EA002391B1 - Защита от землетрясений посредством виброустойчивой опорной поверхности зданий и объектов с помощью длиннопериодных виртуальных маятников - Google Patents

Abstract

Предлагается устойчивая система сейсмозащиты, укрепляющаа здания и другие сооружения, с использованием виртуального маятника (Рν) в виде модулей сейсмозащиты, которые при незначительной строительной высоте здания обладают свойствами перемещения грузоподъемной опорной точки как качающаяся (вибрирующая) деталь длинного маятника с более продолжительным периодом собственного колебания, благодаря чему несущий объект слабо реагирует на передающие высокочастотные колебания земли. Действия системы не будет находиться под влиянием величины базисного ускорения и частоты колебаний земли. Даже при увеличенной магнитуде толчков земли несущий объект остается в положении покоя. Система может быть рассчитана для любой нагрузки и для любой ожидаемой амплитуды качания базиса. Как примеры здесь описаны четыре различных решения с применением указанного способа и варианты устройств для различного применения и необходимые дополнительные приспособления для опор при сильном ветре и центрированием объекта при ветровой нагрузке, а также устройства для подавление влияния вертикальных колебаний поверхности земли.

Description

1. Применение изобретения

1.1. Общие положения

Настоящее изобретение основывается на опыте и базирующихся на нем исследованиях защиты от землетрясений для предотвращения повреждений зданий и других сооружений.

Предлагаемые подвесные устройства являются современными модулями защиты от землетрясений, они сравнительно просты в изготовлении и представляют собой несущие колонны, которые являются точкой опоры нагрузки здания или другого сооружения.

Модули защиты от землетрясений на базе виртуального маятника могут быть спроектированы (разработаны) для любого применения для опоры как легких, так и тяжелых объектов.

Такие модули защиты от землетрясений базируются на современном опыте - установке виртуального маятника, и особенно пригодны для установки в местах, особенно чувствительных к толчкам земли (землетрясениям), для опоры зданий и сооружений всех типов, начиная от мобильных общежитий до жилых домов, торговых центров, гаражей, больниц, небоскребов, башен, мостов, эстакадных дорог, водохранилищ, отстойников, бункеров, подвесных канатных дорог и мачт подвесных дорог, высоковольтных мачт, осветительного оборудования, промышленных, химических и ядерных установок, мостовых переходов трубопроводов, трасс трубопроводов или прочих объектов, для изоляции их от горизонтального движения земли и ускорения и защиты сооружений от разрушительного воздействия сил природы.

Сейсмостойкость объектов имеет особенно важное значение при сооружении объектов, разрушения или повреждения оборудования которых при землетрясении могут привести к последующим разрушениям, т.е. таких объектов как ядерные установки и химические сооружения с особо опасными материалами.

Кроме того, система пригодна для мостов, полностью устраняя проблемы, которые до сих пор известные системы не решали.

Также применение системы сейсмозащиты имеет преимущество при строительстве промышленных предприятий (промышленного оборудования) с чувствительным производственным процессом, например при производстве (изготовлении) «чипов».

Проблема защиты сооружений состоит в том, чтобы полностью изолировать защищенные здания или сооружения от подвижек земли и чтобы сооружения остались в состоянии покоя даже при землетрясениях с высоким баллом.

Высокая степень безопасности должна быть обеспечена и больницам, которые при землетрясениях не могут быстро эвакуироваться и которые в случае катастрофы могли бы продолжать без помех функционировать, оказывая медицинскую помощь нуждающимся в ней.

Применение настоящего изобретения также уменьшает опасность разжижения почвы, возникающего при землетрясении и при определенных подземных работах, так как реактивное действие массы здания на подземный слой при колебаниях почвы редуцируется на предельно малую величину.

Действие взрыва на находящиеся вблизи и оснащенные такой системой здания значительно уменьшается.

Подвесные объекты, такие как осветительные приборы, которые пожароопасны и аварийны, при наличии на них виртуального маятника, могут быть также защищены от повреждений или разрушений.

Объекты на сваях и столбах, имеющие большую степень аварийности при колебаниях земли, могут быть также сохранены с помощью данного изобретения.

Применением виртуального маятника благодаря его активно или пассивно колеблющейся массе достигается эффект гашения колебания на башнях, мачтах, дымоходах.

Модуль сейсмозащиты на основе виртуального маятника - система изоляции основания, компактное, пассивно действующее, грузонесущее устройство, которое встраивается в полуподвальном помещении или на 1-ом этаже здания. Устройство предотвращает перенос колебаний и толчков земли при землетрясениях на укрепленные объекты. Благодаря модулю сейсмозащиты здание изолируется от всех подвижек земли.

Дополнительно система имеет следующие характеристики: обладает самоцентрующими свойствами и не дает возможности проявлять себя никаким горизонтальным толчкам, даже слабым, например, при ветре, шторме, а также уменьшает вертикальную жесткость наклона для высотных зданий. В зданиях кроме определенных соотношений высоты и ширины, иногда используются другие компоненты для того, чтобы абсорбировать (поглощать) также и вертикальные колебания. Система рассчитана также для любых горизонтальных амплитуд колебаний.

Модуль сейсмозащиты не требует обслуживания.

В невысоких зданиях такой модуль сейсмозащиты обеспечивает более высокую широту колебаний во всех направлениях и имеет более длительный период собственного свободного колебания. Максимально действующее ускорение на строительную конструкцию или несущий объект редуцируется по показателям (шкале) менее 0,01 д, что рассчитано математически и результаты подтверждены испытаниями модели на вибростенде.

Известные до сего времени системы сейсмозащиты и расчетные методы в соответствии со строительными нормативами при особо сильных землетрясениях, происходящих в из3 вестных (сейсмоопасных) районах, оказываются недостаточными. Происходят значительные разрушения.

При применении же системы сейсмозащиты на основе виртуального маятника магнитуды землетрясений, широта и частота колебаний земли не влияют на отношение системы и расположение объекта благодаря модулю с более длинным периодом собственно колебания несущего объекта.

1.2. Монтаж (оборудование) существующих домов

В уже построенных зданиях, имеющих каркасную конструкцию, возможен монтаж модуля сейсмозащиты как добавочного оборудования, и во многих случаях это относительно просто в исполнении.

Установка сейсмозащиты также возможна в зданиях старого типа массовой застройки, но при применении традиционных средств такая работа все же связана с относительно большими сложностями.

Благодаря современным методам и предназначенным специально для установки модуля сейсмозащиты приборам и оборудованию, высокомеханизированному рабочему процессу, а также высокой квалификации работников возможно оборудование модулем старых, построенных ранее сооружений и объектов (памятников культуры и т. д.). Применяя новые технологии, можно рационально и с наименьшими затратами провести данную работу.

Причем такой метод применим как к зданиям на обыкновенной почве, так и на скальном грунте.

2. Задача второго плана

Известно, что подвижки континентальных пластов и другие явления геофизики постоянно провоцируют землетрясения, которые очень часто сопровождаются жертвами и наносят значительный хозяйственный ущерб. Только в этом столетии около 1,6 млн. человек погибли во время землетрясений и более чем 40 стран мира постоянно находятся под угрозой землетрясений.

Данное исследование (изобретение) должно помочь в избавлении человечества от этой угрозы.

3. Состояние техники

3.1. Строительные нормативы для обеспечения сейсмостойкости объектов

Конструкции зданий в сейсмоопасных регионах разрабатывают, предусматривая, как правило, постоянно малую силу толчков, как видно из статистических данных, и, исходя из этого, определяют степень необходимой жесткости конструкции здания, принимая во внимание возможность уменьшения повреждений благодаря упругой деформации конструкции здания ввиду ее эластичности.

Однако этого явно недостаточно при сильных землетрясениях, что показали последние исследования землетрясений, т.е. существующие методы толкования сейсмостойкости зданий путем соответствующих расчетов и выбора параметров не пригодны при сильных толчках.

Согласно строительным нормам и правилам сейсмостойкость определяется как реакция здания на так называемые базовые толчки, для чего методом расчета параметров должна определяться прочность для расчетного варианта нагрузки.

Чем точнее расчеты характеристики здания и упругости конструкции, тем выше степень ненадежности.

Ускорение, лежащее в основе базовых толчков при реально происходящих толчках, часто превышает базовое, причем порой значительно.

Расчет для экстремальных случаев технически невыполним. В экстремальных случаях отказывают все условно сконструированные конструкции.

Существующее мнение специалистов, что разрушительного действия колебаний земли и связанного с ним действия силы на сооружение можно избежать при использовании снаружи жесткой конструкции объекта или при применении в конструкции упругих или виброгасящих элементов колебания земли, явно не подтвердилось.

Предположение о том, что путем трениягашения возможно уменьшить опасное воздействие землетрясения, также кажется бесперспективным.

Расчетные методы по установленным строительным нормам исходят из сильно упрощенных моделей расчетного варианта нагрузки. Эти упрощенные способы дают и недостаточно точные результаты. Также невозможно путем анализа выявить, какая часть строительной конструкции откажет первой и начнется обрушение здания.

Такие расчетные методы определения параметров для зданий могут применяться только для районов, в которых постоянно происходят слабые толчки земли и здания могут переносить их без опасных разрушений.

Заключительный вывод из вышеизложенного - для возведения действительно сейсмостойкого здания известных методов недостаточно.

Значительные разрушения при землетрясениях, нанесенный материальный ущерб и, конечно, имеющиеся человеческие жертвы подтверждают, что проблема усовершенствования (повышения) сейсмозащиты является очень важной.

3.2. Оценка условных методов сейсмостойкости

Центр тяжести строительной конструкции находится выше ее основания.

Колебания базиса должны переноситься также и на его центр тяжести. Действующая через конструкцию сила толчка - это реакция (силы) тяжести массы и действующего на массу ускорения.

В зависимости от примененного строительного материала при какой-то величине (высоте) поступающее ускорение достигает предельной величины жесткости строения и превышает его.

Поэтому при общепринятом жестком соединении основания и самой конструкции здания не достигается его действительной сейсмостойкости.

При сильном землетрясения и связанном с ним ускорении такое сооружение, которое жестко через фундамент соединено с базисом или имеет незначительно допустимую подвижку по отношению к основанию, может обрушиться.

Допущение, что путем трения-гашения может быть уменьшено разрушительное воздействие землетрясения, при сильных толчках кажется бесперспективным.

Доля энергии, передающейся в здание толчками земли и имеющей разрушительное действие, которая может оставаться относительно низкой, превращаясь в тепловую энергию, и, например, методом трения могла бы погашаться, имеет небольшой процент.

При сильных толчках примененное затухающее трение не может уменьшить разрушительного действия землетрясения.

Современные решения, такие как применение упругих конструкций лучевых рам, которые понесли значительный урон при землетрясении Иогйпбде, и система изоляции базиса, должны поглотить или погасить определенный процент колебаний, переносимых толчками на конструкцию сооружения. Молодые исследователи Геологической обсерватории США и Калифорнийского технологического института, однако, выразили опасение, что здания такого типа тоже могут быть повреждены или даже разрушены в случае действительно сильного землетрясения, если они находятся достаточно близко от эпицентра землетрясения.

3.3. Изоляция фундамента конструкции здания

Стремление повысить сейсмостойкость зданий привело к появлению большого количества новых решений, которые нашли свое отражение в патентных публикациях.

По техническим решениям сейсмостойкости зданий известны установки, при применении которых разделяют здание от фундамента и связывают их друг с другом путем применения подвижных опор или шарнирных узлов.

Ряд технических решений, который принадлежит к группе изоляции фундамента или основания, обеспечивает строительной конструкции по отношению к основанию подвижность в определенных границах. Все решения путем трения и силой затухания переносят в несущую конструкцию усилия сдвига, которые при высокой частоте и амплитуде качания могут стать критическими. Некоторые такие решения не передают никаких отрицательных вертикальных усилий и поэтому для узких высотных зданий и башен неприемлемы.

При применении некоторых видов изоляции фундамента строительная конструкция устанавливается на горизонтальные упругие блоки, которые состоят из горизонтально слоистых пластин попеременно из стали и каучука (патенты США № 4,527,365; 4,599,834; 4,593,502). Эти блоки имеют по вертикали высокую способность грузоподъемности и предусматривают возможность горизонтального смещения нижних пластин изоляционного блока по отношению к верхним, но при этом с ограниченным отклонением подвижности по горизонтали. С возрастающим смещением из положения равновесия возрастает (усиливается) крутизна пружины, следует повышение жесткости блоков с воздействием на сооружение путем силы тяги, которая переносится на строительную конструкцию. Поэтому в экстремальных случаях повышение жесткости упругих блоков может привести к повреждению конструкции и интерьера сооружения.

Эти блоки при сильных землетрясениях имеют недостаток - малое отклонение по горизонтали при поперечном колебании, из-за чего может возникнуть аварийная ситуация для сооружения.

Кроме того, эти упругие блоки не в состоянии принимать на себя номинально отрицательные вертикальные нагрузки. Возникает опасность обрушения.

При расположении зданий на таких горизонтальных гибких блоках пиковая шкала ускорения уменьшается сжатием и затуханием. Передача колебаний земли на здание происходит в определенном масштабе.

Если горизонтальная амплитуда колебания земли превышает поперечное пружинное отклонение горизонтальных упругих блоков, то и скорость колебания земли в полном объеме переносится через блоки на опорный объект. Возникает опасность сдвига блоков путем раскола стальных пластин.

При большой амплитуде колебаний земли колебания опорной строительной конструкции на упругих блоках могут быть значительными и колебания в верхней части сооружения могут усилиться, как, например, при ударе кнутом.

Другой способ - расположение здания на роликовых или скользящих опорах, которые могут двигаться между двумя выпуклыми платами, так что эта точка опоры здания на верхней плате движется как на подвешенном маятнике (патенты США № 4,644,714; 4,881,350). Эти устройства не переносят негативной силы и не годятся для применения в строительстве.

При нахождении опоры над телом качения возникает проблема, связанная с высоким контактным напряжением сжатия на поверхности соприкосновения, поэтому должны быть предъ002391 явлены особые требования к изготовлению материалов и строительных конструкций. Кроме того, при таком способе защиты опоры не переносят влияния негативной силы.

Между плоскими платами могут быть встроены опорные детали, радиус кривизны которых на поверхности соприкосновения больше, чем высота самого каркаса (остова) (опубликовано агентством ДПА 2021031).

Таким образом, верхняя плата, опорная точка носителя, при маятниковом спуске поднимается и возникает режим движения опорной точки, как на подвесном маятнике. Амплитуды колебаний уже при средней силе землетрясения недостаточно.

Собственные колебания находятся очень близко при возможном колебании земли, не возникает достаточной расцепки, возможны резонансные колебания, негативные силы не могут переноситься.

При другом методе изоляции фундамента опорные точки конструкции здания подвешены к маятнику (патенты США № 1.761.321;

1.761.322; 2.035.009; 4.328.648), но изготовление длинных маятников практически ограничено.

