Сейсмостійкий пальовий фундамент

1. Сейсмостійкий пальовий фундамент, поле паль якого включає палі, що з'єднані з фундаментними плитами, розташованими під несучими колонами будівлі, інші палі, що з'єднані з конструктивними елементами фундаменту, який відрізняється тим, що він додатково містить монолітний ростверк, який з'єднує палі, шов ковзання між монолітним ростверком і фундаментними плитами, при цьому палі, що розташовані під несучими колонами будівлі, з'єднані з монолітним ростверком за допомогою радіальних в'язкопружних U 2 (19) 1 3 42479 4 сипацію) енергії сейсмічних коливань (демпфери або між підошвою споруди і основою, встановлесухого тертя, ковзаючі пояси, в'язкі демпфери, ною на палях, по суті є горизонтальним шаром гістерезисні демпфери). ковзання з вираженими демпфуючими властивосВраховуючи характер рішення, що заявляєтьтями, який забезпечує захист споруди від дії горися, особливий інтерес представляють конструкції зонтальних складових сейсміки. Вертикальні скласейсмостійких пальових фундаментів, в яких реадові сейсмічної дії через палі і основу лізовано гістерезисне поглинання енергії сейсмічпередаються на споруду практично без демпфуних коливань. вання. Гістерезис спостерігається, коли для зміни По патенту Російської Федерації №2334843 стану тіла потрібен певний час і реакція тіла відС2, МПК E02D27/34, дата подачі заявки стає від причин, що її викликають. Виникає неод2005.05.20, відомий сейсмостійкий пальовий фуннозначна залежність величин, що характеризують дамент, що включає палі, виконані з монолітними зовнішню дію і реакцію тіла. Така неоднозначна залізобетонними оголовками. До складу фундамезалежність називається гістерезисною, а саме нту входить монолітний залізобетонний ростверк, явище - гістерезисом. проміжна подушка з гранульованих матеріалів Для механічних систем характерний пружний (щебеня, піщано-гравійної суміші, піску крупного гістерезис, який спостерігається при циклічних або середньої крупності), ущільнених тонкими шанапругах, максимальна амплітуда яких нижче за рами до максимальної щільності, і шар ковзання межу пружності. Пружний гістерезис, тобто гістеміж ростверком і проміжною подушкою. Для зменрезисна залежність деформації від механічної нашення горизонтальних сейсмічних дій, які передапруги, спостерігається в будь-яких реальних матеються на будівлю, підошва ростверку суміщена з ріалах при достатньо великих напругах. Пружний відміткою спланованої поверхні ґрунту, а верх гістерезис виникає всякий раз, коли має місце ростверку співпадає з відміткою підошви підготовпластична (не пружна) деформація. Пластична ки під підлогу першого поверху. Основні несучі деформація обумовлена переміщенням дислокаелементи фундаменту - палі з оголовками - роз'цій, завжди присутніх в реальних матеріалах. єднані з ростверком проміжною подушкою, що Гістерезисна залежність деформації від мехадозволяє їм коливатися і одержувати залишкові нічної напруги супроводиться перетворенням енезміщення разом з навколишнім ґрунтом. На моргії зовнішньої дії в теплову енергію, тобто супромент закінчення зведення фундаменту геометричводиться поглинанням або розсіянням енергії ні осі фундаменту, ростверку і стіни надземної зовнішньої дії. Величина цієї енергії характеризучастини будівлі повинні співпадати. ється петлею гістерезису. Чим ширше петля гістеНа момент закінчення активної фази землерезису (чим більше площа петлі гістерезису), тим трусу палі і проміжна подушка отримають такі ж більше поглинання або розсіяння енергії зовнішзалишкові зміщення, як і навколишній ґрунт. Ексньої дії. центриситет між центрами ростверку, стіни надзеЯвище гістерезисного поглинання енергії шимної частини будівлі і паль може збільшуватися на роко використовується в будівельних конструкціях деяку величину. Для семи-, восьми- і