтальных колебаний земной коры при землетрясениях, использующего отделение массива здания от подвижной опорной части фундамента, расположенного в земной коре, путем расположения между ними нескольких герметичных объемов, заполненных жидкостью под избыточным давлением, где: 8 - фундамент здания; 9 - массив здания, отделенный от фундамента герметичными объемами 10а – 10в (объем 10в на фиг.3 не виден, а представлен на сечении B-B на фиг.4).

На фиг. 4 представлен рисунок сечения B-B (см. фиг.3), на котором на круглом фундаменте 8 представлены в виде кругов три герметичных объема 10а – 10в, образованных в едином зазоре при помощи герметизирующих уплотнений 11а – 11в и заполненных жидкостью под избыточным давлением.

На фиг. 5 представлен рисунок сечения C-C (см. фиг.4), поясняющий расположение на фундамете 8, установленном в земной коре 13, герметичных объемов 10а и 10б, выполненных при помощи герметизирующих уплотнений 11а и 11б в едином зазоре.

На фиг. 6 представлен рисунок, поясняющий еще одну реализацию заявляемого способа защиты зданий от горизонтальных колебаний земной коры при землетрясениях, использующего отделение массива здания от подвижной опорной части фундамента, расположенной в земной коре, путем расположения между ними нескольких герметичных объемов, выполненных в нескольких зазорах, находящихся в одной плоскости, которые разделены между собой технологическим проходом и заполнены жидкостью под избыточным давлением, где: 13 - фундамент здания; 14 - массив здания, отделенный от фундамента герметичными объемами 15а-15г (на рисунке видны только 15а и 15б), при этом зазоры образованы опорной плитой фундамента 13 и отдельными плитами 16а-16г (на рисунке видны только 16а и 16б); 17 –лестница для спуска в технологический проход.

На фиг. 7 представлен рисунок сечения D-D (см. фиг.6), на котором на фундаменте 13 представлены четыре герметичных объема 15а – 15г, образованные в четырех отдельных зазорах, находящихся в одной плоскости, при помощи герметизирующих уплотнений19а – 19г и разделенных между собой технологическими проходами 18, при этом объемы заполнены жидкостью под избыточным давлением.

На фиг. 8 представлен рисунок сечения E-E (см. фиг.7), поясняющий структуру вертикального сечения здания, где показан выполненный в земной коре 20 фундамент здания 13, на котором расположены герметичные объемы с жидкостью 15а и 15б с уплотнениями 19а и 19б в отдельных, лежащих в одной плоскости, зазорах, образованных общей опорной плитой фундамента и отдельными верхними плитам 16а и 16б, на которых расположен массив здания 14, при этом объемы отделены друг от друга технологическими проходами 18.

На фиг. 9 представлен рисунок, поясняющий еще одну реализацию заявляемого способа защиты зданий от горизонтальных колебаний земной коры при землетрясениях, использующего отделение массива здания от подвижной опорной части фундамента, расположенной в земной коре, путем расположения между ними нескольких герметичных объемов, выполненных в нескольких зазорах, находящихся в разных параллельных плоскостях, которые разделены между собой технологическим проходом и заполнены жидкостью под избыточным давлением, где: 21 - фундамент здания; 22 - массив здания, отделенный от фундамента герметичными объемами 23а-23г (на рисунке видны только 23а и 23б), при этом зазоры образованы отдельными плитами 24а-24г (на рисунке видны только 24а и 24б) лежащими на фундаменте 21 и отдельными плитами 25а-25г (на рисунке видны только 25а и 25б), прилегающими к массиву здания 22; 26 –лестница для спуска в технологический проход 27.

На фиг. 10 представлен рисунок сечения F-F (см. фиг.9), на котором на плане фундамента представлены четыре герметичных объема 23а – 23г, образованные в четырех отдельных зазорах, находящихся в двух параллельных плоскостях (23а и 23г в одной плоскости, а 23б и 23в – в другой, см.фиг.9), при помощи герметизирующих уплотнений 28а – 28г и разделенных между собой технологическими проходами 27, а объемы заполнены жидкостью под избыточным давлением.

