МНОГОЭТАЖНОЕ СЕЙСМОСТОЙКОЕ ЗДАНИЕ
MULTI-STOREY EARTHQUAKE-RESISTANT BUILDING

Данная конструкция сейсмозащиты относится к многоэтажным сейсмостойким зданиям. Цель работы - повышение устойчивости здания за счет ограничения его смещений и поворотов. Верхние этажи 1 оперты на гибкие в горизонтальном направлении стойки 2 нижнего этажа 3. Последний снабжен системой выключающихся связей 4. Стойки 2 оперты на ребра 6 фундаментной плиты 5. Над консольными выступами 7 по периметру подземного этажа 3 здания образована замкнутая полость 11, которая заполнена жидкостью 12 и газом 13 с регулируемым давлением, перегружена грунтом 8 и перекрыта в верхней части демпфирующим элементов 10 (фиг.1)
Разработка относится к строительству, а именно к многоэтажным зданиям, возводимым в сейсмических районах.
Уровень техники.
Известна комплексная система сейсмозащиты здания или сооружения по патенту №2512054 (Заявка: 2012145680/03, от 25.10.2012. Опубликовано: 10.04.2014 Бюл. №10), включающая сейсмостойкое здание замкнутого типа на пространственной фундаментной платформе со скользящим слоем в основании, имеющей верхнюю и нижнюю плиты, скрепленные ребрами, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит автоматически управляемую систему-предохранитель с сейсмозащитным устройством, повышающую сейсмостойкость здания и обеспечивающую его сейсмозащиту в аварийной ситуации, автоматически управляемая система-предохранитель содержит проводную или беспроводную быстродействующую связь между сейсмостанцией наблюдения, находящейся на удаленном расстоянии от здания, и размещенным в здании модулем управления, воспринимающим аварийный сигнал с сейсмостанции и передающим его актуаторам, размещенным в полостях фундаментной платформы, при этом актуаторы выполнены в виде напорных баллонов со смазывающей жидкостью и снабжены запорными элементами, взаимодействующими с модулем управления и срабатывающими по управляющему решению при получении аварийного сигнала от сейсмостанции впрыскиванием дозированной порции смазки в скользящий слой под фундаментной платформой здания, нижняя плита которой снабжена отверстиями или решетками, а скользящий слой, являющийся амортизатором сейсмического воздействия, образован из нескольких слоев полимерной пленки, верхние из которых выполнены перфорированными с отверстиями, пропускающими смазывающую жидкость внутрь между верхними слоями пленки, а нижние слои непроницаемы.
Недостатком этого аналога является тот факт, что платформа имеет относительно большую жесткость на растяжение в вертикальном направлении и малую жесткость на изгиб, поэтому такая система сейсмоизоляции обеспечивает защиту здания преимущественно от горизонтальных составляющих сейсмических воздействий.
Известно многоэтажное сейсмостойкое здание (по авторскому свидетельству №1310505 А2, опубл. 1987.05.15.) и сейсмостойкое здание (по авт.св. №625012 A1, опубл. 1978.09.25) с пространственно жесткими верхними этажами, опертыми на гибкие в горизонтальном направлении стойки нижнего этажа с системой выключающихся связей и фундаментную плиту, отличающееся тем, что, с целью повышения устойчивости здания за счет ограничения его смещений и поворотов, здание снабжено дополнительным наружным ограждением и демпфирующим элементом, причем дополнительное наружное ограждение установлено на консольные выступы фундаментной плиты по периметру нижнего подземного этажа здания с образованием замкнутой полости, заполненной жидкостью и газом с регулируемым давлением, а демпфирующий элемент размещен в верхней части полости между дополнительным ограждением и ограждением нижнего этажа. Техническое решение принято в качестве прототипа.
Цель разработки - повышение сейсмостойкости здания при неполной сейсмологической информации.
