СПОСОБ ЖЕСТКОГО СОЕДИНЕНИЯ ОВАЛЬНОГО В СЕЧЕНИИ ТРУБЧАТОГО РИГЕЛЯ С ОВАЛЬНОЙ В СЕЧЕНИИ ТРУБОБЕТОННОЙ КОЛОННОЙ КАРКАСА

Предлагаемое изобретение относится к трубобетонным каркасам гражданских и производственных сооружений, а именно к долговечности и надежности сооружений.

Известны узлы соединения ригелей с колоннами, приведенные в учебнике, в которых колонна выполняется на несколько этажей, а ригели применяются разрезными [1, с.328, рис.117…рис.121, с.445, рис.163]. Аналогичные узлы приведены в [2, с.18, рис.1.4.]. Трудоемкость таких стыков высокая. Надежность стыков может быть повышена, а материалоемкость снижена.

Известны трубобетонные колонны, в которых стальная оболочка из трубы является обоймой и значительно упрочняет бетон, находящийся внутри нее в 1,92…1,5 раза [3, с.191, табл.8.3.]. Примем это техническое решение за аналог.

Известно также, что при трансформации цилиндрической трубы в овал с эллиптической поверхностью [4], или в овал с поверхностью, очерченной по квадратной параболе [5], причем отношение большего габарита по средней линии к меньшему габариту равно трем, превращает профиль, обладающий отличными характеристиками при его изгибе! Показатели оказываются даже лучшими, чем у двутаврового профиля! Примем упомянутые овальные в сечении профили за аналоги.

Известен также «Способ усиления железобетонной колонны, утратившей несущую способность» [6, №2274719], предложенный К.К.Неждановым и разработанный с аспирантами. Способ реализован на ТЭЦ-1, г.Пенза. Способ заключается в превращении обычной железобетонной колонны, получившей сильные повреждения в результате коррозии бетона и арматуры, в трубобетонную колонну. Способ позволяет не только полностью восстановить утраченную несущую способность, но и увеличишь ее в необходимое число раз. Примем это техническое решение за прототип.

Техническая задача изобретения - автоматизация процесса возведения каркаса сооружения, повышение технологичности процесса, снижение трудоемкости и повышение надежности соединения ригеля с колонной.

Техническая задача по способу автоматизация процесса жесткого соединения овального в сечении трубчатого ригеля с овальной в сечении трубобетонной колонной каркаса решена следующим образом.

Способ, автоматизирующий процесс возведения каркаса сооружения, заключается в следующем.

Изгибаемый ригель пропускают сквозь узел неделимым, целым, а оголовок нижней колонны выполняют лоткообразным, с продольными отогнутыми ребрами, копирующим и охватывающим поверхность овала снизу.

Ригель плотно вкладывают в оголовок колонны, совмещая фиксирующие штифты с ответными отверстиями в лотке оголовка, а базу верхней колонны выполняют подобно оголовку - лоткообразной и снабжают фиксирующими штифтами с ответными отверстиями в отгибах оголовка.

Безвыверочно монтируют верхнюю колонну, совмещая фиксаторы с ответными отверстиями, и образуют с лотком оголовка овальную трубчатую полость с габаритами 3/1 и плотно охватывают вложенный в полость овальный в сечении ригель с такими же габаритами 3/1.

Причем продольные ребра базы верхней колонны и оголовка нижней колонны соединяют друг с другом высокоресурсными соединениями, например высокопрочными легированными шпильками, гарантированно затягивают их гайковертом и образуют единый монолитный узел из колонн и ригеля.

На фиг.1 показан узел жесткого соединения овального в сечении трубчатого ригеля с овальной в сечении трубобетонной колонной каркаса. Причем бетон выполнен с применением расширяющегося цемента. Бетон нагнетают в колонну по патрубку в нижней части колонны способом «снизу-вверх». После схватывания бетона происходит его расширение, а стальная обойма препятствует этому расширению. Бетон оказывается всесторонне сжат, его прочность значительно возрастает (см. пример расчета) На фиг.2 - вид сбоку на фиг.1. На фиг.3 - вид А-А и вид Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - вид С-С на фиг.1. На фиг.5 - сечение главной балки; на фиг.6 - расчетная схема трехпролетного неразрезного ригеля; на фиг.7 - болтовое соединение трубобетонной колонны с двутавровым неразрезным ригелем; на фиг.8 - жесткое соединение трубобетонной колонны с овальным в сечении ригелем; на фиг.9 - расчетная схема центрально сжатой трубобетонной колонны; на фиг.10 - сечение стальной трубы ⌀480×6 мм; на фиг.11 - сечение стальной трубы ⌀480×5 мм; на фиг.12 - сечение трубобетонной колонны диаметром ⌀480 мм с центральным каналом в центре сечения колонны.

