Строительный элемент в виде стойки

Полезная модель относится к области строительства и может быть использована в качестве элемента, работающего на сжатие, например, колонн зданий и сооружений, различных стоек и т.п.
Известен строительный элемент в виде стойки, включающий металлическую предварительно напряженную трубчатую оболочку с торцевыми пластинами, между которыми внутри оболочки размещено бетонное тело с установленной в нем продольной арматурой в форме цилиндрических стержней, поверхность которых внутри трубчатой оболочки выполнена со сплошной винтовой гранью вдоль продольной оси, а концевые цилиндрические участки стержней через отверстия, соосно расположенные в торцевых пластинах, выведены наружу элемента (см. патент РФ на полезную модель №116537, Е04С 3/36).
Недостатком указанного элемента является его низкая несущая способность вследствие отсутствия в бетонном теле высокопрочной предварительно напряженной поперечной арматуры и предварительного напряжения у продольной арматуры. Кроме того, использование в качестве продольной арматуры специально изготовленных цилиндрических стержней, поверхность которых внутри трубчатой оболочки выполнена со сплошной винтовой гранью, усложняет технологию изготовления строительного элемента, а наличие торцевых пластин увеличивает трудоемкость стыковки данного элемента с другими подобными элементами и приводит к концентрации напряжений в бетонном теле элемента в зоне его стыка с элементом выше или ниже расположенного яруса.
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является строительный элемент в виде стойки, включающий предварительно напряженную металлическую трубчатую оболочку, внутри которой размещено ядро из бетона и, по меньшей мере, один пространственный каркас из высокопрочной продольной и предварительно напряженной поперечной арматуры. Кроме того, в известном элементе бетонное ядро выполнено полым, а торцы металлической трубчатой оболочки жестко соединены с торцевыми пластинами (см. патент РФ на полезную модель №26575, Е04С 3/36).
Недостатками данного элемента является низкая несущая способность из-за незначительной прочности бетона полого тела, поскольку на боковых поверхностях полости в бетоне отсутствует радиальное боковое давление, в результате чего не в полной мере реализуется эффект стальной обоймы. Рабочая площадь поперечного сечения полого бетонного тела внутри стальной трубы-оболочки меньше чем сплошного, что также приводит к снижению несущей способности элемента. Отсутствие повышенной интенсивности поперечного армирования бетонного ядра у торцов элемента не позволяет компенсировать снижение прочности его приторцевых участков, в которых при передаче внешней сжимающей нагрузки наблюдается концентрация напряжений, что отрицательно сказывается на несущей способности элемента. Отсутствие предварительного напряжения высокопрочной продольной арматуры отрицательного сказывается на несущей способности гибких элементов. Кроме того, длина пространственного каркаса из высокопрочной продольной и предварительно напряженной поперечной арматуры ограничена торцевыми пластинами, что затрудняет передачу внутренних усилий в продольной арматуре в стыках подобных элементов разного яруса. Наличие торцевых пластин усложняет стыковку данного элемента с другими подобными элементами.
Техническая проблема, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в повышении несущей способности строительного элемента.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной проблемы, заключается в создании условий объемного сжатия внутри трубчатой оболочки, за счет повышения степени поперечного армирования в приторцевых зонах и использования самоуплотняющегося напрягающего высокопрочного бетона, способствующего качественной укладке бетонной смеси и созданию избыточного давления бетона, в результате чего осуществляется предварительное растяжение внутренней поверхности трубчатой оболочки, продольной и поперечной арматуры пространственного каркаса.
