RU2214491C1

RU2214491C1 - Multistory earthquake-resistant building

Info

Publication number: RU2214491C1
Application number: RU2002101457/03A
Authority: RU
Inventors: Н.М. Якупов; Р.Г. Нуруллин; С.Н. Якупов
Original assignee: ООО "Издательство "SOS"
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2003-10-20

Abstract

FIELD: construction engineering; applicable widely in construction of high-rise buildings and structures in earthquake and explosion-hazardous regions, and regions subject to action of storm winds. SUBSTANCE: multistory earthquake-resistant building includes foundation, spatially rigid upper stories, flexible posts of low story and central support. Flexible posts are made of flexible plate members curved in shape and resting with its one end on base supporting belt of building foundation, and with its other end fastened to supporting belt of low floor of building. Base supporting belt of building foundation and supporting belt of building foundation and supporting belt of building lower floor are additionally interconnected by damping devices. Central support has spherical contact surfaces conjugated with spherical contact surfaces of supporting belts. Central supports are made in form of solid or hollow sphere, rotation ellipsoid, vertically located cylinder or truncated cone with spherical contact surface on upper and lower bases, and also in form of horizontally lying lens shaped body. Flexible plate members and damping devices are located axially symmetric to vertical axis of central support. Foundation may be made in form of central pile sunk in ground and having rigidly secured horizontal plate in its upper part. Said plate is anchored to additional underground blocks located over foundation periphery. EFFECT: increased resistance to earthquakes and storm winds due to higher flexibility of supporting system and efficiency of damping of vertical and horizontal support. 11 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к строительству и может найти широкое применение при строительстве высотных зданий и сооружений в сейсмических и взрывоопасных районах, а также в районах, подверженных действию сильных ветров. The invention relates to construction and can be widely used in the construction of high-rise buildings and structures in seismic and explosive areas, as well as in areas subject to strong winds.

Известны многоэтажные сейсмостойкие здания, имеющие установленные друг на друга двутаврообразные элементы, каждый из которых включает плиту перекрытия и наружные стены, и устройства сейсмозащиты в виде шарообразных катков в обоймах. Шарообразные катки в обоймах распределены по всей высоте здания, и обоймы выполнены в верхних и нижних гранях стеновых панелей в виде полусфер с радиусами кривизны, один из которых составляет 1,2-1,3 радиуса катка, а другой, в опорной части, равен радиусу катка [1] (аналог). Known multi-storey earthquake-resistant buildings having I-shaped elements installed on each other, each of which includes a floor slab and external walls, and seismic protection devices in the form of ball-shaped rollers in holders. Ball-shaped rollers in the holders are distributed over the entire height of the building, and the holders are made in the upper and lower faces of the wall panels in the form of hemispheres with radii of curvature, one of which is 1.2-1.3 radius of the roller, and the other, in the supporting part, is equal to the radius skating rink [1] (analog).

Однако известные здания имеют низкую сейсмическую и, особенно, низкую ветровую устойчивость. However, well-known buildings have low seismic and, especially, low wind resistance.

Известны многоэтажные сейсмостойкие здания типа башни, включающие фундамент, несущий полый ствол, этажные конструкции и подвески, прикрепленные к стволу и заанкеренные в фундаменте. В нижней части полого ствола образована опорная конструкция, выполненная в виде связево-ростверковой структуры и закрепленная на подвесках, на которую оперты этажные конструкции. Опорная конструкция соединена с фундаментом посредством выключающихся связей, расположенных по периметру здания [2] (аналог). Known multi-storey earthquake-resistant buildings such as towers, including a foundation bearing a hollow barrel, floor structures and pendants attached to the trunk and anchored in the foundation. In the lower part of the hollow trunk, a support structure is formed, made in the form of a tie-grillage structure and mounted on suspensions, on which the floor structures are supported. The supporting structure is connected to the foundation by means of disconnecting links located around the perimeter of the building [2] (analog).

Однако данные здания малоустойчивы к сейсмической и ветровой воздействиям. However, these buildings are unstable to seismic and wind effects.