На фиг. 11 представлен рисунок сечения G-G (см. фиг.10), поясняющий структуру вертикального сечения здания, где показан выполненный в земной коре 29 разноуровневый фундамент здания 21, на котором расположены герметичные объемы с жидкостью 23а и 23б выполненные при помощи уплотнений 28а и 28б установленных по периметру зазоров образованных отдельными плитами 24а-24б, прилегающими к фундаменту 21 и отдельными плитами 25а-25б, прилегающими к массиву здания 22.

На фиг. 12 представлен рисунок сечения отдельного модуля, представляющего собой герметичный объем с жидкостью, который может быть изготовлен в заводских условиях и доставлен на стройплощадку. Такие модули можно укладывать между фундаментом здания и его массивом. Модуль представляет собой герметичный объем 31, заполненный вязкой жидкостью, который выполнен в зазоре между нижней плитой 30 и верхней 33, а по периметру ограничен герметичным уплотнением 32.

На фиг. 13 представлен рисунок сечения модернизированного отдельного модуля, представленного на фиг. 12. В состав модуля дополнительно включено устройство сбора жидкости 37 на случай ее протечки при нарушении герметичности уплотнения 36. На рисунке слева показано место нарушения герметичности уплотнения на участке 36а и, как следствие, вытекание жидкости из объема 35, образованного в зазоре между плитами 34 и 38. Жидкость протекает в устройство 37а, представляющее собой сточный канал по периметру модуля для сбора и вторичного использования жидкости в случаях нарушения герметичности объема 35.

На фиг. 14 представлен рисунок сечения модернизированного отдельного модуля, представляющего собой несколько (на рисунке показано два) герметичных объемов с жидкостью с общим центральным каналом для сбора жидкости, который может быть изготовлен в заводских условиях и доставлен на стройплощадку. Модуль включает: нижнюю и верхнюю бетонные плиты 39 и 46 в зазоре между которыми организованы два герметичных объема с жидкостью 40 и 41, ограниченные двумя уплотнениями 42 и 43, при этом на участках уплотнений 42а и 43а нет нарушения герметичности, а на участках 42б и 43б имеются щели, через которые жидкость вытекает. По каналам 44, организованным по периметру модуля, а также по центральному общему каналу 45 жидкость собирается для ее повторного использования.

На фиг. 15 представлена упрощенная блок-схема одного их вариантов реализации вторичного использования жидкости, вытекающей из объема 50, образованного в зазоре между нижней и верхней плитами 47 и 48 и ограниченного по периметру уплотнением 49. На участке 49а уплотнение повреждено и жидкость стекает в канал 51. Под действием гравитации жидкость по каналам 51 стекает на участок канала 51а (он находится ниже всех остальный участков на периметре), где расположена заборная труба 52, через которую жидкость попадает в фильтр 53 при помощи насоса 54. Для измерения давления в герметичном объеме 50, измерения утечки жидкости и ее пополнения, используют манометр 57, подающую трубу 58 и запорную арматуру 55 и 56 (запорная арматура показана на рисунке условно для упрощения понимания протекающих на блок-схеме процессов, а количество единиц и видов реальной трубной арматуры может быть существенно больше по сравнению с представленной на рисунке).

На фиг. 16 представлен рисунок фрагмента сечения отдельного модуля, представляющего собой герметичный объем с жидкостью, где: 59 - нижняя плита модуля, прилегающая к фундаменту (фундамент условно не показан); 60 - верхняя плита модуля, прилегающая к массиву здания (массив здания условно не показан); 61 - герметичный объем, заполненный вязкой жидкостью, который выполнен в зазоре между нижней плитой 59 и верхней 60, а по периметру ограничен герметичным уплотнением 62. С левой стороны рисунка показаны: Δ1 – абсолютная величина шероховатости нижней поверхности верхней плиты 60; Δ2 – абсолютная величина шероховатости верхней поверхности нижней плиты 59; Ψ – величина минимальной толщины слоя жидкости, обеспечивающей массиву здания величину эффективного коэффициента вязкого трения, необходимую для защиты здания от воздействия сейсмической волны; Σ – суммарная толщина зазора герметичного объема жидкости.

Лучший вариант осуществления изобретения

Осуществление заявляемого способа рассмотрим с использованием различных вариантов его реализации.

Вариант 1.

