WO2024072254A1 - Method for protecting tall structures against seismic effects - Google Patents

Method for protecting tall structures against seismic effects Download PDF

Info

Publication number
WO2024072254A1
WO2024072254A1 PCT/RU2022/000315 RU2022000315W WO2024072254A1 WO 2024072254 A1 WO2024072254 A1 WO 2024072254A1 RU 2022000315 W RU2022000315 W RU 2022000315W WO 2024072254 A1 WO2024072254 A1 WO 2024072254A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
building
liquid
foundation
mass
gap
Prior art date
Application number
PCT/RU2022/000315
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Сергей Владимирович СОЛОБОЕВ
Андрей Андреевич БРЫЗГАЛОВ
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Энергозапас"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from RU2022125491A external-priority patent/RU2793482C1/en
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Энергозапас" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Энергозапас"
Publication of WO2024072254A1 publication Critical patent/WO2024072254A1/en

Links

Classifications

    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E04BUILDING
    • E04HBUILDINGS OR LIKE STRUCTURES FOR PARTICULAR PURPOSES; SWIMMING OR SPLASH BATHS OR POOLS; MASTS; FENCING; TENTS OR CANOPIES, IN GENERAL
    • E04H9/00Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate
    • E04H9/02Buildings, groups of buildings or shelters adapted to withstand or provide protection against abnormal external influences, e.g. war-like action, earthquake or extreme climate withstanding earthquake or sinking of ground

Definitions

  • the invention relates to the field of earthquake-resistant construction, and can be used for seismic protection of high-rise buildings from the influence of kinematic influences in the low frequency range.
  • Seismic resistance is the ability of buildings, structures, dams and roads to withstand earthquakes with minimal damage, http://www.saveplanet.su/nts term 4150.html
  • the first direction is the use of seismic insulation of buildings, which is usually installed in the lower floors.
  • These are various rubber-metal supports of various modifications, with low and high damping, with and without a lead core, using various materials.
  • the second direction is the use of damping (vibration damping), which has been known for a very long time and is constantly being improved.
  • damping vibration damping
  • dampers metal, liquid, there are special alloys with memory, special damping walls, the latest devices, although relatively expensive, are quite effective.
  • all seismic protection systems can be divided into passive and active. Passive systems do not require any control. They automatically respond to seismic vibrations that occur. Active systems register seismic vibrations and act on the building in such a way that stresses in its structures are minimal. Often an active system controls some large mass located inside a building, moving it so as to compensate for external influences.
  • Passive protection systems are often based on the fact that the building is separated from the foundation and is connected to it either by frictional forces only, or by low-stiffness spring connections. Moreover, the lower the coefficient of friction between the foundation and the building itself, the smaller the forces acting on the building. If we assume that there is no friction at all, then with horizontal movements of the foundation (together with the soil), the building will remain motionless, since there are no forces acting on it.
  • the seismic protection method must be ready to protect the building from an earthquake immediately after laying its foundation and until the end of the structure’s operation, i.e. for up to 50 years.
  • the seismic protection method must be universal, i.e. suitable for the construction of a whole complex of structures, including: buildings of various heights; buildings of various (plan) configurations; buildings that differ many times from each other in weight, building materials and construction technologies used to construct the building frame.
  • the seismic protection method should be quite cheap and easy to replicate.
  • the seismic protection method must remain operational after an earthquake has occurred and/or be able to carry out quick repair work to restore its full functionality.
  • the seismic protection method must be guaranteed to protect the building from earthquakes, even in cases where its amplitude exceeds the calculated one, since predicting earthquakes is a very difficult task, and even more so it is almost impossible to predict the maximum amplitude at the site of construction of a building or structure, for example, near (the term near is conditional and extends to hundreds of kilometers) places of natural or man-made sources of geological disasters.
  • the essence of the known passive method of protecting buildings from earthquakes is that the foundation is separated from the mass of the building.
  • the force on the building mass from the side of the earthquake moving along with the surface wave is transmitted only due to the force of friction.
  • the smaller this force the more intact the mass of the building.
  • the magnitude of the friction force is usually determined by the effective coefficient of friction (the effective coefficient of friction is equal to the ratio of the friction force to the weight of the building).
  • seismic isolating supports are installed, each of which is made in the form of a closed, sealed hydraulic volume filled with water, and the closed hydraulic volume of each seismic support is separated from the hydraulic volumes of the remaining seismic supports and the upper part is fixedly connected to the base plate of the building mass. and from below is limited by a smooth Teflon sheet coating on the surface of the top of the foundation base plate.
  • the hydraulic volumes are limited by the clamping parts of the sliding seal. The liquid inside the hydraulic volumes is under such pressure as to hold the entire mass of the building. Note that in the known method, liquid is pumped under operating pressure into hydraulic volumes only after construction is completed. Until this moment, the building mass stands on the walls of the hydraulic volumes and additional supports located inside the hydraulic volumes.
  • the building mass placed on the upper support slab, slides over the smooth surface of the foundation support slab.
  • the sliding seal parts on the sides of the hydraulic volume hold the liquid in the volume and at the same time prevent it from flowing along the smooth coating of the foundation base plate.
  • the effective coefficient of friction with this method consists of the viscous friction of the fluid in the hydraulic volumes and the friction of the sliding seal.
  • additional supports, parts of the sliding seal and springs for its additional compression are placed inside the hydraulic volume, therefore, it is clear that the depth of the hydraulic volume and, accordingly, the thickness of the liquid layer in it are quite large (of the order of several tens of centimeters), and therefore viscous friction there is nothing there.
  • the friction of the sliding seal on the smooth coating of the foundation base plate depends on the specific design, but can also be made quite small, therefore, in the known method it is quite possible to achieve a friction coefficient of the order of 1% or less.
  • the known method of passive seismic protection makes it possible to protect the erected structure during horizontal vibrations of the surface during earthquakes.
  • Teflon greatly increases the cost of construction.
  • the price of Teflon on the market is almost 100 times higher than the price of steel (in terms of unit of volume), so covering the entire area of a building’s foundation with Teflon is a very expensive undertaking.
  • a method of providing passive seismic protection of buildings from destruction during earthquakes is to use a high-pressure liquid, which separates the inertial masses, that is, separates the building mass from the foundation, by creating a cavity filled with liquid, and the cavity is formed by the upper supporting surface of the building mass, the lower upper supporting surface the surface of the foundation and a compensator that seals the volume around the perimeter.
  • the known method suggests organizing a system of channels (water pipelines) in the foundation slabs and base of the building mass, through which the liquid is distributed over almost the entire area of the building.
  • channels water pipelines
  • the slabs come into contact with each other, but when liquid under pressure is supplied into the channels, it appears under the entire surface of the base slab of the building mass and supports the building in the liquid.
  • the fluid is maintained at a pressure equal to the average pressure created by the building mass.
  • the liquid is pumped through a pipeline, the pressure in which is created due to hydrostatics (due to the height of the liquid column).
  • a reserve tank with liquid to compensate for leaks.
  • the known method also refers to passive methods of protecting buildings from earthquakes and its action is also based on the principle of separating the building mass from the foundation, which is inextricably linked to the ground.
  • the known method cannot protect a high-rise building under construction from earthquakes because the reserve tank with liquid at the very top of the pipeline, designed to create hydrostatic pressure and compensate for liquid leaks, must be at a height of about 100 meters. It is this column of water that creates a pressure of about 10 atm, which approximately corresponds to the average design pressure of a high-rise building mass on the ground. That is, until the building reaches a height of 100 meters, a container with liquid cannot be installed, and it is practically the main element of the seismic protection method.
  • the compensator which ensures sealing of the space between the plates along the perimeter, must withstand the operating pressure of the liquid. This is despite the fact that its width must be no less than the predicted amplitude of movement of the foundation during an earthquake. In particular, if the average working pressure under the building should be about 10 atm, then with a calculated amplitude of even 10 cm, the force acting on a linear meter of the length of the compensator will be 10 tons. Accordingly, the compensator materials in the known method, and their number must necessarily include polymers or rubber, will not withstand operation for a long time due to the creep of polymers or aging of rubber. For example, the MSU building in Moscow is almost 70 years old.
  • the force per linear meter of fastening is equal to half of the total force acting on the compensator, that is, 9000 kg (9 tons). It is clear that with such an effective load, it is impossible to repair the compensator without relieving the fluid pressure in the volume.
  • the dimensions of the compensator which ensures the sealing of the space between the slabs along the perimeter, are designed based on the estimated predicted amplitude of movement of the foundation during an earthquake.
  • earthquake amplitudes are extremely difficult to calculate. And no one can guarantee that an earthquake with an amplitude greater than the calculated one will not occur in a given area.
  • the expansion joint in some parts of the building will be collapsed, water will quickly begin to flow out from under the building through channels, the foundation slab and the base plate of the building mass will come into contact (no longer separated) and the friction coefficient will increase to several tens of percent.
  • the existing pipeline will not be able to maintain the fluid pressure under the building because its cross-section (performance) will not be able to provide the required flow, and the reserve capacity of liquid is simply not enough for the entire duration of the earthquake.
  • the well-known patent does not discuss at all the maintainability of the elements that ensure sealing of the space between the slabs along the perimeter, which is necessary for the implementation of the known method. Almost all components and parts that provide the specified sealing are under high pressure and in order to replace or repair something, it is necessary to relieve the pressure, that is, to place the base plate of the building mass on the foundation slab, thereby completely turning off the building’s protection from earthquakes.
  • the building mass is in a state of unstable equilibrium (the point of application of the force from the liquid is located below the center of mass of the building mass) and if there is, for example, an uneven load on the base plate of the building mass or simply a random disturbance, the slab will tilt and will be pressed against the foundation slab, which will unpredictably increase the effective coefficient of friction, and the foundation base slab and the building mass base slab will no longer be completely separated from each other.
  • the patent description talks about reducing the coefficient of friction due to the presence of water at the points of contact of the plates, it is necessary to remember the unevenness of the base plates of the foundation and the mass of the building, which will certainly actually cling to each other.
  • the technical result of the proposed technical solution is to preserve the main advantages of the prototype - providing passive seismic protection of buildings from destruction during earthquakes by separating inertial masses, that is, reliable separation of the building mass from the foundation, by installing between them a volume filled with liquid under pressure, balancing the weight of the mass building, while simultaneously eliminating its specified shortcomings.
  • the specified technical result in the method of passive protection of buildings from horizontal vibrations of the earth's crust during earthquakes including separation of the building mass from the moving supporting part of the foundation located in the earth's crust, by placing between them a sealed volume filled with liquid under excess pressure sufficient to hold the weight of the building, this is achieved by the fact that a liquid with a high coefficient of dynamic viscosity is used as a liquid, and the sealed volume is made in the form of one or several horizontal or close to horizontal gaps, separated by sealing seals into one or more separate sealed volumes located in plan between the building mass and the movable supporting part of the foundation, while the size of the gap exceeds the total height of the unevenness of the foundation support slabs and the building mass forming the gap, by the minimum thickness of the liquid layer that provides the building mass with an effective coefficient of viscous friction sufficient to protect the building from the effects of a seismic wave.
  • the effective coefficient of friction reaches a value of less than 1% even at very small values of the horizontal gap.
  • fuel oil dynamic viscosity 0.064 Pa s
  • the effective friction coefficient becomes less than 1%.
  • the friction coefficient becomes even smaller.
  • the gap in which the sealed volume is made is small, the vertical size of the sealing seal is also small, and the force acting on it from the liquid under high pressure is also negligible. So, for example, at a pressure in the liquid of 10 atm with a gap of less than 10 mm, per linear meter of the sealing seal, the effective force is only a few tens of kilograms, whereas in the prototype the similar force is about 10 tons. Therefore, in the proposed method, if the seals are damaged during an earthquake, it will be possible to easily restore the seal without even reducing the pressure in the liquid.
  • the fluid consumption when the seal of the volume is violated in comparison with the prototype is many times less, due to the fact that the coefficient of dynamic viscosity, for example, of fuel oil is approximately 100 times greater than the viscosity of water, and the gap is at least 10 times smaller than the size of the channels (channel size exceeds the maximum horizontal displacement of the design seismic impact) in the prototype foundation.
  • the flow rate of fuel oil is approximately 10 5 times less than the flow rate of water in the prototype, all other things being equal.
  • each sealed volume with an autonomous pipeline for supplying liquid to it, as well as means for monitoring its pressure and the filling level of the volume. Thanks to the presence of an autonomous pipeline, it is possible to protect the building from the effects of an earthquake for a long time, despite the presence of a local liquid leak.
  • oil of various grades purified from mechanical impurities, or fuel oil of various grades, or glycerin, as a liquid with a high coefficient of dynamic viscosity.
  • These viscous liquids are capable of retaining their properties for a long time (many decades) and, therefore, provide reliable protection of the building from horizontal vibrations of the earth's crust during earthquakes.
  • the inventive method of passive protection of a building thanks to the use of a viscous liquid in a small gap between the mass of the building and the supporting part of the foundation located in the earth's crust, allows not only to eliminate the main disadvantages of the prototype, but also to acquire a number of new additional advantages.
  • the use of a viscous fluid and a small gap between the building mass and the supporting part of the foundation allows the reliability of seismic protection devices to be greatly increased. Even in the event of a violation of the tightness of the volumes, the time required to increase the effective friction coefficient to a value of 1% is very long.
  • the proposed method of protection is universal, since it can be used both to protect high-rise buildings and any structures that require reliable protection from horizontal vibrations of the earth's crust during earthquakes, for example, nuclear power plants.
  • restoring the functioning of the proposed method of protecting a building after an earthquake, in which the tightness of the seal was broken in any area consists simply of restoring the sealing seal, which can be done without reducing the pressure in the liquid in almost any way, up to plugging the gap with tow or a plumbing cable.
  • the proposed technical solution makes it possible to significantly reduce the cost of seismic protection of a building compared to the prototype, since its implementation does not require expensive parts and assemblies made of polymers and rubber.
  • the area of the compensator per linear meter of the perimeter of the building is approximately 0.5 m 2 , which, with a declared thickness of 2 mm (which in our opinion is clearly not enough for long-term operation of polymer materials), is approximately 2.5 kg, whereas in the claimed method, the area of the sealing seal is only 0.01 m 2 weighing about 100 g.
  • expansion joints must have fastening elements for fastening to the foundation and base plate of the building mass (we remind you that the fastening elements, in the above example, must hold 9 tons per linear meter each), whereas the claimed sealing seal can be held in the gap only due to friction against the walls of the gap (the force is only 360 kg per linear meter with a gap of 10 mm).
  • the proposed method remains operational under any conditions, i.e. until the viscous liquid almost completely flows out of the gap. Even if all the seals are broken, liquid flows through them and there are only a few tenths of a millimeter left in the gap, the effective coefficient of friction between the building mass and the supporting part of the foundation will still be less than one percent.
  • the time it takes for liquid to flow out of a volume with a diameter of 100 m is approximately several days. This time is indicated without the use of a secondary supply system for leaked and purified fuel oil back into the depressurized volume. The use of this system can increase the time of passive seismic protection of a building to several months or more.
  • the proposed method makes it possible to significantly expand the capabilities of passive seismic protection of a building due to the separation of the building mass from the moving supporting part of the foundation located in the earth's crust, by a gap divided into one or several volumes using sealing seals filled with a viscous liquid under pressure that holds the building, Moreover, the claimed seismic protection of the building remains operational for a long time even when the volumes are depressurized, which has no analogues among the known methods used to protect buildings from horizontal vibrations of the earth’s crust during earthquakes, which means that the claimed method meets the “inventive step” criterion.
  • Figure 1 shows a drawing explaining the implementation of the proposed method of protecting buildings from horizontal vibrations of the earth's crust during earthquakes, using the separation of the building mass from the movable supporting part of the foundation located in the earth's crust, by placing between them a sealed volume filled with liquid under excess pressure, where: 1 - the soil on which the foundation of building 2 is located; 3 - mass of the building, separated from the foundation by a sealed volume 4 in the form of a gap limited by a sealing seal 5; 6 - spring supports that give stability and keep the building mass from tilting, placed in wells 7.
  • the proportion is violated, and the height of the gap is greatly increased.
  • Figure 2 shows a cross-sectional drawing A-A (see Figure 1), which shows a single sealed volume 4 formed in the slot and limited by a sealing seal 5 with a viscous liquid, as well as wells 7, depicted in the form of squares with crosshairs (spring supports 6, placed in wells 7 are not shown in the figure) against the background of the foundation of building 2.
  • FIG. Figure 3 shows a drawing explaining the implementation of the proposed method of protecting buildings from horizontal vibrations of the earth's crust during earthquakes, using the separation of the building mass from the movable supporting part of the foundation located in the earth's crust, by placing between them several sealed volumes filled with liquid under excess pressure, where: 8 - foundation of the building; 9 - massif of the building, separated from the foundation by sealed volumes 1 Oa - 1 Ov (volume 1 Ov is not visible in Fig. 3, but is shown in section B-B in Fig. 4).
  • FIG. 4 shows a cross-sectional drawing B-B (see Fig. 3), in which, on a round foundation 8, three sealed volumes 10a - 10b are presented in the form of circles, formed in a single gap using sealing seals 11 a - 11b and filled with liquid under excess pressure .
  • Figure 5 shows a cross-sectional drawing C-C (see Figure 4), explaining the location on the foundation 8, installed in the earth's crust 13, of sealed volumes 10a and 106, made using sealing seals 11a and 11b in a single gap.
  • FIG. 6 shows a drawing explaining another implementation of the proposed method of protecting buildings from horizontal vibrations of the earth's crust during earthquakes, using the separation of the building mass from the movable supporting part of the foundation located in the earth's crust, by placing between them several sealed volumes, made in several gaps located in one plane, which are separated from each other by a technological passage and filled with liquid under excess pressure, where: 13 - the foundation of the building; 14 - the mass of the building, separated from the foundation by sealed volumes 15a-15g (only 15a and 156 are visible in the figure), while the gaps are formed by the base plate of the foundation 13 and individual slabs 16a-16g (only 16a and 166 are visible in the figure); 17 - ladder for descending into the technological passage.
  • FIG. 7 shows a cross-sectional drawing D-D (see Fig. 6), in which on the foundation 13 there are four sealed volumes 15a - 15g, formed in four separate gaps located in the same plane, using sealing seals 19a - 19g and separated from each other by technological passages 18, while the volumes are filled with liquid under excess pressure.
  • Figure 8 shows a cross-sectional drawing E-E (see Figure 7), explaining the structure of the vertical section of the building, which shows the foundation of the building 13 made in the earth's crust 20, on which sealed volumes with liquid 15a and 156 are located with seals 19a and 196 in separate, lying in the same plane, gaps formed by a common base plate of the foundation and separate and the upper plates 16a and 166, on which the mass of the building 14 is located, while the volumes are separated from each other by technological passages 18.
  • FIG. 9 shows a drawing explaining another implementation of the proposed method of protecting buildings from horizontal vibrations of the earth's crust during earthquakes, using the separation of the building mass from the movable supporting part of the foundation located in the earth's crust, by placing between them several sealed volumes made in several gaps located in different parallel planes, which are separated from each other by a technological passage and filled with liquid under excess pressure, where: 21 - the foundation of the building; 22 - the mass of the building, separated from the foundation by sealed volumes 23a-23d (only 23a and 236 are visible in the figure), while the gaps are formed by separate slabs 24a-24d (only 24a and 246 are visible in the figure) lying on the foundation 21 and individual slabs 25a- 25g (only 25a and 256 are visible in the figure), adjacent to the mass of building 22; 26 - ladder for descending into technological passage 27.
  • FIG. 10 shows a cross-sectional drawing F-F (see Fig. 9), in which the foundation plan shows four sealed volumes 23a - 23d, formed in four separate gaps located in two parallel planes (23a and 23d in the same plane, and 236 and 23c - in the other, see Fig.9), using sealing seals 28a - 28g and separated from each other by technological passages 27, and the volumes are filled with liquid under excess pressure.
  • FIG. 11 shows a cross-sectional drawing G-G (see Fig. 10), explaining the structure of the vertical section of the building, which shows the multi-level foundation of the building 21 made in the earth's crust 29, on which sealed volumes with liquid 23a and 236 are located, made using seals 28a and 286 installed on the perimeter of the gaps formed by individual slabs 24a-246 adjacent to the foundation 21 and individual slabs 25a-25b adjacent to the mass of the building 22.
  • FIG. 12 shows a cross-sectional drawing of a separate module, which is a sealed volume with liquid, which can be manufactured in a factory and delivered to the construction site. Such modules can be laid between the foundation of the building and its mass.
  • the module is a sealed volume 31 filled with a viscous liquid, which is made in the gap between the lower plate 30 and the upper 33, and is limited along the perimeter by a hermetically sealed seal 32.
  • FIG. 13 is a cross-sectional drawing of the upgraded individual module shown in FIG. 12.
  • the module additionally includes a liquid collection device 37 in case of leakage when the seal 36 is broken.
  • the figure on the left shows the location of the seal failure in section 36a and, as a consequence, the leakage of liquid from the volume 35 formed in the gap between the plates 34 and 38.
  • the liquid flows into device 37a, which is a waste channel around the perimeter of the module for collecting and recycling liquid in cases of leakage of volume 35.
  • FIG. 14 shows a cross-sectional drawing of a modernized separate module, which consists of several (two are shown in the figure) sealed volumes with liquid with a common central channel for collecting liquid, which can be manufactured in a factory and delivered to the construction site.
  • the module includes: lower and upper concrete slabs 39 and 46 in the gap between which there are two sealed volumes with liquid 40 and 41, limited by two seals 42 and 43, while in areas of seals 42a and 43a there is no leakage, and in areas 426 and 436 there are cracks through which the liquid is baked.
  • Through channels 44 organized around the perimeter of the module, as well as through the central common channel 45, the liquid is collected for reuse.
  • FIG. 15 shows a simplified block diagram of one of the options for implementing the recycling of liquid flowing from the volume 50 formed in the gap between the lower and upper plates 47 and 48 and limited along the perimeter by the seal 49.
  • section 49a the seal is damaged and the liquid flows into channel 51.
  • the liquid flows through channels 51 to a section of the channel 51a (it is located below all other sections on the perimeter), where the intake pipe 52 is located, through which the liquid enters the filter 53 using a pump 54.
  • shut-off valves 55 and 56 To measure the pressure in the sealed volume 50, to measure leakage liquid and its replenishment, use a pressure gauge 57, a supply pipe 58 and shut-off valves 55 and 56 (the shut-off valves are shown in the figure conditionally to simplify the understanding of the processes occurring in the block diagram, and the number of units and types of real pipe fittings can be significantly greater compared to shown in the figure).
  • FIG. 16 shows a drawing of a fragment of the cross-section of a separate module, which is a sealed volume with liquid, where: 59 - the bottom plate of the module adjacent to the foundation (the foundation is not shown); 60 - upper plate of the module adjacent to the building mass (the building mass is not shown); 61 - a sealed volume filled with a viscous liquid, which is made in the gap between the lower plate 59 and the upper 60, and is limited around the perimeter by a hermetic seal 62.
  • the left side of the figure shows: D1 - the absolute value of the roughness of the lower surface of the upper plate 60; D2 is the absolute value of the roughness of the upper surface of the lower plate 59; - the value of the minimum thickness of the liquid layer that provides the building mass with the value of the effective coefficient of viscous friction necessary to protect the building from the effects of a seismic wave; S is the total thickness of the gap of the sealed volume of liquid.
  • spring supports 6 along the perimeter of the building, for example, placed in wells 7. They will give the building mass stability.
  • the design of spring supports can be any. In this case, given as an example, a traditional coil spring
  • a foundation 2 is laid in the ground 1. If the dimensions of the building in plan are not large, then a sealing seal 5 is installed on the upper supporting surface of the foundation 2, and spring supports 6 are installed in the wells 7, giving stability and keeping the building mass from tilting. A viscous liquid is poured into the sealed space 4 thus formed. From above it is closed by the base slab of the mass of building 3 (the slab in the figure is conventionally made integral with the mass of the building). The sealed volume thus obtained in plan has a size smaller than the size of the foundation by the amount of the predicted earthquake amplitude. This is done so that the tightness of the volume is not broken during an earthquake.
  • the amplitudes of predicted earthquakes are extremely difficult to calculate. And no one can guarantee that an earthquake with an amplitude greater than the calculated one will not occur in a given area. In this case, the tightness of the volume will be broken and the liquid will begin to flow out through the resulting gap. But, as mentioned above, the size of the gap is not large, and the liquid in the gap is viscous, so it will flow out of the volume for a very long time and there will always be some fairly thick layer in the gap, which will protect the building for even several days. In addition, the figure shows that the damaged seal has external access and can be restored using the simplest means, for example, temporarily caulking it with a plumber’s caulk.
  • the figure shows a variant with three sealed volumes 10a-10b. It is known that the position of a plane in space is uniquely determined by three points; in this case, the presence of three sealed volumes makes the position of the building mass in space stable. This option does not require additional spring supports, unlike the previous option. Sealed volumes do not have to be round as in Fig.4. Their shape can be arbitrary, but the number must be at least three. If there are only two sealed volumes, then in the direction perpendicular to the line passing through both volumes, the building will be in unstable equilibrium, which means that additional spring supports will be required in this direction.
  • This implementation of the method allows, firstly, to simplify the building construction process due to the fact that the volumes on top are limited to individual slabs, the size of which is half the size and they are easier to install and transport to the construction site.
  • the foundation area is divided by technological passages 27 into four separate platforms, on which the lower slabs 24a-24g are laid, which, together with the upper individual slabs 25a-25g and the sealing seal 28a-28g (see Fig. 10), form four separate sealed volumes 23a-23g , i.e. four independent modules.
  • the number of planes of different heights on the foundation can be significantly more than two.
  • technological passages 27 are made, to which stairs 26 lead.
  • the method for calculating seismic protection in the proposed method consists of the following operations:
  • the minimum permissible gap value is calculated.
  • the minimum size (in plan) of a single sealed volume is calculated.
  • FIG. 12 shows a cross-sectional drawing of a separate module, which is a sealed volume with liquid, which can be manufactured in a factory and delivered to the construction site as a component item.
  • modules can be laid on the foundation, and on the top slabs of such modules the base plate of the building mass and then the building itself can be assembled.
  • the module is a sealed volume 31 filled with a viscous liquid, which is made in the gap between the bottom plate 30 and the top 33, and is limited around the perimeter by a hermetic seal 32.
  • the pressure in the liquid is minimal (it supports only the top plate of the module), but As construction progresses and, accordingly, the load on the module increases, the pressure in the liquid will rise up to the calculated value. In this case, there will be no changes in the dimensions of the module, since the liquid is practically incompressible.
  • the module additionally includes a liquid collection device 37 in case of leakage when the seal 36 is broken.
  • the figure on the left shows the location of the seal failure in section 36a and, as a consequence, the leakage of liquid from the volume 35 formed in the gap between plates 34 and 38. Liquid flows into liquid collection device 37 at section 37a.
  • Device 37 is a drain channel around the perimeter of the module for collecting and recycling liquid in cases of failure of the seal of volume 35.
  • FIG. 14 shows a cross-sectional drawing of a modernized separate module, which consists of several (two are shown in the figure) sealed volumes with liquid with a common central channel for collecting liquid, which can be manufactured in a factory and delivered to the construction site.
  • the module includes: lower and upper concrete slabs 39 and 46, in the gap between which there are two sealed volumes with liquid 40 and 41, limited by two seals 42 and 43, while in areas of seals 42a and 43a there is no leakage, and in areas 426 and 436 there are cracks through which liquid flows out.
  • Through channels 44 organized around the perimeter of the module, as well as through the central common channel 45, the liquid is collected for reuse.
  • the channels for collecting the flowing liquid are formed not only by individual parts made, for example, of metal, but are also formed directly in the lower concrete slab.
  • FIG. 15 shows the logical development of the module implementation with the collection of leaking liquid in the form of a simplified block diagram of a system for recycling the leaking liquid.
  • the leaked liquid flows into the liquid collection device 51 and is collected in the area 51a located below the rest.
  • the collected liquid is taken through pipeline 52 by pump 54, while it first passes through filter 53 (where it is cleaned of impurities and dust) and prepared for reuse.
  • the presence of shut-off valves and a pressure gauge allows you to estimate the amount of leakage liquid according to the time of pressure drop in volume 50.
  • the shut-off valves are shown conventionally to simplify the understanding of the processes occurring in the block diagram, and the number of units and types of real pipe fittings can be significantly greater than those shown in the figure.
  • FIG. 16 shows a drawing of a fragment of a section of a separate module, which makes it possible to explain the essence of the method and the basis for choosing the size of the gap between the lower plate 59 and the upper 60 when designing a sealed volume 61 in the proposed method.
  • the figure shows on an enlarged scale the unevenness (roughness) of the surfaces forming the gap: D1 - absolute value of the roughness of the upper surface of the gap (slab 60); D2 is the absolute value of the roughness of the bottom surface of the gap (plate 59).
  • the gap S (see Fig. 16) must be greater than the sum of these two values, otherwise the irregularities of the plates will cling to each other and form a large uncontrolled effective coefficient of friction.
  • the effective coefficient of friction is the ratio of the force of viscous friction per unit surface area of the base plate of the building mass to the average pressure of the building on the ground:
  • the force of viscous friction per unit surface area is determined by the formula:
  • az the coefficient of dynamic viscosity of the liquid
  • let’s take fuel oil as a viscous liquid.
  • the coefficient of dynamic viscosity az is about Sha c.
  • the displacement speed of the foundation together with the soil V during an earthquake is about 1 m/s.
  • the surface of untreated concrete structures always has unevenness.
  • the regulatory technical documentation specifies five categories of concrete surface quality from AZ to A7.
  • the volume of liquid under the foundation of a building is determined from geometric considerations:

