СОСТАВНАЯ ДЕРЕВОБЕТОННАЯ БАЛКА Российский патент 2001 года по МПК E01D22/00 E01D19/00 E04C3/10 

Изобретение относится к области мостостроения, может быть использовано в несущих конструкциях покрытия и перекрытия промышленных и гражданских зданий.

Известны конструктивные решения объединения железобетонной плиты с дощатоклееной деревянной балкой посредством сдвиговоспринимающих устройств в виде нагелей, установленных дискретно в предварительно высверленные гнезда в деревянной балке [1].

Однако такие технические решения обладают существенным недостатком как, например, податливость соединения при взаимном сдвиге железобетонной плиты и деревянной балки по причине низкомодульности и невысокого предела прочности на смятие самой древесины.

Известны также сдвиговоспринимающие устройства в виде комбинированных связей, сочетающих в себе собственно связующую часть в виде петлевых выпусков и основу сдвиговоспринимающего элемента в виде продольной стержневой арматурной стали или полосы, приклеиваемой к верхней грани деревянной балки в плоскости сопряжения железобетонной плиты и дощатоклееной балки [1]. Недостатком такого технического решения является ограниченность длины составной деревобетонной балки по причине большого различия коэффициентов линейного расширения температурной деформации основы сдвиговоспринимающего элемента и деревянной балки.

Наиболее близкой к изобретению по совокупности признаков является составная деревожелезобетонная балка, преимущественно моста, включающая дощатоклееную стенку из дерева и верхнюю железобетонную бетонную плиту, объединенную со стенкой посредством сдвиговоспринимающих устройств в виде установленных в пазах верхней грани стенки соединительных элементов [2].

В известном техническом решении сдвиговоспринимающие элементы в виде нагелей, установленных в открытых поперечных пазах деревянной стенки в предварительно высверленные гнезда, позволяют значительно снизить деформации сдвига (см. [2] , стр. 31, обр. 4) до определенного этапа загружения, но после скалывания шпоночных выступов деревянной стенки нарушается совместная работа железобетонной плиты и дощатоклееной стенки, происходит увеличение деформаций прогиба всей составной балки.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание и сохранение длительного "монолитного" эффекта совместной работы разномодульных материалов, максимальное использование прочности сдвиговоспринимающих элементов, повышение жесткости сдвиговых связей, защита древесины от свойств гигроскопичности железобетонной плиты.

Технический результат достигается за счет надежной анкеровки и устранения "рыхлых" деформаций сопряжения сдвиговоспринимающих элементов с древесиной благодаря полимербетонной прослойке, жестко связанной с верхней гранью стенки из дерева и заполняющей глухие пазы дугообразного очертания с установленными сдвиговоспринимающими элементами, при этом достигается эффект противодействия сдвигающим усилиям между двумя составляющими - плитой железобетонной и стенкой дощатоклееной, обеспечивается защита древесины от свойств гигроскопичности железобетонной плиты.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что составная балка, включающая стенку из дерева и верхнюю железобетонную плиту, объединенную со стенкой посредством сдвиговоспринимающих устройств в виде установленных в пазах верхней грани стенки соединительных элементов, отличается от прототипа тем, что она снабжена полимербетонной прослойкой, жестко связанной с верхней гранью стенки из дерева и заполняющей пазы соединительных элементов, выполненных глухими дугообразного очертания и дискретно расположенных друг относительно друга.

Выполнение конструктивной системы сдвиговоспринимающих устройств путем взаимосвязи связующих элементов с дугообразными шпонками и сплошной прослойкой, выполненных из полимербетона и жестко связанных со стенкой из дерева как в плоскости верхней грани, так и в предварительно образованных глухих пазах дугообразного очертания позволяет создавать эффект монолитности объединения железобетонной плиты и дощатоклееной деревянной стенки. Выполнение шпонок дугообразного очертания в замкнутом пространстве деревянной стенки в плоскости сдвига позволяет исключить концентраторы напряжений, способствующих образованию скалывания в плоскости действия касательных напряжений. Выполнение монолитной полимербетонной прослойки позволяет не только защитить древесину стенки от свойств гигроскопичности железобетонной плиты, но и препятствует смятию древесины от изгиба связующего элемента при действии сдвигающей силы относительно плоскости сопряжения плиты и стенки, тем самым значительно снижая деформации взаимного сдвига. Таким образом, полимербетонная прослойка во взаимосвязи с дугообразными шпонками и сдвиговоспринимающими элементами позволяет снизить деформативность всей составной деревобетонной балки, более эффективно использовать прочностные свойства сдвиговоспринимающих элементов, не ограничивать длину составной балки в пределах от 9 до 20 метров, значительно повысить несущую способность конструкции благодаря созданию "эффекта монолитности" всего сечения составной балки.

