Трубобетонная сейсмоизолирующая опора Российский патент 2024 года по МПК E02D27/34 

Изобретение относится к области строительства, в частности к сейсмоизолирующим устройствам зданий и сооружений.

Известна трубобетонная сейсмоизолирующая опора (см. патент РФ №2477353), которая состоит из колонны с шарнирными узлами. Колонна выполнена в трубобетонном варианте, а шарнирные узлы, составляющие с гасителями колебаний единое целое, выполнены из стальных листов и прокатной стали и размещаются в верхней и нижней части колонны, где гасители одновременно являются поглотителями энергии и ограничителями горизонтальных и вертикальных перемещений.

Недостатками являются:

- невозможность конструкции опоры всегда обеспечить возврат качающейся колонны в исходное положение;

- возможность отказа металлических планок при повторных сейсмических воздействиях;

- невозможность полностью компенсировать горизонтальные и вертикальные динамические воздействия на здание во время землетрясений.

Наиболее близким аналогом является трубобетонная сейсмоизолирующая опора (см. патент РФ №2788545), состоящая из трубобетонной колонны с шарнирными узлами сопряжения с фундаментом и перекрытием, двух закладных деталей в виде стальных пластин и жестко соединенных с ними стальных цилиндров, а также гасителей колебаний, размещающихся в верхней и нижней частях колонны в пространстве между стальной пластиной, боковой поверхностью стального цилиндра и внутренней поверхностью трубы трубобетонной колонны, выполненных не менее чем из двух слоев самозаклинивающихся элементов в форме частично усеченных тетраэдров, полученных разрезанием кубов плоскостями, проходящими через середины их ребер на две равные части так, что основания элементов образуют правильные шестиугольники, причем основания каждого слоя элементов расположены горизонтально и плотно соприкасаются своими ребрами с соседними элементами слоя, а вершины элементов каждого слоя касаются плоскости оснований соседнего слоя.

Недостатком является:

- малое сопротивление горизонтальной составляющей сейсмического удара, поскольку основания каждого слоя самозаклинивающихся элементов образуют горизонтальные плоскости, сопротивление горизонтальным силам по которым обусловлено только силами трения между элементами соседних слоев.

Технической проблемой изобретения является повышение устойчивости здания за счет возможности более эффективной компенсации горизонтальных и вертикальных динамических воздействий на него во время землетрясений.

Техническим результатом заявляемого изобретения является использование в качестве гасителей колебаний самозаклинивающихся элементов, при установке которых снижается количество пустот между ними, вследствие чего наблюдается повышение эффективности компенсации горизонтальных и вертикальных динамических воздействий на здание во время землетрясений. Кроме того, предложенные самозаклинивающиеся элементы имеют упрощенную геометрическую форму по сравнению с прототипом.

Сущность изобретения состоит в том, что в трубобетонной сейсмоизолирующей опоре, состоящей из трубобетонной колонны с шарнирными узлами сопряжения с фундаментом и перекрытием, двух закладных деталей в виде стальных пластин и жестко соединенных с ними стальных цилиндров, входящих в тело трубобетонной колонны и имеющих диаметр от 0,05 до 0,25 диаметра ее поперечного сечения, а также гасителей колебаний, размещенных в верхней и нижней частях колонны в пространстве между стальной пластиной, боковой поверхностью стального цилиндра и внутренней поверхностью трубы трубобетонной колонны, состоящие как минимум из одного слоя элементов гасителей колебаний, изготовленных из материала с прочностью R>1,5×Rb , где Rb – прочность бетона трубобетонной колонны, при этом свободное пространство между внутренней поверхностью трубы и слоями элементов заполнено эластичным материалом, согласно изменению гасители колебаний выполнены из элементов в форме правильных пирамид с квадратными основаниями и элементов в форме тетраэдров, при чем основания каждого ряда пирамид расположены горизонтально и плотно соприкасаются своими ребрами с соседними элементами ряда, а вершины пирамид каждого ряда касаются точек сопряжения оснований четырех соседних пирамид другого ряда, при этом тетраэдры полностью заполняют часть пустого пространства, образующигося между боковыми поверхностями правильных пирамид верхнего и нижнего рядов, причем сторона основания каждой пирамиды имеет размер а<0,25(d_b – d_c),

где d_b - бетонного ядра трубобетонной колонны, мм;

d_c – диаметр стального цилиндра, мм;

а высота всех слоев гасителей колебаний при этом составляет:

h <0,5(d_b – d_c).