дев'ятибальдля захисту об'єктів від сейсмічних дій, у тому чиних землетрусів ця величина складає, відповідно, слі і в конструкціях сейсмостійких пальових фунблизько 4 мм, 7 мм, 263 мм. З урахуванням цих даментів. зсувів ширину ростверку, яку рекомендується приТак, по заявці Японії №JP3033527, МПК ймати рівною відстані між зовнішніми гранями огоЕ04Н9/02, дата публікації 1991.02.13, відомий паловків крайніх рядів паль, збільшують в кожну стольовий фундамент, в якому демпфування зовнішрону. ніх сил і зниження вібрації споруди забезпечується Загальними ознаками аналога і рішення, що укладанням шару піску під нижньою частиною і заявляється, є: сейсмостійкий пальовий фунданавкруги нижньої частини споруди, або між підошмент, поле паль якого включає палі, що з'єднані з вою споруди і основою, що встановлена на палях, конструктивними елементами основи і демпфуючу і укладанням шару асфальту на поверхню шару подушку з гранульованого матеріалу. піску. Із збільшенням кількості асфальту, область В даному випадку проміжна подушка з гранунапруг зсуву - крива гістерезису - стає ширше, льованих матеріалів, як і в попередньому аналогу, константа демпфування (поглинання енергії) збіпо суті є горизонтальним шаром ковзання з виральшується і істотно підвищуються функції демпженими демпфуючими властивостями, який зафування зовнішніх сил. В той же час, характерисбезпечує захист споруди від дії горизонтальних тики жорсткості залишаються приблизно такими ж, складових сейсміки (дозволяє палям одержувати як і у звичайного піску. Вага шару асфальту рівна залишкові горизонтальні зміщення разом з навко1-7% від ваги шару піску. При цьому функція демлишнім ґрунтом). Вертикальні складові сейсмічної пфування зовнішніх сил підвищується, вібрація дії практично не демпфуються. споруди зменшується. По заявці Японії JP3051429 (А), МПК Загальними ознаками аналога і рішення, що E02D27/34, дата публікації 1991.03.05, відома заявляється, є: сейсмостійкий пальовий фундаконструкція фундаменту із захистом від землетрумент, поле паль якого включає палі, що з'єднані з су, яка включає фундаментні палі, що пронизують конструктивними елементами основи і подушку з ґрунт до несучого масиву безпосередньо під верхматеріалу з вираженими гістерезисними властивоньою конструкцією споруди. Оголовки цих паль стями. розміщені над поверхнею ґрунту і відділяють верУ вказаній конструкції подушка, виконана у вихню конструкцію споруди від ґрунту. Ізолюючі елегляді шару піску під нижньою частиною споруди, менти, виконані у вигляді екрануючих труб, що 5 42479 6 встановлені в ґрунті концентрично на фундаментз'єднані з фундаментними плитами, розташованиних палях. Зазори між палями і ізолюючими елеми під несучими колонами будівлі, інші палі, що ментами заповнені демпфуючим губчастим або з'єднані з конструктивними елементами фундамерезиноподібним полімерним матеріалом. Таким нту. чином палі ізолюються від ґрунту. Сейсмостійкий пальовий фундамент по найЗагальними ознаками аналога і рішення, що ближчому аналогу, як і інші пальові фундаменти, заявляється, є: сейсмостійкий пальовий фундавибрані як аналоги, забезпечує захист споруди в мент, що включає палі, з'єднані з конструктивними основному від горизонтальних сейсмічних дій. Веелементами основи і засоби демпфування сейсміртикальна складова сейсмічної дії, неминуче причних дій. сутня при землетрусі, лише незначно гаситься В такій конструкції горизонтальні (як вказано в еласто-пластичними демпферами горизонтальних рефераті заявки) сейсмічні хвилі поглинаються навантажень, що розташовані між палями і балкадемпфуючим матеріалом, не передаються безпоми основи, і впливають на спорудження у вигляді середньо на палі і далі на верхню конструкцію динамічних вертикальних навантажень, що можуть споруди. Вертикальні складові сейсмічної