СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ ЖЕСТКОСТИ ФУНДАМЕНТА ПРИ ВИБРАЦИОННОЙ НАГРУЗКЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF INCREASING DYNAMIC RIGIDITY OF A FOUNDATION UNDER A VIBRATION LOAD AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к строительству, а именно к способам сооружения фундаментов под установки с динамическими нагрузками, и предназначено для обеспечения вибрационной надежности как существующих, так и вновь возводимых фундаментов, преимущественно легких проветриваемых фундаментов (ЛПФ), в том числе и в вечномерзлых грунтах (ВМГ), под водой и в сейсмоопасных зонах.
Известен способ защиты фундаментов зданий, сооружений от динамических воздействий в грунте и устройство для его осуществления (см. патент РФ № 2622279, МПК E02D 31/08, опубл. 13.06.2017). Способ включает выполнение на расстоянии от здания, сооружения вдоль его конструктивных элементов, подвергающихся динамическим воздействиям, траншеи, в которую погружают устройства защиты. Устройства защиты соединяют между собой, а два крайних устройства защиты соединяют с внешней емкостью, содержащей демпфирующую жидкость.
Известные технические решения предназначены для снижения интенсивности внешних воздействий в грунте, а не от оборудования, размещенного на фундаменте. Кроме того они не применимы в условиях ВМГ, а также на болотистых грунтах.
Из уровня техники известна опорная конструкция и способ ее сооружения при строительстве фундаментов на слабых грунтах, на опорной поверхности которой расположены анкерные выступы сложной формы, которые определённым образом ориентируют при сооружении фундамента для обеспечения надежности фундамента при воздействии на него активных нагрузок (см. патент РФ №2107768, МПК E01C 9/00, опубл. 27.03.1998 г.).
Недостатком известной конструкции является ограниченная сфера применения, которая обусловлена тем, что изобретение применимо только для фундаментов в виде плиты и не распространяется на другие типы конструкций фундаментов. Кроме того, недостатком изобретения является повышенная сложность при изготовлении и размещении на опорной поверхности плиты анкетных элементов.
Известен фундамент под оборудование, содержащий верхнюю и нижнюю плиты, стойки, при этом каждая стойка снабжена верхними и нижними стержнями, установленными внутри стоек, при этом внутренний объем стоек заполнен сыпучим демпфирующим материалом, а определенный зазор стержней внутри стоек обеспечивается грузами-противовесами через тросы, прикрепленные к верхней плите (см. описание к полезной модели РФ №99027, МПК E02D 27/44, опубл. 10.11.2010 г.).
Недостатком известного фундамента является повышенная сложность конструкции, низкая надежность, ограниченная возможность противостоять активной нагрузке.
Известно устройство и способ усиления основания мачты против его вырывания из грунта. Предлагается устройство и способ усиления основания опоры мачты против вырывания, причем указанное основание содержит, по меньшей мере, один массивный блок, заглубленный в грунт места расположения основания, который содержит плиту с наибольшим сечением в горизонтальной плоскости. Плита должна обладать большей плотностью и/или большей устойчивостью к деформации сдвига, чем грунт (или почва) места расположения основания. Эффект достигается вовлечением дополнительной массы от грунта лежащего над плитой и противодействующей вырывающей силе воздействующей на опору мачты (см. патент РФ №2392387, МПК E02D 27/50, опубл. 20.06.2010 г.).
Недостатком известного устройства и способа является ограниченная сфера применения. Ограниченность сферы применения обусловлена тем, что эффект от изобретения проявляется в основном при противодействии вертикальной нагрузке.
Известен способ снижения вибраций и уменьшения их вредного влияния на существующие фундаменты (см. работу Павлюк Н.П., Кондин А.Д. О погашении вибраций фундаментов под машины. – Проект и стандарт, 1936, №11).
Способ состоит в том, что к колеблющемуся фундаменту присоединяется простая бетонная плита, расположенная на верхнем слое грунта. Сопротивление такой плиты горизонтальным колебаниям оказывается весьма значительным. Размеры плиты в каждом случае необходимо подбирать по расчету, вместе с тем эффект погашения всегда может быть увеличен и после устройства плиты – путем ее наращивания. Одним из достоинств способа является возможность выноса плиты за периметр фундамента.
