ГИДРОЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ ФУНДАМЕНТ НА КАЧАЮЩИХСЯ ОПОРАХ
HYDRO-CIRCULATION FOUNDATION ON SWINGING SUPPORTS

Область техники, к которой относится изобретение – строительство, а именно устройство оснований и фундаментов, котлованов, насыпей под сооружения, подземные и подводные сооружения, конкретно к многоэтажным зданиям, возводимым в сейсмических районах.
Уровень техники.
Известен фундамент сейсмостойкого здания (авторское свидетельство № 1331958 А1, опубликовано 23.08.1987 г., Бюл. № 31), включающий верхний и нижний опорные пояса со стаканами и стойку, концы которой заведены в стаканы и выполнены выпуклыми, отличающийся тем, что, с целью снижения сейсмических воздействий и повышения устойчивости здания, стойка выполнена составной из верхней и нижней секций, обращенные друг к другу торцы которых выполнены с выемками, образующими сферическую полость, в которой во взаимно перпендикулярных направлениях размещены пружины с закрепленными к стенкам полости концами, а между торцами секций размещены прокладки. Каждая секция может быть снабжена ограничителем её перемещения относительно другой секции.
Данная опора не является общей системой снижения сейсмических воздействий зданий. Отсутствует общая фундаментная плита.
Известен экран для защиты сооружения от сейсмических воздействий (авторское свидетельство № 1423694 А1, опубликовано 15.09.1988 г., Бюл. № 34), включающий размещенную вокруг сооружения траншею, заполненную поглощающим колебания материалом, отличающийся тем, что, с целью повышения сейсмоизоляции сооружения, экран снабжен плоской стенкой, прилегающей к стороне траншеи, удаленной от сооружения и шарнирно соединенной сней понизу через систему сухого трения плоской стенкой, прилегающей к стороне траншеи, удаленной от сооружения, причем траншея заполнена жидкостью и газом с возможностью регулирования их давления и перекрыта демпфирующей прокладкой.
Отсутствуют качающиеся опоры, а также лопаты для гашения крутильных и поступательно-вращательных колебаний.
Известна сейсмостойкая опора здания (патент № 2440463 от 14.04.2010, опубл.20.10.2011, Бюл. № 29), содержащая сваю, опорные звенья и подвижные звенья, демпфирующие элементы, фиксирующие элементы, отличающаяся тем, что свая выполнена фасонной, телескопической и полой внутри, звенья и демпфирующие элементы, расположенные внутри сваи, могут перемещаться относительно друг друга и относительно корпуса сваи в вертикальной и горизонтальной плоскостях при неизменном вертикальном и горизонтальном положении центрального опорного звена - плунжера, жестко связанного с фундаментом здания, опирающегося на сейсмостойкие опоры, расположенные по периметру фундамента и под днищем фундамента здания, в фасонной телескопической свае с торцевой ее части выполнено два цилиндрических гнезда разного диаметра и разной глубины, на дне верхнего гнезда установлено полимерное антифрикционное покрытие кольцевой формы в плане, поверх которого установлен комплект горизонтально демпфирующих элементов, выполненных из спрессованных проволочных спиралей, плотно прижатых друг к другу в окружном, радиальном и вертикальном направлении наружная кромка которых выполнена по окружности, диаметр которой равен диаметру верхнего гнезда, и внутренняя кромка которых также выполнена по окружности, внутри этого комплекта горизонтально демпфирующих элементов установлен с натягом опорный подвижный стакан, опирающийся на полимерное антифрикционное покрытие, в днище опорного стакана выполнено сквозное цилиндрическое отверстие, внутри опорного стакана установлен комплект вертикально демпфирующих элементов, выполненных из спрессованных проволочных спиралей, плотно прижатых друг к другу в окружном, радиальном и вертикальном направлениях и плотно прижатых к дну опорного стакана, наружная кромка которых выполнена по окружности, диаметр которой равен внутреннему диаметру стакана, а внутренняя кромка которых выполнена по окружности, внутри этого комплекта установлен с натягом опорный плунжер, жестко связанный с фундаментом здания, в верхней торцевой части опорного плунжера выполнено глухое гнездо, в котором установлена шайба, жестко связанная с опорными элементами фундамента здания, на верхней торцевой части опорного стакана установлен герметично уплотнительный стакан с уплотнениями, образующий полость между поверхностями опорного плунжера и вертикально демпфирующими элементами, а на торцевой поверхности телескопической сваи установлена ограничительная кольцевая шайба и на наружной цилиндрической поверхности телескопической сваи установлены с равным шагом по окружности жестко с ней фиксирующие ребра швеллерообразной формы.
