СЕЙСМОИЗОЛИРУЮЩАЯ ОПОРА
EARTHQUAKE-ISOLATING SUPPORT

Изобретение относится к области строительства, в частности к опорам сейсмостойких сооружений (зданий).
Известны устройства для защиты сооружения от сейсмического воздействия (аналог), включающие резино-металлические опоры (РМО), выполненные из поочередно уложенных друг на друга упругих резиновых листов (прокладок) и металлических листов (акцептованная заявка JP 1 №23633, E04H 9/02, E04B 1/36, F16F 15/02, 1989). В известных устройствах горизонтальное перемещение сооружения (здания) относительно фундамента происходит за счет деформации сдвига упругих резиновых листов.
К недостаткам можно отнести отсутствие достаточной по величине восстанавливающей силы, обеспечивающей возможность возвращения сооружения (здания) в исходное положение относительно фундамента после их взаимного смещения при сейсмическом воздействии.
Наиболее близким решением (прототип) является сейсмоизолирующая опора, включающая несущий элемент колонны, которая через верхнюю опорную плиту опирается на резино-металлическую опору (РМО), а нижняя опорная пластина РМО при помощи анкерных болтов соединена с фундаментом, РМО выполнена из поочередно уложенных друг на друга упругих резиновых листов (прокладок) и металлических листов, а в средней части устроено центральное свинцовое ядро (Fundamentals of Earthquake engineering. Elnashai, 2008, pp.355-356, fig. 13.2-13.4).
К недостаткам известного устройства можно отнести следующее:
- диссипация энергии сейсмического воздействия гасится только вязким трением в узлах взаимодействия опор, которые имеют различные весовые характеристики, приходящиеся от верхних конструкций здания. При сейсмическом воздействии различной интенсивности может оказаться, что вязкого трения для защиты может оказаться недостаточно, что может привести к разрушению опоры здания или его частей;
- во всех известных заявителю устройств сейсмозащиты зданий основным недостатком является ограниченная область их применения в зависимости от интенсивности сейсмического воздействия (баллов). Эти ограничения определяются величиной остаточных смещений грунта основания.
Многоэтажные здания имеют вертикальную жесткость зданий по сравнению с горизонтальной в десятки раз выше, поскольку они в основном предназначены для восприятия паразитической нагрузки от собственного веса, которая обусловлена гравитационными силами, и полезных нагрузок. Фактические записи землетрясений также подтверждают то, что в большинстве случаев (75-95%) наибольшую опасность представляют горизонтальные составляющие сейсмического воздействия.
Опытные данные остаточных смещений грунта Uo (мм), которые связаны с интенсивностью землетрясений I (баллы MSK-64) зависимостью (Грайзер В.М. Сейсмические данные об остаточных смещениях при взрывах и землетрясениях // ДАН. 1989. т.306, №4, с.822-825)
0
lgU=-4.6+0.78·I.
Например, для интенсивности I=9 баллов:
0
0
0
2,42
lgU=-4.6+0.78·9; lgU=2.42; U=10=263 мм.
Сведем вычисления в таблицу 1.
Таблица 1
Баллы землетрясений, MSK-64
Предельные смещения грунта U<sub>0</sub>, мм
6
Uo=10<sup>0.08</sup>
1.2
7
Uo=10<sup>0.86</sup>
7.24
8
Uo=10<sup>1.64</sup>
43.6
9
Uo=10<sup>2.42</sup>
263
10
Строительство запрещено
Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении сейсмостойкости здания, позволяющая упростить конструкцию сейсмоизолирующей опоры, и вместе с этим расширить область использования сейсмозащиты. При этом используются различные варианты диссипации энергии землетрясения, построенные на принципах вязкого и сухого трения, а также упругих элементов из плоских пружин или их комбинации. Все перечисленные элементы сейсмоизоляции позволяют в своей части обеспечить поглощение энергии сейсмического воздействия и тем самым в сумме погасить часть колебаний здания, при этом уменьшить их амплитуду, в результате чего повышаются защитные свойства зданий.