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен общий вид трубобетонной сейсмоизолирующей опоры, где 1 - стальная труба, 2 - монолитный бетон, 3 - закладная деталь фундамента (основания), 4 - монолитный железобетонный фундамент (основание), 5 - закладная деталь сейсмоизолируемой части здания (сооружения), 6 - сейсмоизолируемая часть здания (сооружения), 7 – самозаклинивающиеся элементы нижнего гасителя колебаний, 8 – эластичный материал, 9 – самозаклинивающиеся элементы верхнего гасителя колебаний, 10 – верхний стальной цилиндр, 11 - нижний стальной цилиндр.

На фиг. 2 изображен вид в плане гасителей колебаний в разрезе I-I.

На фиг. 3 изображен вид в плане основной части опоры в разрезе II-II, где 12 - продольная арматура.

На фиг. 4 представлена укладка трех слоев самозаклинивающихся элементов, где а – пирамида, b - нижний ряд из установленных пирамид,

с – тетраэдры, d – вид установенных нижнего и промежуточного рядов, после укладки тетраэдров, е – схема образования одного слоя элементов гасителей колебаний, f – вид собранного слоя гасителей колебаний.

Трубобетонная сейсмоизолирующая опора представляет из себя круглую колонну из стальной трубы 1 (фиг.1-3) диаметром от 270 мм до 1420 мм (по ГОСТ 10704) и высотой от 1500 мм до 10000 мм, заполненную монолитным бетоном 2 (фиг.1, 2) класса В25 и более с арматурным каркасом 12 (фиг.2, 3). В нижней части колонны стальной цилиндр 11 диаметром от 0,25 до 0,5 от диаметра поперечного сечения колонны и высотой от 40 мм до 300 мм (фиг.1) приварен к закладной детали фундамента 3, имеющей толщину 10-40 мм и жестко закрепленную с монолитным железобетонным фундаментом (основанием) 4. На верхнюю часть колонны через стальную закладную деталь 5 (фиг.1) толщиной 10-40 мм опирается плита перекрытия 6 (фиг.1) сейсмоизолируемой части здания (сооружения). В верхней части колонны стальной цилиндр 10 диаметром от 0,25 до 0,5 от диаметра поперечного сечения колонны и высотой от 40 мм до 300 мм приварен к стальной пластине 5 (фиг.1) толщиной 10-40 мм, которая жестко закреплена с сейсмоизолируемой частью здания 6 (фиг.1).

В пространстве между закладными деталями 3, 5, (фиг.1) боковыми поверхностями соответствующих стальных цилиндров 10, 11, монолитным бетоном 2 и внутренней поверхностью трубы трубобетонной колонны 1 размещены соответственно нижние и верхние гасители колебаний 7 и 9, выполненные из тетраэдров и правильных пирамид, и установленные в слое следующем порядке:

- нижний ряд представляет собой пирамиды, размещенные их основаниями на закладные детали 3, 5 (фиг. 1, 4);

- промежуточный ряд – тетраэдры, установленные сверху пирамид нижнего ряда таким образом, чтобы они заполняли собой часть образовавшегося свободного пространства после установки пирамид нижнего ряда (фиг. 4);

- верхний ряд – перевернутые пирамиды, установленные в оставшееся свободное пространство после установки нижнего и промежуточного рядов, замыкающие слой гасителей колебаний (фиг. 4).

При этом сторона основания каждой пирамиды имеет размер:

а < 0,25(d_b – d_c),

где d_b - бетонного ядра трубобетонной колонны,

d_c – диаметр стального цилиндра,

высота всех слоев гасителей колебаний при этом составляет:

h < 0,5(d_b – d_c),

а боковые грани самозаклинивающихся элементов всех трех рядов плотно соприкасаются между собой. Свободное пространство между внутренней поверхностью трубы, монолитным бетоном 2 и слоями элементов гасителей колебаний заполняется эластичным материалом 9 (фиг. 1, 2), например, битумом, при этом самозаклинивающиеся элементы гасителей колебаний изготовлены из материала с прочностью R > 1,2×Rb, например, из стали марки Ст3пс. Нижний и верхний гасители колебаний 7, 9 (фиг.1, 2) выполняют роль поглотителей энергии колебаний, одновременно являясь ограничителями горизонтальных и вертикальных смещений.

Если стальной цилиндр имеет диаметр менее 0,25 от диаметра поперечного сечения колонны, то через гасители колебаний 7, 9 (фиг.1, 2), будет передаваться только небольшая часть горизонтальных сил, ограниченная конкретным размером диаметра цилиндра.

