Кинематическая трубобетонная сейсмоизолирущая опора на монолитном железобетонном фундаменте
KINEMATIC PIPE-CONCRETE SEISMIC ISOLATION SUPPORT ON A MONOLITHIC REINFORCED CONCRETE FOUNDATION

Изобретение относится к области строительства, в частности, к сейсмоизолирующим устройствам зданий и сооружений и может быть использована в конструкциях нулевого цикла для проектирования и возведения несущего каркаса многоэтажных гражданских зданий в зонах повышенной сейсмичности.
Известны сейсмоизолирующие демпфирующие опоры защиты технических устройств на неподвижном монолитном фундаменте, например, демпфирующее основание, содержащем подвижную и неподвижную части, между которыми размещены демпфирующие упругие элементы, устройства компенсации горизонтальных перемещений в виде узлов качения и устройства защиты от опрокидывания в виде зацепа с анкерами на неподвижном основании [Пат. №160023 U1, Российская Федерация, МПК F16F 15/04 (2006.01). Демпфирующее основание /А.Ю. Теняков. - заявка №2015145210/11. - Заявл. 21.10.2015; опубл. 27.02.2016, Бюл. №6. - 4 с, 2 ил.]. Как указывает и сам заявитель, такая опора предназначена для защиты радиоэлектронной аппаратуры небольших размеров от виброударных и сейсмических воздействий, а поэтому практически не применима для сейсмозащиты многоэтажных гражданских зданий, где таких опор должно быть много, и они должны иметь внушительные габаритные размеры.
В качестве прототипа выбрана трубобетонная сейсмоизолирующая опора (Пат. №193791 U1, Российская Федерация, СПК E02D 27/34 (2019.02), Е04С 3/34 (2019.02). Трубобетонная сейсмоизолирующая опора на железобетонном фундаменте /В.Т. Шаленный, Н.Ю. Воронцов, А.В. Андронов. - заявка №2019122743. - Заявл. 15.07.2019; опубл. 15.11.2019, Бюл. №32. - 5 с, 2 ил.) как имеющая наибольшее количество общих существенных признаков с предлагаемым техническим решением. Согласно выбранному прототипу, трубобетонная сейсмоизолирующая опора кинематического принципа действия размещена на монолитном железобетонном фундаменте и состоит из колонны в трубобетонном варианте и шарнирных узлов с гасителями колебаний. Эти шарнирные узлы, размещены в нижней и верхней части колонны и составляют с гасителями колебаний единое целое, выполненные из стальных листов прокатной стали. Причем гасители колебаний являются одновременно поглотителями энергии и ограничителями горизонтальных и вертикальных перемещений. В составе нижнего шарнирного узла имеется закладная деталь фундамента, установленная на нем посредством слоя подливки из фибробетона, как более прочного безусадочного материала по сравнению с предварительно устраиваемым железобетоном основного массива монолитного фундамента.
Имеющиеся в прототипе элементы временного закрепления и выверки закладной детали в виде проушин с их анкерным регулируемым креплением гайками к монолитному фундаменту обеспечивают достижение повышенной надежности работы сейсмоизолирующей системы за счет ее высокоточного монтажа, но оставляют недостатки низкой надежности работы в процессе восприятия сейсмических нагрузок. Принцип работы сейсмоизолирующей трубобетонной опоры по прототипу состоит в ее наклоне от вертикали в основном под горизонтальным сейсмоимпульсом с возвратом в исходное положение при его обратном действии за счет силы тяжести от собственного веса и вышележащих конструкций здания. Не отрицая существования такого эффекта сейсмозащиты отдельной опоры такой конструктивной системы, заявленный положительный эффект будет достигнут только в том случае, если несколько опор будут установлены точно вертикально, без малейших отклонений от проектного положения. В противном случае, даже при небольшом смещении соседних опор в противоположные стороны, требуемая надежность работы системы не будет обеспечена. Или же понадобятся дополнительные трудоемкие выверочные операции при установке сейсмоизолирующих опор в трубобетонном их варианте.
И в процессе работы по восприятию и гашению сейсмической нагрузки у данной конструкции просматривается недостаток в надежности выполнения обозначенной ее основной функции по ниже следующей причине. В предполагаемый момент отрыва вышерасположенной части шарнирного узла от закладной детали фундамента с отклонением первой от вертикали, неизбежно появится зона их почти точечного контакта и передачи в этой зоне всей вертикальной составляющей нагрузки. Возникающие при этом мощные усилия обжатия неизбежно деформируют шарнирный узел в контактной зоне путем ее смятия и дальше система уже не сможет надежно воспринимать последующие сейсмические импульсы. Причем эта зона необратимых пластических деформаций может образоваться как на закладной детали, так и в нижней торцевой части стальной колонны. Изначально не определенное место смятия стальных элементов шарнирного узла и предопределяет дальнейшую недостаточно надежную работу сейсмоизолирующей системы.
В основу изобретения поставлена задача повышения надежности работы кинематической сейсмоизолирующей опоры. Для чего предлагается ввести в систему промежуточный податливый элемент - шайбу из мягкого металла, например, свинца, сознательно предназначенного для первоначального деформирования со смятием и образованием части шарообразной контактной поверхности шарнира. Дополнительный промежуточный упругий элемент необходим и в зоне прилегания вертикальной поверхности гасителя к такой же поверхности закладной детали фундамента. Для чего предлагается ввести еще один новый элемент - кольцевую прокладку из упругого материала, например из резины, зафиксированную на закладной детали фундамента. Она в процессе монтажа сработает как направляющая-ловитель для точной надежной установки трубобетонной опоры, а при восприятии сейсмоимпульсов - как амортизирующий элемент, гасящий гармонические затухающие колебания.
