Пространственный арматурный модуль
SPATIAL REINFORCEMENT MODULE

Предлагаемое изобретение относится к области строительства, в частности к области дорожного, промышленного, общественного и гражданского строительства, а именно к конструкции армирующих элементов в виде пространственных несущих модулей с узлами и стержнями, удерживаемыми между узлами с геометрическим замыканием посредством фиксаторов, повышенной устойчивости к нагрузкам, посредством ее восприятия, в том числе при движении по ним или по сооружаемому на них покрытию, и может быть использовано для быстрого возведения, повышения надежности и долговечности сборных покрытий из секций предлагаемой конструкции при строительстве и реконструкции сооружений любой конфигурации, в особенности, подвергающихся действию повышенных знакопеременных статических и динамических нагрузок, например, дорожного покрытия или основания дорожных одежд, в том числе на слабых грунтах (торфяниках, болотистых и мерзлых, в том числе вечномерзлых), при производстве плит перекрытий и стеновых плит и т.д.
Правительство Российской Федерации, учитывая нарастающее конкурентное отставание отечественной дорожно-строительной отрасли, еще в 2008 г. предложило внести обширный комплекс радикальных изменений в области разработки и применения материалов и технологий дорожного строительства, изложив их в Транспортной стратегии России [1]. Костюченко В., директор Департамента дорожного хозяйства Минтранса России, отметил, что «внедрение инновационных технологий и материалов в дорожной отрасли является одним из приоритетных направлений обеспечения конкурентоспособности дорожной сети страны, повышения потребительских свойств и долговечности дорожных покрытий, безопасности дорожного движения». При этом он констатирует, что до настоящего времени «Применение инновационных дорожно-строительных материалов, по которым полностью или частично отсутствует нормативно-техническая документация (стандартов - прим. авторов), в настоящее время невозможно», а большинство проектов их производства отсекается на стадии бумажной экспертизы [2].
Силовые стержневые системы (модули, узлы) являются наиболее эффективными и перспективными из разнообразия строительных конструкций, эксплуатируемых в условиях больших сосредоточенных нагрузок, и при воздействии на них подвижных сосредоточенных сил. Пространственные регулярные структуры представляют собой системы, построенные из многогранников на принципе многосвязанности и обладающие важными свойствами: возможностью плотного заполнения пространства, унифицированными размерами модульного стержня в пределах одной конструкции. При действии на такую систему подвижных или неравномерно приложенных нагрузок в работу одновременно включается большое число стержней, распределяющих нагрузки в пределах модуля или всей пространственно-распределенной конструкции.
Взамен дорогостоящих металлических стержней широкое применение пластмасс может оказаться наиболее эффективным в конструкциях гражданского строительства. Работы в этом направлении ведутся во многих странах, некоторые уже вышли из стадии экспериментов, так как стало очевидным, что развитие индустриальных технологий производства конструкций из пластмасс обеспечивает широкую перспективу их применения. Современные технологические методы производства полимерных матриц, узлов, модулей позволяют изготовлять крупные серии таких конструктивных элементов при сравнительно небольших затратах.
Поэтому проблема создания пространственных несущих арматурных модулей для гражданского строительства, обеспечивающих повышение пространственной жесткости и изгибной прочности при повышении технологичности их изготовления при знакопеременных статических и динамических нагрузках, в настоящее время встала достаточно остро.
Известен арматурный каркас, выполненный из соединенных между собой модулей, состоящих из октаэдров, образованных линейными элементами и соединенных жестко по точкам касания, не расположенным на одной прямой, с образованием каркаса требуемой конфигурации, а октаэдры модулей соединены между собой общими гранями в объемные фигуры без ребер, параллельных оси модулей, при этом в вершинах октаэдров выполнены выступы в виде стержней с возможностью закрепления на них слоя заливаемой трансформируемой обшивки [3].
Среди недостатков известного арматурного каркаса можно выделить необходимость использования высокопрочного бетона и значительного количества арматурной стали для обеспечения восприятия эксплуатационных нагрузок, поскольку данный каркас не имеет неподвижных прочных узлов соединения стержней, препятствующих разрушению строительных конструкций от возникновения чрезмерных изгибающих нагрузок, обусловленных, например, изменением схемы внешнего воздействия на имеющую арматурный каркас строительную конструкцию. Такие изменения воздействия происходят, как правило, под воздействием внешних факторов, проявления стихийных явлений -землетрясения, ураганы, и т.п. Также известный арматурный каркас имеет ограниченные технологические возможности и сложность при изготовления вследствие высокой металлоемкости из-за большого количества линейных элементов, образующих модули в виде октаэдров (у октаэдра 12 линейных элементов), не позволяет достичь определенной симметрии или их повторяемости в виде гармонического чередования несущих стволов модулей каркаса и пространств между ними.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) по совокупности существенных признаков является арматурный модуль, содержащий верхний и нижний элементы, каждый из которых выполнен в виде решетки с ячеистой структурой с формой ячейки в виде равностороннего многогранника, по крайней мере, один средний элемент, выполненный в виде пространственной арматурной структуры, содержащей наклонно расположенные арматурные стержни, образующие в пространстве противоположно ориентированные равносторонние многогранные пирамиды, и узловые элементы, при этом число граней ячейки решетки соответствует числу граней пирамиды арматурной структуры [4].