Для устранения проявления вредного влияния неодинаковости осадок фундамента и плиты связь между ними рекомендуется осуществлять установкой промежуточного жесткого шарнирно присоединенного звена (см. описание на стр. 190-191 в работе – Савинов О.А., Современные конструкции фундаментов под машины и их расчет. Изд. 2-е, перераб. и доп., Л.: Стройиздат. Ленингр. отделение, 1979, – 200 с. ил.). Данный способ и конструкция для его реализации являются наиболее близкими к предлагаемому решению.
Однако известный способ не обеспечивает эффективную вибростойкость фундамента, так как место присоединения бетонной плиты выбрано произвольно без учета расположения точек возникновения и направлений динамических нагрузок. Использование шарнирных соединений снижает эффективность способа, т.к. вибрации с амплитудой меньше возможных зазоров шарнира гаситься не будут, а сами зазоры со временем будут только увеличиваться. Сам способ основан на повышении инерционной массы и увеличении сопротивляемости за счет трения о грунт, что в свою очередь приводит к увеличению материалоемкости. Кроме того, способ и устройство предполагают близкое расположение плиты, в связи с чем возникает сложность при плотном расположении смежного технологического оборудования и трубопроводной обвязки, а также при использовании на ВМГ.
Из вышеизложенного следует, что в уровне техники существует потребность повышения динамической вибростойкости фундаментов, как существующих, так и вновь возводимых, когда известными способами подобного эффекта сложно достигнуть.
Технической проблемой является разработка способа и устройства, обеспечивающих компенсацию колебаний фундамента от установленного оборудования, как источника динамических нагрузок (ИДН) в рабочем диапазоне частот.
Технический результат заключается в повышении виброустойчивости фундаментов, преимущественно ЛПФ, в рабочем диапазоне частот ИДН.
Технический результат достигается тем, что в способе повышения динамической жесткости фундамента, включающем присоединение с помощью соединительного комплекса к фундаменту, с размещенным на нем оборудованием в качестве источника динамических нагрузок, по крайней мере, одной отдельно расположенной на поверхности грунта, бетонной плиты, геометрические параметры которой определяют расчетным путем, согласно изобретению, для определения количества присоединяемых плит рассчитывают амплитудно-частотные характеристики системы фундамент-оборудование при динамических воздействиях на систему от ИДН, выделяют направления и определяют силу динамического воздействия в горизонтальной плоскости по каждому направлению, количество плит выбирают из условия противодействия каждому динамическому воздействию, используя, как минимум, одну бетонную плиту для каждого направления, при этом для каждой плиты определяют расчетом её геометрические параметры, места расположения и присоединения к фундаменту, при этом соединительный комплекс для каждой плиты состоит из удлиненного стержнеобразного соединителя и пластинообразных горизонтальных элементов с обеих сторон соединителя. С помощью соединительного комплекса передают динамическое воздействие от фундамента к плите и обеспечивают постоянное местонахождение плиты в горизонтальной плоскости, корректируя вертикальные смещения плиты относительно фундамента и её плотное прилегание к грунту в течение всего срока эксплуатации за счет изгиба пластинообразных элементов.
Способ предусматривает возможность утяжеления бетонной плиты с помощью добавочного груза, дополнительной засыпкой утяжеляющей строительной смесью или путем охлаждения бетонной плиты для намораживания компонентов окружающей среды.
Нижняя сторона бетонной плиты может иметь треугольные равнобедренные призматические выступы, грани боковых сторон которых, выступающие из бетонной плиты, ориентированы, в плане, перпендикулярно динамическому воздействию, передаваемому на бетонную плиту.
Технический результат достигается также тем, что в устройстве для реализации способа повышения динамической жесткости фундамента, содержащем, по крайней мере, одну бетонную плиту и соединительный комплекс для соединения плиты и фундамента, согласно изобретению, соединительный комплекс состоит из удлиненного стержнеобразного соединителя и пластинообразных горизонтальных элементов с обеих сторон соединителя, при этом нижняя сторона бетонной плиты может иметь треугольные равнобедренные призматические выступы, грани боковых сторон призмы выступающих из бетонной плиты ориентированы в плане перпендикулярно динамическому воздействию, передаваемому на бетонную плиту.
Треугольные призматические выступы могут быть расположены вплотную друг к другу для самоуплотнения грунта под плитой при вибрации.
