ОПОРА СЕЙСМОСТОЙКОГО СООРУЖЕНИЯ
EARTHQUAKE-RESISTANT CONSTRUCTION SUPPORT

Опора сейсмостойкого сооружения
Изобретение относится к области строительства, в частности к опорам сейсмостойких сооружений (зданий).
Известны устройства для защиты сооружения от сейсмического воздействия, включающие резино-металлические опоры (РМО), выполненные из поочередно уложенных друг на друга упругих резиновых листов (прокладок) и металлических листов (акцептованная заявка JP №1-23633, Е04Н 9/02, Е04В 1/36, F16F 15/02, 1989 г.). В известных устройствах горизонтальное перемещение сооружения (здания) относительно фундамента происходит за счет деформации сдвига упругих резиновых листов.
Недостатком антисейсмических резино-металлических опор является изменение физико-механических свойств материала прокладок при неблагоприятных условиях эксплуатации сооружения. Кроме того, к недостаткам можно отнести отсутствие достаточной по величине восстанавливающей силы, обеспечивающей возможность возвращения сооружения (здания) в исходное положение относительно фундамента после взаимного смещения последних при сейсмическом воздействии.
Отмеченных недостатков не имеют сейсмоизолирующие опоры кинематического типа. Наиболее простыми по конструктивному исполнению являются опоры, в которых относительные перемещения сооружения и фундамента обеспечиваются расположенными в зазоре между нижней торцевой поверхностью сооружения (здания) и фундаментом жесткими звеньями, которые непосредственно воспринимают и передают весовую нагрузку от сооружения (здания) на фундамент.
Известно устройство адаптивной сейсмозащиты зданий и сооружений по патенту RU 2200810 С2 (Е04Н 9/02, Е02D 27/34, 2003 г.). Известное устройство включает первый или цокольный этаж из крестообразных стоек, обладающих свойством «Ваньки-встаньки» и образованных парой панелей с закругленными верхними и нижними гранями, имеющих паз на одной из закругленных граней и соединенных между собой посредством заведения паза одной в паз другой. В элементах нижней и верхней обвязки, являющихся фундаментными подушками, и элементах верхней обвязки, являющихся частью перекрытия первого или цокольного этажа, предусмотрены борозды. Крестообразные стойки, обладающие свойством «Ваньки-встаньки», выполнены с возможностью качения во время землетрясения по указанным бороздам, а закругленные грани выполнены с переменной кривизной так, что эта кривизна, играя роль включающихся и выключающихся связей, ограничивает развитие больших горизонтальных перемещений, действующих на здание.
Однако известное устройство имеет относительно низкую несущую способность, т.к. весовая нагрузка ограничена допустимыми контактными напряжениями при качении крестообразных стоек по соответствующим бороздам. Кроме того, известное устройство не предполагает возможности его «перенастройки» в зависимости от массы сооружения (здания) или от конкретных условий региона эксплуатации (т.е. не предполагает возможности изменения характеристик устройства).
Известно устройство сейсмостойкого здания по патенту RU 2066362 С1 (Е04Н 9/02, 1996 г.). В известном устройстве между нижним жестким этажом здания и плитой фундамента размещены сейсмоизолирующие элементы из шаровых сегментов и упругих вставок, размеры которых и каждого сейсмоизолирующего элемента определены из заданных определенным образом соотношений. Известное устройство позволяет повысить сейсмостойкость здания за счет понижения частоты собственных колебаний системы здания - сейсмоизоляция и выведения ее из диапазона частот спектра сейсмических волн, опасного в данной точке поверхности Земли.
Недостатком известного устройства является относительно низкое значение весовой нагрузки, передаваемой сферической поверхностью шарового сегмента при контакте с соответствующей ответной плоской поверхностью. Кроме того, известное устройство не предполагает возможности его «перенастройки», например, в зависимости от массы здания или от конкретных условий региона эксплуатации.