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Emergency Management (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Buildings Adapted To Withstand Abnormal External Influences (AREA)

Abstract

The invention relates to the field of earthquake-resistant construction and can be used for earthquake-proofing tall structures against kinematic effects in a low-frequency range. Claimed is a method for passively protecting buildings against horizontal vibrations of the Earth's crust in the event of earthquakes, which includes separating the body of a building from a movable supporting part of a foundation, disposed in the Earth's crust, by creating a hermetically sealed space therebetween which is filled with a fluid under a positive pressure sufficient to hold the weight of the building. What is novel is that the fluid used is a fluid which has a high coefficient of dynamic viscosity, and the hermetically sealed space is configured in the form of one or a number of horizontal or near-horizontal gaps divided by seals into one or a number of hermetically sealed spaces arranged in plan between the body of the building and the movable supporting part of the foundation, wherein the size of a gap exceeds the total height of any roughness of the load-bearing slabs of the foundation and the body of the building, which delimit said gap, by the amount of the minimum fluid layer thickness required to give the body of the building an effective viscous damping coefficient sufficient to protect the building against the effect of a seismic wave.

Description

Способ защиты высотных сооружений от сейсмических воздействий Method for protecting high-rise structures from seismic influences
Изобретение относится к области сейсмостойкого строительства, и может быть использовано для сейсмозащиты высотных сооружений от влияния кинематического воздействия в диапазоне низких частот. The invention relates to the field of earthquake-resistant construction, and can be used for seismic protection of high-rise buildings from the influence of kinematic influences in the low frequency range.
Предшествующий уровень техники Prior Art
По мере роста численности населения и уплотнения городов растет острая необходимость в инновационных решениях в строительстве. Мегаполисы перенасыщаются, и нехватка пространств заставляет увеличивать высоту зданий. В настоящее время здания в городах высотой 20-30 этажей уже считаются нормой даже в Сибири, где, казалось бы, нет проблем со свободными площадями. При этом многие территории на земном шаре испытывают относительно регулярные и довольно мощные сейсмические воздействия, приводящие к трагическим последствиям. Примеров тому, особенно в последнее время, достаточно много. В связи с этим есть необходимость строить в зонах возможных землетрясений сейсмоустойчивые здания и сооружения. As populations grow and cities become denser, the need for innovative construction solutions increases. Megacities are becoming oversaturated, and the lack of space is forcing the height of buildings to increase. Currently, buildings in cities with a height of 20-30 floors are already considered the norm, even in Siberia, where, it would seem, there are no problems with free space. At the same time, many territories on the globe experience relatively regular and quite powerful seismic impacts, leading to tragic consequences. There are many examples of this, especially recently. In this regard, there is a need to build earthquake-resistant buildings and structures in areas of possible earthquakes.
Сейсмоустойчивость - это способность построек, конструкций, плотин и дорог выдерживать землетрясения с минимальными повреждениями, htps://www.saveplanet.su/nts term 4150.htmlSeismic resistance is the ability of buildings, structures, dams and roads to withstand earthquakes with minimal damage, http://www.saveplanet.su/nts term 4150.html
Самым первым, приходящим на ум, способом защиты от землетрясений является увеличение изгибной прочности высотных зданий. Однако такое решение обходится слишком дорого, так как требует большого количества металлических конструкций, увеличивающих прочность здания «на разрыв». Металл необходим потому, что большинство строительных материалов, таких как бетон, кирпич или кладочный раствор, имеют чрезвычайно малую прочность на разрыв. Поэтому в конструкцию высотных строений всегда закладываются элементы, увеличивающие прочность всего строения на разрыв. The very first way to protect against earthquakes that comes to mind is to increase the bending strength of high-rise buildings. However, this solution is too expensive, as it requires a large number of metal structures that increase the tensile strength of the building. Metal is needed because most building materials, such as concrete, brick or mortar, have extremely low tensile strength. Therefore, the design of high-rise buildings always includes elements that increase the tensile strength of the entire structure.
Например, в статье «Сейсмоустойчивость зданий. Справка» https://ria.ru/20110311 /344900842.html указывается, что сборные железобетонные перекрытия замоноличивают и в горизонтальной плоскости, и с вертикальными несущими конструкциями. Для связи с элементами каркаса в панелях (плитах) предусматривают выпуски арматуры или закладные детали. Перегородки из кирпича или камня армируют на всю длину не реже, чем через 700 мм по высоте стержнями общим сечением в шве не менее 0,2 кв. см. For example, in the article “Seismic resistance of buildings. Help" https://ria.ru/20110311 /344900842.html it is indicated that prefabricated reinforced concrete floors are monolithic both in the horizontal plane and with vertical load-bearing structures. To connect with the frame elements, reinforcement outlets or embedded parts are provided in the panels (slabs). Partitions made of brick or stone are reinforced along the entire length at least every 700 mm in height with rods with a total cross-section in the joint of at least 0.2 square meters. cm.
Там же говорится, что в мире разрабатываются разнообразные устройства систем сейсмозащиты. Наблюдаются следующие направления в сейсмозащите. It also says that various seismic protection systems are being developed around the world. The following trends in seismic protection are observed.
Первое направление - это применение сейсмоизоляции зданий, которая устраивается, как правило, в нижних этажах. Это различные резинометаллические опоры самой различной модификации, с низким и высоким демпфированием, с сердечником из свинца и без него, с применением различных материалов. Есть также фрикционные скользящие опоры маятникового типа. И те и другие опоры применяются в мире очень широко. The first direction is the use of seismic insulation of buildings, which is usually installed in the lower floors. These are various rubber-metal supports of various modifications, with low and high damping, with and without a lead core, using various materials. There are also pendulum-type friction sliding supports. Both types of supports are used very widely in the world.
Второе направление - применение демпфирования (гашения колебаний), которое известно очень давно и постоянно совершенствуется. Для высотного строительства, как правило, используется сочетание: сейсмоизоляцию располагают в нижнем этаже, а по высоте здания устанавливают демпфирование. Сейчас производители предлагают самые различные демпферы: металлические, жидкостные, есть специальные сплавы с памятью, специальные демпфирующие стены, последние устройства, хотя и относительно дорогие, но достаточно эффективные. The second direction is the use of damping (vibration damping), which has been known for a very long time and is constantly being improved. For high-rise construction, as a rule, a combination is used: seismic insulation is placed in the lower floor, and damping is installed along the height of the building. Now manufacturers offer a wide variety of dampers: metal, liquid, there are special alloys with memory, special damping walls, the latest devices, although relatively expensive, are quite effective.
По способу применения все системы сейсмозащиты можно разделить на пассивные и активные. Пассивные системы не требуют никакого управления. Они автоматически отвечают на возникающие сейсмические колебания. Активные системы регистрируют сейсмические колебания, и воздействуют на здание таким образом, чтобы напряжения в его конструкциях были минимальны. Часто активная система управляет какой-то большой массой, находящейся внутри здания, перемещая ее так, чтобы скомпенсировать внешнее воздействие. According to the method of application, all seismic protection systems can be divided into passive and active. Passive systems do not require any control. They automatically respond to seismic vibrations that occur. Active systems register seismic vibrations and act on the building in such a way that stresses in its structures are minimal. Often an active system controls some large mass located inside a building, moving it so as to compensate for external influences.
Пассивные системы защиты часто основаны на том, что здание отделяется от фундамента и связывается с ним или только за счет сил трения, или пружинными связями низкой жесткости. При этом, чем меньше коэффициент трения между фундаментом и собственно зданием, тем меньшие силы воздействуют на здание. Если предположить, что трение совсем отсутствует, то при горизонтальных перемещениях фундамента (вместе с грунтом), здание останется неподвижным, поскольку нет действующих на него сил. Passive protection systems are often based on the fact that the building is separated from the foundation and is connected to it either by frictional forces only, or by low-stiffness spring connections. Moreover, the lower the coefficient of friction between the foundation and the building itself, the smaller the forces acting on the building. If we assume that there is no friction at all, then with horizontal movements of the foundation (together with the soil), the building will remain motionless, since there are no forces acting on it.
На основании вышесказанного, можно сформулировать ряд жестких требований, которые должны быть предъявлены к способам сейсмозащиты. Based on the above, it is possible to formulate a number of strict requirements that must be presented to seismic protection methods.
Во-первых, все высотные сооружения, строительство которых может продолжаться в течение нескольких лет, должны, как минимум, оснащаться способом пассивной сейсмозащиты, который способен сохранить от разрушения строящееся здание, т.к. все способы активной сейсмозащиты начинают работать только после окончания строительных работ. Firstly, all high-rise buildings, the construction of which can continue for several years, must, at a minimum, be equipped with a method of passive seismic protection that can protect the building under construction from destruction, because all methods of active seismic protection begin to work only after the completion of construction work.
Во-вторых, способ сейсмозащиты должен быть готов к защите здания от землетрясения сразу после закладки его фундамента и до конца эксплуатации сооружения, т.е. на срок до 50 лет. Secondly, the seismic protection method must be ready to protect the building from an earthquake immediately after laying its foundation and until the end of the structure’s operation, i.e. for up to 50 years.
В-третьих, способ сейсмозащиты должен быть универсальным, т.е. пригодным к возведению целого комплекса сооружений, включающем: здания различной высоты; здания различной (в плане) конфигурации; здания многократно отличающихся друг от друга по массе, применяемым для возведения каркаса здания строительным материалам и технологиям строительства. Thirdly, the seismic protection method must be universal, i.e. suitable for the construction of a whole complex of structures, including: buildings of various heights; buildings of various (plan) configurations; buildings that differ many times from each other in weight, building materials and construction technologies used to construct the building frame.
В-четвертых, способ сейсмозащиты должен быть достаточно дешев и прост при тиражировании. Fourthly, the seismic protection method should be quite cheap and easy to replicate.
В-пятых, способ сейсмозащиты должен оставаться в работоспособном состоянии после произошедшего землетрясения и/или иметь возможность проведения быстрых ремонтных работ по восстановлению его функционирования в полном объеме. Fifthly, the seismic protection method must remain operational after an earthquake has occurred and/or be able to carry out quick repair work to restore its full functionality.
В-шестых, способ сейсмозащиты должен, гарантировано защищать здание от землетрясения, даже в случаях, если его амплитуда превышает расчетную, поскольку предсказание землетрясений очень сложная задача, а тем более практически невозможно предсказать предельную амплитуду в месте строительства здания, сооружения, например, вблизи (термин вблизи является условным, и распространяется на сотни километров) мест природных или техногенных источников геологических катаклизмов. Поэтому, например, голландцы практически полностью прекращают добы- чу газа на месторождении «Гронинген» (скважины месторождения расположены на севере Нидерландов и шельфе Северного моря), эксплуатация которого привела к негативным геологическим процессам, в том числе землетрясениям и просадкам поверхности земли (см. https://ru.abcdef.wiki/wiki/Groningen gas field). Sixthly, the seismic protection method must be guaranteed to protect the building from earthquakes, even in cases where its amplitude exceeds the calculated one, since predicting earthquakes is a very difficult task, and even more so it is almost impossible to predict the maximum amplitude at the site of construction of a building or structure, for example, near ( the term near is conditional and extends to hundreds of kilometers) places of natural or man-made sources of geological disasters. Therefore, for example, the Dutch almost completely stop mining reserves of gas in the Groningen field (the field's wells are located in the north of the Netherlands and the North Sea shelf), the exploitation of which led to negative geological processes, including earthquakes and subsidence of the earth's surface (see https://ru.abcdef.wiki/wiki /Groningen gas field).
Известно, что самые древние стены, были построены из сложенных друг на друга камней без всякого связующего (глины, раствора, клея и т.п.). Такой способ строительства принято называть «сухой кладкой». Многие такие постройки сохранились до наших дней. См., например, полигональные кладки инков - https://ru.wikipedia.org/wiki/Cyxan кладка. It is known that the most ancient walls were built from stones stacked on top of each other without any binder (clay, mortar, glue, etc.). This method of construction is usually called “dry masonry”. Many such buildings have survived to this day. See, for example, the polygonal masonry of the Incas - https://ru.wikipedia.org/wiki/Cyxan masonry.
За счет того, что отсутствует связь между рядами камней, камни в полигональной кладке при землетрясении колеблются отдельно каждый сам по себе и после прекращения воздействия вновь встают на свои места. В стенах, при этом, не возникает никаких изгибных напряжений, которые обычно и ломают камни, кирпичи и раствор. Due to the fact that there is no connection between the rows of stones, the stones in polygonal masonry during an earthquake vibrate separately, each on its own, and after the impact ceases, they return to their places. In this case, no bending stresses arise in the walls, which usually break stones, bricks and mortar.
Основным недостатком полигональной кладки, является то, что возведенные таким способом здания не могут иметь большую высоту. Такие стены не способны выдерживать ветровые нагрузки, особенно если здание в плане имеет небольшой размер по сравнению с высотой. The main disadvantage of polygonal masonry is that buildings erected in this way cannot have a greater height. Such walls are not able to withstand wind loads, especially if the building is small in plan compared to its height.
Известен пассивный способ зашиты зданий и сооружений, раскрытый в описании патента на фундамент сейсмически защищенного здания (см. патент РФ №2388869, МКИ E02D 27/34, 2010г.). A passive method of protecting buildings and structures is known, disclosed in the description of a patent for the foundation of a seismically protected building (see RF patent No. 2388869, MKI E02D 27/34, 2010).
Сущность известного пассивного способа защиты зданий от землетрясений заключается в том, что фундамент отделяют от массива здания. При этом усилие на массив здания со стороны двигающегося вместе с поверхностной волной землетрясения передается только за счет силы трения. Чем эта сила меньше, тем целее массив здания. Величина силы трения обычно определяется эффективным коэффициентом трения (эффективный коэффициент трения равен отношению силы трения к весу здания). The essence of the known passive method of protecting buildings from earthquakes is that the foundation is separated from the mass of the building. In this case, the force on the building mass from the side of the earthquake moving along with the surface wave is transmitted only due to the force of friction. The smaller this force, the more intact the mass of the building. The magnitude of the friction force is usually determined by the effective coefficient of friction (the effective coefficient of friction is equal to the ratio of the friction force to the weight of the building).
Для снижения коэффициента трения в нижней опорной части массива здания в известном изобретении устанавливаются сейсмоизолирующие опоры, каждая из которых выполнена в виде замкнутого герметичного заполненного водой гидрообъема, причем замкнутый гидрообъём каждой сейсмоопоры отделен от гидрообъёмов остальных сейсмоопор и верхней частью неподвижно связан с опорной плитой массива здания, а снизу ограничен гладким покрытием из листового тефлона поверхности верха фундаментной опорной плиты. С боков гидрообъемы ограничены прижимными деталями скользящего уплотнения. Жидкость внутри гидрообъемов находится под таким давлением, чтобы удерживать весь массив здания. Заметим, что в известном способе жидкость закачивается под рабочим давлением в гидрообъемы только после окончания строительства. До этого момента массив здания стоит на стенках гидрообъемов и дополнительных опорах, расположенных внутри гидрообъемов. To reduce the coefficient of friction in the lower supporting part of the building mass, in the known invention, seismic isolating supports are installed, each of which is made in the form of a closed, sealed hydraulic volume filled with water, and the closed hydraulic volume of each seismic support is separated from the hydraulic volumes of the remaining seismic supports and the upper part is fixedly connected to the base plate of the building mass. and from below is limited by a smooth Teflon sheet coating on the surface of the top of the foundation base plate. On the sides, the hydraulic volumes are limited by the clamping parts of the sliding seal. The liquid inside the hydraulic volumes is under such pressure as to hold the entire mass of the building. Note that in the known method, liquid is pumped under operating pressure into hydraulic volumes only after construction is completed. Until this moment, the building mass stands on the walls of the hydraulic volumes and additional supports located inside the hydraulic volumes.
При землетрясении массив здания, размещенный на верхней опорной плите, скользит по гладкому покрытию фундаментной опорной плиты. Детали скользящего уплотнения с боков гидрообъема удерживают жидкость в объеме и одновременно не дают ей протекать вдоль гладкого покрытия опорной плиты фундамента. Эффективный коэффициент трения при таком способе складывается из вязкого трения жид кости в гидрообъемах и трения скользящего уплотнения. Судя по описанию известного способа, внутри гидрообъема размещены дополнительные опоры, детали скользящего уплотнения и пружины его дополнительного прижатия, следовательно, ясно, что глубина гидрообъема и, соответственно, толщина слоя жидкости в нем достаточно велики (порядка нескольких десятков сантиметров), и поэтому вязкое трение там ничтожно. При этом трение скользящего уплотнения о гладкое покрытие опорной плиты фундамента зависит от конкретной конструкции, но тоже может быть сделано достаточно малым, следовательно, в известном способе вполне можно достичь коэффициента трения порядка 1% и менее. During an earthquake, the building mass, placed on the upper support slab, slides over the smooth surface of the foundation support slab. The sliding seal parts on the sides of the hydraulic volume hold the liquid in the volume and at the same time prevent it from flowing along the smooth coating of the foundation base plate. The effective coefficient of friction with this method consists of the viscous friction of the fluid in the hydraulic volumes and the friction of the sliding seal. Judging by the description of the known method, additional supports, parts of the sliding seal and springs for its additional compression are placed inside the hydraulic volume, therefore, it is clear that the depth of the hydraulic volume and, accordingly, the thickness of the liquid layer in it are quite large (of the order of several tens of centimeters), and therefore viscous friction there is nothing there. In this case, the friction of the sliding seal on the smooth coating of the foundation base plate depends on the specific design, but can also be made quite small, therefore, in the known method it is quite possible to achieve a friction coefficient of the order of 1% or less.
