ФУНДАМЕНТ СЕЙСМОСТОЙКОГО НОВОГО, СУЩЕСТВУЮЩЕГО ИЛИ РЕКОНСТРУИРОВАННОГО ЗДАНИЯ ИЛИ СООРУЖЕНИЯ

Техническое решение относится к области строительства, а именно к сейсмостойким фундаментам зданий и сооружений.
Из уровня техники известен фундамент для зданий, возводимых в сейсмических районах, который включает ростверк, размещенную в полости трубчатого элемента сваю с верхним и нижним сферическими торцами, опорную плиту со сферической выемкой на верхней поверхности и уплотнительные упругие кольцевые элементы, расположенные между внутренней поверхностью трубчатого элемента и наружной поверхностью сваи. Ростверк соединен с трубчатым элементом вертикальной связью с ограничителем вертикальных перемещений и снабжен заведенным в полость трубчатого элемента выступом с вогнутым сферическим торцом, опертым через скользящие опоры на верхний сферический торец сваи. Свая оперта через скользящие опоры на выемку опорной плиты. Фундамент также снабжен полым коническим элементом, соединенным с трубчатым элементом вертикальными опорами, проходящими через опорную плиту, с образованием проемов и зазора между вершиной конического элемента и опорной плитой. На верхней поверхности опорной плиты расположена резиновая прокладка (UZ 2363 C, E02D 27/34, 31.10.2003).
Также из уровня техники известен фундамент для сейсмостойкого здания, который включает верхний и нижний элементы, разделенные горизонтальным швом, заполненным сыпучим материалом. Сыпучий материал помещен с уплотнением в упругие торообразные емкости, имеющие вырезы на внутренних поверхностях, края которых скреплены кольцевым бандажом, причем емкости помещены в стакан фундамента с зазором, который заполнен сыпучим материалом без уплотнения (RU 2119012 C1, E02D 27/34, 20.09.1998).
Также из уровня техники известен фундамент сейсмического 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 установлена плоская качающаяся плита, выполненная в виде рычага второго рода, с одной стороны кинематически связанная с нижней опорной частью, а с другой стороны свободно опирающаяся на эту опорную часть через установленный на нее промежуточный упругий элемент. На верхней поверхности плоской качающейся плиты предварительно выполнена профилированная выемка под элемент подвижной связи (RU 2165496 C1, E02D 27/34, 20.04.2001).
Недостатком известных технических решений является малый резерв энергопоглощения и как следствие недостаточная виброизоляция и значительные разрушения конструкций здания или сооружения, в том числе при сильных и разрушительных землетрясениях.
Задачей, на решение которой направлено техническое решение, является обеспечение опорой необходимого уровня виброизоляции и сейсмоизоляции зданий и сооружений посредством опирания верхней части конструкций через опору на фундаменты, обладающие при таком решении возможностью значительного обратимого деформирования без разрушения и способностью к поглощению энергии колебаний.
Поставленная задача решается за счет того, что, согласно полезной модели,
Технический результат, достигаемый посредством применения технического решения, заключается в значительном повышении динамической устойчивости и сейсмостойкости конструкций, зданий и сооружений, регулируемом снижении их динамической реакции и прогнозируемости поведения во время сильных и разрушительных землетрясений без разрушений или с минимальными, легко устраняемыми повреждениями или деформациями, а также за счет повышения надежности и долговечности работы устройства, в том числе при сочетании специфических свойств слоев опорных элементов - сейсмоизоляторов, их способности к значительным обратимым деформациям и надежного соединения с опорными и надфундаментными конструкциями.
Устройство поясняется чертежами, иллюстрирующими частные примеры выполнения, и никоим образом не ограничивающими другие возможные варианты в пределах формулы полезной модели.
