СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СТАЛЬНОЙ ДВУХВЕТВЕВОЙ КОЛОННЫ Российский патент 2013 года по МПК E04C3/30 

Изобретение относится к возведению железобетонных каркасов промышленных и гражданских зданий из трубобетонных элементов.

Железобетонные конструкции подвержены коррозии бетона и арматуры [1, с.255], [2]. Особенно опасна коррозия арматуры внутри сечения колонны или балки. Продукты коррозии имеют объем, почти в два (1,91) раза больший, чем первоначальный объем стали. Поэтому внутри железобетонного сечения создается внутреннее давление, легко раскалывающее бетон. Это приводит к отслоению и обрушению защитного слоя. Так на ТЭЦ-1 г.Пенза, построенной в 1943 г., имеющей железобетонные колонны сечением 1400×700 мм с защитным слоем 75 мм, наблюдалось резкое снижение несущей способности при обрушении защитного слоя бетона на колоннах. Первоначальная площадь сечения колонны равна А*=140·70=9800 см² (100%).

После обрушения защитного слоя на нулевой отметке произошло уменьшение габаритов сечения 140-2·7,5=125 см и 75-2·7,5=60 см. Площадь сечения также уменьшилась А=125·60=7500 см² (76,5%). Уменьшение площади сечения составило 24,5%. Уменьшение несущей способности всей колонны значительно больше, так как в результате коррозии площадь течения арматуры так же уменьшилась на 20…25%. Снижение несущей способности колонн значительное. Кроме того, наблюдается и язвенная коррозия арматуры, которая особенно опасна.

При обследовании установлено, что более напряженные железобетонные консоли колонн каркаса ТЭЦ-1 сильнее поражаются коррозией, чем другие менее напряженные зоны каркаса сооружения [3].

Таким образом, долговечность железобетонных каркасов зданий, в результате коррозии бетона и арматуры, падает и становится недостаточной. Актуальность разработки конструкций, более стойких к внешним агрессивным воздействиям, нарастает!

За прототип примем способ усиления железобетонных колонн, предложенный К.К.Неждановым и разработанный с аспирантами [4, RU №2274719].

В прототипе способ усиления железобетонной колонны, утратившей несущую способность в результате коррозии бетона и арматуры, заключается в следующем.

Поверхность железобетонной колонны, утратившей несущую способность, обрабатывают путем насечки и увлажнением ее. Обойму устраивают из стальной трубы, овальной в сечении с отношением большего габарита к меньшему габариту, равным трем. Разрезают трубу вдоль, заключают поврежденную колонну внутрь стальной обоймы, ориентируя ее большую ось сечения в плоскости эксцентриситета приложения продольной сжимающей силы, и уменьшают эксцентриситет.

Герметично соединяют две половинки овального сечения в единое целое и заполняют полости между стальной обоймой и поврежденной колонной расширяющимся мелкозернистым бетоном, нагнетая его через патрубки в полости способом «снизу вверх».

Уплотняют бетон вибрированием глубинными вибраторами и при схватывании его предварительно напрягают сечение, обжимая его со всех сторон стальной обоймой, преобразуют колонну в трубобетонную и этим усиливают всю конструкцию.

Известно также, что после деформирования цилиндрической в сечении трубы с боков и придания ее сечению эллиптической формы происходит значительное увеличение момента сопротивления W_X относительно главной горизонтальной оси Х овального сечения [5, №2191154], [6, патент №2192381], [7, патент №2304479]. Поэтому применять обойму из стальной овальной трубы выгодно.

Известен каркас сооружения с овальными сечение трубобетонными колоннами [8, патент №2319811], [9, патент №2319817]. Также известен способ исключения возможности обрушения металлических конструкций каркаса от пожара [10, патент №2411330].

Техническая задача изобретения - повышение долговечности и несущей способности железобетонного каркаса здания путем применения внешнего поверхностного армирования расширяющегося бетона стальной овальной в сечение обоймой, обжимающей бетонное ядро, выполняющей также функцию защиты бетона от коррозии, а также упрощение технологического процесса возведения каркаса сооружения и снижение трудоемкости его возведения.