Технический результат, полученный при решении поставленной задачи, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, и которое устраняет недостатки, присущие прототипу, достигается следующим образом.
f
w
Сейсмоизолирующая опора, включающая несущий элемент колонны, которая через верхнюю опорную плиту опирается на резино-металлическую опору (РМО), а нижняя опорная пластина РМО при помощи анкерных болтов соединена с фундаментом, РМО выполнена из поочередно уложенных друг на друга упругих резиновых листов (прокладок) и металлических листов, а в средней части устроено центральное ядро, в фундаментах устроены стаканы, в которые вставлены (Цилиндрические упругие элементы) в виде анкерных болтов, величина затяжки которых назначается с коэффициентом надежности γ, в 1,2-1,5 раза большим, чем горизонтальная составляющая на опору от расчетной ветровой нагрузки P, нижняя опорная пластина РМО опирается на закладную металлическую пластину фундамента с отверстиями для перемещения пластинчатых упругих элементов через скользящую прокладку. Упругие элементы в виде анкерных болтов, которые принимают участие в работе по достижению перемещений несущими колоннами заданной величины, и способствуют возвращению несущих колонн в исходное положение, жесткость пластинчатых упругих элементов назначается от остаточной доли, которая воспринимается демпферами вязкого трения (РМО) по весовой характеристике здания для каждого опорного элемента колонн.
В варианте выполнения сейсмоизолирующая опора имеет верхнюю, нижнюю пластины и закладную деталь фундамента, которые выполнены в виде квадрата, круга, многоугольника, а стаканы фундаментов выполнены в виде параллепипедов, цилиндров или усеченных перевернутых конусов.
<mrow><mi>f</mi><mo>≥</mo><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mi>w</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mi>ν</mi></msub><msub><mi>γ</mi><mi>f</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
v
f
w
В варианте выполнения сейсмоизолирующая опора имеет нижнюю опорную пластину РМО, которая вставлена в металлический опорный цилиндрический стакан с толстостенными бортами, и опирается на него через скользящую прокладку, коэффициент трения материала прокладки f между РМО и дном цилиндрического стакана принимается по условию
, где P - вертикальная нагрузка на опору, металлический цилиндрический стакан закреплен через пластину в стаканах фундаментов при помощи цилиндрических упругих элементов в виде анкерных болтов, между металлическим цилиндрическим стаканом и закладной металлической пластиной фундамента устроена скользящая прокладка со своим коэффициентом трения и с коэффициентом надежности γ, в 2-5 раза большим, чем горизонтальная составляющая на опору от расчетной ветровой нагрузки P.
В варианте выполнения сейсмоизолирующая опора имеет стаканы фундаментов и пластинчатые упругие элементы в виде анкерных болтов, которые размещены по периметру опоры по концентрическим направлениям в шахматном порядке.
В варианте выполнения сейсмоизолирующая опора имеет центральное ядро, которое выполнено из эластомера, армированного композитами, с заданными упругопластическими свойствами материала армирования, и их размерами и ориентацией в пространстве по осям X, Y, Z.
Технический результат использования изобретения состоит в повышении технико-эксплуатационных характеристик здания с уменьшением горизонтальной сейсмической нагрузки на 2-3 балла в широком спектре частот, за счет рассеивания энергии, как с помощью демпферов вязкого и сухого трения, так и при помощи упругих элементов в различных комбинациях. При этом энергия рассеивания по сравнению со зданиями на обычных фундаментах в 4-10 раз выше. Кроме того, полностью снимается проблема концентрации напряжений в области кинематических опор. При этом упрощается конструкция сейсмоизолирующей опоры, и вместе этим расширяется область использования сейсмозащиты для зданий с различной интенсивностью землетрясения.
