АРМАТУРНЫЙ КАРКАС (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК E04C5/06 

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

Известны арматурные каркасы бетонных элементов, выполненные в виде ферм, содержащих пояса и решетку [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 то, что для изготовления каркаса требуется большое количество заготовок: два пояса фермы, до 20-30 раскосов, столько же стоек, в ряде случаев к каркасу требуется крепить монтажные петли, что дополнительно увеличивает число заготовок. Если решетка изготовляется в виде единого зигзагообразного гнутого стержня (как это предусмотрено в прототипе), то количество заготовок уменьшается, но и в этом случае, с учетом петель и опорных стоек, оно будет не менее семи.

Задачей изобретения является уменьшение числа заготовок до 1-5 и соответственное снижение затрат на изготовление арматурного каркаса, содержащего продольные стержни, раскосы, стойки и петли.

Сущность изобретения заключается в том, что у каркаса в виде фермы с поясами и гнутой зигзагообразной решеткой, по меньшей мере один из поясов выполнен из гнутого стержня, на концах имеет отгибы на угол 100-170^o, лежащие в одной плоскости, а радиус загиба стержня составляет 2,5-12 его радиусов; кроме того, второй пояс имеет на концах отгибы на угол 90-170^o, образующие опорные стойки или раскосы, а концевые прямолинейные участки зигзагообразной решетки образуют опорные стойки фермы; возможны факультативные решения, при которых зигзагообразная решетка является продолжением одного или двух отогнутых концов пояса и распространяется либо на всю длину каркаса, либо до середины его пролета и в последнем случае второй конец пояса отогнут на угол 90^o; возможно выполнение всего каркаса из одного гнутого стержня, составляющего, например, сначала левый опорный раскос, затем левую петлю, затем верхний пояс, затем правую петлю и правый опорный раскос, затем зигзагообразную решетку, затем левую опорную стойку, затем нижний пояс, затем правую опорную стойку.

Технический результат: арматурный каркас в виде стержневой фермы, содержащий пояса, стойки, раскосы, петли из одной, двух, трех или пяти деталей - гнутых стержней. Это способствует сокращению расходов на изготовление каркаса: а) уменьшается количество операций, связанных с резанием стали (энергозатраты на резку больше, чем на загиб); б) уменьшение количества резов способствует снижению числа погрешностей, а следовательно, сокращению расхода металла и повышению надежности каркаса; в) раскладка большого количества деталей при сварке фермы приводит к повышению трудоемкости процесса и ошибок в расположении заготовок. Таким образом, изобретение способствует снижению материальных, трудовых и энергетических затрат; оно особенно эффективно на тех производствах, где гибочное оборудование не является узким местом.

Изобретение поясняется графическим материалом.

На фиг. 1 показан плоский арматурный каркас в виде стержневой фермы с двумя поясами, двумя петлями, двумя опорными стойками и с множеством раскосов; каркас изготовлен всего из пяти заготовок; концы одного из поясов, отогнутые под углом 100-170^o, лежат в одной плоскости и выполняют функции петель и опорных раскосов, радиус загиба петель 2,5-12 радиусов стержня. Раскосная решетка фермы выполнена в виде отдельного зигзагообразного стержня, а нижний пояс фермы и опорные стойки - из отдельных прямых стержней.

На фиг. 2 приведен тот же каркас, но с двумя петлями и с двумя опорными раскосами на каждом конце.

На фиг.3 показан каркас, у которого опорные стойки являются продолжением зигзагообразной решетки, благодаря этому необходимое количество заготовок уменьшилось с пяти до трех.

На фиг.4 проиллюстрирована возможность формирования опорных стоек не из решетки, а из нижнего пояса.

На фиг.5 приведен каркас, состоящий всего из двух заготовок, у него зигзагообразная решетка является продолжением одного из опорных раскосов.

На фиг.6 показан каркас, аналогичный показанному на фиг.5, но зигзагообразная решетка в середине пролета каркаса разрезана на две части и каждая из частей является продолжением одного из опорных раскосов.

На фиг.7 приведен каркас, состоящий из двух одинаковых заготовок; стрелками показано сближение заготовок для соединения их в единый каркас.