Известна опора сейсмостойкого здания по патенту RU 2063503 С1 (Е04Н 9/02, 1996 г.). Опора размещена между строительными конструкциями здания и образована из части сферы с внесенным в нее цилиндром, упругого элемента, расположенного в нише последней, и жесткого цилиндрического элемента, который установлен в полости части сферы и оперт на упругий элемент нижней частью. Жесткий цилиндрический элемент установлен в упомянутой полости с возможностью его перемещения по вертикали относительно части сферы и имеет оголовок с горизонтальным основанием. Диаметр оголовка жесткого цилиндрического элемента равен диаметру цилиндра. Основание последнего совпадает с горизонтальным основанием части сферы. В варианте осуществления упругий элемент выполнен в виде дисковой пружины с прокладками из упруго-пластического материала и ядром из прокаленного песка. Упругий элемент может быть заменен при необходимости. Нижняя строительная конструкция здания имеет выемку, в которой размещена основанием упомянутая часть сферы. Полость между частью сферы и стенками выемки заполнена песком с образованием демпфера, обеспечивающего вязкое затухание колебаний. Опора такой конструкции представляет собой самовосстанавливающуюся связь.
К недостаткам известного устройства можно отнести следующие:
- при использовании подобной опоры горизонтальное перемещение здания относительно фундамента сопровождается его вертикальным перемещением (колебаниями);
- высокий уровень контактных напряжений в узле взаимодействия верхней торцевой поверхности цилиндра, возникающих при наклоне опоры, что существенно ограничивает несущую способность опоры;
- демпфирование горизонтальных колебаний определяется качеством песка, заполняющего выемку в нижней строительной конструкции здания, что не позволяет оптимизировать демпфирующие характеристики устройства;
- сложность конструктивного исполнения опоры.
Известно опорное устройство для многоэтажного сейсмостойкого здания по патенту RU 2214491 C1 (E04Н 9/02, 2003 г.). В многоэтажном сейсмостойком здании, включающем фундамент, пространственно-жесткие верхние этажи, гибкие стойки и центральную опору, гибкие стойки выполнены из эластично-упругих пластинчатых элементов дугообразной формы, например из рессорного металла, опирающихся одним концом о базовый опорный пояс фундамента здания, а другим концом закрепленных к опорному поясу нижнего перекрытия здания. Фундамент выполнен в виде заглубленного в грунт центрального ствола, к верхней части которого жестко прикреплена горизонтальная плита. На горизонтальную плиту уложен и прикреплен к ней базовый опорный пояс, который имеет центральное углубление обычно сферической формы. В углублении нижнего (базового) опорного пояса находится центральная опора, которая может быть выполнена в виде сплошной или полой сферы, эллипсоида вращения, усеченного конуса (или, в частности, цилиндра), а также вариант в виде чечевицеобразного тела. В случае применения усеченного конуса или цилиндра их основания имеют верхние и нижние сферические опорные поверхности. Центральная опора имеет контактные поверхности, сопряженные со сферическими контактными поверхностями опорных поясов. Базовый опорный пояс фундамента здания и опорный пояс нижнего перекрытия здания дополнительно связаны демпфирующими устройствами. Демпфирующие устройства могут быть различной конструкции, например, в одном из вариантов они представляют собой гидравлические или воздушные демпферы цилиндро-поршневого типа, которые шарнирно связаны с соответствующими опорными поясами. В варианте выполнения эластично-упругие пластинчатые элементы и демпфирующие устройства равнорасположены осесимметрично относительно вертикальной оси центральной опоры. При сейсмическом воздействии на здание антисейсмические устройства создают свободу углового (наклон) и горизонтального (в меньшей мере и вертикального) перемещения каркаса здания относительно фундамента. В процессе воздействия внешнего возмущения происходит незначительное перекатывание центральной опоры по углублению нижнего опорного пояса, а верхнего опорного пояса по центральной опоре (по сферическим контактным поверхностям). При этом энергия воздействия поглощается системой гибких стоек, выполненных в виде эластично-упругих пластинчатых элементов дугообразной формы. Таким образом, система гибких стоек и демпфирующих устройств гасит внутреннюю энергию, накапливающуюся в процессе деформирования системы под воздействием внешних нагрузок.
