Сейсмостойкое многоэтажное здание
EARTHQUAKE-RESISTANT HIGH-RISE BUILDING

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при возведении многоэтажных зданий башенного типа в сейсмических районах.
Известно многоэтажное сейсмостойкое здание, включающее центральное ядро жесткости, этажные конструкции с наружным ограждением и гасители колебаний (см. авторское свидетельство СССР на изобретение №791871, МПК Е 9/02, 1980 г.).
Однако соединение балок перекрытия с ядром жесткости здания недостаточно прочное, передача нагрузок с нижних этажей через подвески на ствол здания и только после этого на фундамент нерациональна.
Из известных технических решений наиболее близким к заявляемому (прототипом) является сейсмостойкое многоэтажное здание, включающее центральное ядро жесткости, этажные конструкции с наружным ограждением и гасители колебаний. Ядро жесткости и наружное ограждение выполнены цилиндрической формы и расположены коаксиально, причем каркас наружного ограждения образован из металлических труб круглого сечения, установленных наклонно и соединенных в узлах пустотелыми фасонками, при этом гасители колебаний выполнены в виде пустотелых тороидальных колец, подвешенных на тросах к верхней части каркаса наружного ограждения и соединенных с ним посредством гофрированных трубчатых элементов (см. авторское свидетельство СССР на изобретение №1033681, МПК Е04Н 9/02, 1983 г.).
Основными недостатками здания - прототипа являются относительно ограниченные устойчивость, прочность и степень обтекаемости ветровыми воздушными потоками.
Задачей изобретения является повышение устойчивости, прочности и степени обтекаемости ветровыми воздушными потоками конструкции многоэтажного здания.
Для решения поставленной задачи в сейсмостойком многоэтажном здании, включающем центральное ядро жесткости, этажные конструкции с наружным ограждением, гасители колебаний в виде пустотелых замкнутых элементов, подвешенных на тросах к верхней части каркаса наружного ограждения, образованного из металлических труб круглого сечения, установленных наклонно и соединенных в узлах пустотелыми фасонками, причем ядро жесткости и наружное ограждение расположены коаксиально, гасители колебаний с каркасом наружного ограждения соединены посредством гофрированных трубчатых элементов, а ядро жесткости, каркас наружного ограждения и гасители колебаний в плане выполнены в виде фигуры постоянной ширины, ядро жесткости, каркас наружного ограждения и гасители колебаний в плане выполнены в виде треугольника Рёло, гофрированные трубчатые элементы располагаются в плане в угловых частях треугольника Рёло, а здание одним из углов установлено напротив направления основного вектора розы ветров.
Сущность изобретения заключается в том, что ядро жесткости, каркас наружного ограждения и гасители колебаний в плане выполнены в виде треугольника Рёло, гофрированные трубчатые элементы располагаются в плане в угловых частях треугольника Рёло, а здание одним из углов установлено напротив направления основного вектора Розы ветров.
Такой новый признак, как выполнение в плане ядра жесткости, каркаса наружного ограждения и гасителей колебаний в виде треугольника Рёло, позволяет предложенному техническому решению приобрести новые свойства, заключающиеся в том, что у ядра жесткости, каркаса наружного ограждения и у гасителей колебаний повышаются внешние боковые поверхности и внутренние поверхности, что позволяет более эффективно рассеивать напряжения в конструкции, возникающие при динамических, статических и температурных нагрузках, при этом повышается жесткость конструкции в целом. Второй новый признак, как расположение гофрированных трубчатых элементов в угловых частях треугольника Рёло, позволяет предложенному техническому решению приобрести новые свойства, заключающиеся в том, что гофрированные трубчатые элементы, являющиеся поглотителями внешних воздействий, возникающих между каркасом внешнего ограждения и гасителями колебаний, устанавливаются в самых жестких угловых контактных зонах элементов конструкции здания и их количество становится в пространстве наименьшим и предельно оптимальным. Третий новый признак, как установка здания одним из углов напротив направления основного вектора Розы ветров, позволяет предложенному техническому решению достигнуть нового свойства, заключающегося в заметном уменьшении сопротивления конструкции здания движению ветровых воздушных потоков.