Если стальной цилиндр имеет диаметр более 0,5 от диаметра поперечного сечения колонны, то через гасители колебаний 7, 9 (фиг.1, 2), имеющие меньшую жесткость при сжатии по сравнению со стальным цилиндром, будет передаваться только небольшая часть вертикальных сил, ограниченная конкретным размером диаметра цилиндра.

Если элементы гасителей колебаний изготовлены из материала с прочностью менее 1,2×Rb, то вследствие концентрации напряжений они могут разрушиться.

Если высота слоев гасителей колебаний составляет h > 0,5(d_b – d_c), то возникает возможность снижения прочности трубобетонной колонны из-за отсутствия совместной работы бетонного ядра и наружной трубы на протяженном участке, сопоставимом с радиусом ядра.

Установку гасителей колебаний 7, 9 в пространстве между закладными деталями сейсмоизолируемой части здания (сооружения) 3, 5, боковыми поверхностями цилиндров 10, 11 и эластичного материала 8 осуществляют на стройплощадке. К закладной детали фундамента 3 приваривают нижний стальной цилиндр 11. Затем укладывают слои элементов нижнего гасителя колебаний 7, устанавливают стальную трубу 1, и заполняют эластичным материалом 8, например, битумом зазоры между элементами гасителя 7, трубой 1 и стальным цилиндром 11, а также формируют горизонтальную прослойку из эластичного материала 8 по верхнему слою самозаклинивающихся элементов. Затем заполняют трубу монолитным бетоном 2, по верхнему торцу которого формируют горизонтальную прослойку из эластичного материала 8. На прослойку устанавливают заранее собранный элемент, включающий закладную деталь сейсмоизолирующей части здания (сооружения) 5 с приваренным к ней верхним цилиндром 10 и закрепленными слоями самозаклинивающихся элементов верхнего гасителя колебаний 9, а также заполненными эластичным материалом 8 зазорами между самозаклинивающимися элементами гасителя колебаний 7, трубой 1 и стальным цилиндром 10 .

После чего колонну соединяют с сейсмоизолированной частью здания 6.

В положении покоя (фиг.1) нагрузка от сейсмоизолированной части здания (сооружения) 6 (фиг.1) равномерно передается через закладную деталь 5 (фиг.1) на колонну. Далее эту нагрузку воспринимает фундамент 4 (фиг.1) через закладную деталь 3 (фиг.1) в нижней части трубобетонной сейсмоизолирующей опоры. При этом сила реакции фундамента 4 (фиг.1) через закладную деталь 3 равномерно распределяется по всей ее площади.

При сейсмическом ударе горизонтальной силой, например, передающейся на фундамент 4 слева направо (фиг.1), первоначально включаются в работу в горизонтальном направлении самозаклинивающиеся элементы гасителя колебаний 7 и эластичный материал 8, расположенные в нижней части колонны правее стального цилиндра 11. В верхней части колонны включаются в работу в горизонтальном направлении самозаклинивающиеся элементы гасителя колебаний 9 и эластичный материал 8 левее стального цилиндра 10. Пара вертикальных сжимающих сил от возникающего изгибающего момента в верхней части колонны передается через самозаклинивающиеся элементы гасителя колебаний 9 и эластичный материал 8, расположенные правее стального цилиндра 10, а в нижней части колонны - через самозаклинивающиеся элементы гасителя колебаний 7 и эластичный материал 8, расположенные левее стального цилиндра 11.

В последующий момент времени слои самозаклинивающихся элементов верхнего 9 и нижнего 7 гасителей колебаний, начинают воспринимать эти горизонтальные и вертикальные силы. Вначале происходит упругая деформация эластичного материала 8, которая затем передается слоям гасителей колебаний 7 и 9. Происходит самозаклинивание по боковых граням всех слоев элементов обоих гасителей колебаний. При этом в отличие от прототипа происходит более тесное контактирование соседних элементов между собой по всем соприкасающимся граням за счет устранения пустот, которые присутствовали между самозаклинивающимися элементами прототипа.

При этом перераспределенная нагрузка преобразуется так, что в местах контакта элементов гасителей колебаний 7 возникают значительные силы, вызывающие местное сжатие соседних элементов по всем сторонам гасителей колебаний.