Разъединения колебаний от вибрирующего основания недостаточно.

Благодаря маятниковой геометрии установлен режим колебаний системы. Параметры маятника определяются продолжительностью собственного колебания. Степень различия свободного колебания и колебания земли определяет режим колебания подвешенной к маятнику массы строительного тела.

Если предмет или строительное тело (корпус) подвешен к маятнику, как в примерах фиг. 2, 3 или 4, то он имеет собственный динамический режим колебания, как математический маятник. Масса корпуса здания или объект 1 действует на различные точки опоры в нижнем шарнире 2 маятника 3 путем гравитации земли или дополнительным ускорением. Маятники 3 будут опираться на адекватно смонтированную опорную конструкцию 4 верхним шарниром 5. Шарниры 2 и 5 - это шаровые или карданные шарниры, и они позволяют маятнику двигаться по двум осям: относительно грузонесущего подвеса и относительно опирающегося объекта или здания.

Характер колебаний показанных примеров позволяет средуцировать их на модель математического маятника.

В этих решениях речь идет о способной к колебаниям системе, чьи собственные колебания находятся недалеко от побуждающих колебаний толчков земли. При максимальной амплитуде колебаний земли не исключается снижение резонанса в диапазоне частоты колебаний земли, причем возникают дополнительные проблемы, которые могут вызвать аварийное состояние сооружения.

Если сооружение в результате резонансного колебания земли получает дополнительное отклонение к вертикальной оси здания, то удаленные от поверхности земли части сооружения получают увеличение ускорения и, следовательно, силы нагрузки.

С применением высокоэластичных изоляций между верхней частью здания и его фундаментом при сильной вибрации не достигается полностью удовлетворительного результата, если частотной расцепки не достаточно.

Возможная близость резонансного колебания к возможному колебанию ответного спектра толчков земли вызывает увеличение силы амплитуды в верхних частях здания.

То есть, имея такое устройство, несущая строительная конструкция с соответствующей частотой усиливает качание.

При таком подходе возможны также повреждения зданий и остается угроза человеческих жертв при перемещении подвижных предметов внутри здания.

3.4. Ограниченность использования новых решений от уровня развития техники

При особо сильных землетрясениях, называемых В1д8йаке или Меда8йаке, применения существующих сейсмозащитных систем или других условных способов будет недостаточно для обеспечения безопасности.

Разрушения и количество жертв могут принять катастрофические размеры.

Известные решения по изоляции основания имеют ограниченную возможность сдвига структуры здания по отношению к основанию. При нарастающей колебательной амплитуде в существующих защитных системах уменьшается градус (степень) импульс-редукции. При экстремальных толчках возникает вероятность сбоя.

В отличие от существующих сейсмозащитных систем найденное решение применения роликовых-скользящих или упругих устройств, которые абсорбируют или ослабляют энергию, это импульс непередающей системы, который допускает свободное колебание по отношению к базису в любом направлении, при этом не следует никакого поглощения или разделения энергии, т.е. не происходит переноса колебания земли и энергии на здание.

Изобретение характеризуется тем, что горизонтальные колебания земли не переносятся на строительную конструкцию, т. е. объект не может следовать за колебательными движениями земли и остается в состоянии покоя. Сейсмические повреждения эффективно предотвращаются.

Частота толчков земли и собственная частота несущей структуры так разъединяются, что колебания земли не передаются на несущую конструкцию. Принцип полностью эффективен при любой частоте колебания земли без изменения параметров. Из находящейся в состоянии покоя опираемой массы никакие реакционные силы ускорения не действуют обратно на строительную конструкцию.

Даже при сильном землетрясении не возникает никакого повреждения снаружи и внутри здания.

Зато гибкие опоры и обладающие трением скользящие опоры не передают даже малейшего толчка на строительную конструкцию, что в экстремальных условиях может также стать критическим.

В то время как изоляция основания, оборудованная обкатными элементами, упругими блоками или скользящими опорами, не может принимать вертикальную нагрузку, сейсмозащитные модули на базе виртуального маятника способны переносить негативные вертикальные нагрузки.

Сейсмозащитная система - это эффективно изолирующая основание система, компактное, пассивно действующее грузонесущее устройство, которое может быть установлено на первом этаже здания и в подвальном помещении и которое допускает свободное движение основания в любом направлении.

На характер сейсмозащитного модуля не влияют величины импульса, магнитуда землетрясения, частота колебаний земли, результат остается тем же. Здание остается на своем месте, не вибрирует. Все выводы подтверждены математически.

Сейсмозащитный модуль - не устройство, отнимающее или редуцирующее энергию, а прибор, который не передает горизонтальных импульсов и допускает свободное колебание по отношению к основанию. Становится возможным обусловленные землетрясением колебания опорного объекта сократить до нуля (менее 0,01 д) независимо от силы землетрясения и независимо от частоты и амплитуды колебаний земли. При этом не происходит переноса энергии колебаний земли на здание.

Силы сдвига, действующие на здание, редуцируются на незначительную величину.

Даже самые сильные землетрясения не будут оказывать разрушительного действия на конструкцию, фасад или внутреннюю обстановку здания. Человек, находящийся внутри, иногда может не заметить, что произошло землетрясение.

Защитная функция для сооружений очень важна и должна обеспечить сохранность здания не только при землетрясении, но и при воздействии других разрушительных сил. С применением нового метода становится возможным достичь такой опорной функции здания, что даже когда земля вибрирует с большой амплитудой и высоким ускорением, здание остается в состоянии покоя.

Упругие блоки и скользящие основания не имеют такой способности принимать на себя вертикальные нагрузки. Если землетрясение вызывает высокое вертикальное ускорение, могут возникнуть поломки в основании или каркасе или даже отрыв от земли.

Несколько другая проблема возникает при применении такой изоляции основания для узких высотных зданий, момент отклонения можно узнать при сильном ветре или при землетрясении через ускорение основания при большой амплитуде движения.

Сейсмозащитные модули в форме виртуального маятника решают эту проблему благодаря геометрическому замыканию связующего здания с самим фундаментом при значительной амплитуде качания базиса.

С помощью этой новой технологии становится также возможным полностью изолировать высотные здания от толчков (колебаний) при землетрясении.

Укрепленное таким образом высотное здание не получает эффекта «кнута» при землетрясении, не вылетают окна, внутри здания не происходит никаких движений предметов.

При применении этого принципа высотное здание остается стабильным и крепким, как стальной корпус сооружения, с преимуществом тошо, что не вибрирует одновременно вместе с землей, не получает деформации конструкции и имеет отличную сейсмостойкость.

Проведенные исследования по размещению зданий и сооружений на опорных устройствах, в основе которых лежит виртуальный маятник, позволяют решить проблему сейсмостойкости зданий. Максимальные колебательные отклонения уже существующих изоляторов при сильных землетрясениях недостаточны. Если эти значения превышены, здание может быть повреждено или разрушено.

Даже при нахождении сооружений недалеко от эпицентра сильного землетрясения, где колебания земли довольно ощутимы и предъявляются повышенные требования к системам защиты, предлагаемая система безопасности может гарантировать защиту, так как рассчитана на значительные качательные амплитуды.

Такая система выполняет защитную функцию на высоком уровне, так как ограничивает значение переносимого с основания на здание горизонтального ускорения до значения менее чем 0,01 д.

Благодаря своим возможностям и характеристикам представленная технология сейсмозащиты по сравнению с уже существующими имеет единственные в своем роде выгодные свойства (преимущества).

Больше не известно никаких устройств, обладающих подобными параметрами и характеристиками.

Благодаря этому новому принципу достигнут прорыв в решении проблемы, имеющей мировое значение: успешное противостояние угрозе землетрясений.

4. Обзор изобретения

Изобретение представляет собой базисноизолирующую систему. Это компактное, пассивно действующее грузонесущее устройство, которое встраивается в фундамент или подвальное помещение здания. Система предотвращает перенос колебаний и толчков земли на опорный объект.

Защищенное здание, благодаря современной несущей конструкции, полностью изолируется от горизонтального колебания земли, диссонантно расцепляя (разъединяя) собственные колебания объекта от вибрирующего базиса.

Предотвращаются наносимые землетрясением убытки. Принцип действия виртуального маятника эффективен при любой частоте колебания земной поверхности и базисном ускорении и может быть рассчитан для любой требуемой амплитуды качания. Созданное на базе виртуального маятника несущее устройство может быть рассчитано на любую амплитуду качания и установлено без обслуживания. Устройство пригодно для сейсмозащиты зданий любого типа и может быть установлено в уже построенных зданиях и сооружениях для их безопасности.

Поставленная задача решается таким образом, что строительная конструкция или опорный объект монтируется на опорные конструкции, названные здесь сейсмозащитным модулем, жестко соединенные с поверхностью общим фундаментом или элементами фундаментов, и эти модули держат конструкцию многими точками, обеспечивая в пространстве большую амплитуду колебаний с незначительной возвратной силой и минимальным ускорением.

Изобретение представляет собой чувствительную несущую систему для строительства и опоры сооружений всех типов: зданий, мостов, промышленных и ядерных сооружений или прочих объектов, которая расположена между фундаментом и несущей конструкцией и предохраняет их от разрушительного воздействия передающихся колебаний земли и ускорения, вызванных землетрясением.

Для демпфирования или гашения вертикальных колебаний применяются, посредством функции действия виртуального маятника, в случае необходимости, механические, гидропневматические или вязкоупругие пружинные системы с очень плоской пружиной в сочетании с нагрузкой.

4.1. Постановка задачи и цели

В основе данного изобретения находится задача подготовить сейсмозащитное устройство для изоляции здания или объекта от колебаний земли и, независимо от силы землетрясения, избежать разрушительного воздействия его на сооружение.

Должна быть достигнута резонансная свобода здания от колебаний земли и собственная частота (частота собственных колебаний) объ екта должна быть так отлична от частоты колебаний земли, чтобы обе колебательные системы разъединились друг от друга и горизонтальное ускорение и силы сдвига не переносились на конструкцию здания.

Если коэффициент различия частоты колебаний земли и параметров собственных колебаний несущей конструкции равен 20 и выше, то и не будет ожидаться, что высокочастотное возбуждение приведет к сдвигу (отклонению) носителя.

Таким образом, отклонение опираемой конструкции с периодом в 20 с и выше не несет опасности для сооружения. Такое инерционное свойство и связанное с ним незначительное ускорение физически вряд ли ощутимы.

4.2. Вывод к решению поставленной задачи

Следующие принципиальные наблюдения служат для решения поставленной проблемы.

Исходный пункт рассуждений - подвес массы на маятник.

На фиг. 5 масса 1 действует как точка массы на нижний конец маятника. Если воздействующая на нижний конец маятника масса 1 по величине е сдвинет его из статического положения покоя, последует одновременное поднятие на величину 1т т.к. маятник 3 с длиной 1 нижним концом маятника 2 опишет круг радиусом г=1 вокруг верхнего пункта 5. Так как движение в любом направлении может происходить двухосно, нижний конец маятника, точка подвеса массы, описывает видимую сверху вогнутую сферическую поверхность (площадь).

Повышение массы 1 на величину 1 приводит к тому, что масса содержит значительную потенциальную энергию. При исчезновении воздействия силы, которая ведет к отклонению массы 1 на величину е и повышению массы на величину 1, действуют сила тяги маятника Ζ и сила земной гравитации и массы тд, образующие результативную обратную силу К, которая приводит назад массу на конце маятника 2 в среднее состояние покоя. При этом масса 1 перерегулирует состояние покоя и балансир приходит в состояние покоя.

Такие же соотношения наступают, когда из состояния покоя начинает движение не масса, и тогда, когда верхняя точка подвеса 5 маятника 3 через несущую конструкцию 4 смещается поперечным движением базиса (основания) 6. Маятник вначале отклоняется путем обратной отдачи подвесной массы на основе силы тяжести, и масса затем приподнимается. Движение массы следует после колебательного поведения маятника. При этом круговая частота колебания

Л· ф где д - гравитационное ускорение,

- длина маятника.

Соотношение колебаний маятника в конечном итоге определяется длиной маятника.

Маятниковая частота

Период колебаний составляет ^=4=-=-¼. (3) ' ‘ ί

Большая длина маятника означает меньшую частоту колебания маятника и более длительный период колебания.

Если частота колебания маятника и часто та колебания основания слишком различаются, то и их движение становится значительно разъ единенным.

Если, например, верхняя точка подвеса маятника вследствие горизонтального колебания базиса (основания) при землетрясении колеблется с частотой 0,5 и 2 Гц и маятник имеет при большой длине низкую собственную частоту по отношению частоты возбуждения, то масса объекта не может больше следовать движениям основания, она почти остается на месте. Если масса начинает двигаться с малой скоростью при более длительном периоде собственного колебания, следует смещение точки подвеса маятника в обратном направлении прежде, чем точка будет достаточно удалена от своего прежнего положения. Такое реверсирование происходит при затухающих колебаниях в постоян ном чередовании, так что масса остается почти в одном и том же положении.

Для достижения желаемого разъединения необходим более длинный маятник.

Реализации идеи более длинных маятников противостоят практические точки зрения.

Рассмотренный здесь маятник, подвешенный верхним концом на шарнире, представляет собой стабильный элемент-носитель, через гравитационное ускорение самоустанавливающийся в положение покоя.

Реализация так называемого виртуального маятника возможна для невысокого здания, но имеющего действенность маятника более длинного и, таким образом, более длительного периода колебания, базируется на принципе, что действия стабильного, поднимающего массу носителя и неустойчивого опускающего массу носителя, в какой-то степени связаны.

При стабильном элементе-носителе носимая (опирающаяся) масса в своей свободе колебания под воздействием гравитационного ускорения стремится к незначительной потенциальной энергии.

Если масса приводится в действие даже ходом поезда или, например, через какую-то вибрацию, то, даже находясь в состоянии покоя, ее потенциальная энергия то повышается, то под воздействием гравитационного ускорения возвращается в свое исходное положение - состояние покоя.

Положение массы стабильно.

Если при перемещении массы из исходного положения при заданной траектории потен циальная энергия понижается, то масса стремится под влиянием гравитационного ускорения к дальнейшему уменьшению потенциальной энергии.

Положение массы неустойчиво.

Путем сцепления и наложения колебательных действий стабильным и нестабильным смещением массы выбирается геометрическая величина связующего числа, так что равнодействующее движение массы ведет к незначительному подъему и ничтожно малому повышению потенциальной энергии, откуда и следует медленный обратный ход и, естественно, более длительный период собственного колебания.

Это действие (функция) длинного маятника.

Если физически не существует длинного маятника, но будет достигнут эффект такого маятника с более продолжительным периодом действия, то речь идет о виртуальном маятнике.

Так называемый виртуальный маятник имеет, при незначительной строительной высоте, эффективность длинного маятника с продолжительным периодом собственного колебания.

