ОПОРА СЕЙСМОСТОЙКОГО ЗДАНИЯ, СООРУЖЕНИЯ
EARTHQUAKE-RESISTANT BUILDING, STRUCTURES

Изобретение относится к области строительства и предназначено для зданий и сооружений, строящихся в сейсмически опасных районах, или для объектов, имеющих специальное назначение.
Известны кинематические опоры многоэтажного сейсмостойкого здания, первый или цокольный этаж которого содержит кинематические стойки, имеющие закругленные верхние и нижние грани и обладающие свойством устойчиво покачиваться во время землетрясения по бороздам, выполненным в элементах верхней обвязки, являющихся частью перекрытия или цокольного этажа, и в элементах нижней обвязки, являющихся фундаментными подушками, причем кинематические стойки усилены ребрами жесткости, а их закругленные грани выполнены с переменной кривизной (Патент РФ №2256749 С2, дата приоритета 18.08.2003, дата публикации 20.07.2005, авторы: Юсупов А.К. и Юсупов Р.А., RU).
Недостатком известного аналога является высокая трудоемкость изготовления кинематических стоек из-за сложной геометрической формы.
Известны также фундаменты сейсмостойких зданий и сооружений с кинематическими опорами, содержащие верхнюю и нижнюю опорные части, в которых образованы стаканы с вогнутыми днищами, и размещенный между ними промежуточный элемент подвижной связи в виде шара (Авторское свидетельство СССР №617532, дата приоритета 03.11.1976, дата публикации 30.07.1978, автор Нейбург Э.В.; Авторское свидетельство СССР №857357, дата приоритета 08.09.1979, дата публикации 23.08.1981, автор Нискин Э.Д.; Патент РФ №2187598 С2, дата приоритета 19.10.2000, дата публикации 20.08.2002, авторы: Радомский В.М. и Ишков В.Ю., RU).
Недостатком указанных известных технических решений является то, что они не адаптированы к вертикальным усилиям, возникающим при взаимном перемещении верхней и нижней опорных частей относительно друг друга.
Известен адаптированный к действию горизонтальных и вертикальных усилий фундамент сейсмостойкого здания, сооружения, включающий нижнюю опорную часть и верхнюю опорную часть с профилированной выемкой, контактирующей с размещенным под ней элементом подвижной связи круглого сечения, с осью его вращения, между элементом подвижной связи и нижней опорной частью расположена плоская качающаяся плита в виде рычага второго рода, связанная с одной стороны кинематически с нижней опорной частью, а с другой стороны свободно опирающаяся на эту же опорную часть, по крайней мере, через один, установленный на нее промежуточный упругий элемент, причем на верхней поверхности плоской качающейся плиты выполнена профилированная выемка под элемент подвижной связи (Патент РФ №2165496 С1, дата приоритета 15.09.1999, дата публикации 20.04.2001, авторы: Алейников И.А. и Иванов С.Е., RU).
Недостатком данного аналога является сложность конструкции, обусловленная множеством взаимодействующих между собой элементов, а также ограниченные функциональные возможности по несущей способности.
Известен также адаптированный к действию горизонтальных и вертикальных усилий стабилизатор наземных колебаний, представляющий собой усиленную опору сейсмостойкого здания, содержащую верхнюю и нижнюю части с опорными поверхностями, между которыми расположены шары в количестве, соответствующем нагрузке, при этом опорная поверхность в одной части плоская, а в другой части опорные поверхности выполнены в виде чаш, в частности, сегментов сфер с радиусом, превышающим радиус шара, и со стопорами в виде буртиков по периметру, являющимися ограничителями перемещения, причем опорные поверхности образованы металлическими закладными элементами, закрепленными в фундаменте и в нижней части здания (Патент Франции №FR 2098479 А6, дата приоритета 18.04.1969, дата публикации 10.03.1972, МПК Е04В 1/36, Е04Н 9/02).
Недостатком этого аналога является высокая трудоемкость изготовления и монтажа усиленной опоры, например, в случае опирания плоской поверхности на четыре шара, в связи с необходимостью достижения точности изготовления и монтажа, а также в связи с выполнением ограничителей перемещения в виде буртиков.
В качестве прототипа принята кинематическая опора для сейсмостойкого здания, сооружения, содержащая верхнюю и нижнюю части, выполненные с плоскими горизонтальными опорными поверхностями, между которыми расположены на расстоянии друг от друга и в разных направлениях, как минимум, три шара, причем верхняя и нижняя части опоры соединены между собой предварительно напряженной тягой, установленной с возможностью возвращения смещенных при сейсмическом воздействии грунта частей опоры из отклоненного к начальному положению посредством горизонтальной составляющей усилия растяжения тяги, при этом предварительно напряженная тяга расположена между шарами в конусных отверстиях, устроенных в верхней и нижней частях опоры и направленных основаниями друг к другу, а опорные поверхности верхней и нижней частей выполнены из стальных листов, установленных в цоколе или фундаменте как закладные детали железобетонных элементов (Патент РФ №2661512 С1, дата приоритета 14.08.2017, дата публикации 17.07.2018, авторы: Хегай О.Н. и др., RU, прототип).
