Екран для захисту будівель, споруд від сейсмічних дій

1. Екран для захисту будівель, споруд від сейсмічних дій, що включає оболонку, розташовану в ґрунті навколо фундаменту будівлі, споруди, що виконана із з'єднаних кінцевими ділянками залізо 3 інший сипкий матеріал. Блоки, укладені по периметру фундаменту будівлі, споруди є засобом гасіння пружних хвиль (коливань). За патентом США №4484423 А, МПК E02D 27/34, 31/08, дата публікації 1984.11.27, відомий сейсмічний екран для часткової ізоляції будівлі або споруди від дії землетрусу. Між спорудою і передбачуваним джерелом хвильової дії на деякій відстані від споруди виконана глибока вертикальна траншея. Траншея заповнена матеріалом, що має низький модуль зсуву. Як такий матеріал можуть бути використаними піна, рідкі глини, гелі, колоїдні рідини, інші рідини. Матеріал, що заповнює траншею, перешкоджає передачі сейсмічних хвиль, особливо хвиль S-типа, і оберігає стінки траншеї від руйнування. Загальними ознаками захисних екранів, виконаних у вигляді траншей або щілин, заповнених демпфуючим матеріалом, і рішення, що заявляється, є: екран для захисту будівель, споруд від сейсмічних дій, виконаний в ґрунті навколо фундаменту будівлі, споруди. В захисних екранах вказаного типу зменшення сейсмічної дії на будівлю, споруду відбувається тільки за рахунок часткового поглинання енергії сейсмічних хвиль демпфуючим матеріалом. Сейсмічні хвилі, що утворюються з внутрішньої сторони траншеї, впливають безпосередньо на будівлю, споруду з несприятливими наслідками. Відоме виконання захисних екранів у вигляді свердловин, заповнених демпфуючим (поглинаючим енергію) матеріалом і облаштованих навколо об'єкту, що захищається. Так, за авторським свідоцтвом СРСР №623923, МПК Е02В 27/34, Е04Н 9/02, дата подачі заявки 08.12.75, відомий екран для захисту фундаментів будівель, споруд від коливань основи, який включає переривистий ланцюг похилих клиноподібних свердловин, розташованих в шаховому порядку і заповнених поглинаючим коливання матеріалом. Екран забезпечений розміщеними в свердловинах магнітопроводами і з'єднаними з ними соленоїдами, встановленими в нижній частині свердловин. Як поглинаючий коливання матеріал використана суміш полімерного зв'язуючого з феритами і пористим матеріалом. Така конструкція екрану підвищує ефективності захисту за рахунок створення коливальної магнітострикції і підвищеної пластичності в поглинаючому коливання матеріалі. За авторським свідоцтвом СРСР №815141, МПК E02D 27/34, дата подачі заявки 03.05.79, відомий екран для захисту фундаментів будівель, споруд від дії коливань, який включає розташовані в ґрунті навколо фундаменту і заповнені поглинаючим коливання матеріалом зовнішній і внутрішній ряди свердловин. Свердловини зовнішнього ряду розміщені в шаховому порядку відносно свердловин внутрішнього ряду. Свердловини зовнішнього ряду виконані з ухилом у бік фундаменту, свердловини внутрішнього ряду - з ухилом, зворотним ухилу свердловин зовнішнього ряду. Свердловини заповнені матеріалом, щільність якого перевищує щільність ґрунту, а ґрунт, розміщений між рядами свердловин, ущільнений. 41833 4 При виникненні сейсмічного поштовху частина хвильових коливань відбивається зовнішнім рядом похилих свердловин і заломлюється убік від будівлі завдяки трапецієвидному перетину екрануючого контуру. Хвилі, що проникли всередину контуру, відбиваються від внутрішнього ряду свердловин і в ущільненому об'ємі ґрунту між свердловинами створюють в сукупності з проникаючими назустріч коливаннями зону взаємного поглинання. За авторським свідоцтвом СРСР №1629416 А1, МПК E02D 31/08, дата подачі заявки 20.03.89, відомий екран для захисту будівель і споруд від сейсмічних дій, який включає розміщені навколо будівлі, споруди внутрішній і зовнішній ряди свердловин, заповнених поглинаючим коливання матеріалом і розташованих в рядах в шаховому порядку. Крок між свердловинами внутрішнього ряду складає 1,2-2,0 їх діаметра, а перемички між свердловинами