На фиг.8 изображен каркас, состоящий из одной заготовки (последовательность формирования: левый опорный раскос, левая петля, верхний пояс, правая петля, правый опорный раскос, зигзагообразная решетка, левая опорная стойка, нижний пояс, правая опорная стойка).

Обозначения на чертежах: 1 - верхний пояс каркаса с отогнутыми концами, образующими петли и опорные раскосы; 2 - нижний пояс каркаса; 3 - зигзагообразная решетка; 4 - точка сварки; 5 - опорная стойка; 6 - заготовка для каркаса. формируемого из двух одинаковых частей; 7 - каркас, выполненный из одного стержня.

Пример 1 (фиг.1). Каркас ячеисто-бетонной плиты междуэтажного перекрытия размерами 3х1,2х0,3 м, плотностью 500 кг/м³; расчетная изгибающая нагрузка 500 кгс/м², (погонная нагрузка 6 кгс/см); расчетный пролет 290 см, опорная реакция 870 кгс, максимальный изгибающий момент 63075 кгс•см; плечо внутренней пары сил (расстояние между равнодействующими усилий сжатой и растянутой продольной арматуры 24,5 см; каркас выполнен из проволоки класса Вр-I, диаметр 0,5 см, расчетное сопротивление 3000 кгс/см², максимально допустимое усилие в одном стержне 589 кгс; расчетное суммарное усилие во всех стержнях продольной растянутой арматуры 2575 кгс, необходимое количество стержней в растянутой зоне сечения, т.е. необходимое количество каркасов 4,37≅5; расчетное усилие в опорной стойке одного каркаса 174 кгс. минимальный допустимый угол между опорным раскосом и поясом каркаса 18^o; общая длина стержней каркаса 10 м, вес одного метра стержня 0,154 кг, вес каркаса 1,54 кг, вес всех пяти каркасов 7,7 кг; удельный расход арматуры 2,139 кг/м². Вывод: армирование является весьма экономичным.

Второй вариант арматурного каркаса характеризуется тем, что геометрия решетки фермы регламентирована заданным соотношением. Для этого варианта применимы и тот же аналог [1], и тот же прототип [2].

Недостатком и аналога, и прототипа является высокий расход металла (стали) при изготовлении каркаса.

Задачей изобретения является сокращение расхода стали.

Сущность изобретения: величины горизонтальных проекций ближайших к опоре трех-четырех раскосов назначаются в соответствии со следующим соотношением:

где κ - длина горизонтальной проекции i-того раскоса, см;
i - порядковый номер раскоса, считая от опорного сечения до середины пролета каркаса, i=1, 2, 3 и т.д.;
Н - толщина армируемой плиты, см;
N - максимально возможное расчетное усилие в стержне, из которого выполнен раскос, кгс;
L - расчетный пролет каркаса (расстояние между опорными сечениями фермы), см;
Q_о - поперечная сила в опорном сечении каркаса, кгс;
y - расстояние от опорного сечения до начала i-того раскоса каркаса.

Решетка каркаса выполнена либо из отдельных стержней, либо (полностью или частично) в виде гнутого зигзагообразного стержня; возможно техническое решение, при котором один из поясов и решетка выполнены из одного гнутого стержня (такой каркас применим, например, в вариатропных изделиях).

Технический результат: снижение расхода материала за счет более целесообразного перераспределения усилий между элементами каркаса.

Изобретение поясняется графическим материалом. На фиг.9 представлен каркас с раскосной решеткой из отдельных стержней, у которого горизонтальные проекции раскосов (а, b, с и d) назначены в соответствии с выражением (I). На фиг. 10 приведен каркас, у которого раскосы чередуются со стойками. На фиг.11 приведен каркас с поперечной арматурой, выполненной из одного гнутого зигзагообразного стержня. На фиг.12 изображен каркас, у которого пояс и поперечная арматура выполнены из одного гнутого стержня.

