ЭКРАН ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ОТ ВИБРАЦИЙ

Техническое решение относится к строительству, а именно к конструкциям экранов для защиты фундаментов и надземных частей зданий и сооружений от воздействия вибраций.
Известен экран для защиты сооружений от сейсмического воздействия, например, в устое моста по авт. св. СССР №1370173, кл. E 01 D 19/02, опубл. в БИ №4 за 1988 г., включающий расположенные друг на друге и имеющие криволинейное вогнутое очертание прослойки из антифрикционного материала, размещенные в грунте непосредственно перед защищаемым сооружением. Недостаток экрана заключается в том, что после прохождения волны при сейсмическом воздействии между прослойками и грунтом образуются воздушные зазоры, так как за счет имеющейся пластичности грунта деформация его от сейсмического воздействия восстанавливается частично. В результате при повторном воздействии волны воздушные зазоры могут вызвать динамический удар грунта, а следовательно, привести к разрушению сооружения. Таким образом, указанный экран может оказаться неэффективным при повторном сейсмическом воздействии. Кроме того, монтаж экрана трудоемок, так как требует проведения большого объема работ по выемке и заделке грунта.
Известно также устройство для виброакустической изоляции объекта по авт. св. СССР №1675504, кл. E 02 D 31/08, 27/44, 27/34, опубл. в БИ №33
за 1991 г., включающее размещенный в грунте вокруг защищаемого объекта экран из защитного материала, выполненный из уплотненного содержащего упруговязкие мелкодисперсные частицы материала с установленными волновым сопротивлением и поверхностной плотностью и размещенного на упруговязкой подушке. Экран в указанном устройстве защищает строительные конструкции недостаточно эффективно из-за большого бокового сопротивления на границе защитного материала со стенками траншеи за счет большого контактного трения и сцепления. Кроме того, защитный материал размещен в траншее, что требует проведения большого объема работ по выемке грунта и использования мощного оборудования.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и совокупности существенных признаков является экран для защиты зданий и сооружений от сейсмических воздействий по авт. св. СССР №1629416, кл. E 02 D 31/08, опубл. в БИ №7 за 1991 г., включающий размещенные вокруг здания, сооружения внутренний и внешний ряды скважин, заполненных поглощающим колебания материалом и расположенных в рядах в шахматном порядке. При этом установлен шаг между скважинами внутреннего ряда и размер перемычки между скважинами внутреннего и внешнего ряда в зависимости от диаметра скважин. Экран такой конструкции гасит волну при сейсмическом воздействии также недостаточно эффективно из-за большого бокового сопротивления на границе поглощающего колебания материала со стенками скважины за счет большого контактного трения и сцепления. В результате колебания частиц грунта передаются частицам указанного поглощающего материала в скважинах, затем частицам грунта в перемычках и далее - во второй ряд скважин. Кроме того, изготовление экрана нетехнологично, так как на практике трудно выдержать установленные размеры перемычек и шаг между скважинами внутреннего ряда.
Технической задачей предлагаемого решения является повышение эффективности защиты зданий и сооружений от вибраций за счет снижения бокового сопротивления на границе защитного материала со стенками скважины путем снижения контактного трения и сил сцепления вдоль боковой поверхности защитного материала, а также повышение технологичности изготовления экрана за счет ее упрощения.
Поставленная задача решается тем, что в экране для защиты зданий и сооружений от вибраций, включающем размещенные около здания или сооружения со стороны источника вибраций внутренний и внешний ряды скважин, заполненных защитным материалом и расположенных в рядах в шахматном порядке, согласно техническому решению защитный материал размещен в эластичной оболочке, по меньшей мере, двухслойной.
Защитный материал, как и в прототипе, представляет собой смесь легких сыпучих материалов с упруго - пластичными свойствами и обеспечивает защиту зданий и сооружений при вибровоздействии от продольных волн, вызывающих сжатие и растяжение грунта, за счет упругости и внутреннего трения частиц легких сыпучих материалов, составляющих смесь. Эти свойства частиц указанной смеси за счет релаксации напряжений на контактах частиц превращают энергию вибраций в тепло, обеспечивая ее эффективное рассеивание в окружающее пространство. Размещение указанной смеси в эластичной оболочке, по меньшей мере, двухслойной, обеспечивает снижение бокового сопротивления на границе защитного материала со стенками скважины за счет снижения контактного трения и сцепления вдоль боковых поверхностей защитного материала. В результате снижается реакция конструкции на вертикальные (сдвиговые) колебания от поперечных и поверхностных волн, что особенно важно, так как фундаменты зданий и сооружений располагаются близко к поверхности грунта. При подходе такой волны конструкция экрана работает и как амортизатор, и рассеивает энергию волны благодаря вызванным колебаниям частиц защитного
материала за счет взаимного трения их на контактах. Эффективность защиты от этого повышается. Упрощается также технология изготовления экрана, так как дополнительная защита в виде эластичной оболочки, имеющей несколько слоев, исключает необходимость строгого соблюдения размера перемычек и шага между скважинами внутреннего ряда, как это необходимо в прототипе.