внутрішнього і зовнішнього рядів складають 0,2-0,44 діаметри свердловин. Принаймні, частина свердловин заповнена сумішшю води і порожнистих елементів з матеріалів різної міцності. Конструкція екрану дозволяє максимально понизити швидкісні параметри сейсмічних хвиль, що, у свою чергу, позитивно впливає на зміну резонансних властивостей ґрунтів, приводить також до зниження силових дій на ґрунтові масиви в основах фундаментів. За авторським свідоцтвом СРСР №1754848 А1, МПК E02D 31/08, 27/34, дата подачі заявки 13.09.89, відомий екран для захисту об'єкту від сейсмічної дії, який включає свердловини, пробурені в напрямі, перпендикулярному фронту розповсюдження сейсмічної хвилі прогнозованого джерела, порожнини, виконані в нижній частині свердловин, орієнтовані перпендикулярно до осі свердловин і заповнені матеріалом, поглинаючим коливання. Порожнини, заповнені матеріалом, поглинаючим коливання, утворені шляхом підриву кумулятивних зарядів вибухової речовини, які заздалегідь розміщують в нижній частині свердловин. Загальними ознаками захисних екранів, виконаних у вигляді свердловин, заповнених демпфуючим матеріалом, і рішення, що заявляється, є: екран для захисту будівель, споруд від сейсмічних дій, виконаний в ґрунті навколо фундаменту будівлі, споруди. В захисних екранах вказаного типу зменшення сейсмічної дії на будівлю, споруду, як і у разі траншейного (щілистого) екрану, відбувається тільки за рахунок часткового поглинання енергії сейсмічних хвиль демпфуючим матеріалом. Так звані прохідні сейсмічні хвилі, що утворюються з внутрішньої сторони екрану, впливають безпосередньо на будівлю, споруду. Особливу групу захисних екранів представляють захисні сейсмічні екрани, виконані у вигляді конструкцій з бетонних елементів, облаштованих в ґрунті, які за рахунок матеріалу, форми і розташування забезпечують відбивання і поглинання сейсмічних хвиль. Так, за авторським свідоцтвом СРСР №817150, МПК Е02В 27/34, дата подачі заявки 5 03.05.79, відомий екран для захисту фундаментів будівель, споруд від дії коливань, який включає з'єднані своїми кінцевими ділянками криволінійні секції, що розташовані в траншеї навколо контуру фундаменту. Криволінійні секції можуть бути виконаний із залізобетону. Коливання, що розповсюджуються в ґрунті, зустрічаючи на шляху перешкоду у вигляді екрану з криволінійних секцій, відбиваються і поглинаються екраном, розсіюються в навколишньому ґрунті. Розсіювання енергії коливань відбувається в горизонтальних напрямах по всій висоті екрану. Криволінійність секцій екрану покращує його відбивну здатність. Для поліпшення відбивання хвиль, що проникли або виниклих усередині екрану, доцільно криволінійні секції орієнтувати опуклістю у бік фундаменту будівлі, споруди. Для кращого екранування коливань доцільно влаштовувати два екрани - зовнішній з криволінійних секцій, орієнтованих опуклістю назустріч зовнішнім коливанням, і внутрішній з криволінійних секцій, орієнтованих опуклістю у бік фундаменту. За патентом США №5992104 А, МПК E02D 29/00, Е04Н 9/02, дата публікації 1999.11.30, відомий захисний екран, виконаний у вигляді еластичної оболонки, що оконтурює споруду, яка захищається. Оболонка заповнена матеріалом з низьким акустичним імпедансом, поглинає і відбиває енергію ударної хвилі. Екран може бути виконаний у вигляді окремих панелей, що утворюють еластичний бар'єр з низьким акустичним імпедансом в ґрунті навколо споруди, що захищається. Оболонка може бути виконана з гуми або інших еластомерів. Матеріалом, що заповнює оболонку, може бути газ, стисле повітря, піна із закритими комірками, піна, що розширяється. При використанні певних видів спінювачів, які створюють міцну зовнішню оболонку при спінюванні, необхідність виконання окремої дискретної оболонки може відпасти. За патентом Російської Федерації №2121039 СІ, МПК6 E02D 27/34, дата подачі заявки 1998.10.27 відома сейсмоізольована основа, що включає екрануючий пояс у вигляді пружної горизонтальної