Результат интеллектуальной деятельности: Фундамент стаканного типа под колонну

Изобретение относится к области строительства и касается проектирования и возведения сборно-монолитного железобетонного фундамента стаканного типа под колонну.

Известен сборно-монолитный фундамент под колонну, включающий армированную фундаментную плиту и подколонник со стаканной частью для колонны с заполненной бетоном полостью / А.с. SU 863774, Е02Д 27/42. Сборно-монолитный фундамент под колонну / Б.Х. Дин, заяв. 23.01.78, опубл. 15.09.81, Бюл. №34 [1].

Недостаток известного технического решения заключается в большом расходе материалов для устройства железобетонного фундамента, длительности срока его возведения, трудоемкости изготовления железобетонного фундамента в следствие применения разборно-переставной опалубки; в сложности и многооперационности технологии соединения железобетонного подколонника с армированной фундаментной плитой.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является конструкция отдельного фундамента, сопрягаемого со сборной колонной прямоугольного сечения, которая заделана в четырехгранный стакан железобетонного фундамента. Стенка стакана армирована неравномерно уложенными горизонтальными сетками с шагом U=50; 100 и 200 мм и вертикальными стержнями пространственного каркаса подколонника фундамента, поперечная арматура стенки стакана определена расчетом, продольная арматура подколонника принята конструктивно / Руководство по конструированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона - М, СИ, 1978, - 175 с. (см. гл. 2: Сетки, с. 13-18. Каркасы, с. 19-25; гл. 3: фундаменты, с. 65-89, рис. 59,а; рис. 60) [2]- взято за прототип.

Недостатками известного технического решения являются: сложность проектирования и изготовления элементов железобетонного фундамента, многооперационность при изготовлении арматурных сеток и многоплановость их расположения по высоте подколонника, большой расход бетона (на 30%) при изготовлении фундамента прямоугольного в плане, необходимость проектирования и изготовления временной опалубки, повышающей стоимость железобетонных работ на 25-30%.

Сущность изобретения заключается в совершенствовании конструкции, в упрощении расчета площади рабочей арматуры и проектирования подколонника из существующих сборных железобетонных элементов кольцевого очертания, используемых в качестве несъемной опалубки железобетонного фундамента; в снижении трудоемкости и сроков возведения фундамента; в повышении надежности работы и экономичности расходования изделий и материалов на изготовление железобетонного фундамента под колонну.

Технический результат - повышение прочности и жесткости фундамента под колонну; снижение трудозатрат на изготовление железобетонного фундамента на 30% и более; сокращение объема нового бетона на 30-50% для заполнения подколонника фундамента; повышение надежности работы фундамента колонны за счет надежного защемления железобетонной колонны здания в фундаменте; сокращение срока возведения железобетонного фундамента под колонну; повышение экономичности расходования изделий и материалов на изготовление фундамента стаканного типа.

Технический результат достигается тем, что в фундаменте под колонну, включающем железобетонный подколонник стаканного типа, армированный пространственным каркасом, и сопряженную с ним фундаментную плиту, особенностью является то, что подколонник выполнен из типового сборного железобетонного кольца, установленного в качестве несъемной опалубки на фундаментную плиту и заполненного бетоном замоноличивания с предварительной установкой по его центру опорного столбика, соединенного с фундаментной плитой, при этом пространственный каркас расположен между опорным столбиком и кольцом, а высота опорного столбика определена по уравнению (1):

где h_ck и h_c - высота железобетонного кольца и высота стакана подколонника, мм.

Класс бетона замоноличивания колонны в подколоннике принят не менее, чем на одну ступень выше класса бетона по прочности на сжатие железобетонного кольца.

Бетон замоноличивания и бетон кольца приведен к одному классу бетона по прочности на сжатие и толщина железобетонного кольца (c_red, мм) вычислена по уравнению (2):

где m₀=0,9; С - толщина железобетонного кольца по проекту, мм; R_b1 и R_b -расчетное сопротивление бетона железобетонного кольца и бетона замоноличивания, МПа.

