СЕЙСМОИЗОЛИРУЮЩИЙ ФУНДАМЕНТ И СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ ЗДАНИЯ НА НЕМ
SEISMIC ISOLATING FOUNDATION AND METHOD OF ERECTING BUILDING THEREON

Изобретение относится к области строительства, в частности, к сейсмостойким фундаментам зданий и сооружений и предназначено для снижения в них горизонтальных инерционных нагрузок, вызываемых внешним воздействием от сейсмических и техногенных колебаний грунта.
7
Известно «Модульное антисейсмическое защитное устройство для использования в зданиях и аналогичных сооружениях» (см. патент РФ №2250308, M.клE02D 27/34, опубл. 2005.04.20), состоящее из множества уложенных вплотную в одной плоскости горизонтальных модулей, каждый из которых состоит из двух расположенных одна над другой идентичных жестких деталей, соединенных в центре с помощью сайлент-блока между ними, и заключающих между собой автомобильную шину, создавая замкнутую деформируемую упругую камеру, заполненную пластмассовыми гранулами, которые имеют гидравлические свойства, вследствие малой сжимаемости и возможности позволять изменять свою форму упругой камере вследствие проскальзывания гранул относительно друг друга без изменения объема камеры.
Недостатком такого решения является малая податливость устройства при горизонтальных смещениях верхней, несущей жесткой детали относительно нижней, опорной жесткой детали, что создает относительно малое снижение горизонтальной сейсмической инерционной нагрузки здания, как за счет значительной жесткости на сдвиг армированного кордом материала шины, так и за счет большой силы трения гранул, прижатых друг к другу силой веса здания. Кроме того, происходящее при этом снижение частоты основного тона собственных горизонтальных колебаний здания, стоящего на таком основании, также не является по той же причине достаточным, чтобы выйти из диапазона обычных частот землетрясений для исключения резонанса. При этом недолговечность материала изношенных шин вследствие старения - очевидный недостаток.
6
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сути и достигаемому результату является амортизирующее устройство для защиты объектов от сейсмических воздействий (см. патент РФ №2072406, M.клE02D 27/34, опубл. 1997.01.27), состоящее из фундаментного и телескопически входящего в него с некоторым горизонтальным зазором опорного элементов, первый из которых имеет по контуру обрамляющую стенку. Кольцевой зазор между стенкой и вертикальной наружной поверхностью опорного элемента составляет часть герметичной гидросистемы и перекрыт сверху гибкой нерастяжимой оболочкой, допускающей относительные перемещения элементов за счет избыточности ее размеров, дающей ей дугообразность формы в пролете между креплениями к стенке и поверхности опорного элемента. Нижняя поверхность опорного элемента может иметь отдельные сплошные или точечные или ленточные опоры, передающие от него нагрузку на плиту фундаментного элемента при опущенном состоянии опорного элемента. Замкнутая герметичная полость между элементами заполнена жидкостью, например, водой. В совокупности устройство представляет собой плоскую коробчатую конструкцию круглой, прямоугольной или другой формы в плане, которая располагается между фундаментом защищаемого объекта и его несущими элементами. В замкнутой полости создают избыточное давление для уравновешивания веса объекта на опорном элементе. При этом, в первом случае, действующие между смежными контактными поверхностями опорного и фундаментного элементов напряжения, создающие силы сухого трения становятся уменьшенными до необходимого малого значения или, во втором случае, равными нулю вследствие образования вертикального зазора за счет поднятия опорного элемента гидравлическим давлением. Второй, нефрикционный вариант функционирования данного устройства взят в качестве прототипа предлагаемого изобретения, т.к. он близок к нему. В этом прототипе давление в гидросистеме создается заранее, обеспечивая горизонтальную подвижность объекта без влияния сил трения и сцепления опорного элемента объекта с фундаментом. Горизонтальная реакция создается только различием реакций из-за разных углов наклона в местах креплений перекрывающей зазор между стенками гибкой оболочки, которое возникает при отклонениях от начального положения равновесия.
Недостатком такого устройства является малая величина возможных горизонтальных перемещений объекта из-за ограничений величины горизонтального зазора между стенками, накладываемых ограниченной прочностью оболочки над увеличенным зазором, и очень сложно деформирующих многокомпонентных концентраций напряжений от усилий в оболочке, требующих особых материалов и технологии изготовления оболочки для достижения достаточного уровня надежности и долговечности. Кроме того, при существенных величинах горизонтальных смещений грунта от сейсмических колебаний, для того чтобы из-за возможного уноса здания не произошло исчерпание горизонтального зазора и удара стенок друг о друга, оболочка должна их инерционные силы воспринять своей силовой горизонтальной реакцией, образуемой только за счет разного в местах крепления изменения углов наклона противоположных краев при ее перемещениях. А для этого потребуется избыточное давление гораздо большее, чем то, которое приподнимет объект с образованием рабочего вертикального зазора под опорным элементом. Такое давление будет еще больше напрягающим оболочку. Все это препятствует достижению полного технического результата, достигая его лишь частично, в случаях воздействий с малыми амплитудами колебаний грунта, что снижает надежность.