Таким образом, известный способ пассивной сейсмозащиты, позволяет осуществлять защиту возведенного сооружения при горизонтальных колебаниях поверхности при землетрясениях. Thus, the known method of passive seismic protection makes it possible to protect the erected structure during horizontal vibrations of the surface during earthquakes.
Однако известному способу присущи и серьезные недостатки. However, the known method also has serious disadvantages.
Во-первых, он мало подходит для защиты сооружений, предназначенных для длительного срока эксплуатации, т.к. в нем используются скользящие уплотнения, выполненные из полимерных материалов. Практически все полимерные материалы обладают свойством «ползучести». Этот термин означает непрерывное (но медленное) изменение размеров полимера за длительное время под нагрузкой. В известном способе тефлон скользящего уплотнения и гладкого покрытия опорной плиты фундамента со временем будет необратимо деформироваться под нагрузкой и в итоге герметичность гидрообъемов нарушится. После этого вся нагрузка здания ляжет на дополнительные опоры и боковые стенки гидрообъемов. Они упрутся напрямую в покрытие нижней опорной плиты фундамента, а коэффициент трения станет обычным для твердых материалов, и достигнет нескольких десятков процентов. Firstly, it is not suitable for protecting structures intended for long service life, because... it uses sliding seals made of polymer materials. Almost all polymer materials have the property of “creep”. This term refers to the continuous (but slow) change in size of a polymer over a long period of time under load. In the known method, the Teflon sliding seal and smooth coating of the foundation base plate will over time be irreversibly deformed under load and, as a result, the tightness of the hydraulic volumes will be broken. After this, the entire load of the building will fall on the additional supports and side walls of the hydraulic volumes. They will rest directly against the coating of the lower base plate of the foundation, and the friction coefficient will become normal for solid materials and reach several tens of percent.
Во-вторых, между сейсмоопорами за все время эксплуатации здания (50 лет и более) будет постоянно накапливать всевозможный мусор (пыль, остатки жизнедеятельности насекомых, вода и т.п.). В случае засорения зазоров между сейсмоопорами, опоры перестанут двигаться при землетрясении. Из-за этого фундаментная опорная плита жестко соединится с массивом здания, а эффективный коэффициент трения между массивом здания и фундаментом станет равным единице. Фундамент и массив здания окажутся жестко связанными, а воздействие поверхностной волны полностью передастся массиву здания. Secondly, between the seismic supports for the entire period of operation of the building (50 years or more) all kinds of debris (dust, remains of insects, water, etc.) will constantly accumulate. If the gaps between the seismic supports become clogged, the supports will stop moving during an earthquake. Because of this, the foundation support slab will be rigidly connected to the building mass, and the effective coefficient of friction between the building mass and the foundation will become equal to one. The foundation and the mass of the building will be rigidly connected, and the impact of the surface wave will be completely transferred to the mass of the building.
В-третьих, известный способ защиты зданий, начинает работать только после завершения строительства. Это означает, что применять его при строительстве крупных высотных объектов не представляется возможным. Строительство таких объектов занимает порой несколько лет и рассчитывать на то, что за это время не произойдет землетрясения слишком рискованно. Thirdly, the known method of protecting buildings begins to work only after construction is completed. This means that it is not possible to use it in the construction of large high-rise buildings. The construction of such facilities sometimes takes several years and it is too risky to count on the fact that during this time an earthquake will not occur.
В-четвертых, в природе всегда присутствуют слабые сейсмические события, которых мы не замечаем - сейсмические колебания малой амплитуды, как техногенного, так и естественного происхождения. В городской черте к ним еще добавляются колебания от трамваев, большегрузных автомобилей и др. Эти воздействия, за счет их большого количества за годы эксплуатации здания, вполне могут деформировать полимерные детали конструкции за счет усталости материала уплотнения. В результате этого, потеряется подвижность уплотнений и герметичность гидрообъемов, со всеми вытекающими последствиями. Fourthly, in nature there are always weak seismic events that we do not notice - seismic vibrations of small amplitude, both man-made and natural. In urban areas, they are also supplemented by vibrations from trams, heavy vehicles, etc. These impacts, due to their large number over the years of operation of the building, may well deform the polymer parts of the structure due to fatigue of the sealing material. As a result of this, the mobility of the seals and the tightness of the hydraulic volumes will be lost, with all the ensuing consequences.
В-пятых, известный способ довольно дорог в реализации. Большое количество тефлона сильно удорожает строительство. Цена тефлона на рынке почти в 100 раз выше цены стали (в пересчете на единицу объема), поэтому покрытие всей площади фундамента здания тефлоном очень дорогостоящее мероприятие. Fifthly, the known method is quite expensive to implement. A large amount of Teflon greatly increases the cost of construction. The price of Teflon on the market is almost 100 times higher than the price of steel (in terms of unit of volume), so covering the entire area of a building’s foundation with Teflon is a very expensive undertaking.
В-шестых, при вертикальных перемещениях земной поверхности, что не редко при землетрясениях, давление жидкости внутри опор возрастает в (a+g)/g раз, где: а - ускорение вертикального перемещения фундамента; g - ускорение силы тяжести. Поскольку боковые стенки опор имеют довольно большую площадь, то силы от дополнительного увеличения давления способны разрушить гидрообъемы. Sixth, with vertical movements of the earth's surface, which is not uncommon during earthquakes, the fluid pressure inside the supports increases by (a+g)/g times, where: a is the acceleration of the vertical movement of the foundation; g is the acceleration due to gravity. Since the side walls of the supports have a fairly large area, the forces from an additional increase in pressure can destroy the hydraulic volumes.
Наиболее близким к заявляемому, является, взятое в качестве прототипа техническое решение, использующее жидкость для защиты зданий и сооружений от горизонтальных колебаний земной коры при землетрясениях (см. патент РФ №2072406, МКИ E02D 27/34, Е04Н 9/02, 1997г.). Способ обеспечения пассивной сейсмической защиты зданий от разрушений при землетрясениях состоит в использовании жидкости под высоким давлением, которая производит разделение инерционных масс, то есть отделение массива здания от фундамента, путем создания полости заполненной жидкостью, причем полость образована верхней опорной поверхностью массива здания, нижней верхней опорной поверхностью фундамента и компенсатором, герметизирующим объем по периметру. Известный способ предлагает организацию в плитах фундамента и основания массива здания системы каналов (водопроводов), по которым жидкость распределяется практически по всей площади здания. В процессе строительства плиты соприкасаются друг с другом, но при подаче в каналы жидкости под давлением она появляется под всей поверхностью плиты основания массива здания и поддерживает здание в жидкости. В жидкости поддерживается давление равное среднему давлению, создаваемому массивом здания. The closest to the claimed one is a technical solution taken as a prototype, using liquid to protect buildings and structures from horizontal vibrations of the earth's crust during earthquakes (see RF patent No. 2072406, MKI E02D 27/34, E04N 9/02, 1997) . A method of providing passive seismic protection of buildings from destruction during earthquakes is to use a high-pressure liquid, which separates the inertial masses, that is, separates the building mass from the foundation, by creating a cavity filled with liquid, and the cavity is formed by the upper supporting surface of the building mass, the lower upper supporting surface the surface of the foundation and a compensator that seals the volume around the perimeter. The known method suggests organizing a system of channels (water pipelines) in the foundation slabs and base of the building mass, through which the liquid is distributed over almost the entire area of the building. During the construction process, the slabs come into contact with each other, but when liquid under pressure is supplied into the channels, it appears under the entire surface of the base slab of the building mass and supports the building in the liquid. The fluid is maintained at a pressure equal to the average pressure created by the building mass.
Жидкость нагнетается при помощи трубопровода, давление в котором создается за счет гидростатики (за счет высоты столба жидкости). На самом верху трубопровода имеется резервная емкость с жидкостью для компенсации утечек. Чтобы жидкость не утекала из пространства между плитами, по периметру имеется компенсатор, который позволяет фундаменту здания перемещаться в горизонтальном направлении практически без усилий и при этом выполнять функцию герметизации. The liquid is pumped through a pipeline, the pressure in which is created due to hydrostatics (due to the height of the liquid column). At the very top of the pipeline there is a reserve tank with liquid to compensate for leaks. To prevent liquid from leaking out of the space between the slabs, there is a compensator around the perimeter, which allows the foundation of the building to move horizontally with almost no effort and at the same time perform a sealing function.
Известный способ также относится к пассивным способам защиты зданий от землетрясений и его действие тоже основано на принципе отделения массива здания от фундамента, неразрывно связанного с землей. The known method also refers to passive methods of protecting buildings from earthquakes and its action is also based on the principle of separating the building mass from the foundation, which is inextricably linked to the ground.
В известном способе роль субстанции, снижающей эффективный коэффициент трения между фундаментом и массивом здания, исполняет жидкость. Вязкостное трение в жидкости зависит от нескольких величин: динамической вязкости жидкости, высоты щели, в которой эта жидкость находится, и скорости относительного перемещения плит. При обычной для землетрясений скорости перемещения порядка 0,1 м/сек и высоте щели порядка 1 мм коэффициент трения становится ничтожным практически для любых жидкостей. Поэтому эффективный коэффициент трения фактически определяется компенсатором. In the known method, the role of a substance that reduces the effective coefficient of friction between the foundation and the mass of the building is played by a liquid. Viscous friction in a liquid depends on several quantities: the dynamic viscosity of the liquid, the height of the gap in which this liquid is located, and the speed of relative movement of the plates. With a typical earthquake velocity of about 0.1 m/sec and a slit height of about 1 mm, the friction coefficient becomes negligible for almost any liquid. Therefore, the effective coefficient of friction is actually determined by the compensator.
Видно, что величина коэффициента трения при горизонтальных перемещениях фундамента, может быть уменьшена до величины менее 1%. Однако известный способ имеет и свои существенные недостатки. Во-первых, известный способ не может защищать строящееся высотное здание от землетрясений потому, что резервная емкость с жидкостью на самом верху трубопровода, предназначенного для создания гидростатического давления и компенсации утечек жидкости должна находиться на высоте порядка 100 метров. Именно такой столб воды создает давление порядка 10 атм, что примерно соответствует среднему расчетному давлению массива высотного здания на грунт. То есть, пока здание не достигло высоты 100 метров, емкость с жидкостью не может быть установлена, а она является практически основными элементом способа сейсмозащиты. It can be seen that the friction coefficient during horizontal movements of the foundation can be reduced to less than 1%. However, the known method also has its significant drawbacks. Firstly, the known method cannot protect a high-rise building under construction from earthquakes because the reserve tank with liquid at the very top of the pipeline, designed to create hydrostatic pressure and compensate for liquid leaks, must be at a height of about 100 meters. It is this column of water that creates a pressure of about 10 atm, which approximately corresponds to the average design pressure of a high-rise building mass on the ground. That is, until the building reaches a height of 100 meters, a container with liquid cannot be installed, and it is practically the main element of the seismic protection method.
В описании известного патента, в качестве примера реализации, приводится здание весом Т - 70000 т = 7Т07 кг и диаметром d = 50 м. Из этих данных можно вычислить среднее рабочее давление жидкости в объеме: In the description of a well-known patent, as an example of implementation, a building with a weight T - 70,000 t = 7T0 7 kg and a diameter d = 50 m is given. From these data, the average working pressure of the liquid in the volume can be calculated:
P = T/(7rd2/4) P = T/(7rd 2 /4)
Подставляя в вышеприведенную формулу параметры здания, получим значение давления: Р=3,6 атм. Для создания такого давления при помощи гидростатики, как утверждается в патенте, емкость должна находиться на высоте более 36 м. С учетом того, что вся высота здания в примере реализации 60 м, то становится понятно, что способ начинает защищать строящееся здания в момент, когда оно уже на 60% построено. Substituting the building parameters into the above formula, we obtain the pressure value: P = 3.6 atm. To create such pressure using hydrostatics, as stated in the patent, the container must be at a height of more than 36 m. Taking into account the fact that the entire height of the building in the example implementation is 60 m, it becomes clear that the method begins to protect the building under construction at the moment when it is already 60% built.
Во-вторых, компенсатор, который обеспечивает герметизацию пространства между плитами по периметру, должен выдерживать рабочее давление жидкости. Это при том, что его ширина должна быть не меньше прогнозируемой амплитуды перемещения фундамента при землетрясении. В частности, если среднее рабочее давление под зданием должно быть порядка 10 атм, то при расчетной амплитуде даже в 10 см, сила, действующая на погонный метр длины компенсатора, составит 10 тонн. Соответственно материалы компенсатора в известном способе, а в их число обязательно должны входить полимеры или резина, не выдержат эксплуатации в течение длительного срока за счет ползучести полимеров или старения резины. Для примера, зданию МГУ в Москве уже почти 70 лет. Secondly, the compensator, which ensures sealing of the space between the plates along the perimeter, must withstand the operating pressure of the liquid. This is despite the fact that its width must be no less than the predicted amplitude of movement of the foundation during an earthquake. In particular, if the average working pressure under the building should be about 10 atm, then with a calculated amplitude of even 10 cm, the force acting on a linear meter of the length of the compensator will be 10 tons. Accordingly, the compensator materials in the known method, and their number must necessarily include polymers or rubber, will not withstand operation for a long time due to the creep of polymers or aging of rubber. For example, the MSU building in Moscow is almost 70 years old.
Возвращаясь к приведенному в описании известного способа примеру, оценим усилие, действующее на компенсатор при давлении в жидкости Р = 3,6 атм. Авторы указывают, что ширина компенсатора 0,5 м. Соответственно, площадь одного погонного метра компенсатора S= 5000 см2. Отсюда суммарная сила F давящая на компенсатор со стороны жидкости определяется произведением: Returning to the example given in the description of the known method, let us estimate the force acting on the compensator at a pressure in the liquid P = 3.6 atm. The authors indicate that the width of the compensator is 0.5 m. Accordingly, the area of one linear meter of the compensator is S = 5000 cm 2 . Hence, the total force F pressing on the compensator from the liquid side is determined by the product:
F = P S = 3,6-5000 = 18000 кг F = P S = 3.6-5000 = 18000 kg
Поскольку компенсатор крепится с двух сторон (и к фундаменту, и к опорной плите массива здания), то сила, приходящаяся на погонный метр крепления равна половине от общей силы, действующей на компенсатор, то есть 9000 кг (9 т). Понятно, что при такой действующей нагрузке, невозможно отремонтировать компенсатор не сбросив давление жидкости в объеме. Since the compensator is attached on both sides (both to the foundation and to the base plate of the building mass), the force per linear meter of fastening is equal to half of the total force acting on the compensator, that is, 9000 kg (9 tons). It is clear that with such an effective load, it is impossible to repair the compensator without relieving the fluid pressure in the volume.
В-третьих, размеры компенсатора, который обеспечивает герметизацию пространства между плитами по периметру, проектируется исходя из расчетной прогнозируемой амплитуды перемещения фундамента при землетрясении. Однако амплитуды землетрясений крайне сложно поддаются расчету. И никто не может гарантировать, что в данной местности не произойдет землетрясения с амплитудой больше расчетной. В таком случае, компенсатор в некоторых частях здания будет раз- рушен, вода быстро по каналам начнет вытекать из-под здания, плита фундамента и опорная плита массива здания придут в соприкосновение (перестанут быть отделенными) и коэффициент трения возрастет до нескольких десятков процентов. Имеющийся трубопровод не сможет поддерживать давление жидкости под зданием т.к. его поперечное сечение (производительность) не сможет обеспечить нужный расход, а резервной емкости с жидкостью просто не хватит на все время землетрясения. Thirdly, the dimensions of the compensator, which ensures the sealing of the space between the slabs along the perimeter, are designed based on the estimated predicted amplitude of movement of the foundation during an earthquake. However, earthquake amplitudes are extremely difficult to calculate. And no one can guarantee that an earthquake with an amplitude greater than the calculated one will not occur in a given area. In this case, the expansion joint in some parts of the building will be collapsed, water will quickly begin to flow out from under the building through channels, the foundation slab and the base plate of the building mass will come into contact (no longer separated) and the friction coefficient will increase to several tens of percent. The existing pipeline will not be able to maintain the fluid pressure under the building because its cross-section (performance) will not be able to provide the required flow, and the reserve capacity of liquid is simply not enough for the entire duration of the earthquake.
В-четвертых, несмотря на то, что авторы говорят о возможности использования более вязких жидкостях, чем вода, в способе может использоваться только вода, потому что любая утечка любой другой жидкости приведет к экологической катастрофе и большим экономическим потерям. Кроме того, каналы в фундаменте настолько велики, что даже вязкая жидкость вытечет довольно быстро, а при землетрясениях афтершоки возможны еще в течение нескольких часов. Fourthly, despite the fact that the authors talk about the possibility of using more viscous liquids than water, only water can be used in the method, because any leakage of any other liquid will lead to an environmental disaster and large economic losses. In addition, the channels in the foundation are so large that even a viscous liquid will leak out quite quickly, and during earthquakes, aftershocks are possible for several hours.