дії пракпривести до руйнування споруди. тично не демпфуються і передаються через палі В основу корисної моделі поставлена задача на основа споруди. удосконалення сейсмостійкого пальового фундаПо заявці Японії 11303102 (А), МПК менту, в якому за рахунок конструктивних особлиE02D27/34, дата публікації 1999.11.02, відома востей забезпечується підвищення ефективності конструкція будівлі із захистом від вібрацій, яка сейсмічного захисту за рахунок гістерезисного повключає першу групу паль, розташованих безпоглинання енергії вертикальної складової сейсмічсередньо під будівлею, другу групу паль, розташоної дії. ваних в кутках будівлі, третю групу паль, що Поставлена задача вирішується тим, що в сприймають осьові навантаження, які розташовані сейсмостійкому пальовому фундаменті, поле паль зовні другої групи паль. Оголовки паль другої і якого включає палі, що з'єднані з фундаментними третьої групи з'єднані разом фундаментними роплитами, розташованими під несучими колонами стверками. будівлі, інші палі, що з'єднані з конструктивними При дії на будівлю перекидаючого моменту до елементами фундаменту, відповідно до корисної фундаментних ростверків прикладається згинаюмоделі, сейсмостійкий пальовий фундамент додачий момент. Коли на будівлю діє надмірний перетково містить монолітний ростверк, який з'єднує кидаючий момент, фундаментні ростверки піддапалі, шов ковзання між монолітним ростверком і ються пружно-пластичній деформації під дією фундаментними плитами, при цьому палі, що роззгинаючих моментів, в процесі якої відбувається ташовані під несучими колонами будівлі, з'єднані з демпфування за рахунок гістерезисного поглинанмонолітним ростверком за допомогою радіальних ня енергії землетрусу. Сейсмічна дія на будівлю в'язкопружних демпферів, а ґрунт у верхній частизменшується. ні вказаних паль виконаний у вигляді подушок глиЗагальними ознаками аналога і рішення, що биною 0,2-0,5 довжини вказаних паль і діаметром заявляється, є: сейсмостійкий пальовий фунда2,5-5,0 діаметра вказаних паль з матеріалу з вимент, що включає палі, з'єднані з конструктивними раженими гістерезисними властивостями. елементами основи і засоби демпфування сейсміВказані ознаки є істотними ознаками корисної чних дій. моделі. В такій конструкції пружно-пластична дефорДоцільно шов ковзання між монолітним ростмація фундаментних ростверків демпфує перекиверком і фундаментними плитами виконати у видаючий момент, діючий на будівлю. Вертикальні ж гляді шару листового полімерного матеріалу з коскладові сейсмічної дії практично не демпфуються ефіцієнтом тертя ковзання рівним 0,10-0,15, а і передаються через палі на фундамент споруди. радіальні в'язкопружні демпфери виконати у виЯк найближчий аналог вибрано пальовий фугляді втулок з в'язкопружного матеріалу, встановндамент по заявці Японії №JP9071952, МПК лених в радіальних зазорах між палями, розташоE02D27/12; E02D27/34, дата публікації 1997.03.18, ваними під несучими колонами будівлі, і що містить несучі фундаментні палі, з'єднані з фумонолітним ростверком. ндаментними плитами, розташованими під несуЯк матеріал з вираженими гістерезисними чими колонами будівлі. Несучі палі перетинають властивостями можливо використовувати щебінь ґрунт, у тому числі його нижні шари, і своїми пеабо піщано-гравійну суміш, або пісок крупний або редніми кінцями зафіксовані в несучому порідному середньої крупності, або інший матеріал з виражемасиві. Інші палі, що чинять опір горизонтальним ними гістерезисними властивостями. навантаженням, розміщені в ґрунті під балками Істотні ознаки корисної моделі знаходяться в основи в центральних частинах балок. Між оголовпричинно-наслідковому зв'язку з технічним резульками цих паль і балками основа встановлені еластатом, що досягається. то-пластичні демпфери для створення опору гориТак, відмітні