Задачей заявляемого изобретения является снятие жестких ограничений горизонтальных амплитуд взаимных смещений фундамента и объекта при воздействии сейсмических колебаний и достижение необходимого снижения горизонтальных инерционных нагрузок на сейсмоизолируемый объект, обусловленного этим и одновременным условием достаточной минимизации сил трения горизонтально-подвижных опор и уменьшения жесткости возвращающих к положению равновесия элементов для снижения их горизонтальной реакции, фактически определяющей в сумме с силами трения величину инерционных нагрузок.
Решение технической задачи достигается тем, что выполненный с использованием опорных замкнутых гидрообъемов прототипа фундамент содержит опорную плиту объекта, фундаментную плиту и между ними сейсмоопоры, обеспечивающие в отличие от прототипа практически не ограничиваемую амплитуду горизонтальной подвижности опорной плиты относительно фундаментной плиты за счет наличия в каждой сейсмоопоре отдельного замкнутого гидрообъема жидкости, например, воды, сверху ограниченного нижней поверхностью опорной плиты непосредственно или через дополнительный сплошной опорный элемент, снизу - гладким покрытием плоской поверхности верха фундаментной плиты, а с боков - замкнутым периметром контура стенок постоянной высоты, которые своим верхом глухо соединены с низом опорной плиты или упомянутым дополнительным опорным элементом и имеют возле низа стенок сплошное в виде полосы по всему их внутреннему контуру горизонтальное скользящее уплотнение вертикального зазора между стенками и плоским верхом фундаментной плиты, изготовленное с использованием антифрикционного материала, например, тефлона, установленное внутри контура стенок и прижимаемое к гладкой верхней плоскости фундаментной плиты в дополнение к действию постоянного внутреннего давления воды в гидрообъеме действием пружин дополнительного прижатия, обеспечивающих герметичность за счет достаточного превышения контактного давления уплотнения как в статическом состоянии, так и при скольжениях над значением внутреннего гидравлического давления, фиксирующего опорную плиту объекта и все контуры стенок над фундаментной плитой в приподнятом от нее состоянии на величину рабочего вертикального зазора, для чего замкнутый по контуру элемент горизонтально скользящего уплотнения выполнен имеющим снаружи со стороны стенок гидрообъема замкнутый контур вертикальной стенки частичной высоты, у верха которой этот контур по периметру снабжен выступающим наружу сплошным горизонтальным консольным ограничивающим выступом, имеющим горизонтальный зазор между ним и внешними стенками, который в максимально опущенном относительно этих стенок состоянии элемента горизонтально скользящего уплотнения уперт сверху в ограничитель его вертикального выдвижения вниз, выполненный в виде выступающего внутрь по всему периметру низа контура стенки гидрообъема сплошного горизонтального консольного выступа, имеющего горизонтальный зазор от контура стенки, принадлежащей элементу скользящего уплотнения. Между ограничителем выдвигания вниз в виде упомянутого выступа низа стенок гидрообъема и упертым в него сверху ограничивающим выступом верха стенок на контуре элемента горизонтально скользящего уплотнения расположен враспор между вертикальными стенками по всему периметру сплошной полужесткий уплотняющий элемент сальника, толщина которого обеспечивает герметичность и возможность выдвижения низа скользящего горизонтально уплотнения до значения, равного максимально возможному вертикальному зазору стенок над покрытием верха фундамента, а для возврата опорной плиты объекта из горизонтально отклоненного к начальному положению при сейсмическом воздействии введены внешние горизонтальные упругие элементы, каждый с одним концом, фиксированным на фундаментной плите, а с другим - на опорной плите объекта.
