УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ СООРУЖЕНИЯ ОТ СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
DEVICE FOR BUILDING PROTECTION AGAINST SEISMIC EFFECT

Изобретение относится к области строительства, в частности к устройствам для защиты сооружений (зданий) от сейсмического воздействия.
Известны устройства для защиты сооружения от сейсмического воздействия, 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 г.). В известных устройствах горизонтальное перемещение сооружения (здания) относительно фундамента происходит за счет деформации сдвига упругих резиновых листов.
Недостатком этих устройств является изменение физико-механических свойств материала прокладок при неблагоприятных условиях эксплуатации сооружения. Кроме того, к недостаткам можно отнести отсутствие достаточной по величине восстанавливающей силы, обеспечивающей возможность возвращения сооружения (здания) в исходное положение относительно фундамента после взаимного смещения последних при сейсмическом воздействии.
Отмеченных недостатков не имеют устройства для защиты сооружения от сейсмического воздействия, включающие опоры кинематического типа. Наиболее простыми по конструктивному исполнению являются устройства, включающие опоры, в которых относительные перемещения сооружения и фундамента обеспечиваются расположенными в зазоре между нижней торцевой поверхностью сооружения (здания) и фундаментом жесткими звеньями, которые непосредственно воспринимают и передают весовую нагрузку от сооружения (здания) на фундамент.
Известно устройство адаптивной сейсмозащиты зданий и сооружений по патенту RU 2200810 C2 (E04H 9/02, E02D 27/34, 2003 г.). Известное устройство включает первый или цокольный этаж из крестообразных стоек, обладающих свойством «Ваньки-встаньки» и образованных парой панелей с закругленными верхними и нижними гранями, имеющих паз на одной из закругленных граней и соединенных между собой посредством заведения паза одной в паз другой. В элементах нижней и верхней обвязки, являющихся фундаментными подушками, и элементах верхней обвязки, являющихся частью перекрытия первого или цокольного этажа, предусмотрены борозды. Крестообразные стойки, обладающие свойством «Ваньки-встаньки», выполнены с возможностью качения во время землетрясения по указанным бороздам, а закругленные грани выполнены с переменной кривизной так, что эта кривизна, играя роль включающихся и выключающихся связей, ограничивает развитие больших горизонтальных перемещений, действующих на здание.
Однако известное устройство имеет относительно низкую несущую способность, т.к. весовая нагрузка ограничена допустимыми контактными напряжениями при качении крестообразных стоек по соответствующим бороздам. Кроме того, известное устройство не предполагает возможности его «перенастройки» в зависимости от массы сооружения (здания) или от конкретных условий региона эксплуатации (т.е. не предполагает возможности изменения характеристик устройства).
Известно устройство сейсмостойкого здания по патенту RU 2066362 C1 (E04H 9/02, 1996 г.). В известном устройстве между нижним жестким этажом здания и плитой фундамента размещены сейсмоизолирующие элементы из шаровых сегментов и упругих вставок, размеры которых и каждого сейсмоизолирующего элемента определены из заданных определенным образом соотношений. Известное устройство позволяет повысить сейсмостойкость здания за счет понижения частоты собственных колебаний системы здание - сейсмоизоляция и выведения ее из диапазона частот спектра сейсмических волн, опасного в данной точке поверхности Земли.
Недостатком известного устройства является относительно низкое значение весовой нагрузки, передаваемой сферической поверхностью шарового сегмента при контакте с соответствующей ответной плоской поверхностью. Кроме того, известное устройство не предполагает возможности его «перенастройки», например, в зависимости от массы здания или от конкретных условий региона эксплуатации.
Известна опора сейсмостойкого здания по патенту RU 2063503 C1 (E04H 9/02, 1996 г.). Опора размещена между строительными конструкциями здания и образована из части сферы с внесенным в нее цилиндром, упругого элемента, расположенного в нише последней, и жесткого цилиндрического элемента, который установлен в полости части сферы и оперт на упругий элемент нижней частью. Жесткий цилиндрический элемент установлен в упомянутой полости с возможностью его перемещения по вертикали относительно части сферы и имеет оголовок с горизонтальным основанием. Диаметр оголовка жесткого цилиндрического элемента равен диаметру цилиндра. Основание последнего совпадает с горизонтальным основанием части сферы. В варианте осуществления упругий элемент выполнен в виде дисковой пружины с прокладками из упругопластического материала и ядром из прокаленного песка. Упругий элемент может быть заменен при необходимости. Нижняя строительная конструкция здания имеет выемку, в которой размещена основанием упомянутая часть сферы. Полость между частью сферы и стенками выемки заполнена песком с образованием демпфера, обеспечивающего вязкое затухание колебаний. Опора такой конструкции представляет собой самовосстанавливающуюся связь.
