Стыковое соединение арматурных стержней Российский патент 2024 года по МПК E04C5/16 

Изобретение относится к стыковым соединениям арматурных стержней и может быть использована при строительно-монтажных работах и изготовлении из железобетона строительных конструкций различного назначения, преимущественно сборных и монолитных. Техническое решение может быть, также, использовано в конструкции грунтовых анкеров, нагелей, микросвай для строительства и анкерных тяг, при сооружении шпунтовых стенок гидротехнических сооружений.

Известно стыковое соединение арматурных стержней (патент RU 195721, МПК E04C5/16, опубл. 2020.02.04), включающее элементы соединения, в качестве которых используют соединяемые между собой арматурные стержни, и средство соединения, в качестве которого используют соединительную муфту цилиндрической формы, закрепляемую на концах стыкуемых арматурных стержней, при этом на внутренней поверхности муфты и концах арматурных стержней выполнена метрическая резьба, служащая для ответного взаимодействия элементов и средства соединения, причем муфта представляет собой полый цилиндр, по всей длине внутренней поверхности которого выполнена резьба с углом профиля от 60 до 75°, наружным диаметром от 16 до 40 мм и шагом от 2 до 3 мм, при этом отношение длины резьбы, выполненной на внутренней поверхности муфты, к диаметру стыкуемой арматуры составляет не менее 2,5, а отношение площади поперечного сечения муфты к площади поперечного сечения арматуры - не менее 1,15.

Недостатком известного технического решения является высокая трудоемкость изготовления стыкового соединения и низкая надежность из-за уменьшения диаметра стержней при их проточке под метрическую резьбу.

Известно муфтовое соединение арматурных стержней (патент RU 205918 U1), МПК E04C5/16, опубл. 2021.08.12) включающее стальные арматурные стержни с выполненной на концах наружной цилиндрической резьбой, стальную муфту с внутренней цилиндрической резьбой, соответствующей резьбе арматурных стержней. Профиль резьбы выполнен треугольным с углом профиля резьбы от 50° до 65°, шаг резьбы p составляет от 1,25 мм до 6,0 мм, наружный диаметр резьбы находится в диапазоне от 12 мм до 64 мм, на внутренней цилиндрической резьбе муфты выполнено покрытие, прочность которого меньше прочности металла, из которого изготовлена муфта.

Недостатком известного технического решения, как и в предыдущем техническом решении, является высокая трудоемкость изготовления стыкового соединения и низкая надежность из-за уменьшения диаметра стержней при их проточке под метрическую резьбу.

Известен узел для соединения двух арматурных стержней встык состоящий из двух частей (патент EP0098099, МПК E04C5/165, опубл. 1984.03.28). Каждая часть представляет собой втулку, имеющую концевую часть, подлежащую обжатию со стержнем, и соединительную часть, причем соединительные части имеют резьбу. Подключение может быть выполнено на месте с использованием неквалифицированной рабочей силы. Соединения двух арматурных стержней, расположенных встык, с помощью узла соединения, содержащего две втулки, при этом способ соединения включает обжим нерезьбовой части первой втулки на концевой части первого стержня, причем втулка имеет отверстие с резьбовой частью, которая выступает за пределы первого стержня, и обжатие на втором стержне нерезьбовой части второй втулки при этом втулка имеет концевую часть с наружной резьбой, которая выступает за пределы второго стержня. Соединение стержней осуществляется путем ввинчивания конца второй втулки с внешней резьбой в резьбовую часть первой втулки.

Недостатком известного технического решения является высокая трудоемкость изготовления узла соединения арматурных стержней, наличие дополнительных операций при монтаже, связанных с обжатием муфтовых втулок на концевых частях стержней, отсутствие решений для анкерных тяг с применением натяжных муфт для регулирования длины анкерных тяг при монтаже.

Известен, наиболее близкий к заявляемому, узел соединения арматурных стержней (Вестник РУДН. Серия: Инженерные исследования. Строительство. Обзор высокопрочной винтовой арматуры, применяемой в предварительно напряженных конструкциях. Рис. 5, винтовая арматура с основными винтовыми соединениями, стр. 87. https://cyberleninka.ru/article/n/obzor-vysokoprochnoy-vintovoy-armatury-primenyaemoy-v-predvaritelno-napryazhennyh-konstruktsiyah).