Однако известное техническое решение недостаточно технологично при сборке модулей, например, в процессе сборки, в частности, непосредственно на дороге, недостаточно надежно в эксплуатации.
Новым достигаемым техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение пространственной жесткости и изгибной прочности при знакопеременных статических и динамических нагрузках, а также технологичности их изготовления и сборки.
Указанный технический результат достигается тем, что в пространственном арматурном модуле, содержащем верхний и нижний элементы, каждый из которых выполнен в виде ячеистой структуры с формой ячейки в виде многогранной пирамиды, по крайней мере, один средний элемент, выполненный в виде пространственной арматурной структуры, содержащей наклонно расположенные арматурные стержни, образующие в пространстве противоположно ориентированные многогранные пирамиды, и узловые элементы, при этом число граней ячейки соответствует числу граней пирамиды арматурной структуры, в отличие от прототипа, форма ячейки выполнена в виде правильных четырехгранных пирамид, образованных соответствующими наклонными арматурными стержнями волнообразной формы, с возможным отклонением углов ее правильных треугольников, образованных соответствующими наклонными арматурными стержнями, при этом прямые участки наклонных арматурных стержней наклонены друг к другу под углами, соответствующими углам правильного треугольника в диапазоне значений (60°±5°), а к центральной оси правильных четырехгранных пирамид под углом, соответсвующем углу наклона граней правильных четырехгранных пирамид, в диапазоне значений (35°26'±5°), оси наклонных арматурных стержней на их прямых участках расположены на наклонных плоскостях, проходящих через соответствующие противоположные грани соответствующих правильных четырехгранных пирамид и наклоненных к центральной оси правильных четырехгранных пирамид под углом, соответствующем углу наклона граней правильных четырехгранных пирамид, верхний и нижний элементы выполнены посредством пересечения горизонтально размещенных арматурных стержней с образованием сетки, состоящей из квадратов, причем точки пересечения осей горизонтально размещенных арматурных стержней расположены на центральных осях соответствующих правильных четырехгранных пирамид.
Арматурные стержни в сечении могут быть выполнены круглыми или прямоугольными.
Наклонные арматурные стержни волнообразной формы могут быть получены перегибом прямых арматурных стержней с местами перегиба в верхней и нижней части волны.
Места перегиба наклонных арматурных стержней в верхней и нижней части соответствующей волны могут быть выполнены прямыми или дугообразными.
По крайней мере, на части мест перегиба наклонных арматурных стержней могут быть выполнены упорные элементы.
По крайней мере, часть горизонтально размещенных арматурных стержней может быть выполнена с пазами, при этом пазы расположены на расстояниях, соответствующих шагу состоящей из квадратов сетки.
Узловые элементы могут быть образованы пересечением соответствующих горизонтально размещенных и наклонных арматурных стержней.
Горизонтально размещенные арматурные стержни, соприкасающиеся с местами перегиба наклонных арматурных стержней волнообразной формы, могут быть расположены между местами перегиба или с возможностью опоры пазами на вершины мест перегиба, или с возможностью опоры на упорные элементы.
По крайней мере, часть узловых элементов может быть выполнена со скрепляющими их арматурными фиксаторами или пластичным полимером.
По крайней мере, концы части горизонтально размещенных и/или наклонных арматурных стержней могут быть выполнены с соединительными элементами, обеспечивающими возможность состыковки как отдельных элементов модулей, так и самих модулей.
Соединительные элементы могут быть выполнены съемными в виде обжимных муфт, обеспечивающими возможность состыковки как отдельных элементов модулей, так и самих модулей, или в виде опорных элементов, обеспечивающими возможность состыковки модулей.
По крайней мере, часть горизонтально размещенных горизонтальных и/или наклонных арматурных стержней может быть выполнена со съемными опорными элементами.
Пространство между наклонными арматурными стержнями среднего элемента может быть выполнено с трубами для коммуникаций, по крайней мере, часть из которых выполнена со смотровыми люками для обеспечения возможности монтажа или диагностики состояния коммуникаций.
Пространство между наклонными арматурными стержнями среднего элемента может быть выполнено с трубчатыми каналообразователями для канатной арматуры, выполненной с возможностью обеспечения ее предварительного натяжения, при этом, по крайней мере, часть трубчатых каналообразователей выполнена со смотровыми люками для обеспечения возможности монтажа или диагностики состояния канатной арматуры.
Модуль может быть выполнен с возможностью размещения на его верхнем и нижнем элементах геотекстиля.
Пространство между наклонными арматурными стержнями среднего элемента может быть заполнено наполнителем.