ознаки корисної моделі (сейсмозонтальним навантаженням. Еласто-пластичні стійкий пальовий фундамент додатково містить демпфери мають виражені гістерезисні характеримонолітний ростверк, який з'єднує палі, шов ковстики і поглинають сейсмічну енергію петлею гісзання між монолітним ростверком і фундаментнитерезису. ми плитами, при цьому палі, що розташовані під Загальними ознаками найближчого аналога і несучими колонами будівлі, з'єднані з монолітним рішення, що заявляється, є: сейсмостійкий пальоростверком за допомогою радіальних в'язкопружвий фундамент, поле паль якого включає палі, що них демпферів, а ґрунт у верхній частині вказаних 7 42479 8 паль виконаний у вигляді подушок глибиною 0,2Фіг.3 - Сейсмостійкий пальовий фундамент, 0,5 довжини вказаних паль і діаметром 2,5-5,0 діперетин А-А на фіг.2. аметра вказаних паль з матеріалу з вираженими Фіг.4 - Сейсмостійкий пальовий фундамент, гістерезисними властивостями) спільно з істотнисхема взаємодії палі з матеріалом подушки. ми ознаками, загальними з найближчим аналогом В загальному випадку сейсмостійкий пальовий забезпечують підвищення ефективності сейсмічфундамент (Фіг.1-2) в своєму полі паль включає ного захисту. палі 1, що з'єднані з фундаментними плитами 2, Пояснюється це наступним. розташованими під несучими колонами 3 будівлі, Ґрунт у верхній частині паль, що розташовані інші палі 4, що з'єднані з конструктивними елеменпід несучими колонами будівлі, у вигляді подушок тами фундаменту. Крім того, сейсмостійкий пальоглибиною 0,2-0,5 довжини вказаних паль і діаметвий фундамент містить монолітний ростверк 5, ром 2,5-5,0 діаметра вказаних паль, виконаних з з'єднуючий палі 1, 4, і шов ковзання 6 між монолітматеріалу з вираженими гістерезисними властивоним ростверком 5 і фундаментними плитами 2. стями, взаємодіє з поверхнею паль при їх вертиПалі 1, що розташовані під несучими колонами 3 кальному коливанні, що викликається вертикальбудівлі, з'єднані з монолітним ростверком 5 за доними складовими сейсмічної дії. В процесі помогою радіальних в'язкопружних демпферів 7. вказаної взаємодії матеріал подушок, який примиҐрунт у верхній частині паль 1 виконанийу вигляді кає до паль. піддається знакозмінній деформації у подушки 8 з матеріалу з вираженими гістерезисвертикальному напрямку в зоні, що становить в ними властивостями глибиною Н рівною 0,2-0,5 поперечному перетині 2,5-5,0 діаметра вказаних довжини паль 1 і діаметром D, рівним 2,5-5,0 діапаль. Знакозмінна деформація матеріалу з вираметра паль 1 - d. женими гістерезисними властивостями (щебінь Шов ковзання 6 між монолітним ростверком 5 і або піщано-гравійну суміш, або пісок крупний або фундаментними плитами 2 виконаний у вигляді середньої крупності, або інший матеріал з виражешару листового полімерного матеріалу з коефіцієними гістерезисними властивостями), приводить нтів тертя ковзання рівним 0,10-0,15, наприклад до поглинання енергії вертикальних сейсмічних листового поліетилену. хвиль і зменшення вертикальної сейсмічної дії на Радіальні в'язкопружні демпфери 7 виконані у споруду. Область, в якій відбувається знакозмінна вигляді втулок з в'язкопружного (резиноподібного) деформація (2,5-5,0 діаметра вказаних паль в посинтетичного матеріалу, що встановлені в радіперечному перетині), визначена з відомого полоальних зазорах між палями 1, розташованими під ження, що в загальному випадку реакція ґрунту несучими колонами 3 будівлі, і монолітним ростпри взаємодії з палею спостерігається в області, верком 5. що становить близько трьох - п'яти діаметрів палі Подушки 8 виконані у вигляді ущільненої засив поперечному перетині. Глибина подушок (02-0,5 пки щебеня, або піщано-гравійної суміші, або піску довжини паль) вибрана з міркувань збереження крупного або середньої крупності, які в умовах несучої здатності