УСТРОЙСТВО И СПОСОБ УСТАНОВКИ МНОГОСЛОЙНОГО СБОРНОГО СЕЙСМОИЗОЛЯТОРА ЗДАНИЯ, СООРУЖЕНИЯ
DEVICE AND METHOD TO INSTALL MULTI-LAYER PREFABRICATED SEISMIC INSULATOR OF BUILDING, STRUCTURE

Изобретение относится к области строительства, а именно к устройству сейсмозащиты здания, сооружения с целью защиты конструкций, людей и оборудования этих зданий, сооружений от динамических воздействий большой интенсивности, природного (сейсмика) или техногенного (промышленная сейсмика) происхождения, передающихся извне, например, по грунту. Принцип сейсмозащиты заключается в том, что защищаемая часть здания, сооружения отрезается от нижележащей части сейсмическим швом, в котором дискретно размещаются сейсмоизоляторы, включающие упругие элементы малой жесткости из эластомера, например резины, благодаря наличию которых собственные частоты горизонтальных и вертикальных колебаний здания, сооружения отстраиваются от энергетически значимых частот внешнего динамического воздействия и, тем самым, при сейсмическом или техногенном смещении основания снижается интенсивность этого воздействия на защищаемую часть здания, сооружения.
Известны цельные слоистые сейсмоизоляторы, состоящие из чередующихся слоев резины малой толщины (h=0,5-1,5 см) и металла, обладающие незначительной сжимаемостью и большой податливостью в горизонтальном направлении, применяемые для защиты только от горизонтальных сейсмических воздействий: US 4978581 A (Fucahori et al. BRIDGESTONE CONSTRUCTION [JP]), B32B 7/02; E02D 27/34; E04H 9/02; F16F 1/40; 18.12.1990.
Известны цельные и сборные сейсмоизоляторы, состоящие из чередующихся слоев резины средней толщины (h=2,0-6,0 см) и металла, применяемые для защиты от горизонтальных и вертикальных сейсмических воздействий, при этом соседние пластины сборных сейсмоизоляторов скрепляются по опорной арматуре болтовыми или шпоночными связями для исключения взаимных смещений по контакту металлической арматуры соседних элементов: US 5201155 A (Shimoda et al., GILES INDUSTRY CO LTD [JP]), E01D 19/04; E04B 1/36; E04H 9/02; F16F 13/00; F16F 15/02; F16F 9/30, 13.04.1993.
Монтаж известных конструкций сейсмоизоляторов производится путем их закрепления болтовыми или анкерными креплениями в сейсмическом шве до или после возведения вышележащей защищаемой части сооружения. Известны также многослойные сборные виброизоляторы с набором армированных слоев эластомера, например резины, средней толщины (h=2,0-6,0 см), не скрепляемых между собой по арматуре, применяемые для защиты от вертикальных и горизонтальных динамических воздействий техногенного происхождения малой интенсивности, например метрополитена. Отсутствие взаимных смещений по контакту металлической арматуры соседних элементов обеспечивается силами трения покоя на поверхностях контакта. Известен способ отсроченного монтажа и демонтажа таких сборных виброизоляторов, реализуемый после возведения защищаемой части здания, сооружения (RU 2233365 С1 (Дашевский М.А.), E02D 27/34, E04H 9/02, 12.11.2003). В соответствии с этим патентом установку виброизолятора в рабочее положение (монтаж виброизолятора) осуществляют следующим образом:
- в основании образуют проемы, оребренные элементами уголкового профиля в местах выхода проема на вибрационный шов, затем возводят верхнее строение со сквозными нишами, расположенными соосно проемам, каждая между опорными площадками, на которых уложены металлические листы;
- после возведения верхнего (защищаемого) строения на горизонтальные полки элементов уголкового профиля соосно продольной оси проема укладывают опорную силовую плиту, на которой размещают незакрепленный многослойный виброизолятор; в проем основания под опорную силовую плиту заводят силовые приспособления, приводят их в действие и сжимают виброизолятор, а после сжатия виброизолятора в образовавшийся зазор между опорной силовой плитой и горизонтальными полками элементов уголкового профиля устанавливают опорные прокладки, фиксирующие виброизолятор в сжатом состоянии, после чего силовые приспособления удаляют;
- в процессе монтажа, включающего последовательное многоразовое сжатие поля виброизоляторов здания, сооружения, на последнем цикле нагрузка сжатия виброизолятора превосходит проектную на 10-20%, что нарушает равновесие нагрузок сверху и снизу и вызывает разгрузку соседних виброизоляторов, то есть их распрямление, при котором верхнее строение силами упругости виброизоляторов отжимается от опорных площадок; когда в процессе многоразового сжатия поля виброизоляторов ширина зазора на опорных площадках достигает 4-5 мм, уложенные на них металлические листы удаляют, образуя между основанием и верхним строением вибрационный шов в виде зазора шириной 20-25 мм. На этом установка виброизоляторов в здании, сооружении считается завершенной. При техногенных горизонтальных воздействиях малой и средней интенсивности (распор конструкции, ветер, динамические воздействия от машин и т.п.) горизонтальные усилия в уровне вибрационного шва передаются на специальные упоры, а сила трения покоя на контакте между металлической арматурой соседних элементов, как правило, превышающая горизонтальные усилия, возникающие между незакрепленными слоями, идет в запас прочности, чем обеспечивается надежность и работоспособность конструкции.
