ЭКРАН ДЛЯ ЗАЩИТЫ СООРУЖЕНИЙ ОТ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
SHIELD FOR PROTECTING STRUCTURES FROM SEISMIC IMPACTS

Изобретение относится к экранам для защиты сооружений от сейсмических воздействий.
Цель работы - сейсмоизоляция сооружений при вертикальных, крутильных, а также повышение эффективности при горизонтальных сейсмических воздействиях.
Разработанный экран позволяет повысить сейсмоизоляцию сооружений, как для горизонтальных, так и для вертикальных сейсмических воздействий.
Известен экран (авторское свидетельство №1423694, опубликовано 15.09.1988 г., Бюл. №34), выполненный в виде траншеи 1, расположенной вокруг сооружения 2. В траншее 1 размещены наружная 3, внутренняя 4 и нижняя 5 плоские стенки, прилегающие к ее поверхности, удаленной от сооружения, к поверхности, близлежащей к сооружению и ко дну. Нижняя стенка 5 соединена с наружной стенкой 3 посредством системы 6 сухого трения и цилиндрического шарнира 7, а с внутренней стенкой 4 жестко и составляет с ней уголковую стенку. Траншея заполнена жидкостью 8 и сжатым газом 9, давление которых регулируется клапанами 10. Верхняя часть траншеи перекрыта демпфирующей прокладкой 11. Сдвиг наружной и нижней стенок предотвращается с анкерными треугольными выступами 12 пилообразного профиля. Это изобретение является базовым аналогом.
Недостатком данного изобретения является невозможность защиты сооружений от вертикальных и крутильных сейсмических воздействий, а также неэффективность изоляции при горизонтальных сейсмических колебаниях. («Заполнение траншеи жидкостью или газом способствует гашению крутильных колебаний, а крутильные моменты передаются сооружению незначительно», патент SU 1423694, описание, колонка 2, аб. 10-15.»).
В предложенном изобретении поставлена задача разработки -сейсмоизоляция сооружений при вертикальных, крутильных, а также повышение эффективности при горизонтальных сейсмических воздействиях. На Фиг. 1 представлен горизонтальный сейсмозащитный экран. На Фиг. 2 представлен вертикальный сейсмозащитный экран. Где: 1 - траншея
2 - защищаемое сооружение
3 - наружная стенка
4 - внутренняя стенка
5 - нижняя подвижная стенка
6 - система сухого трения
7 - цилиндрический шарнир
8 - арочная стенка
9 - жидкость и сжатый газ
10 - клапаны, регулирующие давление
11 - демпфирующая прокладка
12 - анкерные треугольные выступы
13 - наружная стенка
14 -резинометаллические гофрированные элементы повышенной деформативности
15 - лопаты
Предлагаемый экран для защиты сооружений от вертикальных, горизонтальных и крутильных сейсмических воздействий выполнен в виде траншеи 1, расположенной вокруг защищаемого сооружения 2. В траншее 1 размещены наружные 3, 13, внутренняя 4 и нижняя 5 стенки, прилегающие соответственно к ее поверхности, удаленной от сооружения, к поверхности, близлежащей к сооружению, а также арочная стенка 8, соединенная с подвижной стенкой 5. Нижняя стенка 5 и арочная стенка 8 соединены с наружными стенками 3, 13 посредством системы 6 сухого трения и цилиндрического шарнира 7, а с внутренней стенкой 4 жестко, и составляет с ней уголковую стенку. Стенки 3, 13 с внутренней стороны имеют лопаты 15 для погашения значительной части энергии воздействия, особенно при крутильных колебаниях.
Траншея 1 заполнена жидкостью и сжатым газом 9, давление регулируется клапанами 10. Верхняя часть траншеи перекрыта демпфирующей прокладкой 11 из неопрена. Сдвиг наружных и нижней стенок предотвращается анкерными треугольными выступами 12 пилообразного профиля. Арочная стенка в опорных шарнирных зонах имеет резинометаллические гофрированные элементы повышенной деформативности 14.