Известно также многоэтажное сейсмостойкое здание, включающее фундамент, пространственно жесткие верхние этажи, перекрытие и гибкие стойки нижнего этажа, между которыми размещены выключающиеся связи в виде арочных элементов, шарнирно соединенных с фундаментом и в замке с перекрытием, причем в узлах соединения между поверхностями сопряжения стыкуемых элементов помещена упругая прокладка [3] (прототип). A multi-storey earthquake-resistant building is also known, including a foundation, spatially rigid upper floors, a ceiling and flexible racks of the lower floor, between which there are disconnected connections in the form of arched elements pivotally connected to the foundation and in the lock with overlap, and at the connection points between the mating surfaces of the elements to be joined placed elastic gasket [3] (prototype).

Однако известное многоэтажное сейсмостойкое здание имеет следующие недостатки:
а) малая устойчивость сооружения при действии горизонтальных нагрузок, особенно, от ветра;
б) техническое решение не допускает необходимых угловых (изгибных) перемещений вертикальной оси здания при действии сейсмических и ветровых нагрузок;
в) арочные элементы не воспринимают растягивающих усилий при воздействии опрокидывающих сил;
г) конструкция арочных элементов и в целом вся опорная система не обеспечивают достаточно эффективной сейсмозащиты, так как не позволяет эффективно гасить вертикальные и горизонтальные сейсмические колебания;
д) опорная система не гарантирует защиту здания от возникновения автоколебательных и резонансных явлений.However, the well-known multi-story earthquake-resistant building has the following disadvantages:
a) low stability of the structure under the action of horizontal loads, especially from the wind;
b) the technical solution does not allow the necessary angular (bending) movements of the vertical axis of the building under the action of seismic and wind loads;
c) arched elements do not perceive tensile forces under the influence of overturning forces;
d) the design of the arched elements and the whole supporting system as a whole do not provide sufficiently effective seismic protection, since it does not allow damping vertical and horizontal seismic vibrations;
e) the support system does not guarantee the protection of the building from the occurrence of self-oscillating and resonant phenomena.

Целью (задачами) данного изобретения являются повышение сейсмостойкости и ветровой устойчивости здания за счет увеличения гибкости опорной системы и эффективности гашения вертикальных и горизонтальных нагрузок. The purpose (objectives) of this invention is to increase the seismic resistance and wind stability of the building by increasing the flexibility of the support system and the efficiency of damping vertical and horizontal loads.

Указанные задачи достигаются тем, что в многоэтажном сейсмостойком здании, включающем фундамент, пространственно-жесткие верхние этажи, гибкие стойки нижнего этажа и центральную опору, гибкие стойки выполнены в виде энергопоглотителей из эластично-упругих пластинчатых элементов дугообразной формы, опирающихся одним концом о базовый опорный пояс фундамента здания, а другим концом закрепленных к опорному поясу нижнего перекрытия здания, причем дуги пластинчатых элементов выгнуты, в основном, наружу. Упомянутый базовый опорный пояс фундамента здания и опорной пояс нижнего перекрытия здания дополнительно связаны демпфирующими устройствами, а центральная опора имеет сферические контактные поверхности, сопряженные со сферическими контактными поверхностями опорных поясов. Пластинчатые элементы могут быть изготовлены и переменного сечения. Центральные опоры могут быть выполнены в виде сплошной или полой сферы, эллипсоида вращения, вертикально расположенного цилиндра или усеченного конуса со сферической контактной поверхностью на верхнем и нижнем основаниях, а также в виде горизонтально лежащего чечевицеобразного тела. Эластично-упругие пластинчатые элементы и демпфирующие устройства расположены осесимметрично относительно вертикальной оси центральной опоры, в простейшем случае они равнорасположены по окружности. Фундамент может быть выполнен, в частности, в виде центральной сваи, заглубленной в грунт, который в верхней части имеет жестко закрепленную горизонтальную плиту. Указанная плита в одном из вариантов исполнения заанкерована к дополнительным подземным блокам, расположенным по периферии фундамента. These tasks are achieved by the fact that in a multi-story earthquake-resistant building, including a foundation, spatially rigid upper floors, flexible racks of the lower floor and a central support, flexible racks are made in the form of energy absorbers from elastic-elastic plate elements of an arcuate shape, resting at one end on a basic support belt the foundation of the building, and the other end fixed to the supporting belt of the lower floor of the building, and the arcs of plate elements are curved mainly outward. The mentioned basic support belt of the building foundation and the support belt of the lower floor of the building are additionally connected by damping devices, and the central support has spherical contact surfaces mating with the spherical contact surfaces of the support belts. Lamellar elements can be made and variable section. The central supports can be made in the form of a solid or hollow sphere, an ellipsoid of revolution, a vertically located cylinder or a truncated cone with a spherical contact surface on the upper and lower bases, as well as in the form of a horizontally lying lenticular body. Elastic-elastic plate elements and damping devices are located axisymmetrically relative to the vertical axis of the central support, in the simplest case they are equally spaced around the circumference. The foundation can be made, in particular, in the form of a central pile, buried in the ground, which in the upper part has a rigidly fixed horizontal plate. The specified plate in one embodiment is anchored to additional underground blocks located on the periphery of the foundation.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема здания со сферической центральной опорой; на фиг. 2 - то же, с центральной опорой в виде эллипсоида вращения; на фиг. 3 - горизонтальный разрез А-А по фиг.1 с четырьмя эластично-упругими пластинчатыми элементами; на фиг.4 - то же, с минимальным числом (с тремя) эластично-упругих пластинчатых элементов; на фиг.3 приведен горизонтальный разрез Б-Б по фиг.2 с архитектурно выразительным размещением упругих пластинчатых элементов; на фиг.6 показана схема здания с центральной опорой в виде усеченного конуса со сферической поверхностью на его основании, а также с дополнительными анкерами для фундамента; на фиг.7 приведена схема здания с центральной опорой в виде чечевицеобразного тела. In FIG. 1 is a schematic diagram of a building with a spherical central support; in FIG. 2 - the same, with a central support in the form of an ellipsoid of revolution; in FIG. 3 is a horizontal section AA in FIG. 1 with four elastic-elastic plate elements; figure 4 is the same, with a minimum number (with three) of elastic-elastic plate elements; figure 3 shows a horizontal section bB of figure 2 with an architecturally expressive placement of elastic plate elements; Fig.6 shows a diagram of a building with a central support in the form of a truncated cone with a spherical surface on its base, as well as with additional anchors for the foundation; Fig.7 shows a diagram of a building with a central support in the form of a lenticular body.