В-пятых, в известном патенте совсем не обсуждается ремонтопригодность элементов, обеспечивающих герметизацию пространства между плитами по периметру, что необходимо для реализации известного способа. Практически все узлы и детали, обеспечивающие указанную герметизацию, находятся под высоким давлением и для того, чтобы что-то заменить или починить, необходимо сбросить давление, то есть поставить опорную плиту массива здания на плиту фундамента, отключив тем самым полностью защиту здания от землетрясений. Fifthly, the well-known patent does not discuss at all the maintainability of the elements that ensure sealing of the space between the slabs along the perimeter, which is necessary for the implementation of the known method. Almost all components and parts that provide the specified sealing are under high pressure and in order to replace or repair something, it is necessary to relieve the pressure, that is, to place the base plate of the building mass on the foundation slab, thereby completely turning off the building’s protection from earthquakes.
В-шестых, в известном способе массив здания находится в состоянии неустойчивого равновесия (точка приложения силы со стороны жидкости наход ится ниже центра масс массива здания) и при наличии, например, неравномерной нагрузки на опорную плиту массива здания или просто случайного возмущения, плита наклонится и прижмется к плите фундамента, что непредсказуемо увеличит эффективный коэффициент трения, а опорная плита фундамента и опорная плита массива здания перестанут быть полностью отделенными друг от друга. Хотя в описании патента и говорится о снижении коэффициента трения из-за присутствия воды в местах соприкосновения плит, но необходимо помнить о неровностях опорных плит фундамента и массива здания, которые непременно будут фактически цепляться друг за друга. Sixthly, in the known method, the building mass is in a state of unstable equilibrium (the point of application of the force from the liquid is located below the center of mass of the building mass) and if there is, for example, an uneven load on the base plate of the building mass or simply a random disturbance, the slab will tilt and will be pressed against the foundation slab, which will unpredictably increase the effective coefficient of friction, and the foundation base slab and the building mass base slab will no longer be completely separated from each other. Although the patent description talks about reducing the coefficient of friction due to the presence of water at the points of contact of the plates, it is necessary to remember the unevenness of the base plates of the foundation and the mass of the building, which will certainly actually cling to each other.
В-седьмых, в воде, которая заполняет герметичный объем, с течением времени обязательно появятся какие-нибудь организмы (бактерии, грибки и т.д.). Их наличие может существенно ускорить процесс разрушения не только пластмасс и резины, но и бетона. Добавление же в воду химических веществ, препятствующих развитию организмов, может привести к экологической катастрофе в случае нарушения герметичности. Seventh, in the water that fills the sealed volume, over time, some organisms (bacteria, fungi, etc.) will certainly appear. Their presence can significantly speed up the process of destruction not only of plastics and rubber, but also of concrete. Adding chemicals to water that interfere with the development of organisms can lead to an environmental disaster if the seal is broken.
Раскрытие изобретения Disclosure of the Invention
Техническим результатом заявляемого технического решения является сохранение основных достоинств прототипа - обеспечение пассивной сейсмической защиты зд аний от разрушений при землетрясениях за счет разделения инерционных масс, то есть надежного отделения массива здания от фундамента, путем установки между ними объема, заполненного жидкостью под давлением, уравновешивающим вес массива здания, при одновременном устранении его указанных недостатков. The technical result of the proposed technical solution is to preserve the main advantages of the prototype - providing passive seismic protection of buildings from destruction during earthquakes by separating inertial masses, that is, reliable separation of the building mass from the foundation, by installing between them a volume filled with liquid under pressure, balancing the weight of the mass building, while simultaneously eliminating its specified shortcomings.
Указанный технический результат в способе пассивной зашиты зданий от горизонтальных колебаний земной коры при землетрясениях, включающем отделение массива здания от подвижной опорной части фундамента, расположенной в земной коре, путем расположения между ними герметичного объема, заполненного жидкостью под избыточным давлением, достаточным для удержания веса здания, достигается тем, что в качестве жидкости использована жидкость с высоким коэффициентом динамической вязкости, а герметичный объем выполнен в виде одного или нескольких горизонтальных или близких к горизонтальным зазоров, разделенных герметизирующими уплотнениями на один или несколько отдельных герметичных объемов, расположенных в плане между массивом здания и подвижной опорной частью фундамента, при этом величина зазора превышает суммарную высоту неровностей опорных плит фундамента и массива здания, образующих зазор, на величину минимальной толщины слоя жидкости, обеспечивающей массиву здания величину эффективного коэффициента вязкого трения, достаточную для защиты здания от воздействия сейсмической волны. The specified technical result in the method of passive protection of buildings from horizontal vibrations of the earth's crust during earthquakes, including separation of the building mass from the moving supporting part of the foundation located in the earth's crust, by placing between them a sealed volume filled with liquid under excess pressure sufficient to hold the weight of the building, this is achieved by the fact that a liquid with a high coefficient of dynamic viscosity is used as a liquid, and the sealed volume is made in the form of one or several horizontal or close to horizontal gaps, separated by sealing seals into one or more separate sealed volumes located in plan between the building mass and the movable supporting part of the foundation, while the size of the gap exceeds the total height of the unevenness of the foundation support slabs and the building mass forming the gap, by the minimum thickness of the liquid layer that provides the building mass with an effective coefficient of viscous friction sufficient to protect the building from the effects of a seismic wave.
Наполнение горизонтального зазора вязкой жидкостью позволяет одновременно решать несколько задач. Несмотря на высокую вязкость жидкости, эффективный коэффициент трения достигает величины менее 1% уже при очень малых значениях горизонтального зазора. Например, д ля мазута (динамическая вязкость 0,064 Па с) уже при зазоре существенно менее 1 мм эффективный коэффициент трения становится менее 1%. С ростом зазора коэффициент трения становится еще меньше. Filling a horizontal gap with a viscous liquid allows you to simultaneously solve several problems. Despite the high viscosity of the fluid, the effective coefficient of friction reaches a value of less than 1% even at very small values of the horizontal gap. For example, for fuel oil (dynamic viscosity 0.064 Pa s), already with a gap of significantly less than 1 mm, the effective friction coefficient becomes less than 1%. As the gap increases, the friction coefficient becomes even smaller.
В случае нарушения герметичности уплотнений объемов, например, при землетрясении, вязкая жидкость будет очень долго вытекать из зазора. По сделанным оценочным расчетам, мазут из зазора 10 мм при д иаметре герметичного объема 100 м и давлении в нем 10 атм, будет вытекать около 6 часов, а при величине зазора 2 мм - несколько дней. Таким образом, несмотря на нарушенную герметичность, все это время здание будет оставаться защищенным от горизонтальных колебаний земной коры. If the seals of the volumes fail, for example during an earthquake, the viscous liquid will flow out of the gap for a very long time. According to the estimated calculations made, fuel oil from a gap of 10 mm with a diameter of the sealed volume of 100 m and a pressure in it of 10 atm will flow out for about 6 hours, and with a gap of 2 mm - for several days. Thus, despite the broken seal, all this time the building will remain protected from horizontal vibrations of the earth’s crust.
За счет того, что в предлагаемом способе зазор, в котором выполнен герметичный объем мал, то и вертикальный размер герметизирующего уплотнения тоже мал, а также ничтожно мала сила, действующая на него со стороны жидкости, находящейся под высоким давлением. Так, например, при давлении в жидкости 10 атм при зазоре менее 10 мм, на погонный метр герметизирующего уплотнения, действующая сила составляет всего несколько десятков килограмм, тогда как в прототипе аналогичная сила - порядка 10 тонн. Поэтому, в заявляемом способе, при нарушении герметичности уплотнений при землетрясении, можно будет легко восстановить уплотнение, даже не снижая давление в жидкости. При этом, расход жидкости при нарушении герметичности объема по сравнению с прототипом, меньше во много раз, за счет того, что коэффициент динамической вязкости, например, мазута примерно в 100 больше вязкости воды, а зазор, как минимум, в 10 раз меньше размеров каналов (размер канала превышает максимальное горизонтальное перемещение расчетного сейсмического воздействия) в фундаменте прототипа. Исходя из того, что расход жидкости в зазоре пропорционален третьей степени его величины и первой степени коэффициента динамической вязкости, то скорость истечения мазута примерно в 105 раз меньше, чем скорость истечения воды в прототипе, при прочих равных условиях. Due to the fact that in the proposed method the gap in which the sealed volume is made is small, the vertical size of the sealing seal is also small, and the force acting on it from the liquid under high pressure is also negligible. So, for example, at a pressure in the liquid of 10 atm with a gap of less than 10 mm, per linear meter of the sealing seal, the effective force is only a few tens of kilograms, whereas in the prototype the similar force is about 10 tons. Therefore, in the proposed method, if the seals are damaged during an earthquake, it will be possible to easily restore the seal without even reducing the pressure in the liquid. At the same time, the fluid consumption when the seal of the volume is violated in comparison with the prototype is many times less, due to the fact that the coefficient of dynamic viscosity, for example, of fuel oil is approximately 100 times greater than the viscosity of water, and the gap is at least 10 times smaller than the size of the channels (channel size exceeds the maximum horizontal displacement of the design seismic impact) in the prototype foundation. Based on the fact that the fluid flow rate in the gap is proportional to the third power of its magnitude and the first power of the coefficient of dynamic viscosity, the flow rate of fuel oil is approximately 10 5 times less than the flow rate of water in the prototype, all other things being equal.
Выгодно при строительстве здания организовывать в зазоре всего один объем, загерметизировав его по периметру здания, но при этом нужно учесть, что здание, удерживаемое давлением жидко- сти, будет находиться в состоянии неустойчивого равновесия. При малейшей несимметричности массива здания оно обязательно наклонится до того момента, пока опорная плита массива здания не упрется одним из своих краев в опорную часть фундамента. Для исключения этого, предлагается добавить пружины, расположенные по периметру здания, которые позволят привести его в состояние устойчивого равновесия. Расчет пружин должен быть произведен с учетом жесткости опорной плиты массива здания и несимметричности нагрузки на фундамент. When constructing a building, it is advantageous to organize only one volume in the gap, sealing it around the perimeter of the building, but it must be taken into account that the building, held by liquid pressure, ity, will be in a state of unstable equilibrium. At the slightest asymmetry of the building mass, it will necessarily tilt until the moment when the base plate of the building mass reaches one of its edges against the supporting part of the foundation. To eliminate this, it is proposed to add springs located around the perimeter of the building, which will bring it into a state of stable equilibrium. The springs must be calculated taking into account the rigidity of the base plate of the building mass and the asymmetry of the load on the foundation.
Перспективно организовывать в зазоре сразу несколько отдельных объемов с жидкостью под давлением. Так, например, при наличии трёх или более отдельных объемов с жидкостью под давлением, можно отказаться от применения дополнительных пружин, препятствующих перекосу здания, т.к. в этом случае, у массива здания не будет возможности наклоняться, поскольку положение плоскости однозначно задается тремя точками опоры. It is promising to organize several separate volumes of liquid under pressure in the gap at once. So, for example, if there are three or more separate volumes with liquid under pressure, you can refuse to use additional springs that prevent the building from skewing, because in this case, the building mass will not be able to tilt, since the position of the plane is uniquely determined by three points of support.
Целесообразно для контроля состояния жидкости снабдить каждый герметичный объем автономным трубопроводом для подачи в него жидкости, а также средствами для контроля ее давления и уровня наполнения объема. Благодаря наличию автономного трубопровода можно продолжительное время обеспечивать защиту здания от воздействия землетрясения, несмотря на наличие локальной утечки жидкости. To control the condition of the liquid, it is advisable to provide each sealed volume with an autonomous pipeline for supplying liquid to it, as well as means for monitoring its pressure and the filling level of the volume. Thanks to the presence of an autonomous pipeline, it is possible to protect the building from the effects of an earthquake for a long time, despite the presence of a local liquid leak.
Удобно при изготовлении фундамента и опорной плиты массива здания сделать технологические проходы, что позволит при проведении регламентных или ремонтных работ получить доступ ко всем герметизирующим уплотнениям. А поскольку ремонт уплотнений может быть выполнен без снятия давления, то восстановить уплотнения можно сразу после прохождения поверхностной волны от землетрясения. It is convenient to make technological passages during the manufacture of the foundation and base plate of the building mass, which will allow access to all sealing seals during routine or repair work. And since seal repairs can be performed without releasing pressure, seals can be restored immediately after the passage of a surface wave from an earthquake.
Полезно в качестве жидкости с высоким коэффициентом динамической вязкости использовать нефть различных марок, очищенную от механических примесей, или мазут различных марок, или глицерин. Указанные вязкие жидкости способны в течение длительного срока (многих десятков лет) сохранять свои свойства, а значит, обеспечивать надежную защиту здания от горизонтальных колебаний земной коры при землетрясениях. It is useful to use oil of various grades, purified from mechanical impurities, or fuel oil of various grades, or glycerin, as a liquid with a high coefficient of dynamic viscosity. These viscous liquids are capable of retaining their properties for a long time (many decades) and, therefore, provide reliable protection of the building from horizontal vibrations of the earth's crust during earthquakes.
Заявляемый способ пассивной защиты здания, благодаря использованию вязкой жидкости в малому зазору между массивом здания и опорной частью фундамента, расположенного в земной коре, позволяет не только устранить основные недостатки прототипа, но и приобрести ряд новых дополнительных преимуществ. The inventive method of passive protection of a building, thanks to the use of a viscous liquid in a small gap between the mass of the building and the supporting part of the foundation located in the earth's crust, allows not only to eliminate the main disadvantages of the prototype, but also to acquire a number of new additional advantages.
Во-первых, использование вязкой жидкости и малому зазору между массивом здания и опорной частью фундамента позволяет многократно повысить надежность устройств сейсмозащиты. Даже в случае нарушения герметичности объемов, время необходимое для повышения эффективного коэффициента трения до величины 1% очень велико. Firstly, the use of a viscous fluid and a small gap between the building mass and the supporting part of the foundation allows the reliability of seismic protection devices to be greatly increased. Even in the event of a violation of the tightness of the volumes, the time required to increase the effective friction coefficient to a value of 1% is very long.
Во-вторых, при амплитуде поверхностной волны больше, чем прогнозируемая, может разрушиться только герметизирующее уплотнение, что конечно, приведет к возникновению утечек жидкости, но не приведет к отказу сейсмозащиты в течение еще очень длительного времени. Secondly, when the amplitude of the surface wave is greater than the predicted one, only the sealing seal can be destroyed, which, of course, will lead to fluid leaks, but will not lead to failure of the seismic protection for a very long time.
В-третьих, заявляемый способ защиты универсален, так как может использоваться, как для защиты высотных зданий, так и любых сооружений, нуждающихся в надежной защите от горизонтальных колебаний земной коры при землетрясениях, например, атомных станций. В-четвертых, восстановление функционирования заявляемого способа защиты здания после землетрясения, при котором была на каком-либо участке нарушена герметичность уплотнения, заключается всего лишь в восстановлении герметизирующего уплотнения, что можно сделать, не снижая давления в жидкости практически любым способом вплоть до затыкания зазора паклей или сантехнической каболкой. Thirdly, the proposed method of protection is universal, since it can be used both to protect high-rise buildings and any structures that require reliable protection from horizontal vibrations of the earth's crust during earthquakes, for example, nuclear power plants. Fourthly, restoring the functioning of the proposed method of protecting a building after an earthquake, in which the tightness of the seal was broken in any area, consists simply of restoring the sealing seal, which can be done without reducing the pressure in the liquid in almost any way, up to plugging the gap with tow or a plumbing cable.
В-пятых, заявляемое техническое решение позволяет существенно удешевить выполнение сейсмозащиты здания по сравнению с прототипом, поскольку для его реализации не требуются дорогостоящие детали и узлы из полимеров и резины. В прототипе, площадь компенсатора на погонный метр периметра здания составляет примерно 0,5 м2, что при заявленной толщине 2 мм (что на наш взгляд явно не достаточно для длительной эксплуатации полимерных материалов), составляет примерно 2,5 кг, тогда как в заявляемом способе площадь герметизирующего уплотнения составляет всего лишь 0,01 м2 весом порядка 100 г. Кроме того, компенсаторы должны иметь крепежные элементы для закрепления на фундаменте и опорной плите массива здания (напоминаем, что крепежные элементы, в приведенном примере должны удерживать по 9 тонн на погонный метр каждый), тогда, как заявляемое герметизирующее уплотнение может удерживаться в зазоре только лишь за счет трения о стенки зазора (усилие составляет всего 360 кг на погонный метр при зазоре 10 мм). Fifthly, the proposed technical solution makes it possible to significantly reduce the cost of seismic protection of a building compared to the prototype, since its implementation does not require expensive parts and assemblies made of polymers and rubber. In the prototype, the area of the compensator per linear meter of the perimeter of the building is approximately 0.5 m 2 , which, with a declared thickness of 2 mm (which in our opinion is clearly not enough for long-term operation of polymer materials), is approximately 2.5 kg, whereas in the claimed method, the area of the sealing seal is only 0.01 m 2 weighing about 100 g. In addition, expansion joints must have fastening elements for fastening to the foundation and base plate of the building mass (we remind you that the fastening elements, in the above example, must hold 9 tons per linear meter each), whereas the claimed sealing seal can be held in the gap only due to friction against the walls of the gap (the force is only 360 kg per linear meter with a gap of 10 mm).
В-шестых, заявляемый способ остается работоспособным в любых условиях, т.е. до тех пор, пока вязкая жидкость практически полностью не вытечет из зазора. Даже если все герметизирующие уплотнения нарушены, жидкость через них вытекает и в зазоре её осталось всего несколько десятых долей миллиметра, эффективный коэффициент трения между массивом здания и опорной частью фундамента все еще будет менее одного процента. При этом время, которое будет вытекать жидкость из объема диаметром 100 м, составляет ориентировочно несколько суток. Данное время указано без использования системы вторичной подачи вытекшего и очищенного от примесей мазута обратно в разгерметизированный объем. Использование указанной системы может увеличить время пассивной сейсмозащиты защиты зд ания до нескольких месяцев и более. Sixth, the proposed method remains operational under any conditions, i.e. until the viscous liquid almost completely flows out of the gap. Even if all the seals are broken, liquid flows through them and there are only a few tenths of a millimeter left in the gap, the effective coefficient of friction between the building mass and the supporting part of the foundation will still be less than one percent. In this case, the time it takes for liquid to flow out of a volume with a diameter of 100 m is approximately several days. This time is indicated without the use of a secondary supply system for leaked and purified fuel oil back into the depressurized volume. The use of this system can increase the time of passive seismic protection of a building to several months or more.
