сейсмостойкая опора здания

Формула изобретения

1. Сейсмостойкая опора здания, содержащая сваю, опорные звенья и подвижные звенья, демпфирующие элементы, фиксирующие элементы, отличающаяся тем, что свая выполнена фасонной, телескопической и полой внутри, звенья и демпфирующие элементы, расположенные внутри сваи, могут перемещаться относительно друг друга и относительно корпуса сваи в вертикальной и горизонтальной плоскостях при неизменном вертикальном и горизонтальном положении центрального опорного звена - плунжера, жестко связанного с фундаментом здания, опирающегося на сейсмостойкие опоры, расположенные по периметру фундамента и под днищем фундамента здания, в фасонной телескопической свае с торцевой ее части выполнено два цилиндрических гнезда разного диаметра и разной глубины, на дне верхнего гнезда установлено полимерное антифрикционное покрытие кольцевой формы в плане, поверх которого установлен комплект горизонтально демпфирующих элементов, выполненных из спрессованных проволочных спиралей, плотно прижатых друг к другу в окружном, радиальном и вертикальном направлении наружная кромка которых выполнена по окружности, диаметр которой равен диаметру верхнего гнезда, и внутренняя кромка которых также выполнена по окружности, внутри этого комплекта горизонтально демпфирующих элементов установлен с натягом опорный подвижный стакан, опирающийся на полимерное антифрикционное покрытие, в днище опорного стакана выполнено сквозное цилиндрическое отверстие, внутри опорного стакана установлен комплект вертикально демпфирующих элементов, выполненных из спрессованных проволочных спиралей, плотно прижатых друг к другу в окружном, радиальном и вертикальном направлениях и плотно прижатых к дну опорного стакана, наружная кромка которых выполнена по окружности, диаметр которой равен внутреннему диаметру стакана, а внутренняя кромка которых выполнена по окружности, внутри этого комплекта установлен с натягом опорный плунжер, жестко связанный с фундаментом здания, в верхней торцевой части опорного плунжера выполнено глухое гнездо, в котором установлена шайба, жестко связанная с опорными элементами фундамента здания, на верхней торцевой части опорного стакана установлен герметично уплотнительный стакан с уплотнениями, образующий полость между поверхностями опорного плунжера и вертикально демпфирующими элементами, а на торцевой поверхности телескопической сваи установлена ограничительная кольцевая шайба и на наружной цилиндрической поверхности телескопической сваи установлены с равным шагом по окружности жестко с ней фиксирующие ребра швеллерообразной формы.

2. Сейсмостойкая опора здания по п.1, отличающаяся тем, что половина разности диаметра большого гнезда, выполненного в свае, и наружного диаметра опорного стакана больше длины волны деформации почвы в горизонтальной плоскости при землетрясении 9 баллов.

3. Сейсмостойкая опора здания по п.1, отличающаяся тем, что половина разности диаметра внутренней поверхности чаши опорного стакана и малого диаметра опорного плунжера больше длины волны деформации почвы в горизонтальном направлении при землетрясении 9 баллов.

4. Сейсмостойкая опора здания по п.1, отличающаяся тем, что высота комплекта горизонтально демпфирующих элементов равна высоте опорного стакана.

5. Сейсмостойкая опора здания по п.1, отличающаяся тем, что высота глубины чаши, выполненной в опорном стакане, и высота комплекта вертикально демпфирующих элементов, установленных в этой чаше, одинаковы и больше амплитуды волны деформации почвы в вертикальной плоскости при землетрясении 9 баллов.

6. Сейсмостойкая опора здания по п.1, отличающаяся тем, что горизонтально и вертикально демпфирующие элементы выполнены в форме трапеции в плане.

7. Сейсмостойкая опора здания по п.1, отличающаяся тем, что демпфирующие элементы выполнены фасонными, профили которых имеют лунообразную и Х-образную форму и образуют на их стыках друг с другом полости чечевицеобразной формы.

8. Сейсмостойкая опора здания по п.1, отличающаяся тем, что полости, в которых установлены горизонтально и вертикально демпфирующие элементы, и поры между спрессованными проволочными спиралями заполнены незамерзающей негорючей жидкостью.

9. Сейсмостойкая опора здания по п.1, отличающаяся тем, что полость между уплотнительным стаканом и центрально расположенным опорным плунжером заполнена незамерзающей негорючей жидкостью на высоту, меньшую глубины уплотнительного стакана, а свободное пространство над жидкостью заполнено воздухом при давлении, большем атмосферного.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства, а именно к основным элементам здания, которые обеспечивают сейсмостойкость самого здания при любой величине амплитуды и направления колебаний с учетом статических значений колебаний для данной местности.

