Опора противопаводковой конструкции здания.
Предлагаемая полезная модель относится к области строительства, а именно к основным элементам здания, которые обеспечивают его сохранность при воздействии подтоплений и наводнений с широким диапазоном изменения их уровня. Предлагаемую опору наиболее целесообразно использовать при строительстве индивидуальных домов, основные несущие конструкции которых выполнены преимущественно из облегченных материалов — дерева, пенобетона, панелей типа «сэндвич» и др.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение устойчивости поднимаемой над грунтом опоры и установленного на ней здания.
Поставленная задача достигается тем, что в опоре противопаводковой конструкции здания, содержащей заполняемую водой емкость с камерой внутри с зазорами между их боковыми поверхностями и установленной с возможностью вертикального перемещения в емкости на расстояние от дна, соответствующее колебанию возможного подтопления, при этом камера соединена с опорным элементом здания, снабженной источником сжатого газа, которым является баллон со сжатым воздухом, камера выполнена газонаполняемой с возможностью изменять свой «погружной» объем в жидкости, в виде стакана, обращенного кромками ко дну емкости, а его полость соединена посредством первого вентиля с источником сжатого воздуха, посредством второго вентиля соединена с атмосферой, емкость выполнена в грунте и сообщена каналом с атмосферой, она снабжена узлом обеспечения устойчивости здания, выполненным в виде пары (пар) стержень-направляющая, одни концы которых жестко соединены с опорной конструкцией здания и грунтом, соответственно, а другие их концы сопряжены друг с другом с условием его обеспечения при перемещении опорной конструкции здания на расстояние подтопления.
Сопряжение пары стержень-направляющая опоры противопаводковой конструкции здания может быть выполнено путем установки в стержне роликов а в направляющей пазов так, что ролики находятся в пазах с возможностью качения в них.
На рисунках 1-4 схематично представлена интерпретация реализации предлагаемого технического решения.
На фиг.1 представлена опора в разрезе по оси; на фиг.2 — вид опоры при подтоплении местности; на фиг.3 — вид опоры в состоянии ее срабатывания; на фиг.4 — вид опоры при использовании объема ее емкости в непаводковый период в качестве помещения для хранения овощей.
Использование предлагаемой опоры здания позволяет, в случае наводнений в местности расположения здания, «поднять» здание выше уровня подтопления. удерживать его в «приподнятом» состоянии в течение всего периода подтопления, опустить и установить его на грунт после окончания периода подтопления. При этом исключается негативное воздействие воды подтопления на само здание, вещи находящиеся в нем, а также людей, и, в частности, исключается разрушение здания, порча вещей, сохраняется здоровье и, зачастую — жизнь людей.
Опора надежно работает в условиях существенного смещения центра тяжести поднимаемого над грунтом здания относительно крепления стержня подъемного устройства, исключая возможность опрокидывания здания при срабатывании опоры.
Указанные преимущества имеют и стоимостный эквивалент, а использование предлагаемой опоры позволяет получить социальный и реальный экономический эффект.
Предлагаемая полезная модель относится к области строительства, а именно к основным элементам здания, которые обеспечивают его сохранность при воздействии подтоплений и наводнений с широким диапазоном изменения их уровня. Предлагаемую опору наиболее целесообразно использовать при строительстве индивидуальных домов, основные несущие конструкции которых выполнены преимущественно из облегченных материалов — дерева, пенобетона, панелей типа «сэндвич» и др.
Известны конструкции зданий, предусматривающие использование фундаментов в виде понтонов. Принимая во внимание высокую стоимость подобных фундаментов, использование таких конструкций, с учетом экономической целесообразности, возможно в специальных условиях — на воде. Другим недостатком таких конструкций является их непривлекательность с точки зрения архитектуры в традиционных населенных пунктах, расположенных на суше.
Известно техническое решение по патенту на изобретение РФ №2074303, кл. Е04Н 9/02, 1994 г.[1], в нем сейсмостойкая конструкция здания обеспечивает его сохранность и при наводнениях. Она содержит опору со стойкой, закрепленной на фундаменте с чашей в своей верхней части, и стаканом, обращенным дном к дну чаши, заполненной жидкостью между ними с расстоянием между стенками чаши и стаканом соответствующим максимальной амплитуде колебаний при землетрясении, причем стакан соединен арматурой с нижней плитой блока здания, которая размещена с зазором относительно грунта с размером не менее максимальной величины вертикальной амплитуды колебания и возможного подтопления.
Недостатком известной опоры является то, что она имеет: а) — большой объем внутри чаши, а также, б) — большой размер между опорной нижней плитой блока здания и грунтом, который определяется максимальной величиной амплитуды колебания и максимальным зарегистрированным в данной местности уровнем подтопления — иногда в несколько метров. Большой размер искажает внешний вид здания и создает затруднения в архитектурной проработке. Это особо значимо при малоэтажном индивидуальном строительстве.
