Способ недопущения зарождения прогрессирующей лавины обвала покрытия, содержащего ребристые железобетонные плиты
Владельцы патента RU 2449092:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет архитектуры и строительства" (RU)
Изобретение относится к области строительства, в частности к способу недопущения зарождения прогрессирующей лавины обвала покрытия, содержащего ребристые железобетонные плиты. Технический результат заключается в недопущении зарождения прогрессирующего, нарастающего лавиной обвала и повышении надежности системы покрытия. Способ заключается в том, что плиты покрытия выполняют двух- или трехпролетными. Продольные ребра плит выполняют трубчатыми из овальных профилей с относительной высотой сечения h/b=3. Плиты укладывают на стальные ригели в шахматном порядке, смещая их в продольном направлении относительно друг друга на 1/2 или 1/3 длины. Овальные продольные ребра смежных плит неподвижно соединяют друг с другом проходящими сквозь них легированными болтами. Гайки гарантированно затягивают гайковертом, этим предварительно напрягают ребра. Тем самым объединяют плиты покрытия в единое целое, образуют жесткий диск покрытия. Опорные участки ребер плит неподвижно в единое целое соединяют аналогичными болтами с ригелем покрытия. 7 ил., 1 табл.
Предлагаемое изобретение относится к строительным конструкциям промышленных и гражданских зданий.
В настоящее время часто применяют покрытия, состоящие из ребристых железобетонных плит, опирающихся на ригели (стальные или железобетонные) [1,
с.37]. Действующие нормативные документы [2] предусматривают сварные соединения стальных закладных деталей ребер плит с ригелями. В практике проектирования и расчета принято считать такое покрытие жестким диском при заполнении щелей между ребер плит прочным, хорошо уплотненным мелкозернистым бетоном.
К сожалению, в возведенных в 60…70-е годы прошлого века сооружениях обычно в швах между плитами находится строительный мусор, а закладные детали плит покрытия часто плохо соединены с ригелями покрытия, а то и вовсе такие соединения отсутствуют.
К тому же присоединение плит к ригелям посредством сварных швов, соединяющих закладные детали, нетехнологично, а швы находятся в зоне, не доступной для контроля после монтажа конструкций! Поэтому дефекты соединений трудно обнаружить при обследовании конструкций. По данным Беляева Б.И. и Корниенко B.C. [3, с.198] чаще всего происходит обвал системы покрытия - 44% случаев обрушений.
Ярким примером технических нарушений, нарушающих целостность системы покрытия, является прогрессирующее обрушение конструкций покрытия цеха литейно-арматурного завода в г.Пензе [4], произошедшее лавиной.
Например, при демонтаже участка покрытия, грозящего обрушиться, обнаружилось, что некоторые из плит вовсе не соединены с ригелем!
Спусковым крючком, запускающим лавину обвала системы покрытия сооружения, чаще всего является падение одной из аварийных плит покрытия. Ввиду некачественного прикрепления плиты к ригелю одна из сторон плиты срывается с ригеля, удерживаясь вторым концом на параллельном ригеле. Разгоняясь по радиусу как маятник, она с силой ударяет по нижней части ригеля, что приводит к срыву с этого ригеля уже нескольких плит покрытия.
Зарождается лавина обрушения. Один из решетчатых ригелей не выдерживает. Происходит потеря устойчивости одного из сжатых стержней, что превращает ригель в механизм, и он обрушается. В Пензе [4, с.27] в прогрессирующее обрушение лавиной вовлеклось два пролета (24+18=42 м). Длина обвала составила 96 м (до температурного шва), площадь обвала - 96×42=4032 м2. Об этом же свидетельствуют книги об авариях зданий и сооружений [3]. Таким образом, существующая система покрытий имеет массу недостатков и актуальность ее усовершенствования высокая!
За аналог примем техническое решение, разработанное Неждановым К.К. [4]. При разработке новой системы покрытия учтем новейшие технические решения, а именно - новые эффективные овальные в сечении профили, предложенные Неждановым К.К. [5], [6] и разработанные вместе с аспирантами.
Относительная высота овальных в сечении профилей h/b=3. При этом отношении и толщине овала to=0,5tст (где tст - толщина стандартного прокатного двутаврового профиля) момент сопротивления овала Wхо оказывается большим по отношению к моменту сопротивления стандартного двутавра [6] на 16…20%. То есть эффективность овальных профилей высокая и их следует широко применять. Моменты же инерции овальных профилей при изгибе Jхо больше по отношению к моментам инерции двутавров Jх, а моменты инерции овальных профилей на кручение Jхо кр. - в сотни раз больше.