Таким образом, заявляемый способ позволяет существенно расширить возможности пассивной сейсмозащиты здания за счет отделения массива здания от подвижной опорной части фундамента, расположенной в земной коре, зазором, разделенным на один или несколько объемов при помощи герметизирующих уплотнений, заполненных вязкой жидкостью под давлением, удерживающим здание, причем заявляемая сейсмозащита зд ания остается работоспособной в течение длительного времени даже при разгерметизации объемов, что не имеет аналогов среди известных способов, используемых для защиты зданий от горизонтальных колебаний земной коры при землетрясениях, а значит, заявляемый способ отвечает критерию «изобретательский уровень». Thus, the proposed method makes it possible to significantly expand the capabilities of passive seismic protection of a building due to the separation of the building mass from the moving supporting part of the foundation located in the earth's crust, by a gap divided into one or several volumes using sealing seals filled with a viscous liquid under pressure that holds the building, Moreover, the claimed seismic protection of the building remains operational for a long time even when the volumes are depressurized, which has no analogues among the known methods used to protect buildings from horizontal vibrations of the earth’s crust during earthquakes, which means that the claimed method meets the “inventive step” criterion.
Краткое описание чертежей Brief description of drawings
Суть заявляемого способа поясняется рисунками на фиг. 1 - фиг. 16. The essence of the proposed method is illustrated by the drawings in Fig. 1 - fig. 16.
На фиг. 1 представлен рисунок, поясняющий реализацию заявляемого способа защиты зданий от горизонтальных колебаний земной коры при землетрясениях, использующего отделение массива здания от подвижной опорной части фундамента, расположенной в земной коре, путем расположения между ними герметичного объема, заполненного жидкостью под избыточным давлением, где: 1 - грунт, на котором расположен фундамент здания 2; 3 - массив здания, отделенный от фундамента герметичным объемом 4 в виде зазора, ограниченного герметизирующим уплотнением 5; 6 - пружинные опоры, придающие устойчивость и удерживающие массив здания от наклонов, размещенные в колодцах 7. Для наглядности, на этом рисунке и на всех рисунках далее, нарушена пропорция, и высота зазора очень сильно увеличена. In fig. Figure 1 shows a drawing explaining the implementation of the proposed method of protecting buildings from horizontal vibrations of the earth's crust during earthquakes, using the separation of the building mass from the movable supporting part of the foundation located in the earth's crust, by placing between them a sealed volume filled with liquid under excess pressure, where: 1 - the soil on which the foundation of building 2 is located; 3 - mass of the building, separated from the foundation by a sealed volume 4 in the form of a gap limited by a sealing seal 5; 6 - spring supports that give stability and keep the building mass from tilting, placed in wells 7. For clarity, in this figure and in all the figures below, the proportion is violated, and the height of the gap is greatly increased.
На фиг. 2 представлен рисунок сечения А- А (см. фиг.1), на котором представлен единый герметичный объем 4 образованный в щели и ограниченный герметизирующим уплотнением 5 с вязкой жидкостью, а также колодцы 7, изображенные в виде квадратов с перекрестиями (пружинные опоры 6, размещенные в колодцах 7 на рисунке условно не показаны) на фоне фундамента здания 2.In fig. Figure 2 shows a cross-sectional drawing A-A (see Figure 1), which shows a single sealed volume 4 formed in the slot and limited by a sealing seal 5 with a viscous liquid, as well as wells 7, depicted in the form of squares with crosshairs (spring supports 6, placed in wells 7 are not shown in the figure) against the background of the foundation of building 2.
На фиг. 3 представлен рисунок, поясняющий реализацию заявляемого способа защиты зданий от горизонтальных колебаний земной коры при землетрясениях, использующего отделение массива здания от подвижной опорной части фундамента, расположенного в земной коре, путем расположения между ними нескольких герметичных объемов, заполненных жидкостью под избыточным давлением, где: 8 - фундамент здания; 9 - массив здания, отделенный от фундамента герметичными объемами 1 Оа - 1 Ов (объем 1 Ов на фиг.З не виден, а представлен на сечении В-В на фиг.4). In fig. Figure 3 shows a drawing explaining the implementation of the proposed method of protecting buildings from horizontal vibrations of the earth's crust during earthquakes, using the separation of the building mass from the movable supporting part of the foundation located in the earth's crust, by placing between them several sealed volumes filled with liquid under excess pressure, where: 8 - foundation of the building; 9 - massif of the building, separated from the foundation by sealed volumes 1 Oa - 1 Ov (volume 1 Ov is not visible in Fig. 3, but is shown in section B-B in Fig. 4).
На фиг. 4 представлен рисунок сечения В-В (см. фиг.З), на котором на круглом фундаменте 8 представлены в виде кругов три герметичных объема 10а - 10в, образованных в едином зазоре при помощи герметизирующих уплотнений 11 а - 11в и заполненных жидкостью под избыточным давлением. In fig. Figure 4 shows a cross-sectional drawing B-B (see Fig. 3), in which, on a round foundation 8, three sealed volumes 10a - 10b are presented in the form of circles, formed in a single gap using sealing seals 11 a - 11b and filled with liquid under excess pressure .
На фиг. 5 представлен рисунок сечения С-С (см. фиг.4), поясняющий расположение на фундамете 8, установленном в земной коре 13, герметичных объемов 10а и 106, выполненных при помощи герметизирующих уплотнений 11 а и 11 б в едином зазоре. In fig. Figure 5 shows a cross-sectional drawing C-C (see Figure 4), explaining the location on the foundation 8, installed in the earth's crust 13, of sealed volumes 10a and 106, made using sealing seals 11a and 11b in a single gap.
На фиг. 6 представлен рисунок, поясняющий еще одну реализацию заявляемого способа защиты зданий от горизонтальных колебаний земной коры при землетрясениях, использующего отделение массива здания от подвижной опорной части фундамента, расположенной в земной коре, путем расположения между ними нескольких герметичных объемов, выполненных в нескольких зазорах, находящихся в одной плоскости, которые разделены между собой технологическим проходом и заполнены жидкостью под избыточным давлением, где: 13 - фундамент здания; 14 - массив здания, отделенный от фундамента герметичными объемами 15а- 15г (на рисунке видны только 15а и 156), при этом зазоры образованы опорной плитой фундамента 13 и отдельными плитами 16а- 16г (на рисунке видны только 16а и 166); 17 -лестница для спуска в технологический проход. In fig. Figure 6 shows a drawing explaining another implementation of the proposed method of protecting buildings from horizontal vibrations of the earth's crust during earthquakes, using the separation of the building mass from the movable supporting part of the foundation located in the earth's crust, by placing between them several sealed volumes, made in several gaps located in one plane, which are separated from each other by a technological passage and filled with liquid under excess pressure, where: 13 - the foundation of the building; 14 - the mass of the building, separated from the foundation by sealed volumes 15a-15g (only 15a and 156 are visible in the figure), while the gaps are formed by the base plate of the foundation 13 and individual slabs 16a-16g (only 16a and 166 are visible in the figure); 17 - ladder for descending into the technological passage.
На фиг. 7 представлен рисунок сечения D-D (см. фиг.6), на котором на фундаменте 13 представлены четыре герметичных объема 15а - 15г, образованные в четырех отдельных зазорах, находящихся в одной плоскости, при помощи герметизирующих уплотнений 19а- 19г и разделенных между собой технологическими проходами 18, при этом объемы заполнены жидкостью под избыточным давлением. In fig. 7 shows a cross-sectional drawing D-D (see Fig. 6), in which on the foundation 13 there are four sealed volumes 15a - 15g, formed in four separate gaps located in the same plane, using sealing seals 19a - 19g and separated from each other by technological passages 18, while the volumes are filled with liquid under excess pressure.
На фиг. 8 представлен рисунок сечения Е-Е (см. фиг.7), поясняющий структуру вертикального сечения здания, где показан выполненный в земной коре 20 фундамент здания 13, на котором расположены герметичные объемы с жидкостью 15а и 156 с уплотнениями 19а и 196 в отдельных, лежащих в одной плоскости, зазорах, образованных общей опорной плитой фундамента и отдельны- ми верхними плитам 16а и 166, на которых расположен массив здания 14, при этом объемы отделены друг от друга технологическими проходами 18. In fig. Figure 8 shows a cross-sectional drawing E-E (see Figure 7), explaining the structure of the vertical section of the building, which shows the foundation of the building 13 made in the earth's crust 20, on which sealed volumes with liquid 15a and 156 are located with seals 19a and 196 in separate, lying in the same plane, gaps formed by a common base plate of the foundation and separate and the upper plates 16a and 166, on which the mass of the building 14 is located, while the volumes are separated from each other by technological passages 18.
На фиг. 9 представлен рисунок, поясняющий еще одну реализацию заявляемого способа защиты зданий от горизонтальных колебаний земной коры при землетрясениях, использующего отделение массива здания от подвижной опорной части фундамента, расположенной в земной коре, путем расположения между ними нескольких герметичных объемов, выполненных в нескольких зазорах, находящихся в разных параллельных плоскостях, которые разделены между собой технологическим проходом и заполнены жидкостью под избыточным давлением, где: 21 - фундамент здания; 22 - массив здания, отделенный от фундамента герметичными объемами 23а-23г (на рисунке видны только 23а и 236), при этом зазоры образованы отдельными плитами 24а-24г (на рисунке видны только 24а и 246) лежащими на фундаменте 21 и отдельными плитами 25а-25г (на рисунке видны только 25а и 256), прилегающими к массиву здания 22; 26 -лестница для спуска в технологический проход 27.In fig. Figure 9 shows a drawing explaining another implementation of the proposed method of protecting buildings from horizontal vibrations of the earth's crust during earthquakes, using the separation of the building mass from the movable supporting part of the foundation located in the earth's crust, by placing between them several sealed volumes made in several gaps located in different parallel planes, which are separated from each other by a technological passage and filled with liquid under excess pressure, where: 21 - the foundation of the building; 22 - the mass of the building, separated from the foundation by sealed volumes 23a-23d (only 23a and 236 are visible in the figure), while the gaps are formed by separate slabs 24a-24d (only 24a and 246 are visible in the figure) lying on the foundation 21 and individual slabs 25a- 25g (only 25a and 256 are visible in the figure), adjacent to the mass of building 22; 26 - ladder for descending into technological passage 27.
На фиг. 10 представлен рисунок сечения F-F (см. фиг.9), на котором на плане фундамента представлены четыре герметичных объема 23а - 23г, образованные в четырех отдельных зазорах, находящихся в двух параллельных плоскостях (23а и 23г в одной плоскости, а 236 и 23в - в другой, см.фиг.9), при помощи герметизирующих уплотнений 28а - 28г и разделенных между собой технологическими проходами 27, а объемы заполнены жидкостью под избыточным д авлением. In fig. 10 shows a cross-sectional drawing F-F (see Fig. 9), in which the foundation plan shows four sealed volumes 23a - 23d, formed in four separate gaps located in two parallel planes (23a and 23d in the same plane, and 236 and 23c - in the other, see Fig.9), using sealing seals 28a - 28g and separated from each other by technological passages 27, and the volumes are filled with liquid under excess pressure.
На фиг. 11 представлен рисунок сечения G-G (см. фиг.10), поясняющий структуру вертикального сечения здания, где показан выполненный в земной коре 29 разноуровневый фундамент здания 21, на котором расположены герметичные объемы с жидкостью 23а и 236 выполненные при помощи уплотнений 28а и 286 установленных по периметру зазоров образованных отдельными плитами 24а- 246, прилегающими к фундаменту 21 и отдельными плитами 25а-25б, прилегающими к массиву здания 22. In fig. 11 shows a cross-sectional drawing G-G (see Fig. 10), explaining the structure of the vertical section of the building, which shows the multi-level foundation of the building 21 made in the earth's crust 29, on which sealed volumes with liquid 23a and 236 are located, made using seals 28a and 286 installed on the perimeter of the gaps formed by individual slabs 24a-246 adjacent to the foundation 21 and individual slabs 25a-25b adjacent to the mass of the building 22.
На фиг. 12 представлен рисунок сечения отдельного модуля, представляющего собой герметичный объем с жидкостью, который может быть изготовлен в заводских условиях и доставлен на стройплощадку. Такие модули можно укладывать между фундаментом здания и его массивом. Модуль представляет собой герметичный объем 31, заполненный вязкой жидкостью, который выполнен в зазоре между нижней плитой 30 и верхней 33, а по периметру ограничен герметичным уплотнением 32. In fig. Figure 12 shows a cross-sectional drawing of a separate module, which is a sealed volume with liquid, which can be manufactured in a factory and delivered to the construction site. Such modules can be laid between the foundation of the building and its mass. The module is a sealed volume 31 filled with a viscous liquid, which is made in the gap between the lower plate 30 and the upper 33, and is limited along the perimeter by a hermetically sealed seal 32.
На фиг. 13 представлен рисунок сечения модернизированного отдельного модуля, представленного на фиг. 12. В состав модуля дополнительно включено устройство сбора жидкости 37 на случай ее протечки при нарушении герметичности уплотнения 36. На рисунке слева показано место нарушения герметичности уплотнения на участке 36а и, как следствие, вытекание жидкости из объема 35, образованного в зазоре между плитами 34 и 38. Жидкость протекает в устройство 37а, представляющее собой сточный канал по периметру модуля для сбора и вторичного использования жидкости в случаях нарушения герметичности объема 35. In fig. 13 is a cross-sectional drawing of the upgraded individual module shown in FIG. 12. The module additionally includes a liquid collection device 37 in case of leakage when the seal 36 is broken. The figure on the left shows the location of the seal failure in section 36a and, as a consequence, the leakage of liquid from the volume 35 formed in the gap between the plates 34 and 38. The liquid flows into device 37a, which is a waste channel around the perimeter of the module for collecting and recycling liquid in cases of leakage of volume 35.
На фиг. 14 представлен рисунок сечения модернизированного отдельного модуля, представляющего собой несколько (на рисунке показано два) герметичных объемов с жидкостью с общим центральным каналом для сбора жидкости, который может быть изготовлен в заводских условиях и доставлен на стройплощадку. Модуль включает: нижнюю и верхнюю бетонные плиты 39 и 46 в зазоре между которыми организованы два герметичных объема с жидкостью 40 и 41, ограниченные двумя уплотнениями 42 и 43, при этом на участках уплотнений 42а и 43а нет нарушения герметичности, а на участках 426 и 436 имеются щели, через которые жидкость вьпекает. По каналам 44, организованным по периметру модуля, а также по центральному общему каналу 45 жидкость собирается для ее повторного использования. In fig. Figure 14 shows a cross-sectional drawing of a modernized separate module, which consists of several (two are shown in the figure) sealed volumes with liquid with a common central channel for collecting liquid, which can be manufactured in a factory and delivered to the construction site. The module includes: lower and upper concrete slabs 39 and 46 in the gap between which there are two sealed volumes with liquid 40 and 41, limited by two seals 42 and 43, while in areas of seals 42a and 43a there is no leakage, and in areas 426 and 436 there are cracks through which the liquid is baked. Through channels 44, organized around the perimeter of the module, as well as through the central common channel 45, the liquid is collected for reuse.
На фиг. 15 представлена упрощенная блок-схема одного их вариантов реализации вторичного использования жидкости, вытекающей из объема 50, образованного в зазоре между нижней и верхней плитами 47 и 48 и ограниченного по периметру уплотнением 49. На участке 49а уплотнение повреждено и жидкость стекает в канал 51. Под действием гравитации жидкость по каналам 51 стекает на участок канала 51а (он находится ниже всех остальный участков на периметре), где расположена заборная труба 52, через которую жидкость попадает в фильтр 53 при помощи насоса 54. Для измерения давления в герметичном объеме 50, измерения утечки жидкости и ее пополнения, используют манометр 57, подающую трубу 58 и запорную арматуру 55 и 56 (запорная арматура показана на рисунке условно для упрощения понимания протекающих на блок-схеме процессов, а количество единиц и видов реальной трубной арматуры может быть существенно больше по сравнению с представленной на рисунке). In fig. 15 shows a simplified block diagram of one of the options for implementing the recycling of liquid flowing from the volume 50 formed in the gap between the lower and upper plates 47 and 48 and limited along the perimeter by the seal 49. In section 49a the seal is damaged and the liquid flows into channel 51. Under Under the influence of gravity, the liquid flows through channels 51 to a section of the channel 51a (it is located below all other sections on the perimeter), where the intake pipe 52 is located, through which the liquid enters the filter 53 using a pump 54. To measure the pressure in the sealed volume 50, to measure leakage liquid and its replenishment, use a pressure gauge 57, a supply pipe 58 and shut-off valves 55 and 56 (the shut-off valves are shown in the figure conditionally to simplify the understanding of the processes occurring in the block diagram, and the number of units and types of real pipe fittings can be significantly greater compared to shown in the figure).
На фиг. 16 представлен рисунок фрагмента сечения отдельного модуля, представляющего собой герметичный объем с жидкостью, где: 59 - нижняя плита модуля, прилегающая к фундаменту (фундамент условно не показан); 60 - верхняя плита модуля, прилегающая к массиву здания (массив здания условно не показан); 61 - герметичный объем, заполненный вязкой жидкостью, который выполнен в зазоре между нижней плитой 59 и верхней 60, а по периметру ограничен герметичным уплотнением 62. С левой стороны рисунка показаны: Д1 - абсолютная величина шероховатости нижней поверхности верхней плиты 60; Д2 - абсолютная величина шероховатости верхней поверхности нижней плиты 59; - величина минимальной толщины слоя жидкости, обеспечивающей массиву здания величину эффективного коэффициента вязкого трения, необходимую для зашиты здания от воздействия сейсмической волны; S - суммарная толщина зазора герметичного объема жидкости. In fig. Figure 16 shows a drawing of a fragment of the cross-section of a separate module, which is a sealed volume with liquid, where: 59 - the bottom plate of the module adjacent to the foundation (the foundation is not shown); 60 - upper plate of the module adjacent to the building mass (the building mass is not shown); 61 - a sealed volume filled with a viscous liquid, which is made in the gap between the lower plate 59 and the upper 60, and is limited around the perimeter by a hermetic seal 62. The left side of the figure shows: D1 - the absolute value of the roughness of the lower surface of the upper plate 60; D2 is the absolute value of the roughness of the upper surface of the lower plate 59; - the value of the minimum thickness of the liquid layer that provides the building mass with the value of the effective coefficient of viscous friction necessary to protect the building from the effects of a seismic wave; S is the total thickness of the gap of the sealed volume of liquid.