Если в конструктивно используемом помещении и при длине 1 маятника 3 подъем й очень велик, то путем дополнительного наложения колебаний отрицательной величины подъем должен уменьшиться, и таким образом достигается незначительное повышение, которое соответствует целевому результату. Это возможно, если стабильно подвешенный маятник и неустойчивый вертикальный (стационарный) маятник определенным образом стыкуются между собой и при горизонтальном отклонении связующих элементов (вертикальный сдвиг которых один отрицательный, другой положительный) суммируются.

Так как течение хода отклонения обоих опорных элементов над горизонтальным отклонением гармонично, поскольку они зависят непосредственно от функции круга, то дифференция обоих вертикальных отклонений (сдвигов) над горизонтальным отклонением также гармонична, что противоречит применению принципа.

Фиг. 6 демонстрирует этот процесс.

Точка массы 2 стабильного маятника 3 с длиной 1 при горизонтальном отклонении е изменяет высоту й = (4)

Верхний конец стационарно нестабильного маятника 7 с длиной 1 опускается путем горизонтального отклонения 1 и значения 8 £

(5)

Если вертикальные колебания обоих опорных элементов суммируются, происходит равнодействующий подъем на значение й_ге8.

Соотношения α:β и е:е₈ находятся под влиянием использованного сцепления и свободно выбранного соотношения 1:1₈.

Как показано на фиг. 6, непосредственным сложением вертикального сдвига стабильного и нестабильного опорного маятников достигается увязка с итогом.

Стыковка стабильного и нестабильного опорных маятников может происходить различными способами. Для определения подходящих точек нагрузки может быть применено рычажное воздействие на подъем и опускание пропорционально переведенного значения на опорные элементы или связующие детали, которые определяют желаемую высоту путем пропорционального воздействия подъема-опускания.

Фиг. 7 - горизонтальное отклонение е_р выбранной точки нагрузки нижнего конца виртуального маятника - действие (функция) пропорционально отклонению е подвесного стабильного физического маятника.

Также подъем и наложенное опускание точки нагрузки виртуального маятника пропорционально величине подъема-опускания точки массы подвесного стабильного и вертикального неустойчивого физического маятника.

Подъем И_р точки массы Р виртуального маятника в функции над отклонением из среднего положения соответствует траектории круга, и вращаясь (качаясь) двухосно точка Р описывает площадь в форме видимой сверху вогнутой сферы.

Радиусом кривизны точки Р является длина 1_р виртуального маятника.

Фиг. 8 - опорный элемент 3 представляет собой стабильный подвесной маятник с длиной 1_И, а опорный элемент 7 - неустойчивый, стационарный маятник с длиной 1₈.

При подвесном маятнике опорный элемент 3 поднимает свободно движущуюся часть маятника на угол α на значение И. При стационарном (вертикальном) маятнике опорный элемент 7 при движении на угол β опускает свободно двужущуюся часть маятника на значение 8. Опорный элемент 3 подвесного маятника описывает видимую сверху площадь выгнутой сферы; опорный элемент 7 вертикального маятника описывает видимую сверху площадь выпуклой сферы.

На фиг. 9 показан подвесной маятник согласно изобретению; опорный элемент 3 и вертикальный маятник, опорный элемент 7 сцепляются (стыкуются) с помощью связующего элемента 8. В этой связке обоих маятников связующий элемент 8, находящийся вблизи опорного элемента 7 вертикального маятника, опускается. Деталь связующего элемента 8 (опорный элемент 3), находящегося ближе к подвесному маятнику, во время качания будет подниматься.

На какой-либо детали связующего элемента 8 с длиной с на точку опоры связующего эле мента 8 в соотношении а к Ь точка нагрузки Р во время качания обоих связанных опорных элементов в двустороннем движении будет подниматься в радиусе горизонтальной амплитуды незначительно.

На это оказывает влияние выбор величины и соотношения между собой 1₈, 1_И, с и соотношения а к Ь. Незначительная длина 1_И опорного элемента 3 подвесного маятника ведет к тому, что при той же амплитуде маятника е выше подъем И качания.

Увеличение длины 1₈ опорного элемента 7 вертикального маятника ведет при том же отклонении е к уменьшению опускания 8. Выбор положения точки Р на связующем элементе 8 с длиной с в соотношении а к Ь происходит так, что подъем точки Р при отклонении опорного элемента подвесного маятника в любом случае положителен, но остается минимальным. Если связующему элементу 8 соответствующий подвес мешает вращаться вокруг оси Н, то сделанные до этого наблюдения также считаются соразмерными, если колебания опорных элементов 3 и 7 происходят в другом направлении, как показано на горизонтальной проекции фиг. 10.

На фиг. 10 связующий элемент 8, жестко соединенный с подвесом В, вращается вокруг оси 9, что препятствует вращению вокруг оси Н.

Свободная часть подвесного маятника, опорный элемент 3, описывает видимую сверху вогнутую сферическую поверхность К. Вертикальный маятник, опорный элемент 7, описывает в горизонтальной проекции видимую сверху выпуклую сферу V. При опускании свободной части подвесного маятника, опорного элемента 3, на величину е в любом направлении точка Р связующего элемента 8 и с ним ось р будут также подниматься, как при отклонении в направлении Х-оси.

Шарнирная точка связующего элемента 8 на опорном элементе 7 опускается при любом отклонении опорных элементов 2 и 7 маятника так же, как и в направлении Х-оси. Точка Р на связующем элементе 8 опускается.

Как показано на фиг. 9, точка Р движется как свободная конечная точка подвесного длинного маятника с длиной 1_ν, он представляет собой свободную деталь (свободный конец) виртуального маятника увеличенной длины.

Фиг. 11 иллюстрирует как при отклонении е связующего элемента 8 фиг. 9 из состояния покоя на величину е и подъеме точки Р на значение И_р длина виртуального маятника согласно фиг. 11 определяется

Круговая частота виртуального маятника

Маятниковая частота виртуального маятника

Продолжительность периода виртуального маятника

Максимальная скорость точки Р свободной части виртуального маятника составляет

Максимальное ускорение составляет

Опорные элементы 3 могут также иметь канатное (веревочное) строение и иметь те же функции и при этом можно отказаться от подвеса, поскольку опорные элементы 3 при всех видах загрузки могут быть загружены только через силу растяжения.

Фиг. 12 показывает один из таких вариан тов решения.

Наряду с выбором соотношений 1_й к 1₈ и а к Ь угол γ активного рычага Ь и связующего элемента 8, а также угол активного рычага α связующего элемента 8 влияет на режим (параметры) подъема точки Р и тем самым определяет функциональную (рабочую) длину маятника.

Расчет измерений может следовать так, чтобы функциональная длина 1_ν виртуального маятника равнялась кратному строительной высоты опорного устройства объекта.

Поэтому становится возможным, чтобы колебательная частота виртуального маятника и его опирающаяся масса т находилась существенно ниже, чем колебательная частота базиса 6, при возникновении горизонтальных колебаний, вызванных землетрясением.

Это означает разъединение основания объ екта с виртуальным маятником от горизонтальных колебаний земли.

Максимально действующие на строительную конструкцию или объект ускорения вытекают из характера движения математического маятника в соответствии с уравнением (11).

Путем соответствующих расчетов и выбо ра параметров становится возможным уменьшить эти максимальные горизонтальные ускорения до такой малой величины, что они не воспринимаются человеком физически. Эта функция независима от того, какие горизонтальные ускорения получает базис 6 через сейсмические толчки.

Магнитуды одного колебания не оказывают воздействия на состояние покоя опираемого строительного каркаса, имеющего виртуальный маятник большей длины и с более длительным периодом.

Фиг. 13 соответствует решению на фиг. 9 и 12.

Но в этом случае рычаг с функциональной длиной Ь отделен от рычага с длиной а и получает свое собственное одноосное расположение в высшей точке на опоре которое частично поддерживает массу т.

При этом решении подвесной стабильный опорный элемент маятника 3 и стационарный неустойчивый опорный элемент маятника 7 с функциональной длиной 1_й и 1₈ требуют большей фазы в имеющемся пространстве. Этим достигается то, что при одинаково максимально высоких угловых отклонениях двухосно расположенных элементов 2 и 7 будет увеличиваться имеющаяся горизонтальная амплитуда колебаний системы по отношению к вертикальному пространству.

Носитель, связующий элемент 8, соединяется через связующую опору 8а, расположенную обоюдно одноосно наклонно, с носителем, связующим элементом 8Ь, который, в свою очередь, одноосно шарнирно расположен на опоре нагрузке и поддерживается двухосно шарнирно, располагаясь на нестабильном опорном элементе, стационарном маятнике 7. Характер движения соответствует схеме фиг. 9 и фиг. 12.

Фиг. 14 и 15 показывают возможность амплитуды колебаний в двух направлениях носимой массы по отношению к основанию.

Фиг. 16 показывает возможность амплитуды колебаний опирающегося сооружения по отношению к базису в трех фазах движения с ходом качания 8.

Фиг. 17 демонстрирует, как при ходе качания 8 базис 6 и связанная с ним виртуальная точка нагрузки виртуального маятника приподнимает стабильный опорный элемент - подвесной маятник 3 на высоту й и как неустойчивый опорный элемент - стационарный маятник 7 опускает точку нагрузки на величину 8, в то время как опирающийся объект 1 получает подъем й_р, соответствуя ходу движения виртуального маятника Ρ_ν.

Фиг. 18 - на этом примере система со связующим элементом 9 рассматривается в форме треугольника.

Фиг. 19 - показывает горизонтальную проекцию фиг. 18. Треугольный элемент 9 расположен на наклонно размещенных под углом δ трех опорных точках 10 к базису 6 двухосно шарнирно наклонно подвесных опорных элементов 11.

Если на одной стороне связующего элемента 9 опорный элемент 11 на своей нижней точке отклонения 12 приподнимается, то при этом его верхний опорный элемент 10 смещением базиса 6 от центра связующего элемента 9 выталкивается наружу и, благодаря тому, что связующий элемент 9 из-за своей инерции и носимой массы, в центре 13 опирающейся на связующий элемент 9, отстает от движения базиса 6, располагающиеся над связующим элементом 9 на противоположной стороне нижние шарнирные точки 12 опорных элементов 11 будут опускаться до исходного положения опорных элементов 11.

Так как исходное положение опорного элемента 11 находится под углом δ, то снижение связующего элемента на одной стороне менее значительно, чем подъем на противоположной стороне, поэтому центр 13 связующего элемента 9 поднимается.

Соотношение (характер) подъема связующего элемента 9 на одной стороне и опускания на другой стороне обусловлен выбором угла δ при среднем состоянии покоя связующего элемента 9 и выбором отношений геометрической величины опорного и связующего элементов.

При всенаправленном смещении базиса смещается центр 13 связующего элемента 9 с радиусом кривизны р в виде вогнутой сферы.

Центр 13 связующего элемента 9 движется как на подвешенном виртуальном маятнике с длиной р и при смещении на величину ε слегка приподнимается на величину б, и связующий элемент устанавливается под углом ξ.

Фиг. 20 - если со связующим элементом 9 жестко соединен вертикальный опорный элемент 14 с высотой 1_р в центре 13, то это соединение представляет собой только для себя самого стационарный, физически нестабильный маятник, который опирается ниже своего физического удлинения виртуально двухосно шарнирно и при релаксации (наклонении) к нижней точке поворота посредством сцепления через связующий элемент 9 к опорному элементу 11 на фиг. 19 приподнимается на величину б.

Точка опоры Р массы верхнего опорного элемента 14 с высотой 1_р в соединении со связующим элементом 9 наклоном угла на величину ξ получает относительное снижение на величину

8ρ=1ρ(1-008ξ)(12) и дополнительное эксцентрическое смещение υ=1_ρ·8ΐηξ(13)

Общее эксцентрическое смещение точки Р будет е=ε+и, €=ε+1_ρ·δίηξ(14)

Равнодействующий подъем точки Р 6ρ=6-8ρ, б Ιι-1(1-οο8ξ)(15)

На фиг. 21 точка Р, верхняя часть опорного элемента 14, движется по открытой вверх вогнутой поверхности с небольшим изгибом. Эта относительная кривизна и остаточная стабильность определяются соотношением масштабов отдельных элементов строительных узлов друг к другу, особенно через значение вертикальной длины.

Выбор величины 1р ограничен высотой, при которой система становится неустойчивой. Устройство на фиг. 21 представляет собой виртуальный маятник к двухосно наклонной шарнирной опоре в точке Р, как если бы объект был подвешен на длинном маятнике с длиной 1_ν или ρ, со скоростью движения по изогнутой (кривой) плоскости с радиусом кривизны р.

С е и 6_ρ из уравнений (14) и (15) определяется длина виртуального маятника из соотношения уравнения (6).

Далее имеют силу уравнения с (7) до (1).

Опорные элементы 11 при такой же функции могут быть также канатными, и при этом можно отказаться от шарнирных подвесов, если только опорные элементы 11 загружаются при всех случаях загрузки только силой тяги.

Эта опорная точка нагрузки на сейсмозащитный модуль· имеет пространственную возможность движения, как если бы он являлся нижней частью очень длинного маятника. Он движется в плосковыпуклой виртуальной сферической оболочке.

В этой оболочке опорная точка нагрузки стремится всегда к центру.

Чем выпуклее оболочка, тем незначительнее вызванная земным притяжением сила возврата к середине и тем медленнее движется точка нагрузки в направлении к центру.

Фиг. 22 - схематическое изображение сконструированного виртуального маятника.

На несущей конструкции 4, соединенной с базисом 6, находятся параллельно вертикально подвесному маятнику 3 минимум две или более двуосных наклонных стабильных опоры, которые поддерживают одним концом носитель и платформу - связующий элемент 8.

В центре связующего элемента 8, в принимающем подшипнике 15, расположен вертикальный опорный элемент 14, который своим нижним концом горизонтально опирается на шарнирный подшипник 16. В этом подшипнике 16 вертикальный опорный элемент 14 может отклоняться от горизонтальной оси.

Центр подшипника 15 имеет такую же пространственную способность к движению, как и нижний конец подвесного маятника 3 с длиной 1_б и при горизонтальном отклонении е слегка приподнимается на величину б.

Верхний конец опорного элемента 14 в единстве со своей опорой в подшипнике 15 получает подъем на величину б, который одновременно перекрывается опусканием 8.

Результативный подъем - б_ге8=б-8_е.

В примере на фиг. 22 для верхнего конца опорного элемента 14 результативный подъем отрицательный, таким образом, следует снижение (опускание), и верхняя точка была бы непригодна как точка опорной нагрузки.

Верхняя точка описывает при смещении из среднего положения во всех направлениях видимую сверху выпуклую поверхность, как верх няя часть расположенного на нижнем конце маятника. Так действует поворотный, нестабильный виртуальный маятник с длиной 1_ν.

Опорный элемент 14 при вертикальной загрузке на верхней части в этом назначении (выборе) параметров становится нестабильным по отношению к измерениям других связующих элементов 3 и 8.