Технический результат заключается в повышении устойчивости и надежности эксплуатации здания при широком диапазоне изменений колебаний грунта при землетрясениях средней интенсивности (7-8 баллов) за счет того, что подземная часть здания оснащена дополнительной системой комбинаций хрупких и пластических вантов-связей, установленных с разными порогами включения и разрушения и обеспечивающих самонастраивание системы за счет каскадного срабатывания и разрушения резервных элементов (вантов-связей).
Раскрытие сущности изобретения и краткое описание чертежей.
На чертежах схематически изображено многоэтажное сейсмостойкое здание.
1 - ванты-связи свойственно за пределами упругости хрупко-скачкообразно разрушаться
1' - ванты-связи свойственно упруго-пластически деформироваться
2 - гибкие в горизонтальном направлении стойки
3 - нижний подземный этаж
4 - хрупкие ванты-связи
4' - пластически ванты-связи
5 - фундаментная плита
6 - ребра, на которые оперты стойки 2
7 - консольные выступы
8 - грунт
9 - наружные ограждения
10 - демпфирующий элемент
11 - замкнутые полости
12 - жидкость
13 - газ
14 - ограждение
15 - конструкции верхней части подземного этажа
Многоэтажное сейсмостойкое здание включает в себя рамно-связевой пространственный каркас, оснащенный комбинационными вантами-связями 1 и 1' (фиг.3, 4), с разными механическими характеристиками. Части вантов-связей типа 1 свойственно за пределами упругости хрупко-скачкообразно разрушаться, а другой - 1' упруго-пластически деформироваться (фиг.1, 2). Выбор такого технического решения обусловлен тем, что хрупко-скачкообразно разрушающиеся элементы непосредственно воспринимают сейсмические удары, а пластически деформирующиеся элементы - сейсмические толчки.
Несущие элементы наземной части дополнительно оперты на гибкие в горизонтальном направлении стойки 2 нижнего подземного этажа 3 с дополнительной системой (пакет) комбинацией хрупких и пластических вантов-связей 4,4' (фиг.3, 4). Фундаментная плита 5 выполнена с ребрами 6, на которые оперты стойки 2 нижнего этажа 3, и имеющие консольные выступы 7 за габариты здания, перегруженные грунтом 8. Подземная часть здания имеет дополнительные наружные ограждения 9, установленные на консольные выступы 7 фундаментной плиты 5 по периметру подземного этажа 3 здания с образованием замкнутой полости 11, заполненной жидкостью 12 и газом 13 с регулируемым давлением. В верхней части полости 11 между дополнительным ограждением 9 и ограждением 14 нижнего этажа 3 размещен демпфирующий элемент 10. Система выключающихся связей 4,4' установлена между ребрами 6 фундаментной плиты 5 и конструкциями 15 верхней части подземного этажа.
Осуществление изобретения.
Система работает следующим образом:
1) При слабых землетрясениях грунт 8 над консольными выступами 7 фундаментной плиты 5 совместно с регулируемым давлением внутри полости 11 ограничивают недопустимые смещения и повороты здания, за счет чего повышаются поглощающие свойства системы и обеспечиваются сейсмостойкость здания.
2) При землетрясениях средней интенсивности включаются в работу комбинированные ванты-связи 4,4', которые имеют меньший порог срабатывания и разрушения, чем ванты-связи 1,1'. Пакет комбинационной системы вантов-связей 4,4' имеет переменный порог срабатывания и повреждения. При достижении порога повреждения разрушается часть вантов-связей, имеющих меньший порог повреждений. В дальнейших циклах сейсмических колебаний постепенно разрушаются комбинационные ванты-связи, имеющие больший порог срабатывания и разрушения (фиг.3, 4).
Таким образом, пакет комбинационной системы вантов-связей устанавливается каскадными выходами резервных элементов, обеспечивая самонастраивание системы (живучесть здания), при широком диапазоне изменения параметров сейсмических воздействий. Разрушенные элементы подвального этажа могут быстро восстанавливаться с незначительными затратами.
3) При сильных и разрушительных землетрясениях в работу включается система комбинационных вантов-связей 1,1' основного каркаса (фиг.4). Пакет вантов-связей 1,1', имеет большие пороги срабатывания и разрушения, чем система 4,4'. Однако система 1,1', тоже устанавливается разными порогами разрушения, что обеспечивает живучесть здания при широком диапазоне изменения параметров внешнего сейсмического воздействия.
