Система защиты строительных конструкций от сверхнормативных взрывных, ударных и сейсмических воздействий
PROTECTION SYSTEM FOR CONSTRUCTION STRUCTURES FROM OVER-STANDARD EXPLOSIVE, SHOCK AND SEISMIC EFFECTS

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для обеспечения живучести строительной конструкции при неоднократном сверхнормативном взрывном, ударном и сейсмическом воздействии, а также при проектировании и строительстве защитных сооружений гражданской обороны.
Известен каркас сооружения по патенту на изобретение RU 2085685, МПК E04H 009/00, E04H 009/02, E04B 001/24, E04B 001/18, E04B 001/92, E04C 003/38, опубликованный 27.07.1997, включающий фундаменты, стойки и ригели с фасонками, шарниры в узлах соединения стоек с фундаментами и ригелями, часть которых выполнена в виде пластин и соединяющих их опорных пальцев, и болты, где все шарниры выполнены из пластин и опорных пальцев, а их пластины установлены на фундаментах и торцах стоек и ригелей, причем стойки и ригели выполнены трубчатыми, а фасонки расположены на расстоянии от узлов соединения стоек и ригелей, при этом каркас снабжен энергопоглощающими устройствами, установленными между фасонками стоек и ригелей и соединенными с ними болтами. Также каждое энергопоглощающее устройство выполнено в виде нижнего и верхнего опорных столиков из швеллеров, первый из которых прикреплен к фасонке стойки, а второй к фасонке ригеля, блока из податливого материала с вертикальными каналами, установленного между верхним и нижним опорными столиками, и пружин, размещенных в каналах блока и закрепленных верхним концом на верхнем опорном столике, а нижним концом на нижнем опорном столике посредством опорных дисков, шайб и гаек.
Данное изобретение позволяет повысить эффективность защиты зданий, сооружений от взрывов путем увеличения быстродействия и надежности срабатывания с помощью энергопоглощающих элементов конструкций
Однако изобретение не учитывает степень податливости энергпоглощающих элементов и влияние данных элементов на строительные конструкции во время и после аварийного нагружения. Это важно, так как в некоторых случаях податливость может показать отрицательный эффект.
Наиболее близким аналогом для заявляемого изобретения, который принят за прототип, является устройство для обеспечения живучести строительных конструкций при кратковременном динамическом воздействии по патенту на изобретение RU 2428549, МПК E04H 9/00, опубликованный 10.09.2011. Устройство содержит опору из нижнего металлического элемента, закрепленного на опорной поверхности, и верхнего металлического элемента, на который непосредственно опирается строительная конструкция, причем один из этих элементов установлен с возможностью вертикального перемещения, и металлическую вставку круглого сечения, расположенную между нижним и верхним элементами. Нижний и верхний элементы опоры выполнены в виде пластин, а металлическая вставка выполнена в виде сминаемой вставки и имеет поперечное сечение в виде кольца, причем длина сминаемой вставки определяется по приведенной зависимости с учетом наружного радиуса вставки, толщины ее стенки, сопротивление материала и действующей нагрузки. Технический результат состоит в повышении живучести строительной конструкции при различных видах кратковременных динамических нагрузок, обеспечении сохранности несущей способности строительной конструкции, снижении материалоемкости.
Положительным аспектом данного устройства является то, что основная часть кинетической энергии удара воспринимается и гасится промежуточными элементами (вставками), сохраняя строительную конструкцию от разрушения и обеспечивая тем самым ее живучесть. При этом размеры вставок используются в соответствии с рассчитанной нагрузкой на опорную поверхность. Однако положительное влияние экспериментально доказано только лишь на стержневых конструкциях балочного типа и не охватывает пространственные конструкции типа оболочки или плиты, опертой по контуру, так как работа конструкции подразумевается в двух направлениях, а у балок только в одном.
Помимо этого предложенная система защиты направлена на обеспечение живучести строительной конструкции, только при однократном воздействии. К недостаткам устройства по прототипу следует также отнести подвижность сминаемых вставок в горизонтальном направлении при воздействии динамических нагрузок.