подушки, розміщеної під фундаментом, і похилої пружної подушки, розміщеної з боків фундаменту, нижня і бокові подушки виконані з окремих шарів матеріалів, акустична жорсткість яких відрізняється в сотні раз, а пружне центральне ядро основи - з армованого ґрунту, при цьому маса сейсмоізольованої основи рівна масі будівлі, споруди. Сейсмічні хвилі, що діють на основа будівлі, споруди, багато разів відбиваються на межах "жорстких" і "м'яких шарів" екрануючих поясів, акустичні жорсткості яких відрізняються, унаслідок чого на межах розділів шарів виникає велика кількість інтерференційних хвиль, що підвищує коефіцієнт відбивання і приводить до істотного ослаблення сейсмічного сигналу. В сейсмоізольованій основі крім відбитих сейсмічних хвиль виникають ослаблені прохідні хвилі, що пронизують центральне пружне ядро з армованого ґрунту. Пружне ядро знаходиться в об'ємному напруженому стані і виконує функції поглинання прохідних сейсмічних хвиль. При дії 41833 6 землетрусу ударні сейсмічні навантаження на будівлю знижуються унаслідок того, що між материковим ґрунтом і фундаментом будівлі, споруди розташовується пружний буферний пристрій, що відбиває і поглинає сейсмічні хвилі. Рівність мас, що складають систему "будівля - сейсмоізольована основа", забезпечують оптимальні передавальні функції цієї системи, оскільки поглинені основою хвилі гасяться масою сейсмоізольованої основи і згладжуються великою жорсткістю основи. Як прототип вибрано екран для захисту будівель, споруд вказаного вище типу, відомий за патентом Російської Федерації №2006553 СІ, МПК5 E02D 27/34, дата подачі заявки 1990.06.29, опубліковано 1994.01.30, який включає розташовану навколо будівлі, споруди занурену в ґрунт оболонку, виконану із з'єднаних своїми кінцевими ділянками і орієнтованих опуклостями назустріч коливанням залізобетонних секцій, кожна секція оболонки виконана L - подібної форми, при цьому маса ґрунту, що укладена усередині оболонки, рівна масі будівлі, споруди. Оболонка екрану виконана з окремих секцій. Кожна секція виконана з віброізолюючого матеріалу, наприклад залізобетонних пластин. Секції можуть бути виконаний металевими як типові шпунтові стінки. Кожна секція виконана L - подібної форми, кінцеві ділянки яких з'єднані між собою. Вершини кожної секції орієнтовані назустріч коливанням. В закінченому вигляді оболонка в плані є багатовершинною зіркою. Зірка виконана з бетону класу В 20, що заливається в проріз ґрунту. Глибина кожної стінки від поверхні ґрунту до відмітки розподілу максимальних напруг не менше глибини розподілу максимальних напруг під підошвою фундаменту. Пристрій працює таким чином. Подовжня складова сейсмічної хвилі значно менше її поперечної складової, яка викликає зсув ґрунтового масиву відносно будівлі. Тому для сприйняття поперечних хвиль прийнята складчаста форма екрану у вигляді багатовершинної зірки, що конструктивно виконувана по типу стіна в ґрунті. При дії поперечної сейсмічної хвилі ґрунтовий масив, що переміщується в зонах виступаючих вершин зірки, піддається розшаруванню, а в западаючих зонах - ущільненню на першій стадії і зсуву ущільненого масиву на наступній стадії. Це відбувається таким чином. Виступаючою вершиною зірки на першій стадії сейсмічної дії масив розшаровується на два потоки і переміщається по площині стіни до западаючої вершини, де консолідується з потоком ґрунту, що переміщується по площині стіни сусідньої складки. Таким чином, у зоні виступаючої вершини утворюється розшарований ґрунт з тріщинами або осипом, а у зоні внутрішньої вершини зірки утворюється ущільнений ґрунт. З внутрішньої сторони зірки на ґрунт, що укладений між площинами складок, впливають відбиті хвилі, які направлені по нормалі до площини складки. Дифракція відбитих хвиль від протилежних стінок складок зірки викликає відшаровування ґрунту від стінок і зсув його углиб зірки у напрямку 7 будівлі, споруди. Оскільки цей процес є одночасним для всіх об'ємів ґрунту в складках, то в об'ємі