способ адаптации к смене типа горизонтальных нагрузок опор сейсмоизоляции

Формула изобретения

Способ адаптации к смене вида горизонтальной нагрузки опор сейсмоизолирующего фундамента, включающего фундаментную плиту на грунте, опорную плиту здания и горизонтально податливые опоры между ними, которыми обеспечивают возможность горизонтальных колебаний опорной плиты со зданием относительно грунта с фундаментной плитой на нем и с их помощью возвращают здание к положению равновесия или гравитационно создаваемой или упругой силой, и в фундамент добавляют устройство, с помощью которого выполняют фиксацию в начальном положении равновесия опорной и фундаментной плит от взаимного горизонтального смещения, и которым выключают их фиксацию в зависимости от смены вида горизонтальной нагрузки, отличающийся тем, что фиксацию выполняют фиксирующим устройством в виде горизонтального фрикционного тормоза с электроприводом, который временно включают замыканием добавленных последовательно в электрическую цепь питания электропривода нормально разомкнутых контактов датчика силы ветра на время ее превышения порогового значения ветровой нагрузки на здание, допустимого при отсутствии фиксации, а выключают размыканием дополнительно добавленных последовательно в ту же цепь питания нормально замкнутых контактов сейсмодатчика, размыкаемых действием сейсмодатчика при превышении порогового значения горизонтального ускорения грунта, создающего при своих колебаниях силу инерции здания, превышающую упомянутое пороговое значение ветровой нагрузки на здание, а замыкают снова контакты сейсмодатчика его действием после снижения ускорения ниже значения, необходимого для их включения, причем для создания необходимой в этом случае для затухания остаточных колебаний здания после сейсмического воздействия временной задержки включения фиксации в последовательную цепь питания электропривода добавляют устройство соответствующей временной подачи напряжения на электропривод устройства фиксации после любого включения питания электропривода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства, в частности к способам адаптации к смене типа горизонтальных нагрузок опор сейсмоизоляции для решения технической задачи ограничения их подвижности на фундаментах зданий и сооружений от ветровой нагрузки и увеличения податливости этих опор при горизонтальном сейсмическом воздействии для снижения значений сейсмических нагрузок объектов от сейсмических колебаний грунта путем отстройки спектра собственных частот в диапазон ниже спектра частот воздействия.

Известен способ адаптации к смене типа сейсмических нагрузок опор сейсмоизоляции в зависимости от частоты колебаний сейсмических воздействий с помощью выключающихся связей, в котором горизонтально податливые гибкие опоры вначале фиксируют от горизонтальных смещений элементами выключающихся связей, создающими горизонтальную жесткость опор сейсмоизоляции, за счет чего зданию, как правило, имеющему первый повышенно гибкий этаж, придают высокую частоту основного тона собственных колебаний. При низкочастотном сейсмическом воздействии сейсмические нагрузки на здание относительно невелики вследствие достаточной отстройки частот здания от частот сейсмического воздействия, исключающей резонанс. А при высокочастотном сейсмическом воздействии возросшие сейсмические нагрузки разрушают элементы намеренно ограниченной прочности выключающихся связей и этим зданию придают низкую частоту основного тона собственных колебаний за счет увеличения горизонтальной податливости гибких опор, чем также создают достаточную отстройку от частоты сейсмического воздействия, исключающую резонанс, и снижают сейсмические нагрузки здания (Я.М.Айзенберг. Сооружения с выключающимися связями для сейсмических районов, Стройиздат, 1976 г., стр.140).

Недостаток такого решения в том, что здание может при выключенных связях, пока они еще не восстановлены, не выдержать низкочастотного сейсмического воздействия. Ведь не исключена возможность, что в одной серии сейсмических толчков в спектре преобладают высокие частоты колебаний и разрушают выключающиеся связи, а сразу за этим в очередной серии толчков будут преобладать низкие частоты воздействия. Та же опасность возникнет и при просто широком спектре частот воздействия, когда вначале здание отзовется резонансом на высокие частоты спектра воздействия, разрушая выключающиеся связи, а без связей мгновенно отзовется резонансом на низкие частоты спектра сейсмического воздействия и рухнет. Такой период незащищенности здания не позволяет достичь требуемого технического результата, т.к. собственная частота основного тона зданий с первым гибким этажом без выключившихся связей, обычно не меньшая чем 0,5-0,7 герц, остается входящей в диапазон частот многих реально фиксируемых частот землетрясений, начинающийся от нижнего предела 0,25-0,3 герц.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому способу является способ адаптации к разным значениям частот горизонтальных сейсмических нагрузок, реализованный в известном многоэтажном сейсмостойком здании с кинематическими опорами в виде стоек со сферическими торцами и гравитационной силой, возвращающей здание к положению равновесия при горизонтальных колебаниях, который принят за прототип, и состоящий в том, что вначале в положении равновесия фиксируют от взаимных горизонтальных смещений выключающейся связью опорную и фундаментную плиты с опорами между ними, чем повышают собственную частоту основного тона здания. Так при низкочастотном сейсмическом воздействии грунта отстройкой частот в достаточной степени снижают сейсмические нагрузки. А при высокочастотном воздействии разрушаются выключающиеся связи, и частоту основного тона собственных колебаний снижают путем выбора высоты стойки и радиуса сферических торцов по соответствующему расчету, используя возможность снижения вплоть до 0,2-0,5 герц и менее, чем также, за счет отстройки еще большей, чем в случае зданий с первым гибким этажом, снижают сейсмические нагрузки на здание при колебаниях (см. Авторское свидетельство СССР № 554388, М. Кл² Е04Н 9/02, опубл. 15.04.1977 г.).

