Арматурный каркас

 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при изготовлении несущих строительных элементов. Технический результат заключается в экономии расхода металла при создании надежного арматурного каркаса. Сущность изобретения: арматурный каркас преимущественно для ячеистобетонного изгибаемого изделия, например плиты, имеет вид стержневой фермы с решеткой, выполненной или из отдельных стержней, или из единого гнутого стержня зигзагообразной формы. При этом оптимальное значение диаметра стержней решетки соответствует выражению а вычисленное значение округляют в сторону увеличения до ближайшего целого числа. Величина острого угла между раскосом решетки и поясом фермы соответствует выражению также с округлением в сторону увеличения до целого числа градусов, где d - диаметр стержней поперечной арматуры каркаса (решетки фермы), мм; q - расчетная погонная изгибающая нагрузка, воспринимаемая одним каркасом, кгс/см; L - расчетный пролет каркаса, см; R_р - расчетное сопротивление стержня поперечной арматуры каркаса (элемента решетки фермы), кгс/см²; α _ острый угол между раскосом и поясом фермы, градус. 4 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при изготовлении несущих, преимущественно ячеистобетонных, строительных элементов, работающих на изгиб.

Известны арматурные каркасы бетонных элементов, выполненные в виде ферм, содержащих пояса и раскосы [1].

Наиболее близким аналогом (прототипом) является изобретение "Устройство ферм строительных элементов" [2], которое предусматривает использование в качестве арматурных каркасов стержневых ферм из прутков или проволоки.

Недостатком и аналога, и прототипа является неустраненная опасность либо перерасхода металла, либо недоармирования строительного элемента, которое может привести к его разрушению. Это, в частности, относится к ячеистобетонным изделиям, особенно к армированным крупноразмерным элементам теплоизоляции, работающим на динамические монтажные нагрузки.

По мере уменьшения плотности бетона до 400-500 кг/м³ и ниже, резко ухудшается его сцепление с арматурой и в зоне контакта этих двух несущих элементов практически невозможно точно установить: какая часть усилий передается на бетон, а какая - на арматуру.

В соответствии с требованиями СНиП 2.03.01-84 п.2.28, расчетное сопротивление поперечной арматуры R_sw ячеистобетонных изделий должно умножаться на коэффициент условий работы арматуры γ_s8, величина которого для ячеистого бетона класса В 7,5 и определяется по формуле γ_s8 =25•B/R_sw, (1) где В - класс ячеистого бетона по прочности на сжатие, МПа; R_sw - расчетное сопротивление поперечной арматуры, МПа. В рассматриваемом случае В= 0,5 и R_sw=260, значит γ_s8 = 0,048. Следовательно, в сильно поризованном материале (в ячеистом бетоне) арматура используется менее, чем на 5%; это следствие неопределенности соотношения усилий в арматуре и в бетоне. Чаще всего такое положение приводит к перерасходу стали, но возможны случаи, когда указанная неопределенность служит причиной разрушения элемента.

Задачей данного изобретения является уменьшение расхода металла и повышение надежности арматурного каркаса.

Сущность изобретения в том, что для арматурного каркаса, имеющего вид стержневой фермы, заданы математические выражения, позволяющие находить оптимальные значения диаметров d стержней поперечной арматуры каркаса (т.е. диаметры элементов решетки стержневой фермы), а также определять наиболее целесообразные острые углы α между раскосом и поясом фермы, в зависимости от погонной нагрузки на каркас q, пролета фермы L и расчетного сопротивления поперечной арматуры (решетки фермы) R_p (вычисленные по формулам (2) и (3) значение d и α округляют до ближайших целых чисел):
где d - диаметр стержней поперечной арматуры каркаса (решетки фермы), мм;
q - расчетная погонная изгибающая нагрузка, воспринимаемая одним каркасом, кгс/см;
L - расчетный пролет каркаса, см;
R_p - расчетное сопротивление стержня поперечной арматуры каркаса (элемента решетки фермы), кгс/см²;
α - острый угол между раскосом и поясом фермы, градус. При этом, поперечная арматура каркаса (решетка фермы) может быть выполнена или из отдельных стержней, или в виде единого непрерывного зигзагообразного стержня, с расположением элементов решетки, примыкающих к одному и тому же узлу фермы, либо по одну, либо по разные стороны пояса фермы; на концах арматурного каркаса могут находиться петли, расположенные в пределах высоты фермы и соединенные с ее поясами, одна ветвь петли составляет с поясом острый угол 30-70^o и работает как дополнительный раскос, частично разгружающий решетку; к рассматриваемому каркасу могут присоединяться один или несколько параллельно расположенных подобных каркасов, образуя пространственный арматурный блок, внутрь которого с натягом заведены другие, объединяющие поперечные каркасы, имеющие высоту 0,80 - 0,99 высоты основных продольных каркасов.