Возведение здания на опорах данного заявляемого устройства содержит приводимую ниже последовательность действий: в состоянии монтажа и возведения опорной плиты и объекта гидравлическое давление в гидрообъемах сейсмоопор отсутствует, скользящие уплотнительные элементы вдвинуты вверх в контуры стенок гидрообъемов сейсмоопор, опорная плита оперта на стенки гидрообъемов и, при необходимости снижения контактных сил, - на добавленные внутри контуров этих стенок дополнительные опоры с высотой, равной высоте стенок всех гидрообъемов, после возведения здания гидрообъемы заполняют одновременно водой до одинакового рабочего давления и замыкают каждый от любого перетока воды после достижения поднятия стенок над фундаментом на величину рабочего зазора, значение величины которого определено по условию отсутствия контакта стенок и фундамента разностью высотных отметок деформированной опорной плиты объекта в месте опоры с максимальной величиной прогиба опорной плиты от вертикальных нагрузок относительно места опоры с наивысшим выгибом вверх опорной плиты над упомянутой опорой с максимальным прогибом и принято равным наибольшей разности упомянутых высотных отметок.
Данное устройство сейсмоизолирующего фундамента на гидроопорах позволит достичь требуемого технического результата снижения горизонтальных инерционных нагрузок зданий от сейсмических и техногенных воздействий колебаний грунта, практически сняв ограничения по их горизонтальным амплитудам.
Сущность заявляемого изобретением устройства сейсмоизолирующего фундамента поясняется чертежами, где на фиг.1. дан план фундамента с сейсмоопорами и опорной плитой объекта; на фиг.2. показан поперечный разрез по А-А.
Пример конкретной реализации устройства.
Фундамент, содержащий фундаментную плиту на грунте 1, опорную плиту 2 с сейсмоизолируемым объектом 3 и выполненные каждая в виде замкнутого герметичного заполненного водой гидрообъема сейсмоопоры 4 расположенные между ними для возможности горизонтальной подвижности опорной плиты 2 относительно фундаментной плиты 1. Для достижения решения задачи изобретения замкнутый гидрообъем каждой сейсмоопоры отделен от остальных и ограничен сверху неподвижно связанным с опорной плитой 2 опорным элементом сейсмоопоры 5, снизу ограничен гладким покрытием 6 поверхности верха фундаментной плиты 1, а с боков - замкнутым периметром стенок 7 постоянной высоты, глухо соединенных верхом с опорным элементом 5. Понизу внутри стенок расположено сплошной полосой по всему их контуру горизонтально скользящее уплотнение вертикального зазора между стенками 7 и покрытием 6, сделанное с использованием детали из листового тефлона 8 и прижимаемое к покрытию 6 пружинами дополнительного прижатия 9, обеспечивая герметичность за счет достаточного превышения контактного давления детали уплотнителя 8 над постоянным внутренним гидравлическим давлением гидрообъема, которое фиксирует опорную плиту 2 и опорный элемент 5 со стенками 7 в приподнятом состоянии над покрытием 6 на высоте, равной рабочему вертикальному зазору, принятому с учетом возможных изменений изгиба опорной плиты 2 из-за вариаций временных нагрузок. Прижимающая деталь скользящего уплотнения 10, на которой снизу фиксирована деталь из тефлона 8, имеет по наружному контуру сплошную вертикальную стенку 11 с выступом наружу 12 по всему контуру верха стенки 11, который имеет горизонтальный зазор от стенки 7. Стенка 7 для ограничения выдвигания вниз деталей 8 и 10 снабжена понизу таким же выступом 13, но направленным вовнутрь. Враспор между стенками 7 и 11 по всему периметру расположен непрерывный по контуру полужесткий уплотняющий элемент сальника 14, толщина которого обеспечивает герметичность и возможность выдвигания вниз деталей 8 и 10 до значения, равного максимально возможному зазору между стенками 7 и покрытием 6. Для горизонтального возврата опорной плиты 2 с объектом 3 к начальному положению устройство фундамента содержит внешние упругие горизонтальные элементы 15 в виде пружин сжатия-растяжения, располагаемых парами под углом 90° друг к другу в плане с шарнирными креплениями одного конца каждой на вертикальных осях 16, соединенной с опорной плитой 2, а с другого конца на осях 17, соединенных с фундаментной плитой 1.
Способ возведения здания на опорах заявляемого устройства состоит в выполнении следующей последовательности действий: в состоянии монтажа и возведения опорной плиты 2 и объекта 3 гидрообъемы пусты, детали 8 и 10 вдвинуты вверх внутрь контуров стенок 7, а возводимую опорную плиту 2 опирают на стенки гидрообъемов 7 и на дополнительные опоры 18. После возведения здания 3 все гидрообъемы синхронно наполняют до одинакового рабочего давления и изолируют от взаимного перетока воды и дополнительной подачи ее. При этом контроль окончания заполнения осуществляют по достижению поднятия стенок 7 над покрытием 6 на величину рабочего зазора, принятого равным максимальной разности высотных отметок от изгиба опорной плиты 2 в местах сейсмоопор 4.