Для себя самого опорный элемент 14 без соединения с другими элементами нестабилен. Только благодаря сцеплению (соединению) с другими элементами, чья стабильность является приоритетной, единая система стабилизируется и образует как несущее устройство виртуальный маятник.

Для достижения стабильности нагрузочной опоры должна быть такая длина 1_о, при которой наступает позитивный подъем в верхней точке, таким образом движется опорная точка по видимой сверху вогнутой поверхности. Таким образом, выбранная точка нагрузки Р с удалением 1_р от точки опоры 15 получает небольшой подъем Ьр при нагрузке из среднего положения и представляет собой концевую точку виртуального маятника длиной 1_ν.

Фиг. 23 показывает кривизну траектории движения грузоподъемной точки подвесного маятника 3, центра связующего элемента 8 и точки нагрузки на верхнем конце вертикального опорного элемента 14.

Фиг. 23а, 23Ь, 23с показывают фазы движения опирающегося объекта 1 относительно базиса 6 в экстремальном положении и при перегрузке.

Фиг. 24 представляет виртуальный маятник в схематическом изображении по рассмотренным принципам действия на фиг. 22 и 23с, причем показано положение как в средней позиции (в равновесии), так и фазы движения базиса (основания) 6 по отношению к опирающемуся объекту 1. При горизонтальном смещении е базиса 6 при сейсмотолчке опирающийся объект 1 посредством виртуального маятника получает незначительный подъем на величину Ь_р.

Отношение величины хода качания , базиса 6 к строительной высоте сейсмозащитного модуля Н_т показывает, что при средней высоте этажа возможны относительно большие амплитуды колебания системы.

Параметры движения соответствуют математическому маятнику. Продолжительность собственного колебания определяется только действующей длиной виртуального маятника.

Наглядно это видно по часовому маятнику.

Если при землетрясении связанная с качающимся базисом верхняя точка подвеса маятников 3 качается быстро, то висящая на нижнем конце виртуального маятника масса из-за определенной виртуальным маятником инерции движения не может более следовать реверсу верхней подвесной точки. При быстрой смене направления движения носимая масса остается близко к своей точке (позиции).

4.3. Результаты решения проблемы

Эта задача решена согласно изобретению посредством способа в соответствии с п. 1 формулы изобретения и рассчитанными и описанными устройствами.

Изобретение определяет резонансную свободу здания при колебаниях поверхности земли, причем горизонтальные силы ускорения и толчковые силы земли не переносятся на корпус здания, что обеспечивает интегральная сейсмозащита здания, которая защищает строительную конструкцию даже при сильнейших горизонтальных колебаниях поверхности земли.

На основании изобретения, при определенном выборе расчетных параметров, есть возможность достичь такого свойства опирающегося объекта, при котором он остается почти в положении покоя, даже когда возникают колебания земли, имеющие большую амплитуду и высокое ускорение.

Что определяет применение метода - это то, что период собственного качания увеличивается настолько, что связанная с ним инерция движения ведет к тому, что объект не может следовать вибрирующему движению земной поверхности. Защита объекта при этом настолько значительна, что здания остаются на своем месте даже при толчках с высокими магнитудами.

Действенность изобретения доказана математически.

Действие изобретения и интегральная защита могут быть продемонстрированы при использовании модели с ускорением 1,2 д.

Таким образом, объект полностью изолируется от горизонтальных колебаний, т. е. речь идет о полной изоляции базиса (основания) посредством опоры через несущую конструкцию, которая при незначительной строительной высоте обеспечивает несущему объекту пространственные колебания, как будто объект висит на очень длинном маятнике. Опирание происходит посредством увеличенной продолжительности периода колебания виртуального маятника.

Расчетные параметры избираются в широких границах. Благодаря чему различия между частотой собственного колебания системы и частотой прочих колебаний могут быть выбраны произвольно и с таким широким диапазоном, что колебательная система здания и основания так значительно расцепляются, что структураноситель остается в состоянии покоя.

Так как строительная конструкция не так быстро следует колебаниям земли, вызванные ускорением силы нагрузки не являются действующими. Не наступает опасного касательного толчкового напряжения, что и предотвращает разрушение здания при землетрясении.

Защитные модули в форме виртуального маятника предлагают эффективную защиту сооружений при землетрясениях с высокой магни тудой и высоким потенциалом разрушения. Впервые стало возможным разрабатывать проект строительства любых видов зданий и сооружений и дооборудовать уже существующие.

Масса здания при этом как бы висит на виртуальном маятнике, имеющем большую действующую маятниковую длину, причем точка подвеса находится выше здания в пространстве.

Современный модуль сейсмозащиты реализует колебательные параметры одного длинного маятника, не имея значительной вертикальной протяженности в пространстве; он представляет собой виртуальный маятник. В невысоких зданиях он может находиться на высоте этажа, на уровне поверхности земли или в подвале.

Верхняя точка подвеса виртуального маятника тесно связана с основанием посредством сейсмозащитного модуля.

Одна из находящихся на самом длинном маятнике несущих масс может вращаться (двигаться) очень медленно. Время вращения довольно продолжительно. Продолжительность периода одного вращения с помощью этой техники может быть выбрано любое и произведен расчет для элементов строительной конструкции, например за 20 с или более. Время одного колебания обычно от 0,5 до 2 с. Если точка подвеса маятника перемещается быстрее или скачкообразно, то подвешенная на маятнике масса переходит во вновь определенную позицию только со скоростью, соответствующей скорости маятника большей длины.

Магнитуда сейсмотолчков земли не имеет никакого влияния. Не играет никакой роли, как быстро движется земная поверхность, какой силы получает ускорение фундамент здания, как высока или мала частота колебаний земли или гармонично или в дисгармонии протекает колебание, результат всегда тот же самый.

Переносимое на здание ускорение редуцируется по шкале менее 0,01д, которое физически едва воспринимается.

Защитное действие этого принципа всегда одинаково при всех наличных путевых скоростях и ускорениях.

Так, даже при сильнейших толчках земли здание вибрирует так же, как и при слабых толчках.

При решении задачи согласно изобретению не происходит разделения энергий, их превращения и поглощения, а скорее ни одна из энергий не передается на строительную конструкцию. Так как зданию не навязывается никакого быстро сменяющегося движения, не действуют вызванные ускорением силы, не возникает ущерба здания от землетрясения.

Таким образом, здание полностью изолируется от горизонтальных подвижек земли, в этом случае речь идет о высокой изоляции основания.

Исходя из этого, не требуется каких-то специальных конструктивных мероприятий по усилению зданий, как этого требуют строительные стандарты и нормативы при защите здания от землетрясений.

Заранее рассчитанный и ожидаемый способ функционирования доказан с помощью модели-имитатора.

4.4. Сильно уменьшенное трение при горизонтальном смещении

На основании данного изобретения физическое трение в опорных участках строительных элементов, обусловленное принципиальным решением проблемы, редуцируется с силой только при эффективном трении, которое проявляется как сопротивление смещению. Получается низкий коэффициент трения. Через трение не переносятся какие-либо значительные силы ускорения (разгона) с основания на опирающуюся строительную конструкцию. Следовательно, сооружение имеет легкое (небольшое) смещение по отношению к базису. Сила ветра может сдвинуть опирающийся объект из состояния равновесия и тем самым уменьшить амплитуду отклонения относительно базиса.

Концепция нового решения несущей конструкции приводит к тому, что физически действующее трение, благодаря высокому фактору приведения, редуцируется (уменьшается) на незначительную величину.

Сопротивление смещению:

А=т-д-ц_Геа (16) полученные величины: р_|е.,|=0.002 0,004.

Таким образом, через еще действующее трение передаются только незначительные силы к ускорению опорной массы.

Под этим влиянием возможная амплитуда колебания ни в коем случае не может стать меньше, чем случайная амплитуда толчка земли, или стать совсем нулевой.

Поэтому в первую очередь необходимо изолировать объект от колебаний поверхности земли, дополнительно внедрив в общее решение элементы, которые обеспечили бы центровку здания при начале землетрясения.

4.5. Центрирование опирающегося объекта и ветросиловые опоры

Движение опорных точек носимого (опирающегося) объекта на сейсмозащитный модуль происходит в очень плоской, сверху вогнутой сфере, причем эта сфера представляет собой не точный разрез сферического свода-оболочки, а только что-то приближенное. Из-за отклонения от положения равновесия изгиб плоскости не фиксирован, что, тем не менее, на функциональность системы не влияет. При подъеме на полный размах из-за гравитации действует обратная сила, чем и достигается самоцентрирующее действие опорной точки. Возвращение в равновесие происходит не полностью из-за существующего трения, хотя оно и очень незна чительно.

Горизонтально действующий сдвиг подвешенного на виртуальном маятнике объекта вычисляется следующим образом

где 8_Н - горизонтальный сдвиг через гравитацию, т - опирающаяся масса, д - ускорение Земли, е - отклонение от положения равновесия, 1_ν - длина виртуального маятника.

Горизонтальное сопротивление обусловлено трением против смещения \\ н т-д-ЦгеН (18) где - горизонтальное сопротивление, ц_геН - редуцированный коэффициент трения.

Благодаря концепции сейсмозащитного модуля горизонтальное сопротивление чрезвычайно мало.

Коэффициент трения редуцируется в соотношении полудиаметра подшипника маятникового подвеса опорного элемента к действующей длине маятника

где μ - коэффициент трения,

1\ - диаметр подшипника, Б_р - длина опорного элемента.

Хотя согласно расчетам кривизна поверхности движения конечной точки виртуального маятника из-за действия расцепления от движе ния земли в среднем размахе очень плоская, тем не менее, из-за малого трения возникает гисте резис с горизонтальным отклонением от поло жения равновесия =-------,

8ш(агс8ш · агссоз μ_κβά ) (20) где А_Н - горизонтальное отклонение от точки равновесия.

Концепция сейсмозащитного модуля до пускает, что предусмотренные амплитуды колебаний могут быть рассчитаны в широком спектре так, чтобы в случае экстремального колебания земли имелось достаточно свободного пространства для качания относительно базиса, даже если исходным положением для качания было не положение равновесия. Так, под воздействием дрейфа (ветра или других сил) в про цессе происходящих толчков земли положение зданий может быть различным.

Там, где это возможно, можно обойтись без дополнительных устройств центрирования зданий и ветросиловых опор. Если же необходимо, чтобы сооружение всегда оставалось в одной установленной точке, требуется дополнительное оборудование для точной центровки но устанавливаться минимум в двух точках здания или может быть интегрировано в отдельный сейсмозащитный модуль.

Пружина растяжения 17 своим нижним концом соединена с базисом, а на своем верхнем конце имеет стержень 18, который входит в шарнир 16, который, в свою очередь, жестко соединен с опирающейся конструкцией. Пружина 17 растяжения имеет также предварительное растяжение, чтобы горизонтальная рычажная сила могла максимально противодействовать максимуму предполагаемой силы ветра, не получая перекоса пружины стержень 18. Если же происходит горизонтальное движение базиса против опирающейся массы с большим ускорением, возникает импульс из массы, превосходящий по силе действие ветровой нагрузки, и под влиянием рычага стержня 18 сжимается пружина 17. По отношению к зданию основание испытывает смещение ε. При дальнейшем сдвиге после преодоления этого начального момента величина силы увеличивается не линейно, а дегрессивно. На этом основании реакционная сила пружины через ход качания 8 остается малой.

Такое горизонтальное опирание может найти применение и в обратном расположении, когда шарнир 16 связан с базисом 6, а конец стержня 18 с пружиной 17 прикрепляется в подвешенном виде к зданию 19.

Фиг. 26 показывает центрирование здания при помощи пружинного блока 20 из упругого материала. При соответствующем выборе параметров пружинного блока, проявляются свойства, как и на фиг. 25, только не проявляется разламывающий момент. Постоянное движение начинается в зависимости от горизонтальной силы. При таком исполнении конструкции также возможно и обратное расположение.

Фиг. 27 представляет устройство для центрирования объекта, при котором крепежное устройство 21 жестко соединено минимум двумя точками и находится под носимой конструкцией сооружения 19. Расположенный в шаровой полости 22 роликовый шар 23 сжимается в центрирующей воронке пружиной 24 с вертикальной силой Ρ_ν, вызванной максимально ожидаемыми воздушными силами, действующими на здание, которая находится в равновесии с горизонтальной силой Б_ь

Ρν=ΡΓ·ί§(γ/2), (21) где Ρ_ν - вертикальная сила,

1% - горизонтальная сила, γ - угол раскрыва.

Сила Ρ_ν берет начало из импульса сейсмотолчка и становится больше, чем она может быть при силе ветра, и затем будет сжиматься обратно через горизонтальный сдвиг центрирующей воронки 25 с базисом 6 встречно пружине 24 посредством поршня 26 и достигнет в зоне центрирующей воронки 25 большего угла здания.

Фиг. 25 показывает простое решение горизонтального опирания. Такое устройство долж2Ί раскрыва γ. При этом горизонтально переносная сила падает и становится нулевой, как только покидает область воронки и вращается на плоской поверхности.

Вытесненная поршнем 26 жидкость попадает через обратный клапан 27 в дальний отстойник или во встроенный контейнер 28. При возможном обратном подпружинивании скорость отправки поршня замедляется тем, что жидкость может вылиться обратно только через дроссель 29.

При ускорении качания основания медленно возвращающийся шар 23 остается не в вертикальном центре центрирующей воронки 25, а в зоне с небольшим наклоном. Следовательно, транслирующие горизонтальные силы становятся незначительными.

Когда качание прекращается, шар 23 устанавливается в вертикальном положении центрирующей воронки и центрует опирающийся объект с вновь повышающейся действующей горизонтально силой удержания Р_ь.