В результате таких неоспоримых преимуществ очевидно, что продольные ребра железобетонных плит следует выполнять из овальных в сечении профилей.
Техническая задача изобретения - недопущение зарождения прогрессирующего, нарастающего лавиной обвала, развивающегося в системе покрытия сооружения, выполненного с использованием ребристых железобетонных плит, а также повышение надежности системы покрытия сооружения и, следовательно, снижение его стоимости с учетом срока эксплуатации.
Техническая задача по способу недопущения зарождения прогрессирующего, нарастающего лавиной обрушения в системе покрытия, содержащего ребристые железобетонные плиты, и создания жесткого диска покрытия в его плоскости решена следующим образом.
Недопущение зарождения прогрессирующей лавины обвала покрытия заключается в том, что плиты покрытия выполняют двух- или трехпролетными, причем продольные ребра выполняют из овального трубчатого профиля с относительной высотой сечения h/b=3.
При этом упомянутые плиты укладывают на стальные ригели в шахматном порядке, смещая их в продольном направлении относительно друг друга на 1/2 и 1/3 длины с взаимной перевязкой швов. Овальные продольные ребра смежных плит соединяют друг с другом в единое целое проходящими сквозь ребра легированными болтами. Гайки болтов гарантировано затягивают гайковертом и этим предварительно напрягают ребра и, тем самым, образуют жесткий диск покрытия, работающий слитно как единое целое.
Опорные участки ребер плит неподвижно соединяют аналогичными болтами с ригелем покрытия и, тем самым, исключают возможность возникновения прогрессирующей лавины обрушения в новой системе покрытия.
На фиг.1 показан узел соединения плит покрытия со стальным ригелем; на фиг.2 - узел верхнего пояса железобетонного ригеля с закладной деталью для крепления плит покрытия; на фиг.3 - схема расположения плит покрытия в плане; на фиг.4 - расчетная схема двухпролетной плиты покрытия; на фиг.5 - поперечное сечение продольного ребра плиты покрытия, усиленного на опоре двумя листами сечением 64·5 мм; на фиг.6 - расчетная схема плиты (для определения прогиба); на фиг.7 - расчетная схема поперечных ребер плиты покрытия.
Недопущение зарождения лавины обвала покрытия заключается в том, что каждую плиту покрытия выполняют двух- или трехпролетной (трехпролетные плиты экономичней двухпролетных, но более громоздки). Продольные ребра 1 выполняют трубчатыми, из овальных профилей с относительной высотой сечения h/b=3 [6]. Поперечные ребра 2 выполняют также из овальных трубчатых профилей. То есть плита снабжена стальным каркасом. Верхняя поверхность плиты 3 выполнена железобетонной, армированной стальной сеткой. Овальные продольные ребра 1 над средней опорой усилены опорными пластинами 4 из листов. Опорные пластины 4 снабжены отверстиями для анкерных болтов 5. Анкерные болты 5 затягивают гайковертами и неподвижно соединяют плиты покрытия с ригелями 6 в единое целое.
При этом упомянутые плиты укладывают на стальные или железобетонные ригели 6 в шахматном порядке, смещают их в продольном направлении по отношению друг к другу на 1/2 или 1/3 длины, то есть стыки плит выполняют не в одном сечении. Овальные продольные ребра смежных плит соединяют друг с другом проходящими сквозь них легированными шпильками 7 (сталь «40X Селект») [7, с.40]. Эти шпильки 7 предварительно напрягают ребра при гарантированной затяжке гаек гайковертом и, тем самым, образуют жесткий диск покрытия, объединяющий плоские рамы каркаса сооружения в единое целое.
Пример конкретной реализации. Расчет двухпролетной плиты покрытия, фиг.4. Расчетная нагрузка на плиту 2l=2·6=12 м (при ширине b=1,5 м)
q+s=560·1,5=840 кг/м=84 гН/м.
Расчетный изгибающий момент в пролете (длина одного пролета l=6 м)
Требуемый момент сопротивления двух продольных ребер в каждом из пролетов (сталь малоуглеродистая С255, Вст3сп5 ГОСТ 27772-88, расчетное сопротивление Ry=240 МПа, коэффициент условий работы γ=1)
.