Технический результат: если величины d и α назначены по формулам (2) и (3), то гарантируется требуемая несущая способность каркаса, т.е. обеспечивается его надежность; при минимальных значениях d и α, отвечающих требованиям формул, достигается наибольшая экономия металла; волевое увеличение d и использование выражения (3), позволяет получить заданный запас несущей способности каркаса при минимальном дополнительном расходе металла. Назначение оптимального угла наклона раскоса способствует более полному использованию материала в этом элементе решетки, а значит, неизбежно увеличивает нагрузку на узел соединения раскоса с поясом фермы; здесь особую ценность приобретает решетка фермы, выполненная в виде единого гнутого зигзагообразного стержня, поскольку, кроме своего основного, технологического, преимущества, она проявляет и позитивную конструктивную роль: стержни решетки, примыкающие к одному узлу фермы, будучи соединенными между собой, взаимно поддерживают друг друга, тем более что, если один из этих двух стержней работает на растяжение, то второй обязательно работает на сжатие; такая ситуация способствует повышению надежности узла сопряжения элементов решетки, а значит и экономии арматуры. На этот же результат работают и петли, устанавливаемые на концах каркаса, выполняя при этом тройную функцию: а) одна ветвь петли работает как дополнительный опорный раскос, разгружая стержни решетки; б) петли позволяют реализовать вместо обычного шарнирного - жесткое опирание армированного элемента и тем самым частично разгрузить пояса фермы; в) наклонный стержень петли является весьма надежным анкером растянутой продольной арматуры каркаса; в этом отношении особенно эффективна петля, выполненная из удлиненного пояса фермы; создание, на основе предложенного каркаса, пространственного арматурного блока позволило расширить область применения разработанных приемов не только на продольные, максимально нагруженные плоские каркасы блока, но и на менее нагруженные поперечные каркасы; все это способствует повышению надежности арматуры и экономии арматурной стали, т.е. имеет общее назначение.

Изобретение поясняется графическим материалом. На фиг.1 показан плоский арматурный каркас в виде стержневой фермы, содержащей пояса, раскосы и стойки; все детали каркаса выполнены из отдельных металлических стержней круглого сечения. На фиг.2 приведен каркас, у которого стержни поперечной арматуры (элементы решетки), примыкающие к одному и тому же узлу фермы, расположены по разные стороны продольного стержня каркаса (пояса фермы); кроме того, на концах каркаса образованы петли, расположенные в пределах высоты каркаса и прикрепленные к его продольным стержням (т.е. к поясам фермы). На фиг.3 изображен каркас, поперечная арматура которого выполнена в виде единого гнутого стержня зигзагообразной формы. На фиг.4 представлен рассматриваемый вертикально установленный каркас, к которому прикреплены еще несколько подобных каркасов, расположенных параллельно первому, причем все каркасы перпендикулярны общей плоскости, в которой лежат крайние стойки каркасов, а в другой плоскости, перпендикулярной первой, лежат верхние пояса всех каркасов и соединены между собой рассматриваемые каркасы с помощью других, поперечных вертикальных каркасов меньшей высоты, заводимых внутрь продольных каркасов; в случае необходимости, продольные и поперечные каркасы, не удерживаемые только силами трения, соединяют вязальной проволокой.

Обозначения на чертежах: 1 - продольный стержень каркаса (пояс фермы), 2 - раскос, 3 - стойка, 4 - точка сварки, 5 - единый гнутый стержень поперечной арматуры, 6 - петля на конце каркаса, 7 - продольный каркас в сборе, 8 - поперечный каркас, d - диаметр стержня поперечной арматуры каркаса (диаметр элемента решетки фермы), L - расчетный пролет каркаса, α - острый угол между раскосом и поясом фермы.