На фиг.1 изображен разрез фрагмента здания, снабженного сейсмоизолирующими элементами;
на фиг.2 изображен сейсмоизолирующий элемент, вид сверху;
на фиг.3 изображен разрез А-А сейсмоизолирующего элемента на фиг.2;
на фиг.4 показаны сейсмоизолирущие элементы в составе ленточного фундамента;
на фиг.5 показаны сейсмоизолирущие элементы в составе плитного фундамента;
на фиг.6 показаны сейсмоизолирущие элементы в составе плитного фундамента, плита которого выполнена ребристой;
на фиг.7 показан фундамент, дополнительно снабженный верхней опорной плитной конструкцией для опирания вышележащих конструкций здания или сооружения;
на фиг.8 показаны сейсмоизолирущие элементы в составе столбчатого фундамента;
на фиг.9 изображен изометрический вид нижней части здания, фундамент которого включает сейсмоизолирущие элементы;
на фиг.10 изображен изометрический вид нижней части здания, фундамент которого включает сейсмоизолирущие элементы и усиление существующих конструкций;
на фиг.11 показана закладная деталь, предназначенная для размещения в железобетонной опорной конструкции фундамента;
Фундамент сейсмостойкого (сейсмоизолированного) нового, существующего или реконструированного здания или сооружения содержит железобетонные или каменные опорные конструкции 1 и специальные, в том числе резервные сейсмоизолирующие элементы 2, выполненные с возможностью восприятия вертикальной нагрузки Р с незначительными деформациями от вышележащих опорных конструкций 3 здания или сооружения и существенных, но обратимых деформаций под действием горизонтальных нагрузок N. Для этого каждый из сейсмоизолирующих элементов 2 включает нижнюю и верхнюю толстостенные пластины 4 и расположенное между ними композитное рабочее упругое тело 5. Упругое тело 5 выполнено в виде многослойной конструкции и состоит из жестких слоев 6, адгезионно связанных между собой слоями 7 изотропного полимерного эластомера, предпочтительно, из группы хлоропреновых каучуков. Жесткие слои 6 могут быть выполнены из металла, твердого пластика или композита, при этом в качестве эластомера использован, предпочтительно, неопрен. Внешние поверхности 8 толстостенных пластин 4 выполнены плоскими и связаны с остальной частью фундамента посредством соединительных элементов 9 и/или закладных деталей 10, а внутренние стороны 11 толстостенных пластин 4 соединены с упругим телом 5.
Железобетонные и/или каменные конструкции фундамента могут быть выполнены в виде ленточного (фиг.4), свайного (фиг.1), в том числе с винтовыми и иными видами свай, с ростверком в виде плиты (фиг.5), в том числе в виде ребристой плиты (фиг.6), столбчатого (фиг.8) фундамента. При реконструкции существующих и строительстве новых зданий и сооружений могут использоваться фундаменты смешанного типа.
Фундамент также может быть выполнен в виде множества отдельно стоящих фундаментов, например, стаканов под колонны (условно не показано), при этом, по меньшей мере, часть отдельно стоящих фундаментов, а, предпочтительно, каждый фундамент снабжены, по крайней мере, одним сейсмоизолирующим элементом 2. Фундамент, в случае опирания на него таких протяженных вертикальных несущих конструкций, как стены, включает деформационные швы 12 между сейсмоизолирующими элементами 2, отделяющие фундамент от упомянутых вертикальных вышележащих конструкций 3. В шве может располагаться полимерный уплотнитель или иной материал, не препятствующий сдвигу вертикальных несущих конструкций относительно фундамента в момент горизонтальных сейсмических воздействий (условно не показано). Кроме описанных швов фундамент может дополнительно включать любые другие деформационные швы известных конструкций, устраиваемые в фундаментах в соответствии с требованиями нормативных документов и стандартами по проектированию. При устройстве сейсмоизолированного фундамента под несущими стенами сейсмоизолирующие элементы установлены по длине стены с определенным шагом, в том числе и предпочтительно в местах пересечения стен.
В случае реконструированного здания сейсмоизолирующие элементы соединены с железобетонными конструкциями через дополнительные армированные пояса 13 (фиг.9, 10) и/или ростверки 14 и/или оголовки (условно не показаны).
При возведении нового здания или сооружения возможен вариант, когда фундамент дополнительно снабжен верхней опорной конструкцией, на которую опираются вышележащие конструкции здания, предпочтительно, железобетонной плитой 15, нижняя часть 16 которой соединена с верхними толстостенными пластинами 4 сейсмоизолирующих элементов 2. В этом случае при сейсмовоздействиях верхняя опорная конструкция колеблется относительно нижней.
При наличии в составе фундамента свай 17 плита и/или ростверк фундамента могут быть выполнены опирающимися на сваи различного типа, при этом сейсмоизолирущие элементы 2 расположены между оголовком сваи и ростверком, либо над ростверком, либо между оголовком сваи и плитой, либо в теле сваи.