Рассмотрим реализацию заявляемого способа (см. фиг.1 и 2), защиты зданий от горизонтальных колебаний земной коры при землетрясениях, использующего отделение массива здания 3 от подвижной опорной части фундамента 2, расположенной в земной коре 1, путем расположения между ними герметичного объема 4, заполненного жидкостью под избыточным давлением.

Выполнение замкнутого объема в зазоре между опорной частью фундамента и массивом здания и ограниченного герметизирующим уплотнением 5 позволяет отделить массив здания от фундамента так, что на массив действует только сила вязкого трения при перемещении фундамента 2 в горизонтальном направлении. Из теории гидродинамики следует, что сила, действующая на массив здания, в этом случае пропорциональна скорости смещения фундамента и коэффициенту динамической вязкости жидкости, но обратно пропорциональна толщине слоя жидкости Ψ (См. фиг. 16) между поверхностями. Следовательно, увеличивая толщину стоя жидкости, то есть величину зазора, можно снизить эффективный коэффициент трения до необходимой величины. Эта величина зависит от конструкции здания, и определяется при разработке его конструкции. Заметим, что по расчетам величина Ψ очень мала, по сравнению с размерами здания, и не может быть отображена на рисунках в масштабе близком к реальному. Для наглядности, на этом и на всех рисунках далее, нарушена пропорция, и величина зазора очень сильно увеличена.

Поскольку центр тяжести массива здания находится где-то существенно выше фундамента, а весь его вес компенсируется давлением жидкости в объеме, то возникает неустойчивость положения здания: точки приложения силы тяжести и силы со стороны жидкости равны по величине, но разнесены по высоте и направлены навстречу друг другу. Такое равновесие называется «неустойчивым равновесием». В этом случае, любое минимальное отклонение здания от вертикальности приведет к его дальнейшему наклону вплоть до упора в фундамент одним из краев опорной плиты массива здания.

Чтобы привести эту механическую систему в положение устойчивого равновесия необходимо по периметру здания установить пружинные опоры 6, например, размещенные в колодцах 7. Они придадут массиву здания устойчивость. Конструкция пружинных опор может быть любой. В данном случае, приведена для примера, традиционная витая цилиндрическая пружина.

Перед началом строительства в грунт 1 закладывают фундамент 2. Если размеры здания в плане не велики, то на верхнюю опорную поверхность фундамента 2 устанавливают герметизирующее уплотнение 5, а в колодцы 7 пружинные опоры 6, придающие устойчивость и удерживающие массив здания от наклонов. В образованное таким образом герметичное пространство 4 заливается вязкая жидкость. Сверху она закрывается опорной плитой массива здания 3 (плита на рисунке условно выполнена заодно с массивом здания). Полученный таким образом герметичный объем в плане имеет размер меньше, чем размер фундамента на величину прогнозируемой амплитуды землетрясения. Это делается для того, чтобы герметичность объема не нарушалась при землетрясении.

Однако амплитуды прогнозируемых землетрясений крайне сложно поддаются расчету. И никто не может гарантировать, что в данной местности не произойдет землетрясения амплитудой больше расчетной. В таком случае, герметичность объема будет нарушена и жидкость начнет вытекать через образовавшуюся щель. Но, как говорилось выше, величина зазора не велика, а жидкость в зазоре вязкая, поэтому вытекать из объема она будет очень долго и в зазоре всегда будет находиться какой-то достаточно толстый слой, который обеспечит защиту здания в течение даже нескольких суток. Кроме того, на рисунке видно, что к нарушенному уплотнению имеется внешний доступ и его можно восстановить самыми простыми средствами, например, временно законопатить сантехнической каболкой. Давление, под которым находится жидкость, не помешает этой процедуре по двум причинам: во-первых, зазор очень мал и сила, выталкивающая уплотнения тоже мала; во-вторых, давление жидкости в месте ее вытекания практически равно нулю и поднимется до рабочего только после того, как течь будет полностью ликвидирована.

К сожалению, в такой реализации способа требуются дополнительные устройства в виде пружинных опор, которые должны быть рассчитаны заранее, исходя из размеров и массы проектируемого здания, что не очень удобно, особенно при начале строительства, пока вес строящегося здания еще невелик.

Вариант 2.

Рассмотрим реализацию заявляемого способа (см. фиг. 3 - 5) использующую в качестве герметичного объема несколько отдельных герметичных объемов.