Многоэтажное сейсмостойкое здание включает в себя фундамент 1, каркас 2, центральную опору 3, гибкие стойки 4 и демпфирующие устройства 5. Фундамент 1 выполнен в виде заглубленного в грунт центрального ствола 6 (например, сваи), к верхней части которого жестко прикреплена горизонтальная плита 7. На горизонтальную плиту 7 уложен и прикреплен к ней нижний опорный пояс 8, который имеет центральное углубление обычно сферической формы. В углублении нижнего опорного пояса 8 находится центральная опора, которая может быть выполнена в виде сплошных или полых: сферы 9, эллипсоида вращения 10, усеченного конуса 11 (или, в частности, цилиндра), а также наиболее эффективный вариант в виде чечевицеобразного тела 12. В случае применения усеченного конуса или цилиндра их основания имеют верхние 13 и нижние 14 сферические опорные поверхности. A multi-storey earthquake-resistant building includes a foundation 1, a frame 2, a central support 3, flexible racks 4 and damping devices 5. The foundation 1 is made in the form of a central shaft 6 buried in the ground (for example, piles), to the top of which a horizontal plate 7 is rigidly attached On the horizontal plate 7, the lower support belt 8 is laid and attached to it, which has a central recess of generally spherical shape. In the recess of the lower support belt 8 there is a central support, which can be made in the form of solid or hollow: a sphere 9, an ellipsoid of revolution 10, a truncated cone 11 (or, in particular, a cylinder), and also the most effective option in the form of a lenticular body 12. In the case of the use of a truncated cone or cylinder, their bases have upper 13 and lower 14 spherical bearing surfaces.

На центральной опоре покоится верхний опорный пояс 15 со сферическим углублением в нижней его части. Таким образом, углубления верхнего и нижнего опорных поясов противолежат друг другу и между ними находится центральная опора 3. On the central support lies the upper support belt 15 with a spherical recess in its lower part. Thus, the recesses of the upper and lower support zones are opposite to each other and between them is the Central support 3.

Нижний 8 и верхний 15 опорные пояса связаны друг с другом посредством гибких стоек 4, выполненных в виде эластично-упругих пластинчатых элементов дугообразной формы (обычно из рессорного металла). Пластинчатые элементы могут быть и переменного сечения. The lower 8 and upper 15 support belts are connected to each other by means of flexible posts 4 made in the form of elastic-elastic plate elements of an arcuate shape (usually made of spring metal). Lamellar elements can be of variable section.