Недостатком известного устройства является использование одной центральной опоры, что приводит к резкому возрастанию опрокидывающего момента при горизонтальных перемещениях здания и особенно при наклонах высотных зданий. Наличие восстанавливающего момента, создаваемого только гибкими стойками, в этом случае может быть явно недостаточным (реакция центральной опоры от весовой нагрузки не создает восстанавливающего момента). Вместе с этим не используется реакция центральной опоры для возвращения здания в исходное положение при наклонах. Кроме того, в известном устройстве податливость гибких стоек, выполненных в виде эластично-упругих пластинчатых элементов дугообразной формы из рессорного металла, существенно зависит от направления перемещения здания. При перемещении здания в направлении, тангенциальном по отношению к расположенной, по существу, радиально гибкой стойке, существенно снижается податливость последней, что может сопровождаться разрушением стойки. Также можно отметить, что система, сопровождаемая обкаткой опор, характеризуется высоким уровнем контактных напряжений в центральной опоре и снижением несущей способности опоры. Демпфирование горизонтальных перемещений предложенной системой демпфирующих устройств малоэффективно, т.к. они работают в основном при наклоне здания. Кроме того, при использовании подобного устройства усложняется задача оптимизации сейсмозащиты с обеспечением минимизации горизонтального нагружения здания.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков с заявляемым изобретением является опора сейсмостойкого сооружения (здания) по патенту RU 2073781 C1 (E04Н 9/02, 1997 г.). Известная опора содержит стойку, имеющую каждая сферические торцы, которые установлены в ответных стаканах, верхний из которых выполнен с возможностью закрепления на опорной плите сооружении, а нижний - на фундаменте. Зазор между внутренней поверхностью стакана и помещенной в нем стойкой заполнен упруго-пластическим материалом. Центр радиуса каждой торцевой сферы стойки расположен в пределах ее длины от середины до противоположного торца, что позволяет назначать различные периоды свободных колебаний системы здания в широком диапазоне. Таким образом, при одинаковой высоте стоек изобретение позволяет проектировать системы с различным периодом свободных колебаний, изменяя величины радиуса сфер.
Однако известная опора не предполагает возможности изменения частоты собственных колебаний сооружения (здания), что не позволяет «настроить» колебательную систему на оптимальную частоту и тем самым снизить возможность резонансного нарастания амплитуды колебаний. Вместе с этим в известной опоре имеет место существенное ограничение передаваемых через нее нагрузок от сооружения на фундамент, которые ограничены допустимым уровнем напряжения в точке контакта сферического торца стойки с ответной опорной поверхностью стакана. Кроме того, можно отметить крайне низкое значение диссипативных сил в энергопоглощающем упруго-пластическом материале, заполняющем зазор между внутренней поверхностью стакана и стойкой, ограничивающем декремент затухания.
Задача, решаемая изобретением, заключается в создании опоры сейсмостойкого сооружения, обеспечивающей повышение технико-эксплуатационных характеристик.
Указанная задача решается тем, что опора сейсмостойкого сооружения, содержащая стойку, имеющую сферические торцы, которые установлены в ответных стаканах, верхний из которых выполнен с возможностью закрепления на опорной плите сооружения, а нижний - на фундаменте, согласно изобретению снабжена верхней и нижней стержневыми плитами, продольными стержневыми демпфирующими элементами и продольными пластинчатыми упругими элементами. Упомянутые продольные элементы расположены вокруг стойки параллельно оси последней, причем их концевые части защемлены соответственно на верхней и нижней стержневых плитах. Стаканы соединены соответственно со стержневыми плитами и выполнены каждый со сферической пятой, взаимодействующей с соответствующим сферическим торцом стойки. Продольные пластинчатые упругие элементы выполнены каждый в виде пакета пластин. Концевые части пакета пластин защемлены каждая в направлении, ортогональном плоскости пакета пластин, с образованием шарнира в плоскости пакета пластин. По меньшей мере два пакета пластин расположены во взаимно пересекающихся плоскостях.