Верхняя сторона бетонной плиты имеет ограничивающие борта для удержания размещённого сверху плиты добавочного груза.
Бетонная плита, в свою очередь, может состоять из отдельных блоков, расположенных на поверхности грунта и соединённых между собой последовательно.
Объем бетонной плиты содержит полости для хладагента, подаваемого от отдельного устройства.
Применяя устройство на ВМГ, используют утеплитель бетонной плиты для защиты от внешнего растепляющего воздействия.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показано устройство, иллюстрирующее принцип работы способа по повышению виброустойчивости фундамента;
на фиг. 2 показано присоединение бетонной плиты к фундаменту соединительным комплексом;
на фиг. 3, 4 показаны варианты утяжеления плиты добавочным грузом;
на фиг. 5 показан вариант утяжеления плиты за счет намораживания компонентов окружающей среды и защитой от растепляющего воздействия;
на фиг. 6 показано устройство бетонной плиты с призматическими выступами на нижней поверхности;
на фиг. 7 показано использование дополнительного элемента жесткости при передаче вибрационных воздействий от ИДН расположенных на высоких фундаментах;
на фиг. 8 представлен легкий проветриваемый фундамент на основе предлагаемого способа (далее – ЛПФ-С) с ИДН;
на фиг. 9 представлен график амплитуд колебаний фундамента в расчетных точках вибрационных нагрузок при различных вариантах фундаментов;
на фиг. 10 приведена графическая форма результатов расчетного сравнения амплитудно-частотных характеристик в расчетных точках вибрационных нагрузок при различных вариантах фундаментов.
На чертежах позициями обозначены:
1. Фундамент (ЛПФ);
2. Установленное оборудование – источник динамических нагрузок (ИДН);
3. Место присоединения бетонной плиты к фундаменту;
4. Бетонная плита;
5. Сила (вектор) воздействия ИДН;
6. Грунт - основание фундамента и бетонной плиты;
7. Соединитель стержнеобразный;
8. Пластинообразный элемент;
9. Существующая застройка вокруг расположения фундамента;
10. Добавочный груз;
11. Строительная смесь;
12. Ограничивающие борта;
13. Полости для хладагента;
14. Утеплитель;
15. Треугольные призматические выступы;
16. Треугольник жесткости, передающий вибрационное воздействие.
Изобретение также иллюстрируется таблицами, где:
таблица 1 – исходные данные для определения динамических нагрузок;
таблица 2 – сравнительная таблица материалоемкости свайных фундаментов;
таблица 3 –сравнение общей материалоемкости фундаментов;
таблица 4 – сравнение трудозатрат производства бетонных работ;
таблица 5 – сравнение затрат электроэнергии на прогрев бетонной смеси.
Способ повышения динамической жесткости фундамента  при вибрационной нагрузке реализуется следующим образом.
Измеряют или определяют геометрические и амплитудно-частотные характеристики фундамента 1. Далее, на основе анализа амплитудных значений вибрации при различных режимах работы установленного на фундамент 1 оборудования (ИДН) 2 и определенных резонансных частотах системы фундамент-оборудование определяют места (точки) 3 присоединения и параметры присоединяемой бетонной плиты 4 для противодействия силе 5 динамического воздействия на систему фундамент-оборудование в горизонтальной плоскости. Для компенсации каждой силы 5 применяют соответствующую бетонную плиту 4 или группу из нескольких бетонных плит 4 (фиг. 1). При этом в зависимости от характеристик системы фундамент-оборудование, геологии грунта 6, сил 5 вибрационной нагрузки от ИДН и других условий расчетным путем определяют параметры и количество бетонных плит 4, точки 3 их присоединения к соответствующей стороне фундамента 1, направления компенсации сил 5 и т.д. Расчет может быть на основе метода конечных элементов с помощью известных программных продуктов, например, SCAD Office (версия 21.1.7.1). К фундаменту 1, бетонную плиту 4 присоединяют с помощью соединительного комплекса, состоящего из стержнеобразного соединителя 7 и двух пластинообразных горизонтальных элементов 8 с обеих сторон (фиг. 2). Бетонная плита 4 играет роль дополнительного якоря, который, не увеличивая вертикальную нагрузку на грунт 6 основного фундамента 1, противодействует его горизонтальным колебаниям, в том числе, за счет изменения резонансной частоты системы фундамент-оборудование. Для стесненных условий существующей застройки 9 допустимо разделение одной бетонной плиты 4 на группу плит в направлении компенсации сил 5.