Площадь сечения бетона подколонника (А, мм²) вычислена по уравнению (3):

где π=3,142; r₁ и r₂ - внутренний и наружный радиусы сечения железобетонного кольца, мм.

Внутренний (r₁ мм), наружный (r₂, мм) и средний (r_m, мм) радиусы кольцевого сечения подколонника вычислены по уравнению (4), (5) и (6):

где d₀ - диаметр пустоты железобетона, мм; D_H - наружный диаметр железобетонного кольца; С - толщина железобетонного кольца, мм; C_red - приведенная толщина железобетонного кольца, мм.

Коэффициент увеличения эксцентриситета продольной силы (η) вычислен по аналитическому уравнению (7):

где М - изгибающий момент на уровне обреза фундамента, кН⋅м; R_b - расчетное сопротивление монолитного бетона, МПа; r_m - средний радиус кольцевого сечения подколонника, мм; А - площадь сечения бетона подколонника, мм².

Относительная продольная сила на обрез фундамента (α_N) вычислена по уравнению (8):

где N - продольная сила, кН; R_b - расчетное сопротивление монолитного бетона, МПа; А - площадь сечения бетона подколонника, мм².

Относительный изгибающий момент (α_M) вычислен по уравнению (9):

где N - продольная сила, кН; е - эксцентриситет продольной силы, мм;

R_b - расчетное сопротивление монолитного бетона, МПа; А - площадь сечения бетона подколонника, мм²; r_m - средний радиус кольцевого сечения подколонника, мм.

Относительная площадь продольной рабочей арматуры пространственного каркаса (α_S) вычислена по аналитическому уравнению (10):

где α_M α_N - относительные изгибающий момент и соответственно продольная сила, действующие на уровне обреза фундамента.

Площадь сечения продольных стержней пространственного каркаса (A_S,tot, мм²), подколонника вычислена по уравнению (11):

где α_S - относительная площадь продольной рабочей арматуры пространственного каркаса; A_b,tot - суммарная площадь бетона в расчетном сечении подколонника, мм²; R_b и R_S - расчетные сопротивления монолитного бетона и арматуры класса А400 соответственно сжатию, МПа.

Поперечная арматура пространственного каркаса выполнена в виде спирали или в виде кольцевых стержней.

Для обеспечения проектного расположения продольной арматуры пространственного каркаса применены фиксаторы каркаса, остающиеся в бетоне замоноличивания.

В качестве опорного столбика использован отрезок стальной или пластмассовой трубы-пустотообразователя.

Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом заключена в следующем:

Использование несъемной железобетонной опалубки для возведения фундамента стаканного типа приводит к сокращению объема нового бетона для подколонника, а также к повышению производительности работ при изготовлении сварных сеток и арматурного каркаса, к повышению качества работ, к снижению срока возведения фундамента стаканного типа, к повышению экономичности расходования конструктивного бетона и арматурной стали. Исключение работ по созданию временной опалубки приводит к снижению трудозатрат по изготовлению железобетонного фундамента стаканного типа на 30% и более. Использование результатов математического описания алгоритма расчета прочности сжатого железобетонного элемента кольцевого сечения упрощает определение требуемой площади рабочей арматуры каркаса и несущей способности подколонника фундамента стаканного типа.

Пример. Исходные данные: Для развитого подколонника составного сборно-монолитного фундамента со стаканной частью под колонну диаметром d_КОЛ=400 мм использовано стеновое железобетонное кольцо с пустотообразователем диаметром d_Р=d_КОЛ=400 мм, внутренний диаметр D_B=700 мм, наружний диаметр D_H=840 мм, толщина стенки С=70 мм, бетон класса В20 (R_b1=11,5 МПа), монолитный бетон класса В30 (R_b=17 МПа), рабочая арматура пространственного каркаса класса А400 (R_S=350 МПа), число рабочих продольных стержней пространственного каркаса n=6÷8 шт., нагрузка на обрез фундамента: продольная сила N=3300 кН, изгибающий момент М=330 кН м, эксцентриситет продольной силы е₀=M/N=330/3300=0,1 м=100 мм.

