Плоскостной подшипник качения и способ его применения в сейсмических фундаментах для защиты зданий и сооружений от горизонтальных колебаний земной коры при землетрясениях

Плоскостной подшипник качения и способ его применения в сейсмических фундаментах для защиты зданий и сооружений от горизонтальных колебаний земной коры при землетрясениях

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к строительству зданий и сооружений в сейсмически опасных районах, а именно к устройствам и способам применения этих устройств, для снижения воздействия горизонтальных колебаний земной коры на здания и сооружения при землетрясениях

Изобретение соответствует требованию единства, так как представлено устройство конструкции автора и способ эффективного использования данной конструкции для достижения желаемого результата.

Плоскостной подшипник качения показан на Фиг. 2 и представляет собой расположенные одна над другой строго горизонтально три стальные плиты (квадратные в плане стальные листы с высокими плоскостными свойствами из низкоуглеродистой термически не обработанной стали толщиной не менее 15 мм), между которыми в каретке 13, изготовленной из полиэтилена низкого давления (ПНД), один за другим, с шагом до 10 мм, укладываются элементы качения 12 - стальные стержни из высокопрочной круглой стальной проволоки диаметром до 5 мм, причем между первым 8 и вторым 9 листами стержни укладываются в одном направлении, а между вторым 9 и третьим 10 листами в перпендикулярном направлении по отношению к первым. Такое перекрестное расположение элементов качения обеспечивает вынужденное горизонтальное смещение здания по отношению к земной коре в любом направлении, в то время как элементы качения остаются ориентированными по основным осям здания. Для проверки данного утверждения положите на стол два круглых карандаша параллельно друг другу на расстоянии 15 см друг от друга, сверху положите книгу, на книгу положите также два карандаша строго перпендикулярно по отношению к нижним карандашам и сверху положите еще одну книгу, которая является верхней плитой подшипника. Верхняя книга под вашим воздействием может передвигаться в горизонтальной плоскости в любом направлении, в то время, как карандаши остаются ориентированными в первоначальном направлении. Нижний лист 8 подшипника в плане должен быть на 500-600 мм больше двух верхних листов, то есть должен обеспечить компенсацию колебаний земной коры с амплитудой 500-600 мм. Элементы качения 12 - круглые стержни диаметром до 5 мм, в силу своего незначительного веса, являются, практически, безынерционными по отношению к массиву здания. Пространство между листами подшипника - зона укладки элементов качения - заполняется долговечной смазкой, предотвращающей коррозию металлов и обеспечивающей постоянную готовность подшипника к динамическим нагрузкам. Для обеспечения надежного сцепления с бетоном верхний и нижний листы подшипника имеют стальные выпуски 14.

На Фиг. 1 показано как подшипник собирается (монтируется) в процессе строительства. Вначале нижний лист подшипника 4 укладывается в свежеуложенный бетон нижней части фундамента 1 и является «столом», по которому перемещается верхняя часть фундамента 2, затем полностью собирается подшипник качения 4 и бетон верхней части фундамента 2 укладывается на верхний лист подшипника 4. Опорная часть фундамента («стол») выполняется уступами, которые обеспечивают относительную фиксацию здания 3 в границах фундамента в пределах заданной амплитуды колебаний 500-600 мм, для чего уступы повышаются от центра здания к его краям, с разницей в отметках не менее 200 мм, на каждом уступе устанавливается по одному подшипнику. Размеры подшипников в плане могут колебаться от 3,0-4,0 метров до 1,0 метра в зависимости от размеров здания, этажности и его общего веса. В уступах образуются ниши 5 и 6 для установки пластичных демпферов 7 из деформируемых материалов, а также для установки домкратов при ремонте универсальных подшипников после стихийного бедствия.

Известен способ снижения горизонтальных инерционных нагрузок для сейсмоизолирующего кинематического фундамента со сферическими поверхностями опорных тел качения, который в силу своей несостоятельности не нашел применения в практическом строительстве. Недостаток его в том, что отсутствует собственное своевременное возвращение здания к начальному положению после землетрясения, в дороговизне сферических тел, а также в том, что сферические тела качения не обеспечивают относительную фиксацию здания на фундаменте («на столе») в его основных осях и не могут предотвратить вращение здания, что, в конечном счете, может привести к «срыву» здания с фундаментов.