На рисунке представлен вариант с тремя герметичными объемами 10а-10в. Известно, что положение плоскости в пространстве однозначно задается тремя точками, в данном случае, наличие трех герметичных объемов делают положение массива здания в пространстве устойчивым. В этом варианте не требуется дополнительные пружинные опоры, в отличие от предыдущего варианта. Герметичные объемы не обязательно должны быть круглыми как на фиг.4. Их форма может быть произвольной, но количество должно быть не менее трех. Если герметичных объемов только два, то в направлении перпендикулярном линии, проходящей через оба объема, здание будет находиться в неустойчивом равновесии, а значит, в этом направлении потребуются дополнительные пружинные опоры.

Надо отметить, что в такой реализации, не вся доступная площадь фундамента 8 занята герметичными объемами, из-за чего давление в объемах 10а-10в должно быть больше, чем оно могло бы быть при максимальном покрытии объемами площади фундамента и, кроме того, доступ к участкам герметизирующих уплотнений 11а-11в, находящимся в центральной части здания, невозможен.

В связи с этим, выгодно организовать специальные средства для ремонта уплотнений.

Вариант 3.

Рассмотрим реализацию заявляемого способа (см. фиг. 6 - 8), использующую в качестве герметичного объема четыре отдельных объема 15а-15г, размещенных в четырех отдельных зазорах, лежащих в одной плоскости и образованных верхней опорной поверхностью фундамента 13 и отдельными плитами 16а-16г. При этом зазоры разделены технологическими проходами 18 (см. фиг.7) с лестницей 17 для упрощения доступа в проход.

Такая реализация способа позволяет, во-первых, упростить процесс строительства здания за счет того, что объемы сверху ограничены отдельными плитами, размер которых вдвое меньше и их легче монтировать и транспортировать к месту строительства.

Во-вторых, через технологические проходы обслуживающий персонал получает доступ практически к любому месту герметизирующих уплотнений 19а-19г, что существенно упрощает устранение течей сразу (в течение нескольких часов) после землетрясения, а также позволяет проводить периодические регламентные работы на строящемся или эксплуатируемом здании.

Вариант 4.

В предыдущих вариантах рассматривались реализации способа, в которых герметичный объем (объемы) размещены в одной плоскости, что актуально для зданий, строящихся на ровных участках местности. При строительстве зданий в предгорьях или горной местности, часто приходится строить здания на площадках с уклоном. Надо заметить, что именно в таких местностях землетрясения более вероятны, чем на равнине, и задача сейсмозащиты там еще более актуальна.

На фиг. 9 – 11, представлен вариант реализации заявляемого способа при строительстве на наклонных участках местности. Фундамент здания 21 выполнен так, что его опорная поверхность имеет две горизонтальные площадки, находящиеся на разной высоте. Площадь фундамента разделена технологическими проходами 27 на четыре отдельные площадки, на которые уложены нижние плиты 24а-24г, которые вместе с верхними отдельными плитами 25а-25г и герметизирующим уплотнением 28а-28г (см. фиг. 10) образуют четыре отдельных герметичных объема 23а-23г, т.е. четыре самостоятельных модуля. Количество разновысоких плоскостей на фундаменте может быть значительно больше двух. Для удобства обслуживания отдельных модулей сделаны технологические проходы 27, к которым ведет лестница 26.

Кроме того, установка между фундаментом 21 и массивом здания 22 отдельных модулей, которые можно доставлять на строительную площадку в готовом виде, а не изготавливать в процессе строительства на стройплощадке, позволяет существенно упростить строительство здания.

Методика расчетов сейсмозащиты в предлагаемом способе состоит из следующих операций:

1. Архитекторами задается максимальная допустимая величина эффективного коэффициента трения и среднее давление здания на грунт.

2. На основании этих данных и коэффициента динамической вязкости выбранной жидкости вычисляется минимально допустимая величина зазора.

3. из требуемого времени сохранения работоспособности и минимально допустимой величины зазора вычисляется минимальный размер (в плане) одиночного герметичного объема.

Размеры отдельных герметичных объемов не могут быть меньше рассчитанного.

Вариант 5.