Для повышения веса бетонной плиты 4 возможно её утяжеление с помощью добавочного груза 10 (фиг. 3) или различных строительных смесей 11 (фиг. 4). Для удержания утяжеления на плите сверху предназначены ограничивающие борта 12. Увеличить вес плиты 4 возможно путем намораживания грунта 6 и компонентов окружающей среды к основанию плиты 4, что особенно эффективно на ВМГ. Для намораживания возможно использовать внешний хладагент, подаваемый от отдельного устройства через специальные полости 13 плиты 4. От растепления плиту 4 защищают слоем утеплителя 14 (фиг. 5), геометрические размеры, толщина, материал и другие параметры, которого подбираются по результатам отдельного теплотехнического расчета.
Нижняя сторона бетонной плиты 4 имеет треугольные призматические выступы 15, которые расположены вплотную друг к другу и ориентированы длинной стороной перпендикулярно силам 5 для оказания максимального сопротивления динамическому воздействию. Расположение выступов 15 вплотную друг к другу способствует самоуплотнению грунта 6 под плитой 4 (фиг. 6).
Для высоких фундаментов есть опасность возникновения плеча сил между верхней гранью фундамента, на которой установлен ИДН, и плоскостью расположения бетонной плиты. Для этого предусматривается элемент жесткости, например в виде жестко скрепленного прямоугольного треугольника 16 (фиг. 7), один катет которого параллелен поверхности грунта, второй катет прикреплен к вертикальной грани фундамента, при этом гипотенуза соединяет верхнюю точку фундамента и соединительный комплекс.
Способ и устройство на его основе позволяет снизить вес основного фундамента за счет разделения вибрационной нагрузки на две горизонтальную и вертикальную составляющие. Тогда, основной фундамент обеспечивает компенсацию веса оборудования и вертикальной динамической нагрузки, а горизонтальная составляющая вибрационной нагрузки компенсируется, в том числе, и с помощью плит. Способ и устройство для его осуществления позволяет получить технический результат, при котором за счет использования сравнительно незначительных по массе дополнительных бетонных плит, создается возможность повышения динамической жесткости основного фундамента в заданном диапазоне частот. Способ обладает универсальностью, которая позволяет его использовать при компенсации вибрационных воздействий, как для действующих фундаментов, так и для вновь проектируемых. При этом способ позволяет снизить время реконструкции действующего фундамента и затраты на реконструкцию. Способ применим для фундаментов расположенных в стесненных условиях застраиваемой площади, на ВМГ, при подводном расположении и в сейсмоопасных зонах.
Примером конкретного выполнения способа может быть сравнительный расчет амплитудно-частотных характеристик трех фундаментов под газотурбинный газоперекачивающий агрегат мощностью 16 МВт (ГПА): массивный фундамент (МФ), ЛПФ и фундамент на основе предлагаемого способа – ЛПФ-С (фиг. 8). Исходные данные для определения динамических нагрузок ГПА выполнения расчета приведены в таблице 1.
Расчет для трех вариантов фундаментов производился методом конечных элементов с помощью SCAD Office (версия 21.1.7.1). Основные показатели материалоемкости конструкции МФ, ЛПФ и ЛПФ-С приведены в таблице 2. При этом стальные трубы (Ф426х9) для свай погружаются в скважины диаметром 100 мм больше диаметра сваи, а затем затрубное пространство и внутренняя полость сваи заполняется раствором М150.
Фундаменты МФ, ЛПФ и ЛПФ-С опираются на грунтовое основание, представленное: а) от уровня планировки до глубины 2 м – насыпным песком средней крупности с коэффициентом уплотнения k=0,95; б) от глубины 2 м до глубины 10 м от уровня планировки – суглинком полутвердым с показателем текучести IL=0,15; в) ниже глубины 10 м – песком крупным, средней плотности.
Для ВМГ и условий по типу условий Восточной Сибири ЛПФ имеет ряд преимуществ перед МФ, которые заключаются в снижении материалоемкости и обеспечении проветривания, которое снижает растепляющее влияние на ВМГ. Недостатком ЛПФ по сравнению с МФ является его малая масса недостаточная, чтобы гасить вибрации оборудования.