Техническая задача по повышению несущей способности и долговечности железобетонного каркаса здания реализована следующим образом.

Колонну выполняют с уступом для опирания подкрановых балок. Колонна содержит нижнюю двухветвевую часть ниже уступа и верхнюю часть выше уступа. Части соединены в единое целое траверсой.

Каждый трубобетонный элемент колонны выполняют из овального профиля с отношением большего габарита к меньшему габариту, равным трем. Расширяющийся бетон по бетонопроводу нагнетается и быстро вращающийся вокруг продольной оси овальный профиль, являющийся обоймой, центробежными силами отбрасывает (центрифугирует) пластичный расширяющийся бетон на периферию к стенкам обоймы, уплотняя и отжимая из него избыточную влагу, что улучшает водоцементное отношение. Затем подают в центральный канал пар и, не прекращая вращения, пропаривают бетон изнутри. При схватывании бетон расширяется, всесторонне распирая внешнюю обойму изнутри, а обойма препятствует расширению, всесторонне обжимает бетон снаружи и повышает его прочность. После схватывания бетона получают готовые трубобетонные элементы двухветвевой колонны.

Больший габарит сечения каждой из ветвей нижней части колонны ориентирован из плоскости рамы, а верхней части в плоскости рамы (в плоскости эксцентриситета). Ветви соединяют решеткой из элементов коробчатого профиля. Базу ветвей колонны оснащают анкерными балками, соединяющими ветви. Оголовки ветвей снабжают фланцами. Траверсу присоединяют к фланцам высокоресурсными болтами. Траверса может быть выполнена, например, из овального профиля с отношением большего габарита к меньшему габариту, равным трем.

Для опирания подкрановой балки на овальную траверсу смонтирована седлообразная опора. Седлообразная опора состоит из таврового элемента, расположенного вдоль траверсы, и приваренных к нему по краям продольных ребер. В полке тавра выполнены овальные отверстия, соосные ответным отверстиям в нижних поясах смежных подкрановых балок, для присоединения подкрановой балки анкерными болтами к седлообразной опоре, с возможностью поперечной рихтовки. Овальная траверса имеет ребра жесткости.

К траверсе присоединяют верхнюю трубобетонную часть колонны и получают единую конструкцию - двухветвевую трубобетонную колонну.

Внутри каждого трубобетонного элемента имеется канал, используемый для повышения огнестойкости конструкции. При возникновении пожара и повышении температуры датчик подает аварийный сигнал и автоматически включается подача охлажденной воды, ограничивающей разогрев двухветвевой трубобетонной колонны в допустимых пределах.

Анкерная балка присоединяется к фундаменту анкерным болтом, снабженным рихтующей гайкой.

Подкрановые балки безвыверочно установлены над центром тяжести нижней части колонны и шарнирно присоединены к траверсе анкерными болтами, с возможностью поперечной рихтовки подкрановых балок, для восстановления их проектного положения.

При этом верхняя часть колонны установлена по отношению к нижней части колонны с эксцентриситетом е наружу здания, с обеспечением минимального зазора Δ_min между внутренней гранью верхней части колонны и выступающей наружу вбок частью мостового крана.

Внешний пояс тормозной балки присоединен болтами к столику, приваренному к верхней части колонны, также с возможностью поперечной рихтовки ее.

На фиг.1 показан узел сопряжения овальных трубобетонных ветвей колонны с овальной в сечении полой траверсой, узел сопряжения траверсы с седлообразной опорой и верхней овальной трубобетонной частью колонны;

на фиг.2 показано сечение двухветвевой трубобетонной колонны;

на фиг.3 - вид сбоку на фиг.1;

на фиг.4 - узел сопряжения ветви колонны с элементами решетки;

на фиг.5 - сечение овальной трубобетонной верхней части колонны;

на фиг.6 - узел сопряжения ветвей колонны с анкерными балками;

на фиг.7 - вид сверху на фиг.6;

на фиг.8 - вид сверху на фиг.1;

на фиг.9 - схема определения усилий в наружной ветви колонны;

на фиг.10 - схема определения усилий во внутренней ветви колонны;

на фиг.11 - расчетная схема решетки колонны.