На фиг. 1 изображена составная деревобетонная балка, общий вид; на фиг. 2 - разрез 1-1 на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез 2-2 на фиг. 2; на фиг. 4 и 5 - фрагмент вариантного выполнения глухих пазов; на фиг. 6 - поперечное сечение составной балки, показывающее расчетное положение нейтральной оси.

Составная деревобетонная балка содержит дощатоклееную стенку 1, объединенную по верхней грани с железобетонной плитой 2 при помощи сдвиговоспринимающих элементов 3, полимербетонной прослойки 4 и дугообразных шпонок 5, жестко связанных с дощатоклееной стенкой 1. Дугообразные шпонки 5 закреплены в глухих пазах 6 дугообразного очертания, размещенных дискретно по верхней грани дощатоклееной стенки 1.

Сборку составной дощатоклееной балки производят следующим образом. Первоначально в дощатоклееной деревянной стенке вдоль верхней грани выполняют дисковой фрезой глухие пазы 6 дугообразного очертания. Схема размещения пазов 6 может быть разнообразной (фиг. 4 и 5) и зависит от величины сдвигающего усилия между стенкой 1 и плитой 2. Глубина пазов 6 не превышает 5-7 диаметров сдвиговоспринимающего элемента 3. Затем осуществляются крепление временной опалубки по боковому и торцевому периметру верхней грани дощатоклееной стенки 1 и установка сдвиговоспринимающих элементов 3 в глухие пазы 6. После расстановки сдвиговоспринимающих элементов 3 в проектное положение осуществляется заливка в опалубку предварительно подготовленной полимербетонной смеси.

Полимербетонная смесь заполняет полость опалубки, образуя прослойку 4 толщиной, равную 0.8 - 1.5 диаметра сдвиговоспринимающего элемента 3, а также глухие пазы 6 с установленными сдвиговоспринимающими элементами 3, образуя шпонки 5 дугообразного очертания. После полимеризации полимербетона временная опалубка снимается и дощатоклееная деревянная стенка 1 со сдвиговоспринимающими элементами 3 готова к объединению с железобетонной плитой 2. Вариантов объединения деревянной дощатоклееной стенки 1 с железобетонной плитой 2 может быть несколько в зависимости от функционального назначения составной конструкции и комбинаций взаимосвязи плиты 2 со сдвиговоспринимающими элементами 3. Железобетонная плита может быть выполнена, например, в монолитном варианте, как в мостостроении, когда пролетное строение формируется непосредственно на строительной площадке и бетон заливается в предварительно выставленную опалубку с арматурным каркасом между дощатоклееными деревянными стенками 1 со сдвиговоспринимающими элементами 3. После набора прочности бетона и распалубки составная деревобетонная пространственная конструкция готова к эксплуатации. Конструктивное решение составной деревобетонной балки направлено на эффективное использование прочностных свойств материалов. Разумное использование прочностных свойств составляющих материалов может быть достигнуто в случае, когда нейтральная ось сечения расположена в плоскости сопряжения железобетонной плиты 2 и дощатоклееной деревянной стенки 1. Это достигается благодаря объединению плиты и стенки с помощью связующих элементов 3. Но этого недостаточно, так как нейтральная ось проходит на уровне сечения дощатоклееной деревянной стенки 1, имеющей такое уязвимое свойство древесины, как скалывание вдоль волокон. Варьировать положением нейтральной оси можно путем увеличения толщины плиты, но это является не эффективным, так как толщина железобетонной плиты должна быть в пределах 10-12 см, тем более, что бетон практически не работает на растяжение. Выполнение полимербетонной прослойки 4 позволяет варьировать положением нейтральной оси на требуемом уровне высоты составного сечения, тем самым обеспечив эффективное использование прочности составляющих материалов.