Наиболее близкими к изобретению по технической сущности и достигнутому результату являются конструкция сборного многослойного сейсмоизолятора, кругового очертания в плане, состоящая из набора упругих слоев эластомера, например резины, армированных по опорным поверхностям металлическими пластинами, при этом соседние пластины сборного сейсмоизолятора скрепляют по опорной арматуре болтовыми или шпоночными связями для исключения взаимных смещений по контакту между металлической арматурой соседних элементов, и способ отсроченного монтажа многослойных виброизоляторов (RU 2233365 С1, (Дашевский М.А.), E02D 27/34, Е04Н 9/02, 12.11.2003).
Недостатками известных цельных сейсмоизоляторов являются
- технологическая сложность и низкая производительность процесса однородной по массиву вулканизации при изготовлении цельных многослойных сейсмоизоляторов, особенно со слоями средней толщины, применяемых для одновременной защиты от вертикальных и горизонтальных динамических воздействий большой интенсивности;
- низкая ремонтопригодность цельного сейсмоизолятора вследствие невозможности выборочной замены одного из слоев при выходе его из строя по причине изменения свойств в период эксплуатации под действием реологических процессов и внешних факторов, например пожара;
- большой вес многослойного сейсмоизолятора для зданий, сооружений, что исключает ручной монтаж, требует специальных подъемных механизмов и затрудняет монтаж и демонтаж сейсмозащиты в условиях строительного помещения, недоступного для кранового оборудования;
- ограниченность и негибкость в применении номенклатурного ряда сейсмоизоляторов, возникающая вследствие немногочисленности экономически выгодных в производстве вариантов цельного изделия и зачастую возникающей необходимости изменения типа сейсмоизолятора при уточнении проекта сооружения в процессе строительства.
Недостатками способа монтажа цельных и сборных сейсмоизоляторов, выполняемого до возведения защищаемой части здания, сооружения, являются:
- удлинение времени монтажа и демонтажа сейсмоизоляторов вследствие применения скреплений слоев в виде резьбовых и шпоночных соединений;
- снижение надежности конструкции и повышение стоимости сейсмоизолятора в целом при его сборке и разборке в строительных условиях вследствие наличия резьбовых и шпоночных соединений, требующих повышенной точности сборки и высокого качества самих крепящих элементов;
- неравномерность осадок заранее установленных сейсмоизоляторов в зависимости от неравномерности процесса возведения сооружения или изменения температурных условий на стройплощадке, что может привести к местным перенапряжениям и образованию трещин в конструкциях;
- разрыв в процессе производства основных строительных работ, связанный с монтажом сейсмоизоляторов до начала работ по защищаемой части;
- необходимость выполнения специальных повышенных требований к горизонтальности всей плоскости сейсмического шва - с целью обеспечения равномерной передачи нагрузки на сейсмоизоляторы после возведения защищаемой части здания, сооружения.
Недостатком известного способа отсроченного монтажа виброизоляторов после возведения защищаемой части здания, сооружения применительно к монтажу сборных многослойных сейсмоизоляторов является отсутствие связей, препятствующих взаимным горизонтальным смещениям опорных верхней и нижней соседних пластин блока сейсмоизолятора и сопутствующих монтажных элементов (опорная плита, фиксирующие прокладки) в сейсмическом шве здания, сооружения при действии вертикальных и, особенно, горизонтальных нагрузок большой интенсивности, как техногенного, так и природного происхождения (сейсмических нагрузок).