Фиг. 28 представляет другую форму центрирования здания и ветросилового опирания. Между одной стороной стены полуподвала здания 30 и стеной фундамента 31 на основании 6 на двух противоположных сторонах располагаются минимум два, а на других двух сторонах прямоугольного здания минимум один опорный элемент, горизонтальная опора 32. Горизонтальная опора 32 изображена в вертикальной плоскости горизонтального положения, где направление пробега роликового блока 33 горизонтально, и расположена на одинаковой высоте вертикального фундамента 31. Все другие объекты схематически изображены в горизонтальном обзоре вертикального разреза. Горизонтальная опора 32 состоит из гидравлического цилиндра 34 с поршневым штоком, на конце которого предусмотрен ходовой механизм с блоком 33 (или несколькими блоками). Между блоком и пластиной 35 на стене основания предусмотрен небольшой воздушный зазор для точной центровки нижней части здания внутри базиса (основания). Направляющие расположены горизонтально. Чтобы поршневой шток сохранял направление своего движения с роликовым механизмом, конец поршневого штока соединен с цилиндром 34 шарнирной тягой как фиксатором от поворота. Когда стена фундамента 31 движется к подвалу 30, через ролик (блок) 33 и поршневой шток в цилиндре 34 начинает движение поршень, который выдавливает жидкость и направляет ее в гидравлические аккумуляторы 36, которые могут быть устроены как мембранный или поршневой накопитель и сжимают (уплотняют) на другой стороне мембраны 37 газ, воздух или азот. Таким образом гидравлический цилиндр действует как опора с газовой пружиной. Если поршневой шток полностью выходит из цилиндра 34, то установленный над поршневым штоком регулировочный клапан 38 находится в положении раскрыва. Газовое давление в аккумуляторах выжимает жидкость через дроссельную заслонку 29 через открытый клапан обратно в накопитель 39. Если поршневой шток входит в цилиндр при сближении стены фундамента 31 с полуподвалом 30 здания, то регулировочный клапан 38 открывается и из напорного трубопровода 40 жидкость попадает в аккумуляторы 36, так что напор длится так долго, пока результативная сила в цилиндре опустит поршневой шток и снова приведет конструкцию в ее нулевое положение. Тем самым здание остается в состоянии равновесия. Этот процесс действенен, если здание изза своей легкой подвижности по отношению к базису легко теряет равновесие из-за ветра. Так как сила ветра не изменяются скачкообразно и для этого всегда требуется определенное время, процесс прилива-отлива жидкости через дроссель достаточно скор при номинальном значении, а это значит здание удерживается в равновесии. Если приближение стены базиса к зданию происходит быстрее, как случается при землетрясении, то и быстрее работает поршень, и благодаря регулировочному клапану приливотлив жидкости через дроссельную заслонку 29 в систему пневматического подрессоривания незначителен. Сила газового давления в цилиндре 34, имеющая почти тот же баланс, что и определенная воздушная сила, варьируется плоской пружиной и впуск-выпуск через дроссель 29 в частоте толчка при движении поршня и регулировочного клапана 38 незначителен. Система может быть рассчитана так, чтобы эти действующие на ускорение силы оставались настолько малы, чтобы передавать на массу здания только незначительное ускорение в быстрой последовательности при смене частоты толчка. Работа гидравлической системы обеспечивается централизованно из накопителя 39 насосом 41, который работает от мотора 42 и управляется выключателем 43. Обеспечение энергией для включения может быть автономно путем солнечной или ветровой энергией. Гидравлическая энергия буффируется в батарее гидравлического напорного накопителя 44 так, чтобы мощность насоса 41 была низкой. Во время толчка достаточно и внешней энергии, которая и будет использоваться устройством, так чтобы в одном варианте поршень горизонтальной опоры был скомбинирован с поршневым насосом 45. Во время быстрого движения базиса по отношению к строительной конструкции поршневой насос 45 перемещает жидкость из накопителя 39 в напорный накопитель 44 и перекрывает при этом возникающий поток, чтобы жидкость из пружинной системы подвеса, имеющаяся в цилиндре 34 и аккумуляторах 36, через дроссельную заслонку 29 и открытый регулировочный клапан 38 во время полуколебания текла в обратном направлении.

Фиг. 29 показывает горизонтальное опирание на рычаг 46. При таком исполнении возможны особенно большие амплитуды колебания и изменение интервала (дистанции) относительно стены фундамента. Рычаг 46, расположенный на прикрепленной к стене здания раме 47, опирается цилиндром 34 (или несколькими цилиндрами) на стену здания полуподвала 30 и оборудован на конце подвижным роликовым блоком с одним или несколькими роликами 33, которые могут двигаться по пластине-направляющей 35 стены фундамента 31. Вместо роликов могут быть применены другие соответствующие скользящие материалы. На раме 47 находится регулировочный клапан 38, который приводится в действие рычагом 46 и имеет те же функции, что и в примере на фиг. 28. В целом гидравлическое устройство соответствует примеру на фиг. 28.

Таких устройств должно быть не менее шести на здание, чтобы удержать здание в проектном положении в трех осях (в двух горизонтальных, одной вертикальной).

Такое исполнение горизонтального опирания обеспечивает большую зону амплитуды колебаний здания по отношению к базису (основанию).

Система подпружинивания, состоящая из гидравлического цилиндра 34 и дополнительно подключенных аккумуляторов, как и на фиг. 28, без действующих извне сил ветра имеет начальную характеристику пружины по функции Е_о=С_о-£, (22), где £ - перемещение пружины.

При увеличении перемещения пружины графическая характеристика проявляется не линейно, а в соответствии с уравнением политропного сжатия.

При переменных смещениях фундамента по отношению к опирающейся строительной конструкции на величину ε сила АР_о, возникающая при подпружинивании, действеннее, чем сила ускорения на массу сооружения. При ветре автоматически повышается сила опирания в соответствии с силой ветра, как описано в примере фиг. 28, без существенного изменения положения самой конструкции. Если во время опирания ветронагрузки Е„ при сейсмотолчке одновременно происходит движение и смещение базиса (основания) по отношению к зданию на величину ε, то возрастает сила в опорной пружинной системе по функции (формуле)

Е.СЯ-Е. (23)

Эта функция (действие) имеет несколько большую крутизну, чем те, которые исходят от нулевой точки, так как при сжатии меняется соотношение объема вытесненной жидкости к объему газа. При сжатии на величину ε возрастает сила опирания на значение АЕ„, и только эта сила дифференции ΔΕ„ проявляется как сила ускорения на массу здания и не бывает больше силы ΔΡ_Ο при безветрии.

Фиг. 30 - изображение похожей горизонтальной опоры через рычаг, аналогично примеру на фиг. 29. Это устройство оборудовано дополнительным поршневым насосом, который располагается между рычагом 46 и рамой 47, как и цилиндр 34. Поршневой насос 45 имеет такую же функцию, как и описанное устройство на фиг. 28.

Фиг. 31 показывает принцип центрирования ветросиловой компенсационной системы, при которой под полуподвалом здания 19, укрепленного сейсмозащитным модулем 48 и горизонтально крепежным ветросиловым устройством 49, сепаративная часть с полуподвалом 30 отделяется от верхнего здания и опирается на собственный сейсмозащитный модуль 48.

Так как эта часть здания 30 имеет особо слабое трение и расположена самоцентровочно и не подвергается воздействию ветра, ей не требуется такого крепления против ветра, она находится всегда в своем равновесии, даже при вибрирующем базисе, и служит в качестве опоры для центрирования. Посредством механического или бесконтактного дистанционного измерения в двух осях - между опорными точками 50 или в верхней или нижней части здания, устанавливается регулирующая переменная для управления ветросиловым блокировочным устройством 49.

4.6. Изоляция вертикальных колебаний опорных объектов

Для сооружений с определенными соотношениями высоты и ширины, при которых не возникает никакого гравирующего предельного крена оси здания, можно предусмотреть дополнительное оборудование, чтобы редуцировать и полностью исключить воздействие вертикального ускорения.

Это было бы очень необходимо для больниц, промышленных зданий с чувствительным производственным процессом, для химических и ядерных установок.

Здание, укрепленное по такой технологии, остается в положении, близком к состоянию покоя.

Инерция массы здания к ускорению горизонтально движущегося основания вызывает, как реакцию, сдвиг в структуре здания, что при землетрясении часто приводит к превышению переносимого строительными материалами напряжения сдвига. Силы сдвига, вызванные горизонтальными колебаниями, в основном являются причиной разрушения здания. Но вертикальное ускорение будет удерживаться зданием, если при его укреплении будет рассчитываться статическая собственная нагрузка здания с учетом коэффициента эксплуатационной нагрузки. Тем самым вертикальное ускорение не будет опасным для здания, а это значит, что при превышении 1д вертикального ускорения при недостаточном укреплении объекта он будет «вырван из фундамента» и поврежден.

Если же вертикальное гашение колебаний будет рассматриваться и ставиться целью, то сейсмозащитный модуль может быть дополнительно оборудован вертикальным амортизатором.

Фиг. 32 схематически представляет пример амортизации строительной конструкции 19. Опора 51 выполнена в форме гидравлического цилиндра 52 с встроенной уровневой регулировочной заслонкой 53 и грузоподъемностью на поршневом штоке 54. На нижнем конце цилиндра располагается связующий элемент 8 сейсмозащитного модуля. Рычаги 55 действуют как фиксатор от проворота для скользящего цилиндра 52, чтобы связующий элемент 8 не смог проворачиваться вокруг вертикальной оси.

Поток жидкости следует через напорное устройство 56, обратным потоком 57 разгружается циркуляционная окружность пружинной опоры. Камера нагнетания 58 соединением 69 связана с одним или несколькими гидравлическими напорными накопителями 44. Объемом гидравлического накопителя определяется гидропневматическая характеристика пружины.

Когда в результате вертикального движения основания приходит в действие цилиндр и объем вытесненной жидкости по отношению к объему в гидронакопителе уменьшается, то повышение напора в гидравлическом накопителе незначительно.

Коэффициент - частное соотношения повышения давления к исходному давлению выражается относительно градусом ускорения на 1д, с которым опираемая масса получает вертикальное ускорения при вертикальном колебании земли. Соответствующим расчетом может быть достигнуто желаемое уменьшение ускорения.

При применении вязкоупругих жидкостей особенно проявляются свойства амортизации.

Фиг. 33 - конструкция устройства по фиг. 32, но в случае, когда пружинная опора 70 опирается на сейсмозащитный модуль 48 согласно фиг. 21, в который встроено центрирующее и ветросиловое опорное устройство 71 по схеме фиг. 25. Гидравлические соединения 56, 57 и 69, как и на фиг. 32, служат пропускной системой для потока жидкости и соединяются с гидравлическим напорным накопителем 44.

4.7. Обеспечение сейсмостойкости объектов на сваях посредством виртуального маятника

Такие объекты, как осветительные приборы или световые указатели на столбах или сваях (колоннах), при землетрясениях представляют особую опасность своими разрушениями, т. к. через увеличение ускорения может возникнуть и резонанс колебаний.

В то время как основание при колебаниях земли в горизонтальном и вертикальном положениях остается параллельным своему исходному положению, верхняя часть столба или колонны как основание объекта или сейсмозащитного модуля получает дополнительную ось движения и изгибается или кренится, как показано на фиг. 34.

Фиг. 34 - величина носимой массы, расположенной на вершине сваи, имеет сильное воздействие на характер качания колонны. Момент изгиба при горизонтальном ускорении меньше у колонны без нагрузки и обусловлен только собственной массой, изгиб и угол наклона верхней части колонны меньше.

Если между самой колонной и опирающимся объектом расположить сейсмозащитный модуль, то верхушка столба дополнительно утяжеляется только массой сейсмозащитного модуля, которая может быть меньше, чем масса опираемого объекта. Угол изгиба колонны уменьшается.

Чтобы опирающийся объект не получал дополнительного изменения наклона, так как дополнительная вибрация вокруг оси отклонения опасна, изменение наклона компенсируется сейсмозащитным модулем или уменьшает его.

Фиг. 35 - вид светильника и разрез сейсмозащитного устройства на верхушке столба 72. Устройство подпирает носитель 73, который может служить как крепление, например, для осветительных приборов.

Фиг. 35а - поперечный разрез фиг. 35.

Фиг. 35Ь - горизонтальная проекция.

Столб на своей верхней части имеет четыре кронштейна 74, каждые два кронштейна держат балку 75, на которой четырьмя концами крепится двухосно шарниром подвесной маятник 3.

Носитель 73 располагается двумя опорами 76 одноосно на двух связующих элементах 8. Связующие элементы 8 подвешены на двух маятниках 3 и своей третьей точкой опираются на стационарный маятник 7, который, в свою очередь, верхним концом установлен на верхушке столба. Опорные элементы, маятники 3 и 7, наклонены в пространстве так, что при отклонении оси верхней точки столба от вертикали, носитель 73 остается почти в горизонтальной позиции. Благодаря разъединению колебаний носителя 73 со своей грузоподъемностью с колебаниями, переданными с основания на столб, носимая масса не имеет обратного действия на столб, чем уменьшает свою нагрузку.

Фиг. 36 - представляет изоляцию колебаний от толчков светового оборудования на столбе 72, на котором применен виртуальный маятник в соответствии с фиг. 21.

На верхней части колонны находятся три держателя-кронштейна 77, которые в этом примере выполнены в форме кольца (окружности), которые в своей высшей точке держат на шарнире опорный элемент 11, наклонный маятник. На нижнем шарнире 12 укреплен связующий элемент 9, который на фиг. 36а выглядит как трехлучевая звезда.

На своей вершине опорный элемент 9 карданным подшипником 78 держит опорное тело

79, на котором расположены три или более спицы 80, соединенные с кольцом 81, держащим светильники 82.

Маятники 11 могут быть исполнены в виде канатов (тросов), как на фиг. 36Ь.

Гибкий сильфон (трубка) является соединением и электропроводкой между колонной 72 и лампами 82.

Фиг. 37 - второй пример применения виртуального маятника по принципу, изображенному на фиг. 21, - для разъединения колебаний держателя ламп 83 с колебаниями колонны 72, чье собственное колебание налагается на колебания земли.

Колонна 72 держит на верхней части три кронштейна 77, на которых маятник (отвес) 11 устроен как неподвижный опорный элемент или как канатная структура, связующий элемент 9 в форме треноги, который на карданном подшипнике 78 держит подвесную опору 79, жестко соединенную с кронштейном 83, как крепеж для светильников.

Фиг. 38 - в этой конструкции для расположения на колонне группы светильников используется виртуальный маятник (принцип фиг. 23). Три или более кронштейна 77 держат в верхней части колонны 72 на канатах или альтернативно соединенный с маятником 3 с двусторонним карданным подшипником 78 связующий элемент 8 с расположенными в виде звезды несущими кронштейнами 74 соответственно числу подвесов.

В центре 13 связующего элемента 8 в карданном узле расположен опорный элемент 14. Нижняя часть элемента 14 располагается в колонне 72, радиально опираясь и аксиально сдвигаясь.

В верхней части опорного элемента 14 в шарнирном положении расположен носитель ламп 83 с несколькими несущими кронштейнами 80 для ламп 82.

Фиг. 39 - вариант с применением такого же принципа, как в примере фиг. 38. Удерживающие кронштейны 77 позиционируют внутри устройства маятника. Отвесы из тросов 84 держат кольцо 81, которое через накопитель 74 в центре кольца держит ступицу 85, где в карданном подшипнике 78 располагается опорный элемент 14. В остальном - такое же исполнение, как и на фиг. 38.

4.8. Сейсмозащита подвесных объектов посредством виртуальных маятников Подвесные объекты на потолках зданий, например лампы, экраны, указатели, испытывают также колебания при качании здания. Подвесные объекты (предметы) сами собой представляют маятники и при общепринятых измерениях могут оказаться в резонансном колебании. При возрастании амплитуды колебания объекты ударяются о потолок, повреждаются и порой обрываются. Угроза подвесных электрообъектов состоит в опасности образования ко ротких замыканий, возникновения пожаров. Тяжелые подвесные объекты (предметы), например большие люстры в залах и холлах, при их возможном обрыве также представляют угрозу жизни людей.