Не освобождена от указанного недостатка и опора по патенту на изобретение РФ №2143031, «Опора сейсмостойкой конструкции здания», кл. Е02Д 27/34, Е04Н 9/02, 1999[2], обеспечивающий сейсмостойкость здания и его сохранность при наводнениях, но имеющей более сложную конструкцию.
Наиболее близким предполагаемой опоре противопаводковой конструкции здания является техническое решение (патент на полезную модель РФ №53313 «Опора противопаводковой конструкции здания». МПК Е002Д 27/32 (2006.1). Заявка №2005116478/22 от 30.05.2005 г. Опубл. 10.05.2006 г. Бюл. №13, [3.
Опора противопаводковой конструкции здания, принятая за прототип, содержит заполняемую водой емкость с камерой внутри с зазорами между их боковыми поверхностями и установленной с возможностью вертикального перемещения емкости на расстояние, соответствующее колебанию уровня возможного подтопления, при этом камера соединена с опорной конструкцией здания, она снабжена источником сжатого воздуха, которым является баллон со сжатым воздухом, камера выполнена газонаполняемой с возможностью изменять свой «погружной» объем в жидкости в виде стакана, обращенного кромками ко дну емкости, а его полость соединена первым вентилем с источником сжатого воздуха, а вторым вентилем соединена с атмосферой, емкость выполнена в грунте и сообщена каналом с атмосферой.
Недостатком опоры, принятой за прототип, является то, что устойчивость поднимаемой над земным грунтом опоры и установленного на ней здания или сооружения, не всегда высоки, и при определенных условиях поднятое над земной поверхностью здание или сооружение может потерять устойчивость.
Задачей предполагаемой полезной модели является повышение устойчивости поднимаемых над земной поверхностью, установленых на противопаводковой, опоре здания или сооружения.
Достигается поставленная задача тем, что опора противопаводковой конструкции здания, принятая за прототип, содержащая заполняемую водой емкость с камерой внутри с зазорами между их боковыми поверхностями и установленной с возможностью вертикального перемещения емкости на расстояние, соответствующее колебанию уровню возможного.
подтопления, при этом камера соединена с опорной конструкцией здания, она снабжена источником сжатого воздуха, которым является баллон со сжатым воздухом, камера выполнена газонаполняемой с возможностью изменять свой «погружной» объем в жидкости в виде стакана, обращенного кромками ко дну емкости, а его полость соединена первым вентилем с источником сжатого воздуха, а вторым вентилем — соединена с атмосферой, емкость выполнена в грунте и сообщена каналом с атмосферой, дополнительно снабжена узлом обеспечения устойчивости здания, выполненным в виде пары (пар) стержень — направляющая, одни концы которых жестко соединены с опорной конструкцией здания, и грунтом, соответственно, а другие их концы — сопряжены между собой с условием его обеспечения при перемещении опорной конструкции здания на расстояние подтопления.
При срабатывании заявляемой опоры в поднятой конструкции здания, при существенно смещенном центре его тяжести, возможно опрокидывание здания за счет действующего при этом момента. Установленные жестко в грунте направляющие, например, трубы, сопряжены со стержнями, другие концы которых жестко соединены с опорной конструкцией здания. Сопряжены стержень (стержни) с направляющей (направляющими) на всем расстоянии перемещения (подъема) конструкции здания. В случаях смещенного центра тяжести здания, при срабатывании заявляемой опоры, сопряженные пары — стержень — направляющая воспринимают на себя, направленное на формирование опрокидывающего момента здания и предотвращают его опрокидывание. Этим обеспечивается устойчивое положение конструкции здания в поднятом его положении.
Эффективность работы опоры может быть повышена путем использования в сопрягающихся парах роликов, установленных в стержнях, контактирующих с пазами (канавками) в направляющей трубе.
На рисунках 1-4 схематично представлена графическая интерпретация реализации предлагаемого технического решения.
На фиг.1 представлена опора в разрезе по оси; на фиг.2 — вид опоры при подтоплении местности; на фиг.3 — вид опоры в состоянии ее срабатывания; на фиг.4 — вид опоры при использовании объема ее емкости в непаводковый период в качестве помещения для хранения овощей.
На фиг.1-4 введены следующие обозначения: 1 — здание; 2 опорная.
конструкция здания; 3 — грунт; 4 — уровень подтопления; 5 — емкость; 6 — канал; 7 -стакан; 8 — полость стакана; 9 — клапан; 10 — стержень подъемного устройства; 11 — направляющая втулка; 12 — упор; 13 — источник сжатого воздуха; 14 — гибкий шланг; 15 — вентиль первый; 16 — вентиль второй; 17 — лаз; 18 — лестница; 19 — лари для овощей; 20 — направляющая; 21 — стержень.