Экран работает следующим образом:
1. Вертикальная сейсмическая волна, наступающая к арочной стенке (8), преломляется и отражается, а часть ее, проходящая через экран, приводит в движение наружные стенки (3, 13). Благодаря цилиндрическим шарнирам (7), генерируется колебание стенок (3, 13), которые через систему сухого трения (6) совершают поступательно-поворотное движение. При этом жидкость и сжатый газ (9) в полостях совершают движение вверх-вниз, поглощая значительную энергию (колебания сейсмического воздействия). Кроме того, с помощью регулируемого клапаном (10) давления сжатого газа и жидкости, а также демпфирующей прокладки (11), траншея гасит остальную часть энергии волн и обеспечивает изолирование сооружения от вертикальных сейсмических воздействий.
Таким образом, интенсивность продольной вертикальной волны демпфируется перемещением наружных стенок (3, 13) вдоль системы (6) сухого трения, а энергия поперечной вертикальной волны гасится в траншее подъемом жидкости под давлением. Выбор угла наклона оси траншеи к вертикали зависит от зоны строящегося сооружения. В очаговых зонах землетрясения воздействие имеет вертикальное направление, а угол падения волны с горизонталью составляет Θ→90°, а для сооружения, расположенного вдали от очаговых зон, угол Θ-0°.
В общем случае значение угла Θ определяется по формуле
э
г
где Н и Н - соответственно эпицентральное и гипоцентральное расстояние, т.е. от глубины очага и его расстояния по горизонтали до сооружения.
2. Горизонтальная сейсмическая волна, наступающая к стенкам (3, 13) преломляется и отражается, а часть ее, проходящая, через экран, приводит к движению наружные стенки (3, 13). Благодаря цилиндрическим шарнирам (7), генерируется колебание стенок (3, 13) которые через систему сухого трения (6) совершают поступательно-поворотное движение. При этом жидкость и сжатый газ (9) в полостях совершают движение вверх-вниз, поглощая значительную энергию колебания основания. Часть энергии сейсмических волн поглощается арочной стенкой (8), благодаря резинометаллическим гофрированным элементам (14). Кроме того, с помощью регулируемого клапаном (10) давления сжатого газа и жидкости, а также демпфирующей прокладки (11), траншея гасит остальную часть энергии волн и обеспечивает изолирование сооружения от горизонтальных сейсмических воздействий.
3. При крутильных воздействиях сейсмическая волна, наступающая к стенкам (3, 13 и 8), преломляется и отражается, а часть, проходящая через экран, приводит к движению стенки. Наклонные наружные стенки (3, 13) и арочная стенка (8), благодаря цилиндрическим шарнирам (7) и сухому трению (6), генерируют колебание. При этом жидкость и сжатый газ (9) в полостях совершают поворотное движение, поглощая значительную энергию колебания основания. Кроме того, с помощью регулируемого клапаном (10) давления сжатого газа и жидкости, а также демпфирующей прокладки (11) и системы сухого трения (6), траншея гасит остальную часть энергии и обеспечивает изолирование сооружения от крутильных сейсмических колебаний.
Заполнение траншеи жидкостью и газом способствует гашению крутильных колебаний, а крутильные моменты передаются сооружению незначительно.
Давление жидкости регулируется, что увеличивает степень поглощения энергии сейсмического воздействия, так как часть энергии колебания расходуется на подъем воды в траншее при движении наружной стенки (3, 13) и арочной стенки (8), через систему сухого трения (6) и цилиндрический шарнир (7). При этом компенсируется распространение продольных и поперечных волн. Во время сильных и разрушительных землетрясений циклические колебания подвижных наружных стенок (3, 13), арочной стенки (8) и системы сухого трения (6), снижают нагрузки от сейсмических толчков. С внутренней стороны наружные стенки (3, 13) имеют лопаты (15), которые при крутильных колебаниях гасят значительную часть энергии.