В случае реконструированного здания или сооружения железобетонные или каменные опорные конструкции могут быть усилены металлическим, железобетонным или композитными усилениями традиционного типа 18, расположенными вдоль опорных конструкций 1.
Для закрепления к опорным конструкциям фундамента в толстостенных пластинах сейсмоизолирующих элементов выполнены отверстия 19, а каждая из закладных деталей 10 (фиг.11) выполнена в виде плоской с внешней стороны пластины со сквозными отверстиями (условно не показаны). Количество и расположение сквозных отверстий закладных деталей 10 соответствует количеству и расположению отверстий 19 в нижних толстостенных пластинах 4. С внутренней стороны к пластине присоединены полые элементы 20 цилиндрической формы, внутренние поверхности которых снабжены резьбой, при этом в упомянутые отверстия в обоих пластинах пропущены соединительные элементы 9, закрученные в полые элементы 20. Закладная деталь снабжена, по крайней мере, одним анкером 21, также закрепленным на внутренней стороне пластины.
Сейсмоизолирующий элемент 2 для защиты слоев 6, 7 и/или для повышения сопротивления сдвигу слоев 6, 7 относительно друг друга может быть снабжен обоймой 22, охватывающей упругое тело 5, причем обойма 22 выполнена из упругого и эластомерного материала. Также для повышения сопротивления сдвигу слоев 6, 7 и обеспечения затухания энергии при землетрясении сеймоизолирующие элементы 2 могут включать сердечники 23 из упругого, упруго-пластического или пластического, предпочтительно, изотропного материала, например, мягкого металла или сплава, например, свинца, олова, алюминия (фиг.3).
Для варьирования физико-механических свойств сейсмоизолирующего элемента 2 в зависимости от конкретных условий его загружения жесткие и эластомерные слои 6, 7 по высоте упругого тела 5 могут быть выполнены различной толщины, из разных материалов (резин, металлов, композитов), иметь различные модули упругости и т.д. Например, материалы могут быть подобраны таким образом, что модуль упругости эластомерных слоев 7 будет изменяться по длине упругого тела 5 по линейному или нелинено-упругому закону, возрастая от верха к низу устройства.
Между обоймой 22 и упругим телом 5 может быть расположен слой (условно не показан) для защиты эластомерного материала от внешних воздействий, предотвращения его старения и потери эластичных и упругих свойств, а также защиты от огня. Упомянутый слой должен быть выполнен из химически нейтральных к слоям эластомера веществ таких как, например, негорючие термостойкие и неокисляющиеся смазочные масла из фторорганических соединений.
Для снижения податливости упругого тела 5 и увеличения его возвратной силы в слоях 6, 7 могут быть выполнены дополнительные сквозные отверстия, в которые пропущены гибкие стержни или несколько стержней, собранных в пучки, причем каждый из стержней жестко закреплен в, по меньшей мере, одной толстостенной пластине 4 (условно не показано). Стержни могут быть металлическими или выполненными из пластиковых или композитных материалов.
Возможен вариант выполнения устройства, когда упругий сердечник 23 и обойма 22 выполнены из того же материала, что и эластомерные слои 7 и монолитно соединены с ними (условно не показано).
Для обеспечения устойчивости работы под значительной нагрузкой предпочтительно, чтобы высота упругого тела 5 не превышала его ширину, а отношение модуля упругости материала жестких слоев 6 к модулю упругости эластомерных слоев 7 из изотропного полимерного эластомера лежало в пределах от 25000 до 40000 при относительном удлинении последних до 100%.
Кроме того, фундамент может быть оснащен дополнительными системами активной или пассивной сейсмозащиты (условно не показано), направленными на восприятие вертикальных нагрузок, или ограничителями 24 перемещений.
Ограничитель 24 перемещений может быть выполнен, например, в виде двух частей - первой части в виде стержня 25 и второй части в виде трубы 26 или иной замкнутой оболочки. При этом одна из частей - труба 26, либо стержень 25 вертикально монтированы или замоноличены в железобетонную опорную конструкцию 3 фундамента, а другая часть выполнена с возможностью анкеровки в вышерасположенных конструкциях здания или сооружения.
Предложенная конструкция работает следующим образом.
