ОПОРА ПРОТИВОПАВОДКОВОЙ КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к области строительства, а именно к основным элементам здания, которые обеспечивают его сохранность при воздействии подтоплений и наводнений с широким диапазоном изменения их уровня. Предлагаемую опору наиболее целесообразно использовать при строительстве индивидуальных домов, основные несущие конструкции которых выполнены преимущественно из облегченных материалов - дерева, пенобетона, панелей типа «сэндвич» и др.
Известны конструкции зданий, предусматривающие использование фундаментов в виде понтонов. Принимая во внимание высокую стоимость подобных фундаментов, использование таких конструкций, с учетом экономической целесообразности, возможно в специальных условиях - на воде. Другим недостатком таких конструкций является их непривлекательность с точки зрения архитектуры в традиционных населенных пунктах, расположенных на суше.
Наиболее близким техническим решением является решение по патенту РФ №2074303, кл. Е 04 Н 9/02, 1994 г. [1], принятое за прототип. Известная сейсмостойкая конструкция здания обеспечивает его сохранность и при наводнениях. Она содержит опору со стойкой, закрепленной на фундаменте с чашей в своей верхней части, и стаканом, обращенным дном к дну чаши, заполненной жидкостью между ними с расстоянием между стенками чаши и стаканом соответствующим максимальной амплитуде колебаний при землетрясении, причем стакан соединен арматурой с нижней плитой блока здания, которая размещена с зазором относительно грунта с размером не менее максимальной величины вертикальной амплитуды колебания и возможного подтопления.
Недостатком известной опоры является то, что она имеет: а) - большой объем внутри чаши, а также, б) - большой размер между опорной нижней плитой блока здания и грунтом, который определяется максимальной величиной амплитуды колебания и максимальным зарегистрированным в данной местности уровнем подтопления - иногда в несколько метров. Большой размер искажает внешний вид здания и создает затруднения в архитектурной проработке. Это особо значимо при малоэтажном индивидуальном строительстве.
Не освобождена в полном объеме от указанных недостатков (сохраняется
недостаток по п.«б») и в опоре по патенту РФ №2143031, кл. Е 02 Д 27/34, Е 04 Н 9/02, 1999 [2] 2, обеспечивающей сейсмостойкость здания и его сохранность при наводнениях, но имеющей более сложную конструкцию.
Таким образом, известное, принятое за прототип техническое решение не избавлено в полном объеме от негативного влияния на внешний вид здания вспомогательных элементов.
Задачей предлагаемой полезной модели является исключение влияния конструкции противопаводковой опоры на внешний вид здания.
Поставленная задача достигается тем, что в опоре противопаводковой конструкции здания, содержащей заполняемую жидкостью, например водой, емкость с камерой внутри с зазорами между их боковыми поверхностями и установленной с возможностью вертикального перемещения в емкости на расстояние от дна, соответствующее колебанию возможного подтопления, при этом камера соединена с опорным элементом здания, предлагаемая опора противопаводковой конструкции здания снабжена источником сжатого газа, например, баллоном со сжатым воздухом, камера выполнена газонаполняемой с возможностью изменять свой «погружной» объем в жидкости, например, в виде стакана, обращенного кромками ко дну емкости, а его полость соединена посредством первого вентиля с источником сжатого воздуха, посредством второго вентиля соединена с атмосферой, емкость выполнена в грунте и сообщена каналом с дневной поверхностью.
Для снижения затрат, связанных с сооружением специальной емкости в грунте, в качестве нее могут быть использованы помещения и сооружения, расположенные в грунте, например, подвал или выгребная яма.
На рисунках 1-4 схематично представлена интерпретация реализации предлагаемого технического решения.
На фиг.1 представлена опора в разрезе по оси; на фиг.2 - вид опоры при подтоплении местности; на фиг.3 - вид опоры в состоянии ее срабатывания; на фиг.4 - вид опоры при использовании объема ее емкости в непаводковый период в качестве помещения для хранения овощей.