Недостатком прототипа является сложность изготовления и монтажа опоры, обусловленная защемлением концов предварительно напряженной тяги в конусных отверстиях верхней и нижней частей, а также необходимостью определения параметров тяги и обеспечения возможности ее перемещения для эффективного снижения сейсмических сил. Кроме того, с течением времени в предварительно напряженном стержне и бетоне опоры происходит релаксация напряжений. При этом в случае появления сейсмических воздействий горизонтальная составляющая усилия растяжения тяги может отсутствовать и привести к невозможности возвращения смещенных при сейсмическом воздействии грунта частей опоры из отклоненного к начальному положению.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является снижение трудоемкости изготовления и монтажа опор сейсмостойких зданий, сооружений, при сохранении их эффективности снижать сейсмические силы и ограничивать перемещения здания при землетрясениях с широким спектром частот.
Для решения технической проблемы предложена опора сейсмостойкого здания, сооружения, содержащая верхнюю и нижнюю части с плоскими опорными поверхностями, между которыми расположены на расстоянии друг от друга и в разных направлениях, как минимум, три шара в качестве подвижной шаровой связи, контактирующие с частями опоры, которые установлены с возможностью возвращения при их смещении от деформации грунта к начальному положению. Новым является то, что пространство между верхней и нижней частями опоры заполнено упругой массой, предназначенной для возвращения смещаемых частей опоры при сейсмическом воздействии грунта к начальному положению за счет касательных усилий, возникающих между контактными поверхностями на границе частей опоры и упругой массы при деформации грунта.
Согласно изобретению, в качестве упругой массы использована пористая резина в монолитной форме.
Согласно изобретению, в качестве упругой массы использованы упругие прокладки в виде столбиков, набранных из полос транспортерной ленты, причем между шарами и столбиками образованы зазоры.
На фиг. 1 схематично показана опора с пористой резиной между верхней и нижней частями в состоянии устойчивого равновесия, продольный разрез; на фиг. 2 - то же, сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - то же, при сейсмическом воздействии, продольный разрез; на фиг. 4 схематично показана опора с упругими прокладками между верхней и нижней частями в состоянии устойчивого равновесия; на фиг. 5 - то же, при сейсмическом воздействии.
Заявляемая опора содержит верхнюю 1 и нижнюю 2 части с плоскими горизонтальными опорными поверхностями, между которыми расположены на расстоянии друг от друга и в разных направлениях контактирующие с ними три шара 3, образующие подвижные шаровые связи. Выполнение опоры с тремя шарами оптимально с точки зрения обеспечения контакта с опорными поверхностями и простоты изготовления и монтажа, так как известно, что положение плоскости в пространстве может быть определено тремя точками (http://mash-xxl.info/info/653755/, дата просмотра 15.05.2019). Центры шаров в состоянии покоя или устойчивого равновесия образуют, например воображаемый равносторонний треугольник. При этом нагрузка на каждый шар распределяется равномерно. Для обеспечения возврата смещающихся при сейсмическом воздействии частей опор к начальному положению пространство между верхней 1 и нижней 2 частями опоры и шарами 3 заполнено упругой массой 4 или материалом с упругими свойствами, например, пористой резиной ("https://niirp.com/articles/proizvodstvo_poristyh_izdelij_iz_elastomerov/fomovye_metody/, дата просмотра 13.05.2019, формовые методы). При этом могут быть применены известные методы формования, например прессование. Кроме того, в частности в качестве упругой массы могут быть использованы упругие прокладки 5 в виде столбиков, набранных из полос транспортерной ленты, причем между шарами 3 и столбиками 5 должны быть образованы зазоры, обеспечивающие оптимальное смещение частей опоры и возвращение их в состояние устойчивого равновесия.
При осуществлении указанных технологических приемов заполнения пространства между верхней 1 и нижней 2 частями опоры и шарами 3 возвращение смещаемых частей опоры при сейсмическом воздействии грунта к начальному положению происходит за счет касательных усилий, возникающих между контактными поверхностями на границе частей опоры и упругой массы при деформации грунта, как показано на фиг. 3 и фиг. 5.
Таким образом, при действии сейсмического усилия в любом направлении шары позволяют перемещаться частям опоры между собой с возможностью возвращения к начальному устойчивому положению, так как при деформации грунта между контактными поверхностями на границе частей опоры и упругой массы возникают касательные усилия, которые возвращают опору в первоначальное положение без передачи вертикальных усилий на здание.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в расширении арсенала технических средств, используемых для защиты зданий и сооружений от сейсмических воздействий, а также в снижении трудоемкости изготовления и монтажа опор сейсмостойких зданий, при сохранении их эффективности снижать сейсмические силы и ограничивать перемещения здания при землетрясениях с широким спектром частот.