На фиг. 12 представлен рисунок сечения отдельного модуля, представляющего собой герметичный объем с жидкостью, который может быть изготовлен в заводских условиях и доставлен на стройплощадку, как комплектующее изделие. Такие модули можно укладывать на фундамент, а уже на верхних плитах таких модулей - собирать опорную плиту массива здания и далее само здание. Модуль представляет собой герметичный объем 31, заполненный вязкой жидкостью, который выполнен в зазоре между нижней плитой 30 и верхней 33, а по периметру ограничен герметичным уплотнением 32. При сборке на производстве давление в жидкости минимально (она поддерживает только верхнюю плиту модуля), но по мере строительства и, соответственно, увеличения нагрузки на модуль, давление в жидкости будет подниматься вплоть до расчетного значения. При этом не будет происходить каких-то изменений в размерах модуля, так как жидкость практически несжимаема.

Вариант 6.

На фиг. 13 представлен рисунок сечения модернизированного отдельного модуля, представленного на фиг. 12. На практике жидкости с высоким коэффициентом динамической вязкости не всегда безобидны для окружающей среды. Поэтому с точки зрения экологии необходимо обезопасить окружающую среду от протекания жидкости даже во время землетрясений. В связи с этим, в состав модуля дополнительно включено устройство сбора жидкости 37 на случай ее протечки при нарушении герметичности уплотнения 36. На рисунке слева показано место нарушения герметичности уплотнения на участке 36а и, как следствие, вытекание жидкости из объема 35, образованного в зазоре между плитами 34 и 38. Жидкость протекает в устройство сбора жидкости 37 на участке 37а. Устройство 37 представляет собой сточный канал по периметру модуля для сбора и вторичного использования жидкости в случаях нарушения герметичности объема 35.

Вариант 7.

На фиг. 14 представлен рисунок сечения модернизированного отдельного модуля, представляющего собой несколько (на рисунке показано два) герметичных объемов с жидкостью с общим центральным каналом для сбора жидкости, который может быть изготовлен в заводских условиях и доставлен на стройплощадку. Модуль включает: нижнюю и верхнюю бетонные плиты 39 и 46, в зазоре между которыми организованы два герметичных объема с жидкостью 40 и 41, ограниченные двумя уплотнениями 42 и 43, при этом на участках уплотнений 42а и 43а нет нарушения герметичности, а на участках 42б и 43б имеются щели, через которые жидкость вытекает. По каналам 44, организованным по периметру модуля, а также по центральному общему каналу 45 жидкость собирается для ее повторного использования. В отличие от модуля, представленного на фиг.13, каналы для сбора протекающей жидкости сформированы не только отдельными деталями, выполненными, например, из металла, но и сформированы непосредственно в нижней бетонной плите.

Вариант 8.

На фиг. 15 представлено логическое развитие варианта выполнения модуля со сбором протекающей жидкости в виде упрощенной блок-схемы системы вторичного использования вытекающей жидкости. Протекшая жидкость стекает в устройство сбора жидкости 51 и собирается на участке 51а, расположенном ниже остальных. Собранная жидкость, через трубопровод 52 забирается насосом 54, при этом она предварительно проходит через фильтр 53 (где очищается от примесей и пыли) и подготавливается к вторичному использованию. Далее, через систему трубопроводов, снабженных необходимой трубной арматурой 55 и 56, а также под контролем измерительного оборудования 57 (условно показан только один манометр) жидкость под давлением подается по трубопроводу 58 в герметичный объем 50. Наличие запорной арматуры и манометра, позволяет оценить величину утечки жидкости по времени падения давления в объеме 50. На фиг.15 запорная арматура показана условно для упрощения понимания протекающих на блок-схеме процессов, а количество единиц и видов реальной трубной арматуры может быть существенно больше по сравнению с представленной на рисунке.

Вариант 9.

На фиг. 16 представлен рисунок фрагмента сечения отдельного модуля, позволяющий пояснить суть способа и основания для выбора величины зазора между нижней плитой 59 и верхней 60 при проектировании герметичного объема 61 в предлагаемом способе. На рисунке в увеличенном масштабе показана неровность (шероховатость) поверхностей, формирующих зазор: Δ1 – абсолютная величина шероховатости верхней поверхности зазора (плиты 60); Δ2 – абсолютная величина шероховатости нижней поверхности зазора (плиты 59). Понятно, что зазор Σ (см. фиг. 16) должен быть больше суммы этих двух величин, иначе неровности плит будут цепляться друг за друга и формировать большой неконтролируемый эффективный коэффициент трения. Кроме того, для эффективной сейсмозащиты необходимо иметь гарантированную толщину слоя жидкости Ψ, необходимую для обеспечения требуемого значения эффективного коэффициента трения. И суммарно величина зазора Σ определяется по формуле (1), как сумма этих трех величин:

Σ = Δ1 + Δ2 + Ψ (1)

Для примера приведем расчет сейсмозащиты для здания, среднее давление которого на грунт Р = 10 Атм = 10⁶ Па, а для его защиты необходимо, чтобы эффективный коэффициент трения был не более K_эфф ≤ 0,1%.