В уже существующих зданиях может быть, имеет смысл избежать такой опасности, укрепив подвесные предметы на виртуальные маятники.

Фиг. 40 показывает подвес комплекта светильников на виртуальный маятник по принципу согласно фиг. 21.

На трех угловых точках равностороннего треугольника объемного потолка закреплены канаты (84) (кабели), которые расположены наклонно косо к общему центру книзу, их держит трубчатая рама в форме пирамиды 86. На верхушке пирамиды двухосно, в простой форме, между двумя соединенными кольцами подвешена штанга (стержень) 87 как носитель ламп (светильников).

Фиг. 41 - лампа, подвешенная на виртуальном маятнике большой длины по сравнению с примером фиг. 40. Связующий элемент 9 состоит из трех держателей-кронштейнов 77, которые образуют окаймление трехсторонней пирамиды.

Фиг. 42 - светильники 88 подвешены в ряд на двух виртуальных маятниках по схеме фиг.

11. Стабильный опорный элемент 8 прикреплен к крышке подвесного маятника в форме двухосно закрепленного стержня или цепи и поддерживает один конец опорного элемента 8. Несущая конструкция 4, состоящая из 4-х элементов в виде стержней, тросов или цепей, закрепленных на потолке, располагаясь как перевернутая пирамида, образует опорный элемент 89 для нижней точки нагрузки мобильного опорного элемента 7, соединенного со связующим элементом 8. На связующем элементе 8 висит одноосно расположенная шарнирная грузоопора 90, на которой вертикально пружиняще подвешены светильники 88.

4.9. Гашение колебаний массой

Разрушение высотных зданий, башен, высоких колонн и мачт, предрасположенных к восприятию поперечных колебаний и силы ветра, может иметь тяжелые последствия. Чтобы уменьшить деформацию, вызванную толчками земли, и избежать усталости материала, для уменьшения амплитуды колебаний очень эффективно применение гасителя колебаний. При этом дополнительные массы на верхушке сооружения или дымовых труб, изношенных опор на местах, где возникают высокие амплитуды колебаний, обладают способностью собственных колебаний и соединены со зданием пружинящими опорными элементами, чтобы силой привода дополнительной массы гасителя колебаний противодействовать собственно колебаниям здания.

Для опирания этой дополнительной массы применяется виртуальный маятник. При небольших габаритах в пространстве виртуальный маятник в простом виде конструируется для любой желаемой собственной частоты опорной массы-гасителя путем свободного выбора исходных параметров.

При активно действующем гасителе колебаний с использованием виртуального маятника выгодным является незначительное трение массы подвеса и произвольно устанавливаемый период собственного колебания.

Фиг. 43 - пассивный гаситель колебаний на башне. Три виртуальных маятника Ρ_ν по принципу фиг. 11 поддерживают массу гасителя 91. Пружинящий (амортизирующий) гаситель 92 поддерживает массу горизонтально по отношению к массе здания.

На фиг. 44 изображенная активная система гашения колебаний состоит из массы гасителя 91, которая по принципу фиг. 11 поддерживается тремя виртуальными маятниками Ρ_ν. Базовая масса 93 опирается на три виртуальных маятника по принципу фиг. 9, имеет малый коэффициент трения и малый гистерезис и очень длинный период собственного колебания.

Сенсоры 94, группирующие в обеих горизонтальных осях движение базовой массы 93 по отношению к сооружению, передают через управляющее воздействие для движения массы гасителя 91 через актуаторы 95.

Фиг. 45 - система гасителя колебаний с опиранием массы гасителя 91 посредством виртуального маятника Ρ_ν по принципу фиг. 13, примененному для работы активной или пассивной системы. Растягивающие нагрузку опорные элементы в этом примере сконструированы как канатные.

Фиг. 46 показывает опирание массы гасителя 91 или базовой массы 93 при активной системе на три виртуальных маятника Ρ_ν по принципу фиг. 21. Стабильные опорные элементы 11 в этом случае сконструированы как канатная конструкция.

Фиг. 47 - при системе гашения колебаний для трубопроводов гаситель 91 располагается в форме кольца внутри и по принципу фиг. 11 поддерживается тремя виртуальными маятниками. Стабильный опорный элемент, подвес 3, крепится не прямо к связующему элементу 8, а через удлинение 96, не действующее как маятник; и посредством промежуточного рычага 97 переносится в более высокую плоскость, чем экономит пространство в радиальной протяженности, что уменьшает сопротивление воздуха. Благодаря кожуху 98 не происходит наложения функции гасителя колебаний и силы ветра.

Фиг. 48. При пассивной системе гасителя колебаний для решетчатых опор масса гасителя 91 для уменьшения сопротивления воздуха расположена в форме плоской кольцевой шайбы и поддерживается тремя виртуальными маятниками Ρ_ν по принципу фиг. 11. Обратное подпружинивание следует наряду с самоцентриро ванием через виртуальный маятник Ρ_ν через пружину 99 в нижнем шарнире неустойчивого опорного элемента 7. Гашение колебаний происходит посредством фрикционного диска 100. Устойчивые опорные элементы 3 выполнены в виде канатов или тросов.

Чтобы на действие системы не влияли воздушные массы, конструкция гасителя покрыта аэродинамическим, имеющим слабое сопротивление кожухом 98.

4.10. Уменьшение риска (опасности) разжижения почвы

При колеблющейся почве переменные моменты вызывают вибрацию фундамента, что в определенных грунтах ведет к размягчению почвы и уменьшению ее несущей способности, так что здание может «провалиться» в грунт.

Так как оборудованное виртуальным маятником здание почти изолировано от горизонтальных колебаний земли, масса здания не подвергается никакому горизонтальному ускорению, что позволяет избежать или значительно уменьшить эффект реакционных сил опрокидывающего момента, ведущего к размягчению почвы.

Реакционные силы массы здания на определенных грунтах обуславливают размягчение почвы и имеют фатальный исход. Почва теряет свою прочность, здания опрокидываются или проваливаются в грунт. Если масса здания меньше объема проваливающегося грунта, то здание выплывает из размягченной почвы и поднимается из грунта. Благодаря виртуальному маятнику редуцируется реакционная сила массы здания на 3/1000. Разжижения почвы не происходит.

При горизонтальных колебаниях земли статическая нагрузка в фундаменте накладывается на действующую синхронно направлению переменную пару сил при приеме опрокидывающего момента из ускорения массы здания.

Переменная дополнительная нагрузка на краях фундамента из ускорения массы здания определяется по формуле

Ь.~та-!± (24) ¥у где т - масса здания, а - ускорение в центре тяжести, йт - высота центра тяжести здания над фундаментом,

- больший интервал (зазор) фундаментных граней в направлении колебания почвы.

Попеременное сжатие почвы в сыром грунте действует как насос. Этим уменьшается трение сцепления между частицами грунтов, таких как песок и гравий, пульсирующая флотация разжижает почву, превращая ее в пульпу (кашицу).

Здания могут провалиться в грунт, а при асимметричном процессе также и опрокинуться.

При применении изобретения реакционного действия опираемой массы не происходит, так как масса не испытывает ускорения. Статические нагрузки фундамента не накладываются переменными нагрузками из момента опрокидывания. Опасность размягчения почвы в значительной мере уменьшается.

Фиг. 49 - оборудованное виртуальным маятником Ρ_ν защищенное здание имеет незначительный риск обвала в очень мягких и влажных грунтах, фундамент как основание для сейсмозащитного модуля устроен так, чтобы объем скрытой в грунте части здания (соответственно толщина массы поверхности грунта) был рассчитан с таким запасом, чтобы масса вытесненной почвы соответствовала общей массе здания.

Чтобы уменьшить механические силы воздействия на фундамент через компрессионные волны, нижняя часть фундамента 101 выполнена с нарастающим наружу изгибом.

Фиг. 50 - конструкция фундамента согласно фиг. 49 дополнительно оборудуется свайными основаниями 102 в сильно увлажненных грунтах для укрепления почвы и жесткости грунта.

4.11. Герметизация зданий

Фиг. 51 - между наружной стеной полуподвала, который находится в грунте и при толчках земли совершает такие же горизонтальные колебания благодаря установленному в сооружении сейсмозащитному модулю по принципу виртуального маятника, и строительной конструкцией 19, которую он поддерживает и которая остается в состоянии покоя, предусмотрен перемещающийся ярус 103, который не должен иметь никакой проницаемости для пыли, ветра, влаги и насекомых.

На одной стороне этого яруса, преимущественно на верхней, располагаются проволочные щетки 105, заполненные изолирующим материалом 104. На противоположной стороне монтируется скользящая рама 106 с юстированно наклонными краями.

Фиг. 52 - сейсмозащитные модули дополнительно оборудованы вертикальной пружиной и гасителем для гашения вертикальных колебаний. При необходимости уплотнение яруса дополнительно оборудуется вертикальным амортизатором.

На изолированную от колебаний плоскую (листовую) строительную конструкцию 19 или скользящую раму 107 встречно давит пружиной 108 уплотняющая рама 109 И-образной формы. Рама 109 движется вертикально с помощью иобразной нижней части 110, жестко соединенной с наружной стеной полуподвала 30, и образует герметичное соединение с уплотнительной планкой 111. Уплотнительная рама 109 герметизируется относительно изолированной от колебаний строительной конструкции или скользящей рамы 107 посредством уплотнительной планки 111 и стопорной заглушки 112, поджимаемыми вертикально вверх пружинами.

4.12. Уменьшение пожароопасности посредством улучшения интерфейсной ситуации

Фиг. 53. Так как масса здания получает ускорение при колебаниях земли горизонтально с чередованием частоты, реакционная сила массы на поверхности земли оказывает действие сжатия через вертикальную плоскость на находящийся в грунте полуподвал 30 здания. В зависимости от возникающего сжатия грунт сжимается и сплющивается; действующие рывки между располагающимися в грунте линиями электроснабжения 113 и укрепленными в здании электроподключениями приводят к обрывам линий электроснабжения. Разрыв линий газоэлектро-снабжения ведет к образованию коротких замыканий, приводящих к пожару.

Этого можно избежать, предотвратив возможность разрыва линий электроснабжения зданий; таким образом уменьшается плоскостное сжатие верхней и нижней частей грунта и силы ускорения берут свое начало не из массы всего здания, а только из незначительной части массы фундамента. Соответственно уменьшается и опасность локальных разрывов существующих линий снабжения.

Внутри здания крепятся гибкие подвесные провода И-образной формы 114, так что при относительном движении между основанием и изолированной от колебаний самой конструкцией здания 19 никаких повреждений в проводке не возникает.

4.13. Установление допуска щелевого зазора под зданиями

Даже при необычных случаях, когда вдоль одной колонны под зданием оба края движутся в разных направлениях или даже отдельно друг от друга, система сможет установить данное изменение, так как модули действуют вне зависимости друг от друга и уравнивают изменение пролета на основании.

Система приводит здание в стабильное положение.

Фиг. 54 иллюстрирует, что шаг перфорации 1 опор здания неизменен при монтаже строительной конструкции. Шаг перфорации сейсмозащитного модуля 48 фундамента 31 соответствует шагу перфорации верхней части здания.

Если при возникающих при землетрясении компрессионных волнах образуется щелевой зазор между сейсмозащитными модулями 48, то увеличивается пролет сейсмозащитного модуля 48 на величину зазора 8_Р. Сейсмозащитный модуль действует как виртуальный маятник - центрирует опорную точку в центре своей амплитуды колебаний ниже своей виртуальной точки подвеса.

Если пролеты виртуально подвешенных точек двух виртуальных маятников увеличиваются, то жестко соединенные опорные точки нагрузки принимают уравновешенное положе39 ние так, чтобы отклонение от предыдущей точки положения равновесия у обоих виртуальных маятников было одинаковым.

4.14. Уменьшение силы удара при взрывах

На основании незначительного сопротивления при взрывах носимого (опираемого) объекта здание или объект может согласно изобретению отклоняться относительно основания в любом направлении, чем уменьшает действие воздушных сил, образованных скоростным напором ветра от происшедшего недалеко взрыва.

Ветросиловая опора автоматически настраивается на прием (воздействие) этой силы ветра с регулируемой скоростью изменения, которая соответствует требованиям изменения силы ветра.

Повышение давления воздуха, образованного взрывом, происходит в очень короткий промежуток времени, за которым не происходит значительного повышения опорной силы для компенсации силы ветра автоматическим регулированием. Таким образом здание может отклониться назад при внезапной нагрузке ударной волной при незначительной противодействующей силе, что значительно снизит смену импульсов.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показан дом, который в соответствии с изобретением опирается на сейсмозащитный модуль, представляющий собой виртуальные маятники большой длины с характером движения, как если бы дом подвешен на длинном маятнике с длиной 1_ν.

Фиг. 2-4 показывают оборудование (устройства) для защиты от землетрясений в соответствии с уровнем развития техники.

На фиг. 5 схематично изображено и использование базовых чертежей и функциональных величин математического маятника в соответствии в разделом «Дедуктивное решение поставленных задач».

Фиг. 6 и 7 иллюстрируют наложение поднимающихся и опускающихся гармоничных колебаний.

Фиг. 8 служит для пояснений изобретения и схематически представляет сопоставление стабильного и неустойчивого маятников в качестве опорных деталей.

Фиг. 9 - упрощенное схематическое изображение примера устройства, отображающее виртуальный маятник с большей длиной в сравнении с незначительной вертикальной протяженностью, и принцип действия для получения решения: точка этой кинематической схемы может служить как опорное устройство для несущего объекта с пространственным режимом (характером) движения, как будто бы эта точка качающийся конец длинного маятника.

Фиг. 10 - упрощенное изображение вида сверху фиг. 9.

Фиг. 11 - использование обозначений схеФиг. 12 - упрощенное схематическое изображение, варианты схемы фиг. 9.

Фиг. 13 - изображение виртуального маятника в варианте схемы фиг. 12, в котором рычаг для опускания подвесного стабильного маятника и рычаг для опускания стационарного нестабильного маятника располагаются в различных высотных плоскостях.

Фиг. 14-16 - виртуальный маятник на фиг. 13 в различных фазах движения.

Фиг. 17 - виртуальный маятник на фиг. 13 в колебательном соотношении к колеблющемуся базису.

Фиг. 18 - упрощенное схематическое изображение второго решения примера, отличного от решения на фиг. 9.

Фиг. 19 - схематический и вертикальный вид сверху (горизонтальная проекция) к примеру на фиг. 18.

Фиг. 20-21 - в упрощенном схематическом изображении демонстрируют дополнения к фиг. 18 и 19 для достижения значительной длины маятника.

Фиг. 22 - схематическое изображение вариантов виртуального маятника.