В системе отсутствует возможность регулировать давление в стакане при больших диапазонах сейсмических волн.  При горизонтальном ударе волны, при работе системы, жидкость, находящаяся в порах спрессованных проволочных спиралей и в полостях между демпфирующими элементами будет вытесняться вверх и заполнять полость уплотненного стакана, создавая в нем избыточное давление воздуха.  При сбегании волны землетрясения сжатый воздух в уплотненном стакане должен вытеснять жидкость обратно в поры спрессованных проволочных спиралей, а упруго демпфирующие элементы должны выпрямляться, принимая свое первоначальную форму. При этом, система должна иметь возможность регулировать давление спрессованных проволочных спиралей с помощью регулируемых клапанов (возможно создавая дополнительное давление) для возвращения в исходное положение.
В предлагаемом гидроциркуляционном фундаменте на качающихся опорах давление в камерах может измениться с помощью регулируемых клапанов, также   стенки имеют лопаты для гашения крутильных и поступательно – вращательных колебаний. Имеются тарельчатые амортизаторы, поглощающие значительную часть внешнего воздействия.
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 перемещений и циркуляций жидкости путем регулирования давления в парных камерах, в центральную и обратно.
Раскрытие сущности изобретения.
Фундамент состоит из верхней 1 и нижней 4 и 4`   фундаментных плит, а также общей фундаментной плиты 2. Качающиеся опоры 3 и 3` со сферическими поверхностями опирания расположены между верхней 1 и нижней 4 и 4` фундаментными плитами на сферических выемках. Обращенные друг к другу торцы секций выполнены с выемками, образующими сферическую полость 7, в которой размещены тарельчатые резинометаллические амортизаторы 5, 6. Тарельчатые резинометаллические амортизаторы ориентированы друг к другу по днищам. Качающиеся опоры установлены с зазором .  Полости 7 и 7` частично заполнены жидкостью.
Верхняя и нижняя секции качающихся опор 3 и 3’ имеют ограничители движения относительно друг к другу 8 и 8’.
Нижние фундаментные плиты 4 и 4` опираются на таврообразную конструкцию 9 через опорную прокладку 10.
В качестве прокладки 10 может быть применен слой из неопрена, резины, резинометалла и т.д.
Между конструкциями таврообразного фундамента 9 и верхней плиты 1 образуется центральная камера 11, которая заполняется жидкостью 12. Вертикальные стенки центральной емкости имеют пазы 13 для протекания жидкости в левые 14 и правые 14` парные камеры. Наружные стенки 15 и 15` этих камер могут двигаться (поворачиваться) с помощью осевого пружинного механизма 16 и 16` относительно осей качающихся опор 3 и 3`. Между наружными стенками камер и опор качания существует зазор , который устанавливается с учетом уровня часто повторяющихся технологических, вибрационных и сейсмических воздействий. Давление в камерах 14 и 14` может изменяться с помощью регулируемых клапанов 17 и 17`. Наружные стенки имеют лопаты 18 и 18’ для гашения крутильных и поступательно-вращательных колебаний. Нижние и верхние фундаментные плиты имеют ограничители колебаний относительно друг друга 19 и 19’ (фиг. 2).
Система работает следующим образом:
При часто повторяющихся слабых горизонтальных сейсмических колебаниях, вибрациях и т.д., когда максимальное смещение , качающиеся опоры включаются в движение, вследствие чего сила трения качания, а также тарельчатые амортизаторы поглощают значительную часть внешнего воздействия, а над фундаментной частью конструкции передаются незначительные возмущения.
V
V
h
h
V
При сильных землетрясениях, взрывах и др. интенсивных воздействиях, когда величина смещения качания опор 3 и 3` больше величины зазора , происходит прикосновение (соударение) опор с наружными стенками 15 (15`) левых 14 (правых 14`) камер. Движением стенки камер жидкость объемом Δ перетекает в центральную камеру, поглощая энергию ΔρΔ, где ρ – плотность жидкости; Δ – пройденный путь жидкости объемом D.