Изгибаемый ригель 1 пропускают сквозь узел неделимым, целым, а оголовок 2 нижней колонны 3 выполняют лоткообразным, с продольными отогнутыми ребрами 4, копирующим и охватывающим поверхность овала ригеля 1 снизу.

Ригель 1 ориентирован большим габаритом вертикально. Его плотно вкладывают в оголовок 2 колонны 3, совмещая фиксирующие штифты 5 с ответными отверстиями в лотке оголовка 2, а базу 6 верхней колонны 7 выполняют подобно оголовку - лоткообразной и снабжают фиксирующими штифтами 8, западающими в ответные отверстия в отгибах 4 оголовка 2.

Безвыверочно монтируют верхнюю 7 колонну, совмещая фиксирующие штифты 8 с ответными отверстиями, и образуют с лотком оголовка овальную трубчатую полость с габаритами 3/1 и плотно охватывают вложенный в полость овальный в сечении ригель 1 с такими же габаритами 3/1. Колонны нижняя 3 и верхняя 7 и ригель 1 ориентированы большими габаритами в плоскости рамы каркаса сооружения. Причем продольные ребра 4 базы верхней 7 колонны и оголовка 2 нижней 3 колонны соединяют друг с другом высокоресурсными соединениями, например высокопрочными легированными 9 шпильками (сталь 40Х «Селект»), гарантированно затягивают их гайки гайковертом и образуют единый монолитный узел из колонн 3, 7 и ригеля 1.

Стальная пластинка 10, на которую опирается второстепенная балка, пропущена сквозь овальный ригель и закреплена сваркой. 11 - второстепенная балка, 12 и 13 - накладки, перекрывающие верхний пояс второстепенной балки, 14 - высокопрочные легированные шпильки (сталь 40Х «Селект»).

При монтаже узла необходима установка специальных перегородок для того, чтобы при бетонировании колонны более высокого этажа бетон не заполнял ригель.

В теле колонны имеется канал. При возникновении пожара и повышении температуры датчик подает сигнал и автоматически включается подача воды по полости ригеля и каналу в колонне. Это позволяет не допустить разогрев стального каркаса до температуры, вызывающей снижение прочностных свойств стали.

Сопоставление с аналогом [3, с.191] показывает существенное отличие - обойма выполнена овальной в сечении с соотношением большего габарита к меньшему, равным трем. Узлы жесткого соединения ригеля с трубобетонной колонной не найдены. Узлы показаны в [1, с.328] и в [2, с.68] относятся к колоннам и ригеля, армированным стержневой арматурой. Трудоемкость возведения сооружения с такими конструктивными решениями узлов высокая.

Экономический эффект достигнут за счет снижения трудоемкости изготовления и безвыверочного монтажа элементов рамы. Высокоресурсные болтовые соединения обеспечивают быстрый автоматизированный монтаж конструкций при любых погодных условиях. Выполнение ригеля цельным обеспечивает высокую надежность узлового соединения и позволят достигнуть значительного снижения материалоемкости.

Выполнение трубобетонной колонны и ригеля из овальных профилей с относительной высотой сечения 3/1 также обеспечивает снижение материалоемкости.

ПРИМЕР КОНКРЕТНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ

Необходимо сравнить новое решение узла сопряжения с уже известными техническими решениями. Для сравнения возьмем узел сопряжения неразрезного ригеля из прокатного широкополочного двутавра с трубобетонной колонной каркаса.

РИГЕЛЬ

Расчет ригеля производим в соответствии с требованиями СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия». Напряжения в этом СНиП 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_cp=0,58·R_y=133,4 МПа.

Расчет производился в расчетном комплексе SCAD. В результате получились следующие внутренние усилия:

M_max=M_оп=8863,1 гНм

Q_max=5174,6 гН

M_тр ^max=3833,5 см³ ⇒ по сортаменту подбираем двутавр 50Ш4

W_ф=3838 см³, m=173,38 кг.

Сечение главной балки представлено на фиг.5.

Ригель будет состоять из трех составных балок прокатного профиля, сечением I 50Ш4. Стыки балок будут находиться в местах, где момент равен нулю . Схема трехпролетного неразрезного ригеля показана на фиг.6.