Поставленная задача решается тем, что кинематическая трубобетонная сейсмоизолирующая опора на монолитном железобетонном фундаменте, состоящая из колонны в трубобетонном варианте и шарнирных узлов, составляющих с гасителями колебаний единое целое, выполненные из стальных листов прокатной стали, размещенных в нижней и верхней части колонны, причем гасители одновременно являются поглотителями энергии и ограничителями горизонтальных и вертикальных перемещений, а также закладной детали фундамента со слоем подливки между ними, дополнительно гаситель колебаний снабжен промежуточной шайбой из мягкого металла, а закладная деталь фундамента - кольцевой прокладкой, выполненной из упругого материала, зафиксированной в пространстве между ней и ограничителем перемещений.
Общие с прототипом признаки:
колонна в трубобетонном варианте,
шарнирные узлы, составляющих с гасителями колебаний единое целое,
шарнирные узлы выполнены из стальных листов прокатной стали, размещенных в нижней и верхней части колонны,
гасители одновременно являются поглотителями энергии и ограничителями горизонтальных и вертикальных перемещений,
закладная деталь фундамента со слоем подливки между ними.
Отличительные признаки:
гаситель колебаний снабжен промежуточной шайбой из мягкого металла, закладная деталь фундамента снабжена кольцевой прокладкой, кольцевая прокладка выполнена из упругого материала,
кольцевая прокладка зафиксирована в пространстве между гасителем и закладной деталью.
Совокупность признаков технического решения обеспечивает изобретательский уровень технического решения.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где Фиг. 1 - общий вид кинематической опоры, симметрично совмещенный с ее вертикальным разрезом ее нижней части, опирающейся на монолитный фундамент.
Кинематическая трубобетонная опора на железобетонном монолитном фундаменте 1 состоит из собственно стальной трубы колонны 2, заполненной монолитным железобетоном 3, а также шарнирных узлов 4 с гасителем колебаний 5. Внутри нижнего гасителя колебаний 5 размещена закладная деталь 6 монолитного фундамента 1. Она имеет цилиндрическую пустотелую конструкцию с верхней плоской крышкой из листовой стали с отверстием по центру. Через это отверстие все внутреннее пространство закладной детали 6 и до фундамента 1 заполнено слоем подливки 7 из высокопрочного безусадочного бетона, например, фибробетона. На выступающей торцевой цилиндрической части стальной колонны 2, как гасителя колебаний, одета шайба 8 из мягкого металла, например, из свинца. А в вертикальном пространстве между гасителем 5 и закладной деталью 6, на последней зафиксирована кольцевая прокладка 9 из упругого материала, например, резины.
Технология устройства кинематической сейсмоизолирующей трубобетонной опоры и ее работа под сейсмической нагрузкой заключается в ниже следующем. Вначале на строительной площадке производится бетонирование фундамента 1 таким образом, чтобы его верх оказался несколько ниже от будущей проектной отметки установки низа закладной детали 6. Изготовление собственно стальных колонн из труб 2, заполненных железобетоном 3 с ограничителем и гасителем 5, осуществляется заблаговременно в заводских условиях с высокой машиностроительной точностью. После бетонирования фундамента 1, на него производят установку и выверку закладной детали 6 с последующим заполнением полученного пространства слоем подливки 7 из высокопрочного безусадочного бетона, например, фибробетона. После набора прочности фибробетоном подливки 7 приступают к монтажу колонны 2, предварительно оснастив ее нижнюю выступающую торцевую часть шарнирного узла 4 шайбой 8 из свинца. А на боковую поверхность цилиндрической закладной детали 6 одевают и фиксируют кольцевую прокладку 9 из упругого материала, например, резины. Такая фиксация возможна и происходит, например, путем ее частичного втапливания в тело закладной детали 6. Для чего в ней предусматривают кольцевую проточку. Наведение на место и установка колонны 2 с ограничителями 5 и шайбой 8 происходит автоматически при ее опускании, так как ограничители 5 выполняют в это время функцию улавливателей, точно ориентирующих колонну на место установки на закладной детали 6 фундамента 1 посредством прокладки 9.
Во время работы кинематической трубобетонной сейсмоизолирующей опоры предполагаются и происходят следующие перемещения и деформационные процессы.
Пришедший от эпицента землетрясения, преимущественно горизонтальный импульс, через фундамент 1, подливку 7 и закладную деталь 6 стремится также сместить и сталежелезобетонную колонну 2. Но при этом она начинает приподыматься и наклоняться в сторону от вертикального проектного положения, как и во всех других известных ранее системах кинематических сейсмоизолирующих опор. В шарнирном узле 4 уменьшается плошадь контакта торцов колонны 2 и закладной детали 6. Находясь на периферии шарнирного узла 4, первым начинает работать на смятие вначале более мягкий материал шайбы 8. Таким образом, он первым подвергается пластической деформации и изменит свою форму в сторону, близкую к шаровидной контактной поверхности. В это же время, ограничитель 5 начинает взаимодействовать с вертикальной поверхностью закладной детали 6 через упругую кольцевую прокладку 9, работающую в данный момент как амортизатор. Наступает момент крайнего неустойчивого равновесия, после которого колонна 2, под действием собственного веса и вышележащих строительных конструкций, стремиться вернуться в начальное вертикальное положение. И, под действием неизбежно возникшего инерционного импульса, колонна продолжит некоторое время колебаться, до затухания. И если придет и наложится следующий сейсмический импульс, то процесс будет повторяться по мере повтора внешних возмущений. В целом, по сравнению с прототипом, за счет введенных новых промежуточных пластических и упругих элементов с их предложенной взаимосвязью, предложенная сейсмоизолирующая система будет работать более надежно, как во время ее монтажа, так и сопротивляясь возможному сейсмическому воздействию в процессе длительной эксплуатации.