СТРОИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, РАБОТАЮЩИЙ НА СЖАТИЕ Российский патент 2001 года по МПК E04C3/36 

Изобретение относится к конструкциям строительных элементов, работающих на сжатие, с предварительно напряженной внешней обоймой и используется в качестве колонн в зданиях и сооружениях с химически агрессивными средами, опор эстакад, стоек ЛЭП.

Известен строительный элемент, представляющий собой стальную трубу, заполненную бетоном [1].

Недостатком такого элемента является раздельная работа стальной оболочки и бетонного сердечника вследствие развития в бетонном ядре усадочных деформаций, а также превышения коэффициентом поперечных деформаций стали обоймы аналогичного показателя для бетонного ядра, имеющее место на стадии эксплуатационной нагрузки.

Наиболее близкой к изобретению является конструкция, представляющая собой стальную трубу, заполненную напрягающим бетоном [2]. Благодаря химической энергии расширения бетона на напрягающем цементе создаются предварительное напряжение стальной оболочки и обжатие бетона, что обеспечивает объемное напряженное состояние бетона при любой нагрузке на элемент.

Недостатком такой конструкции является пониженная коррозионная стойкость, необходимость применения облицовки. Кроме того, бетоны на расширяющихся вяжущих, выпускаемых промышленностью, не способны осуществлять достаточное для совместной работы материалов на всех этапах загружения самонапряжение подобной конструкции из-за большого модуля упругости стальной обоймы.

Технической задачей изобретения является создание элемента с повышенными показателями коррозионной стойкости, несущей способности и диапазона упругой работы элемента за счет обеспечения совместной работы обоймы и ядра.

Поставленная задача решается таким образом, что в строительном элементе, работающем на сжатие, включающем обойму и ядро из бетона на расширяющемся вяжущем, согласно изобретению обойма выполнена из ориентированного стеклопластика с поперечным расположением стекловолокон, модулем упругости при растяжении в тангенциальном направлении E_c = 20000 - 40000 МПа и прочностью при растяжении 300 - 500 МПа, а ядро из бетона с величиной самонапряжения не менее 2•10^-4 E_c•t/d, МПа, где t - толщина обоймы, d - внешний диаметр обоймы.

Предлагаемый строительный элемент отличается от известного выполнением обоймы из ориентированного стеклопластика и ядра из бетона, самонапряжение которого не менее 2•10^-4 E_c•t/d, МПа.

В качестве обоймы использованы стеклопластиковые трубы с поперечным (тангенциальным) расположением волокон, совпадающим с направлением главных растягивающих напряжений, возникающих в трубе, толщиной оболочки 0,01d < t < 0,05d, модулем упругости 20000 - 40000 МПа и прочностью при растяжении 300 - 500 МПа [3], что позволяет создать оптимальную величину самонапряжения бетона для обеспечения заданной несущей способности. При этом минимальная величина самонапряжения зависит от коэффициента армирования и для обеспечения совместной работы стеклопластиковой обоймы и бетонного ядра должна быть не менее 2•10^-4 E_c•t/d, МПа. Для предотвращения разрыва обоймы в поперечном направлении максимальное самонапряжение бетона на расширяющемся вяжущем не должно превышать 2R_c,l•t/d, МПа, где R_c,l - предел длительного сопротивления стеклопластика растяжению вдоль волокон.

Минимальное самонапряжение бетонного ядра определяется исходя из требования предварительного растяжения обоймы на величину деформации, большую максимально возможного зазора между бетонным ядром и ненапряженной обоймой. Относительная деформация бетонного ядра в продольном направлении, отвечающая пределу упругой работы, принимается равной ε_b = 100•10^-5. Коэффициенты поперечной деформации стеклопластика и бетона принимаются равными соответственно ν_c = 0,3 и ν_b = 0,2.
Находится максимально возможный зазор между обоймой и ядром при продольной деформации 100•10^-5:
.

Для компенсации зазора труба должна быть предварительно растянута на величину относительной деформации, не меньшую ε_bc. В этом случае предварительное напряжение стеклопластиковой трубы в тангенциальном направлении должно быть не менее σ_cр = E_c•ε_bc, где E_c - модуль упругости стеклопластика при растяжении в тангенциальном направлении.

Минимальное самонапряжение бетонного ядра находится из условия равновесия
σ_bp•A_b-2σ_cp•A_c = 0.

Отсюда σ_bp = 2σ_cp•A_c/A_b = σ_cp•μ = E_c•ε_bc•2t/d.

Подставляя ранее полученное значение для ε_bc, получим
σ_bp = 2•10^-4E_c•t/d.