Расчетный опорный изгибающий момент над средней опорой в два раза больше, чем момент в пролете (см. фиг.4)
Требуемый момент сопротивления двух продольных ребер над средней опорой
Принимаем два ребра из овальных в сечении труб. Овальное трубчатое сечение профиля получено из цилиндрической трубы ⌀127×3 мм. Характеристики сечения трубы: площадь сечения - А=11,7 см2, толщина стенки to=0,3 см; масса - m=9,17 кг/м.
Расстояние от центра овала до середины толщины его стенки (см. фиг.5)
Вертикальный габарит овала между верхней и нижней кромками сечения
hо=2a+to=2·9,31+0,3=18,92 см.
Главный момент инерции одного овального профиля относительно оси X
Момент сопротивления одного ребра из овального профиля
Проверка прочности двух ребер при изгибе в пролете:
- прочность в пролете обеспечена.
На средней опоре продольные ребра из овальных профилей усиляем сверху и снизу листами сечением 6,4·0,5=3,2 см2 (см. фиг.5).
Суммарная площадь усиленного сечения овального профиля и двух полок
ΣA=Ao+2Aполки=11,7+2·3,2=18,1 см2.
Высота усиленного сечения
h=ho+2tполки=189,2+2·0,5=199,2 см.
Момент инерции усиленного над опорой сечения относительно оси X.
Собственные моменты инерции элементов усиленного сечения: овального профиля и двух полок
Главный момент инерции JX усиленного сечения
JX=Jxсоб+2Aполки·(0,5ho+tполки)2=380,59+2·3,2·(0,5·18,92+0,5)2=1015,48 см4.
Момент сопротивления усиленного сечения одного продольного ребра
.
Проверка прочности усиленного сечения двух продольных ребер над опорой:
- прочность обеспечена.
Определяем относительный прогиб плиты, фиг.6.
Прогиб от нормативной равномерно распределенной нагрузки в середине пролета
Относительный прогиб от равномерно распределенной нагрузки [9, с.374, табл.8.1.3]
Относительный выгиб вверх от опорного момента Mon [9, с.381, табл.8.1.3]
Суммарный относительный прогиб
- прогиб отсутствует.
Определяем массу овальных продольных ребер плиты длиной 11980 мм.
Площадь сечения одного овального продольного ребра Ao=11,7 см2; масса 9,17 кг/м.
Площадь сечения усиленного над опорой одного овального продольного ребра
ΣA=Ao+2Aполки=11,7+2·3,2=18,1 см2.
Масса ребра длиной 1 м
m=7,85·100·11,7/1000=9,18 кг/м.
Площадь сечения двух усиляющих полок длиной по 1,5 м
2Aполки=2·3,2=6,4 см2.
Масса одного овального ребра при длине l=11,98 м - m=9,18·11,98=110 кг; двух овальных ребер (l=11,98 м) - 2·110=220 кг; четырех усиляющих полок (l=1,5 м) - m=10 кг.
Поперечные ребра (используем ребра из стального листа t=0,4 см) устанавливаются с шагом 1,5 м.
Расчетный изгибающий момент (см. фиг.7)
Требуемый момент сопротивления поперечного ребра
Высота ребер
Масса девяти поперечных ребер длиной 150-2·7=136 см
m=5,21·9=46,9 кг.
Масса стали в двухпролетной плите m=220+10,04+46,9=276,9 кг.
Железобетонную плиту принимаем толщиной t=3,0 см.
Масса плиты m=(12·1,5·0,03)·2500=1350 кг.
Суммарная масса двухпролетной плиты (сталь+железобетон) l=11,98 м
m=276,9+1350=1626,9 кг.
| бетон | сталь | итого: | |||
| Масса плиты | было | 2·1500 | + | 2·67,5= | 3135 (100%) |
| (два пролета), кг | стало | 1350 | + | 276,9= | 1686,9 (54%) |
Уменьшение массы составило 3135-1686,9=1448,1 кг.
Площадь плиты 2·1,5·6=18 м2 (два пролета), следовательно, временная нагрузка может быть увеличена на 1448,1/18=80,45 кг/м2. Т.е. новая плита предназначена для нагрузки 560+80,45=640,45 кг/м2 и примерно эквивалентна серийной плите 
с расчетной нагрузкой 640 кг/м2 (расход бетона марки 300-1500 кг, стали - 67,5 кг).