Вместе с этим стаканы выполнены каждый как единое целое с соответствующей стержневой плитой.
Кроме того, продольные стержневые демпфирующие элементы и продольные пластинчатые упругие элементы установлены вокруг стойки через один.
Упомянутые продольные элементы могут быть установлены равномерно по окружности.
В варианте выполнения одна из концевых частей продольного стержневого демпфирующего элемента защемлена в стержневой плите с возможностью продольного перемещения при сейсмическом воздействии.
В заявляемой опоре весовая нагрузка, передаваемая через стойку, распределяется по площади контактирующих сферических поверхностей торца стойки и пяты стакана. Подобное распределение нагрузки по площади контактирующих сферических поверхностей позволяет во много раз повысить несущую способность стойки по сравнению с ближайшим аналогом по патенту RU 2073781. Использование в качестве демпфирующих элементов изгибаемых в процессе сейсмического воздействия продольных стержневых элементов, выполненных из мягкой стали, например типа 08Х18Н10Т, концевые части которых защемлены соответственно на защищаемом сооружении и на фундаменте, позволяет получить требуемую по условиям минимизации сейсмических нагрузок на сооружение диаграмму энергопоглощения заявленной опоры при колебательном движении сооружения относительно фундамента. Стабильность механических свойств материала стержневых элементов гарантирует стабильность диссипативных характеристик опоры. При этом требуемые для конкретного региона эксплуатации сооружения диссипативные характеристики (т.е. целевые характеристики опоры сейсмостойкого сооружения) могут быть обеспечены путем изменения количества продольных стержневых демпфирующих элементов.
Благодаря наличию в опоре «восстанавливающих» продольных пластинчатых упругих элементов, выполненных каждый в виде пакета пластин, концевые часта которых защемлены каждая соответственно на защищаемом сооружении и на фундаменте в направлении, ортогональном плоскости пакета пластин, с образованием шарнира в плоскости пакета пластин, при перемещении сооружения в указанном направлении происходит изгиб пластин с накоплением в них потенциальной энергии деформации, за счет которой опорная стойка опоры сооружения может быть возвращена в положение, близкое к ее исходному (начальному) положению. При этом скорость возвращения сооружения в исходное положение в зависимости от частоты собственных горизонтальных колебаний сооружения определяется количеством используемых упругих элементов и их упругими характеристиками. Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает возможность изменения суммарной упругой характеристики опоры сейсмостойкого сооружения в оптимальном диапазоне, обеспечивающем минимизацию нагружения сооружения.
Каждый из пакетов пластин создает упругое сопротивление перемещению сооружения (здания) относительно фундамента и, соответственно, «возвращает» сооружение в положение, близкое к исходному (начальному) положению после сейсмического воздействия только в одном направлении - в направлении, ортогональном плоскости пакета пластин. Что касается любого другого по направлению перемещения защищаемого сооружения, то это перемещение, как вектор, может быть разложено на два независимых, взаимно перпендикулярных перемещения:
перемещение в направлении, ортогональном плоскости пакета пластин, сопровождаемое изгибом пакета пластин, и перемещение в плоскости пакета пластин, сопровождаемое поворотом пакета относительно оси соответствующего шарнира. В направлении, параллельном плоскости пакета пластин, пакет пластин не оказывает упругого сопротивления перемещению сооружения и не способствует перемещению («возвращению») сооружения в исходное положение, т.к. при этом отсутствует изгиб пластин. При перемещении сооружения в направлении, совпадающем с плоскостью расположения пакета пластин, для возвращения сооружения в исходное положение необходим другой пакет пластин, расположение плоскости пластин которого было бы отличным от расположения плоскости первого пакета пластин. Таким образом по меньшей мере два пакета пластин должны быть расположены во взаимно пересекающихся плоскостях (т.е. - не в общей плоскости и не в параллельных плоскостях).