В статическом состоянии, при отсутствии горизонтальной нагрузки опорная конструкция воспринимает через сейсмоизолирующие элементы вертикальную нагрузку от веса вышележащих конструкций здания без особых деформаций за счет оптимально подобранных материалов устройства. В момент землетрясения, сейсмической активности или иной сторонней возникающей нагрузки конструкции здания или сооружения испытывают как горизонтальные, так и вертикальные нагрузки. Особенно опасны знакопеременные нагрузки, распространение которых в здании или сооружении идет от фундамента к верхней части. Поэтому наиболее всего целесообразна установка сейсмоизолирующих элементов именно в уровне фундамента. В случае, если такая сейсмическая изоляция отсутствует, упомянутые усилия могут привести к необратимым деформациям и последующим разрушениям вертикальных конструкций в зоне фундамента, смещением их осей, что в конечном итоге может привести к потере отдельными наиболее подверженными воздействию элементами несущей способности и/или устойчивости, что в свою очередь может привести к полному разрушению здания или сооружения. В предложенной конструкции реконструированного или возведенного здания или сооружения предусмотрено использование демпфирующих многослойных устройств - сейсмоизолирующих элементов, в которых указанная нагрузка воспринимается его жесткими и эластомерными слоями без необратимых деформаций вертикальных конструкций. Сейсмоизолирующими элементами могут быть снабжены как отдельные, наиболее сейсмоуязвимые вертикальные конструкции зданий или сооружений, такие как стены и колонны, так и все без исключения вертикальные конструкции, а также оборудование. В последнем случае верхняя установленная на демпферные многослойные опоры часть 27 здания или сооружения под действием сейсмической нагрузки колеблется относительно нижней фундаментной части 28 (фиг.1) здания, расположенной под сейсмоизолирующими элементами.
При сейсмоизоляции несущих стен, предпочтительно, в их нижней части выполнены или предусмотрены проемы 29, в которых установлены армированные пояса 13 и размещены сейсмоизолирующие элементы 2. Для того, чтобы обеспечить свободное смещение стены относительно фундамента между соседними проемами, выполнены деформационные швы 12, путем выполнения в стене сквозного канала или прорези. При этом вышележащие опорные конструкции 3, опертые на сейсмоизолирующие элементы, могут быть усилены дополнительным усилением 30, например, железобетонными поясами, обрамлением, рубашками торкет-бетоном и т.д. В случае значительной изношенности или недостаточной прочности материала стен или колонн возможно усиление железобетоном по всей площади их внешних поверхностей.
При реконструкции и восстановлении здания (сооружения) возможно применять технические решения с углублением нижней подвальной части до соответствующего уровня (глубины) в зависимости от подстилающих грунтов основания и специальных водозащитных мероприятий. При этом, фундаменты и поземные конструкции могут выполняться новыми, частично новыми с усилением оставляемых элементов. Сейсмоизолирующие фундаменты возможно выполнять под заглубленными подвальными помещениями реконструированных зданий. После выполнения сейсмоизоляции при реконструкции в комплексе с другими мероприятиями по усилению несущих конструкций зданий возможно устройство дополнительных этажей, надстроек и мансард.
Сейсмоизолирующий фундамент в новом здании или сооружении выполняется аналогичным образом с предварительным устройством проемов 29 или ниш под сейсмоизолирующие элементы 2, размещением непосредственно, без устройства дополнительных армированных поясов 13, в опорных конструкциях фундаментов закладных деталей и выполнением, в случае необходимости, деформационных швов 12.
Описанные конструкции выполняются также под заглубленными подвальными помещениями реконструированных зданий или сооружений, расположенных на свайном фундаменте. При реконструкции и восстановлении такого здания или сооружения также возможно углубление нижней подвальной части до соответствующего уровня (глубины) в зависимости от подстилающих грунтов основания и специальных водозащитных мероприятий, причем фундаменты и поземные конструкции выполняются новыми, частично новыми с усилением оставляемых элементов. При устройстве новых, частично новых с усилением оставляемых элементов в виде висящих свай они додавливаются до слоя грунтового основания, способного воспринять расчетные нагрузки при землетрясении.
Сейсмоизолирующими элементами 2 гасится значительная часть энергии землетрясения без разрушения вертикальных конструкций и необратимых деформаций, которые могут повлечь за собой значительные разрушения или полную потерю устойчивости всего здания или сооружения.
Использование описанных фундаментов в зданиях и сооружениях, конструкциях позволит существенно увеличить их динамическую устойчивость и сейсмостойкость, что особенно важно для зданий и сооружений в сейсмически активных районах.