Давление жидкости и газа регулируется в основном в три уровня соответственно для 8, 9 и >9 баллов воздействия.
Траншея, заполненная жидкостью, выполнена наклонно, с подвижными наружными стенками (3, 13) и неподвижной стенкой (4). Арочная стенка (8) с цилиндрическим шарниром (7) и системой сухого трения (6), воспринимает и передает колебательный процесс к стенкам (3, 13) и передвижению жидкости вверх-вниз, поглощая значительную часть сейсмических воздействий при вертикальных, горизонтальных и крутильных колебаниях.
При сильных вертикальных сейсмических воздействиях в очаговых зонах арочная стенка (8) выполняется с эллипсоидной поверхностью, что позволяет эффективнее воздействовать на движения стенок (3, 13), передвижение жидкости и сжатого газа (9) в траншее, увеличивая поглощающую способность экрана. Рассмотрим числовой пример:
Пусть на систему воздействует землетрясение типа Спитакского, случившегося 7 декабря 1988 г. Средний доминантный период землетрясения 0,6 сек., длительность воздействия 25 сек. Таким образом, при землетрясении система совершает 41 цикл колебаний. Средняя доминирующая амплитуда (0,25-0,3)g. Энергетическое сооружение имеет Р=30 тыс.т. Заполненная жидкость имеет массу 5000 тыс.т. В каждом цикле колебаний расходуется 5000×0,03=0,15 кДж энергии. При землетрясении расходуется 6,000 кДж энергии.
Энергия, приходящая на сооружение, без сейсмоизолирующего экрана равняется -20000 кДж, таким образом, энергия снижается при защитном экране до 14000 тыс.т. кДж, кроме того, значительная часть энергии снижается за счет сухого трения и арочной стенки с эллипсоидной поверхностью, что приводит к надежности эксплуатации сооружения в сейсмически активных районах.
При крутильных воздействиях сейсмическая волна землетрясения типа Спитакского, наступающая к наклонным наружным и арочной стенкам, преломляется и отражается, а часть, проходящая через экран, приводит к движению стенок. Наклонные наружные стенки и арочная стенка, благодаря цилиндрическим шарнирам и сухому трению, генерируют колебание. При этом жидкость в полостях совершает поворотное движение, поглощая 2000 кДж энергии колебания основания. Кроме того, с помощью регулируемого клапаном давления сжатого газа и жидкости, а также демпфирующей прокладки и системы сухого трения, траншея гасит остальную часть энергии и обеспечивает изолирование сооружения от крутильных сейсмических колебаний.
Таким образом, применение данной системы приводит к значительному снижению энергии внешнего воздействия, приходящего на сооружение. Итак, Экран, отличающийся тем, что с целью повышения деформационных свойств и увеличения сейсмоизоляции при сильных землетрясениях, арочная стенка в опорных шарнирных зонах выполнена с резинометаллическими гофрированными элементами.
Экран, отличающийся тем, что давление жидкости и газа регулируется в трех уровнях соответственно прогнозируемому уровню землетрясения для 8, 9 и >9 балльного воздействия.
Экран, отличающийся тем, что с целью повышения крутильных колебаний и увеличения сейсмоизоляции при сильных землетрясениях, подвижные стенки (3, 13) с внутренней стороны имеют лопаты (15), которые при крутильных колебаниях гасят значительную часть энергии.
Экран, отличающийся тем, что с целью погашения сильных вертикальных и крутильных колебаний, увеличения сейсмоизоляции здания в очаговых зонах землетрясения, арочная стенка 8 выполняется с эллипсоидной поверхностью, что позволяет эффективнее воздействовать на движения стенок (3, 13), передвижение жидкости и сжатого газа в траншее, увеличивая поглощающую способность экрана.