Обозначения на чертежах: 1 - верхний пояс каркаса; 2 - нижний пояс каркаса; 5 - опорная стойка; 8 - раскос из отдельного прямого стержня; 9 - стойка из отдельного прямого стержня; 10 - решетка с переменным шагом раскосов и с опорными стойками; 11 - стержень, выполняющий функции верхнего пояса, опорных стоек и решетки с переменным шагом раскосов. Точки сварки условно не показаны.

Пример 2 (фиг.9). Каркас ячеистобетонной плиты междуэтажного перекрытия размерами 3х1,2х0,3 м, плотностью 500 кг/м³; расчетная изгибающая нагрузка 500 кгс/м², (погонная нагрузка 6 кгс/см); расчетный пролет 290 см, опорная реакция 870 кгс, максимальный изгибающий момент 63075 кгс•см; плечо внутренней пары сил (расстояние между равнодействующими усилий сжатой и растянутой продольной арматуры 24,4 см; продольная арматура каркаса из стали класса A-III диаметром 0,6 см, с расчетным сопротивлением 3750 кгс/см² (максимальное допустимое усилие в одном стержне 1060 кгс); поперечная арматура из проволоки класса Вр-I, диаметр 0,4 см, расчетное сопротивление 3000 кгс/см², максимально допустимое усилие в одном стержне поперечной арматуры каркаса (решетки фермы) N=377 кгс; расчетное суммарное усилие во всех стержнях продольной растянутой арматуры 2585 кгс, необходимое количество стержней в растянутой зоне сечения, т.е. необходимое число каркасов равно 2,44≅3; расчетное усилие в опорной стойке одного каркаса Q_о=290 кгс.

Используя соотношение (I), определим длину горизонтальной проекции первого (i= 1) раскоса κ₁, расстояние от опорного сечения до сечения, проходящего через первый (i= 1) узел фермы y=0, тогда κ₁=22,428 см, округляя получаем длину горизонтальной проекции первого раскоса: а=22 см; длина самого раскоса 34 см. Далее определим длину горизонтальной проекции второго раскоса (i= 2); y=22 см, κ₂=31,355 см и b=31 см; длина второго раскоса 41 см. Третий раскос (i=3): y=22+31=53 см, κ₃=48,284 см, с=48 см. Четвертый раскос (i= 4): y=53+48=101 cм, κ₄=112,48 см; однако реальная длина четвертого раскоса не может превысить 44 см, т.к. половина расчетного пролета каркаса равна 145 см (a+b+c+d=22+31+48+44=145 см), а потому принимаем длину горизонтальных проекций третьего и четвертого раскосов одинаковой, равной 46 см (это разрешается благодаря знаку неравенства в соотношении I); длина и третьего, и четвертого раскосов составит 53 см. Общая длина всех раскосов одного каркаса равна 2(34+41+53+53)=362 см, кроме того, каркас содержит две стойки общей длиной 54 см; тогда длина всех стержней поперечной арматуры одного каркаса будет 416 см, а трех каркасов 1248 см; масса поперечной арматуры плиты составит 1,231 кг. Суммарная длина шести стержней продольной арматуры плиты равна 2,98х6=17,88 м, вес одного метра стержня диаметром 0,6 см равен 0,222 кг, тогда вес всех продольных стержней будет равен 3,969 кг, а общий вес трех каркасов составит 5,2 кг; при этом удельный расход арматуры будет равен 1,445 кг/м², что на 32% меньше, чем в предыдущем примере.

Проверка адекватности выражения (I) осуществлена путем вычисления оптимальных размеров горизонтальных проекций раскосов с помощью известного приема строительной механики - метода сечений.

В опорном сечении каркаса действует поперечная сила Q_о=qL/2=290 кгс; она компенсируется усилием в опорном раскосе, несущая способность которого R_pπd²/4= 377 кгс; сумма проекций сил на вертикальную ось: 290-377•Sin α₁=0, где α₁ - угол между первым раскосом и поясом, α₁=50,3^o; при длине вертикальной проекции раскоса 27 см, его горизонтальная проекция составит κ₁ = 27/tgα₁ = 22,4 ≅ 22 см.
В сечении, проходящем через конец первого и начало второго раскосов, поперечная сила равна 290-q•22=246 кгс; тогда 246-377•Sin α₂=0 и угол наклона второго раскоса составит α_2 2=40,7^o, а κ₂=31,3≅31 см.