Изобретением решается техническая проблема, заключающаяся в обеспечении живучести строительной конструкции при неоднократном сверхнормативном взрывном, ударном и сейсмическом воздействии, а также расширении области применения системы защиты.
Технический результат заключается в максимальном сохранении эксплуатационных характеристик строительных конструкции при неоднократном воздействии за счет применения предложенной системы защиты с минимальным временем готовности к повторному сверхнормативному взрывному, ударному и сейсмическому воздействию и исключения подвижности сминаемых вставок при воздействии нагрузок.
Технический результат и решение технической проблемы достигаются следующим образом.
Система защиты строительных конструкций от сверхнормативных взрывных, ударных и сейсмических воздействий, как и устройство по прототипу, включает опору со стальными сминаемыми вставками кольцевого поперечного сечения, нижняя часть которой закреплена на опорной поверхности, а стальные сминаемые вставки равномерно установлены на опорной поверхности. Длина каждой сминаемой вставки выполнена с учетом наружного радиуса сминаемой вставки, толщины ее стенки, сопротивления материала и действующей нагрузки.
n
n
В отличие от прототипа нижняя часть опоры в заявляемой системе состоит из отдельных опорных пластин, количество которых равно количеству сминаемых вставок. Ширина каждой опорной пластины составляет не менее πR, где R - наружный радиус сминаемой вставки, а длина соответствует длине сминаемой вставки. Для установки указанных опорных пластин на опорной поверхности выполнены углубления, глубина которых равна сумме толщины опорной пластины и толщины стенки сминаемой вставки. Отличием от прототипа является также то, что на опорной поверхности дополнительно установлены плоские домкраты, подключенные к насосной станции, их количество n соответствует формуле n=Р/P, где P - вес строительной конструкции, P - грузоподъемность домкрата. Для установки домкратов в опорной поверхности выполнены углубления. Глубина углублений соответствует рабочему выходу поршня на высоту, не менее наружного диаметра сминаемой вставки.
В частных случаях выполнения опорная поверхность может быть в виде круглой рамы, ригеля, квадратной или прямоугольной рамы.
Длина l каждой сминаемой вставки рассчитывается по формуле
где P - допустимая расчетная вертикальная нагрузка, приходящаяся на опорную поверхность, включая собственный вес конструкции;
R - наружный радиус кольца поперечного сечения сминаемой вставки;
σ - сопротивление стали при изгибе сминаемой вставки;
s - толщина стенки сминаемой вставки.
В случае выполнения опорной поверхности в виде квадратной или прямоугольной рамы длина  и  каждой i и j сминаемых вставок, устанавливаемых на взаимно перпендикулярных сторонах рамы, соответствующих условно осям x и у, может быть рассчитана по формулам
i
где Q - сосредоточенная сила, действующая на i сминаемую вставку,
j
Q - сосредоточенная сила, действующая на j сминаемую вставку,
R - наружный радиус сминаемой вставки;
[σ] - сопротивление материала сминаемой вставки;
s - толщина стенки сминаемой вставки,
i
j
причем сосредоточенные силы Q и Q, действующие на i и j сминаемые вставки, рассчитывают по формулам
где a - длина одной из сторон рамы, расположенная вдоль оси у;
b - длина смежной стороны рамы, расположенная вдоль оси x;
i
x - для первой сминаемой вставки, расположенной на стороне рамы длиной b, - это начало координат, а для каждой последующей установленной i-й сминаемой вставки - координата средней точки, расположенной между геометрическим центром i-й сминаемой вставки и геометрическим центром предыдущей сминаемой вставки;
i+1
x - координата средней точки, расположенной между геометрическим центром i-й сминаемой вставки и геометрическим центром последующей
i+1 сминаемой вставки;
j
у - для первой сминаемой вставки, расположенной на стороне рамы длиной a, - это начало координат, а для каждой последующей j-й сминаемой вставки - координата средней точки, расположенной между геометрическим центром j-й сминаемой вставки и геометрическим центром предыдущей сминаемой вставки;
j+1
у - координата средней точки, расположенной между геометрическим центром j-й сминаемой вставки и геометрическим центром последующей j+1 сминаемой вставки;
q - равномерно распределенная нагрузка по показаниям силомера для строительной конструкции, опертой на несминаемые опоры;
ν - коэффициент Пуассона.