Гибкие стойки нижними кольцами жестко прикреплены к нижнему опорному поясу 8, а верхними - к верхнему опорному поясу 1. Дуги пластинчатых элементов гибких стоек 4 обычно обращены наружу от вертикальной оси центральной опоры 3, хотя допускается и расположение с обращением дуг внутрь (в этом случае должны соблюдаться определенные размерные характеристики взаиморасположения дуг пластинчатых элементов и центральной опоры, в том числе и размеры самой центральной опоры). The flexible struts with the lower rings are rigidly attached to the lower support belt 8, and the upper ones to the upper support belt 1. The arcs of the plate elements of the flexible racks 4 are usually facing outward from the vertical axis of the central support 3, although arrangement with the arcs facing inward is also allowed (in this case, certain dimensional characteristics of the relative position of the arches of the plate elements and the central support are observed, including the dimensions of the central support itself).

Демпфирующие устройства 5 могут быть различной конструкции, например, в одном из вариантов они представляют собой гидравлические или воздушные демпферы цилиндро-поршневого типа. В последнем случае демпферы шарнирно связаны, например, корпусом цилиндра с нижним опорным поясом 8, а штоком - с верхним опорным поясом 15. The damping devices 5 can be of various designs, for example, in one embodiment, they are hydraulic or air dampers of a cylinder-piston type. In the latter case, the dampers are pivotally connected, for example, by the cylinder body with the lower support belt 8, and the rod with the upper support belt 15.

Поскольку пластинчатые элементы гибких стоек 4 и демпфирующие устройства 5 работают обычно в паре друг с другом, то они представляют собой энергопоглащающий комплекс и расположены по периферии здания с соблюдением принципа симметрии относительно центральной вертикальной оси центральных опор 3. Например, они могут быть равнорасположены по окружности или расположены с учетом архитектурного замысла в несколько рядов по окружности (на фиг.5 они расположены по двум окружностям) или в других эстетически приемлемых вариантах. Since the plate elements of the flexible struts 4 and the damping devices 5 are usually paired with each other, they are an energy-absorbing complex and are located on the periphery of the building in compliance with the principle of symmetry with respect to the central vertical axis of the central supports 3. For example, they can be equally spaced around a circle or are located taking into account the architectural design in several rows around the circumference (in Fig. 5 they are arranged along two circles) or in other aesthetically acceptable variants.

Таким образом, стойки 4, работающие в паре с демпфирующими устройствами 5, выполняют роль энергопоглотителей. Thus, the rack 4, working in tandem with the damping devices 5, act as energy absorbers.

Каркас 2 здания (или собственно само здание) опирается на верхний опорный пояс 15, причем каркас 2 и верхний опорный пояс 15 жестко (прочно) скреплены друг с другом. The frame 2 of the building (or the building itself) rests on the upper support belt 15, and the frame 2 and the upper support belt 15 are rigidly (firmly) fastened to each other.

Дополнительно для упрочнения фундамента можно установить расположенные по периферии фундамента подземные блоки 16, с которыми посредством анкеров 17 связана горизонтальная плита 7 фундамента. Анкеры 17 желательно располагать наклонно под углом α. Additionally, to strengthen the foundation, it is possible to install underground blocks 16 located on the periphery of the foundation, to which a horizontal foundation plate 7 is connected via anchors 17. Anchors 17 are preferably inclined at an angle α.

Сооружение работает следующим образом. The construction works as follows.

При сейсмическом или ветровом (штормовом) воздействии на здание антисейсмические устройства создают свободу углового (наклон) и горизонтального (в меньшей мере и вертикального) перемещения каркаса 2 здания относительно фундамента 1. В процессе воздействия внешнего возмущения происходит незначительное перекатывание центральной опоры 3 по углублению нижнего опорного пояса 8, а верхнего опорного пояса 15 по центральной опоре 3 (по сферическим контактным поверхностям). При этом энергия воздействия погашается системой эластично-упругих стоек и демпфирующих устройств. Таким образом, система эластично-упругих стоек и демпфирующих устройств гасит упругую внутреннюю энергию, накапливающуюся в процессе деформирования системы под воздействием внешних нагрузок. With a seismic or wind (storm) impact on the building, antiseismic devices create freedom of angular (inclination) and horizontal (at least vertical) movement of the frame 2 of the building relative to the foundation 1. During the action of an external disturbance, the central support 3 slightly rolls over the deepening of the lower support belt 8, and the upper support belt 15 along the central support 3 (on spherical contact surfaces). In this case, the impact energy is extinguished by a system of elastic-elastic struts and damping devices. Thus, the system of elastic-elastic struts and damping devices dampens the elastic internal energy that accumulates during the deformation of the system under the influence of external loads.