вписаного в багатовершинну зірку кола утворюється ущільнений об'єм ґрунту з поліпшенням адгезивними властивостями по відношенню до поверхні фундаменту будівлі, споруди. Таким чином, робота сейсмічних хвиль направлена на руйнування ґрунту в системі "зірка ґрунт", з забезпеченням цілісності системи "ґрунт споруда". Зазначена рівність мас, які складають цю систему, забезпечує одночасне переміщення мас від дії сейсмічної хвилі. Відомо, що при ударі переміщення більше у того елемента системи, у якого менше маса. Тому, у разі, коли маса локалізованого в зірці ґрунту буде менше, те відбудеться порушення адгезії ґрунту з поверхнею фундаменту за рахунок переважних переміщень ґрунту, що викличе різке збільшення динамічної дії на будівлю. У випадку, коли маса будівлі буде менше маси ґрунту, то адгезія буде порушена через великі переміщення будівлі і викличе такі ж наслідки, як і у разі, коли менше маса ґрунту. Загальними ознаками прототипу і рішення, що заявляється, є: екран для захисту будівель, споруд від сейсмічних дій, який включає оболонку, розташовану в ґрунті навколо фундаменту будівлі, споруди, що виконана із з'єднаних кінцевими ділянками залізобетонних секцій. Екран по прототипу, як і інші екрани, вибрані як аналоги, забезпечує частковий захист будівель, споруд від сейсмічних дій. Так звані прохідні сейсмічні хвилі, що виникають з внутрішньої сторони екрану, незначно гасяться в масиві ґрунту, який розташований між екраном і фундаментом будівлі або споруди, і, досягаючи фундаменту, впливають на нього у вигляді бокового динамічного тиску, який може привести до руйнування будівлі, споруди. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення екрану для захисту будівель, споруд від сейсмічних дій, в якому за рахунок конструктивних особливостей забезпечується підвищення ефективності сейсмічного захисту. Поставлена задача вирішується тим, що в екрані для захисту будівель, споруд від сейсмічних дій, який включає оболонку, розташовану в ґрунті навколо фундаменту будівлі, споруди, що виконана із з'єднаних кінцевими ділянками залізобетонних секцій, відповідно до корисної моделі, в ґрунті з внутрішньої сторони оболонки облаштовані елементи допустимої міцності, що виконані у вигляді порожнистих подовжніх тіл, розташованих уздовж периметра і висоти фундаменту перпендикулярно до бокових стінок фундаменту. Вказані ознаки є істотними ознаками корисної моделі. Доцільно, для підвищення ефективності сейсмічного захисту, елементи допустимої міцності розташувати в безпосередній близькості до бокових стінок фундаменту. Можливо виконання порожнистих подовжніх тіл у вигляді відрізків труб або порожнистих плит з круглими або прямокутними подовжніми каналами. 41833 8 Істотні ознаки корисної моделі знаходяться в причинно-наслідковому зв'язку з технічним результатом, що досягається. Так, відмітні ознаки корисної моделі (в ґрунті з внутрішньої сторони оболонки облаштовані елементи допустимої міцності, що виконані у вигляді порожнистих подовжніх тіл, розташованих уздовж периметра і висоти фундаменту перпендикулярно до бокових стінок фундаменту) спільно з істотними ознаками, загальними з прототипом забезпечують підвищення ефективності сейсмічного захисту. Пояснюється це наступним. Облаштування елементів допустимої міцності в ґрунті між оболонкою екрану і фундаментом будівлі, споруди уздовж периметра і висоти фундаменту забезпечує додаткове поглинання енергії сейсмічних хвиль при спрацьовуванні елементів допустимої міцності, зокрема енергії прохідних хвиль, що виникають з внутрішньої сторони екрану. При деякому значенні енергії сейсмічної хвилі, що перевищує поріг спрацьовування елементів допустимої міцності, ґрунт під впливом сейсмічної хвилі переміщається в порожнини елементів допустимої міцності. При цьому виконується робота за рахунок енергії сейсмічної хвилі, тобто відбувається поглинання енергії сейсмічної хвилі на елементах допустимої міцності, що спрацювали, із зменшенням сейсмічної дії