Основными задачами изобретения является, во-первых, создание лишенной отмеченных выше недостатков конструкции технологичного и надежного в сборке и разборке экономичного сборного многослойного сейсмоизолятора-пакета, состоящего из набора отдельных элементов-слоев, обеспечивающего эффективность, надежность, прочность и гибкость применения сборной конструкции сейсмоизолятора при совместной работе пакета под действием вертикальных и горизонтальных динамических нагрузок природного или техногенного происхождения и, во-вторых, приспособление технологии отсроченного монтажа виброизоляторов к обеспечению как возможности больших горизонтальных перемещений упругих элементов сейсмоизолятора, так и надежной и технологичной системы фиксации сейсмоизолятора в сейсмическом шве для обеспечения совместной работы пакета элементов-слоев при действии горизонтальных продольных и поперечных сейсмических перемещений основания большой интенсивности.
1
1
1
1
1
1
1
1
Первая поставленная задача решается за счет того, что в многослойном сборном резинометаллическом сейсмоизоляторе, выполненном в виде пакета слоев, состоящих каждый из упругого слоя эластомера, например резины, кругового очертания в плане радиусом R, к которому с обеих сторон привулканизована опорная арматура - верхняя и нижняя металлические пластины радиусом R и толщиной δ, в соответствии с изобретением для обеспечения совместной работы пакета элементов-слоев при действии горизонтальной сейсмической нагрузки, нижняя пластина выполнена в виде круга радиуса R=R+A, выступающего за границы слоя эластомера на величину А, так, что R/R≥1,1, верхняя пластина выполнена в виде правильного многоугольника, например в виде правильного восьмиугольника, с радиусом вписанной окружности r, превышающим радиус нижней пластины R на величину L=r-R так, что L/R≥0,5, монтажный зазор ∆ между краем нижней пластины слоя сейсмоизолятора и внутренним криволинейным краем отверстия в пластине-ограничителе удовлетворяет соотношению ∆/R≥0,01, а толщина δ арматуры удовлетворяет соотношению δ/R≥0,04. При этом нижняя пластина вырезана из пластины-ограничителя, меньшей и геометрически подобной верхней пластине, в результате чего обеспечивается монтажный зазор ∆ между краем нижней пластины вышележащего слоя сейсмоизолятора и внутренним криволинейным краем отверстия в пластине-ограничителе, а расстояние h между наружными кромками верхней пластины и соответствующими наружными кромками пластины-ограничителя удовлетворяет соотношению h≥b, где b - ширина контурного сварного шва, которым часть пластины-ограничителя с круговым вырезом, оставшаяся после вырезки нижней пластины, приварена к верхней пластине, а сама пластина-ограничитель разделена надрезами по радиальным лучам на взаимно-симметричные сегменты, приваренные к верхней пластине слоя сейсмоизолятора как по наружному контуру, так и по прямолинейным сторонам вдоль надрезов между этими сегментами. На верхней плоскости опорной плиты закреплена закладная деталь в виде пластины-ограничителя, аналогичная пластине-ограничителю, приваренной к верхней арматурной пластине каждого слоя сборного сейсмоизолятора, а потолок сквозной ниши имеет закладную деталь в виде кругового выступа, аналогичного конфигурации нижней арматурной пластины слоя сборного сейсмоизолятора и выходящего за верхнюю грань сквозной ниши на толщину арматуры δ.
