Экран для защиты зданий и сооружений от вибраций
Изобретение относится к строительству, а именно к конструкциям экранов для защиты фундаментов и надземных частей зданий и сооружений от воздействия вибраций. Экран включает размещенные около здания или сооружения со стороны источника вибраций внутренний и внешний ряды скважин, заполненных защитным материалом и расположенных в рядах в шахматном порядке. Защитный материал размещен в эластичной оболочке, по меньшей мере, двухслойной. Повышается эффективность защиты за счет снижения бокового сопротивления на границе защитного материала со стенками скважины путем снижения контактного трения и сил сцепления вдоль боковой поверхности защитного материала. Также повышается технологичность изготовления экрана за счет ее упрощения.
Техническое решение относится к строительству, а именно к конструкциям экранов для защиты фундаментов и надземных частей зданий и сооружений от воздействия вибраций.
Известен экран для защиты сооружений от сейсмического воздействия, например, в устое моста по авт. св. СССР №1370173, кл. E 01 D 19/02, опубл. в БИ №4 за 1988 г., включающий расположенные друг на друге и имеющие криволинейное вогнутое очертание прослойки из антифрикционного материала, размещенные в грунте непосредственно перед защищаемым сооружением. Недостаток экрана заключается в том, что после прохождения волны при сейсмическом воздействии между прослойками и грунтом образуются воздушные зазоры, так как за счет имеющейся пластичности грунта деформация его от сейсмического воздействия восстанавливается частично. В результате при повторном воздействии волны воздушные зазоры могут вызвать динамический удар грунта, а следовательно, привести к разрушению сооружения. Таким образом, указанный экран может оказаться неэффективным при повторном сейсмическом воздействии. Кроме того, монтаж экрана трудоемок, так как требует проведения большого объема работ по выемке и заделке грунта.
Известно также устройство для виброакустической изоляции объекта по авт. св. СССР №1675504, кл. E 02 D 31/08, 27/44, 27/34, опубл. в БИ №33
за 1991 г., включающее размещенный в грунте вокруг защищаемого объекта экран из защитного материала, выполненный из уплотненного содержащего упруговязкие мелкодисперсные частицы материала с установленными волновым сопротивлением и поверхностной плотностью и размещенного на упруговязкой подушке. Экран в указанном устройстве защищает строительные конструкции недостаточно эффективно из-за большого бокового сопротивления на границе защитного материала со стенками траншеи за счет большого контактного трения и сцепления. Кроме того, защитный материал размещен в траншее, что требует проведения большого объема работ по выемке грунта и использования мощного оборудования.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и совокупности существенных признаков является экран для защиты зданий и сооружений от сейсмических воздействий по авт. св. СССР №1629416, кл. E 02 D 31/08, опубл. в БИ №7 за 1991 г., включающий размещенные вокруг здания, сооружения внутренний и внешний ряды скважин, заполненных поглощающим колебания материалом и расположенных в рядах в шахматном порядке. При этом установлен шаг между скважинами внутреннего ряда и размер перемычки между скважинами внутреннего и внешнего ряда в зависимости от диаметра скважин. Экран такой конструкции гасит волну при сейсмическом воздействии также недостаточно эффективно из-за большого бокового сопротивления на границе поглощающего колебания материала со стенками скважины за счет большого контактного трения и сцепления. В результате колебания частиц грунта передаются частицам указанного поглощающего материала в скважинах, затем частицам грунта в перемычках и далее - во второй ряд скважин. Кроме того, изготовление экрана нетехнологично, так как на практике трудно выдержать установленные размеры перемычек и шаг между скважинами внутреннего ряда.
Технической задачей предлагаемого решения является повышение эффективности защиты зданий и сооружений от вибраций за счет снижения бокового сопротивления на границе защитного материала со стенками скважины путем снижения контактного трения и сил сцепления вдоль боковой поверхности защитного материала, а также повышение технологичности изготовления экрана за счет ее упрощения.
Поставленная задача решается тем, что в экране для защиты зданий и сооружений от вибраций, включающем размещенные около здания или сооружения со стороны источника вибраций внутренний и внешний ряды скважин, заполненных защитным материалом и расположенных в рядах в шахматном порядке, согласно техническому решению защитный материал размещен в эластичной оболочке, по меньшей мере, двухслойной.
Защитный материал, как и в прототипе, представляет собой смесь легких сыпучих материалов с упруго - пластичными свойствами и обеспечивает защиту зданий и сооружений при вибровоздействии от продольных волн, вызывающих сжатие и растяжение грунта, за счет упругости и внутреннего трения частиц легких сыпучих материалов, составляющих смесь. Эти свойства частиц указанной смеси за счет релаксации напряжений на контактах частиц превращают энергию вибраций в тепло, обеспечивая ее эффективное рассеивание в окружающее пространство. Размещение указанной смеси в эластичной оболочке, по меньшей мере, двухслойной, обеспечивает снижение бокового сопротивления на границе защитного материала со стенками скважины за счет снижения контактного трения и сцепления вдоль боковых поверхностей защитного материала. В результате снижается реакция конструкции на вертикальные (сдвиговые) колебания от поперечных и поверхностных волн, что особенно важно, так как фундаменты зданий и сооружений располагаются близко к поверхности грунта. При подходе такой волны конструкция экрана работает и как амортизатор, и рассеивает энергию волны благодаря вызванным колебаниям частиц защитного
материала за счет взаимного трения их на контактах. Эффективность защиты от этого повышается. Упрощается также технология изготовления экрана, так как дополнительная защита в виде эластичной оболочки, имеющей несколько слоев, исключает необходимость строгого соблюдения размера перемычек и шага между скважинами внутреннего ряда, как это необходимо в прототипе.