Возможно получение значительного запаса по прочности для универсальности опоры.

Кроме предохранения здания от колебаний опора позволяет сохранить здание и при наводнении, и при разливе рек, причем эти стихийные бедствия часто совпадают и углубляются при намокании фундамента, что приводит к потери прочностных характеристик.

Известна опора сейсмостойкой конструкции здания, содержащая стойку, закрепленную на фундаменте с чашей в своей верхней части, и стакан внутри с жидкостью между ними и расстоянием между чашей и стаканом, соответствующим максимальной амплитуде возможных колебаний, причем стакан соединен арматурой с опорой нижней плитой блока здания, которая размещена с зазором более амплитуды колебаний и возможного подтопления, отличающаяся тем, что внутри чаши со стаканом размещены пары чаша-стакан с жидкостью между ними и воздушным зазором между парами с обеспечением подвижного соединения и переливными уровнями с повышением к центру опоры, которые соединены гибкими трубками со сливной магистралью, причем все чаши соединены с нижней опорной плитой через арматуру, а стакан - с блоком здания. Патент на изобретении RU 2143031 С1.

К недостаткам устройства относятся:

1. Одноразовое срабатывание демпфирования перемещения стойки 1 в вертикальном направлении за счет перетекания жидкости 5 из полостей между чашей 3 и стаканом 4. В этом случае при первом толчке почвы стойка 1 переместится вмести с фундаментов вверх, жидкость, расположенная между стаканами, вытеснится из полости и сольется в магистраль через гибкий трубопровод 6 и произойдет демпфирование первого толчка (перемещения) фундамента. При этом стакан 4 жестко упрется в чашу 3 и практически будет жестко связан со стойкой 1. При повторении толчков почвы и фундамента 2 вся арматура 8 будет следовать за перемещением фундамента 2 и стойки 1, жестко связанной с ним. Следовательно, вся динамическая нагрузка передается без демпфирования самому зданию, опирающемуся на арматуру 8, и приведет к повреждению здания.

2. Аналогичный эффект проявляется и в горизонтальном направлении, поскольку жидкость после первого толчка будет вытеснена из зазоров между стаканом 5 и чашей 3. Отсутствие восполнения жидкости в указанные зазоры практически невозможно, что является существенным недостатком рассмотренной конструкции.

Известен сейсмостойкий свайный фундамент, состоящий из располагающихся рядом свай с оголовками, промежуточной подушкой из гранулированных материалов и монолитного ростверка.

Подошва монолитного железобетонного ростверка расположена на отметке спланированной поверхности грунта, его верх совмещен с отметкой подошвы пола здания, между подошвой ростверка и промежуточной подушкой из гранулированных материалов располагают скользящий слой. С внутренней стороны здания боковую и верхнюю горизонтальную поверхность ростверка отделяют от окружающей среды слоем легкого бетона. Ширину ростверка принимают такой, чтобы от наружных граней оголовков крайних рядов свай до наружных граней ростверка в каждую сторону расстояние было равным величине остаточного смещения от землетрясения U₀(l) мм, которое определяют из зависимости lg U₀=4,6+0,781, где балльность землетрясения, причем количество рядов свай в ленточном фундаменте не менее двух, а в отдельно стоящем фундаменте под колонну количество свай не менее четырех. Технический результат состоит в уменьшении горизонтальных сейсмических воздействий на надземную часть здания.

Патент на изобретение RU 2334843 С2

К недостаткам изобретения относится:

1. Весьма низкое демпфирование промежуточной подушки 4 из гранулированных материалов (щебня, песчано-гравийной смеси, песков гравелистого, крупного или средней крупности), уплотненных тонкими слоями до максимальной плотности.

Уплотненные до максимальной плотности (щебень, песчано-гравийная смесь, песок гравелистый крупный или средней крупности) становится практически жестким монолитным материалом, не обладающим демпфирующими свойствами.

В результате все перемещение свай 1 вместе с почвой передается при возникающих толчках почвы от землетрясения через скользящий слой 5 непосредственно на железобетонный ростверк 3 и на стены 8 надземной части здания, которые будут повреждаться при всех толчках почвы.

Слой легкого теплого бетона 9 при этом также не обладает демпфирующими свойствами и будет разрушаться вместе со зданием, опирающимся на подушку 4 и сваи 1.

При вертикальных перемещениях свай 1 подушки 4, промежуточный скользящий слой 5, не обладающий демпфирующими свойствами, также не защитит здание от воздействия земляных толчков и от повреждения.