На фиг.1 показана сейсмоизолирующая опора с квадратными пластинами верхней и нижней плит, и закладной детали, с параллелепипедными стаканами фундамента; на фиг.2 то же - вид сверху; на фиг.3 то же - вид сбоку; на фиг.4 показана сейсмоизолирующая опора с круглыми пластинами верхней и нижней плит, и закладной детали, стаканы фундамента выполнены в виде усеченных перевернутых конусов; на фиг.5 то же - вид сверху; на фиг.6 то же - вид сбоку; на фиг.7 показана сейсмоизолирующая опора, вставленная в металлический опорный цилиндрический стакан, который закреплен в конических стаканах при помощи упругих пластинчатых элементов в виде анкерных болтов; на фиг.8 то же - вид сверху; на фиг.9 разрез 1-1 на фиг 8.
f
w
Сейсмоизолирующая опора, включающая несущий элемент колонны 1, которая через верхнюю опорную плиту 2 опирается на резино-металлическую опору 4 (РМО), а нижняя опорная пластина РМО 3 при помощи анкерных болтов 11 соединена с фундаментом. РМО выполнена из поочередно уложенных друг на друга упругих резиновых листов 6 (прокладок) и металлических листов 7, а в средней части устроено центральное ядро 8. В фундаментах устроены стаканы 10, в которые вставлены цилиндрические упругие элементы 11 в виде анкерных болтов, величина затяжки которых назначается с коэффициентом надежности γ, в 1,2-1,5 раза большим, чем горизонтальная составляющая на опору от расчетной ветровой нагрузки P. Нижняя опорная пластина 3 РМО опирается на закладную металлическую пластину фундамента 12 через скользящую прокладку 13. Упругие элементы в виде анкерных болтов 11, которые принимают участие в работе по достижению перемещений несущими колоннами 2 заданной величины, и способствуют возвращению несущих колонн 2 в исходное положение, жесткость упругих опор назначается от остаточной доли, которая воспринимается демпферами вязкого трения 4 (РМО) по весовой характеристике здания для каждого опорного элемента колонн 1.
В варианте выполнения сейсмоизолирующая опора имеет верхнюю 2, нижнюю 3 пластины, и закладную деталь фундамента 12, которые выполнены в виде квадрата, круга, многоугольника, а стаканы фундаментов 10 выполнены в виде параллелепипедов, цилиндров, или усеченных перевернутых конусов.
<mrow><mi>f</mi><mo>≥</mo><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mi>w</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mi>ν</mi></msub><msub><mi>γ</mi><mi>f</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
v
f
В варианте выполнения сейсмоизолирующая опора имеет нижнюю опорную пластину РМО, которая вставлена в металлический опорный цилиндрический стакан 14 с толстостенными бортами 15, и опирается на него через скользящую прокладку 16, коэффициент трения материала прокладки f между РМО и дном цилиндрического стакана принимается по условию
, где P - вертикальная нагрузка на опору, металлический цилиндрический стакан 14 закреплен через пластину 17 в стаканах фундаментов 10 при помощи упругих пластинчатых элементов 11 в виде анкерных болтов, между металлическим цилиндрическим стаканом 14 и закладной металлической пластиной 12 фундамента устроена скользящая прокладка 13 со своим коэффициентом трения и с коэффициентом надежности γ, в 2-5 раза большим, чем горизонтальная составляющая на опору от расчетной ветровой нагрузки Pw.
В варианте выполнения сейсмоизолирующая опора имеет стаканы фундаментов 10 и пластинчатые (цилиндрические) упругие элементы 11 в виде анкерных болтов, которые размещены по периметру опоры по концентрическим направлениям в шахматном порядке.
В варианте выполнения сейсмоизолирующая опора имеет центральное ядро 18, которое выполнено из эластомера армированного композитами, с заданными упругопластическими свойствами материала армирования, и их размерами и ориентацией в пространстве по осям X, Y, Z.