По существу заявляемая опора представляет собой конструкцию, которая полностью собирается на заводе-изготовителе и поставляется на место строительства защищаемого сооружения (здания) в виде готового модуля, параметры которого отлажены под конкретное сооружение и конкретные сейсмогеологические условия. Подобное конструктивное исполнение опоры позволяет существенно сократить объем монтажно-строительных работ, уменьшить их трудоемкость и, следовательно, сократить сроки и стоимость строительства сооружения в целом.
Технический результат использования изобретения состоит в том, что оно обеспечивает приспособляемость опоры сейсмостойкого сооружения к массогабаритным характеристикам сооружения и к конкретным условиям региона эксплуатации с обеспечением минимизации горизонтального нагружения защищаемого сооружения.
На фиг.1 схематично показана опора сейсмостойкого сооружения, общий вид, продольный разрез по Б-Б на фиг.2; на фиг.2 - то же, поперечный разрез по А-А на фиг.1.
Опора сейсмостойкого сооружения содержит стойку 1, имеющую сферические торцы, которые установлены в ответных верхнем и нижнем стаканах 2. Верхний стакан 2 выполнен с возможностью закрепления на опорной плите защищаемого сооружения 3, а нижний - с возможностью закрепления на фундаменте 4. В варианте осуществления изобретения верхний и нижний стаканы 2 установлены в центральных отверстиях верхней 5 и нижней 6 стержневых плит (обойм) и выполнены каждый со сферической пятой 7, взаимодействующей с ответным сферическим торцом стойки 1 (по существу стаканы пропущены через центральные отверстия в стержневых плитах). Таким образом, весовая нагрузка распределяется по площади контактирующих сферических поверхностей торца стойки 1 и пяты 7. Подобное распределение передаваемой через стойку нагрузки по площади контактирующих сферических поверхностей позволяет во много раз повысить несущую способность стойки по сравнению с ближайшим аналогом по патенту RU 2073781.
В другом варианте (на чертеже не показано) стаканы 2 выполнены каждый как единое целое с соответствующей стержневой плитой.
В варианте осуществления изобретения стойка 1 выполнена в виде трубы 8, к торцам которой прикреплены соответственно сферические опорные элементы 9. Нижний стакан 2 установлен на фундаменте 4 посредством плиты 10, которая жестко соединена с последним. Верхний стакан 2 связан с сооружением 3 через прослойку бетона 11, заливаемого при установке опоры на штатное место, и закреплен, например с помощью сварки посредством накладки 12, установленной между основанием верхнего стакана 2 и закладным элементом 13 защищаемого сооружения.
Устройство снабжено продольными стержневыми демпфирующими элементами 14 и продольными пластинчатыми упругими элементами 15. Элементы 14 и 15 установлены между верхней 5 и нижней 6 стержневыми плитами и расположены вокруг стойки 1 параллельно оси последней. В варианте выполнения продольные стержневые демпфирующие элементы 14 и продольные пластинчатые упругие элементы 15 установлены равномерно по окружности через один. Концевые части элементов 14 и 15 защемлены соответственно на верхней 5 и нижней 6 стержневых плитах (обоймах).
Продольные пластинчатые упругие элементы 15 выполнены каждый в виде пакета пластин (плоских полос) 16, например из пружинной стали. Концевые части пакета пластин защемлены в направлении, ортогональном плоскости пакета пластин, с образованием шарнира в плоскости пакета пластин. В варианте осуществления изобретения это реализовано следующим образом. На концах пластин 16 выполнены отверстия, через которые пропущены соответственно оси 17, опирающиеся каждая на соответствующие стержневую плиту (обойму) и крышку 18. При этом концевые части пакета пластин защемлены каждая посредством соответствующих накладок 19 и болтов 20. Для исключения действия на пластины 16 растягивающих усилий при больших взаимных перемещениях сооружения и фундамента отверстия в пластинах под оси 17 на одном из концов каждого пакета пластин 16 в сечении имеют вид удлиненных в продольном направлении пазов.
