Сейсмостойкое здание Советский патент 1985 года по МПК E04H9/02 

Изобретение относится к строительству, а именно к конструкциям сейсмостойких зданий, в том числе и высотных. По основному авт. св. № 675138 известно сейсмостойкое здание, включающее фундамент и надфундаментную конструкцию, между которыми размещен сейсмоизолирующий элемент, обращенная к фундаменту поверхность которого выполнен, сфери ческой с вертикальной осью симметрии и с переменным радиусом, увеличивающимся от оси симметрии к кр ям поверхности, а центр кривизны любой ее точки расположен выше центра тяжести здания tl3. I Недостатками этого сейсмостойкого здания являются низкие сейсмоизолируюпще свойства и незначительная возвращающая способность конструкции при действии и затухании сейсмического воздействия. Известно, что здания небольшой высоты (в 2-3 этажа) при сейсмическом воздействии испытывают в основном вертикальные и горизонтальные колебания, В зданиях значительной этажности при сейсмическом воздейст ВИИ наряду с указанными колебаниями возникают значительные крутильные колебания, возникающие в горизонтальной nnocKOCTiif относительно вертикальной оси здания. Это приводит к кручению центрального ствола здания, например коробчатого ядра жест кости, с преждевременным его разрушением. Таким образом, в высотном сейсмостойком здании совершенно не погашаются крутильные колебания, возникающие в горизонтальной гшоскости относите;льно вертикальной оси соору жения при сейсмическом воздействии Кроме того, указанное здание.при сейсмическом воздействии, отклоняясь на определенную величину, не вернется точно в свое исходное положение из-за несимметричного расположения временной нагрузки (снег люди и т.д.) на половине здания, а также вследствие местного искрив ления сферической поверхности сейс изолирутещего элемента в результате воэникновения значительных контакт ных напряжений. Цель изобретения - повышение сейсмостойкости здания за счет гашения крутильных колебаний в горизонтальной плоскости и увеличение возвратно-поступательного движения здания. Указанная цель достигается тем, что в сейсмостойком здании надфундаментйая конструкция выполнена с вер гикальными каналами, размещенными по периметру конструкции . и по ее вертикальной оси симметрии, а сейсмоизолирующий элемент - с наклонными и вертикальным каналами, соеди;неннымй с каналами надфундаментной конструкции и сходящимкся в точке пересечения вертикальной оси симметрии с выпуклой поверхностью сейсмоизолирующего элемента, при этом здание снабжено арматурными пучками, заанкеренными в фун-, даменте, 1фопущенными в каналах сейсмоизолирующего элемента и надфундаментной конструкции и прикрепленными к последней в верхней части посредством пружинных амортиза- . торов. Арматурные пучки могут быть установлены с начальным выравнивающим напряжением в пределах 0,05-0,1 нормативного сопротивления. На фиг. 1 схематически изображено здание, общий вид на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3. 4 и 5 - кинематические схемы здания. Сейсмостойкое здание включает фундамент 1 и надфундаментную конструкцию 2, между которыми размещен сейсмоизолирующий элемент 3, обращенная к фундаменту поверхность 4которого выполнена сферической с вертикальной осью 5 симметрии с переменным радиусом, увеличивающимся от оси 5 симметрии к краям поверхности 4, с центром 6 кривизны любой ее точки, расположенным выше центра 7 тяжести здания. . Надфундаментная конструкция 2 выполнена с вертикальными каналами 8, размещенными по периметру конструкции и по ее вер,тикальной оси 5симметрии. Сейсмоизолирующий элемент 3 выполнен с наклонными каналами 9 и с вертикальным каналом 10, соединенными с каналами 8 надфундаментной конструкции 2 и сходящимися в точке 11 пересечения вертикальной оси 5 симметрии со

сферической поверхностью 4 сейсмоизолирующего элемента 3.

В каналах 8, 9 и 10 прс.ущены арматурные пучки 12, заанкеренные в фундаменте 1 и прикрепленные к надфундаментной констру1 :ции 2 в ее верхней части, например в техническом этаже 13, посредством пружинных амортизаторов 14, верхний конец которых заанкерен в покрытии 15 технического этажа 13.

Для того, чтобы здание при незначительных сейсмических толчках не раскачивалось, могут быть установлены дополнительные опоры 16 в виде ломающихся при большой нагрузке подпорок или сильных пружин сжатия.

Арматурные пучки 12 установлены с предварительным выравнивающим напряжением в пределах 0,05-0,1 нормативного сопротивления с целью придания им строгой геометричности относительно оси пучка и оси каналообразователя, например для пучков включающих несколько сотен проволок, и для обеспечения выравнивания всех прядей пучков, например из семипроволочных прядей, при применении их в сейсмостойких зданиях.

Принцип работы сейсмостойкого здания отражен в кинематических схемах на фиг. 3 и 4 и заключается в следующем.

При сейсмических толчках возникает горизонтальное усилие Т, под воздействием которого здание отклоняется от вертикальной оси 5 на веп личину . 3) или соответствен но на угол d. Сейсмоизолирующий элемент 3 с криволинейной поверхностью 4, жестко связанный с надфун аментной конструкцией 2, отклоняется влево от вертикальной оси 5 иа величину а и займет новое положение (показано пунктиром) с точкой 17 опоры. При этом первоначальная точка 11 опоры поднимется вверх на величину f. Но такое отклонение возможно при условии, что пружинные амортизаторы 14 получают деформации еЛ„ , а арматурные пучки 12 - удлинения tfcii Соответственно этому в точке 11 возникает суммарное усилие

N Ы„ V N „. ,

где NJ,, Ny - усилия, развиваемые в пружинных амортизаторах 14 и арматурных пучках 12 при отклонении вертикальной оси надфундаментной конструкции 2 на угол. Л,

В точке 11 усилие N раскладывается на вертикальное N и горизонтальное NP составляющие. Из строительной механики известно, что если на здание действует усилие N с .эксцентриситетом а, то в этом случае возникает момент М N t который возвращает здание в первоначальное состояние вследствие упругих деформаций стали в. пружинах и стальных пучках.