Колонну выполняют с уступом для опирания подкрановых балок, Колонна содержит нижнюю двухветвевую часть ниже уступа (внутренняя ветвь - 1; наружная ветвь - 2) и верхнюю часть 3 выше уступа. Части соединены в единое целое траверсой 4.

Каждый трубобетонный элемент колонны выполняют из овального профиля с отношением большего габарита к меньшему габариту, равным трем. Расширяющийся бетон по бетонопроводу нагнетается и быстро вращающийся вокруг продольной оси овальный профиль, являющийся обоймой, центробежными силами отбрасывает (центрифугирует) пластичный расширяющийся бетон на периферию к стенкам обоймы, уплотняя и отжимая из него избыточную влагу, что улучшает водоцементное отношение. Затем подают в центральный канал пар и, не прекращая вращения, пропаривают бетон изнутри. При схватывании бетон расширяется, всесторонне распирая внешнюю обойму изнутри, а обойма препятствует расширению, всесторонне обжимает бетон снаружи и повышает его прочность. После схватывания бетона получают готовые трубобетонные элементы двухветвевой колонны.

Больший габарит сечения каждой из ветвей нижней части колонны ориентирован из плоскости рамы, а верхней части в плоскости рамы (в плоскости эксцентриситета). Ветви соединяют решеткой из элементов коробчатого профиля 5. Базу ветвей колонны 6 оснащают анкерными балками 7, соединяющими ветви. Оголовки ветвей снабжают фланцами 8. Траверсу присоединяют к фланцам высокоресурсными болтами 9. Траверса может быть выполнена, например, из овального профиля с отношением большего габарита к меньшему габариту, равным трем.

Для опирания подкрановой балки на овальную траверсу смонтирована седлообразная опора 10. Седлообразная опора состоит таврового элемента 11, расположенного вдоль траверсы, и приваренных к нему по краям продольных ребер 12. В полке тавра выполнены овальные отверстия (⌀60 и 33 мм), соосные ответным отверстиям в нижних поясах смежных подкрановых балок, для присоединения подкрановой балки анкерными болтами к седлообразной опоре, с возможностью поперечной рихтовки. Овальная траверса имеет ребра жесткости 13.

К траверсе присоединяют верхнюю трубобетонную часть 3 колонны и получают единую конструкцию - двухветвевую трубобетонную колонну.

Внутри каждого трубобетонного элемента имеется канал ⌀50 мм, используемый для повышения огнестойкости конструкции. При возникновении пожара и повышении температуры датчик подает аварийный сигнал и автоматически включается подача охлажденной воды, ограничивающей разогрев двухветвевой трубобетонной колонны в допустимых пределах.

В базе колонны 6 имеется отверстие для стока воды 14. Анкерная балка 7 присоединяется к фундаменту 15 анкерными болтами (оси анкерных болтов 16), снабженными рихтующими гайками.

Подкрановые балки безвыверочно установлены над центром тяжести нижней части колонны и шарнирно присоединены к траверсе анкерными болтами, с возможностью поперечной рихтовки подкрановых балок, для восстановления их проектного положения.

При этом верхняя часть колонны установлена по отношению к нижней части колонны с эксцентриситетом е наружу здания, с обеспечением минимального зазора Δ_min между внутренней гранью верхней части колонны и выступающей наружу вбок частью мостового крана.

Внешний пояс тормозной балки присоединен болтами к столику, приваренному к верхней части колонны, также с возможностью поперечной рихтовки ее.

Отличие в том, что обе ветви колонны и верхняя часть колонны выполнены из готовых трубобетонных элементов, выполненных центрифугированием. Данный способ позволяет уплотнить бетонную смесь и отжать из него избыточную влагу, что улучшает водоцементное отношение, повышает прочность бетона. Повышение прочности бетона происходит и за счет обжатия его стальной обоймой.