На фиг. 1 представлен строительный элемент; фиг. 2 - 1-1 фиг. 1.

Строительный элемент состоит из стеклопластиковой обоймы 1, бетонного ядра 2 и каналов 3 для подачи воды.

В качестве стеклопластиковой обоймы используют стеклопластиковые трубы с тангенциальным расположением волокон и толщиной оболочки 0,01d < t < 0,05d. Модуль упругости и предел прочности при растяжении в тангенциальном направлении меняются соответственно в пределах 20000 - 40000 МПа и 300 - 500 МПа. Стеклопластиковую обойму заполняют бетонной смесью на расширяющемся вяжущем. В процессе гидратации бетон увеличивается в объеме, тем самым осуществляя давление на обойму, и приобретает самонапряжение, которое должно быть не менее 2•10^-4 E_c•t/d, МПа. В бетонном ядре предусмотрены каналы 3 подачи воды, необходимые для обеспечения процесса самонапряжения. Подача воды осуществляется после достижения бетоном ядра кубиковой прочности 7 - 10 МПа, что обеспечивает достижение максимального самонапряжения за счет образования кристаллов эттрингита в результате вторичной гидратации расширяющегося вяжущего.

Пример. Опорная стойка, предназначенная для склада соли, выполнена из стеклопластиковой трубы прочностью на растяжение в тангенциальном направлении 450 МПа, с модулем упругости E_c = 32000 МПа, толщиной 4 мм, диаметром 150 мм и длиной 225 см, заполненной бетоном класса B30 на напрягающем цементе НЦ-20, обеспечившим самонапряжение бетона в поперечном направлении σ_bp = 1,5 МПа. Несущая способность стойки составила 1940 кН. Стойка запроектирована под расчетную нагрузку 800 кН.

Предлагаемая конструкция строительного элемента с трубчатой стеклопластиковой обоймой обладает следующими преимуществами:
- позволяет снизить собственный вес конструкции за счет повышения несущей способности и диапазона упругой работы элемента;
- реализует возможность применения конструкции в зданиях и сооружениях с химически агрессивными средами;
- повышает эффективность использования бетона заполнения, находящемся в объемном напряженно-деформированном состоянии при любом уровне загружения;
- позволяет с максимальной эффективностью использовать прочностные характеристики стекловолокон, расположенных в поперечном направлении;
- расширяет область применения эффективного строительного материала - стеклопластика.

Положительный эффект от использования стеклопластикового трубобетона на расширяющемся вяжущем заключается в снижении на 10-30% собственного веса элемента, экономии бетона, испытывающего трехосное сжатие, на 10-15%. Экономия достигается также за счет отсутствия необходимости использования защитных облицовочных покрытий и оболочек.

Использованная литература
1. Кикин А.И. и др. Конструкции из стальных труб, заполненных бетоном. - М.: Стройиздат, 1974. - С. 13-18.

2. Михайлов В.В., Литвер С.Л. Расширяющийся и напрягающий цементы и самонапряженные железобетонные конструкции. - М. : Стройиздат, 1974. - С. 204-213 /прототип/.

3. Армированные стеклопластики // Сб. тр./ ЛМИ. - Л., 1966. - Вып. 55. - С. 25-27.

Использование: для строительных элементов, работающих на сжатие, используемых в качестве колонн в зданиях и сооружениях с химически агрессивными средами, опор эстакад, стоек ЛЭП. Технический результат изобретения заключается в повышении показателей коррозионной стойкости, несущей способности и диапазона упругой работы элемента. Строительный элемент, работающий на сжатие, состоит из обоймы, выполненной из ориентированного стеклопластика с поперечным расположением стекловолокон. Модуль упругости стеклопластика при растяжении вдоль волокон 20000 - 40000 МПа, прочность при растяжении вдоль волокон 300-500 МПа. Толщина обоймы t составляет (0,01 - 0,5)d. Ядро выполнено из бетона на расширяющемся вяжущем с самонапряжением не менее 2 • 10^-4 Ect/d, где d - внешний диаметр обоймы. 2 ил.

Строительный элемент, работающий на сжатие, включающий обойму и ядро из бетона на расширяющемся вяжущем, отличающийся тем, что обойма выполнена из ориентированного стеклопластика с поперечным расположением стекловолокон, модулем упругости при растяжении в тангенциальном направлении Ес 20000 - 40000 МПа, прочностью при растяжении в тангенциальном направлении 300 - 500 МПа, толщиной t, равной (0,01-0,05)d, а ядро - из бетона на расширяющемся вяжущем с самонапряжением не менее 2 • 10^-4 Ect/d, где d - внешний диаметр обоймы.