Узел содержит арматурные стержни с однозаходным винтовым профилем выступов на поверхности типа DYWIDAG расположенные встык и гайки с контргайками. Узел применяется в предварительно-напряженных строительных конструкциях. Профиль сечения выступов имеет трапецеидальный вид с углом профиля 82°-90°. Известное техническое решение не оговаривает соотношение между шагом резьбы, толщиной и высотой выступов, определяющее оптимальную работу витков на смятие и срез, а, также, обеспечение собираемости (свинчиваемости) арматурных стержней и гаек.

Целью настоящего технического решения является снижение затрат на изготовление и монтаж арматурных стержней, повышение надежности соединения за счет снижения напряжений на смятие и срез витков при осевой нагрузке стержней, обеспечение хорошей собираемости (свинчиваемости) стержней и муфты, а, также, уменьшение напряжений в бетоне на контакте с арматурными стержнями.

Выполнение указанной цели обеспечивается тем, что стыковое соединение арматурных стержней, включающее два арматурных стержня с выступами трапецеидального сечения на наружной поверхности стержней, расположенными по однозаходной винтовой линии и муфту трубчатого сечения, охватывающую стержни, на внутренней поверхности которой выполнена трапецеидальная резьба, по шагу и углу профиля β соответствующая выступам на арматурных стержнях, согласно изобретению, шаг выступов Тс арматурных стержней и резьбы Тм муфты составляет 0,40-0,50 диаметра арматурного стержня, высота Hс выступов составляет 0,05-0,06 диаметра арматурного стержня, толщины витков трапецеидального винтового выступа арматурного стержня Вс и витков трапецеидальной резьбы муфты Вм составляют, соответственно, 0,38-0,42 шага выступов арматурного стержня Тс и шага резьбы муфты Тм, при этом угол профиля β выступов арматурного стержня и резьбы муфты составляет 90°-120°.

Толщина витков трапецеидальной резьбы муфты Вм составляет 1,0-1,1 толщины витков трапецеидального винтового выступа арматурного стержня Вс.

Направление винтовых линий выступов на арматурных стержнях и направление трапецеидальной резьбы муфты - левое.

Направление винтовых линий выступов на арматурных стержнях и направление трапецеидальной резьбы муфты - правое.

Направление винтовой линии выступов на одном из арматурных стержней - левое, на втором арматурном стержне - правое, направление трапецеидальной резьбы на одной половине муфты - левое, на второй половине муфты - правое, при этом внутренняя поверхность муфты с разным направлением резьбы разделена цилиндрической канавкой шириной не менее шага резьбы.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображен:

Фиг. 1 - общий вид соединения, тип 1 (направление витков стержней - левое);

Фиг. 2 - общий вид соединения, тип 2 (направление витков стержней - правое);

Фиг. 3 - общий вид соединения, тип 3 (направление витков стержней - левое и правое);

Фиг. 4 - фрагмент сечения соединения арматурного стержня с муфтой;

1 - 6 - арматурный стержень;

7 - винтовой выступ арматурного стержня;

8 - 10 - муфта;

11 - трапецеидальная резьба на внутренней поверхности муфты;

12 - виток трапецеидальной резьбы муфты;

Dc - диаметр арматурного стержня, мм;

Dм - внутренний диаметр муфты, мм;

Dнм - наружный диаметр муфты, мм;

Lм - длина муфты, мм;

Н - высота выступа (витка) трапецеидального сечения, мм;

В - толщина витка (выступа), мм (на фиг. не указан);

Вс - толщина витка трапецеидального винтового выступа арматурного стержня (по средней линии О1-О1), мм;

Вм - толщина витка трапецеидальной резьбы муфты (по средней линии О2-О2), мм;

Tс - шаг винтовых выступов арматурного стержня, мм;

Тм - шаг трапецеидальной резьбы муфты, мм;

β - угол профиля винтового выступа арматурного стержня, витка трапецеидальной резьбы муфты, мм.