2. Кроме того, наличие скользящего промежуточного слоя 5 без каких-либо ограничений в горизонтальной плоскости приводит к неустойчивости здания при действии на него буревых ветровых нагрузок, при которых здание может просто «съехать» с такого фундамента. Указанное обстоятельство также является существенным недостатком рассмотренной конструкции.

Поставлена задача - повысить эффективность устройства путем увеличения его демпфирующих свойств в вертикальной и горизонтальной плоскости, а так же грузоподъемности, прочности, долговечности и способности осуществлять без разрушения многоразовое демпфирование при многократных повторяющихся вертикальных и горизонтальных перемещениях почвы.

Поставленная задача решается:

1. За счет того что сейсмостойкая опора здания выполнена фасонной, телескопической, цилиндрической и многозвенной, звенья которой могут перемещаться относительно друг друга в вертикальной и горизонтальной плоскостях, при неизменном горизонтальном и вертикальном положении центрального опорного звена - плунжера, жестко связанного с фундаментом здания, в фасонной телескопической свае с торцевой ее части выполнено два цилиндрических гнезда разного диаметра D₁ - верхнее гнездо и D₂ - нижнее гнездо и разной глубины L ₁ и L₂, на дне верхней чаши установлено полимерное антифрикционное покрытие, поверх которого установлен комплект горизонтально демпфирующих элементов, выполненных из спрессованных проволочных спиралей, внутри этого комплекта установлен опорный стакан цилиндрической формы, образующий открытую со всех сторон опорную чашу с двумя различными диаметрами, внутри опорного стакана установлен комплект вертикально демпфирующих элементов, выполненных из спрессованных проволочных спиралей, а сам стакан на полимерное антифрикционное покрытие, расположенное на торце цилиндрической чаши, выполненной в телескопической свае, внутри комплекта с вертикально демпфирующими элементами установлен с натягом опорный плунжер фасонной цилиндрической формы, жестко связанный с опорными элементами фундамента здания, в верхней торцевой части опорного плунжера выполнено глухое гнездо, в котором установлена шайба, жестко связанная с опорными элементами фундамента здания, на верхней торцевой части опорного стакана установлен герметично уплотнительный стакан с уплотнениями, образующий полость между поверхностями опорного плунжера и вертикально демпфирующими элементами, а на торцевой поверхности телескопической сваи установлена ограничительная кольцевая шайба и на наружной цилиндрической поверхности телескопической сваи установлены с равным шагом жестко связанные с ней фиксирующие ребра швеллерообразной формы.

2. Сейсмостойкая опора зданий по п.1, отличающаяся тем, что половина разности диаметра большего гнезда, выполненного в свае, и наружного диаметра опорного стакана больше длины волны деформации почвы в горизонтальной плоскости при землетрясении 9 баллов.

3. Сейсмостойкая опора здания по п.1, отличающаяся тем, что половина разности диаметра внутренней поверхности чаши опорного стакана и малого диаметра опорного плунжера больше длины волны деформации почвы в горизонтальном направлении при землетрясении 9 баллов.

4. Сейсмостойкая опора зданий по п.1, отличающаяся тем, что радиус отверстия в дне опорного стакана больше половины длины волны деформации почвы в горизонтальном направлении при землетрясении в 9 баллов.

5. Сейсмостойкая опора зданий по п.1, отличающаяся тем, что высота комплекта горизонтально демпфирующих элементов равна высоте внутреннего опорного стакана.

6. Сейсмостойкая опора зданий по п.1, отличающаяся тем, что высота глубины чаши, выполненной в опорном стакане, и высота комплекта вертикально демпфирующих элементов одинаковы и больше амплитуды длины волны деформации почвы в вертикальной плоскости при землетрясении 9 баллов.

7. Сейсмостойкая опора зданий по п.1, отличающаяся тем, что вибродемпфирующие элементы, гасящие элементы почвы в вертикальной и горизонтальной плоскости, выполнены в форме трапеций в плане.

8. Сейсмостойкая опора зданий по п.1, отличающаяся тем, что вибродемпфирующие элементы имеют в вертикальной плоскости лунообразную и Х-образную форму и образуют на их стыках друг с другом полость чечевицеобразной формы.

9. Сейсмостойкая опора зданий по п.1, отличающаяся тем, что полости, в которых расположены вибродемпфирующие элементы, заполнены негорючей незамерзающей жидкостью.