паль і забезпечення ефективнодеформації характеризуються широкою петлею сті демпфування вертикальної сейсмічної дії. Вкагістерезису, що забезпечує ефективне поглинання зане співвідношення глибини подушок і довжини енергії сейсмічної дії. Можливо використання і інпаль є оптимальним і обґрунтоване експерименших гістерезисних матеріалів, у тому числі з добатально. вками пластифікаторів, наприклад асфальту, що Виконання шва ковзання між монолітним ростдозволяє розширити петлю гістерезису і підвищить верком і фундаментними плитами, з'єднання паль, ефективність поглинання сейсмічної енергії. Глищо розташовані під несучими колонами будівлі, з бина подушок 8 Н вибрана в межах 0,2-0,5 довжимонолітним ростверком за допомогою радіальних ни паль 1, діаметр подушок 8 D - в межах 2,5-5,0 в'язкопружних демпферів забезпечує демпфувандіаметра паль 1 - d. ня горизонтальної сейсмічної дії на споруду. ГориПри дії на конструкцію, зокрема на палі 1, гозонтальні сейсмічні хвилі гасяться радіальними ризонтальних сейсмічних хвиль, їх енергія демпв'язкопружними демпферами, які обмежують пефується в'язкопружними демпферами 7 в радіальредачу сейсмічної енергії на ростверк, а горизонних зазорах між палями 1 і монолітним ростверком тальний шов ковзання між ростверком і фундаме5, що обмежує сейсмічну дію на монолітний ростнтними плитами попереджає передачу вказаної верк 5. Принципи демпфування сейсмічної енергії енергії на основу споруди. радіальними в'язкопружними демпферами відомі і Таким чином, в конструкції пальового фундашироко застосовуються в практиці сейсмічного менту, що заявляється, поряд із захистом від дії захисту. Принцип роботи радіального в'язкопружгоризонтальних сейсмічних хвиль реалізується ного демпфера показано на Фіг.3. Демпфер 7 в демпфування (поглинання) енергії вертикальних умовах сейсмічної дії деформується в межах десейсмічних хвиль, що підвищує ефективність сейякої величини ∆1, в процесі чого відбувається посмічного захисту споруди. глинання сейсмічної енергії, у тому числі і за рахуНижче приводиться докладний опис сейсмонок гістерезисних явищ. стійкого пальового фундаменту, що заявляється, з Подальше обмеження дії горизонтальних сейпосиланнями на креслення, на яких показано: смічних хвиль на споруду реалізується горизонтаФіг.1 - Сейсмостійкий пальовий фундамент, льним швом ковзання 6 між монолітним роствертикальний розріз. верком 5 і фундаментними плитами 2, який Фіг.2 - Сейсмостійкий пальовий фундамент, обмежує передачу сейсмічної енергії від монолітвузол І в збільшеному масштабі. ного ростверку 5 до фундаментних плит 2. Принципи демпфування сейсмічної енергії горизонта 9 42479 10 льними швами ковзання відомі і також широко завідбувається гістерезисне поглинання сейсмічної стосовуються в практиці сейсмічного захисту. енергії за рахунок пластичних властивостей і пеДія на конструкцію вертикальних сейсмічних реміщень дислокацій матеріалу подушки 8 з перехвиль викликає подовжні (у вертикальному напрятворенням енергії вертикальних сейсмічних хвиль мку) коливання паль 1. В результаті взаємодії паль в теплову енергію, яка розсівається в навколиш1 з матеріалом подушок 8 останній, в зоні приминьому середовищі. кання до паль 1 піддається знакозмінній деформаВ конструкції фундаменту палі, що заявляєтьції. Механізм такої деформації показаний на Фіг.4. ся, захист споруди від землетрусу реалізується шляхом поглинання енергії як горизонтальних так і Елементарний шар матеріалу завтовшки dі в мевертикальних сейсмічних хвиль конструктивними жах 2,5-5,0 діаметра палі 1 піддається знакозмінелементами фундаменту, що підвищує сейсмічну ній деформації у вертикальному напрямку на дебезпеку споруди. яку величину ∆2. В процесі вказаної деформації Комп’ютерна верстка В. Мацело Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601