Сейсмостойкое каркасное здание
EARTHQUAKE-RESISTANT FRAME BUILDING

Изобретение относится к строительству, и может быть использовано при возведении зданий и сооружений в регионах с повышенной сейсмической активностью и слабыми грунтами оснований.
Известен фундамент под колонну, включающий размещенные в котловане горизонтальную фундаментную плиту с уступами, вертикальную опору, установленную на ней, боковые плиты, опирающиеся на уступы и соединенные с вертикальной опорой посредством шарниров и наклонных распорок (см. патент РФ №2228404, МПК-2000.01 E02D 27/42, опубликованный 10.05.2004 г., бюл. №13). В данном фундаменте наклонные распорки выполнены в виде секций, соединенных между собой шарнирно или телескопически. Боковые плиты фундамента установлены наклонно под углом, соответствующим углу естественного откоса стенок котлована.
Недостатком такого фундамента является недостаточная прочность особенно в условиях значительных горизонтальных сейсмических колебаний. Это связано с тем, что в ходе эксплуатации боковые плиты и телескопические распорки без стабилизирующей массы под нагрузкой могут выйти из состояния равновесия и деформироваться, что снизит предполагаемый эффект работы конструкции.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является сейсмостойкое промышленное здание, включающее каркас со связями жесткости, фундамент из двух элементов, установленных относительно друг друга с зазором, опорные металлические шары, расположенные между элементами фундамента в соосных чашеобразных углублениях, выполненных в элементах фундамента, барьеры, закрепленные по периметру верхнего элемента фундамента с образованием полости и надфундаментные плиты со швами скольжения, выполненными по периметру нижней поверхности плиты (см. патент РФ №2589244, МПК-2006.01 E02D 27/34, опубликованный 10.07.2016 г., бюл. №19). В данном сейсмостойком промышленном здании элементы фундамента представляют собой отдельные опоры, опирающиеся на ленту, выполненную по всему периметру здания и по продольным осям колонн каркаса.
Недостатками прототипа являются, во-первых, ограниченная сейсмостойкость, низкая несущая способность, повышенная материалоемкость и трудоемкость при строительстве здания, и, как следствие, повышенные материальные затраты. Повышенные материальные и трудовые затраты связаны с необходимостью прокладки ленточной части фундамента по всему периметру здания. Причем лента фундамента не обладает повышенной несущей способностью в локальных местах, а именно в местах передачи нагрузок от колонны каркаса на фундамент. При значительных сейсмических нагрузках фундаментная лента является слабым узлом, который может привести к разрушению всей системы каркаса. Во-вторых, в соответствии с особенностями конструкции, барьеры защищающие фундамент от осыпания грунта, должны быть равны высоте фундамента. При этом, высота фундамента в зависимости от действующих нагрузок и глубины залегания несущего слоя грунта может быть довольно значительной и, соответственно, должна быть значительной и высота защитного барьера. Это приводит к появлению дополнительных затрат.
Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение несущей способности, надежности и сейсмостойкости каркасного здания при значительных горизонтальных сейсмических воздействиях, а также снижение материалоемкости и трудоемкости его возведения.
Технический результат достигается тем, что известное сейсмостойкое каркасное здание, включающее каркас со связями жесткости, фундамент из двух элементов, установленных относительно друг друга с зазором, опорные металлические шары, расположенные между элементами фундамента в соосных чашеобразных углублениях, выполненных в элементах фундамента, барьеры, закрепленные по периметру верхнего элемента фундамента с образованием полости, надфундаментные плиты со швами скольжения, выполненными по периметру нижней поверхности плиты, согласно изобретению, нижний элемент фундамента состоит из ступенчатого столба и боковых плит-подошв, опирающихся на ступеньки и, соединенных со столбом посредством шарниров и наклонных телескопических распорок, причем боковые плиты-подошвы установлены под углом, соответствующим углу естественного бокового откоса траншеи с ненарушенной структурой грунта, а пространство между боковыми плитами-подошвами и барьерами заполнено стабилизирующей массой малосжимаемого грунта, при этом барьеры оперты на ступеньки столба.
Сейсмостойкое каркасное здание имеет не менее трех, опорных металлических шаров, как в поперечном, так и в продольном направлениях относительно здания.
Между фундаментами выполнены каналы, внутри которых установлены балки-распорки с зазором относительно стенок канала, большим величины перемещения при нормативной сейсмичности.
Данное устройство позволит повысить несущую способность, надежность и сейсмостойкость каркасного здания при значительных горизонтальных сейсмических воздействиях, а также снизить материалоемкость и трудоемкость его возведения.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен фрагмент поперечного разреза здания, на фиг. 2 - фундаментный узел А фиг. 1.