Защищаемое от воздействия паводковых вод здание 1, установлено на опорной конструкции 2, которая устанавливается на поверхности грунта 3. Здание установлено в местности, подверженной подтоплению, например, паводковыми водами с уровнем подтопления 4. Опора включает емкость 5, которая посредством канала 6 сообщена с дневной поверхностью, причем верхний конец канала находится непосредственно у поверхности грунта. В емкости 5 установлен стакан 7 так, что его полость 8 кромками направлена в сторону дна емкости. На верхней поверхности стакана 7 установлен клапан 9, предназначенный для выпуска воздуха из полости стакана по мере ее заполнения жидкостью и герметизации ее при полном заполнении полости стакана жидкостью. Стержень подъемного устройства 10 нижним концом соединен со стаканом 7, а верхним концом — с опорной конструкцией здания 2, и предназначен для передачи усилия, действующего на стакан, при закачивании в полость стакана воздуха, и определяемого согласно закона Архимеда. Стержень подъемного устройства 10 при движении сопрягается с направляющей втулкой 11, установленной в грунте. Стержень снабжен упором 12, ограничивающим его ход при движении вниз. Опора снабжена источником сжатого газа, например баллоном со сжатым воздухом 13. В качестве источника сжатого воздуха может быть использован автомобильный компрессор или насос для накачивания автомобильных камер. Источник сжатого воздуха 13 соединен с полостью стакана 8 гибким шлангом 14 с установленным в нем вентилем первым 15, предназначенным для обеспечения подачи воздуха из баллона 13 в полость стакана 8. К воздушной линии между вентилем первым 15 и полостью стакана 8 подключен вентиль второй 16, предназначенный для выпуска воздуха в атмосферу из полости стакана по прошествии паводка и возвращении опоры в исходное состояние.
Для обеспечения устойчивости здания в поднятом его положении в грунте пробурены скважины, которые обсажены трубами являющимися направляющими 20. В них установлены стержни 21, которые в верхней.
своей части жестко прикреплены к опорной конструкции здания 2.
При использовании в качестве емкости подполья для хранения овощей в потолочной части емкости выполнен лаз 17, а объем емкости в непаводковый период оборудован лестницей 18 и ларями для хранения овощей 19.
Работает опора противопаводковой конструкции здания следующим образом [3]. Здание 1 установлено на опорной конструкции 2, которая в свою очередь установлена на грунте. При возникновении наводнения вода с уровнем 4 заполняет земную поверхность вокруг здания. По каналу 6 паводковая вода с поверхности земли поступает в емкость 5 и заполняет ее. Одновременно вода поступает в полость стакана 8, заполняя ее. Для обеспечения полного заполнения полости стакана 8, стакан снабжен клапаном 9, выполненным в виде плавающего в воде шарика со штоком одностороннего перемещения. Шарик клапана находится в своем нижнем положении, в котором он устанавливается принудительно. Через канал клапана воздух, сжимаемый жидкостью, поступающей в полость стакана, свободно истекает из полости стакана. Уровень воды в полости стакана повышается. При достижении уровнем шарика клапана 9, последний перемещается водой вверх и перекрывает канал клапана. Одновременно он фиксируется в этом положении посредством штока одностороннего действия, соединенного с ним. Таким образом, вода заполняет емкость 5 и полость стакана 8. Далее при закрытом втором вентиле 16 открывают первый вентиль 15. Воздух из баллона 13 по шлангу 14 начинает поступать в полость стакана 8, вытесняя из него воду. При этом уровень воды в полости стакана перемещается вниз, а объем воздуха в верхней части полости стакана увеличивается. Согласно закона Архимеда на потолок стакана действует сила Fa, значение которой можно определить исходя, из следующего выражения [4.
p — плотность жидкости, кг/м 3.
q — ускорение силы тяжести, м/с 2.
w — объем воздуха в полости стакана (объем вытесненной из полости воды), м 3.
По мере заполнения полости 8 воздухом увеличивается его объем w, и соответственно, сила Fa. При увеличении Fa до условия, при котором соблюдается условие: Fa G (где G — вес здания, включая вес элементов.
опоры, а также действующих сил сопротивления перемещению здания), стакан начинает двигаться вверх. Вверх начинают перемещаться и жестко соединенные со стаканом стержень 10, опорный элемент здания 2, и установленное на нем здание 1. Стакан перемещается вверх до упора в потолочную поверхность емкости 5 (фиг.4). Расстояние перемещения стакана выбирается равным максимальному, из наблюдавшихся ранее, значению наводнений в данной местности. Объем полости стакана w выбирается из следующего условия [4.