Лучший вариант осуществления изобретения Best Mode for Carrying Out the Invention
Осуществление заявляемого способа рассмотрим с использованием различных вариантов его реализации. We will consider the implementation of the proposed method using various options for its implementation.
Вариант 1. Option 1.
Рассмотрим реализацию заявляемого способа (см. фиг.1 и 2), защиты зданий от горизонтальных колебаний земной коры при землетрясениях, использующего отделение массива здания 3 от подвижной опорной части фундамента 2, расположенной в земной коре 1, путем расположения между ними герметичного объема 4, заполненного жидкостью под избыточным давлением. Let's consider the implementation of the proposed method (see Figs. 1 and 2), protecting buildings from horizontal vibrations of the earth's crust during earthquakes, using the separation of the mass of the building 3 from the movable supporting part of the foundation 2, located in the earth's crust 1, by placing a sealed volume 4 between them, filled with liquid under excess pressure.
Выполнение замкнутого объема в зазоре между опорной частью фундамента и массивом здания и ограниченного герметизирующим уплотнением 5 позволяет отделить массив здания от фундамента так, что на массив действует только сила вязкого трения при перемещении фундамента 2 в горизонтальном направлении. Из теории гидродинамики следует, что сила, действующая на массив здания, в этом случае пропорциональна скорости смещения фундамента и коэффициенту динамической вязкости жидкости, но обратно пропорциональна толщине слоя жидкости (См. фиг. 16) между поверх- ностями. Следовательно, увеличивая толщину стоя жидкости, то есть величину зазора, можно снизить эффективный коэффициент трения до необходимой величины. Эта величина зависит от конструкции здания, и определяется при разработке его конструкции. Заметим, что по расчетам величина очень мала, по сравнению с размерами здания, и не может быть отображена на рисунках в масштабе близком к реальному. Для наглядности, на этом и на всех рисунках далее, нарушена пропорция, и величина зазора очень сильно увеличена. The creation of a closed volume in the gap between the supporting part of the foundation and the mass of the building and limited by the sealing seal 5 allows you to separate the mass of the building from the foundation so that only the force of viscous friction acts on the mass when the foundation 2 moves in the horizontal direction. From the theory of hydrodynamics it follows that the force acting on the mass of the building, in this case, is proportional to the speed of displacement of the foundation and the coefficient of dynamic viscosity of the liquid, but is inversely proportional to the thickness of the liquid layer (See Fig. 16) between the surfaces news. Consequently, by increasing the thickness of the standing liquid, that is, the size of the gap, it is possible to reduce the effective coefficient of friction to the required value. This value depends on the design of the building and is determined during the development of its design. Note that according to calculations, the value is very small compared to the size of the building, and cannot be displayed in drawings on a scale close to real. For clarity, in this and in all the figures below, the proportion is violated, and the size of the gap is greatly increased.
Поскольку центр тяжести массива здания находится где-то существенно выше фундамента, а весь его вес компенсируется давлением жидкости в объеме, то возникает неустойчивость положения здания: точки приложения силы тяжести и силы со стороны жидкости равны по величине, но разнесены по высоте и направлены навстречу друг другу. Такое равновесие называется «неустойчивым равновесием». В этом случае, любое минимальное отклонение здания от вертикальности приведет к его дальнейшему наклону вплоть до упора в фундамент одним из краев опорной плиты массива здания. Since the center of gravity of the building mass is located somewhere significantly above the foundation, and its entire weight is compensated by the pressure of the liquid in the volume, instability of the building’s position arises: the points of application of gravity and the force from the liquid are equal in size, but spaced apart in height and directed towards each other to a friend. This equilibrium is called “unstable equilibrium.” In this case, any minimal deviation of the building from verticality will lead to its further tilt until one of the edges of the base plate of the building mass touches the foundation.
Чтобы привести эту механическую систему в положение устойчивого равновесия необходимо по периметру здания установить пружинные опоры 6, например, размещенные в колодцах 7. Они придадут массиву здания устойчивость. Конструкция пружинных опор может быть любой. В данном случае, приведена для примера, традиционная витая цилиндрическая пружина To bring this mechanical system into a position of stable equilibrium, it is necessary to install spring supports 6 along the perimeter of the building, for example, placed in wells 7. They will give the building mass stability. The design of spring supports can be any. In this case, given as an example, a traditional coil spring
Перед началом строительства в грунт 1 закладывают фундамент 2. Если размеры здания в плане не велики, то на верхнюю опорную поверхность фундамента 2 устанавливают герметизирующее уплотнение 5, а в колодцы 7 пружинные опоры 6, придающие устойчивость и удерживающие массив здания от наклонов. В образованное таким образом герметичное пространство 4 заливается вязкая жидкость. Сверху она закрывается опорной плитой массива здания 3 (плита на рисунке условно выполнена заодно с массивом здания). Полученный таким образом герметичный объем в плане имеет размер меньше, чем размер фундамента на величину прогнозируемой амплитуды землетрясения. Это делается для того, чтобы герметичность объема не нарушалась при землетрясении. Before construction begins, a foundation 2 is laid in the ground 1. If the dimensions of the building in plan are not large, then a sealing seal 5 is installed on the upper supporting surface of the foundation 2, and spring supports 6 are installed in the wells 7, giving stability and keeping the building mass from tilting. A viscous liquid is poured into the sealed space 4 thus formed. From above it is closed by the base slab of the mass of building 3 (the slab in the figure is conventionally made integral with the mass of the building). The sealed volume thus obtained in plan has a size smaller than the size of the foundation by the amount of the predicted earthquake amplitude. This is done so that the tightness of the volume is not broken during an earthquake.
Однако амплитуды прогнозируемых землетрясений крайне сложно поддаются расчету. И никто не может гарантировать, что в данной местности не произойдет землетрясения амплитудой больше расчетной. В таком случае, герметичность объема будет нарушена и жидкость начнет вытекать через образовавшуюся щель. Но, как говорилось выше, величина зазора не велика, а жидкость в зазоре вязкая, поэтому вытекать из объема она будет очень долго и в зазоре всегда будет находиться какой-то достаточно толстый слой, который обеспечит защиту здания в течение даже нескольких суток. Кроме того, на рисунке видно, что к нарушенному уплотнению имеется внешний доступ и его можно восстановить самыми простыми средствами, например, временно законопатить сантехнической каболкой. Давление, под которым находится жидкость, не помешает этой процедуре по двум причинам: во-первых, зазор очень мал и сила, выталкивающая уплотнения тоже мала; во- вторых, давление жидкости в месте ее вытекания практически равно нулю и поднимется до рабочего только после того, как течь будет полностью ликвидирована. However, the amplitudes of predicted earthquakes are extremely difficult to calculate. And no one can guarantee that an earthquake with an amplitude greater than the calculated one will not occur in a given area. In this case, the tightness of the volume will be broken and the liquid will begin to flow out through the resulting gap. But, as mentioned above, the size of the gap is not large, and the liquid in the gap is viscous, so it will flow out of the volume for a very long time and there will always be some fairly thick layer in the gap, which will protect the building for even several days. In addition, the figure shows that the damaged seal has external access and can be restored using the simplest means, for example, temporarily caulking it with a plumber’s caulk. The pressure under which the liquid is located will not interfere with this procedure for two reasons: firstly, the gap is very small and the force pushing out the seals is also small; secondly, the pressure of the liquid at the point of its leakage is practically zero and will rise to working pressure only after the leak is completely eliminated.
К сожалению, в такой реализации способа требуются дополнительные устройства в виде пружинных опор, которые должны быть рассчитаны заранее, исходя из размеров и массы проектируе- мого здания, что не очень удобно, особенно при начале строительства, пока вес строящегося здания еще невелик. Unfortunately, this implementation of the method requires additional devices in the form of spring supports, which must be calculated in advance based on the size and weight of the designed weight of the building, which is not very convenient, especially when starting construction, while the weight of the building under construction is still small.
Вариант 2. Option 2.
Рассмотрим реализацию заявляемого способа (см. фиг. 3 - 5) использующую в качестве герметичного объема несколько отдельных герметичных объемов. Let's consider the implementation of the proposed method (see Fig. 3 - 5) using several separate sealed volumes as a sealed volume.
На рисунке представлен вариант с тремя герметичными объемами 10а- 10в. Известно, что положение плоскости в пространстве однозначно задается тремя точками, в данном случае, наличие трех герметичных объемов делают положение массива здания в пространстве устойчивым. В этом варианте не требуется дополнительные пружинные опоры, в отличие от предыдущего варианта. Герметичные объемы не обязательно должны быть круглыми как на фиг.4. Их форма может быть произвольной, но количество должно быть не менее трех. Если герметичных объемов только два, то в направлении перпендикулярном линии, проходящей через оба объема, здание будет находиться в неустойчивом равновесии, а значит, в этом направлении потребуются дополнительные пружинные опоры. The figure shows a variant with three sealed volumes 10a-10b. It is known that the position of a plane in space is uniquely determined by three points; in this case, the presence of three sealed volumes makes the position of the building mass in space stable. This option does not require additional spring supports, unlike the previous option. Sealed volumes do not have to be round as in Fig.4. Their shape can be arbitrary, but the number must be at least three. If there are only two sealed volumes, then in the direction perpendicular to the line passing through both volumes, the building will be in unstable equilibrium, which means that additional spring supports will be required in this direction.
Надо отметить, что в такой реализации, не вся доступная площадь фундамента 8 занята герметичными объемами, из-за чего давление в объемах 10а- 10в должно быть больше, чем оно могло бы быть при максимальном покрытии объемами площади фундамента и, кроме того, доступ к участкам герметизирующих уплотнений 11 а- 11 в, находящимся в центральной части здания, невозможен. It should be noted that in such an implementation, not all of the available area of the foundation 8 is occupied by sealed volumes, which is why the pressure in volumes 10a-10b should be greater than it could be with maximum volume coverage of the foundation area and, in addition, access to areas of sealing seals 11 a-11 b, located in the central part of the building, is impossible.
В связи с этим, выгодно организовать специальные средства для ремонта уплотнений. In this regard, it is beneficial to organize special means for repairing seals.
Вариант 3. Option 3.
Рассмотрим реализацию заявляемого способа (см. фиг. 6 - 8), использующую в качестве герметичного объема четыре отдельных объема 15а- 15г, размещенных в четырех отдельных зазорах, лежащих в одной плоскости и образованных верхней опорной поверхностью фундамента 13 и отдельными плитами 16а- 16г. При этом зазоры разделены технологическими проходами 18 (см. фиг.7) с лестницей 17 для упрощения доступа в проход. Let's consider the implementation of the proposed method (see Fig. 6 - 8), using as a sealed volume four separate volumes 15a-15g, located in four separate gaps lying in the same plane and formed by the upper supporting surface of the foundation 13 and individual slabs 16a-16d. In this case, the gaps are separated by technological passages 18 (see Fig. 7) with a ladder 17 to simplify access to the passage.
Такая реализация способа позволяет, во-первых, упростить процесс строительства здания за счет того, что объемы сверху ограничены отдельными плитами, размер которых вдвое меньше и их легче монтировать и транспортировать к месту строительства. This implementation of the method allows, firstly, to simplify the building construction process due to the fact that the volumes on top are limited to individual slabs, the size of which is half the size and they are easier to install and transport to the construction site.
Во-вторых, через технологические проходы обслуживающий персонал получает доступ практически к любому месту герметизирующих уплотнений 19а- 19г, что существенно упрощает устранение течей сразу (в течение нескольких часов) после землетрясения, а также позволяет проводить периодические регламентные работы на строящемся или эксплуатируемом здании. Secondly, through technological passages, maintenance personnel gain access to almost any place of the sealing seals 19a-19g, which greatly simplifies the elimination of leaks immediately (within several hours) after an earthquake, and also allows for periodic routine maintenance on a building under construction or in operation.
Вариант 4. Option 4.
В предыдущих вариантах рассматривались реализации способа, в которых герметичный объем (объемы) размещены в одной плоскости, что актуально для зданий, строящихся на ровных участках местности. При строительстве зданий в предгорьях или горной местности, часто приходится строить здания на площадках с уклоном. Надо заметить, что именно в таких местностях землетрясения более вероятны, чем на равнине, и задача сейсмозащиты там еще более актуальна. На фиг. 9 - 11, представлен вариант реализации заявляемого способа при строительстве на наклонных участках местности. Фундамент здания 21 выполнен так, что его опорная поверхность имеет две горизонтальные площадки, находящиеся на разной высоте. Площадь фундамента разделена технологическими проходами 27 на четыре отдельные площадки, на которые уложены нижние плиты 24а-24г, которые вместе с верхними отдельными плитами 25а-25г и герметизирующим уплотнением 28а-28г (см. фиг. 10) образуют четыре отдельных герметичных объема 23а-23г, т.е. четыре самостоятельных модуля. Количество разновысоких плоскостей на фундаменте может быть значительно больше двух. Для удобства обслуживания отдельных модулей сделаны технологические проходы 27, к которым ведет лестница 26. In previous versions, implementations of the method were considered in which the sealed volume (volumes) are placed in one plane, which is important for buildings built on flat areas. When constructing buildings in the foothills or mountainous areas, it is often necessary to build buildings on sites with a slope. It should be noted that it is in such areas that earthquakes are more likely than on the plain, and the task of seismic protection there is even more urgent. In fig. 9 - 11, a variant of the implementation of the proposed method for construction on sloping areas is presented. The foundation of building 21 is designed so that its supporting surface has two horizontal platforms located at different heights. The foundation area is divided by technological passages 27 into four separate platforms, on which the lower slabs 24a-24g are laid, which, together with the upper individual slabs 25a-25g and the sealing seal 28a-28g (see Fig. 10), form four separate sealed volumes 23a-23g , i.e. four independent modules. The number of planes of different heights on the foundation can be significantly more than two. For ease of servicing of individual modules, technological passages 27 are made, to which stairs 26 lead.
Кроме того, установка между фундаментом 21 и массивом зд ания 22 отдельных модулей, которые можно доставлять на строительную площадку в готовом виде, а не изготавливать в процессе строительства на стройплощадке, позволяет существенно упростить строительство здания. In addition, the installation of separate modules between the foundation 21 and the building mass 22, which can be delivered to the construction site in finished form, and not manufactured during the construction process on the construction site, can significantly simplify the construction of the building.
Методика расчетов сейсмозащиты в предлагаемом способе состоит из следующих операций:The method for calculating seismic protection in the proposed method consists of the following operations:
1. Архитекторами задается максимальная допустимая величина эффективного коэффициента трения и среднее д авление здания на грунт. 1. Architects set the maximum permissible value of the effective coefficient of friction and the average pressure of the building on the ground.
2. На основании этих данных и коэффициента динамической вязкости выбранной жидкости вычисляется минимально допустимая величина зазора. 2. Based on these data and the coefficient of dynamic viscosity of the selected fluid, the minimum permissible gap value is calculated.
3. Исходя из требуемого времени сохранения работоспособности и минимально допустимой величины зазора вычисляется минимальный размер (в плане) одиночного герметичного объема.3. Based on the required time to maintain operability and the minimum permissible gap size, the minimum size (in plan) of a single sealed volume is calculated.
Размеры отдельных герметичных объемов не могут быть меньше рассчитанного. The dimensions of individual sealed volumes cannot be less than calculated.
Вариант 5. Option 5.
На фиг. 12 представлен рисунок сечения отдельного модуля, представляющего собой герметичный объем с жидкостью, который может быть изготовлен в заводских условиях и доставлен на стройплощадку, как комплектующее изделие. Такие модули можно укладывать на фундамент, а уже на верхних плитах таких модулей - собирать опорную плиту массива здания и далее само здание. Модуль представляет собой герметичный объем 31, заполненный вязкой жидкостью, который выполнен в зазоре между нижней плитой 30 и верхней 33, а по периметру ограничен герметичным уплотнением 32. При сборке на производстве давление в жидкости минимально (она поддерживает только верхнюю плиту модуля), но по мере строительства и, соответственно, увеличения нагрузки на модуль, давление в жидкости будет подниматься вплоть до расчетного значения. При этом не будет происходить каких-то изменений в размерах модуля, так как жидкость практически несжимаема.In fig. Figure 12 shows a cross-sectional drawing of a separate module, which is a sealed volume with liquid, which can be manufactured in a factory and delivered to the construction site as a component item. Such modules can be laid on the foundation, and on the top slabs of such modules the base plate of the building mass and then the building itself can be assembled. The module is a sealed volume 31 filled with a viscous liquid, which is made in the gap between the bottom plate 30 and the top 33, and is limited around the perimeter by a hermetic seal 32. When assembled in production, the pressure in the liquid is minimal (it supports only the top plate of the module), but As construction progresses and, accordingly, the load on the module increases, the pressure in the liquid will rise up to the calculated value. In this case, there will be no changes in the dimensions of the module, since the liquid is practically incompressible.
Вариант 6. Option 6.
На фиг. 13 представлен рисунок сечения модернизированного отдельного модуля, представленного на фиг. 12. На практике жидкости с высоким коэффициентом динамической вязкости не всегда безобидны для окружающей среды. Поэтому с точки зрения экологии необходимо обезопасить окружающую среду от протекания жидкости даже во время землетрясений. В связи с этим, в состав модуля дополнительно включено устройство сбора жидкости 37 на случай ее протечки при нарушении герметичности уплотнения 36. На рисунке слева показано место нарушения герметичности уплотнения на участке 36а и, как следствие, вытекание жидкости из объема 35, образованного в зазоре между плитами 34 и 38. Жидкость протекает в устройство сбора жидкости 37 на участке 37а. Устройство 37 представляет собой сточный канал по периметру модуля для сбора и вторичного использования жидкости в случаях нарушения герметичности объема 35. In fig. 13 is a cross-sectional drawing of the upgraded individual module shown in FIG. 12. In practice, liquids with a high coefficient of dynamic viscosity are not always environmentally friendly. Therefore, from an environmental point of view, it is necessary to protect the environment from liquid leakage even during earthquakes. In this regard, the module additionally includes a liquid collection device 37 in case of leakage when the seal 36 is broken. The figure on the left shows the location of the seal failure in section 36a and, as a consequence, the leakage of liquid from the volume 35 formed in the gap between plates 34 and 38. Liquid flows into liquid collection device 37 at section 37a. Device 37 is a drain channel around the perimeter of the module for collecting and recycling liquid in cases of failure of the seal of volume 35.