При сейсмическом или техногенном горизонтальном колебании грунта колеблющаяся вместе с грунтом фундаментная плита 1 совершает горизонтальные движения, а опорная плита 2 с объектом 3 остаются почти без движения, т.к. их суммарная инерционная сила не может по условиям равновесия всех действующих сил превысить относительно малую величину суммы сил трения гидроопор и пружин возвратных элементов 15, которая в максимально отклоненном состоянии, например на 0.2÷1.0 м, может быть существенно сниженной, например, до равенства 0.5÷1.5% от значения вертикальных нагрузок.
Возможности осуществления технического результата изобретения в виде снижения горизонтальной инерционной нагрузки объекта от сейсмического воздействия способствует реальная простота минимизации суммарной силы трения скольжения сейсмоопор путем уменьшения площади полос контуров скользящих по фундаменту плоскостей уплотнительных элементов из антифрикционного материала до 3÷5% от общей площади гидрообъемов сейсмоопор. Учитывая, например, коэффициент трения при использовании тефлона по гладкой стали, равный 0.05÷0.07, можно, пренебрегая малой добавкой давления от прижимных пружин, получить соответственно силу трения, равную 0.15÷0.35% от вертикальных нагрузок.
05
При этом для возврата с приемлемой точностью к начальному положению достаточно величины силы упругих возвращающих к начальному положению пружинных элементов, превышающей в положении максимального отклонения силу трения в 3÷4 раза, т.е. общая максимальная реакция может составлять при этом 0.45÷1.4% от вертикальных нагрузок, и соответственно которую по условиям равновесия не может превысить величина горизонтальной сейсмической нагрузки. Это практически означает снижение сейсмических нагрузок до значений обычных ветровых воздействий, при которых, кроме самой сейсмоизоляции, не требуется антисейсмических мероприятий. Этому способствуют в совокупности и допущение увеличенных предельных амплитуд, весьма малое значение силы трения сейсмоопор и малое значение реакции упругих возвратных элементов при предельной амплитуде. При таких условиях соотношения общей максимальной горизонтальной реакции к вертикальной нагрузке и малости сил трения при допущении предельных амплитуд колебаний опорной плиты, например, в области до 0.2÷1.0 м, частота собственных колебаний объекта на сейсмоопорах обычно снижается далеко за пределы наинизших частот обычных сейсмических воздействий. Например, приняв допустимой горизонтальную инерционную нагрузку здания, равной 1.4% от его веса, включающего и опорную плиту, и взяв предельную горизонтальную амплитуду колебаний опорной плиты с объектом, равную 0.5 м, решая обратную задачу, как для динамической системы с одной степенью свободы, получим частоту собственных колебаний: f=0.5·(0.014/0.5)=0.084 герц, (период Т=12 сек). Этот период колебаний намного, в 4÷5 раз больше периодов наинизших частот обычных землетрясений, что обеспечивает с избытком степень отстройки собственной частоты объекта от частот сейсмического воздействия.
Возможности осуществления поддержания постоянного давления гидрообъемов, даже в случае незначительных утечек или испарения способствует то, что, как правило, это давление может не превышать давления в водопроводе сейсмоизолируемого объекта, для этого каждый гидрообъем одновременно с другими подключается через имеющийся в нем не допускающий обратного перетока воды обратный клапан к трубопроводу общего источника давления, периодически только на короткое время, достаточное для полного восстановления релаксированного давления, с обязательным перекрытием возможности дополнительной подпитки водой этих трубопроводов, чтобы при горизонтальном сейсмическом воздействии, в случае создания наклоняющим объект моментом сил в вертикальной плоскости, от действия сил, стремящихся поднять край опорной плиты в гидрообъемы, не происходило подсоса лишней воды.
Использование предлагаемого сейсмоизолирующего фундамента по сравнению с прототипом позволит повысить надежность при повышенных значениях горизонтальных амплитуд сейсмических колебаний грунта, а также долговечность конструкции. Ограничениями заявляемого изобретения являются значения предельных амплитуд смещений объекта относительно фундаментной плиты, а не деформации самого объекта, не превышающие их значений от действия, например, ветра, если в решении обратной задачи проектирования заданное значение горизонтальной инерционной нагрузки взято равным ему. Однако очевидно, что экономически целесообразнее решить проблему гибкого подвода коммуникаций к сильно смещаемому, но не повреждаемому зданию из несейсмических конструкций, чем делать сейсмостойкие конструкции всего здания, в которых допускается согласно нормам проектирования возникновение при землетрясениях частичных повреждений, могущих препятствовать дальнейшей эксплуатации зданий, но без обрушений, мешающих эвакуации, и которые подлежат затем восстановлению несущих конструкций или сносу.