Для сравнения подбираем по сортаменту овальный профиль W_тр ^max=3833,5 см³ ⇒ W_ф=4074,7 см³, m=140,3 кг.

Болтовое соединение трубобетонной колонны с двутавровым неразрезным ригелем показано на фиг.7, жесткое соединение трубобетонной колонны с овальным в сечении ригелем на фиг.8.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРУБОБЕТОННОЙ КОЛОННЫ

Расчет круглой в сечении трубобетонной колонны аналогичен расчету овальной трубобетонной колонны. Рассчитаем круглую трубобетонную колонну.

Исходные данные: N=15770 гН; l_ef=4.8 м; R=240 МПа; γ_n=0,95; λ=40. Задаемся φ=0,8,γ=1

N - сжимающая сила;

l_ef - расчетная длина колонны;

φ - коэффициент продольного изгиба;

γ - коэффициент условий работы,

λ - гибкость ,

i - радиус инерции сечения.

Расчетная схема центрально сжатой колонны с шарнирно опертыми концами показана на фиг.9.

Так как эксцентриситет равен нулю, эффект максимален. Находим требуемую площадь сечения стальной трубы из условия ее устойчивости

Задаемся толщиной стенки t=0.6 см. Находим диаметр стальной трубы:

А=π·d·t;

По сортаменту принимаем стандартную круглую трубу круглую D_н=480 мм,

толщина стенки t=6 мм; A - площадь поперечного сечения A=74,6 см²; i_x=i_y=16,8 см (см. фиг.10).

A_ф - фактическая площадь сечения А_ф=π·d·t=3,14·47,5·0,6=90,3 см²

гибкость колонны

приведенная гибкость

коэффициент продольного изгиба

Проверяем устойчивость

Устойчивость обеспечена с запасом.

Избыточный запас, необходимо откорректировать сечение.

Корректируем сечение. По сортаменту принимаем трубу круглую D_н=480 мм, толщина стенки t=5 мм; А=74,6 см²; i_х=i_y=14,9 см (см. фиг.11)

Проверяем устойчивость

Устойчивость обеспечена.

Несущая способность равна: F_тр=γ·φ·R_y·A=1·0,924·74,6=16543,3 гН>15770 гН

Площадь бетона на расширяющемся цементе (заполнение плотное полное).

Сечение колонны показано на фиг.12.

k_б=1,92 (М200) - коэффициент, учитывающий увеличение прочности бетона при обжатии его обоймой; [3, с. 191]

R_y=240 МПа;

R_bn=11.28 МПа;

λ=32,21;

А_тр=74,6 см²;

;

;

Приведенная гибкость:

φ=0,654

Несущая способность трубобетонной колонны:

F_трубоб=(А_б·R_bn·k_б+А_тр·R)·φ

F_трубоб=(1734,9·11,28·1,92+74,6·240)·0,654=(37573,77+17904)·0,654=36282,5 гН

Несущая способность стальной трубы:

F=γ·φ·R_y·A=1·0.924·240·74,6=16543,3 гН>15770 гН

При заполнении трубы бетоном произошло значительное увеличение несущей способности

Следовательно, трубобетонные колонны необходимо более широко применять при проектировании каркасов зданий.

Список литературы

1. Железобетонные и каменные конструкции: Учебник для строительных специальностей вузов / В.М.Бондаренко, P.O.Бакиров, В.Г.Назаренко, В.И.Римшин; Под ред. В.М.Бондаренко, - 4-е изд., доп. - М.: Высш. шк., 2007, - 887 с.

2. Кудзис А.П. Железобетонные и каменные конструкции: Учебник для строительных специальностей вузов. В 2-х частях. Ч.2. Конструкции промышленных и гражданских зданий и сооружений. - М.: Высш. шк., 1989, - 264 с.

3. Металлические конструкции. Общий курс: учебник для студ. высш. учебн. заведений / [Е.И.Беленя, В.А.Балдин, Г.С.Ведеников и др.]; под общ. ред. Е.И.Беленя. - 6-е изд. М.: Стройиздат, 1986, - 560 с. (Аналог).

4. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Туманов В.А., Карев М.А. Рельсобалочная конструкция. Патент России №2192381. М. кл. B66C 6/00, 7/08. Бюл №.31. Зарег. 10.11.2002 (Аналог).

5. 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 (Аналог).

6. Нежданов К.К., Туманов В.А., Нежданов А.К. Способ усиления железобетонной колонны, утратившей несущую способность. Патент России №2274719. Бюл. №11. Опубликовано 20.04.2006 (Прототип).