Составная деревобетонная балка работает следующим образом. После изготовления балки ее несущая способность оценивается равенством момента внешних сил моменту внутренних сил относительно центров тяжести линейных эпюр растянутой и сжатой зон взаимно уравновешиваемых относительно нейтральной оси. Для увеличения несущей способности составной деревобетонной балки из условия эффективного использования прочностных свойств составляющих материалов необходимо, чтобы нейтральная ось проходила на уровне сечения не по древесине, а по другому высокомодульному материалу, обладающему достаточно высоким пределом прочности на растяжение и скалывание. Этому требованию хорошо удовлетворяет полимербетон [3] . Использование полимербетонной прослойки 4 в плоскости максимального сдвига железобетонной плиты 2 и деревянной стенки 1 позволяет не только варьировать положением нейтральной оси (фиг. 6), но и достигнуть поставленной цели конструктивного решения. При действии внешней нагрузки на составную деревобетонную балку образуется сдвигающее внутреннее усилие между плитой 2 и стенкой 1 относительно нейтральной оси, которое воспринимается связями 3 в виде, например, петлевых выпусков, полимербетонной прослойкой 4 и глухими шпонками 5. Выполнение полимербетонной прослойки 4 позволило практически устранить деформативность связей 3 и их податливость сдвигу в продольном направлении и повысить прочность на отрыв в поперечном направлении балки благодаря высокой прочности на сжатие и смятие самой прослойки и жесткой ее взаимосвязи с глухими полимербетонными шпонками 5 и деревянной стенкой 1.

Изобретение позволяет повысить несущую способность составной деревобетонной балки благодаря увеличению жесткости соединения железобетонной плиты и дощатоклееной деревянной стенки. Выполнение полимербетонной прослойки во взаимосвязи с глухими шпонками и связующими элементами позволяет варьировать положением нейтральной оси сечения составной балки и тем самым эффективно использовать прочностные свойства бетона и древесины, обеспечивает защиту древесины от свойств гигроскопичности железобетонной плиты, увеличивает сопротивление скалыванию от сдвигающих усилий и предотвращает отрыв плиты от стенки при подвижной знакопеременной нагрузке. Изобретение может быть использовано в сталебетонных мостовых пролетных строениях в качестве демпфирующего эффекта при температурных деформациях.

Источники информации
1. Кулиш В. И. Клееные деревянные мосты с железобетонной плитой. - М.: Транспорт, 1979, с. 43-50.

2. Стуков В.П. Мосты с балками комбинированного сечения из клееной древесины и железобетона. - Архангельск, 1997, с. 23-31.

3. Патент РФ N 2135425 С 04 В 26/04. Полимербетонная смесь. - Бюл. N 24 от 27.08.99.

Изобретение относится к области мостостроения и может быть использовано в несущих конструкциях покрытия и перекрытия промышленных и гражданских зданий. Конструкция содержит составную деревобетонную балку, состоящую из деревянной стенки и верхней железобетонной плиты, объединенной со стенкой посредством сдвиговоспринимающих устройств в виде соединительных элементов. Новым является то, что балка снабжена полимербетонной прослойкой, жестко связанной с верхней гранью стенки из дерева и заполняющей пазы соединительных элементов, выполненных глухими, дугообразного очертания и дискретно расположенных друг относительно друга. Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в создании и сохранении длительного "монолитного" эффекта совместной работы разномодульных материалов, максимальное использование прочности сдвиговоспринимающих элементов, повышение жесткости сдвиговых связей, защита древесины от свойств гигроскопичности железобетонной плиты. 6 ил.

Составная деревобетонная балка, включающая стенку из дерева и верхнюю железобетонную плиту, объединенную со стенкой посредством сдвиговоспринимающих устройств в виде установленных в пазах верхней грани стенки соединительных элементов, отличающаяся тем, что она снабжена полимербетонной прослойкой, жестко связанной с верхней гранью стенки из дерева и заполняющей пазы соединительных элементов, выполненных глухими, дугообразного очертания и дискретно расположенных друг относительно друга.