Стыковое соединение арматурных стержней, включающее два арматурных стержня 1, 2 (Фиг. 1), 3, 4 (Фиг. 2), 5, 6 (Фиг. 3) с наружным диаметром Dc и выступами 7 высотой Нс (Фиг. 4) трапецеидального сечения на наружной поверхности стержней 1 - 6, расположенными по однозаходной винтовой линии с шагом Тс и муфту 8 (Фиг. 1), 9 (Фиг. 2), 10 (Фиг. 3) трубчатого сечения с наружным диаметром Dнм и внутренним диаметром Dм и длиной Lм, охватывающую стержни 1 - 6 на внутренней поверхности которой выполнена трапецеидальная резьба 11 с высотой витков Нм, по шагу Тм и углу профиля β соответствующая выступам 7 на арматурных стержнях 1 - 6. Шаг Т выступов 7 арматурных стержней 1 - 6 и резьбы 11 муфты 8 -10 составляет 0,40-0,50 диаметра Dc арматурного стержня 1 - 6, высота Hc выступов 7 составляет 0,05-0,06 диаметра Dc арматурного стержня, а толщина Вс выступов 7 по средней линии O1-O1 на арматурных стержнях 1 - 6 составляет 0,38-0,42 шага Tс винтовых выступов 7, при этом угол β профиля винтовых выступов 7 составляет 90°-120°. Толщина Вм выступов 12 по средней линии O2-O2 трапецеидальной резьбы 11 муфты 8 - 10 составляет 1,0-1,1 толщины Вс выступов на арматурных стержнях 1 - 6.

Направление винтовых линий выступов 7 на арматурных стержнях 1 - 4 и направление трапецеидальной резьбы 11 муфты 8 - 9 может быть левым (Фиг. 1) или правым (Фиг. 2), а, также, направление винтовой линии выступов 7 на одном из арматурных стержней 5 - левое, на втором арматурном стержне 6 - правое, а направление трапецеидальной резьбы 11 на одной половине муфты 10 - левое, на второй половине - правое, при этом внутренняя поверхность муфты 10 с разным направлением резьбы 11 разделена цилиндрической канавкой шириной не менее шага Т резьбы 11 (Фиг. 3).

Следует отметить, что в реальном производстве шаг Тс винтовых выступов на арматурных стержнях может отличаться от шага Тм трапецеидальной резьбы муфты из-за допусков на изготовление. При заданных изобретением толщине винтового выступа арматурного стержня составляющим 0,38-0,42 шага Т, расстояние между соседними выступами соответствует 0,58-0,62 шага Т, а толщина выступов составляет 0,38-0,46 шага Т (при Вм = 1,0-1,1 Вс), при этом зазор между витками арматурного стержня и витками трапецеидальной резьбы муфты находится в диапазоне 0,12-0,24 шага Т. Указанный зазор обеспечивает гарантированную свинчиваемость (собираемость) анкерных стержней с муфтой на длине 6-12 витков при допусках шага Тс винтовых выступов анкерных стержней и шага Тм трапецеидальной резьбы муфты составляющих ±0,01 шага Т.

Выполнение профиля винтовых выступов на анкерных стержнях и трапецеидальной резьбы с углом β, равным 90°-120° позволяет увеличить ширину подошвы витка по сравнению с известными техническими решениями и, тем самым, улучшить работу витков на срез, а, также, увеличить площадь боковых сторон витков для уменьшения контактных напряжений. Увеличение угла β профиля витков арматурных стержней до 90°-120° позволяет улучшить условия для заполнения межвиткового пространства арматурных стержней бетоном, а, также, улучшить условия передачи осевых усилий от стержней на бетон.

Выполнение арматурных стержней и трапецеидальной резьбы муфты с левым или правым направлением витков (тип 1, 2) позволяет использовать данное техническое решение для соединения и укрупнения арматурных стержней в различных железобетонных конструкциях, а, также, для анкерных систем, грунтовых анкеров, нагелей, микросвай. Выполнение арматурных стержней и трапецеидальной резьбы муфты одновременно с левым и правым направлением витков (тип 3) позволяет использовать данное техническое решение в анкерных системах для регулирования длины анкерной тяги, где муфта используется в качестве натяжной.

Примеры использования изобретения приведены в таблице 1.

Таблица 1.