Вариант 7. Option 7.
На фиг. 14 представлен рисунок сечения модернизированного отдельного модуля, представляющего собой несколько (на рисунке показано два) герметичных объемов с жидкостью с общим центральным каналом для сбора жидкости, который может быть изготовлен в заводских условиях и доставлен на стройплощадку. Модуль включает: нижнюю и верхнюю бетонные плиты 39 и 46, в зазоре между которыми организованы два герметичных объема с жидкостью 40 и 41, ограниченные двумя уплотнениями 42 и 43, при этом на участках уплотнений 42а и 43а нет нарушения герметичности, а на участках 426 и 436 имеются щели, через которые жидкость вытекает. По каналам 44, организованным по периметру модуля, а также по центральному общему каналу 45 жидкость собирается для ее повторного использования. В отличие от модуля, представленного на фиг.13, каналы для сбора протекающей жидкости сформированы не только отдельными деталями, выполненными, например, из металла, но и сформированы непосредственно в нижней бетонной плите. In fig. Figure 14 shows a cross-sectional drawing of a modernized separate module, which consists of several (two are shown in the figure) sealed volumes with liquid with a common central channel for collecting liquid, which can be manufactured in a factory and delivered to the construction site. The module includes: lower and upper concrete slabs 39 and 46, in the gap between which there are two sealed volumes with liquid 40 and 41, limited by two seals 42 and 43, while in areas of seals 42a and 43a there is no leakage, and in areas 426 and 436 there are cracks through which liquid flows out. Through channels 44, organized around the perimeter of the module, as well as through the central common channel 45, the liquid is collected for reuse. In contrast to the module presented in Fig. 13, the channels for collecting the flowing liquid are formed not only by individual parts made, for example, of metal, but are also formed directly in the lower concrete slab.
Вариант 8. Option 8.
На фиг. 15 представлено логическое развитие варианта выполнения модуля со сбором протекающей жидкости в виде упрощенной блок-схемы системы вторичного использования вытекающей жидкости. Протекшая жидкость стекает в устройство сбора жидкости 51 и собирается на участке 51а, расположенном ниже остальных. Собранная жидкость, через трубопровод 52 забирается насосом 54, при этом она предварительно проходит через фильтр 53 (где очищается от примесей и пыли) и подготавливается к вторичному использованию. Далее, через систему трубопроводов, снабженных необходимой трубной арматурой 55 и 56, а также под контролем измерительного оборудования 57 (условно показан только один манометр) жидкость под давлением подается по трубопроводу 58 в герметичный объем 50. Наличие запорной арматуры и манометра, позволяет оценить величину утечки жидкости по времени падения давления в объеме 50. На фиг.15 запорная арматура показана условно для упрощения понимания протекающих на блок-схеме процессов, а количество единиц и видов реальной трубной арматуры может быть существенно больше по сравнению с представленной на рисунке. In fig. 15 shows the logical development of the module implementation with the collection of leaking liquid in the form of a simplified block diagram of a system for recycling the leaking liquid. The leaked liquid flows into the liquid collection device 51 and is collected in the area 51a located below the rest. The collected liquid is taken through pipeline 52 by pump 54, while it first passes through filter 53 (where it is cleaned of impurities and dust) and prepared for reuse. Next, through a pipeline system equipped with the necessary pipe fittings 55 and 56, as well as under the control of measuring equipment 57 (only one pressure gauge is conventionally shown), liquid under pressure is supplied through pipeline 58 into a sealed volume 50. The presence of shut-off valves and a pressure gauge allows you to estimate the amount of leakage liquid according to the time of pressure drop in volume 50. In Fig. 15, the shut-off valves are shown conventionally to simplify the understanding of the processes occurring in the block diagram, and the number of units and types of real pipe fittings can be significantly greater than those shown in the figure.
Вариант 9. Option 9.
На фиг. 16 представлен рисунок фрагмента сечения отдельного модуля, позволяющий пояснить суть способа и основания для выбора величины зазора между нижней плитой 59 и верхней 60 при проектировании герметичного объема 61 в пред лагаемом способе. На рисунке в увеличенном масштабе показана неровность (шероховатость) поверхностей, формирующих зазор: Д1 - абсолютная величина шероховатости верхней поверхности зазора (плиты 60); Д2 - абсолютная величина шероховатости нижней поверхности зазора (плиты 59). Понятно, что зазор S (см. фиг. 16) должен быть больше суммы этих двух величин, иначе неровности плит будут цепляться друг за друга и формировать большой неконтролируемый эффективный коэффициент трения. Кроме того, для эффективной сейсмозащиты необходимо иметь гарантированную толщину слоя жидкости , необходимую для обеспечения требуемого значения эффективного коэффициента трения. И суммарно величина зазора S определяется по формуле (1), как сумма этих трех величин: £ = Д1 + Д2 + Т (1)In fig. Figure 16 shows a drawing of a fragment of a section of a separate module, which makes it possible to explain the essence of the method and the basis for choosing the size of the gap between the lower plate 59 and the upper 60 when designing a sealed volume 61 in the proposed method. The figure shows on an enlarged scale the unevenness (roughness) of the surfaces forming the gap: D1 - absolute value of the roughness of the upper surface of the gap (slab 60); D2 is the absolute value of the roughness of the bottom surface of the gap (plate 59). It is clear that the gap S (see Fig. 16) must be greater than the sum of these two values, otherwise the irregularities of the plates will cling to each other and form a large uncontrolled effective coefficient of friction. In addition, for effective seismic protection it is necessary to have a guaranteed thickness of the liquid layer necessary to ensure the required value of the effective friction coefficient. And the total size of the gap S is determined by formula (1), as the sum of these three values: £ = D1 + D2 + T (1)
Для примера приведем расчет сейсмозащиты для здания, среднее давление которого на грунт Р = 10 Атм = 106 Па, а для его защиты необходимо, чтобы эффективный коэффициент трения был не более Кэфф < 0, 1 %. As an example, we give the calculation of seismic protection for a building whose average pressure on the ground is P = 10 Atm = 10 6 Pa, and for its protection it is necessary that the effective friction coefficient be no more than Keff < 0.1%.
Эффективный коэффициент трения по определению есть отношение силы вязкого трения на единицу площади поверхности опорной плиты массива здания к среднему давлению здания на грунт: The effective coefficient of friction, by definition, is the ratio of the force of viscous friction per unit surface area of the base plate of the building mass to the average pressure of the building on the ground:
Кэфф= Р/ Р (2) Keff = R/R (2)
Сила вязкого трения на единицу площади поверхности определяется формулой: The force of viscous friction per unit surface area is determined by the formula:
F = аз gradV (3) где: аз - коэффициент динамической вязкости жидкости; gradV - градиент скорости потока жидкости в зазоре. В нашем случае щель узкая, поэтому можно принять gradV = V/h, где h - величина зазора. F = az gradV (3) where: az is the coefficient of dynamic viscosity of the liquid; gradV is the gradient of the fluid flow velocity in the gap. In our case, the gap is narrow, so we can take gradV = V/h, where h is the gap size.
Тогда из (2) и (3) получаем: Then from (2) and (3) we obtain:
Кэфф = F/P = (ae-V/h)/P (4) Keff = F/P = (ae-V/h)/P (4)
Из (4) получим: From (4) we get:
Ь > $-У/(Р-Кэфф) (5)b > $-U/(P-K e ff) (5)
Для примера возьмем в качестве вязкой жидкости мазут. Для него коэффициент динамической вязкости аз составляет около Ша с. Скорость смещения фундамента вместе с грунтом V во время землетрясения составляет около 1м/с. For example, let’s take fuel oil as a viscous liquid. For it, the coefficient of dynamic viscosity az is about Sha c. The displacement speed of the foundation together with the soil V during an earthquake is about 1 m/s.
Подставив значения в формулу (5), получим:
Figure imgf000020_0001
Substituting the values into formula (5), we get:
Figure imgf000020_0001
Расчет показал, что даже слоя мазута толщиной > 1 миллиметра достаточно, чтобы обеспечить коэффициент трения 0,1%. Calculations showed that even a layer of fuel oil >1 millimeter thick is enough to provide a friction coefficient of 0.1%.
Поверхность необработанных конструкций из бетона всегда имеет неровности. В нормативной технической документации оговорено пять категорий качества поверхности бетона от АЗ до А7. Максимальные размеры выступов на поверхности нормируются для трех категорий и имеют величину от 1мм до 5мм. Предположим, что шероховатость нижней поверхности верхней плиты соответствует категории А6 и, соответственно, Д1 = 5мм, а шероховатость верхней поверхности нижней плиты соответствует категории А4 и, соответственно, Д2 = 1мм. The surface of untreated concrete structures always has unevenness. The regulatory technical documentation specifies five categories of concrete surface quality from AZ to A7. The maximum dimensions of protrusions on the surface are standardized for three categories and range from 1mm to 5mm. Let us assume that the roughness of the lower surface of the upper plate corresponds to category A6 and, accordingly, D1 = 5 mm, and the roughness of the upper surface of the lower plate corresponds to category A4 and, accordingly, D2 = 1 mm.
Тогда необходимая величина зазора, согласно формуле (1) равна: Then the required gap value, according to formula (1), is equal to:
S = Д1 + Д2 + > 5+1+1 = 7мм S = D1 + D2 + > 5+1+1 = 7mm
Как уже говорилось выше, при нарушении герметичности уплотнений, вязкая жидкость будет долго вытекать из зазора Оценим, для примера, это время для реализации, представленной на фиг.1. As mentioned above, if the tightness of the seals is broken, the viscous liquid will flow out of the gap for a long time. Let us estimate, for example, this time for the implementation presented in Fig. 1.
Объем жидкости под фундаментом здания определяется из геометрических соображений: The volume of liquid under the foundation of a building is determined from geometric considerations:
W = A2 h (6) где: А - размер здания в плане; h - вычисленная выше величина зазора Дня оценки будем считать, что поток жидкости течет в одну сторону объема, где полностью удалено герметизирующее уплотнение на участке длиной 8 = 1м. Течение происходит под действием рабочего давления Р = 1 Оатм, как и в предыдущем расчете. W = A 2 h (6) where: A is the size of the building in plan; h - the gap value calculated above On the day of assessment, we will assume that the fluid flow flows to one side of the volume, where the sealing seal is completely removed in a section of length 8 = 1 m. The flow occurs under the action of operating pressure P = 1 Oatm, as in the previous calculation.
Известно, что расход жидкости через горизонтальный зазор величиной h, шириной 8, длиной L под действием перепада давления Р определяется формулой: It is known that the fluid flow through a horizontal gap of size h, width 8, length L under the influence of pressure drop P is determined by the formula:
Q = (8 P h3) /12(ав-Ь) (7)Q = (8 P h 3 ) /12(ab-b) (7)
Такой поток будет в самом начале истечения жидкости, но по мере ее вытекания, величина зазора будет уменьшаться, а расход будет уменьшаться еще быстрее, пропорционально третьей степени величины зазора. Such a flow will occur at the very beginning of the outflow of liquid, but as it flows out, the size of the gap will decrease, and the flow rate will decrease even faster, proportional to the third power of the size of the gap.
Соответственно, время истечения жидкости из объема можно оценить снизу как: т = W/Q (8)Accordingly, the time of liquid outflow from the volume can be estimated from below as: t = W/Q (8)
Подставляя (6) и (7) в (8) и вспоминая, что в нашем случае здание квадратное и, соответственно, L = А, получаем: т ~ 12(А3-ж)/(8-Р-Ь2) (9)Substituting (6) and (7) into (8) and remembering that in our case the building is square and, accordingly, L = A, we obtain: m ~ 12(A 3 -g)/(8-P-b 2 ) ( 9)
Приняв размер здания А = 100 м и подставляя все значения в (7), получим оценку снизу на время продолжительности истечения жидкости из объема: т ~ ( 106 • 1 )/( 1 • 106 • (7 ■ 10‘3)2) = 2,04 • 104 с = 5 ,7 часа. Taking the building size A = 100 m and substituting all values into (7), we obtain a lower estimate for the duration of liquid outflow from the volume: t ~ ( 10 6 • 1 )/( 1 • 10 6 • (7 ■ 10' 3 ) 2 ) = 2.04 • 10 4 s = 5.7 hours.
Следует заменить, этого времени вполне достаточно, чтобы уберечь здание от афтершоков, а с учетом того, что протечка может быть устранена любыми подручными материалами, такой способ защиты можно считать абсолютно надежным (см. https://ru.wikipedia.org/ wiki/ Афтершок).It should be replaced, this time is quite enough to protect the building from aftershocks, and taking into account the fact that the leak can be eliminated with any available materials, this method of protection can be considered absolutely reliable (see https://ru.wikipedia.org/wiki/ Aftershock).
Кроме того, не надо забывать, что для приведенных выше оценок мы выбрали очень низкую категорию шероховатости поверхности бетона. При проектировании сейсмозащиты, вполне можно заложить шлифовку поверхностей, образующих герметичный объем, как это делают, например, с полами из мраморной крошки. Тогда величина зазора может быть уменьшена в 5 - 10 раз, а соответственно время т возрастет в 25 - 100 раз, и тогда уже даже полностью разрушенное герметизирующее уплотнение не повлияет на сейсмозащиту здания в течение очень длительного времени. In addition, we must not forget that for the above estimates we chose a very low category of concrete surface roughness. When designing seismic protection, it is quite possible to plan on grinding the surfaces that form a sealed volume, as is done, for example, with floors made of marble chips. Then the size of the gap can be reduced by 5 - 10 times, and accordingly the time t will increase by 25 - 100 times, and then even a completely destroyed sealing seal will not affect the seismic protection of the building for a very long time.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM
1. Способ пассивной защиты зданий от горизонтальных колебаний земной коры при землетрясениях, включающий отделение массива здания от подвижной опорной части фундамента, расположенной в земной коре, путем расположения между ними герметичного объема, заполненного жидкостью под избыточным давлением, достаточным для удержания веса здания, отличающийся тем, что в качестве жидкости использована жидкость с высоким коэффициентом динамической вязкости, а герметичный объем выполнен в виде одного или нескольких горизонтальных или близких к горизонтальным зазоров, разделенных герметизирующими уплотнениями на один или несколько отдельных герметичных объемов, расположенных в плане между массивом здания и подвижной опорной частью фундамента, при этом величина зазора превышает суммарную высоту неровностей опорных плит фундамента и массива здания, образующих зазор, на величину минимальной толщины слоя жидкости, обеспечивающей массиву здания величину эффективного коэффициента вязкого трения, достаточную для защиты здания от воздействия сейсмической волны. 1. A method for passively protecting buildings from horizontal vibrations of the earth’s crust during earthquakes, including separating the building mass from the movable supporting part of the foundation located in the earth’s crust by placing between them a sealed volume filled with liquid under excess pressure sufficient to hold the weight of the building, characterized in that that the liquid used is a liquid with a high coefficient of dynamic viscosity, and the sealed volume is made in the form of one or several horizontal or close to horizontal gaps, separated by sealing seals into one or several separate sealed volumes located in plan between the building mass and the movable supporting part foundation, while the size of the gap exceeds the total height of the unevenness of the base plates of the foundation and the building mass forming the gap by the amount of the minimum thickness of the liquid layer that provides the building mass with an effective coefficient of viscous friction sufficient to protect the building from the effects of a seismic wave.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что несколько зазоров выполнены в единой по высоте плоскости. 2. The method according to claim 1, characterized in that several gaps are made in a plane of the same height.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что несколько зазоров выполнены в разных по высоте плоскостях. 3. The method according to claim 1, characterized in that several gaps are made in planes of different heights.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждый герметичный объем снабжен автономным трубопроводом для подачи в него жидкости, а также средствами для контроля ее давления и уровня наполнения объема. 4. The method according to claim 1, characterized in that each sealed volume is equipped with an autonomous pipeline for supplying liquid to it, as well as means for monitoring its pressure and the filling level of the volume.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкости с высоким коэффициентом динамической вязкости использован мазут различных марок. 5. The method according to claim 1, characterized in that fuel oil of various grades is used as a liquid with a high coefficient of dynamic viscosity.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкости с высоким коэффициентом динамической вязкости использована нефть различных марок, очищенная от механических примесей. 6. The method according to claim 1, characterized in that oil of various grades, purified from mechanical impurities, is used as a liquid with a high coefficient of dynamic viscosity.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкости с высоким коэффициентом динамической вязкости использован глицерин. 7. The method according to claim 1, characterized in that glycerin is used as a liquid with a high coefficient of dynamic viscosity.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что между отдельными герметичными объемами организованы технологические проходы для проведения ремонтных или регламентных работ. 8. The method according to claim 1, characterized in that technological passages are organized between the individual sealed volumes for carrying out repair or maintenance work.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что по периметру герметичных объемов расположена система аварийного сбора жидкости, оборудованная средствами фильтрации и подготовки жидкости к повторному использованию. 9. The method according to claim 1, characterized in that along the perimeter of the sealed volumes there is an emergency liquid collection system equipped with means for filtering and preparing the liquid for reuse.
10. Способ по п.1, отличающийся тем, что если герметичный объем, состоит из нескольких отдельно расположенных герметичных объемов, расположенных в плане между массивом здания и подвижной опорной частью фундамента, то каждый из указанных герметичных объемов может быть выполнен в виде зазора между двух отдельных плит, установленных одна над другой с герметизирующим уплотнением по периметру, при этом верхняя плита прилегает к массиву здания, а нижняя - к опорной части фундамента. 10. The method according to claim 1, characterized in that if the sealed volume consists of several separately located sealed volumes located in plan between the mass of the building and the movable supporting part of the foundation, then each of these sealed volumes can be made in the form of a gap between two separate slabs installed one above the other with a sealing seal around the perimeter, with the upper slab adjacent to the mass of the building, and the lower to the supporting part of the foundation.
PCT/RU2022/000315 2022-09-29 2022-10-19 Method for protecting tall structures against seismic effects WO2024072254A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2022125491 2022-09-29
RU2022125491A RU2793482C1 (en) 2022-09-29 Method of protection of high-rise structures from seismic effects