1
0
0
0
0
2
2
0
2
Вторая поставленная задача решается за счет того, что в здании, сооружении при отсроченном монтаже сейсмоизолятора, устанавливаемого на опорной плите, размещаемой в соосной сквозной нише в незащищаемой части здания, сооружения, расположенной ниже сейсмического шва, и его напряжении, путем сжатия силовыми устройствами, размещаемыми в проеме, соосном нише, с последующим отрывом защищаемой части здания, сооружения от основания силой упругости резиновых элементов сейсмоизолятора, в соответствии с изобретением, с целью обеспечения возможности больших перемещений упругого элемента сейсмоизолятора при условии его закрепления в сквозной нише, конструктивный проем имеет ширину L=L+2S+2N, где L - продольный габарит сейсмоизолятора, N - зазор безопасности, N/L≥0,1; 2S - удвоенная величина амплитуды сейсмического перемещения грунта для расчетного района сейсмичности места строительства, сборку сейсмоизолятора в сквозной нише выполняют путем установки нижней пластины слоя сейсмоизолятора в пластину-ограничитель верхней пластины нижележащего слоя сейсмоизолятора, при этом нижнюю пластину нижнего слоя сейсмоизолятора размещают в пластине-ограничителе опорной плиты, а в пластину-ограничитель верхнего слоя сейсмоизолятора вводят круговой выступ закладной детали на верхней грани проема, при этом между боковыми поверхностями опорной плиты с расположенными под ней фиксирующими прокладками и боковыми внутренними стенками сквозной ниши, ниже сейсмозащитного шва, предусматривают зазоры шириной G, G/L≥0,1 с каждой стороны, в которые, после завершения отрыва защищаемой части здания, сооружения от основания здания, сооружения, закладывают металлические упорные брусья заподлицо с торцами опорной плиты, вплотную к внутренним стенкам сквозной ниши и боковым поверхностям опорной плиты и фиксирующих прокладок сейсмоизолятора, с обеих сторон наружных поверхностей стен, ниже уровня сейсмического шва, прикрепляют металлические пластины, имеющие высоту, равную расстоянию от отметки низа сейсмического шва до отметки низа проема для установки силовых устройств длиной L, L≥2L-В и толщиной не менее F, где В - ширина проема для установки силовых устройств, F/L≥0,05, а крепление пластин выполняют с помощью сквозных болтов, числом не менее шести, расположенных в двух группах симметрично оси сквозной ниши и пропущенных через каналы в бетоне, образованные при бетонировании конструкции незащищаемой части здания, расположенной ниже сейсмического шва.
Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью существенных признаков, состоит в создании эффективных, надежных, технологичных и компактных конструкций сборного многослойного сейсмоизолятора и способа крепления его в сейсмическом шве при отсроченном способе монтажа, обеспечивающих защиту зданий и сооружений от интенсивных вертикальных и горизонтальных колебаний природного и техногенного происхождения, в первую очередь землетрясений, а также возможность демонтажа и повторного монтажа отдельного сейсмоизолятора в процессе эксплуатации здания, сооружения.
Благодаря применению предлагаемого изобретения
- решается задача комплексной сейсмозащиты зданий, сооружений как от вертикальных, так и от горизонтальных колебаний природного или техногенного происхождения, вследствие возможности сборки в пакете элементов-слоев средней толщины с обеспеченным отсутствием взаимного проскальзывания пластин арматуры соседних элементов сейсмоизолятора и примыкающих конструкций при горизонтальных динамических воздействиях на здание, сооружение;
- обеспечивается вариативность эффективности сейсмозащиты за счет возможности установки в сейсмоизоляторе расчетного числа типовых элементов-слоев, в том числе различной толщины, определяемого заданной интенсивностью природного или техногенного воздействия;
- упрощается процесс устройства сейсмозащиты за счет организации производства обширной номенклатуры типовых элементов и последующей сборки сейсмоизолятора проектной конфигурации на месте установки;
- решается задача закрепления опорных частей сборного сейсмоизолятора от взаимных смещений в конструкции проема в сейсмическом шве зданий, сооружений при действии интенсивных вертикальных и горизонтальных динамических нагрузок;
- распространяются преимущества технологии отсроченного монтажа и демонтажа виброизоляторов после возведения здания на процесс монтажа и демонтажа сборных многослойных сейсмоизоляторов;
- сборные многослойные сейсмоизоляторы могут использоваться для комплексной защиты от природной и техногенной вибрации вертикального и горизонтального направлений при наличии обоих видов воздействий.
Сущность изобретения поясняется чертежами, приведенными на фиг.1-6.
На фиг.1 (план, вид сверху) изображен многослойный сборный сейсмоизолятор с упругим элементом 1 кругового очертания в плане, армированным снизу нижней металлической пластиной 2, а сверху - верхней металлической пластиной 3 с пластиной-ограничителем 4, сегменты 5 которой приварены к верхней металлической пластине 3 по наружному контуру и радиальным разрезам.
На фиг.2 (разрез по А-А на фиг.1) изображен элемент-слой многослойного сборного сейсмоизолятора с упругим элементом 1 кругового очертания в плане, армированным нижней металлической пластиной 2 и верхней металлической пластиной 3 с пластиной-ограничителем 4.