№ п/п Dc, мм T, мм Hс, мм Bc, мм Bм, мм β°, градус 1 52 24 2,8 9,6 10,0 90 - 120 2 60 28 3,2 11,2 11,5 90 - 120 3 72 32 3,8 12,8 13,5 90 - 120

Обозначения в таблице 1:

Dc - диаметр арматурного стержня, мм;

Т - шаг витков арматурного стержня, трапецеидальной резьбы муфты, мм;

ΔТ - допуск на шаг витков арматурного стержня, трапецеидальной резьбы муфты, мм;

Нс - высота витка арматурного стержня, трапецеидальной резьбы муфты, мм;

Вс - толщина витка трапецеидального винтового выступа арматурного стержня (по средней линии О1-О1), мм;

Вм - толщина витка трапецеидальной резьбы муфты (по средней линии О2-О2), мм;

β° - угол профиля витков арматурного стержня, трапецеидальной резьбы муфты, градус.

Проведена оценка напряжений на смятие и срез витков в соединении арматурные стержни - муфта и напряжений в бетоне на контакте арматурный стержень - бетон при разных углах профиля витков.

Контактное давление между витками стержней винтовой арматуры и муфты соответствует формуле:

где:

р - контактное давление (напряжение смятия), МПа;

F - осевая сила, H;

S - площадь контакта витков арматуры и муфты, мм²;

β - угол профиля витков арматуры, муфты, градус;

ϕ - угол трения между витками арматуры и муфты, градус (tg(ϕ) = 0,15 - 0,20);

Проведенный расчет показал, что уровень контактных давлений в соединении арматурные стержни - муфта с углом профиля витков β, равным 100°, составляет 97 - 98 %; в соединении с углом профиля витков 110° - 93-95 %, а в соединении с углом профиля витков 120° - 89-91% от уровня контактного давления в соединении арматурные стержни - муфта с углом профиля витков 90°;

Напряжение на срез витков арматурных стержней и муфты в соединении арматурные стержни - муфта обратно пропорционально толщине подошвы витков, при этом

где:

Впс - толщина подошвы витка арматурного стержня, мм;

Вс - толщина витка арматурных стержней по средней линии О1 - О1, мм;

Нс - высота витков арматурных стержней, муфты, мм;

β - угол профиля витков арматурных стержней, витков, градус;

Впм - толщина подошвы витка муфты, мм;

Вм - толщина витка муфты по средней линии О2 - О2, мм.

Проведенный расчет показал, что уровень напряжений на срез витков арматурных стержней и муфты в соединении арматурные стержни - муфта с углом профиля β, равным 100° соответствует 95 - 97 %, с углом профиля 110° - 89 - 92 % и с углом профиля 120° - 83 - 88 % от уровня напряжений на срез витков арматурных стержней и муфты с углом профиля 90°.

Напряжения в бетоне на контакте арматурный стержень - бетон обратно пропорциональны расстоянию между вершинами соседних витков, при этом:

где:

Ввс - расстояние между вершинами соседних витков арматурных стержней, мм;

Тс - шаг витков на арматурном стержне, мм;

Вс - толщина витка арматурного стержня по средней линии О1 - О1, мм;

Нс - высота витков арматурного стержня, мм

β - угол профиля витков арматурного стержня, градус.

Проведенный расчет показал, что уровень напряжений в бетоне на контакте арматурный стержень - бетон с углом профиля витка β, равным 100°, соответствует 96 - 97 %, с углом профиля 110° - 92 - 94 % и с углом профиля 120° - 87 -90 %.

Проведенный анализ показывает, что с увеличением угла профиля витков β муфты и арматурных стерней в диапазоне 90° - 120° происходит снижение напряжений на смятие и срез витков в соединении арматурные стержни - муфта, а, также, напряжений на контакте арматурный стержень - бетон. Увеличение угла профиля свыше 120° нецелесообразно из-за увеличения угла трения при соединении арматурных стержней и муфты.

Оценка собираемости (свинчиваемости) арматурных стержней и муфты.

В общем случае шаги витков на арматурных стержнях и муфте не совпадают. При этом:

с учетом допусков на изготовление, где:

Тс - шаг витков на арматурном стежне, мм;

Тм - шаг витков на муфте, мм;

Толщина витков муфты и арматурного стержня соответствует формулам:

или

где:

Вм - толщина витков на муфте, мм;

Вс - толщина витков на арматурных стержнях, мм.

Число витков, при которых обеспечивается гарантированная собираемость (свинчивание) муфты с арматурными стержнями определяется в соответствии с формулами:

Nmin = (0,98Tм - 0,42Тм - 0,43Тм) / (Тм-0,98Тм) = 6,5 витков;

Nmax = (Тм - 0,38Тм - 0,37Тм) / (1,02Тм - Тм) = 12,5 витков,

где:

Nmin - минимальное число витков на муфте, при котором обеспечивается гарантированное ее свинчивание с арматурным стержнем;

Nmax - максимальное число витков на муфте, при котором обеспечивается гарантированное ее свинчивание с арматурным стержнем.