Целесообразно между слоями эластичной оболочки разместить смазочный порошковый материал. Это сводит практически к нулю трение скольжения между слоями эластичной оболочки, повышая в итоге эффективность защиты.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами фиг.1-4, где показано: на фиг.1 - продольный разрез экрана для защиты зданий и сооружений от вибраций по скважине, заполненной защитным материалом в эластичной оболочке (на фоне здания); на фиг.2 - графики колебаний при вибровоздействии (вверху -поперечная волна, внизу - продольная); на фиг.3 - вид А на фиг.1 (поперечный разрез по указанному экрану при двухрядном расположении скважин); на фиг.4 - экспериментальная виброграмма падающей волны (кривая 1 - до указанного экрана, кривая 2 - после него, около здания).
Практически установлено, что при динамических осадках фундаментов зданий и сооружений на их основания передаются давления, близкие к предельно допустимым по нормативам, за счет образования в их толще пластических сдвигов. Такие осадки нередко возникают не только в рыхлых, но также и в плотных песках или глинистых грунтах (за исключением твердых). Они могут длиться десятилетиями и достигать значительных размеров под влиянием даже относительно слабых сотрясений, тем более - под действием вибраций, так как под действием вибраций, как известно, сопротивление грунтов сдвигу снижается. Поэтому эффективная защита зданий и сооружений экранами является актуальной задачей.
Экран для защиты зданий и сооружений от вибраций (далее - экран) содержит размещенные, например, у здания 1 (фиг.1) со стороны источника вибраций (на фиг. не показан) внутренний и внешний ряды скважин 2, заполненных защитным материалом 3, который размещен в эластичной оболочке 4, например, двухслойной. Количество слоев эластичной оболочки 4 определяется экономической целесообразностью. Скважины 2 расположены в рядах (фиг.3) в шахматном порядке (без просветов). Эластичная оболочка 4 выполнена в виде чулка, например, из полихлорвинила, полиизобутилена, полиэтилена, полиамида, фторопласта и т.п. материалов и размещена в скважине 2 круглого сечения, после чего заполнена защитным материалом 3. Последний представляет собой упруго - пластичную смесь легких сыпучих материалов. В качестве пластических материалов, обладающих внутренним трением и малым удельным весом, используют пенопластовые шарики, не подверженные разложению и значительному сжатию под давлением, щебень и/или песок из керамзита, аглоперита, вермикулита, перлита, шлак. В качестве упругой компоненты указанной смеси используют резиновую крошку или стружку, резиновые кольца, полиуритановые шарики и т.п. материалы. Между слоями эластичной оболочки 4 можно разместить смазочный порошковый материал, например, тальк или графитовый порошок.
Экран используют следующим образом.
От источника вибраций распространяются продольные и поперечные волны (фиг.2). При продольной волне частицы грунта колеблются в направлении движения волны, а при поперечной волне - вертикально при горизонтальном ее движении, поэтому деформации грунта от продольных волн представляют собой только сжатие и растяжение, а от поперечных волн - только деформации сдвига, которые особенно опасны. Наиболее опасны поверхностные волны, приникающие внутрь грунта на небольшую глубину (порядка длины волны). Фундаменты зданий и сооружений
располагаются относительно близко к поверхности грунта и служат приемниками этих волн.
Защита здания 1 от продольных волн производится защитным материалом 3 - смесью легких сыпучих материалов, обладающей упругостью и внутренним трением. При вибрационном воздействии такая смесь работает как амортизатор, а вызванные колебания частиц защитного материла 3, за счет релаксации напряжений на контактах частиц, превращают энергию колебаний в тепло и рассеивают его в окружающее пространство. Эластичная оболочка 4 за счет минимального трения ее слоев друг о друга гасит поперечные волны. Таким образом, благодаря совместному действию эластичной оболочки 4 и защитного материала 3 вибрационное воздействие ослабевает уже после внешнего ряда скважин, а после внутреннего ряда, образующего с первым заградительную стенку благодаря шахматному расположению скважин, гасится эффективно.
Проведенные эксперименты показали следующее.
Площадки, на которых проводились исследования, были сложены однородными грунтами мощностью ˜15 м с растительным слоем незначительной толщины. Экран включал 2 ряда скважин диаметром 40 см и высотой 8 м, выполненных в шахматном порядке. В качестве защитного материала использовалась смесь из резиновой и керамзитовой крошки со средним размером частиц ˜ 5 мм, в равных пропорциях по объему. В качестве эластичной оболочки были использованы двухслойные полиэтиленовые чулки, длиной и диаметром равные размерам скважины. Вибродатчики для регистрации входящих импульсов устанавливались прямо на грунт, заглублялись на 5-10 см ниже растительного слоя и плотно прижимались, причем один вибродатчик фиксировал падающую волну до экрана, второй - после прохождения ее через экран. Упругие волны создавались одиночными ударами вертикально падающего груза по штампу, установленному на грунт. Под действием вертикальных ударов от их источника передавались поверхностные волны, вызывающие колебания
грунта. На экспериментальной виброграмме (фиг.4) видно, что величина амплитуды А2 смещений грунта (кривая 2) после прохождения падающей волны через экран приблизительно на порядок меньше амплитуды A1 падающей волны до экрана (кривая 1), что подтверждает эффективность действия заявляемого экрана.
1. Экран для защиты зданий и сооружений от вибраций, включающий размещенные около здания или сооружения со стороны источника вибраций внутренний и внешний ряды скважин, заполненных защитным материалом и расположенных в рядах в шахматном порядке, отличающийся тем, что защитный материал размещен в эластичной оболочке, по меньшей мере, двухслойной.
2. Экран по п.1, отличающийся тем, что между слоями эластичной оболочки размещен смазочный порошковый материал.