Известен также способ снижения горизонтальных сейсмических нагрузок для кинематического фундамента с опорными телами качения в виде стоек со сферическими торцами, в котором обеспечивается при сейсмическом воздействии взаимное горизонтальное смещение опорной и фундаментной плит и возвращение к начальному положению равновесия силой взаимной реакции между опорной и фундаментной плитами, пропорциональной отклонению, возникающей подобно реакции от действия жесткости эквивалентной упругой связи. Реакция, возникающая за счет обусловленного эксцентричностью поверхностей качения торцов стоек поднятия центра тяжести объекта при его горизонтальном отклонении, имеет фиксированное значение коэффициента пропорциональности, аналогичного коэффициенту жесткости эквивалентной упругой связи. (См. авторское свидетельство СССР №554388, МПК8 Е04Н 9/02, опубликовано 15.04.1977).

Недостатком данного аналога является то, что коэффициент жесткости определен фиксированным значением радиуса сферических торцов, что ограничивает свободу выбора частоты основного тона собственных колебаний, оставляя его в области возможных низких частот колебания при землетрясениях. Главным недостатком данного способа является ограничение амплитуды колебаний при землетрясениях в минимальных значениях и невозможность изготовления такого фундамента в построечных условиях.

Известен также способ применения упругой связи для собственного возвращения здания в первоначальное положение, когда между опорной и фундаментной плитами размещаются шаровые тела качения. (См. авторское свидетельство RU 2342493 С2, МПК E02D 27|34, 2006.01).

Недостатком данного аналога является то, что не представлено само устройство - упругая связь, ее природа, способ ее изготовления и способ ее практического применения. Очевидно, что в данном случае ни в коем случае нельзя применять упругую связь (пружину), так как необходимо гасить колебания, а не усугублять их новыми упругими реактивными динамическими воздействиями. Применение шаровых тел качения, предположительно шариков для подшипников, значительно удорожает стоимость строительства, а также при возникновении сейсмических воздействий может привести к вращательному смещению здания относительно своих привязочных осей.

Задачей заявляемого изобретения является обеспечение устойчивости зданий в сейсмически опасных районах путем выполнения антисейсмических фундаментов в обычных построечных условиях с применением традиционных строительных материалов.

Решение технической задачи достигается путем реализации комплекса мероприятий в построечных условиях для достижения сейсмической устойчивости зданий, а именно:

а) разделение инерционных масс, то есть массив здания отделяется от «стола» - от поверхности земной коры - специальными устройствами - предлагаемыми плоскостными подшипниками качения, расположенными на уступах опорной части фундамента.

б) установка на каждом уступе демпферов (амортизаторов-гасителей) между опорной и подвижной частями фундаментов из деформируемых материалов, обеспечивающих поглощение ударных воздействий инерционных горизонтальных нагрузок и относительную фиксацию здания в границах фундаментов при возникновении запредельных значений амплитуды колебаний; в) обеспечение поглощения динамической энергии горизонтальных колебаний земной коры материалом обратной засыпки фундаментов.

При сейсмическом воздействии на здания в конкретном населенном пункте, при возникновении горизонтальных колебаний земной коры, опорная часть фундамента 1 - «стол» - совместно с земной поверхностью приходит в движение, а здание остается в относительно неподвижном состоянии, причем при значительных, запредельных значениях амплитуды колебаний в работу подключаются демпферы (амортизаторы-гасители) искусственные, расположенные в уступах фундаментов и изготовленные из материалов, обладающих высокой деформативностью, а также демпферы естественные - мягкие грунты и материалы в конструкции обратной засыпки верхней подвижной части фундаментов.