Изобретение может быть использовано при строительно-монтажных работах и изготовлении из железобетона строительных конструкций различного назначения, преимущественно сборных и монолитных. Техническое решение может быть, также, использовано в конструкции грунтовых анкеров, нагелей, микросвай для строительстве и анкерных тяг при сооружении шпунтовых стенок гидротехнических сооружений.

Техническое решение позволяет снизить затраты на изготовление и монтаж и повысить надежность соединения за счет снижения напряжений на смятие и срез витков при осевой нагрузке стержней, обеспечение хорошей собираемости (свинчиваемости) стержней и муфты, а, также, уменьшить напряжения в бетоне на контакте с арматурными стержнями.

Изобретение относится к стыковым соединениям арматурных стержней и может быть использовано при строительно-монтажных работах и изготовлении из железобетона строительных конструкций. Технический результат - повышение надежности соединения за счет снижения напряжений на смятие и срез витков при осевой нагрузке стержней. Стыковое соединение арматурных стержней включает два арматурных стержня с выступами трапецеидального сечения на наружной поверхности стержней, расположенными по однозаходной винтовой линии, и муфту трубчатого сечения, охватывающую стержни, на внутренней поверхности которой выполнена трапецеидальная резьба, по шагу и углу профиля β соответствующая выступам на арматурных стержнях. Шаг выступов Тс арматурных стержней и резьбы Тм муфты составляет 0,40-0,50 диаметра арматурного стержня, высота Hс выступов составляет 0,05-0,06 диаметра арматурного стержня, толщины витков трапецеидального винтового выступа арматурного стержня Вс и витков трапецеидальной резьбы муфты Вм составляют соответственно 0,38-0,42 шага выступов арматурного стержня Тс и шага резьбы муфты Тм. Угол профиля β выступов арматурного стержня и резьбы муфты составляет 90-120°. Толщина витков трапецеидальной резьбы муфты Вм составляет 1,0-1,1 толщины витков трапецеидального винтового выступа арматурного стержня Вс. Направление винтовых выступов на арматурных стержнях, направление резьбы частей муфты могут быть выполнены различными. 4 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Стыковое соединение арматурных стержней, включающее два арматурных стержня с выступами трапецеидального сечения на наружной поверхности стержней, расположенными по однозаходной винтовой линии, и муфту трубчатого сечения, охватывающую стержни, на внутренней поверхности которой выполнена трапецеидальная резьба, по шагу и углу профиля β соответствующая выступам на арматурных стержнях, отличающееся тем, что шаг выступов Тс арматурных стержней и резьбы Тм муфты составляет 0,33-0,50 диаметра арматурного стержня, высота Hс выступов составляет 0,05-0,06 диаметра арматурного стержня, толщины витков трапецеидального винтового выступа арматурного стержня Вс и витков трапецеидальной резьбы муфты Вм составляют соответственно 0,38-0,42 шага выступов арматурного стержня Тс и шага резьбы муфты Тм, при этом угол профиля β выступов арматурного стержня и резьбы муфты составляет 90-120°.

2. Стыковое соединение по п. 1, отличающееся тем, что толщина витков трапецеидальной резьбы муфты Вм составляет 1,0-1,1 толщины витков трапецеидального винтового выступа арматурного стержня Вс.

3. Стыковое соединение по любому из пп. 1, 2, отличающееся тем, что направление винтовых линий выступов на арматурных стержнях и направление трапецеидальной резьбы муфты – левое.

4. Стыковое соединение по любому из пп. 1, 2, отличающееся тем, что направление винтовых линий выступов на арматурных стержнях и направление трапецеидальной резьбы муфты – правое.

5. Стыковое соединение по любому из пп. 1, 2, отличающееся тем, что направление винтовой линии выступов на одном из арматурных стержней – левое, на втором арматурном стержне – правое, направление трапецеидальной резьбы на одной половине муфты – левое, на второй половине муфты – правое, при этом внутренняя поверхность муфты с разным направлением резьбы разделена цилиндрической канавкой шириной не менее шага резьбы.