На фиг.3 (разрез по А-А, сборка) изображен сейсмоизолятор из 3-х элементов-слоев в сборе, с упругими элементами 1 из эластомера, например резины, кругового очертания в плане, армированными каждый нижней металлической пластиной 2 и верхней металлической пластиной 3 с пластиной-ограничителем 4.
На фиг.4 (продольный разрез по С-С на фиг.6) изображен конструктивный проем для монтажа сборного сейсмоизолятора в несущей конструкции здания, например стене, разделенной сейсмическим швом 6 с удаляемыми прокладками 7 на защищаемую часть 8 и незащищенную часть 9, состоящий из верхней сквозной ниши 10 с закладной деталью 11 и выступом в ней 12 - в защищаемой части здания 8, нижней сквозной ниши 13 - в незащищенной части здания 9 и соосного сквозным нишам 10 и 13 сквозного проема 14 с усилением уголками 15 - для размещения силовых устройств в незащищенной части 9 здания.
На фиг.5 (продольный разрез по С-С на фиг.6) изображен смонтированный в конструктивном проеме установленный на силовой опорной плите 16 с фиксирующими прокладками 17 сборный сейсмоизолятор из 3-х элементов-слоев, с упругими элементами 1 из эластомера, например резины, кругового очертания в плане, с установленными ограничителями продольных (упорные брусья 18) и поперечных (прикрепленные болтами 19 металлические вертикальные пластины 20) перемещений сейсмоизолятора в конструктивном проеме.
На фиг.6 (поперечный разрез по D-D на фиг.4) изображен смонтированный между незащищенной частью 9 и защищаемой частью 8, установленный на силовой опорной плите 16 с фиксирующими прокладками 17 сейсмоизолятор из 3-х элементов-слоев, с упругими элементами 1 из эластомера, например резины, кругового очертания в плане, с установленными в сквозной нише 13 ограничителями поперечных перемещений сейсмоизолятора в проеме, в виде прикрепленных болтами 19 металлических вертикальных пластин 20.
Сборку многослойного сейсмоизолятора перед началом сжатия силовыми приспособлениями выполняют в конструктивном проеме, включающем сквозные ниши 10 и 13. Сборка состоит в последовательной установке элементов-слоев 1 сейсмоизолятора на силовую опорную плиту 16 и одного на другой так, чтобы нижняя металлическая пластина 2 кругового очертания элемента-слоя сейсмоизолятора вошла вплотную в отверстие пластины-ограничителя 4, прикрепленной к силовой опорной плите 16 или верхней металлической пластине 3 нижележащего элемента сейсмоизолятора. Приведение сейсмоизолятора после сборки в рабочее состояние выполняют путем поджима сейсмоизолятора силовыми приспособлениями, например домкратами, установленными в сквозном проеме 14, так, чтобы в отверстие пластины-ограничителя 4 верхней металлической пластины 3 верхнего элемента-слоя вошел выступ 12 закладной детали 11, повторяющий конфигурацию нижней металлической пластины 2 элемента-слоя сейсмоизолятора, и установленной в верхней грани сквозной ниши 10. Способ приведения сейсмоизолятора в рабочее положение, обеспечивающее отрыв здания, сооружения от основания, выполняют в соответствии с патентом РФ №2233265 на монтаж виброизоляторов, после чего, для закрепления сейсмоизолятора в сквозной нише 13, в зазоры между опорной плитой 16 и стенками сквозного проема 14 в незащищаемой части здания, сооружения устанавливают упорные брусья 18, а его торцевые поверхности закрывают вертикальными пластинами 20, которые закрепляют болтами 19.
Таким образом, использование эффективного, надежного, технологичного и компактного сборного сейсмоизолятора, монтируемого на месте из заданного числа слоев, в том числе различной толщины, позволяет
- решить задачу сейсмозащиты зданий, сооружений от вертикальных и горизонтальных колебаний с учетом конкретных местных условий по балльности землетрясения или интенсивности техногенного воздействия;
- обеспечить экономичность и гибкость применения сейсмозащиты за счет установки требуемого по расчету числа типовых слоев сейсмоизолятора, в том числе с различной толщиной резины;
- упростить процесс производства сейсмоизоляторов за счет организации выпуска типовых пластин различных типоразмеров и сборки соответствующего сейсмоизолятора на месте установки;
- использовать сборные многослойные сейсмоизоляторы для комплексной защиты от природной и техногенной вибрации при наличии обоих видов воздействий.