На Фиг. 1 изображен поперечный разрез фундамента здания, где на грунтовом основании в земной коре устраивается нижняя часть фундамента 1, в котором в свежеуложенный бетон укладывается нижний стальной лист подшипника 4, затем, после отвердения бетона, производится сборка подшипника с укладкой элементов качения, и на подшипник укладывается бетон верхней части фундамента 2, причем свободными оставляются ниши 5 и 6 по 250-300 мм в плане, обеспечивающие амплитуду колебаний земной коры до 600 мм (при необходимости можно увеличить), в ниши 5 и 6 устанавливаются заменяемые демпферы 7 из деформируемого материала, а также устанавливаются домкраты при ремонте подшипников и распорные устройства для «возвращения» здания 3 в исходное положение после стихийного бедствия. После завершения работ по сооружению фундамента производится обратная засыпка пазух фундаментов материалом, обладающим теплоизолирующими свойствами, а также мягко поглощающим горизонтальные колебания верхней части фундамента.

Аналоги предлагаемого изобретения не нашли применения в строительной практике в силу своей иллюзорности, поскольку идеи поставить здание на шарики витают в мире на протяжении сотен лет, но они не подкреплены техническими решениями.

Использование предлагаемого изобретения позволит незамедлительно в обычных построечных условиях начать строительство сейсмически устойчивых зданий.

Обеспечиваются две главные задачи сейсмического строительства:

1) спасение людей (человеческих жизней) при внезапном сейсмическом воздействии - при землетрясениях, которые, к сожалению, невозможно предсказать;

2) сохранение зданий для дальнейшего использования их по назначению после ликвидации последствий стихийного бедствия.

Незначительное удорожание при сооружении антисейсмических фундаментов позволит исключить разрушение зданий и сооружений при землетрясениях до 9 баллов включительно и использовать их по прямому назначению после ликвидации последствий стихийного бедствия, сохранить жизни людей и в целом снизить затраты на сейсмическое строительство. Главным техническим условием проектирования и строительства надземной части здания для его значительной сейсмической устойчивости наряду с жесткими наружными стенами является наличие достаточного количества ребер жесткости во внутренних стенах, обеспечивающих общую жесткость здания.

1. Плоскостной подшипник качения, устанавливаемый в сейсмических фундаментах для защиты зданий и сооружений от горизонтальных колебаний земной коры при землетрясениях, отличающийся тем, что состоит из трех расположенных строго горизонтально, одна над другой, стальных плит (квадратные в плане стальные листы с высокими плоскостными свойствами из низкоуглеродистой термически необработанной стали толщиной не менее 15 мм), между которыми в каретке из полиэтилена низкого давления с шагом 10 мм друг от друга укладываются элементы качения - стальные стержни из круглой стальной низкоуглеродистой термически необработанной проволоки диаметром 5 мм, причем между первым и вторым листами стержни укладываются в одном направлении, а между вторым и третьим листами - в перпендикулярном направлении по отношению к первым.

2. Способ обеспечения пассивной антисейсмической защиты зданий от разрушений при землетрясениях состоит во внедрении плоскостного подшипника качения по п. 1, при этом включает дополнительные технические мероприятия, которые в целом предусматривают: а) разделение инерционных масс, то есть отделение массива здания от «стола» - подвижной опорной части фундамента в земной коре от верхней неподвижной части фундамента, путем установки плоскостных подшипников качения, монтируемых на уступах фундамента, б) применение искусственных демпферов - амортизаторов - на каждом уступе фундаментов, обеспечивающих поглощение ударных воздействий инерционных горизонтальных нагрузок и относительную фиксацию здания в границах фундамента при запредельных значениях амплитуды колебаний, и в) обеспечение поглощения динамической энергии горизонтальных колебаний земной коры материалом обратной засыпки фундаментов, причем работы должны выполняться в следующей последовательности: на свежеуложенный бетон уступа нижней подвижной части фундамента укладывается нижний стальной лист подшипника, затем после отвердения бетона производится сборка подшипника с укладкой элементов качения, после чего на верхний стальной лист подшипника укладывается бетон верхней неподвижной части фундамента, а в нишах уступов фундамента устанавливаются искусственные демпферы - амортизаторы, а после завершения работ по сооружению фундаментов производится обратная засыпка фундаментов материалом, обладающим теплоизолирующими свойствами, а также мягко поглощающим горизонтальные колебания верхней части фундамента.