Недостатком такого способа, как и в случае рассмотренного выше для зданий с первым гибким этажом и выключающимися связями, является тот же промежуток незащищенности от низкочастотного спектра сейсмического воздействия в период при выключившихся связях. Хотя в данном способе с увеличением податливости опор возможно снижение частот собственных колебаний в область много меньших, чем нижние частоты диапазонов спектров типичных сейсмических нагрузок, что может создать и без выключающихся связей во всех случаях достаточную отстройку и снижение сейсмических нагрузок здания, однако, при снижении за счет возрастания податливости опор сейсмической нагрузки до значений, соизмеримых со значением ветровой нагрузки, возникнут нежелательные значительные смещения зданий и сооружений от ветровой нагрузки, особенно в случаях существенного превышения ветровой нагрузки над сейсмической, в т.ч. за счет возрастания динамических инерционных сил от пульсации скоростного напора ветра. Ограничить упомянутые смещения можно лишь снижением податливости опор, а значит, вынужденным отказом от снижения сейсмической нагрузки, или их фиксацией, приводящей к возрастанию сейсмической нагрузки до значений, намного превышающих ветровую. Это противоречие также является недостатком прототипа, препятствующим использованию упомянутых известных технических решений снижения сейсмической нагрузки за счет увеличения податливости опор, т.к. не позволяет в полной мере воспользоваться увеличением податливости опор для большей степени снижения сейсмической нагрузки, чем в прототипе, и достичь технического результата заявляемого изобретения, которое снимает упомянутое техническое противоречие за счет фиксации горизонтально податливых антисейсмических опор объекта при ветре и выключения фиксации при сейсмике, устраняя недостаток прототипа.

Техническим решением заявляемого изобретения является создание фиксации горизонтально податливых антисейсмических опор надземного объекта при ветре и снятие фиксации при сейсмическом воздействии для большей возможности снижения сейсмической нагрузки.

Технической результат достигается тем, что в принятом за прототип способе адаптации к разным значениям частот горизонтальных сейсмических нагрузок, состоящем в том, что вначале для восприятия возможных низкочастотных сейсмических нагрузок в положении равновесия фиксируют от взаимных горизонтальных смещений выключающейся связью опорную и фундаментную плиты, а для восприятия воздействия высокочастотных сейсмических нагрузок освобождают их от фиксации путем разрушения выключающихся связей этим воздействием, согласно заявляемому изобретению полностью исключают фиксацию при действии сейсмической нагрузки и низкой, и высокой частоты и осуществляют достаточную степень отстройки основного тона собственных частот здания в область низких частот от спектра частот сейсмического воздействия за счет имеющейся у прототипа возможности понижать частоту основного тона выбором по соответствующему расчету с учетом высоты стойки и радиусов сферических поверхностей качения, чем понижают частоту основного тона настолько ниже частот спектра воздействия, насколько необходимо для заданной степени снижения сейсмической нагрузки на здание. Во время отсутствия сейсмического воздействия для восприятия ветровых нагрузок включают фиксацию, выполняют ее вместо одноразовых выключающихся связей прототипа, например, горизонтальным фрикционным тормозом с электроприводом, который всегда включают при превышении ветровой нагрузкой порогового значения ветровой нагрузки, допустимого при отсутствии фиксации, путем замыкания контактов включения под действием датчика пороговой силы ветра. Этим исключают при выключенной фиксации действие максимальной ветровой нагрузки, которая может существенно превышать сниженное горизонтальной податливостью опор значение сейсмической нагрузки. Упомянутую фиксацию выполняют автоматически включаемым и выключаемым контактами управления фиксирующим устройством с электроприводом, например фрикционным тормозом, с горизонтальной силой торможения, которой обеспечивают неподвижность податливых опор при ветре, которое исполняют, в первом варианте, нормально включенным и выключаемым по размыканию добавленных в последовательную цепь его электропитания нормально замкнутых контактов инерционного сейсмодатчика, выполняемому им при превышении сейсмической нагрузкой здания или сооружения порогового значения ветровой нагрузки, допустимого при отсутствии фиксации, или, во втором варианте, его исполняют нормально выключенным и включаемым на время наличия замыкания дополнительно добавленных в последовательную цепь его электропитания нормально разомкнутых контактов датчика ветра, замыкаемых превышением ветровой нагрузкой упомянутого порогового значения, и независимо от состояния датчика ветра выключаемым, как и в первом варианте, упомянутым размыканием контактов сейсмодатчика, имеющим тем самым приоритет над включающим сигналом упомянутого датчика ветра, причем повторное включение фиксации после ее выключения размыканием контактов сейсмодатчика осуществляют после прекращения размыкания контактов сейсмодатчика по прошествии интервала времени задержки, достаточного для надежного затухания возможных остаточных колебаний после сейсмического воздействия. При этом вероятность того, что за время интервала задержки может развиться ветровая нагрузка, превышающая упомянутое пороговое значение и сейсмическую нагрузку, исчезающе мала, она на несколько порядков меньше вероятности одновременного действия сейсмической и ветровой нагрузки, которая нормами проектирования принята равной нулю для большинства видов объектов массовой застройки, и лишь для некоторых, таких как объекты атомной энергетики, принимается вместе с сейсмикой частичное действие ветра.