Параметры присоединяемого устройства определяют расчетным путем, для этого:
– определяют частоты и направления максимальных колебаний системы фундамент-оборудование при работе ИДН, для сравнительного расчета получаем – λ = 43,96 1/с;
– вычисляют амплитуды колебаний (по осям Х и Y) соответствующих в точках приложения динамических воздействий на фундамент;
– строят кривую колебаний фундамента в точках приложения динамических воздействий на фундамент.
После того, как построена кривая колебаний фундамента, которой соответствуют максимальные амплитуды колебаний, определяют: количество и параметры присоединяемых бетонных плит, их параметры, места и направления присоединения, таким образом, что устройство реализации способа (бетонная плита) противодействует каждому динамическому воздействию на фундамент соосно с этим воздействием (в горизонтальной плоскости). Далее определяются амплитуды колебаний фундамента с присоединенным устройством. На фиг. 9 приведено графическое сравнение амплитуд колебаний МФ, ЛПФ и ЛПФ-С.
На фиг. 10 приведена графическая форма расчетного сравнения амплитудно-частотных характеристик МФ, ЛПФ и ЛПФ-С. По результатам сравнения максимальная амплитуда колебаний ЛПФ-С меньше на 48,8% и 49,6% соответственно максимальных амплитуд колебаний МФ и ЛПФ.
В таблице 3 приведено сравнение общей материалоемкости фундаментов. В таблице 4 приведено сравнение трудозатрат производства бетонных работ. В таблице 5 приведено сравнение затрат электроэнергии на прогрев бетонной смеси при отрицательных температурах.
Выводы по результатам расчетов по фундаментам для ГПА-16МВт:
– максимальная амплитуда колебаний ЛПФ-С меньше на 48,8% и 49,6% соответственно максимальных амплитуд колебаний МФ и ЛПФ;
– максимальная сжимающая нагрузка на свайный фундамент ЛПФ-С меньше на 187% и 29,4% соответственно нагрузок от МФ и ЛПФ;
– общая материалоемкость ЛПФ-С в 8 раз меньше, чем у МФ и на 28,4% меньше, чем у ЛПФ;
– затраты на транспорт строительных материалов до места строительства ЛПФ-С в 8 раз меньше, чем у МФ и на 28,4% меньше, чем у ЛПФ;
– учитывая, что максимальная сжимающая нагрузка на свайный фундамент с устройством меньше на 29,4% - возможно уменьшение глубины заложения свайных фундаментов на 20%;
3
3
– для МФ и ЛПФ требуется производство бетонных работ объемом соответственно 372 м и 12 м.
2
2
2
Строительство объектов газового комплекса – процесс круглогодичный, и, во избежание крупных убытков, не должен зависеть от погодных условий. Основным критерием для качественного бетонирования в зимнее время является прогрев бетона, т.к. согласно СП 70.13330.2012, регламентируется технологический прогрев бетона, если минимальная суточная температура воздуха опускается ниже 0°С. Кроме того, для укладки бетонной смеси в зимнее время предусматривается её электроразогрев до температуры 50°С на протяжении 5-10 мин. Для осуществления предварительного нагрева, на площадке требуется наличие электрической мощности 250 кВт*ч на один кубометр бетона. Кроме этого, для обогрева бетонной смеси применяется дополнительное оборудование: опалубка–термос, греющей кабель в теле фундамента и тепляки с прогревом тепловыми пушками. Площадь греющей опалубки на один МФ составляет 740 м, на ЛПФ составляет 190 м, на ЛПФ-С составляет 12 м. Тогда, суммарные затраты на прогрев бетонной смеси МФ составляют 155500 кВт*ч, для ЛПФ затраты составляют 3000 кВт*ч, для ЛПФ-С составляют 300 кВт*ч.
Таким образом, преимущество ЛПФ-С по сравнению с МФ и ЛПФ состоит в уменьшенных затратах по материалоемкости, по транспорту строительных материалов до места строительства, по трудозатратам производства бетонных работ, а также по затратам электрической энергии на прогрев бетонной смеси при отрицательных температурах, кроме того, способ и устройство позволяют уменьшить зависимость хода строительства фундаментов от времени года и температурного состояния внешней среды.