В свою очередь, наличие сжимающих сил приводит к увеличению сил сцепления между элементами, а следовательно, и к резкому увеличению предельных значений межэлементной жесткости и прочности. Благодаря форме и расположению элементов гасителей колебаний происходит их самозаклинивание, что обеспечивает значительное повышение жесткости сейсмоизолирующей опоры и снижает вероятность ее разрушения. Разрушению препятствует также дискретное строение слоев гасителей колебаний, так как даже в случае появления трещины она будет распространяться только в объеме одного элемента, не переходя в магистральную трещину по слою. При этом работоспособность трубобетонной сейсмоизолирующей опоры сохраняется.

Таким образом, в результате использования самозаклинивающихся элементов в конструкции опоры во время сейсмического удара происходит их упругая деформация и частичная пластическая деформация, блокирующие ее колебательные движения за счет поглощения энергии деформации.

Предлагаемая конструкция трубобетонной сейсмоизолирующей опоры позволит снизить интенсивность горизонтальных и вертикальных динамических воздействий на здание, повысив при этом его устойчивость во время землетрясений. Кроме того, будет обеспечено увеличение прочности и надежности трубобетонной сейсмоизолирующей опоры.

Изобретение относится к области строительства, в частности к сейсмоизолирующим устройствам зданий и сооружений. Трубобетонная сейсмоизолирующая опора состоит из трубобетонной колонны с шарнирными узлами сопряжения с фундаментом и перекрытием, двух закладных деталей в виде стальных пластин и жестко соединенных с ними стальных цилиндров, входящих в тело трубобетонной колонны и имеющих диаметр от 0,05 до 0,25 диаметра ее поперечного сечения, а также гасителей колебаний, размещенных в верхней и нижней частях колонны в пространстве между стальной пластиной, боковой поверхностью стального цилиндра и внутренней поверхностью трубы трубобетонной колонны, состоящие как минимум из одного слоя элементов гасителей колебаний, изготовленных из материала с прочностью R > 1,5×Rb , где Rb - прочность бетона трубобетонной колонны, при этом свободное пространство между внутренней поверхностью трубы и слоями элементов заполнено эластичным материалом. Гасители колебаний выполнены из элементов в форме правильных пирамид с квадратными основаниями и элементов в форме тетраэдров, причем основания каждого ряда пирамид расположены горизонтально и плотно соприкасаются своими ребрами с соседними элементами ряда, а вершины пирамид каждого ряда касаются точек сопряжения оснований четырех соседних пирамид другого ряда. Тетраэдры заполняют часть пустого пространства, образующегося между боковыми поверхностями правильных пирамид верхнего и нижнего рядов, причем сторона основания каждой пирамиды имеет размер: а < 0,25(d_b – d_c), где:

d_b - бетонного ядра трубобетонной колонны, мм, d_c - диаметр стального цилиндра, мм, а высота всех слоев гасителей колебаний при этом составляет h ≤ 0,5(d_b – d_c). Технический результат состоит в повышении эффективности компенсации горизонтальных и вертикальных динамических воздействий на здание во время землетрясений. 4 ил.

Трубобетонная сейсмоизолирующая опора, состоящая из трубобетонной колонны с шарнирными узлами сопряжения с фундаментом и перекрытием, двух закладных деталей в виде стальных пластин и жестко соединенных с ними стальных цилиндров, входящих в тело трубобетонной колонны и имеющих диаметр от 0,05 до 0,25 диаметра ее поперечного сечения, а также гасителей колебаний, размещенных в верхней и нижней частях колонны в пространстве между стальной пластиной, боковой поверхностью стального цилиндра и внутренней поверхностью трубы трубобетонной колонны, состоящие как минимум из одного слоя элементов гасителей колебаний, изготовленных из материала с прочностью R > 1,5×Rb , где Rb - прочность бетона трубобетонной колонны, при этом свободное пространство между внутренней поверхностью трубы и слоями элементов заполнено эластичным материалом, отличающаяся тем, что гасители колебаний выполнены из элементов в форме правильных пирамид с квадратными основаниями и элементов в форме тетраэдров, причем основания каждого ряда пирамид расположены горизонтально и плотно соприкасаются своими ребрами с соседними элементами ряда, а вершины пирамид каждого ряда касаются точек сопряжения оснований четырех соседних пирамид другого ряда, при этом тетраэдры заполняют часть пустого пространства, образующегося между боковыми поверхностями правильных пирамид верхнего и нижнего рядов, причем сторона основания каждой пирамиды имеет размер: а < 0,25(d_b – d_c), где:

d_b - бетонного ядра трубобетонной колонны, мм,

d_c - диаметр стального цилиндра, мм,

а высота всех слоев гасителей колебаний при этом составляет h ≤ 0,5(d_b – d_c).