Расчет длин сминаемых вставок для опорной поверхности в виде квадратной или прямоугольной рамы в последнем случае наиболее точен для достижения желаемого технического результата.
Изобретение, характеризующееся предложенной совокупностью признаков, среди известных технических решений не обнаружено, что подтверждает его новизну.
В уровне техники не обнаружено устройств, содержащих отличительные признаки изобретения, которые позволяют выполнить комплексную защиту строительных конструкций при неоднократном сверхнормативном взрывном, ударном и сейсмическом воздействии.
В отличие от прототипа сминаемая вставка устанавливается на пластину заданных размеров, размешенную в углублении опорной поверхности, что позволяет ограничить горизонтальное смещение и за счет заданной высоты углубления не допустить контакт между опорной поверхностью и строительной конструкцией, тем самым не допуская местного разрушения строительной конструкции. Ширина пластины, а следовательно, и углубления для нее, составляющие не менее половины длины окружности сминаемой вставки, не препятствуют полной сминаемости вставки при действии нагрузок. В случае сверхнормативного воздействия, а именно взрывного, ударного или сейсмического, часть кинетической энергии воздействия поглощается сминаемой вставкой, тем самым деформируясь, оставшуюся энергию воспринимает строительная конструкция, сохраняя несущую способность и живучесть конструкции.
После сверхнормативного воздействия в кратчайшие сроки включаются в работу домкраты, подключенные к насосной станции с ручным или автоматическим управлением. При помощи домкратов осуществляется подъем конструкции для выполнения замены сминаемых вставок, вследствие чего строительная конструкции устанавливается на очередные опоры, тем самым конструкция готова к дальнейшим сверхнормативным нагружениям, что является существенным отличием от прототипа, так как у прототипа не предусмотрен подъем конструкции и замена сминаемых вставок. Количество домкратов зависит от массы строительной конструкции и грузоподъемности самих домкратов. Возможность в кратчайшие сроки заменить сминаемые вставки, повышает уровень безопасности сооружений и их живучесть.
Согласно прототипу сминаемые вставки применимы лишь для железобетонных балочных конструкций (ригель), согласно изобретению охвачен ряд строительных конструкций, а именно: балка (ригель), оболочка любой конфигурации, плиты с различными схемами опирания, тем самым расширяется область применения.
Изобретение пояснено чертежами, на примере строительной конструкции в виде плиты, опертой на прямоугольную раму (опорную поверхность).
На фиг. 1 - общий вид системы защиты строительной конструкции.
На фиг. 2 - показано размещение сминаемой вставки в углублении опорной поверхности.
На фиг. 3 - вид А (фиг. 1) до силового воздействия.
На фиг. 4 - вид А (фиг. 1) после силового воздействия.
На фиг. 5 - фрагмент технологического процесса замены сминаемых вставок.
Согласно изобретению система защиты содержит опоры из нижних пластин 2 (фиг. 2), закрепленных на опорной поверхности 1, на которой установлена строительная конструкция (плита) 4. Между плитой 4 и пластиной 2 расположены стальные сминаемые вставки 3 круглого кольцевого сечения. По периметру опорной поверхности 1 для установки нижних опорных пластин 2 выполнены углубления с линейными размерами: шириной не менее πR, где R - наружный радиус сминаемой вставки 3, длиной, равной длине i-й сминаемой вставки , и глубиной, определяемой по выражению: h=z+S, где h - глубина углубления, z - толщина нижних опорных пластин, S - толщина стенки сминаемой вставки (фиг. 2). На опорной поверхности 1 установлены в углублении 5 плоские домкраты 6, которые подключены к насосной станции с ручным или автоматическим управлением в режиме постоянной готовности к взрывному, ударному или сейсмическому воздействию. Минимальное число одинаковых плоских домкратов 6, необходимых для замены сминаемых вставок 3 после сейсмического, взрывного или ударного воздействия, определяется выражением
n
n=P/P,
где P - вес строительной конструкции,
n
P - грузоподъемность одного домкрата,
n - минимальное число плоских домкратов.