Изложенная сущность способа поясняется чертежом, на котором показана сейсмоизоляция с кинематическим фундаментом с горизонтально податливыми опорами в виде тел качения, которые выполняют как стойки со сферическими торцами, выбранные как один из многих применимых при данном способе вариантов кинематических опор по сути действия совпадающих со стойками при сферических торцах способа прототипа, который имеет устойчивое положение равновесия тел качения и практически линейно зависимую от горизонтальных отклонений возвращающую к положению равновесия силу.

Пример конкретной реализации способа.

Фундамент, содержащий фундаментную плиту на грунте 1, опорную плиту 2 над ней с сейсмоизолируемым объектом 3, податливые опоры в виде тел качения в форме стоек со сферическими торцами 4 для горизонтальной подвижности опорной плиты относительно фундаментной плиты и фиксирующее устройство, которое исполняют, например, в виде автоматически включаемого и выключаемого управляющими контактами электропривода горизонтального фрикционного тормоза 5.

Для достижения решения задачи изобретения, в первом варианте, фиксирующее устройство действует, застопоривая опорную плиту 2, как нормально включенное и выключаемое по размыканию нормально замкнутых контактов инерционного сейсмодатчика, выполняемому им при превышении сейсмической инерционной нагрузкой здания или сооружения порогового значения ветровой нагрузки, допустимого при отсутствии фиксации горизонтальных смещений опор и опорной плиты на них. Во втором варианте, его выполняют как нормально выключенное и включаемое на время наличия замыкания нормально разомкнутых контактов датчика превышения нагрузкой ветра упомянутого порогового значения и независимо от состояния контактов датчика ветра выключаемое по упомянутому действию размыкания контактов сейсмодатчика, имеющему за счет этого приоритет над включающим действием названного датчика ветра, причем повторное включение фиксации после ее выключения действием сейсмодатчика осуществляют после прекращения размыкания нормально замкнутых контактов сейсмодатчика по прошествии интервала времени задержки, достаточного для надежного затухания возможных остаточных колебаний после сейсмического воздействия.

Возможность осуществления технического результата заявляемого изобретения очевидна, т.к. имеется множество конструкций автоматически включаемых и выключаемых управляющими контактами электропривода фиксирующих устройств, например фрикционных тормозов с электромеханическим, гидравлическим и другим принципом действия и датчиков силы ветра, управляющих контактами по контрольным перемещениям при ветре, взятым из соответственно подсчитанных из порогового значения ветра и жесткостной характеристики горизонтальной податливости опор, а также имеется достаточное множество инерционных сейсмических датчиков ускорения грунта, при контрольном значении которого может достигаться пороговое значение горизонтальной нагрузки, найденной по ускорению и массе инерционной силы здания, с выдачей об этом сигнала в виде размыкания контактов, используемого для управления выключением фиксации. Кроме того, нужное устройство задержки включения на период упомянутого затухания колебаний может быть постоянно включенным в последовательную цепь питания электропривода включения фиксации как при первичном включении в действие цепи питания электропривода, осуществляя задержку подачи напряжения на электропривод, так и при включениях после размыкания на время сейсмического воздействия, осуществляемого действием контактов сейсмодатчика. А составление одной последовательной цепи питания электропривода фиксирующего устройства, включающей всего четыре элемента, а именно: самого электропривода, устройства временной задержки его включения, нормально разомкнутых контактов датчика ветра и нормально замкнутых контактов сейсмодатчика, не выходит за рамки элементарной задачи обычного проектирования систем автоматики электропривода.

Технико-экономическая эффективность изобретения определяется увеличением возможности снижения сейсмической нагрузки из-за допустимости большей податливости опор при сейсмическом воздействии, чего нельзя было бы применить во многих случаях по причине недопустимо большой податливости при ветре, которую заявляемое изобретение исключает фиксацией горизонтальной податливости опор объектов при действии ветра, меняя статическую схему опор здания при ветре на более жесткую, а при сейсмическом воздействии на более податливую.