АРМАТУРНЫЙ КАРКАС Российский патент 2002 года по МПК E04C5/06 

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_рр, 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: К₁ 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.

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.

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.