на фундамент будівлі, споруди. Нижче приводиться опис екрану для захисту будівель, споруд від сейсмічних дій, що заявляється, з посиланнями на креслення, на яких показано: Фіг. 1 - Екран для захисту будівель, споруд від сейсмічних дій, вертикальний розріз. Фіг. 2 - Екран для захисту будівель, споруд від сейсмічних дій, вузол І в збільшеному масштабі. Фіг. 3-6 - Екран для захисту будівель, споруд від сейсмічних дій, перетин А-А на фіг. 2, можливі варіанти виконання елементів допустимої міцності. В загальному випадку екран для захисту будівель, споруд від сейсмічних дій включає оболонку 1, розташовану в ґрунті 2 навколо фундаменту будівлі, споруди, виконану із з'єднаних кінцевими ділянками залізобетонних секцій 3, і елементи допустимої міцності 4, що виконані у вигляді порожнистих подовжніх тіл, розташованих в гранті 2 з внутрішньої сторони оболонки 1 уздовж периметра і висоти фундаменту перпендикулярно до бокових стінок фундаменту. Елементи допустимої міцності 4 доцільно розташовувати в безпосередній близькості до бокових стінок фундаменту. Фундамент включає палі 5, монолітний ростверк 6, що з'єднує оголовки паль 5, фундаментну плиту 7, встановлену на ростверку 6, на якій закріплені несучі колони 8 або несучі стіни будівлі, споруди. Палі 5 можуть бути забивними або буронабивними, висячими або палями-стійками. Порожнисті подовжні тіла можуть бути виконані у вигляді відрізків труб 9, наприклад азбоцементних, як показано на фіг. 3 (щільна укладка труб) і фіг. 4 (нещільна укладка труб), або у вигляді уніфікованих порожнистих плит 10 з круглими 11 або 9 прямокутними 12 подовжніми каналами, як показано на фіг. 5, 6. Облаштування фундаменту і екрану виконують за відомими будівельними технологіями. Ґрунт 2 навколо фундаменту будівлі, споруди може бути природним грантом або у вигляді засипки гранульованого матеріалу (щебеня, піщано-гравійної суміші, пісків крупного або середньої крупності), що характеризується більш високими демпфуючими властивостями. У разі землетрусу сейсмічна ударна хвиля (на фіг. 1 - УХ) частково відбивається оболонкою 1 екрану у вигляді відбитої хвилі (на фіг. 1 - ВХ), ослабляючи сейсмічну дію на будівлю, споруду. Енергія так званих прохідних хвиль (на фіг. 1 - ПХ), які виникають з внутрішньої сторони оболонки 1, частково розсіюється ґрунтом 2, розташованим між оболонкою 1 і фундаментом будівлі, споруди. Додаткове поглинання енергії прохідних сейсмічних хвиль (ПХ) відбувається при спрацьовуванні елементів допустимої міцності. При деякому значенні енергії прохідної сейсмічної хвилі (ПХ), що перевищує поріг спрацьовування елементів допустимої міцності, ґрунт 2 під впливом сейсмічної хвилі переміщається в порож 41833 10 нини елементів допустимої міцності 4. При нещільній укладці труб 9 (фіг. 4) ґрунт 2 може переміщатися і в зазори між трубами 9. Енергія сейсмічної хвилі, при якій відбувається переміщення ґрунту 2 в порожнини елементів допустимої міцності 4, визначається як поріг спрацьовування елементів допустимої міцності 4. У будь-якому випадку, коли енергія сейсмічної хвилі перевищує вказаний поріг, відбувається спрацьовування елементів допустимої міцності 4 з переміщенням ґрунту 2 у відкриті порожнини елементів допустимої міцності 4. При цьому виконується робота за рахунок енергії сейсмічної хвилі, тобто відбувається поглинання енергії сейсмічної хвилі на елементах допустимої міцності, що спрацювали, із зменшенням сейсмічної дії на фундамент будівлі, споруди. Облаштування екрану для захисту будівель, споруд від сейсмічних дій у вигляді оболонки, що розташована в ґрунті навколо фундаменту будівлі, споруди, і елементів допустимої міцності, виконаних у вигляді порожнистих подовжніх тіл, розташованих уздовж периметра і висоти фундаменту перпендикулярно до бокових стінок фундаменту, дозволяє підвищити ефективність сейсмічного захисту будівлі, споруди. 11 Комп’ютерна верстка І.Скворцова 41833 Підписне 12 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