Экономический эффект достигнут за счет снижения трудоемкости изготовления, снижения материалоемкости и повышения несущей способности конструкции. Применение поверхностного армирования повышает долговечность конструкции, защищает бетон от коррозии, повышает технологичность возведения каркаса здания.

Пример конкретной реализации

Необходимо сравнить новое решение конструкции двухветвевой колонны с уже известными техническими решениями. Сравним двухветвевую колонну с ветвями сечением двутавр с колонной, ветви которой имеют овальное трубобетонное сечение.

Расчет нижней части колонны

Напряжения даны в МПа (мегапаскалях), поэтому для удобства будем измерять действующие силы в гН (гектоньютонах).

Тогда 1 МПа=10⁶ Н/м²=1 Н/мм²=100 Н/см²=1 гН/см².

Материал балки сталь - С255 ГОСТ 27772-88 (В Ст3 сп5) с расчетными сопротивлениями: при изгибе R_y=230 МПа, при срезе R_ср=0,58·R_y=133,4 МПа.

Определяем продольную силу в наружной ветви колонны (схема определения усилий показана на фиг.9):

М_mах=74529 гН·м

N_соотв=33401 гН

∑М_о=0

-N_ниж.в·150+М+N_соотв·75=0

Получив требуемую площадь A_тр, по сортаменту подбираем колонну двутаврового профиля 155Б2 со следующими характеристиками:

A_ф=124,75 см²;

i_x=22,43 см;

i_y=4,7 см

и овального сечения из трубы ⌀530 мм со следующими характеристиками:

А_ф=115 см²;

i_x=24,0 см;

i_y=7,2 см

Определяем продольную силу во внутренней ветви (схема определения усилий показана на фиг.10):

М_min=43837 гН·м

N_соотв=27434 гН

∑М_о=0

-M-N_соотв·75+N_{внутр.в}·150=0

Получив требуемую площадь A_тр, по сортаменту подбираем колонну двутаврового профиля I55Б2 со следующими характеристиками:

А_ф=124,75 см²;

i_x=22,43 см;

i_y=4,7 см

и овального сечения из трубы ⌀530 мм со следующими характеристиками

А_ф=115 см²;

i_x=24,0 см;

i_y=7,2 см

Проверка на устойчивость из плоскости: l_x1=14,2 м

1. Колонна с ветвями двутаврового профиля

λ_x<λ_y

σ=137.85 МПа≤146.28 МПа

Устойчивость обеспечена.

2. Колонна с ветвями овального сечения с отношением габаритов, равным трем

λ_x>λ_y

γ=0.9

σ=149.5 МПа≤168.912 МПа

Устойчивость обеспечена с запасом 13%.

Спецификация двухветвевой колонны двутаврового сечения

Сечение Длина, мм Количество Масса Примечание ед. всего Двутарв 55Б2 14200 2 1390,18 2780,36  

Спецификация двухветвевой колонны овального сечения

Сечение Длина, мм Количество Масса Примечание ед. всего Овал h=530 мм 14200 2 1282,26 2564,52  

Расчет решетки

Расчетная схема решетки представлениа на фиг.11.

l - длина раскоса решетки; N_раск - продольная сила в раскосе.

Подбираем элементы решетки коробчатого сечения γ=0,9

По А_тр=10,88 см² принимаем сечение □ 10×10×0,3 см

А_ф=11,64 см²;

i_x=3,96 см

γ=0.9

σ=154.786 МПа≤174.294 МПа

Устойчивость обеспечена с запасом

Превращение ветвей колонны в трубобетонные элементы

Повысим устойчивость ветвей колонны превращением их в трубобетонные стержни.