Домкраты 6 свободно установлены в соответствующие заранее подготовленных углублениях 5 на опорной поверхности 1 с рабочим выходом поршня на высоту не менее, чем 2R, где R - наружный радиус сминаемой вставки. В рассмотренном частном случае на фиг. 1 минимальное число домкратов n=4 для плиты, опертой по контуру, что составляет не менее, чем один домкрат на каждую сторону. Количество и параметры сминаемых вставок выполняются одинаковыми по поперечному сечению и различными по длине для равномерной деформации вставок при неравномерных нагрузках, приходящихся на точки опирания плиты, расчет которых производится для опорной плиты квадратной формы с опорами, находящимися на стороне плиты, равной a, или для опорной плиты прямоугольной формы с опорами, находящимися на стороне плиты длиной a и b.
i
j
Длины сминаемых вставок рассчитываются исходя из сосредоточенных сил Q; Q на каждую сминаемую вставку.
с опорами находящимися на стороне плиты длиной b
где q - равномерно распределенная нагрузка по показаниям силомера для конструкции, опертой на жесткие опоры,
a - короткая сторона плиты,
b - длинная сторона плиты,
ν - коэффициент Пуассона,
у - координата точки по длиной стороне, в которой определяется опорная реакция,
x - координата точки по короткой стороне, в которой определяется опорная реакция.
i
Исходя из величины опорной нагрузки Q, выбирают длину сминаемых вставок  согласно формуле
i
где: Q - опорная реакция, приходящаяся на i-ю сминаемую вставку,
R - наружный радиус сминаемой вставки,
σ - сопротивление материала сминаемой вставки (предел текучести),
S - толщина стенки сминаемой вставки.
Комплексно подготовив опорную поверхность 1 для обеспечения живучести конструкции, плиту 4 устанавливают на сминаемые вставки 3, что дает возможность восстановления системы защиты после неоднократного взрывного, ударного и сейсмического воздействия.
Принцип работы системы защиты строительных конструкций от сверхнормативных неоднократных взрывных, ударных и сейсмических воздействий, заключается в погашении энергии удара сминаемыми вставками и последующей неоднократной их оперативной замене после силового воздействия. На фиг. 2 пунктиром показана сминаемая вставка 3 в случае погашения энергии удара.
В зависимости от направления силового воздействия будет меняться схема движения строительной конструкции. В ходе внезапного сверхнормативного нагружения основная часть кинетической энергии удара воспринимается и гасится сминаемыми вставками 3, в результате строительная конструкция работает в упругой стадии, что сохраняет ее от разрушения и обеспечивает тем самым ее живучесть. После чего безотлагательно при помощи домкратов 6, установленных на опорной поверхности 1, осуществляется подъем конструкции 4 для возможности замены сминаемых вставок 3, для дальнейшей эксплуатации с возможным ударным, взрывным или сейсмическим воздействием.
Возможно два варианта работы домкратов 6, с ручным или автоматизированным управлением, при этом в последнем случае скорость замены сминаемых вставок 3 определяется быстродействием применяемой системы управления, что ускоряет готовность к новому силовому воздействию.
Работа домкратов 6 должна быть синхронной, для обеспечения горизонтального подъема плиты 4 (фиг. 1) и снижению местных напряжений в плите 5.
Минимальное количество домкратов зависит от вида конструкции, для балок, ригелей n=2, для плит, оболочек n=4.
Из вышеизложенного следует, что предлагаемый способ позволяет обеспечить живучесть строительной конструкции с возможностью последующего неоднократного восприятия взрывных, ударных или сейсмических воздействий.