В варианте осуществления изобретения нижняя по чертежу концевая часть продольного стержневого демпфирующего элемента 14 защемлена с возможностью продольного перемещения в вертикальном направлении. При таком выполнении практически исключается растяжение стержневых элементов 14 и демпфирование поперечных нагрузок, которые передаются на сооружение при сейсмическом воздействии, осуществляется в основном за счет изгиба элементов 14. Таким образом повышается стабильность демпфирующих характеристик и обеспечивается возможность оптимизации демпфирующих характеристик заявляемой опоры.
Опора сейсмостойкого сооружения работает следующим образом.
Опоры на место строительства защищаемого сооружения доставляются полностью собранными в виде отдельных модулей и устанавливаются в определенных местах между фундаментом и опорной плитой сооружения.
В нормальных условиях эксплуатации сооружения (при отсутствии сейсмических возмущений) стойки 1 опор находятся в вертикальном положении, в котором их устойчивость обеспечивают продольные стержневые демпфирующие элементы 14 и продольные пластинчатые упругие элементы 15.
При воздействии горизонтальной сейсмической волны происходит наклон стоек 1, который сопровождается горизонтальным смещением сооружения относительно фундамента. При этом происходит пластический изгиб продольных стержневых демпфирующих элементов 14 и упругий изгиб продольных пластинчатых упругих элементов 15 в плоскости, ортогональной плоскости пакета пластин 16. Относительное перемещение сооружения и фундамента в направлении, параллельном плоскости пакета пластин элемента 15, происходит без изгиба пластин 16. Это перемещение сопровождается поворотом пакетов пластин 16 на осях 17 (т.е. - наклоном пакетов пластин). Шарнирное закрепление концов пакета пластин предохраняет пластины 16 от изгиба в плоскости пластин, т.е. - от изгиба в направлении, в котором пластины обладают высокой жесткостью и относительно низкой податливостью и таким образом предохраняет пластины 16 от разрушения при больших относительных перемещениях сооружения относительно фундамента в направлении, параллельном плоскости пакета пластин. При перемещении сооружения в ортогональном плоскости пакета пластин направлении происходит изгиб пластин 16 с накоплением в них потенциальной энергии деформации, за счет которой опорная стойка 1 может быть возвращена в положение, близкое к ее исходному (начальному) положению.
Выполнение элементов 15 в виде пакетов пластинчатых пружин, упруго деформируемых в процессе сейсмического воздействия, практически не ограничивает количество циклов нагружения элементов 15. Вместе с этим, благодаря особенности исполнения заявляемой опоры, обеспечивается возможность свободного доступа к продольным пластинчатым упругим элементам 15 для их осмотра и обследования и при необходимости - возможность их замены.
Выполнение стержневых демпфирующих элементов 14 из мягкой стали, например типа 08Х18Н10Т, наряду с их высокой коррозионной стойкостью, при пластической деформации в пределах 2% обеспечивает их работоспособность в пределах ~500 циклов нагружения опоры, что является достаточным для длительной эксплуатации сооружений в большинстве сейсмоопасных регионов.
Таким образом, благодаря особенности исполнения опоры сейсмостойкого сооружения, изобретение позволяет создать опору, обеспечивающую повышение технико-эксплуатационных характеристик. При этом изобретение обеспечивает приспособляемость опоры сейсмостойкого сооружения к массогабаритным характеристикам сооружения и к конкретным условиям региона эксплуатации с обеспечением минимизации горизонтального нагружения защищаемого сооружения.