При сильных сейсмических воздействиях сверхнормативные передвижения верхней и нижней плиты обеспечивают ограничители 19 и 19’, которые являются дополнительным демпфером колебаний. Наружная стенка 15 с помощью осевого пружинного механизма 16 (16`) возвращается в первоначальное состояние.
В обратном цикле колебания, жидкость с правой камеры 14` перетекает в центральную камеру 11, где давление жидкости повышается, а давление в этот момент в левой камере 14 минимально, открывается выпускной клапан левой стенки центральной камеры и жидкость протекает в левую камеру 14. При интенсивных колебаниях процесс многократно повторяется, в результате суммарное динамическое и сейсмическое воздействие на конструкции значительно снижается.
Для снижения перемещения верхних и нижних фундаментных плит предусмотрены ограничители 19 и 19’.
Предлагаемая система обладает следующей эффективностью: система может выдержать тяжелые конструкции и оборудование реакторного отделения АЭС, изолировать часто повторяющиеся относительно слабые землетрясения с помощью качания опор и снизить до требуемого уровня сильные сейсмические воздействия – перемещением и циркуляцией жидкости путем регулирования давления в парных камерах, в центральную и обратно. Качающиеся опоры могут быть жесткими и упругими. Они могут быть изготовлены из жестких материалов с ядром из упругих пружин, резиново-металлических изделий, неопрена и других полимерных материалов сочетанием металла.
a
a
На фиг. 3. представлены графики изменения воздействий энергетических спектров на реакторное отделение АЭС, в зависимости от периода и коэффициента затухания Э (Т, ), (где Т – период,  – коэф-фициент затухания).  Преобладающий период землетрясения
max
Т = (0,18-0,25)с - максимальная амплитуда A=0,155 g.
Период собственных колебаний реакторного отделения без сейсмоизоляции 0,192 с. Период колебания сейсмоизолированного реакторного отсека – Т =0,35÷0,45 с. Очевидно, что применение системы сейсмоизоляции на данной площадке строительства исключает возможность опасных резонансных явлений, сейсмические нагрузки и энергетические спектры воздействия на АЭС значительно снижаются.
Цель работы - повышение устойчивости здания за счет перемещений и циркуляций жидкости в парных камерах.
Краткое описание чертежей.
1 - верхняя фундаментная плита
2 - общая фундаментная плита
3 - качающиеся опоры со сферическими поверхностями - нижняя
3’ - качающиеся опоры со сферическими поверхностями - верхняя
4 (4’) - нижняя фундаментная плита
5 - верхний тарельчатый резинометаллический амортизатор
6 - нижний тарельчатый резинометаллический амортизатор
7 (7’) - сферическая полость
8 (8’) - ограничители движения
9 - таврообразная конструкция
10 - опорная прокладка
11 - центральная камера
12 - жидкость
13 - пазы
14 - левая парная камера
14’- правая парная камера
15 (15’) - стенки парных камер
16 (16’) - пружинный механизм
17 (17’) - регулируемый клапан
18 (18’) - лопаты
19 - ограничители колебаний
На фиг. 1 Фундамент на качающихся опорах. Изображен поперечный разрез в плоскости качающихся опор предлагаемого фундамента.
На фиг. 2 Узел качения. Изображен поперечный разрез в плоскости ограничителей.
Фиг. 3. Спектральные характеристики энергии:
ОС – обычная система; СС – сейсмоизоляционная система
a
a
На фиг. 3. представлены графики изменения воздействий энергетических спектров на реакторное отделение АЭС, в зависимости от периода и коэффициента затухания Э (Т,), (где Т – период,  – коэф-фициент затухания).  Преобладающий период землетрясения
max
Т=(0,18-0,25)с - максимальная амплитуда A=0,155 g.
Период собственных колебаний реакторного отделения без сейсмоизоляции 0,192 с. Период колебания сейсмоизолированного реакторного отсека - Т=0,35÷0,45 с. Очевидно, что применение системы сейсмоизоляции на данной площадке строительства исключает возможность опасных резонансных явлений, сейсмические нагрузки и энергетические спектры воздействия на АЭС значительно снижаются.