Эффективный коэффициент трения по определению есть отношение силы вязкого трения на единицу площади поверхности опорной плиты массива здания к среднему давлению здания на грунт:

K_эфф = F/ Р (2)

Сила вязкого трения на единицу площади поверхности определяется формулой:

F = ᴂ·gradV (3)

где: ᴂ - коэффициент динамической вязкости жидкости; gradV – градиент скорости потока жидкости в зазоре. В нашем случае щель узкая, поэтому можно принять gradV = V/h, где h – величина зазора.

Тогда из (2) и (3) получаем:

K_эфф = F/P = (ᴂ⋅V/h)/P (4)

Из (4) получим:

h ≥ ᴂ·V/(P·K_эфф) (5)

Для примера возьмем в качестве вязкой жидкости мазут. Для него коэффициент динамической вязкости ᴂ составляет около 1 Па⋅с. Скорость смещения фундамента вместе с грунтом V во время землетрясения составляет около 1 м/с.

Подставив значения в формулу (5), получим:

h ≥ (1·1)/(10⁶·0,001) = 10^-3 м = 1 мм

Расчет показал, что даже слоя мазута толщиной Ψ ≥ 1 миллиметра достаточно, чтобы обеспечить коэффициент трения 0,1%.

Поверхность необработанных конструкций из бетона всегда имеет неровности. В нормативной технической документации оговорено пять категорий качества поверхности бетона от А3 до А7. Максимальные размеры выступов на поверхности нормируются для трех категорий и имеют величину от 1 мм до 5 мм. Предположим, что шероховатость нижней поверхности верхней плиты соответствует категории А6 и, соответственно, Δ1 = 5 мм, а шероховатость верхней поверхности нижней плиты соответствует категории А4 и, соответственно, Δ2 = 1 мм.

Тогда необходимая величина зазора, согласно формуле (1) равна:

Σ = Δ1 + Δ2 + Ψ ≥ 5+1+1 = 7 мм

Как уже говорилось выше, при нарушении герметичности уплотнений, вязкая жидкость будет долго вытекать из зазора. Оценим, для примера, это время для реализации, представленной на фиг.1.

Объем жидкости под фундаментом здания определяется из геометрических соображений:

W = A²⋅h (6)

где: A – размер здания в плане; h – вычисленная выше величина зазора.

Для оценки будем считать, что поток жидкости течет в одну сторону объема, где полностью удалено герметизирующее уплотнение на участке длиной δ = 1 м. Течение происходит под действием рабочего давления P = 10 атм, как и в предыдущем расчете.

Известно, что расход жидкости через горизонтальный зазор величиной h, шириной δ, длиной L под действием перепада давления P определяется формулой:

Q = (δ⋅P⋅h³) /12(ᴂ⋅L) (7)

Такой поток будет в самом начале истечения жидкости, но по мере ее вытекания, величина зазора будет уменьшаться, а расход будет уменьшаться еще быстрее, пропорционально третьей степени величины зазора.

Соответственно, время истечения жидкости из объема можно оценить снизу как:

τ = W/Q (8)

Подставляя (6) и (7) в (8) и вспоминая, что в нашем случае здание квадратное и, соответственно, L = A, получаем:

τ ≈ 12(A³⋅ᴂ)/(δ⋅P⋅h²) (9)

Приняв размер здания А = 100 м и подставляя все значения в (7), получим оценку снизу на время продолжительности истечения жидкости из объема:

τ ≈ (10⁶⋅1)/(1⋅10⁶⋅(7⋅10^-3)²) = 2,04⋅10⁴ с = 5,7 часа.