Значение коэффициента повышения прочности бетона в трубе [Беленя, с.191]

Таблица 1 Марка бетона 250 300 350 400 450 500 550 k_бя 1,92 1,83 1,73 1,66 1,59 1,55 1,50 R_Пр МПа 10,79 13,24 15,2 17,17 19,13 21,09   R_Пр кгс/см² 110 135 155 175 195 215  

Несущая способность трубобетонной колонны N≤(A_бяR_бяk_бя+A_ТрR_y)φ

где A_бя и A_Тр - площадь бетонного ядра и стальной трубы;

k_бя - коэффициента повышения прочности бетона в трубе;

R_бя=R_Пр и R_y - расчетные сопротивления бетона и стали;

φ - коэффициент устойчивости стержня трубобетонной колонны.

Приведенная гибкость

где ; ; ℓ_ef - расчетная длина колонны;

- радиус бетонного ядра.

Таблица 2 Коэффициент устойчивости φ стержня трубобетонной колонны Приведенная гибкость λ_Пр 10 20 30 40 50 60 Марка бетона 250 0,988 0,963 0,931 0,888 0,850 0,791 Марка бетона 500 0,988 0,974 0,950 0,922 0,893 0,852 Приведенная гибкость λ_Пр 70 80 90 100 110 120 Марка бетона 250 0,728 0,654 0,591 0,527 0,461 0,400 Марка бетона 500 0,80 0,731 0,663 0,588 0,518 0,450

Назначаем ветви колонны из овальной в сечении трубы. Овальный стержень получен из трубы ⌀530·7 мм, А=115 см², i_x=24,0 см, i_y=7,2 см, m=90,3 кг.

Вертикальный и горизонтальный размеры овального профиля (по оси, проходящей по середине толщины стенки)

2b=26,16 см.

Вертикальный и горизонтальный габариты овала профиля

2a+t₀=78,48+0,7=79,18; 2b+t₀=2·13,08+0,7=26,86 см.

Моменты инерции

Моменты сопротивления

Радиусы ядра сечения

радиусы инерции

Геометрическая и расчетная длина колонны из плоскости равна ℓ=1420; ℓ_ef=µ·ℓ=1420 см.

Геометрическая и расчетная длина колонны в плоскости равна µ=1, ℓ=300; ℓ_ef=µ·ℓ=300 см.

Максимальная гибкость λ_x=59,17

Заполняем овальный профиль мелкозернистым расширяющимся бетоном и превращаем стержень в трубобетонный.

Внешние габариты бетонного сечения ядра наибольший и наименьший 2a-t₀=78,48-0,7=77,78; 2b-t₀=2·13,08-0,7=25,46 см.

Площадь сечения бетонного ядра

Момент инерции бетонного ядра

Радиус инерции бетонного ядра

Приведенная гибкость

Несущая способность ветви трубобетонной колонны

Несущая способность ветви трубобетонной колонны увеличилась по сравнению со стальной ветвью колонны двутаврового сечения в 25596,4/18248,43=1,4 раза.

Несущая способность ветви трубобетонной колонны увеличилась по сравнению со стальной ветвью колонны овальной в сечении в

25596,4/19424,88=1,3 paзa.

Эффект высокий.

Источники информации

1. Железобетонные и каменные конструкции: Учебник для строительных специальностей вузов / В.М.Бондаренко, В.Г.Назаренко, В.И.Римшин; под редакцией В.М.Бондаренко - М., Высш. шк., 2007, 887 с.; ил.

2. А.П.Кудзис. Железобетонные и каменные конструкции: Учебник для строительных специальностей. - М., Высш. шк., 1989 - 264 с.

3. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Бороздин А.Ю. Способ разгрузки разрушающихся железобетонных консолей. В66С 7/00, E04G 23/02. Заявка 2006 112731/11, 17.04.2006. Патент России №2346878. Опубликовано 20.02.2009. Бюл. №5.

4. Нежданов К.К., Туманов В.А., Нежданов А.К. Способ усиления железобетонной колонны, утратившей несущую способность. Патент России №2274719. М., Кл. Е04G 23/02. Заявка №2004116028 от 2004.02.19. Бюл. №11. Опубликовано 20.04.2006. Трубобетонная. Прототип.