G — вес здания, включая вес элементов опоры, а также действующих сил сопротивления перемещению здания, кг.
p — плотность жидкости, кг/м 3.
q — ускорение силы тяжести, м/с 2.
В верхнем положении стакана здание находится над уровнем воды, образовавшемся в результате наводнения или паводка. В таком положении подвижная система опоры фиксируется механически (на схеме не показано), и удерживается в течение всего периода наводнения или паводка. При этом элементы строительных конструкций здания не контактируют с водой и этим предотвращается их разрушение механическими и гидравлическими воздействиями потока, а также физико-химическим воздействием воды. Вне опасности находятся и люди в здании.
В случаях, когда центр тяжести здания существенно смещен относительно стержня подъемного устройства — 10, что в поднятом положении здания может привести к потере его устойчивости и опрокидыванию, роль стабилизатора устойчивости выполняют сопряженные пары — стержень 21 — направляющая 20. Образующийся при этом момент воспринимается указанными парами сопряжения и это препятствует возможному опрокидыванию здания.
Ниже приведены данные об опоре противопаводковой конструкции индивидуального жилого дома.
Индивидуальный жилой дом из бруса размером 6 м 8 м имеет вес около 20 т, площадь под домом при этом составляет 48 м 2. Объем воздуха в стакане в рабочем положении в соответствии с формулой (1) должен быть не менее 20 м 3. И при площади сечения стакана равной 16 м 2 (например, 4 4 м) высота стакана должна составлять не менее 1,25 м (она принята равной.
Избыточное давление в стакане для наполнения его воздухом и вытеснения из него воды определяется глубиной емкости 5 в соответствии с выражением, [3.
где: p — плотность жидкости, кг/м 3.
q — ускорение силы тяжести, м/с 2.
h — глубина, на которой находятся края стакана, м.
При глубине емкости 5 равной 2 метрам, избыточное давление должно составлять 0,02 МПа, [3, стр.88-89; 293-294.
Для срабатывания опоры использован баллон емкостью 0,6 м 3 со сжатым воздухом с начальным давлением 0,8 МПа.
По окончании паводкового периода или наводнения здание опускается на грунт. Для этого механическая система фиксации опоры разблокируется, перекрывается вентиль первый 15, и частично открывается вентиль второй 16. При этом воздух из полости стакана 8 по шлангу 14 через вентиль второй 16 истекает в атмосферу. Объем воздуха w в полости 8 уменьшается и с учетом выражения (1) уменьшается усилие Fa. При достижении условия G Fa, здание с подвижной системой опоры начинает перемещаться вниз до установки на грунт, а стакана 8, при этом, — на дно емкости.
При больших весовых характеристиках здания для его защиты от паводков могут быть использованы одновременно несколько идентичных предлагаемой опор. При этом должны быть рассчитаны характеристики опор для конкретных точек их установки.
Источники информации, принятые во внимание.
1. Патент на изобретение РФ №2074303, кл. Е04Н 9/02 1994 г.
2. Патент на изобретение РФ №2143031 «Опора сейсмостойкой конструкции здания», кл. Е02Д 27/34, Е04Н 9/02, 1999 г.
3. Патент на полезную модель РФ «Опора противопаводковой конструкции здания» №53313. МПК Е02Д 27/32(2006.1). Заявка №2005116478/22 от 30.05.2005 г. Опубл. 10.05.2006 г. Бюл. №13 (прототип.
4. Бердников Г. и др. Физика: сборник задач.-9е изд.-М. Рольф: Айрис-пресс.
1999 г. стр.57-62; 270-274.
1. Опора противопаводковой конструкции здания, содержащая заполняемую водой емкость с камерой внутри с зазорами между их боковыми поверхностями и установленной с возможностью вертикального перемещения в емкости на расстояние, соответствующее колебанию уровня возможного подтопления, при этом камера соединена с опорной конструкцией здания, она снабжена источником сжатого воздуха, которым является баллон со сжатым воздухом, камера выполнена газонаполняемой с возможностью изменять свой «погружной» объем в жидкости, в виде стакана, обращенного кромками ко дну емкости, а его полость соединена первым вентилем с источником сжатого воздуха, а вторым вентилем соединена с атмосферой, емкость выполнена в грунте и сообщена каналом с атмосферой, отличающаяся тем, что она снабжена узлом обеспечения устойчивости здания, выполненным в виде пары (пар) стержень-направляющая, одни концы которых жестко соединены опорной конструкцией здания и грунтом, соответственно, а другие их концы сопряжены друг с другом с условием его обеспечения при перемещении опорной конструкции здания на расстояние подтопления.
2. Опора противопаводковой конструкции здания по п.1, отличающаяся тем, что сопряжение пары стержень-направляющая выполнено путем установки в стержне роликов, а в направляющей пазов так, что ролики находятся в пазах с возможностью качения в них.