Целесообразно между слоями эластичной оболочки разместить смазочный порошковый материал. Это сводит практически к нулю трение скольжения между слоями эластичной оболочки, повышая в итоге эффективность защиты.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами фиг.1-4, где показано: на фиг.1 - продольный разрез экрана для защиты зданий и сооружений от вибраций по скважине, заполненной защитным материалом в эластичной оболочке (на фоне здания); на фиг.2 - графики колебаний при вибровоздействии (вверху -поперечная волна, внизу - продольная); на фиг.3 - вид А на фиг.1 (поперечный разрез по указанному экрану при двухрядном расположении скважин); на фиг.4 - экспериментальная виброграмма падающей волны (кривая 1 - до указанного экрана, кривая 2 - после него, около здания).
Практически установлено, что при динамических осадках фундаментов зданий и сооружений на их основания передаются давления, близкие к предельно допустимым по нормативам, за счет образования в их толще пластических сдвигов. Такие осадки нередко возникают не только в рыхлых, но также и в плотных песках или глинистых грунтах (за исключением твердых). Они могут длиться десятилетиями и достигать значительных размеров под влиянием даже относительно слабых сотрясений, тем более - под действием вибраций, так как под действием вибраций, как известно, сопротивление грунтов сдвигу снижается. Поэтому эффективная защита зданий и сооружений экранами является актуальной задачей.
Экран для защиты зданий и сооружений от вибраций (далее - экран) содержит размещенные, например, у здания 1 (фиг.1) со стороны источника вибраций (на фиг. не показан) внутренний и внешний ряды скважин 2, заполненных защитным материалом 3, который размещен в эластичной оболочке 4, например, двухслойной. Количество слоев эластичной оболочки 4 определяется экономической целесообразностью. Скважины 2 расположены в рядах (фиг.3) в шахматном порядке (без просветов). Эластичная оболочка 4 выполнена в виде чулка, например, из полихлорвинила, полиизобутилена, полиэтилена, полиамида, фторопласта и т.п. материалов и размещена в скважине 2 круглого сечения, после чего заполнена защитным материалом 3. Последний представляет собой упруго - пластичную смесь легких сыпучих материалов. В качестве пластических материалов, обладающих внутренним трением и малым удельным весом, используют пенопластовые шарики, не подверженные разложению и значительному сжатию под давлением, щебень и/или песок из керамзита, аглоперита, вермикулита, перлита, шлак. В качестве упругой компоненты указанной смеси используют резиновую крошку или стружку, резиновые кольца, полиуритановые шарики и т.п. материалы. Между слоями эластичной оболочки 4 можно разместить смазочный порошковый материал, например, тальк или графитовый порошок.
Экран используют следующим образом.
От источника вибраций распространяются продольные и поперечные волны (фиг.2). При продольной волне частицы грунта колеблются в направлении движения волны, а при поперечной волне - вертикально при горизонтальном ее движении, поэтому деформации грунта от продольных волн представляют собой только сжатие и растяжение, а от поперечных волн - только деформации сдвига, которые особенно опасны. Наиболее опасны поверхностные волны, приникающие внутрь грунта на небольшую глубину (порядка длины волны). Фундаменты зданий и сооружений
располагаются относительно близко к поверхности грунта и служат приемниками этих волн.
Защита здания 1 от продольных волн производится защитным материалом 3 - смесью легких сыпучих материалов, обладающей упругостью и внутренним трением. При вибрационном воздействии такая смесь работает как амортизатор, а вызванные колебания частиц защитного материла 3, за счет релаксации напряжений на контактах частиц, превращают энергию колебаний в тепло и рассеивают его в окружающее пространство. Эластичная оболочка 4 за счет минимального трения ее слоев друг о друга гасит поперечные волны. Таким образом, благодаря совместному действию эластичной оболочки 4 и защитного материала 3 вибрационное воздействие ослабевает уже после внешнего ряда скважин, а после внутреннего ряда, образующего с первым заградительную стенку благодаря шахматному расположению скважин, гасится эффективно.
Проведенные эксперименты показали следующее.
Площадки, на которых проводились исследования, были сложены однородными грунтами мощностью ~15 м с растительным слоем незначительной толщины. Экран включал 2 ряда скважин диаметром 40 см и высотой 8 м, выполненных в шахматном порядке. В качестве защитного материала использовалась смесь из резиновой и керамзитовой крошки со средним размером частиц ~ 5 мм, в равных пропорциях по объему. В качестве эластичной оболочки были использованы двухслойные полиэтиленовые чулки, длиной и диаметром равные размерам скважины. Вибродатчики для регистрации входящих импульсов устанавливались прямо на грунт, заглублялись на 5-10 см ниже растительного слоя и плотно прижимались, причем один вибродатчик фиксировал падающую волну до экрана, второй - после прохождения ее через экран. Упругие волны создавались одиночными ударами вертикально падающего груза по штампу, установленному на грунт. Под действием вертикальных ударов от их источника передавались поверхностные волны, вызывающие колебания
2
1
грунта. На экспериментальной виброграмме (фиг.4) видно, что величина амплитуды А смещений грунта (кривая 2) после прохождения падающей волны через экран приблизительно на порядок меньше амплитуды Aпадающей волны до экрана (кривая 1), что подтверждает эффективность действия заявляемого экрана.