Фиг. 23, 23а, 23Ь, 23с - схемы виртуального маятника и фазы колебаний.

Фиг. 24 - относительное колебание базиса к виртуальному маятнику.

Фиг. 25 - показывает в принципиально осуществимой форме возможность центрирования и противостояния ветровой силе опирающегося объекта посредством виртуального маятника.

Фиг. 26 - устройство для центрирования опирающегося объекта посредством пружинных блоков из эластичных материалов через виртуальный маятник.

Фиг. 27 - центрирующее и ветросиловое устройство для опирающегося через виртуальный маятник объекта посредством шара (сферы), который силой пружины вжимается в воронку.

Фиг. 28 - упрощенное изображение схемы гидропневматической системы для центрирования и ветросиловой опоры опирающегося на виртуальный маятник объекта.

Фиг. 29 - устройство для центрирования и ветросиловой опоры опирающегося на виртуальный маятник объекта на боковину фундамента посредством рычага-балансира с силой гидропневматической пружины.

Фиг. 30 - такое же устройство, как и на фиг. 29, с дополнительной интеграцией гидравлического насоса.

Фиг. 31 - система для центрирования здания под нагрузкой ветра.

Фиг. 32 воспроизводит схематически вертикальную амортизацию для уменьшения ускорения.

мы маятника.

Фиг. 33 представляет собой сейсмозащитный модуль с вертикальной амортизацией и блокированием силы ветра.

Фиг. 34 показывает возможность гибких (эластичных) деформирований световых мачт при критических колебаниях.

Фиг. 35 показывает виртуальный маятник на мачтовых шпилях.

Фиг. 35а - разрез фиг. 35.

Фиг. 35Ь - горизонтальная проекция фиг. 35.

Фиг. 36, 36а, 36Ь - изображение группы светильников на столбах с изоляцией колебаний посредством виртуального маятника.

Фиг. 37-39 - варианты изолирующих колебаний светильников на сваях.

Фиг. 40-41 - подвесные лампы с изоляцией колебаний посредством виртуального маятника по схеме фиг. 21.

Фиг. 42 - подвешивание ряда светильников на виртуальный маятник по схеме фиг. 9.

Фиг. 43 - гаситель колебаний с опорой на виртуальный маятник по схеме фиг. 9.

Фиг. 44 - гаситель колебаний как на фиг. 43 с рекомендованным положением на виртуальном маятнике по схеме фиг. 31.

Фиг. 45 - опора массы гасителя колебаний на виртуальный маятник по схеме фиг. 13.

Фиг. 46- висящая (подвешенная) на виртуальный маятник масса по схеме фиг. 21 массы затухания (гашения) колебаний или массы рекомендованного положения.

Фиг. 47 - гаситель колебаний на мачтовой опоре трубопровода.

Фиг. 48 - опирающийся на виртуальный маятник гаситель колебаний на решетчатой мачте.

Фиг. 49 - изображение сейсмозащитного фундамента, как базиса (основания) для виртуального маятника.

Фиг. 50 - сейсмозащитный фундамент со свайным основанием, как базис для виртуального маятника.

Фиг. 51 - герметизация деформационных швов для изолирования здания от колебаний.

Фиг. 52 - герметизация деформационных швов здания при горизонтальной и вертикальной изоляции колебаний.

Фиг. 53 показывает ситуацию интерфейса для линий электроснабжения зданий.

Фиг. 54 - последствия образовавшейся трещины между сейсмозащитными модулями, имеющими принцип виртуального маятника.

Фиг. 55 - сейсмозащитный модуль, установленный в подвале здания, как устройствоноситель зданий и объектов для реализации принципа действия виртуального маятника (фиг. 21).

Фиг. 56 - установка сейсмозащитного модуля с вертикальной амортизацией в подвальном помещении здания.

Фиг. 57 - сейсмозащитный модуль, как показано на фиг. 55, с интеграцией центрирования и вертикальной установкой по схеме фиг. 25.

Фиг. 58 - сейсмозащитный модуль, как и на фиг. 55, в комбинации с гибкими (эластичными) блоками (как центровочная пружина).

Фиг. 59 - сейсмозащитный модуль как смонтированное на поверхности устройство для опоры зданий и объектов по принципу решения на фиг. 12.

Фиг. 60 - вертикальный разрез здания с опиранием на сейсмозащитный модуль (как на фиг. 59) с изображением опорного устройства для центрирования объекта и противостояния ветровой силе.

Фиг. 61 иллюстрирует горизонтальный разрез подвального помещения здания и рамный фундамент в плоскости центровочного устройства и показывает расстановку опор примера по фиг. 30.

Фиг. 62 - смещение базиса (основания) с фундаментом относительно находящегося в состоянии покоя нижнего этажа параллельно в стене здания.

Фиг. 63 - смещение базиса с фундаментом относительно находящегося в состоянии покоя нижнего этажа здания в направлении движения под углом к стене здания.

Фиг. 64, 64а, 64Ь - виртуальный маятник для опоры высотных зданий.

Фиг. 65 - виртуальный маятник для устройства в бетонном основании по схеме фиг. 21.

Фиг. 66 иллюстрирует опору дорожного полотна (проезжей части) на пилонах посредством виртуального маятника.

Фиг. 67 - колонна пилона с опорой на виртуальный маятник в основании.

Фиг. 68 - опора решетчатой мачты на виртуальный маятник по схеме фиг. 21 .

Фиг. 69 - опора нефтепровода на виртуальный маятник.

Фиг. 70 - опора трубопровода на виртуальные маятники.

6. Описание целесообразных конструкций (исполнений)

Фиг. 1 показывает, согласно изобретению, что строительная конструкция или опирающийся объект расположены на несущей конструкции, которая названа здесь сейсмозащитным модулем 48, связанным с поверхностью посредством общего фундамента или отдельной группы фундаментов основания.

Сейсмозащитные модули несут (поддерживают) строительную конструкцию и содействуют ее пространственному характеру колебаний таким образом и в такой форме, как будто конструкция висит на очень длинном маятнике, причем объект получает минимальное ускорение. При незначительной высоте сооружения сейсмозащитный модуль представляет собой виртуальный маятник Ρ_ν с виртуальной длиной

Ьу и более продолжительным периодом. Эти несущие конструкции или сейсмозащитные модули рассчитаны так, чтобы могли быть применены для любой желаемой или требуемой амплитуды возможного колебания, так экстремальные горизонтальные толчки земли не переносятся на опирающийся на поверхность объект. Благодаря соответствующему расчету и выбору параметров может быть достигнуто такое состояние, что собственное колебание расположенного на сейсмозащитном модуле здания будет многократно меньше, чем частота колебаний земли, как правило имеющая место при землетрясениях.

Фиг. 55 изображает сейсмозащитный модуль 48 в исполнении по схеме фиг. 21 с монтажом в нижних этажах сооружения. Три опорных элемента 11 имеют на своих концах сферический шарнирный подшипник 115 или, альтернативно, карданный механизм или шаровой подшипник 116, верхним концом подвешенный к несущей конструкции 5, а нижним концом поддерживающий связующий элемент 9. На верхнем конце связующего элемента 9 расположена соединяющаяся с конструкцией 19 связующая опора 117 с шаровым шарниром 116. Сильфон 118 из гибкого материала или металла герметизирует шаровой подшипник. Скользящее уплотнение (прокладка) 119 герметизирует зазор между носимой строительной конструкцией и блоком базиса 6 здания.

Фиг. 56 изображает сейсмозащитный модуль 48 согласно схеме фиг. 21 с монтажом в нижнем этаже здания. Изоляция вертикальных колебаний, согласно схеме фиг. 32, встраивается в опору здания. Для сочетания относительного движения базиса и верхней части здания уплотнение зазора (герметизация) 120 выполнено по схеме фиг. 52.

Фиг. 57 - сейсмозащитный модуль 48 в сходном исполнении, как и на фиг. 55. Дополнительно в конструкцию встраиваются центрирующее и ветросиловое устройство, согласно фиг. 25. Такое решение имеет преимущество в компактности. Обе функции: нести (держать) объект, центрировать его и противостоять ветровой силе, объединены в одно целое.

Фиг. 58 - сейсмозащитный модуль 48 с дальнейшей комбинацией функций опирания и центрирования принимает на себя эластичный пружинный блок 20.

Фиг. 59 - сейсмозащитный модуль 48 в исполнении по схеме фиг. 12, утяжеление его грузом и монтажом на уровне земли для высотных зданий. Подвесной маятник 3 имеет на обоих концах или сферический шаровой подшипник, или карданный подшипник, подвешенный верхним концом к несущей конструкции 4. На нижнем шарнире маятника 3 расположен носитель 8 как связующий элемент. Другой конец связующего элемента 8 опирается шаровым подшипником 116 или карданным механизмом или сфе рическим шарниром на стационарный маятник

7. Стационарный маятник 7 опирается таким шаровым шарниром 116 как верхним, так и нижним концами на базис, в данном случае на фундамент 31. На носитель 8 опирается опора здания 51, расположенная одноосно шарнирно, которая и поддерживает здание 1. Первый этаж здания связан с полуподвальным этажом 30 или несколькими полуподвальными этажами со зданием 1. Пространство 122 между полуподвальными помещениями 30 и фундаментом 31 герметизировано посредством уплотнителя 119.

Обеспечение здания водой и электроэнергией и коммуникационные подключения происходят с помощью соединения 123 в форме гибкой и-образной петли, расположенного между основанием фундамента 31 и полуподвальным этажом 30, так что возможные относительные колебания между основанием и зданием не причиняют вреда подключениям.

Фиг. 60 изображает вертикальное сечение высотного дома с опиранием на сейсмозащитный модуль 48 в виде наружной окантовки вдоль здания (фиг. 59). На плоскости 124 полуподвального помещения 30 применены горизонтальные опоры 32 по принципу фиг. 29 или 30 с использованием соответствующего гидравлического оборудования в соответствии с фиг. 28.

Фиг. 61 показывает горизонтальное сечение полуподвального этажа 30 здания и рамообразный фундамент 31 (обрамляющий здание) как несущий базис для сейсмозащитного модуля в плоскости 124 на фиг. 60. На каждой стороне полуподвала 31, который относительно базиса подвижен во всех направлениях, находятся на каждой стене два устройства для горизонтальных опор 32 против силы ветра и для точного центрирования здания по отношению к фундаменту. Опорные устройства соответствуют схеме фиг. 30. Если на верхней части здания создается сила ветра, то здание остается в том же положении, как изображено на фиг. 61. Опорные устройства реагируют на малейшее подпружинивание и повышают силу опирания пружинных элементов до тех пор, пока существует равновесие с силой ветра. При точном положении равновесия, без воздействия внешних сил в виде ветра, между опорными роликами и стеной фундамента предусмотрен незначительный люфт. Все пружинные цилиндры выдвигаются полностью до гидравлически демпфированного толчка.

На фиг. 62 показан вариант, при которм, если при землетрясении происходит смещение основания в направлении изображенной стрелки 125, то сжимаются горизонтально укрепляющие 32 в направлении, где фундаментная стена 31 приближается к зданию. На противоположной стороне здания укрепляющие 32 поднимаются и отклоняются от стены.

На фиг. 63 - при движении базиса в направлении 125, не параллельном окантовке зда ния или перпендикулярно к ней опорные элементы с двух сторон сжимаются, а на противоположных сторонах поднимаются.

На фиг. 64 показан разрез внешнего вида высотного здания с опиранием на поверхностный сейсмозащитный модуль 48 с применением принципа виртуальных маятников. Виртуальные маятники расположены попарно зеркально, как показано на схеме, согласно фиг. 12. Подвешенные стабильные маятники 3 для уравнивания допуска опираются попарно на колонну 126 посредством шарнирного носителя балансирования 127.

Расположение сейсмозащитного модуля позволяет распознать, что такое исполнение пригодно для строительства зданий в каркасной конструкции. Существующие колонны заменяются введением элементов виртуального маятника в зоне выемки (отверстия) С.

Фиг. 64а и 64Ь представляют вертикальный разрез к виду фиг. 64 и показывают наружную герметизацию здания путем уплотнения 120, причем сейсмозащитные модули находятся в одном случае на наружной зоне здания, а в другом случае - во внутренней зоне герметизации здания.

Фиг. 65 показывает виртуальный маятник как сейсмозащитный модуль по принципу фиг.

21. В базис 6 бетонируют кожух (камера) 128, в который вмонтирован соединенный фланцевыми креплениями как единое целое модуль. Грузовая опора 90 соединена с удерживаемым объектом посредством фланцевого соединения.

Маятник 11 выполнен в виде каната (троса).

Опорный элемент 1 4 центрируется пружиной 129 (для противодействия силы ветра) и подавляет вертикальное негативное ускорение пружиной 130. Грузовая опора 90 поддерживается опорным элементом 14 через шарнирный подшипник 116, и посредством телескопического цилиндра 131 через механическую пружину 132 обеспечивается пневматическое подпружинивание.

Фиг. 66 показывает расположение изоляции подвижной перемычки 133, укрепленной сверху на пилоне, от поперечных колебаний платформыпилона 134; по этому принципу пилон в своем наклоне-изгибе разгружается, так как он получает нагрузку не из реакционных сил массы поперечного ускорения подвижной перемычки, а нагружается в основном только своей собственной массой и незначительной частью массы сейсмозащитного модуля. Конструкция виртуальных маятников соответствует принципу, проиллюстрированному на фиг. 13. Если эта подвижная перемычка - опорная точка - является неподвижной опорой, опорный элемент с горизонтально действующим пружинным элементом 132 удерживается в своем равновесии. Только когда заданная пружинная сила преодолевается, возможно свободное относительное движение между подвижной перемычкой 133 и платформой-пилоном 134.

Фиг. 67 представляет изоляции колебаний пилона 135, установленного на основании. Виртуальный маятник базируется здесь по принципу фиг. 9. В изображенной форме эта опора представляет собой одновременно мостовую опору. Стабильный подвесной маятник, опорный элемент 2, образуется из двух тяговых штанг 136 и двух поперечных носителей 137.

На фиг. 68 показана решетчатая мачта, опирающаяся на сейсмозащитный модуль, действующая по принципу, проиллюстрированному на фиг. 21 , и оборудованная ветросиловой опорой.

Фиг. 69 изображает опору нефтепровода посредством стабильного и нестабильного маятников 3 и 7 согласно схеме на фиг. 9. Связующий элемент 8 выполнен в виде трубы. Центр поперечного разреза трубы описывает при горизонтальном смещении траекторию такую же, как нижний конец длинного маятника. Подвес трубы производится на виртуальный маятник. Стационарный маятник 7 зацеплением пружины 24 с предварительным натягом удерживается в вертикальном положении, и только при определенном опрокидывающем моменте на маятнике 7 достигается сжатие пружины 24 и становится возможным движение опорной системы. Опрокидывающий момент предопределяется таким образом, что только реакционные силы масс из поперечного ускорения вызывают движение с соответствующим размером сейсмотолчка.