Поставленная проблема достигается тем, что в строительном элементе в виде стойки, включающем предварительно напряженную трубчатую оболочку, внутри которой размещено ядро из бетона и, по меньшей мере, один пространственный каркас из продольной и предварительно напряженной поперечной высокопрочной арматуры, согласно изменению, в верхней и нижней приторцевых зонах элемента поперечная арматура пространственного каркаса установлена с меньшим шагом в 1,25-2 раза, чем в средней зоне элемента, а бетонное ядро выполнено из самоуплотняющегося напрягающего высокопрочного бетона следующего состава, масс. %:
Цемент
20,8-23,32
Песок
27,45-29,37
Щебень
36,84-39,43
Вода
6,24-7,72
Модификатор
4,15-4,68
Суперпластификатор
на основе поликарбоксилатных эфиров
Остальное
При этом трубчатая оболочка может быть выполнена металлической либо из полимерного композиционного материала, а также иметь различное поперечное сечение, например, круглое, квадратное или прямоугольное.
Самоуплотняющийся напрягающий высокопрочный бетон формируется за счет введения комплексной добавки, состоящей из суперпластификатора и модификатора. Причем состав модификатора бетонной смеси содержит расширяющие добавки, образующие гидросульфоалюминат кальция и способствующие образованию плотной и прочной структуры за счет предварительного обжатия бетона, заключенного в трубчатую оболочку. Дозирование комплексных добавок в процессе приготовления бетонной смеси регулирует ее подвижность и величину расширения вяжущего, что позволяет получать самоуплотняющийся бетон с различной энергией самонапряжения. Используемый самоуплотняющийся бетон обеспечивает качественное бетонирование строительного элемента, без применения вибрации, а за счет самонапряжения бетона создается избыточное давление на внутреннюю поверхность металлической трубчатой оболочки. Кроме того, используемый напрягающий бетон позволяет создать предварительное напряжение поперечной арматуры, которая удалена от предварительно напряженной трубчатой оболочки внутрь бетонного тела на расстояние, достаточное для обеспечения требуемой огнестойкости элемента. Высокопрочная продольная арматура каркаса также получает предварительное напряжение за счет самонапряжения бетона, что позволяет повысить несущую способность гибких элементов.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 схематично изображен строительный элемент в виде стойки;
- на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1 при различном поперечном сечении трубчатой оболочки.
Строительный элемент (фиг. 1) в виде стойки состоит из трубчатой оболочки 1, которая может иметь круглое, квадратное или прямоугольное поперечное сечение (фиг. 2). Трубчатая оболочка может быть выполнена из стали или из полимерного композиционного материала, например углепластика. Внутри оболочки размещено сплошное тело 2 из бетона. В качестве бетона использован самоуплотняющийся напрягающий высокопрочный бетон следующего состава, масс. %:
Цемент
20,8-23,32
Песок
27,45-29,37
Щебень
36,84-39,43
Вода
6,24-7,72
Модификатор
4,15-4,68
Суперпластификатор
на основе поликарбоксилатных эфиров
Остальное
В бетонном ядре 2 установлен пространственный каркас 3. Причем пространственный каркас 3 строительного элемента состоит из продольной 4 и поперечной 5 арматуры. Поперечная арматура 5 каркаса 3 выполнена в виде высокопрочных предварительно напряженных стальных колец или спирали. Продольная арматура 4 каркаса 3 выполнена в виде высокопрочных предварительно напряженных стержней класса А600 и выше или высокопрочной проволоки.
В верхней и нижней приторцевых зонах элемента поперечная арматура пространственного каркаса установлена с меньшим шагом в 1,25-2 раза, по сравнению со средней зоной по высоте элемента, что способствует увеличению прочности приторцевых зон. Причем шаг поперечной арматуры в средней зоне по высоте элемента назначают по расчету, например, по СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции», но не более 1/4k, где k - размер поперечного сечения трубчатой оболочки (диаметр круглого поперечного сечения либо сторона квадратного поперечного сечения либо меньшая сторона прямоугольного поперечного сечения элемента).
Устанавливать шаг поперечной арматуры в приторцевых зонах элемента реже, чем в 1,25 раз, по сравнению с шагом в средней зоне по высоте элемента, нецелесообразно, поскольку эффект дополнительного увеличения прочности бетона становится несущественным.