Сейсмоизолирующая опора работает следующим образом.
s
sx
sy
При сейсмическом воздействии за счет инерционных сил колонна, 1 за счет гибкости РМО начинает перемещаться на величину изгиба РМО (фиг.1-6). При этом нижняя пластина в зависимости от величины горизонтальной сейсмической силы P (при малом ее значении) остается неподвижной. Если горизонтальная сейсмическая сила P, или P (где индекс х, у обозначает направление по координатам в плоскости X, У) превысит тормозящую силу трения материала скользящей прокладки 13 между нижней опорной пластиной 3 и закладной фундамента 12, тогда начинается свободное скольжение нижней пластины 3 по прокладке 13 на закладной 12. Свободному скольжению нижней пластине 3 будут препятствовать изгибная жесткость пластинчатых, (цилиндрических) пружин 11 в виде анкерных болтов. Возвращению опоры в исходное положение будет способствовать изгибная жесткость пластинчатых (цилиндрических) пружин 11, и сдвиговая жесткость РМО 4.
При максимальной сейсмической нагрузке опора переместится на величину, равную половине стороны квадрата (а/2) или …(d/2) при круглом или коническом стакане, и за счет отклонения (сдвига) от вертикали на величину δ.
U=a<sub>c·ф.</sub>/2+δ
при квадратном в плане стакане
U―d<sub>c.ф</sub>/2+δ
при круглом верхе стакана
0
U≤U,
c·ф.
c·ф
где a и d - сторона квадрата, или диаметр стакана фундамента.
0
Таким образом, можно достигнуть предельной величины отклонения U сейсмоизолирующей опоры для заданной балльности проектируемого здания. При этом в несущем элементе колонны изгибающие моменты от сейсмического воздействия будут ничтожно малы, и обусловлены в основном инерционными силами трения. Диссипация энергии сейсмического воздействия в предлагаемом варианте (фиг.1-6) складывается из трех составляющих:
за счет упруговязкого трения РМО 4;
за счет сухого трения скользящей прокладки 13;
за счет упругих элементов пластинчатых (цилиндрических) пружин 11 в виде анкерных болтов.
Таким образом, расширяется функциональная возможность применения сейсмоизолирующей опоры при разной интенсивности землетрясений. При этом за счет включения в работу дополнительных связей сухого трения 13 и упругих элементов пластинчатых (цилиндрических) пружин 11 снижается нагрузка на РМО и повышается надежность сейсмозащиты здания.
s
sx
Psy
sx
sy
v
w
f
sx
sy
<mrow><mi>f</mi><mo>≥</mo><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mi>w</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>P</mi><mi>ν</mi></msub><msub><mi>γ</mi><mi>f</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
В варианте выполнения сейсмоизолирующей опоры, когда нижняя опорная пластина 3 РМО вставлена в металлический опорный цилиндрический стакан 14 с толстенными бортами 15, при сейсмическом воздействии происходит следующее. При сейсмическом воздействии за счет инерционных сил колонна 1 за счет гибкости РМО начинает перемещаться на величину изгиба (сдвига) РМО (фиг.7-9). При этом нижняя пластина в зависимости от величины горизонтальной сейсмической силы P (при малом ее значении) остается неподвижной. Если горизонтальная сейсмическая сила P или P (где индекс x, y обозначает направление по координатам в плоскости X, У) превысит тормозящую силу трения материала скользящей прокладки 16 между нижней опорной пластиной 3 и дном металлического цилиндрического стакана 14, тогда начинается свободное скольжение нижней пластины 3 по прокладке 16, лежащей на дне стакана 17. Опора остается неподвижной пока сейсмическая сила P, или P не превысит силу трения материала прокладки между РМО и дном цилиндрического стакана. Коэффициент трения материала прокладки f между РМО и дном цилиндрического стакана принимается по условию
, где P - вертикальная нагрузка на опору, P - горизонтальная составляющая расчетной ветровой нагрузки на колонну, γ- коэффициент надежности, принимаемый равным 1,2-1,5, для того, чтобы опора была неподвижной от расчетной ветровой нагрузки. Если, горизонтальная сейсмическая сила P или P (где индекс x, y обозначает направление по координатам в плоскости X, У) превысит тормозящую силу трения, материала скользящей прокладки 16 между нижней опорной пластиной 3 и дном металлического цилиндрического стакана 14, (которая в 1,2-1,5 раза больше горизонтальной составляющей ветровой нагрузки), тогда начинается скольжение нижней опорной пластины 3 по дну стакана.