Требуется определить площадь рабочих продольных стержней пространственного каркаса подколонника.

Расчет. 1) Приведенная к одному классу бетона по прочности на сжатие толщина кольца (c_red, мм) вычислена по уравнению (1):

где m₀=0,9 - коэфициент условий работы, С - толщина кольца, мм;

R_b1 R_b - расчетное сопротивление бетона кольца и бетона замоноличивания, МПа;

2) Внутренний (r₁, мм), наружный (r₂, мм) и средний (r_m,мм) радиусы кольцевого сечения подколонника вычислены по уравнению (3), (4) и (5):

где d₀ - диаметр пустоты железобетона, мм, D_H - наружный диаметр железобетонного кольца, мм, С и C_red - толщина кольца и приведенная к одному классу по прочности на сжатие толщина кольца, мм;

3) Коэффициент увеличения эксцентриситета продольной силы (η) вычислен по аналитическому уравнению (6):

где М - изгибающий момент на обрез фундамента, кН⋅м, R_b - расчетное сопротивление монолитного бетона на сжатие, МПа, r_m - средний радиус кольцевого сечения подколонника, мм, А_В - площадь сечения бетона подколонника, мм²;

4) Относительный изгибающий момент (α_М) вычислен по уравнению (8):

где N - продольная сила, кН, е - эксцентриситет продольной силы, мм, R_b - расчетное сопротивление монолитного бетона на сжатие, МПа, А_В - площадь сечения бетона подколонника, мм², r_m - средний радиус кольцевого сечения подколонника, мм

5) Относительная продольная сила вычислена по уравнению (7):

где N - продольная сила, кН, R_b - расчетное сопротивление монолитного бетона на сжатие, МПа, А_В - площадь сечения бетона подколонника, мм².

6) Относительная площадь продольных рабочих стержней пространственного каркаса (α_S) подколонника вычислена по аналитическому уравнению (9):

где α_М и α_N - относительный изгибающий момент и соответственно продольная сила на обрезе фундамента;

7) Площадь сечения продольных стержней пространственного каркаса (A_S,tot, мм²) подколонника вычислена по уравнению (10):

где α_S - относительная площадь сечения продольной арматуры каркаса;

A_b,tot - суммарная площадь бетона в расчетном сечении подколонника, мм²;

R_b и R_S - расчетные сопротивления бетона и арматуры сжатию, МПа. Принято

На фиг. 1 изображены армированный фундамент стаканного типа под колонну (продольное сечение А-А): 1 - железобетонное кольцо; 2 - колонна; 3 - бетон замоноличивания; 4 - продольная рабочая арматура пространственного каркаса; 5 - поперечная арматура пространственного каркаса в виде спирали; 6 - опорный столбик; 7 - пространственный каркас; 8 - фиксаторы каркаса; 9 - кольцо жесткости пространственного каркаса; 10 - фундаментная плита; 11 - арматура фундаментной плиты; 12 - монтажные петли; d_CT - диаметр стакана подколонника; d_кол - диаметр колонны; δ_СТ - толщина стенки стакана; С - толщина железобетонного кольца; b - толщина бетона замоноличивания; h_CK - высота железобетонного кольца; h_c - высота стакана подколонника, мм.

На фиг. 2 изображено поперечное сечение (Б-Б) стаканной части подколонника и его армирование: 1 - железобетонное кольцо; 2 - колонна; 3 - бетон замоноличивания; 4 - продольная рабочая арматура пространственного каркаса; 5 - поперечная арматура пространственного каркаса в виде спирали; 7 - пространственный каркас; 8 - фиксаторы каркаса; D_KC - диаметр пространственного каркаса; D_H - наружный диаметр железобетонного кольца; d_CT - диаметр стакана подколонника; d_КОЛ - диаметр колонны; δ_CT - толщина стенки стакана; С - толщина железобетонного кольца; b - толщина бетона замоноличивания;.