Вывод: соотношение (I) является адекватным, и данное изобретение, в отличие от известного метода, требующего выполнения ряда расчетов для каждого из раскосов, позволяет изготовлять максимально легкие арматурные каркасы, пользуясь единственным феноменологическим соотношением.

Источники информации
1. Патент РФ 2131005.

2. Патент РФ 2145373.

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при изготовлении несущих, преимущественно ячеисто-бетонных изгибаемых изделий. Технический результат - сокращение материальных, трудовых и энергетических затрат. Каркас может быть выполнен в виде стержневой фермы с поясами и гнутой зигзагообразной решеткой, на концах одного или обоих поясов имеются отгибы на угол 100-170^o, лежащие в одной плоскости, а радиус загиба стержня составляет 2,5-12 его радиусов. По второму варианту каркас, выполненный в виде стержневой фермы, имеет раскосы разной длины, а их горизонтальные проекции соответствуют соотношению где κ_i - длина горизонтальной проекции i-того раскоса, см; i - порядковый номер раскоса, считая от опорного сечения до середины пролета каркаса, i=1, 2, 3 и т.д.; H - толщина армируемого изделия, см; N_p - максимально возможное расчетное усилие в стержне, из которого выполнен раскос, кгс; L - расчетный пролет каркаса (расстояние между опорными сечениями армируемого изделия), см; Q_о - поперечная сила в опорном сечении каркаса, кгс; y - расстояние от опорного сечения до начала i-того раскоса каркаса. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Арматурный каркас в виде фермы с поясами и гнутой зигзагообразной решеткой, отличающийся тем, что по меньшей мере один из поясов выполнен из гнутого стержня, на концах имеет отгибы на угол 100-170^o, лежащие в одной плоскости, а радиус загиба стержня составляет 2,5-12 его радиусов. 2. Арматурный каркас по п.1, отличающийся тем, что второй пояс имеет на концах отгибы на угол 90-170^o, образующие опорные стойки или раскосы. 3. Арматурный каркас по п.1, отличающийся тем, что концевые прямолинейные участки зигзагообразной решетки образуют опорные стойки фермы. 4. Арматурный каркас по п.1 или 2, отличающийся тем, что зигзагообразная решетка является продолжением одного или двух отогнутых концов пояса и распространяется либо на всю длину каркаса, либо до середины его пролета и в последнем случае второй конец пояса отогнут на угол 90^o. 5. Арматурный каркас по п.1, отличающийся тем, что весь выполнен из одного гнутого стержня, составляющего, например, сначала левый опорный раскос, затем левую петлю, затем верхний пояс, затем правую петлю и правый опорный раскос, затем зигзагообразную решетку, затем левую опорную стойку, затем нижний пояс, затем правую опорную стойку. 6. Арматурный каркас, преимущественно для ячеистобетонных изгибаемых изделий, выполненный в виде стержневой фермы, включающей пояса и раскосы разной длины, отличающийся тем, что величины горизонтальных проекций ближайших к опорам раскосов соответствуют соотношению

где κ_i - длина горизонтальной проекции i-го раскоса, см;
i - порядковый номер раскоса, считая от опорного сечения до середины пролета каркаса, i=1, 2, 3 и т.д.;
H - толщина армируемого изделия, см;
N_p - максимально возможное расчетное усилие в стержне, из которого выполнен раскос, кгс;
L - расчетный пролет каркаса (расстояние между опорными сечениями армируемого изделия), см;
Q_о - поперечная сила в опорном сечении каркаса, кгс;
y - расстояние от опорного сечения до начала i-того раскоса каркаса. 7. Арматурный каркас по п.6, отличающийся тем, что содержит стойки. 8. Арматурный каркас по п.6, отличающийся тем, что решетка выполнена в виде гнутого зигзагообразного стержня. 9. Арматурный каркас по п.6, отличающийся тем, что один из поясов и вся решетка выполнены из одного гнутого зигзагообразного стержня.