К недостаткам известного устройства можно отнести следующие:
- при использовании подобной опоры горизонтальное перемещение здания относительно фундамента сопровождается его вертикальным перемещением (колебаниями);
- высокий уровень контактных напряжений в узле взаимодействия верхней торцевой поверхности цилиндра, возникающих при наклоне опоры, что существенно ограничивает несущую способность опоры;
- демпфирование горизонтальных колебаний определяется качеством песка, заполняющего выемку в нижней строительной конструкции здания, что не позволяет оптимизировать демпфирующие характеристики устройства;
- сложность конструктивного исполнения опоры.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков с заявляемым изобретением является устройство для защиты сооружения (здания) от сейсмического воздействия по патенту RU 2073781 C1 (E04H 9/02, 1997 г.). Известное устройство содержит стойки, имеющие каждая сферические торцы, которые установлены в ответных стаканах, верхний из которых выполнен с возможностью закрепления на защищаемом сооружении, а нижний - на фундаменте. Зазор между внутренней поверхностью стакана и помещенной в нем стойкой заполнен упругопластическим материалом. Центр радиуса каждой торцевой сферы стоек расположен в пределах их длины от середины до противоположного торца, что позволяет назначать различные периоды свободных колебаний системы здания в широком диапазоне. Таким образом, при одинаковой высоте стоек изобретение позволяет проектировать системы с различным периодом свободных колебаний, изменяя величины радиуса сфер.
Однако известное устройство не предполагает возможности изменения частоты собственных колебаний сооружения (здания), что не позволяет «настроить» колебательную систему на оптимальную частоту и тем самым снизить возможность резонансного нарастания амплитуды колебаний. Вместе с этим в известном устройстве имеет место существенное ограничение передаваемых через него нагрузок от сооружения на фундамент, которые ограничены допустимым уровнем напряжения в точке контакта сферического торца стойки с ответной опорной поверхностью стакана. Кроме того, можно отметить крайне низкое значение диссипативных сил в энергопоглощающем упругопластическом материале, заполняющем зазор между внутренней поверхностью стакана и стойкой, ограничивающее декремент затухания.
Задача, решаемая изобретением, заключается в создании устройства для защиты сооружения от сейсмического воздействия, обеспечивающего повышение технико-эксплуатационных характеристик.
Указанная задача решается тем, что устройство для защиты сооружения от сейсмического воздействия, содержащее стойки, имеющие каждая сферические торцы, которые установлены в ответных стаканах, верхний из которых выполнен с возможностью закрепления на защищаемом сооружении, а нижний - на фундаменте, согласно изобретению снабжено продольными стержневыми демпфирующими элементами и продольными пластинчатыми упругими элементами. Упомянутые продольные элементы расположены между защищаемым сооружением и фундаментом параллельно стойкам, причем их концевые части выполнены с возможностью защемления соответственно на защищаемом сооружении и на фундаменте. Продольные пластинчатые упругие элементы выполнены каждый в виде пакета пластин. Концевые части пакета пластин защемлены каждая в направлении, ортогональном плоскости пакета пластин, с образованием шарнира в плоскости пакета пластин. Стаканы выполнены каждый со сферической пятой, взаимодействующей с ответным сферическим торцом соответствующей стойки.
Вместе с этим одна из концевых частей продольного демпфирующего стержневого элемента защемлена с возможностью продольного перемещения при сейсмическом воздействии.
Кроме того, в качестве продольных демпфирующих стержневых элементов устройство содержит стержневые элементы с квадратным профилем поперечного сечения.
В варианте выполнения продольные демпфирующие стержневые элементы выполнены съемными.
Также возможен вариант выполнения, когда продольные пластинчатые упругие элементы выполнены съемными.
В заявленном устройстве весовая нагрузка, передаваемая через стойку, распределяется по площади контактирующих сферических поверхностей торца стойки и пяты стакана. Подобное распределение нагрузки по площади контактирующих сферических поверхностей позволяет во много раз повысить несущую способность стойки по сравнению с ближайшим аналогом по патенту RU 2073781. Использование в качестве демпфирующих элементов изгибаемых в процессе сейсмического воздействия продольных стержневых элементов, выполненных из мягкой стали, например, типа 08X18H10T, концевые части которых защемлены соответственно на защищаемом сооружении и на фундаменте, позволяет получить требуемую по условиям минимизации сейсмических нагрузок на сооружение диаграмму энергопоглощения заявленного устройства при колебательном движении сооружения относительно фундамента. Стабильность механических свойств материала стержневых элементов гарантирует стабильность диссипативных характеристик устройства. При этом требуемые для конкретного региона эксплуатации сооружения диссипативные характеристики (т.е. целевые характеристики устройства), могут быть обеспечены путем изменения количества продольных стержневых демпфирующих элементов.