Предлагаемая конструкция многоэтажного сейсмостойкого здания позволяет получить целостную гибкую систему, которая благодаря упругодемпфирующим свойствам опорных элементов обеспечивает, во-первых, повышение сейсмостойкости и ветровой устойчивости здания за счет увеличения гибкости опорной системы и эффективности гашения вертикальных и горизонтальных нагрузок, во-вторых, уменьшение изгибных напряжений, действующих на каркас здания. The proposed design of a multi-storey earthquake-resistant building allows you to get a holistic flexible system, which due to the elastic-damping properties of the support elements provides, firstly, an increase in the earthquake resistance and wind stability of the building by increasing the flexibility of the support system and the damping efficiency of vertical and horizontal loads, and secondly, reducing bending stresses acting on the frame of the building.

Годовой экономический эффект составляет ориентировочно 860 тысяч рублей на одно здание (при расчете не учтены людские потери в чрезвычайных ситуациях при разрушениях обычных зданий). The annual economic effect is approximately 860 thousand rubles per building (the calculation did not take into account human losses in emergencies during the destruction of ordinary buildings).

Источники информации, принятые во внимание
1. Авторское свидетельство СССР 654792 по М.Кл. Е 04 Н 9/02, опубл. 30.03.79г., бюл. 12.Sources of information taken into account
1. USSR author's certificate 654792 according to M.Kl. E 04 H 9/02, publ. 03/30/79, bull. 12.

2. Авторское свидетельство СССР 771308 по М.Кл. Е 04 Н 9/02, опубл. 15.10.80г., бюл. 38. 2. Copyright certificate of the USSR 771308 according to M.Kl. E 04 H 9/02, publ. 10/15/80, bull. 38.

3. Авторское свидетельство СССР 922258 по М.Кл. Е 04 Н 9/02, Е 04 Н 5/02, опубл. 23.04.82г., бюл. 15. 3. USSR author's certificate 922258 according to M.Kl. E 04 H 9/02, E 04 H 5/02, publ. 04/23/82, bull. fifteen.

Claims

1. A multi-storey earthquake-resistant building, including a foundation, spatially rigid upper floors, flexible racks and a central support, characterized in that the flexible racks are made of elastic-elastic plate elements of an arcuate shape, resting at one end on the base support belt of the building foundation, and at the other end fixed to the support belt of the lower floor of the building, while the base support belt of the building foundation and the support belt of the lower floor of the building are additionally connected by damping devices, and the central ora has spherical contact surfaces mating with the spherical contact surfaces of the supporting belts.

2. The multi-storey earthquake-resistant building according to claim 1, characterized in that the arcs of plate elements are curved mainly outward and can be made of variable cross-section.

3. A multi-storey earthquake-resistant building according to claim 1 or 2, characterized in that the central supports are made in the form of a solid or hollow sphere.

4. The multi-storey earthquake-resistant building according to claim 1 or 2, characterized in that the central supports are made in the form of a solid or hollow ellipsoid of revolution.

5. The multi-storey earthquake-resistant building according to claim 1 or 2, characterized in that the central supports are made in the form of a solid or hollow truncated cone with a vertical axis having spherical contact surfaces on the upper and lower bases.

6. The multi-storey earthquake-resistant building according to claim 1 or 2, characterized in that the central supports are made in the form of a solid or hollow vertically arranged cylinder with spherical contact surfaces on the upper and lower bases.

7. The multi-storey earthquake-resistant building according to claim 1 or 2, characterized in that the central supports are made in the form of a solid or hollow horizontally lying lenticular body.

8. A multi-storey earthquake-resistant building according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the elastic-elastic plate elements and damping devices are located axisymmetrically relative to the vertical axis of the central support.

9. A multi-storey earthquake-resistant building according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the elastic-elastic plate elements and damping devices are equally spaced around the circumference.

10. A multi-storey earthquake-resistant building according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the foundation is made in the form of a central pile buried in the ground, which in the upper part has a rigidly fixed horizontal slab.

11. The multi-storey earthquake-resistant building of claim 10, characterized in that the horizontal slab is anchored to additional underground blocks located on the periphery of the foundation.