Сейсмостойкое каркасное здание включает каркас 1 со связями жесткости, фундамент 2 из двух элементов, опорные металлические шары 3, барьеры 4, надфундаментные плиты 5 со швами скольжения и балки-распорки 6. Элементы фундамента 2 установлены относительно друг друга с зазором с помощью опорных шаров 3, которые расположены в соосных металлических чашеобразных углублениях 7, выполненных в элементах фундамента 2. Верхний элемент фундамента 2 является подколонником 8, а нижний элемент состоит из ступенчатого столба 9 и боковых плит-подошв 10. Боковые плиты-подошвы 10 и столб 9 соединены между собой посредством шарниров 11 и наклонных телескопических фиксируемых распорок 12. Боковые плиты-подошвы 10 установлены на ступеньках столба 9 под углом, соответствующим углу естественного бокового откоса траншеи с ненарушенной структурой грунта. Барьеры 4 закреплены по периметру верхнего элемента фундамента 2 с образованием полости 13. Пространство между боковыми плитами-подошвами 10 и барьерами 4 заполнено стабилизирующей массой мало-сжимаемого грунта 14. Барьеры 4 закреплены по периметру верхнего элемента фундамента с образованием полости 13. Сейсмостойкое каркасное здание имеет не менее трех, опорных металлических шаров 3, как в поперечном, так и в продольном направлениях относительно здания. Между фундаментами 2 выполнены каналы 15, внутри которых установлены балки-распорки 6 с зазором относительно стенок канала 15, большим величины перемещения при нормативной сейсмичности. Фундамент 2 установлен в траншее 16.
Устройство работает следующим образом.
При сейсмических колебаниях вместе с грунтом перемещается ступенчатый столб 9 и боковые плиты 10. При этом шары 3 начинают свободно прокатываться в углублениях 7 в поперечном и продольном горизонтальном направлении. Зазор изолирует подколонник 8 от столба 9, что способствует сохранению инерции покоя подколонника 8 вместе с каркасом здания. Также от грунта изолированы и балки-распорки 6 за счет зазора между стенками канала 15, что то же способствует сохранению каркасом здания инерции покоя. При этом барьеры 4 препятствуют просыпанию стабилизирующей массой малосжимаемого грунта 14 в полость 13. Высота барьеров 4 ограничена высотой подколонника 8, что снижает затраты на строительство здания и повышает его надежность.
Здание имеет со столбом 9 и, следовательно, с грунтом только точечные подвижные контакты в местах расположения шаров 3 и его каркас не подвергается воздействию горизонтальных сейсмических колебаний. Для удобства эксплуатации здания полость 13 между барьерами 4 перекрывают надфундаментной плитой 5, которая за счет наличия швов скольжения при колебаниях грунта остается в неподвижном состоянии относительно пола. Швы скольжения могут быть заполнены любым материалом с низким коэффициентом трения, например, графитовой засыпкой. За счет балок-распорок 6 подколонники 8 объединены в единую конструкцию и колонны каркаса 1 не смещаются относительно друг друга.
Размеры углублений 7, от которых зависит свобода перемещений подколонника 8 относительно столба 9, выбирают больше величины перемещения грунта при нормативном сейсмическом воздействии в зависимости от сейсмичности региона.
Кроме того, боковая плита 10, закрепленная к ступенчатому столбу 9 шарниром 11 и телескопической распоркой 12, опирается на ненарушенную структуру грунта бокового откоса траншеи, а откосный барьер 4 в пределах высоты подколонника 8 фиксирует боковой откос стабилизирующей массы обратной засыпки из малосжимаемого грунта 14. Это увеличивает несущую способность фундамента здания, так как в работу фундамента 2 вовлекается весь грунт, контактирующий с ним. За счет стабилизирующей массы обратной засыпки из малосжимаемого грунта 14, заполняющей пространство между боковыми плитами 10 и барьерами 4 отсутствует деформация телескопических распорок 12 и боковых плит 10, что обеспечивает безотказность работы боковых плит 10 при сейсмичности 7 баллов и более. В итоге расширена область использования свойства повышенной несущей способности фундамента с гарантированной безотказностью в работе. К тому же, при данной конструкции фундамента присутствует положительное уплотнение определенных видов грунтов под всеми подошвами фундамента вследствие сейсмических колебаний.
Данное здание может быть использовано в районах повышенной сейсмичности со значительными горизонтальными колебаниями, наиболее разрушительными при сейсмике. За счет того, что при сейсмических нагрузках каркас здания сохраняет инерцию покоя, нет необходимости использовать дополнительные сейсмостойкие крепления стропильных конструкций, стеновых панелей, придавать повышенную прочность и равнопрочность несущим элементам. Это существенно снижает материалоемкость здания и трудоемкость его возведения и, как следствие повышает экономичность. Вместе с тем данное сейсмостойкое здание не требует ограничений в объемно-планировочных решениях, связанных с технологическим процессом, что упрощает и удешевляет процесс его строительства и эксплуатации. Кроме того, заявляемое здание имеет достаточную эксплуатационную надежность при, практически любых горизонтальных сейсмических колебаниях.
Данное устройство позволит по сравнению с прототипом повысить несущую способность, надежность и сейсмостойкость каркасного здания при значительных горизонтальных сейсмических воздействиях, а также снизить материалоемкость и трудоемкость его возведения.