Вышеуказанные новые признаки и свойства отсутствуют в известных технических решениях и позволяют предложенному техническому решению достигнуть эффектов, заключающихся в повышении прочности и устойчивости конструкции многоэтажного здания к внешним динамическим и статическим воздействиям, а также улучшения обтекаемости ветровыми воздушными потоками. Это позволяет утверждать, что предложенное техническое решение соответствует критериям "новизна" и "изобретательский уровень".
На фиг. 1 изображено сейсмостойкое многоэтажное здание; на фиг.2 изображен разрез А-А на фиг. 1.
Сейсмостойкое многоэтажное здание состоит из центрального ядра 1 жесткости, этажных конструкций 2 с наружным ограждением 3 и гасителей 4 колебаний. Ядро 1 жесткости и наружное ограждение 3 выполнены в виде Рёлообразной цилиндрической формы и расположены коаксиально. Каркас наружного ограждения 3 образован из металлических труб 5 круглого сечения, установленных наклонно и соединенных в узлах пустотелыми фасонками. Гасители 4 колебаний выполнены в виде пустотелых Рёлообразных колец, подвешенных на тросах 6 к верхней части каркаса наружного ограждения 3 и соединенных с ограждением 3 посредством гофрированных трубчатых элементов 7, выполняющих роль переходов и демпферов.
При колебании здания во время землетрясения инерционные силы подвешенных Рёлообразных колец 4 действуют в направлении, противоположном сейсмическому воздействию, благодаря чему уменьшаются сейсмические нагрузки на здание. Смещения гасителей 4 по отношению к наружному ограждению 3 здания вызывают в гофрированных трубчатых элементах 7 вязкоупругие деформации, что приводит к поглощению внешних динамических воздействий и быстрому затуханию колебаний.
a
a
Треугольник Рёло представляет собой фигуру постоянной ширины, образованную пересечением трех дуг радиуса , центры которых находятся в вершинах равностороннего треугольника со стороной .
а
Из всех фигур заданной постоянной ширины треугольник Рёло обладает наименьшей площадью. Если ширина его равна , то его площадь равна . Следовательно, при равных площадях, треугольник Рёло имеет большую ширину по сравнению с кругом. По сравнению с многоэтажным зданием с ядром жесткости и наружным ограждением, выполненными в плане в виде круга, многоэтажное здание с ядром жесткости и наружным ограждением, выполненными в плане в виде треугольника Рёло, имеет в указанных конструктивных элементах больший суммарный периметр (внешний плюс внутренний), а следовательно, большую суммарную поверхность, что имеет существенное значение для более эффективного рассеяния поверхностных динамических, статических, температурных напряжений и повышения трещиностойкости. Что касается конструкции гасителя, выполненного в плане в виде пустотелого Рёлообразного кольца, то по сравнению с гасителем, выполненным в виде пустотелого торообразного кольца, предложенный гаситель на основе геометрических и механических свойств, присущих фигуре Рёло и описанных выше, обладает более высокими жесткостными и прочностными характеристиками. При этом подобность Рёлообразного гасителя геометрическим характеристикам основных несущих элементов здания (ядро и каркас) создает оптимальную конструкционную компактность сейсмостойкого многоэтажного здания.
Расположение гофрированных трубчатых демпферных элементов 7 в угловых частях (зонах) конструкции здания с Рёлообразной структурой создает условия наиболее эффективного поглощения внешних силовых воздействий, которые концентрируются в наиболее жестких частях конструкции здания.
В предложенной конструкции многоэтажное здание одним из углов установлено напротив направления основного вектора розы ветров, установленного для территории возведения здания.
Углы при вершинах треугольника Рёло равны 120°, это более чем на 30% меньше угла, образованного касательными пересекающимися линиями, куда может вписаться круг. Естественно, обтекаемость здания Рёлообразной формы при установке его одним из углов напротив ветрового воздушного потока будет заметно лучше обтекаемости здания круглой формы. Следовательно, ветровые нагрузки на здание предложенной конструкции уменьшаются.
Технико-экономическая эффективность предложенного технического решения, по сравнению с прототипом, заключается в повышении жесткости, прочности и устойчивости по отношению к динамическим, сейсмическим, статическим и температурным нагрузкам, кроме этого у конструкции многоэтажного здания повышается степень обтекаемости ветровыми воздушными потоками.