На фиг. 70 показаны опоры трубопровода на виртуальных маятниках, как это принято на химических предприятиях и нефтеперерабатывающих заводах. Грузовая опора 90 поддерживается связующим элементом 8, который поддерживаются стабильным опорным элементом подвесным маятником 3 и неустойчивым опорным элементом - стационарным маятником 7.

Claims (29)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ защиты объектов, в частности зданий, от динамических сил, вызываемых ускорением базиса (6), предпочтительно при землетрясениях, характеризующийся тем, что объект устанавливают на связующем элементе (8, 9), связанном, по меньшей мере, с одним устойчивым опорным элементом (3, 11), выполненным с возможностью подъема защищаемого объекта, и, по меньшей мере, с одним неустойчивым опорным элементом (7, 14), выполненным с возможностью опускания объекта, при этом обеспечивается возможность для опорной точки (Р) защищаемого объекта, расположенной на связующем элементе (8, 9), совершать движение по траектории, совпадающей с траекторией движения маятника с длиной большей, чем длина опорного элемента.
2. 2. Устройство для осуществления способа по п. 1, характеризующееся тем, что не менее чем в трех опорных точках по отношению к базису (6) для изолирования от колебаний опорной точки (Р) объекта (1) оно содержит связующий элемент (8, 9, 14), на котором расположена опорная точка (Р) объекта (1) и который установлен с возможностью раскачивания во всех направлениях через опорные элементы (3, 7, 11, 14), связанные между собой и установленные шарнирно на базисе (6), причем размеры и исходное расположение опорных элементов (3, 7,11, 14) выбраны обеспечивающими возможность для опорной точки (Р) на связующем элементе (8, 9, 14) совершать движение по траектории, совпадающей с траекторией движения маятника с длиной большей, чем длина опорного элемента.
3. 3. Устройство по п.2, характеризующееся тем, что связующий элемент (8, 9) выполнен с возможностью на стороне соединения опорных элементов (3, 7, 11) совершать подъем, при этом на обратной стороне - опускаться, причем точка опоры (Р) объекта (1) на опорный элемент (8, 9, 14) при горизонтальной амплитуде колебаний базиса (6) подвержена незначительному подъему и движению вдоль открытой вогнутой вверх поверхности (фиг. 9, 12, 13, 16, 17, 21).
4. 4. Устройство по п.2 или 3, характеризующееся тем, что два опорных элемента (3, 7) соединены через связующий элемент (8, 8Ь), причем опорный элемент (3) выполнен как устойчивый маятник, подвешенный на верхнем конце посредством двухосного шарнира на базисе (6) в опорной точке (10), а второй опорный элемент (7) выполнен как стационарно неустойчивый маятник с нижним концом, связанным с базисом (6) посредством двухосного шарнира, причем опорный элемент (8, 8Ь) и объект (1) связаны относительно горизонтальной оси так, что для объекта (1) обеспечено отсутствие вращения опорного элемента (8, 8Ь) относительно вертикальной оси (фиг. 9, 12, 13, 16, 17).
5. 5. Устройство по п. 4, характеризующееся тем, что связующий элемент (8) соединен со вторым связующим элементом (8Ь) посредством третьего связующего элемента 8а и двух одноосных шарниров, при этом опорный элемент (8Ь) связан посредством одноосного шарнира с грузовой опорой (^_ъ) и связан со вторым опорным элементом (7) посредством двухосного шарнира (фиг. 13-17).
6. 6. Устройство по п.2 или 3, характеризующееся тем, что три опорных элемента (11) присоединены к связующему элементу (9) в трех точках по периферии посредством двухосных шарниров и выполнены с возможностью в состоянии покоя располагаться от центра связующего элемента (9) наклонно вверх и наружу, при этом опорные элементы подвешены посредством двухосных шарниров к базису (6) (фиг. 18, 19).
7. 7. Устройство по п.6, характеризующееся тем, что опорная точка (Р) для опирания объекта (1) расположена выше плоскости, содержащей три опорные точки (12) опорных элементов (11) на связующем элементе (9) (фиг. 19, 20, 21).
8. 8. Устройство по п.2, характеризующееся тем, что связующий элемент (8) соединен посредством двухосных шарниров, по меньшей мере, с двумя опорными элементами (3), каждый из которых своим верхним концом посредством двухосного шарнира подвешен вертикально в опорной точке (10) на базисе (6), причем на связующем элементе (8) в его середине закреплен дополнительный элемент (14) посредством одноосного шарнира с обеспечением движения качания дополнительного опорного элемента (14) в направлении опорных точек опорных элементов (3) на связующем элементе (8), при этом его нижний конец установлен посредством двухосного шарнира в базисе (6), а верхний конец посредством двухосного шарнира в точке опоры (Р) соединен с объектом (1) (фиг. 22, 23, 24).
9. 9. Устройство по п.2, характеризующееся тем, что связующий элемент (8) установлен с упором на несколько параллельно расположенных, симметричных опорных элементов (3), при этом дополнительный опорный элемент (14) на связующем элементе (8) установлен посредством двухосного шарнира (фиг. 22, 23, 24).
10. 10. Устройство по любому из пп.2-9, характеризующееся тем, что для компенсации сил ветра под удерживаемым объектом (1) между базисом (6) и объектом (1) расположен приемный стержень (18) сдерживания поперечных сил, при этом один конец стержня (18) неподвижно соединен с одним концом предварительно нагруженной пружины, другой конец которой неподвижно соединен или с базисом (6), или с удерживаемым объектом (1), а другой конец стержня (18) установлен аксиально подвижно с упором в двухосевой подвижный сферический подшипник (16), который соединен соответственно с объектом (1) или с базисом (6), благодаря чему обеспечена фиксация положения объекта (1) и базиса (6) относительно друг друга, а относительная подвижность между базисом (6) и объектом (1) имеет место лишь когда поперечная сила, действующая на стержень (18), превысит заданное значение силы предварительно нагруженной пружины (17) (фиг. 25).
11. 11. Устройство по любому из пп.2-9, характеризующееся тем, что между базисом (6) и объектом (1) расположен приемный стержень сдерживания поперечных сил, один конец которого жестко соединен с базисом (6) или с удерживаемым объектом (1) через пружинный блок (20) из упругого материала, а другой конец стержня (18) аксиально подвижно закреплен на противоположно находящемся соответственно объекте (1) или базисе (6) в двухосно поворотном подшипнике (16), благодаря чему обеспе чена упругая фиксация положения объекта (1) и базиса (6) относительно друг друга (фиг. 26).
12. 12. Устройство по любому из пп.2-9, характеризующееся тем, что для компенсации сил ветра под удерживаемым объектом (1) закреплены одно или несколько стопорных устройств (21), при этом каждое из них установлено с возможностью поворота в любом направлении и содержит размещенный по вертикальной оси центрирующий шар (23), передающий давление с заранее установленной силой от механической или гидропневматической пружины (24) вниз к центру жестко связанной с базисом (6) центрирующей воронки (25), которая образует в своем центре угол 180°, раскрывающийся от центра кнаружи, вследствие чего происходит соединение с геометрическим замыканием между объектом (1) и базисом (6), при этом стопорное устройство в состоянии передавать значение горизонтальных сил от пружины до угла раскрытия в центре воронки, при превышении предельного значения которого центрирующий шар (23) поднимается вертикально по отношению к направлению действия силы пружины через угол воронки и вращается в зоне, превращающейся в плоскую воронку, причем горизонтальная переносимая сила становится меньше, а снаружи воронки становится нулевой, так что во время относительного движения между объектом (1) и базисом (6) при колебании базиса (6) во время землетрясения с базиса на объект переносятся только незначительные или зависимые от амплитуды колебания базиса (6), близкие к нулю горизонтальные силы (фиг. 27).
13. 13. Устройство по п.12, характеризующееся тем, что для центрирования легко сдвигаемого горизонтально объекта или здания из-за свойств его положения и для создания стопорной силы вертикально направленный и расположенный в окатышном основании центрирующий шар (23) установлен с возможностью надавливания на центрирующую воронку (25) посредством механической, гидропневматической или вязкостноупругой силы пружины так, что горизонтально действующая на конструкцию здания (19) сила ветра не вызывает силы реакции в точке касания центрирующего шара (23) к центрирующей воронке (25), вертикальные составляющие компоненты Ε_ν которой могут давить обратно на центрирующий шар (23) в вертикальном направлении навстречу направлению силы пружины (фиг. 27).
14. 14. Устройство по п. 12, характеризующееся тем, что центрирующая воронка (25) вне круга, образованного касательной линией центрирующего шара (23) в контакте в самом глубоком положении с центрирующей воронкой (25), имеет угол раскрытия (γ) более 180°, так что горизонтальная составляющая Е_н нормальной силы в точке касания центрирующего шара (23) и центрирующей воронки (25) от центра цен трующей воронки (25) радиально наружу уменьшается, а при превышении горизонтальной силы сдвига максимальной горизонтальной силы ветра обеспечивает возможность поджатия центрирующего шара (23) в вертикальном направлении и перемещение точки касания между центрирующим шаром (23) и центрирующей воронкой (25) радиально наружу в центрирующей воронке (25) (фиг. 27).
15. 15. Устройство по п.12, характеризующее ся тем, что центрирующий шар (23) в вертикальном направлении имеет возможность сжатия без торможения противоположно вертикально действующей силы пружины, когда вызванная горизонтальным смещением центрирующей воронки (25) вертикальная сила Ε_ν превышает силу пружины, причем направление упругой отдачи центрующего шара (23) через гидравлическое дросселирование обеспечивает торможение с малой скоростью, так что время для полного обратного хода пружины многократно превышает максимальный период колебаний, вызванных толчком (фиг. 27).
16. 16. Устройство любому из пп.2-9, характеризующееся тем, что для компенсации ветровых нагрузок между вертикальными стенами базиса (6) и расположенными на той же высоте точками удерживаемого объекта (1) вокруг углубления в базисе (6) заглубленный объект (1) снабжен, по меньшей мере, тремя парами расположенных вокруг объекта (1) попарно зеркально к объекту (1) механических или гидропневматических пружин (34) с низким коэффициентом упругости, по одной паре для перемещения вдоль каждой оси движения соответственно, одна пара - для перемещения вдоль вертикальной оси и две пары - для перемещения вдоль горизонтальных осей, при этом со стороны стены базиса (6) установлены опорные скользящие устройства или роликовые устройства с одним или несколькими роликами на ведущей системе, выполненной с возможностью изменения длины (фиг. 28, 29, 30).
17. 17. Устройство по п. 16, характеризующееся тем, что в устройстве для обеспечения одинаковых горизонтальных расстояний до боковой стены (31) основания при незначительном подпружинивании при смещении объекта относительно базиса силой ветра, обеспечено автоматическое регулирование посредством гидравлического управляющего клапана, повышающего силу пружины до центровочного достижения полного распрямления пружины в номинальном состоянии, а при перемещении базиса во время сжатия при сейсмических колебаниях вследствие низкого коэффициента упругости пружины обеспечено незначительное повышение силы реакции опоры по отношению к действующей силе ветра для обеспечения действия на массу объекта только незначительной результирующей силы (фиг. 28, 29, 30).
18. 18. Устройство по любому из пп.16 или 17, характеризующееся тем, что базис (6) и объект, поддерживаемый несущей системой, выполнены с возможностью использования их относительного движения, имеющего место при колебаниях базиса, для приведения в действие одного или нескольких насосов (45) для производства дополнительной энергии, при этом насосы расположены отдельно или в комбинации с элементами центрирования и элементами компенсации ветровой нагрузки и выполнены с возможностью реагировать на относительное движение (фиг. 28, 30).
19. 19. Устройство по любому из пп.2-9, характеризующееся тем, что часть здания (30), отделенная от основной конструкции (19), поддерживаемая независимой несущей системой и не подвергаемая ветровой нагрузке, выполнена с возможностью использования ее в качестве ориентира положения для системы управления положением основной части здания, подвергаемой ветровой нагрузке (фиг. 31).
20. 20. Устройство по любому из пп.2-9, характеризующееся тем, что каждая опора нагрузки между опорной точкой (Р) несущей системы и поддерживаемым объектом (19) выполнена в виде амортизирующей вертикальной стойки, обладающей податливостью пружины с очень низким коэффициентом упругости и подобранным коэффициентом демпфирования, причем эти амортизирующие стойки могут быть механическими, гидропневматическими или жидкостно-упругими (фиг. 31).
21. 21. Устройство по любому из пп.4, 6, 10 или 20, характеризующееся тем, что элементы компенсации ветровой нагрузки (71) и вертикальная амортизирующая стойка (70) выполнены объединенными в один узел с несущей системой (48) (фиг. 33, 56).
22. 22. Устройство по п.4, характеризующееся тем, что связующий элемент (8) несущей системы, выполненной на стойках, удерживается двумя опорными элементами (3), являющимися устойчивыми подвешенными маятниками, и опорным элементом (7), являющимся неустой чивым опрокинутым маятником, причем для обеспечения минимальной степени наклона несущей системы объекта опорные элементы (3, 7) наклонены от центра для компенсации наклона конца мачты при колебаниях (фиг. 35, 35а, 35Ь).
23. 23. Устройство по п.4 или 6, характеризующееся тем, что связующий элемент (8, 9) имеет свои опорные точки (Р) на нижней стороне и выполнен с возможностью удерживания подвесных объектов, а опорные элементы (3, 11) выполнены из канатов (фиг. 37, 40, 42).
24. 24. Устройство по п.8 или 9, характеризующееся тем, что опорные элементы (3) выполнены из канатов (фиг. 38, 39).
25. 25. Устройство по п.4 или 23, характеризующееся тем, что опорный элемент (3) подвешен на потолке здания, который соединен с базисом посредством здания, а опорный элемент (7) установлен с упором своим нижним концом на узловую точку, образованную соединением свешивающихся с потолка трех или четырех подвесных элементов, наклоненных друг к другу и выполненных в виде стержней, канатов или цепей (4) (фиг. 42).
26. 26. Устройство по любому из пп.4, 5, 7 или 23, характеризующееся тем, что в нем использована в качестве гасителя колебаний инертная масса, поддержанная, по меньшей мере, тремя несущими системами (фиг. 43, 44, 45, 46, 47, 48).
27. 27. Устройство по любому из пп.4-9 или 23, характеризующееся тем, что опорные элементы, являющиеся устойчивыми подвешенными маятниками, выполнены из канатов или цепей (фиг. 36Ь, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 45, 46, 47, 48).
28. 28. Устройство по любому из пп.2-9, характеризующееся тем, что внешние края нижней наружной поверхности (101) базиса для сейсмозащитных модулей выполнены приподнятыми с увеличением кривизны кнаружи для задействования несущей системы (фиг. 49, 56).
29. 29. Устройство по п.4, характеризующееся тем, что связующий элемент (8) представляет собой опору для объекта (1) (фиг. 69).