Благодаря наличию в устройстве «восстанавливающих» продольных пластинчатых упругих элементов, выполненных каждый в виде пакета пластин, концевые части которых защемлены каждая соответственно на защищаемом сооружении и на фундаменте в направлении, ортогональном плоскости пакета пластин, с образованием шарнира в плоскости пакета пластин, при перемещении сооружения в указанном направлении происходит изгиб пластин с накоплением в них потенциальной энергии деформации, за счет которой опорные стойки сооружения могут быть возвращены в положение, близкое к их исходному (начальному) положению. При этом скорость возвращения сооружения в исходное положение, в зависимости от частоты собственных горизонтальных колебаний сооружения, определяется количеством используемых упругих элементов и их упругими характеристиками. Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает возможность изменения суммарной упругой характеристики устройства для защиты сооружения от сейсмического воздействия в оптимальном диапазоне, обеспечивающем минимизацию нагружения сооружения.
Что касается любого другого по направлению перемещения защищаемого сооружения, то это перемещение, как вектор, может быть разложено на два независимых, взаимно перпендикулярных перемещения: перемещение в направлении, ортогональном плоскости пакета пластин, сопровождаемое изгибом пакета пластин, и перемещение в плоскости пакета пластин, сопровождаемое поворотом пакета относительно оси соответствующего шарнира.
Технический результат использования изобретения состоит в том, что оно обеспечивает приспособляемость устройства для защиты сооружения от сейсмического воздействия к массогабаритным характеристикам сооружения и к конкретным условиям региона эксплуатации с обеспечением минимизации горизонтального нагружения защищаемого сооружения.
На фиг.1 схематично показано устройство для защиты сооружения от сейсмического воздействия, общий вид, продольный разрез; на фиг.2 - то же, поперечный разрез по А-А на фиг.1; на фиг.3 - стойка, установленная в стаканах, закрепленных соответственно на защищаемом сооружении и на фундаменте, продольные стержневые демпфирующие элементы и продольные пластинчатые упругие элементы, защемленные соответственно на защищаемом сооружении и на фундаменте, продольный разрез по Б-Б на фиг.2; на фиг.4 - устройство крепления концевой части пакета пластин, поперечный разрез по В-В на фиг.3.
Устройство для защиты сооружения от сейсмического воздействия содержит стойки 1, имеющие каждая сферические торцы, которые установлены в ответных стаканах 2, верхний из которых выполнен с возможностью закрепления на защищаемом сооружении 3, а нижний - с возможностью закрепления на фундаменте 4. Стаканы 2 выполнены каждый со сферической пятой 5, взаимодействующей с ответным сферическим торцом соответствующей стойки. Таким образом весовая нагрузка распределяется по площади контактирующих сферических поверхностей торца стойки и пяты 5. Подобное распределение передаваемой через стойку нагрузки по площади контактирующих сферических поверхностей позволяет во много раз повысить несущую способность стойки по сравнению с ближайшим аналогом по патенту RU 2073781.
В варианте осуществления изобретения стойка 1 выполнена в виде трубы 6, к торцам которой прикреплены соответственно сферические опорные элементы 7. Нижний стакан 2 установлен на фундаменте 4 посредством плиты 8, которая жестко соединена с последним. Верхний стакан 2 связан с сооружением 3 через прослойку бетона 9, заливаемого при монтаже устройства, и закреплен, например, с помощью сварки посредством накладки 10, установленной между основанием стакана 2 и закладным элементом 11 защищаемого сооружения.
Устройство снабжено продольными стержневыми демпфирующими элементами 12 и продольными пластинчатыми упругими элементами 13. Элементы 12 и 13 расположены между защищаемым сооружением и фундаментом 4 по периферии сооружения и установлены параллельно стойкам 1. Концевые части элементов 12 и 13 защемлены в обоймах соответственно 14 и 15, которые жестко скреплены с закладными элементами 16 и 17 соответственно защищаемого сооружения 3 и фундамента 4. В варианте осуществления изобретения устройство в качестве продольных стержневых демпфирующих элементов 12 содержит стержневые элементы с квадратным профилем поперечного сечения, выполненные из пластичного материала, например мягкой стали. В варианте осуществления изобретения продольные стержневые демпфирующие элементы 12 объединены в пакеты, например, по три элемента в каждом. Объединение элементов 12 в пакеты позволяет упростить конструкцию устройства, за счет уменьшения необходимого количества узлов крепления стержневых элементов (например, в три раза).