10. Сейсмостойкая опора зданий по п.1, отличающаяся тем, что полость между уплотнительным стаканом и центрально расположенным опорным плунжером заполнена негорючей незамерзающей жидкостью на высоту, меньшую глубины уплотнительного стакана, а свободное пространство над жидкостью заполнено воздухом при давлении, большем атмосферного.

Сущность изобретения подтверждается чертежом, где изображен общий вид сейсмостойкой опоры в вертикальном радиальном сечении.

Сейсмостойкая опора содержит центральный опорный плунжер 1, жестко связанный, опорными элементами 2, 3 и 4 фундамента здания и установленный внутри пакета вертикально демпфирующих элементов 5, расположенных в опорном стакане 6, установленном внутри горизонтально демпфирующих элементов 7, расположенных в чаше, выполненной в телескопической свае 8, и опирающемся торцем на полимерное антифрикционное покрытие 9, расположенное на дне чаши, выполненной в телескопической чаше 8, и комплект горизонтально демпфирующих элементов 7 также опирается на полимерное антифрикционное покрытие 9.

В верхней торцевой части плунжера 1 выполнено гнездо, в котором установлена шайба 10, жестко связанная с опорным элементом 2 фундамента здания. Опорные элементы 2 и 4 фундамента здания соединены жестко с помощью высокопрочного полимерного клея 3 и с помощью сварки по их торцам. На верхней торцевой части опорного стакана 6 установлен герметично уплотнительный стакан 11 с уплотнениями 1, выполненными из высокопрочного упругого полимерного материала. На торцевой поверхности телескопической сваи 8 установлена ограничительная шайба 13.

На наружной цилиндрической поверхности телескопической сваи 8 установлены с равным шагом по окружности жестко связанные с ней фиксирующие ребра 14 швеллернообразной формы, а полости, где расположены горизонтально и вертикально демпфирующие элементы 5 и 7 и часть полости уплотнительного стакана 11, заполнены негорючей незамерзающей жидкостью 15, и телескопическая свая 8 запрессована в грунт 16 с большим натягом.

Сейсмостойкая опора зданий работает следующим образом:

В том случае, когда центр землетрясения находится за пределами сейсмостойкой опоры, волна почвы набегает на телескопические сваи 8 и смещает корпус сваи 8 в горизонтальном направлении. При этом вступают в работу горизонтально демпфирующие элементы 7, гасящие перемещение корпуса сваи 8 в направлении опорного стакана 6, который также может перемещаться в горизонтальной плоскости относительно опорного плунжера 1, жестко связанного с фундаментным элементом 2 здания. При этом горизонтальный удар волны землетрясения также будет дополнительно погашен за счет упругой деформации в радиальном направлении вертикальных демпфирующих элементов 5. При деформации упругих элементов 5 и 7 жидкость 15, находящаяся в порох спрессованных проволочных спиралей и в полостях между демпфирующими элементами 5 и 7, будет вытесняться вверх и заполнять полость уплотнительного стакана 11, создавая в нем избыточное давление воздуха. Энергия для прокачки жидкости через поры демпфирующих элементов весьма высока, благодаря чему создается дополнительное гидродемпфирование, гасящее силу удара волны землетрясения в направлении опорного плунжера 1. При дальнейшем движении волны грунт начнет подъем вверх в вертикальном направлении и начнет перемещать корпус телескопической сваи 8 вверх вместе с опирающимся на нее опорным станом 6. При этом вступают в работу вертикально демпфирующие элементы 5. Диссипация энергии при их упругой деформации весьма высока, кроме того, энергия на прокачку жидкости через поры спрессованных проволочных спиралей и энергия сжатия воздуха в уплотнительном стакане 11 также весьма высока, благодаря чему сила удара волны землетрясения в вертикальном направлении снижается в десятки и сотни раз, что исключает повреждения зданий, установленных на предлагаемых сейсмостойких опорах.

При сбегании волны землетрясения сжатый воздух в уплотнительном стакане 11 вытесняет жидкость обратно в поры спрессованных проволочных спиралей, а упруго демпфирующие элементы 5 и 7 выпрямляются, принимая свою первоначальную форму, скользя по поверхности опорного плунжера 1 и не приводя его и фундамент здания к вертикальному перемещению.

При повторных толчках землетрясения картина работы сейсмостойких опор аналогичным образом повторяется.

Таким образом, предлагаемая сейсмостойкая опора зданий по сравнению с прототипом позволяет повысить эффективность устройства путем увеличения его демпфирующих свойств в вертикальной и горизонтальной плоскости, а также грузоподъемности, прочности, долговечности и способности осуществлять без разрушения многоразовое демпфирование при многократных повторяющихся вертикальных и горизонтальных перемещениях почвы.