f
w
При более высокой интенсивности сейсмического воздействия нижняя пластина 3 опоры РМО упирается в толстенные борта 15 стакана 14. Дальнейшему смещению опоры начинают препятствовать силы трения, которые действуют по скользящей прокладке 13 между закладной пластиной фундаментов 12 и пластиной стакана 17. Коэффициент трения скользящей прокладки 13 назначается с коэффициентом надежности γ, в 2-5 раза большим, чем горизонтальная составляющая на опору от расчетной ветровой нагрузки P. При еще большей сейсмической силе, кроме выше описанных демпферов, начинают включаться в работу пластинчатые (цилиндрические) упругие элементы пружин 11.
При максимальной сейсмической нагрузке опора переместится на величину равную
c.ф.
м.ст
РМО
0
U=d/2+(d-d)/2+δ≤U,
c·ф
м.ст
PMО
где и d - диаметр стакана фундамента, d - диаметр металлического стакана фундамента, d - диаметр нижней пластины РМО, 8 - отклонение (сдвиг) РМО от вертикали.
Диссипация энергии сейсмического воздействия, в предлагаемом варианте (фиг.7-9) складывается из четырех составляющих:
- за счет упруговязкого трения РМО 4;
- за счет сухого трения скользящей прокладки 16 (со своим коэффициентом трения);
- за счет сухого трения скользящей прокладки 13 (со своим коэффициентом трения);
- за счет упругих элементов пластинчатых (цилиндрических) пружин 11 в виде анкерных болтов.
Таким образом, расширяется функциональная возможность применения сейсмоизолирующей опоры при разной интенсивности землетрясений. При этом за счет включения в работу дополнительных связей сухого трения 13 и 16 и упругих элементов пластинчатых (цилиндрических) пружин 11 снижается нагрузка на РМО и повышается надежность сейсмозащиты здания.
В варианте выполнения сейсмоизолирующей опоры с центральным ядром 18, которое выполнено из эластомера армированного композитами, устройство работает следующим образом. В слои с резиновыми листами 6 при пластических деформациях внедряется эластомер, армированный композитами. При этом производится упругопластическая работа, которая поглощает часть энергии землетрясения.
Диссипация энергии сейсмического воздействия в предлагаемом варианте складывается из пяти составляющих:
- за счет упруговязкого трения РМО 4;
- за счет сухого трения скользящей прокладки 16 (со своим коэффициентом трения);
- за счет сухого трения скользящей прокладки 13 (со своим коэффициентом трения);
- за счет упругих элементов пластинчатых (цилиндрических) пружин 11 в виде анкерных болтов;
- за счет вязкого трения при внедрении эластомера между стальными листами 7 в слои с резиной 6.
Таким образом, благодаря особенности исполнения сейсмозащиты сооружения изобретение позволяет создать унифицированную опору сейсмостойкого сооружения, обладающую достаточно большой несущей способностью, обеспечивающую минимизацию горизонтальной нагрузки, защищаемого сооружения, надежную работу при эксплуатации в условиях сейсмического воздействия и позволяющую упростить конструкции опоры сооружения. Вместе с этим, изобретение позволяет создать достаточно компактную конструкцию опоры, которая полностью монтируется на месте строительства защищаемого сооружения (здания). Подобное конструктивное исполнение сейсмоизоляции позволяет существенно сократить объем монтажно-строительных работ, уменьшить их трудоемкость и, следовательно, сократить сроки и стоимость строительства сооружения в целом. Кроме того, изобретение обеспечивает возможность создания модульной системы сейсмозащиты, легко модифицируемой в зависимости от конкретных параметров сооружения (здания) и интенсивности сейсмического воздействия. При этом изобретение обеспечивает приспособляемость опоры к сооружениям с различными габаритно-массовыми показателями, что расширяет ее эксплуатационные возможности и повышает унификацию.