Сильные и разрушительные землетрясения сопровождаются интенсивными сейсмическими ударами и толчками. Сейсмические удары характеризуются мгновенным скачкообразным нарастанием (скорости) функции переноса движения. Сейсмические толчки характеризуются изменением силовой функции (нарастание ускорения).
При интенсивных сейсмических ударах непосредственно срабатывают и разрушаются хрупкие ванты-связи 1 (условно назовем типа i), при этом происходит отток значительной части энергии сейсмических ударов, приходящих на здание.
При интенсивных сейсмических толчках непосредственно срабатывают упруго-пластические связи 1' (условно назовем типа j). Образуются площади течения пластических связей, что способствует оттоку энергий сейсмических толчков, приходящих на здание.
Был произведен расчет 14-ти этажного здания, оснащенного комбинационными вантами-связями, как наземной, так и подземной части каркаса (фиг.3). Внешние сейсмические воздействия принимались акселерограммы 7-ми 8-ми балльных землетрясений. При срабатывании и разрушении комбинационной системы вантов-связей, сейсмические нагрузки значительно уменьшаются. На фиг.5, 6 приведены графики изменения безразмерного коэффициента сейсмических сил в зависимости от безразмерного коэффициента периодов при разрушении комбинационной системы вантов-связей. Как видно из графиков, в зависимости от степени разрушений вантов-связей, сейсмические нагрузки значительно уменьшаются: 20-25% и 30-40% соответственно в семи и восьми балльных зонах.
После землетрясения разрушенные связи могут быть восстановлены.
При монтаже связи устанавливаются в пластиковых трубках, имеют специальные участки доступа к разрушенным местам, и могут быть быстро восстановлены без особых затрат.
Таким образом, при сильных и разрушительных землетрясениях происходит каскадное разрушение комбинационных вантов-связей, поглощается значительная часть сейсмических воздействий, обеспечивая живучесть и сейсмостойкость здания в широком диапазоне изменения параметров колебания грунта.
Многоэтажное сейсмостойкое здание с пространственно-жесткими верхними этажами, опертыми на гибкие в горизонтальном направлении стойки нижнего этажа с системой выключающихся связей и фундаментную плиту, причем фундаментная плита выполнена с ребрами, на которые оперты стойки нижнего этажа, и имеет габаритные размеры в плане, превышающие габаритные размеры здания, а образующиеся при этом консольные части пригружены слоем грунта; кроме того, здание снабжено дополнительным наружным ограждением и демпфирующим элементом, причем дополнительное наружное ограждение установлено на консольные выступы фундаментной плиты по периметру нижнего подземного этажа здания с образованием замкнутой полости, заполненной жидкостью и газом с регулируемым давлением, а демпфирующий элемент размещен в верхней части полости между дополнительным ограждением и ограждением нижнего этажа, отличающееся тем, что:
1) с целью повышения устойчивости и надежности эксплуатации здания при широком диапазоне изменений колебаний грунта при землетрясениях средней интенсивности (7-8 баллов) подземная часть здания оснащена дополнительной системой (пакет) комбинаций хрупких и пластических вантов-связей 4,4', причем они устанавливаются разными порогами включения и разрушения, что обеспечивает самонастраивание системы (живучесть здания) за счет каскадного срабатывания и разрушения резервных элементов (вантов-связей), причем разрушением хрупких связей компенсируются нагрузки от сейсмических ударов, а пластических связей - нагрузки от сейсмических толчков;
2) многоэтажное сейсмостойкое здание по п. 1, отличающееся тем, что с целью обеспечения устойчивости и надежности эксплуатации за счет ограничения его смещений и поворотов при сильных землетрясениях (9 и >9 баллов), а также сильных сейсмических ударах и толчках каждый ярус наземного каркаса оснащен системой комбинационных вантов-связей, которые имеют больший порог срабатывания и разрушения при многоцикличеких воздействиях.