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024072254A1 true WO2024072254A1 (en) 2024-04-04

Family

ID=90478885

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2022/000315 WO2024072254A1 (en) 2022-09-29 2022-10-19 Method for protecting tall structures against seismic effects

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2024072254A1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0139541A2 (en) * 1983-10-27 1985-05-02 Kabushiki Kaisha Toshiba Seismic isolator
SU1467455A1 (en) * 1987-04-20 1989-03-23 Рижский политехнический институт им.А.Я.Пельше Method of determining dry friction force and viscous friction in oscillating system
SU1507943A1 (en) * 1987-10-28 1989-09-15 Центральный Научно-Исследовательский Институт Строительных Конструкций Им.В.А.Кучеренко Multistorey earthquake-proof building
RU2072406C1 (en) * 1993-02-02 1997-01-27 Санельников Виктор Степанович Shock-absorbing device for seismic protection of structures
RU2388869C2 (en) * 2007-10-29 2010-05-10 Учреждение Российской академии наук Центр геофизических исследований Владикавказского научного центра РАН и Правительства Республики Северная Осетия - Алания (ЦГИ ВНЦ РАН и РСО-А) Seismic isolating foundation and method of erecting building thereon
RU2622279C1 (en) * 2016-05-19 2017-06-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет" Method for protecting foundations of buildings and structures against dynamic effects in soil and device for its implementation

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0139541A2 (en) * 1983-10-27 1985-05-02 Kabushiki Kaisha Toshiba Seismic isolator
SU1467455A1 (en) * 1987-04-20 1989-03-23 Рижский политехнический институт им.А.Я.Пельше Method of determining dry friction force and viscous friction in oscillating system
SU1507943A1 (en) * 1987-10-28 1989-09-15 Центральный Научно-Исследовательский Институт Строительных Конструкций Им.В.А.Кучеренко Multistorey earthquake-proof building
RU2072406C1 (en) * 1993-02-02 1997-01-27 Санельников Виктор Степанович Shock-absorbing device for seismic protection of structures
RU2388869C2 (en) * 2007-10-29 2010-05-10 Учреждение Российской академии наук Центр геофизических исследований Владикавказского научного центра РАН и Правительства Республики Северная Осетия - Алания (ЦГИ ВНЦ РАН и РСО-А) Seismic isolating foundation and method of erecting building thereon
RU2622279C1 (en) * 2016-05-19 2017-06-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет" Method for protecting foundations of buildings and structures against dynamic effects in soil and device for its implementation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6238144B1 (en) Retaining wall and fascia system
EP2021549B1 (en) Method of raising a building
KR101132640B1 (en) Safety evaluation method for soil shearing work
AU2022375622A1 (en) System and method for protection of under-slab utilities from changes in soil volume
Clemente et al. Seismic isolation in existing complex structures
RU2793482C1 (en) Method of protection of high-rise structures from seismic effects
WO2024072254A1 (en) Method for protecting tall structures against seismic effects
JP2003301470A (en) Foundation base isolation structure using two layer separation type footing and its repair method
CN212772461U (en) Assembly gravity type soil retaining structure
Илюхина et al. Structures of the high-rise building “Lakhta center” in Saint-Petersburg
Berrill et al. Edgecumbe earthquake: reconnaissance report
Tashkov et al. Evaluation of efficiency of ALSC floating-sliding base-isolation system based on shake table test and floor response spectra
Tripathi et al. Seismic Performance of Elevated Reinforced Concrete Water Tanks.
Goncharov et al. Increasing the laying depth of the foundations fordeepened underground buildingsparts
CN116837896B (en) Intelligent control prestress self-balancing arch ring soil retaining mechanism and use method
Ahmed et al. Mitigation of risks associated with deep excavations: state of the art review
Allen et al. Seismic rehabilitation of the Salt Lake City and County building using base isolation
Masuzawa et al. Seismic isolation retrofit of a medical complex by integrating two large-scale buildings
Rashidov et al. Modern requirements for the design of earthquakeresistant buildings
Haessler et al. Benefits of non-linear structural analysis for optimising the seismic assessment and retrofitting of a CEA laboratory
RU35808U1 (en) FOUNDATION FOR INDUSTRIAL STRUCTURE
CN220704537U (en) Deep foundation pit supporting structure
Yanev et al. An experimental program for studying the dynamic response of a steel frame with a variety of infill partitions
Burdiel et al. The “CNIT La Défense” railway station in Paris: A large scale underpinning in a constrained environment
Rim et al. Incline Prevention Reinforcement Structure–Controlling Building Incline