5. Нежданов К.К., Туманов В.А, Нежданов А.К., Карев М.А. Рельсобалочная конструкция. Патент России №2191154. М., Кл. В66С 6/00, 7/08. Бюл №.24. Зарег. 20.10.2002.

6. 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. Овал.

7. 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. Овал.

8. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Либаров А.В. «Способ управления напряженным состоянием рамы двухпролетного здания фундаментами с реактивными двигателями». Патент России №2319811. E02D 35/00 (2006.01). Заявка на изобретение №2005 116385/03 (018711). Бюл. №8. Опубликовано 20.03.2008.

9. Нежданов К.К., Карев М.А., Нежданов А.К., Щипалкин А.А. «Рама двухпролетного здания». Патент России №2 319817. Е04С 3/38 (2006.01). Заявка на изобретение №2005 116385/03 (018711). Бюл. №8. Опубликовано 20.03.2008. Трубобетонная.

10. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Куничкин П.В. Способ исключения возможности обрушения металлических конструкций каркаса от пожара. Патент России RU №2411330. С1. Заявка №2009117090/03. 04.05.2009. МПК Е04В 1/94 (2006.01). Опубликовано 10.02.2011.

Изобретение относится к области строительства, в частности к способу изготовления трубобетонных элементов стальной двухветвевой колонны. Технический результат заключается в повышении долговечности и несущей способности, упрощении технологического процесса и снижении трудоемкости возведения каркаса. Двухветвевая колонна содержит ветви, соединенные решеткой. Каждый трубобетонный элемент колонны выполняют из овального профиля, в который по бетонопроводу нагнетают расширяющийся бетон. Профиль, являющийся обоймой, вращается вокруг продольной оси и центробежными силами отбрасывает бетон к стенкам обоймы. Центробежными силами уплотняют бетон и отжимают из него избыточную влагу. Подают в центральный канал пар, пропаривают бетон изнутри и заканчивают вращение. Полученные готовые ветви соединяют решеткой из коробчатых в сечении элементов. Оснащают базу ветвей анкерными балками, соединяющими ветви, а оголовки ветвей - фланцами. Болтами присоединяют к фланцам траверсу, к траверсе - верхнюю трубобетонную часть колонны. Внутренние каналы используют для пропуска охлаждающей воды с целью повышения огнестойкости конструкции. 11 ил.

Способ изготовления трубобетонных элементов двухветвевой стальной колонны, содержащей ветви, соединенные решеткой, отличающийся тем, что каждый трубобетонный элемент колонны выполняют из овального профиля с отношением большего габарита к меньшему габариту, равным трем, расширяющийся бетон по бетонопроводу нагнетается, и быстро вращающийся вокруг продольной оси овальный профиль, являющийся обоймой, центробежными силами отбрасывает (центрифугирует) пластичный расширяющийся бетон на периферию к стенкам обоймы, центробежными силами уплотняют и отжимают из него избыточную влагу, улучшают водоцементное отношение, подают в центральный канал пар и, не прекращая вращения, пропаривают бетон изнутри, а при схватывании бетон расширяется, всесторонне распирает внешнюю обойму изнутри, а обойма препятствует расширению, всесторонне обжимает бетон снаружи и повышает его прочность, заканчивают вращение, получают готовые трубобетонные ветви, ориентируют большие габариты овалов перпендикулярно плоскости колонны, соединяют ветви решеткой из коробчатых в сечении элементов, оснащают базу ветвей анкерными балками, соединяющими ветви, а оголовки ветвей фланцами, высокоресурсными болтами присоединяют к фланцам траверсу, например, из овального профиля с отношением большего габарита к меньшему габариту, равным трем, к траверсе присоединяют верхнюю трубобетонную часть колонны и получают единую конструкцию - двухветвевую трубобетонную колонну, причем внутренние каналы используют для повышения огнестойкости конструкции, автоматически пропуская охлаждающую воду по аварийному сигналу, ограничивающую разогрев двухветвевой трубобетонной колонны в допустимых пределах.