Следует заменить, этого времени вполне достаточно, чтобы уберечь здание от афтершоков, а с учетом того, что протечка может быть устранена любыми подручными материалами, такой способ защиты можно считать абсолютно надежным (см. https://ru.wikipedia.org/wiki/Афтершок).

Кроме того, не надо забывать, что для приведенных выше оценок мы выбрали очень низкую категорию шероховатости поверхности бетона. При проектировании сейсмозащиты, вполне можно заложить шлифовку поверхностей, образующих герметичный объем, как это делают, например, с полами из мраморной крошки. Тогда величина зазора может быть уменьшена в 5 – 10 раз, а соответственно время τ возрастет в 25 – 100 раз, и тогда уже даже полностью разрушенное герметизирующее уплотнение не повлияет на сейсмозащиту здания в течение очень длительного времени.

Изобретение относится к области сейсмостойкого строительства и может быть использовано для сейсмозащиты высотных сооружений от влияния кинематического воздействия в диапазоне низких частот. Способ пассивной защиты зданий от горизонтальных колебаний земной коры при землетрясениях включает отделение массива здания от подвижной опорной части фундамента, расположенной в земной коре, путем расположения между ними герметичного объема, заполненного жидкостью под избыточным давлением, достаточным для удержания веса здания. В качестве жидкости использована жидкость с высоким коэффициентом динамической вязкости, а герметичный объем выполнен в виде одного или нескольких горизонтальных или близких к горизонтальным зазоров, разделенных герметизирующими уплотнениями на один или несколько отдельных герметичных объемов, расположенных в плане между массивом здания и подвижной опорной частью фундамента. Величина зазора превышает суммарную высоту неровностей опорных плит фундамента и массива здания, образующих зазор, на величину минимальной толщины слоя жидкости, обеспечивающей массиву здания требуемую величину эффективного коэффициента вязкого трения, достаточную для защиты здания от воздействия сейсмической волны. Технический результат состоит в обеспечении пассивной сейсмической защиты зданий от разрушений при землетрясениях за счет разделения инерционных масс, то есть надежного отделения массива здания от фундамента, путем установки между ними объема, заполненного жидкостью под давлением, уравновешивающим вес массива здания, при одновременном устранении его указанных недостатков. 9 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Способ пассивной защиты зданий от горизонтальных колебаний земной коры при землетрясениях, включающий отделение массива здания от подвижной опорной части фундамента, расположенной в земной коре, путем расположения между ними герметичного объема, заполненного жидкостью под избыточным давлением, достаточным для удержания веса здания, отличающийся тем, что в качестве жидкости использована жидкость с высоким коэффициентом динамической вязкости, а герметичный объем выполнен в виде одного или нескольких горизонтальных или близких к горизонтальным зазоров, разделенных герметизирующими уплотнениями на один или несколько отдельных герметичных объемов, расположенных в плане между массивом здания и подвижной опорной частью фундамента, при этом величина зазора превышает суммарную высоту неровностей опорных плит фундамента и массива здания, образующих зазор, на величину минимальной толщины слоя жидкости, обеспечивающей массиву здания требуемую величину эффективного коэффициента вязкого трения, достаточную для защиты здания от воздействия сейсмической волны.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что несколько зазоров выполнены в единой по высоте плоскости.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что несколько зазоров выполнены в разных по высоте плоскостях.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждый герметичный объем снабжен автономным трубопроводом для подачи в него жидкости, а также средствами для контроля ее давления и уровня наполнения объема.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкости с высоким коэффициентом динамической вязкости использован мазут различных марок.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкости с высоким коэффициентом динамической вязкости использована нефть различных марок, очищенная от механических примесей.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкости с высоким коэффициентом динамической вязкости использован глицерин.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что между отдельными герметичными объемами организованы технологические проходы для проведения ремонтных или регламентных работ.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что по периметру герметичных объемов расположена система аварийного сбора жидкости, оборудованная средствами фильтрации и подготовки жидкости к повторному использованию.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что если герметичный объем состоит из нескольких отдельно расположенных герметичных объемов, расположенных в плане между массивом здания и подвижной опорной частью фундамента, то каждый из указанных герметичных объемов может быть выполнен в виде зазора между двумя отдельными плитами, установленными одна над другой с герметизирующим уплотнением по периметру, при этом верхняя плита прилегает к массиву здания, а нижняя – к опорной части фундамента.