Но так как в сейсмостойком здании центр 7 тяжести расположен ниже центра 6 кривизны сферической поверхности 4 сейсмоизолирующего элемента 3, то возвращению в исходное положение будет способствовать суммарный момент

М MO + М,,

где Мд - момент от действия собственного веса и временной нагрузки, М - дополнительный возвращательный момент от действия усилий, развиваемых в напрягаемых пучках и пружинах при отклонении вертикальной оси здания на угол с( при сейсмическом воздействии.

Действие двух возвращательных моментов повьшает сейсмостойкость здания и восстанавливает его в первоначальное состояние. В случае значительных и длительных сейсмических воздействий (фиг. 4) возникнет соответствующее горизонтальное усилие Т, 7 Т, под воздействием которого вертикальная ось 5 здания отклонится на величину Л 2 при этом первоначальная точка 11 опоры поднимается вверх на величину Л, и переместится влево по горизонтальной оси на величину а2 а и соответственно этому в точке 11 будет действовать усилие

N„2+ N„2,

N.

где Nni, No(2 усилия, развиваемые в пружинных амортизаторах 14 и арматурных пучках 12 при отклонении вертикальной оси 5 надфундаментной конструкции 2 на угол dZ .

В точке 11 усилие Nj раскладывается на составляющие N 2 и Nj и в соответствии с ранее изложенной мето$1142608

дикой возникает возвращательный

момент

Mj,

2

численно больший первоначального момента

М N а.

Таким образом устанавливается определенная закономерность в конструктивном решении здания, а именно: с возрастанием сейсмического воздействия увеличивается отклонение вертикальной оси 5 здания на угол pCg и перемещение точки

11опоры сейсмоизолирующего элемента на большую величину а„ а, но одновременно с этим увеличивается суммарный сейсмопогашающий момент от веса здания с временной нагрузкой и усилий, возникающих в арматурных пучках и пружинах.

В случае, если высотное здание испытывает крутильные колебания в горизонтальной плоскости, пучки 12 закручиваются по,спирали, как часового механизма, и в них возникают усилия, возвращающие здание в первоначальное положение. На фиг. 5 показан фрагмент плана сечения сейсмоизолирующего .элемента 3, в котором в целях упрощения показан один канал 8. Там же показано , что напрягаемые пучки 12. проходя в вертикальных и наклонных каналах 8, 9 и 10, закручиваются при действии крутильных колебаний 18 на некоторый угол оС .

В соответствии с этим вертикальный канал 8 из первоначального положения/А перейдет в состояние В. При этом если длина пучка 12 в исходном., состоянии на участке 11-А равна Й , то при повороте сейсмоизолирутещего элемента 3 длина пучка

12увеличится и составит

2- + прП + ЛупрПр

где Д,прП упругие деформации

растянутых пучков на

участке 11-А и по всей

высоте здания До рружинных амортизаторов , 14 в техническом этаже 13 i

Пр продольные деформации растянутого пружинного амортизатора 14. В соответствии с этими деформациями в пучке 12 и пружинном амортйзаторе 14 развивается усилие ыГ, которое будет больше первоначального исходного усилия на учасТке 11-А.

При дальнейшем увеличении сейсмического воздействия, соответственно и крутильного колебания, сейсмоизолирующий элемент 3 повернется на угол и 8 из положения В отойдет в местоположение С . Это

отклонение вызовет удлинение пружинных амортизаторов 14 и упругих деформаций пучков 12, в соответствии с этим в пучках 12 будут возникать усилия значительно больше,

чем усилия в пучке 12 в положении В. Таким же образом в других пучках 12 (условно не показанных) возникают усилия, которые и создают крутящий момект 19., погашающий сейсмическое воздействие в горизонтальной плоскости и возвращающий здание в исходное состояние.

Изобретение позволяет повысить сейсмостойкость здания к сейсмичесКИМ воздействиям за счет гашения крутильных колебаний в горизонтальной плоскости и увеличения возвратно-поступательной способности всего здания в исходное положение.

/т

Фи.Г

12

13

1В

1. СЕЙСМОСТОЙКОЕ ЗДАНИЕ по авт. св. № 675138, отличающееся тем, что, с целью повьшения сейсмостойкости за счет гашения крутильных колебаний в горизонтальной плоскости и увеличения возвратно-поступательного движенин здания, надфундаментная кон струк1дая выполнена с вертикальными . каналами, размещенными по периметру конструкции и по ее вертикальной оси симметрии, а сейсмоизолирующий элемент - с наклонными и вертикальным каналами, соединенными с каналами надфундаментной конструкции и сходящимися в точке пересечения вертикальной оси симметрии с выпуклой поверхностью сейсмоизолирующего элемента, при этом здание снабжено арматурными пучками, заанкеренными в фундаменте, пропущенными в каналах сейсмоизолирующего элемента и надфундаментной конструкции и прикрепленными к последней в ее верхней части посредством пружинных амортизаторов. 2. Сейсмостойкое здание по п. 1, (Л отличающееся тем, что арматурные пучки установлены с начальный вьфавнивающим напряжением в пределах 0,05-0,1 нормативного . сопротивления.

5-Л

Фиг.