Устанавливать шаг поперечной арматуры чаще, чем в 2 раза, по сравнению с шагом в средней зоне по высоте элемента, также нецелесообразно, так это приведет к перерасходу поперечной арматуры, обеспечивающей чрезмерно высокую прочность бетона приторцевых зон по сравнению со средней зоной элемента.
Кроме того, в зависимости от формы поперечного сечения трубчатой оболочки длину верхней и нижней приторцевых зон элемента выбирают равной (0,75-1,25) k, где k - размер поперечного сечения трубчатой оболочки (диаметр круглого поперечного сечения / сторона квадратного поперечного сечения / меньшая сторона прямоугольного поперечного сечения элемента), поскольку на таких расстояниях от торцов обычно проявляется концентрация напряжений.
Строительный элемент изготавливают следующим образом. При изготовлении сборного элемента первоначально к нижнему торцу трубчатой оболочки 1 временно крепят жесткую пластину (на рис. не показано), служащую днищем элемента. При изготовлении монолитного элемента трубчатую оболочку 1, выполненную из металла, крепят (например, с помощью сварки) к оболочке ниже установленного строительного элемента в виде подобного элемента или к фундаменту (на рис. не показано).
До начала укладки бетонной смеси (на рис.не показано) во внутрь расположенной вертикально металлической трубчатой оболочки 1 (фиг. 1) устанавливают пространственный каркас 3, состоящий из продольной 4 и поперечной 5 высокопрочной арматуры. Причем поперечную арматуру 5 располагают по высоте элемента с шагом, обеспечивающим ее эффективную работу, то есть районе нижнего и верхнего торцов элемента поперечная арматура 6 установлена с меньшим шагом витков в 1,25-2 раза по сравнению со средней зоной элемента по высоте. Применение такой конструкции элемента позволяет существенно увеличить его несущую способность.
Затем внутреннее пространство, образованное стальной трубой-оболочкой 1 с установленным внутри пространственным каркасом 3, нижней торцевой пластиной или ниже установленным строительным элементом в виде подобного элемента или фундамента, заполняют бетонной смесью. За счет состава самоуплотняющегося напрягающего высокопрочного бетона, содержащего комплексные добавки в виде модификатора и суперпластификатора, обеспечивается качественная укладка бетонной смеси. В верхнем торце стальной трубы-оболочки 1 к продольной арматуре 4 пространственного каркаса 3, временно крепится жесткая торцевая пластина (на рис. не показано). Далее происходит процесс твердения и самонапряжения бетона, создается избыточное давление бетонной смеси на металлическую трубчатую оболочку 1, поперечную арматуру 5 и продольную арматуру 4 пространственного каркаса 3, а также на верхнюю торцевую пластину. При этом осуществляется предварительное растяжение металлической трубчатой оболочки 1 в поперечном направлении, высокопрочной поперечной арматуры 5 и высокопрочной продольной арматуры 4 пространственного каркаса 3. Предварительно растянутые металлическая трубчатая оболочка 1 и поперечная арматура 5 пространственного каркаса 3 создают в бетонном теле 2 радиальные предварительные сжимающие напряжения, а предварительно растянутая продольная арматура 4 - осевые предварительные сжимающие напряжения.
После набора напрягающим бетоном передаточной прочности временно закрепленная к высокопрочной продольной арматуре 4 в районе верхнего торца металлической трубчатой оболочки 1 жесткая торцевая пластина снимается и строительный элемент готов к монтажу аналогичного элемента выше расположенного яруса.
Таким образом, заявляемый строительный элемент имеет высокую несущую способность за счет использования самоуплотняющегося напрягающего высокопрочного бетона, который в процессе твердения предварительно напрягает трубчатую оболочку за счет передачи избыточного давления на ее внутреннюю поверхность, а также создает предварительное растяжение продольной и поперечной арматуры пространственного каркаса, в результате чего строительный элемент работает в условиях объемного сжатия.