Продольные пластинчатые упругие элементы 13 выполнены каждый в виде пакета пластин (плоских полос) 18, например, из пружинной стали. Концевые части пакета пластин защемлены в направлении, ортогональном плоскости пакета пластин, с образованием шарнира в плоскости пакета пластин. В варианте осуществления изобретения это реализовано следующим образом. На концах пластин 18 выполнены отверстия, через которые пропущены соответственно оси 19, опирающиеся каждая на соответствующие корпус обоймы 15 и крышку 20 обоймы. При этом концевые части пакета пластин защемлены посредством накладок 21 и болтов 22 и 23. Для исключения действия на пластины 18 растягивающих усилий при больших взаимных перемещениях сооружения и фундамента отверстия в пластинах под оси 19 на одном из концов каждого пакета пластин 18 в поперечном сечении имеют вид удлиненных в продольном направлении пазов.
Возможен вариант выполнения (на чертеже не показано), когда одна из концевых частей продольного стержневого демпфирующего элемента 12 (пакета элементов 12) защемлена с возможностью продольного перемещения, т.е., когда верхний или нижний конец элемента 12 закреплен с возможностью перемещения в вертикальном направлении. При таком выполнении практически исключается растяжение стержневых элементов 12 и демпфирование поперечных нагрузок, которые передаются на сооружение при сейсмическом воздействии, осуществляется в основном за счет изгиба элементов 12. Таким образом обеспечивается оптимизация демпфирующих характеристик устройства. Аналогичным образом могут быть смонтированы и продольные пластинчатые упругие элементы 13 (на чертеже не показано).
В варианте осуществления изобретения устройство для защиты сооружения от сейсмического воздействия включает, например, четыре стойки 1, два комплекта продольных стержневых демпфирующих элементов 12 и восемь комплектов продольных пластинчатых упругих элементов 13. Количество опорных стоек 1, продольных стержневых демпфирующих элементов 12 и «восстанавливающих» продольных пластинчатых упругих элементов 13 определяется в процессе проектирования конкретного сооружения (здания) и разработке опор в зависимости от конструктивной схемы сооружения (здания), его несущих элементов и массогабаритных характеристик.
Устройство для защиты сооружения от сейсмического воздействия работает следующим образом.
В нормальных условиях эксплуатации сооружения (при отсутствии сейсмических возмущений) стойки 1 находятся в вертикальном положении, в котором их устойчивость обеспечивают продольные стержневые демпфирующие элементы 12 и продольные пластинчатые упругие элементы 13.
При воздействии горизонтальной сейсмической волны происходит наклон стоек 1, который сопровождается горизонтальным смещением сооружения относительно фундамента. При этом происходит пластический изгиб продольных стержневых демпфирующих элементов 12 и упругий изгиб продольных пластинчатых упругих элементов 13 в плоскости, ортогональной плоскости пакета пластин 18. Относительное перемещение сооружения и фундамента в направлении, параллельном плоскости пакета пластин элемента 13, происходит без изгиба пластин 18. Это перемещение сопровождается поворотом пакетов пластин 18 на осях 19 (т.е. - наклоном пакетов пластин). Шарнирное закрепление концов пакета пластин предохраняет пластины 18 от изгиба в плоскости пластин, т.е. - от изгиба в направлении, в котором пластины обладают высокой жесткостью и относительно низкой податливостью, и таким образом предохраняет пластины 18 от разрушения при больших относительных перемещениях сооружения относительно фундамента в направлении, параллельном плоскости пакета пластин. При перемещении сооружения в ортогональном плоскости пакета пластин направлении происходит изгиб пластин 18 с накоплением в них потенциальной энергии деформации, за счет которой опорная стойка 1 может быть возвращена в положение, близкое к исходному (начальному) положению стойки.
Выполнение элементов 13 в виде пакетов пластинчатых пружин, упруго деформируемых в процессе сейсмического воздействия, практически не ограничивает количество циклов нагружения элементов 13. Вместе с этим благодаря особенности исполнения устройство обеспечивает возможность свободного доступа к продольным пластинчатым упругим элементам и при необходимости - возможность их замены.
Выполнение стержневых демпфирующих элементов 12 из мягкой стали, например, типа 08Х18Н10Т, наряду с их высокой коррозионной стойкостью, при пластической деформации в пределах 2% обеспечивает их работоспособность в пределах ~500 циклов нагружения устройства, что является достаточным для длительной эксплуатации сооружений в большинстве сейсмоопасных регионов. Вместе с этим благодаря особенности исполнения устройство обеспечивает возможность свободного доступа к демпфирующим элементам 12 для их осмотра и обследования и при необходимости - возможность замены продольных стержневых демпфирующих элементов.
Таким образом, благодаря особенности исполнения устройства для защиты сооружения от сейсмического воздействия изобретение позволяет создать устройство, обеспечивающее повышение технико-эксплуатационных характеристик. При этом изобретение обеспечивает приспособляемость устройства для защиты сооружения от сейсмического воздействия к массогабаритным характеристикам сооружения и к конкретным условиям региона эксплуатации с обеспечением минимизации горизонтального нагружения защищаемого сооружения.