На фиг.1-4 введены следующие обозначения: 1 - здание; 2 опорная конструкция здания; 3 - грунт; 4 - уровень подтопления; 5 - емкость; 6 - канал; 7 - стакан; 8 - полость стакана; 9 - клапан; 10 - стержень; 11 - направляющая втулка; 12 - упор; 13 - источник сжатого воздуха; 14 - гибкий шланг; 15 - вентиль первый; 16 - вентиль второй; 17 - лаз; 18 - лестница; 19 - лари для овощей.
Защищаемое от воздействия паводковых вод здание 1, установлено на опорной
конструкции 2, которая устанавливается на поверхности грунта 3. Здание установлено в местности, подверженной подтоплению, например, паводковыми водами с уровнем подтопления 4. Опора включает емкость 5, которая посредством канала 6 сообщена с дневной поверхностью, причем верхний конец канала находится непосредственно у поверхности грунта. В емкости 5 установлен стакан 7 так, что его полость 8 кромками направлена в сторону дна емкости. На верхней поверхности стакана 7 установлен клапан 9, предназначенный для выпуска воздуха из полости стакана по мере ее заполнения жидкостью и герметизации ее при полном заполнении полости стакана жидкостью. Стержень 10 нижним концом соединен со стаканом 7, а верхним концом - с опорной конструкцией здания 2, и предназначен для передачи усилия, действующего на стакан, при закачивании в полость стакана воздуха, и определяемого согласно закона Архимеда. Стержень 10 при движении сопрягается с направляющей втулкой 11, установленной в грунте. Стержень снабжен упором 12, ограничивающим его ход при движении вниз. Опора снабжена источником сжатого газа, например баллоном со сжатым воздухом 13. В качестве источника сжатого воздуха может быть использован автомобильный компрессор или насос для накачивания автомобильных камер. Источник сжатого воздуха 13 соединен с полостью стакана 8 гибким шлангом 14 с установленным в нем вентилем первым 15, предназначенным для обеспечения подачи воздуха из баллона 13 в полость стакана 8. К воздушной линии между вентилем первым 15 и полостью стакана 8 подключен вентиль второй 16, предназначенный для выпуска воздуха в атмосферу из полости стакана по прошествии паводка и возвращении опоры в исходное состояние.
При использовании в качестве емкости подполья для хранения овощей в потолочной части емкости выполнен лаз 17, а объем емкости в непаводковый период оборудован лестницей 18 и ларями для хранения овощей 19.
Работает опора противопаводковой конструкции здания следующим образом. Здание 1 установлено на опорной конструкции 2, которая в свою очередь установлена на грунте. При возникновении наводнения вода с уровнем 4 заполняет земную поверхность вокруг здания. По каналу 6 паводковая вода с поверхности земли поступает в емкость 5 и заполняет ее. Одновременно вода поступает в полость стакана 8, заполняя ее. Для обеспечения полного заполнения полости стакана 8, стакан снабжен клапаном 9, выполненным в виде плавающего в воде шарика со штоком одностороннего перемещения. Шарик клапана находится в своем нижнем положении, в котором он устанавливается принудительно. Через канал клапана воздух, сжимаемый жидкостью, поступающей в полость стакана, свободно истекает из полости стакана. Уровень воды в полости стакана повышается. При достижении уровнем шарика клапана 9, последний перемещается водой
вверх и перекрывает канал клапана. Одновременно он фиксируется в этом положении посредством штока одностороннего действия, соединенного с ним. Таким образом, вода заполняет емкость 5 и полость стакана 8. Далее при закрытом втором вентиле 16 открывают первый вентиль 15. Воздух из баллона 13 по шлангу 14 начинает поступать в полость стакана 8, вытесняя из него воду. При этом уровень воды в полости стакана перемещается вниз, а объем воздуха в верхней части полости стакана увеличивается. Согласно закона Архимеда на потолок стакана действует сила Fa, значение которой можно определить исходя, из следующего выражения [3]:
3
р - плотность жидкости, кг/м;
2
q - ускорение силы тяжести, м/с;
3
w - объем воздуха в полости стакана (объем вытесненной из полости воды), м.