Плиту бетонируют на ровной площадке в перевернутом виде. Опалубочной формы не требуется.
Длина половины накладки 0,5lн=l/8=6/8=0,75 м в каждую сторону от средней опоры. Вся накладка lн=1,5 м. Сечение одной 6,4·0,5 см (A=3,2 см2).
Масса четырех накладок 2,512·4=10,04 кг.
Масса двух овалов 2·9,17·6=110,04 кг.
| Спецификация. Сталь ВС3сп5 (ГОСТ 27772-88) | |||||||||
| Марка | дет. | Сечение, мм | Длина, мм | Количество | Масса, кг | Примеч. | |||
| т | н | одной | всех | марки | |||||
| Плита | 1 | овал 189·0,3 | 11980 | 2 | 219,7 | 439,4 | из трубы ⌀127·3 | ||
| 2 | 64·5 | 1500 | 4 | 2,51 | 10,04 | 475,9 | накладки | ||
| 3 | 122·4 | 1380 | 5 | 5,29 | 26,43 | поперечные ребра | |||
| Примечание. Плита двухпролетная. |
Сопоставление с прототипом показывает следующие технические преимущества, а именно:
1. Исключена возможность возникновения лавины прогрессирующего обвала покрытия.
2. Снижена материалоемкость и масса покрытия.
3. Повышена надежность всего сооружения.
4. Снижена трудоемкость монтажа конструкций.
Литература
1. Кудзис А.П. Железобетонные и каменные конструкции: Учебник для строительных специальностей вузов. В 2-х частях. Ч.2. Конструкции промышленных и гражданских зданий и сооружений. - М. Высш. Шк., 1989-264 с.
2. СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции. Нормы проектирования / Госстрой России - М.: ГУЛ ЦПП, 2000.
3. Беляев Б.И., Корниенко B.C. Причины аварий зданий и сооружений и способы их устранения. «Стройиздат». М., 1968 - 208 с.
4. Нежданов К.К., Кузин Н.Я. О снижение опасности лавинообразных обрушений покрытия промышленного здания в аварийной ситуации.// Промышленное строительство - 1991, №7 - с.27…29.
5. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Туманов В.А., Карев М.А. Рельсобалочная конструкция. Патент России №2192381. М., Кл. В66С 6/00, 7/08. Бюл. №31. Зарег. 10.11.2002.
6. Нежданов К.К., Туманов В.А., Рубликов С.Г., Нежданов А.К. Способ повышения несущей способности цилиндрической трубы на изгиб. Патент России №2304479. Бюл. №23. Опубликовано 20.08.2007.
7. СНиП П-23-81*. Стальные конструкции. / Госстрой СССР. - М. ЦИТП Госстроя СССР, 1990-96 с.
8. Сахновский М.М. Справочник конструктора строительных сварных конструкций. - Днепропетровск: Промiнь, 1975 - 273 с.
9. Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. Расчетно-теоретический. /Под ред. А.А.Уманского. - М.: Стройиздат, 1960 - 1040 с.
10. Металлические конструкции: учебник для студ. высш. учебн. заведений. / [Е.И.Беленя, B.C.Игнатьева и др.]; под ред. Ю.И.Кудишина. - М.: Издательский центр «Академия», 2007 - 688 с.
Способ недопущения зарождения прогрессирующего обвала ребристых железобетонных плит покрытия лавиной и создания жесткого диска покрытия в его плоскости, заключающийся в том, что плиты покрытия выполняют двух- или трехпролетными, причем продольные ребра выполняют трубчатыми из овальных профилей с относительной высотой сечения h/b=3, при этом упомянутые плиты укладывают на стальные ригели в шахматном порядке, смещая их в продольном направлении друг относительно друга на 1/2 или 1/3 длины, овальные продольные ребра смежных плит неподвижно соединяют друг с другом проходящими сквозь них легированными болтами (сталь «40Х Селект»), гарантированно затягивают гайки гайковертом, этим предварительно напрягают ребра и тем самым объединяют упомянутые плиты покрытия в единое целое, образуют жесткий диск покрытия, опорные участки ребер плит неподвижно в единое целое соединяют аналогичными болтами с ригелем покрытия и тем самым исключают возможность обрушения новой системы покрытия лавиной.