Примеры. В нижеследующих примерах рассмотрены каркасы с разными параметрами: длина L=300-600 см; расчетная погонная нагрузка q=0,5-1,0 кгс/см; расчетное сопротивление поперечной арматуры (элементов решетки фермы) R_p= 3000-3750 кгс/см².

Ячеистобетонный элемент, армированный рассматриваемыми каркасами, является типичным железобетонным изделием с симметричным армированием, у которого продольная арматура (пояса фермы) работают на восприятие изгибающего момента и, практически, не участвуют в работе на поперечную силу, где все нагрузки должна воспринимать решетка фермы (поперечная арматура) - она и рассматривается ниже.

Для четырех приведенных примеров вычислены, по формулам (2) и (3), значения d и α, округленные до ближайших целых чисел (в сторону увеличения, чтобы соответствовать знаку неравенства в указанных формулах). Затем выполнена проверка эффективности полученных значений: с использованием приемов строительной механики определены опорные реакции каркасов и классическим методом сечений вычислены усилия в наиболее нагруженных опорных раскосах N_рф; параллельно определена расчетная несущая способность N_рр стержней принятых диаметров (d) и принятой прочностной характеристики (R_p). Сопоставление полученных результатов показало, что при выполнении требований формул (2), (3), во всех случаях N_рф<N, т.е. обеспечивается требуемая несущая способность каркаса.

В таблице, кроме указанных параметров, имеются удельные расходы металла на поперечную арматуру каркасов V см³/м, а также коэффициенты резерва несущей способности W%, показывющие, на сколько повышается надежность каркаса, если его параметры (d и α) назначаются по соотношениям (2) и (3). Данные таблиц свидетельствуют, что если волевым порядком увеличить угол наклона раскоса (α), то увеличится и резерв несущей способности W, и удельный расход металла V, а если уменьшить α, то получится дефицит несущей способности. Для демонстрации этого, введены два императивных коэффициента: ₁ и К₂. Первый из них увеличивает на 10% расчетное значение угла α, а второй - на такую же величину его уменьшает.

Из приведенных примеров (см. таблицу) следует, что предложенное техническое решение не только обеспечивает надежную работу арматуры, но и минимизирует расход металла
Если по конструктивным, технологическим или иным соображениям потребуется уменьшить величину угла α, при сохранении несущей способности и надежности каркаса, а также при минимальном расходе металла, то волевым порядком увеличивают на 1 мм диаметр стержня d, вычисленный по формуле (2), и подставляют его в выражение (3), определяя таким путем новое значение угла α. Эту операцию можно повторять много раз.

Источники информации
1. Патент РФ 2131005.

2. Патент РФ 2145373.

Формула изобретения

1. Арматурный каркас преимущественно для ячеистобетонного изгибаемого изделия, например плиты, имеющий вид стержневой фермы с решеткой, выполненной или из отдельных стержней, или из единого гнутого стержня зигзагообразной формы, отличающийся тем, что оптимальное значение диаметра стержней решетки соответствует выражению

а вычисленное значение округляют в сторону увеличения до ближайшего целого числа, при этом величина острого угла между раскосом решетки и поясом фермы соответствует выражению

также с округлением в сторону увеличения до целого числа градусов, где d - диаметр стержней поперечной арматуры каркаса (решетки фермы), мм;
q - расчетная погонная изгибающая нагрузка, воспринимаемая одним каркасом, кгс/см;
L - расчетный пролет каркаса, см;
R_р - расчетное сопротивление стержня поперечной арматуры каркаса (элемента решетки фермы), кгс/см²;
α - острый угол между раскосом и поясом фермы, градус.

2. Арматурный каркас по п. 1, отличающийся тем, что на его концах имеются петли, соединенные с поясами, расположенные в пределах высоты каркаса.

3. Арматурный каркас по п. 2, отличающийся тем, что одна из ветвей петли составляет с поясом фермы угол 30-70^o и выполняет функцию дополнительного опорного раскоса.

4. Арматурный каркас по п. 2, отличающийся тем, что петли выполнены из удлиненного пояса фермы и переходят в опорные раскосы.

5. Арматурный каркас по п. 1, отличающийся тем, что к нему присоединены один или несколько подобных параллельно расположенных каркасов, а соединение их осуществлено при помощи других поперечных каркасов меньшей высоты, заводимых с натягом внутрь первых, причем отношение высоты соединяющих поперечных каркасов к высоте соединяемых продольных составляет 0,8 - 0,99.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5