По мере заполнения полости 8 воздухом увеличивается его объем w, и соответственно, сила Fa. При увеличении Fa до условия, при котором соблюдается условие: Fa>G (где G - вес здания, включая вес элементов опоры, а также действующих сил сопротивления перемещению здания), стакан начинает двигаться вверх. Вверх начинают перемещаться и жестко соединенные со стаканом стержень 10, опорный элемент здания 2, и установленное на нем здание 1. Стакан перемещается вверх до упора в потолочную поверхность емкости 5 (фиг.4). Расстояние перемещения стакана выбирается равным максимальному, из наблюдавшихся ранее, значению наводнений в данной местности. Объем полости стакана w выбирается из следующего условия [3]:
w>G/p×q, где,
G - вес здания, включая вес элементов опоры, а также действующих сил сопротивления перемещению здания, кг;
3
р - плотность жидкости, кг/м;
2
q - ускорение силы тяжести, м/с.
В верхнем положении стакана здание находится над уровнем воды, образовавшемся в результате наводнения или паводка. В таком положении подвижная система опоры фиксируется механически (на схеме не показано), и удерживается в течение всего периода наводнения или паводка. При этом элементы строительных конструкций здания не контактируют с водой и этим предотвращается их разрушение механическими и гидравлическими воздействиями потока, а также физико-химическим воздействием воды. Вне опасности находятся и люди в здании.
Ниже приведены данные об опоре противопаводковой конструкции
индивидуального жилого дома.
2
3
2
Индивидуальный жилой дом из бруса размером 6 м×8 м имеет вес около 20 т, площадь под домом при этом составляет 48 м. Объем воздуха в стакане в рабочем положении в соответствии с формулой (1) должен быть не менее 20 м. И при площади сечения стакана равной 16 м (например, 4×4 м) высота стакана должна составлять не менее 1,25 м (она принята равной 2 м).
Избыточное давление в стакане для наполнения его воздухом и вытеснения из него воды определяется глубиной емкости 5 в соответствии с выражением, [3]:
Р=р×g×h,
3
где: р - плотность жидкости, кг/м;
2
q - ускорение силы тяжести, м/с;
h - глубина, на которой находятся края стакана, м.
При глубине емкости 5 равной 2 метрам, избыточное давление должно составлять 0,02 МПа, [3, стр.88-89; 293-294].
3
Для срабатывания опоры использован баллон емкостью 0,6 м со сжатым воздухом с начальным давлением 0,8 МПа.
По окончании паводкового периода или наводнения здание опускается на грунт. Для этого механическая система фиксации опоры разблокируется, перекрывается вентиль первый 15, и частично открывается вентиль второй 16. При этом воздух из полости стакана 8 по шлангу 14 через вентиль второй 16 истекает в атмосферу. Объем воздуха w в полости 8 уменьшается и с учетом выражения (1) уменьшается усилие Fa. При достижении условия G>Fa, здание с подвижной системой опоры начинает перемещаться вниз до установки на грунт, а стакана 8, при этом, - на дно емкости.
При больших весовых характеристиках здания для его защиты от паводков могут быть использованы одновременно несколько идентичных предлагаемой опор. При этом должны быть рассчитаны характеристики опор для конкретных точек их установки.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Патент РФ №2074303, кл. Е 04 Н 9/02 1994 г. (прототип)
2. Патент РФ №2143031, кл. Е 02 Д 27/34, Е 04 Н 9/02, 1999 г.
е
3. Бердников Г. и др. Физика: сборник задач. -9 изд. - М.: Рольф: Айрис-пресс, 1999 г., стр.57-62; 270-274.