На фиг. 3 изображен пространственный каркас, образованный путем навивки спиральной арматуры (фиг. 3, а) или кольцевых стержней (фиг. 3, 6) на продольную рабочую арматуру: 4 - продольная рабочая арматура пространственного каркаса; 5 - поперечная арматура пространственного каркаса в виде спирали; 8 - фиксаторы каркаса; 9 - кольцо жесткости пространственного каркаса; 13 - поперечная арматура пространственного каркаса в виде кольцевых стержней.

На фиг. 4 изображен фиксатор каркаса, выполненный из стали, для обеспечения проектного положения пространственного каркаса: 4 - продольная рабочая арматура пространственного каркаса; 8 - фиксатор каркаса.

Фундамент под колонну состоит из подколонника стаканного типа, опорного столбика - 6, пространственного каркаса - 7, снабженного фиксаторами каркаса - 8, и бетона замоноличивания - 3.

Для изготовления подколонника стаканного типа в качестве несъемной опалубки использовано типовое железобетонное кольцо - 1, установленное на армированную фундаментную плиту - 10 в центре которого расположен опорный столбик - 6. В фундаментной плите - 10 заложена арматура - 11.

Опорный столбик - 6 в виде отрезка стальной или пластмассовой трубы установлен по центру подколонника на фундаментную плиту - 10 и надежно прикреплен к ней при помощи монтажных петель - 12. Опорный столбик - 6 высотой h_OC и диаметром d_OC предназначен для установки на нем колонны - 2. Наличие опорного столбика - 6 позволяет временно закрепить и отцентрировать положение колонны, а также сэкономить бетон замоноличивания - 3.

Для обеспечения проектного положения продольной рабочей арматуры пространственного каркаса - 4, а также нормативной величины защитного слоя бетона необходимо предусматривать специальные фиксаторы каркаса - 8. Это отрезки стержней арматуры, соединенные между собой и с продольной рабочей арматурой пространственного каркаса - 4 сварными швами. Фиксаторы каркаса - 8 упираются во внутреннюю поверхность железобетонного кольца - 1, являющегося одновременно опалубкой для бетона замоноличивания - 3, фиксируя таким образом проектное положение арматурного каркаса.

Кольцо жесткости пространственного каркаса - 9 представляет собой арматурный стержень, согнутый в кольцо. Диаметр арматурного стержня, применяемого для создания кольца жесткости пространственного каркаса - 9, превышает диаметр поперечной арматуры пространственного каркаса в виде спирали - 5. Это позволяет увеличить жесткость арматурного каркаса.

Прочность и жесткость фундамента стаканного типа под колонну повышается за счет использования типового железобетонного кольца - 1 в качестве несъемной опалубки при изготовлении подколонника стаканного типа. Прочность и жесткость конструкции также может быть повышена за счет применения более высоких классов по прочности бетона и арматуры. Поперечная арматура пространственного каркаса в виде спирали - 5 также способствует дополнительному повышению сопротивления сжатию бетона в зоне местного сжатия.

Предлагаемое техническое решение по проектированию и изготовлению подколонника фундамента стаканного типа позволяет значительно снизить расход материалов, снизить трудоемкость при возведении работ нулевого цикла здания. Оно используется в «Центре инженерно-технических разработок» и «Отраслевой научно-исследовательской лабораторий железобетонных конструкций» Академии строительства и архитектуры СамГТУ (Самара 2020 г.)

Источники информации

1. А.с. SU 863774, Е02Д 27/42. Сборно-монолитный фундамент под колонну / Б.Х. Дин, заяв. 23.01.78, опубл. 15.09.81, Бюл. №34

2. Руководство по конструированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона. - М., Стройиздат, 1978, - 175 с. (см. гл. 2: Сетки, с. 13-18; Каркасы, с. 19-25; гл. 3: Фундаменты, с. 65-89, рис. 59, а; рис. 60).