В качестве наполнителя могут быть использованы бетон или геополимерный бетон, или песок, или песчано-гравийная смесь, или смесь керамзита и цемента, или теплоизолирующие и звукоизолирующие пеноматериалы, или перлит.
Арматурные стержни среднего и/или верхнего и/или нижнего элементов и/или узловые элементы могут быть выполнены из металла или композитных материалов на основе базальта или углерода, или стеклопластика, или полимерных материалов, или полимерных материалов с армирующими добавками.
На фиг. 1-5 представлены принципиальные схемы выполнения пространственного арматурного модуля.
Пространственный арматурный модуль содержит средний элемент (1), каждый из которых выполнен в виде образованных наклонными арматурными стержнями (2) волнообразной формы правильных четырехгранных пирамид (3), с возможным отклонением углов ее правильных треугольников, образованных соответствующими наклонными арматурными стержнями (2), при этом прямые участки наклонных арматурных стержней (2) наклонены друг к другу под углами, соответствующими углам правильного треугольника в диапазоне значений (60°±5°), а к центральной оси правильных четырехгранных пирамид (3) под углом, соответсвующем углу наклона граней правильных четырехгранных пирамид (3), в диапазоне значений (35°26'±5°), оси наклонных арматурных стержней (2) на их прямых участках расположены на наклонных плоскостях, проходящих через соответствующие противоположные грани соответствующих правильных четырехгранных пирамид (3) и наклоненных к центральной оси правильных четырехгранных пирамид (3) под углом (35°26'±5°), соответствующем углу наклона граней правильных четырехгранных пирамид (3), верхний (5) и нижний (6) элементы выполнены посредством пересечения горизонтально размещенных арматурных стержней (7) с образованием сетки, состоящей из квадратов (8), причем точки пересечения осей (9) горизонтально размещенных арматурных стержней (7) расположены на центральных осях соответствующих правильных четырехгранных пирамид (3) (фиг. 1а - вид прямо; фиг. 1б - вид сверху; фиг. 1в - вид справа; фиг. 1г - изометрия).
Отклонение углов правильных треугольников, образованных наклонными арматурными стержнями (2), правильной четырехгранной пирамиды (3) от значений (60°) приводит к снижению равномерности распределения нагрузок и, как правило, к снижению прочности пространственного арматурного модуля. В реальных пространственных арматурных модулях в зависимости от используемых материалов и технологий изготовления элементов пространственного арматурного модуля имеют место технологические отклонения (±5°) от оптимальных параметров (60°), которые наблюдаются при изготовлении элементов и сборки пространственного арматурного модуля. Эти отклонения необходимо учитывать при расчетах прочности конструкции пространственного арматурного модуля на основе правильных пирамид (3) с учетом оказываемых на них нагрузок с учетом коэффициентов запаса прочности, используемых материалов, выбранной схемы сборки элементов пространственного арматурного модуля, формы рельефа дороги и др.
Узловые элементы (10) могут быть образованы пересечением соответствующих горизонтально размещенных (7) и наклонных (2) арматурных стержней волнообразной формы, место перегиба наклонных арматурных стержней (2) в верхней и нижней части волны может быть выполнено дугообразной формы (11) с установленными на нем упорными элементами (12), горизонтально размещенные арматурные стержни (7) могут быть выполнены с пазами (13), при этом пазы (13) расположены на расстояниях, соответствующих шагу состоящей из квадратов сетки (8) (фиг. 1), причем горизонтально размещенные арматурные стержни (7), соприкасающиеся с местами перегиба (11) наклонных арматурных стержней (2) волнообразной формы, расположены между местами перегиба (11) или с возможностью опоры пазами (13) на места перегиба (11) (фиг. 2а, б, в - варианты исполнения конструкций арматурных стержней (7); фиг. 2г, д, е - варианты исполнения конструкций узловых элементов (10); фиг. 2ж, з - варианты фиксации узловых элементов (10)).
Концы части горизонтально размещенных (7) и наклонных (2) арматурных стержней (фиг. 1, 2) могут быть выполнены с соединительными элементами (14), в том числе со съемными соединительными элементами в виде обжимных муфт (14), обеспечивающими возможность состыковки как отдельных элементов модулей, так и самих модулей, и со съемными опорными элементами (15), обеспечивающими возможность состыковки модулей, при этом горизонтально размещенные арматурные стержни (7), соприкасающиеся с местами перегиба (4, 11) наклонных арматурных стержней (2) волнообразной формы (фиг. 1), расположены между местами перегиба (4) с возможностью опоры на места перегиба (4, 11) (фиг. 3а - примеры конструкции муфт для состыковки арматурных стержней; фиг. 3б - примеры конструкции опорных элементов для состыковки модулей; фиг. 3в - пример состыковки модулей с подъемом; фиг. 3г - пример состыковки модулей с уклоном; фиг. 3д - пример состыковки модулей с поворотом).
Пространство между наклонными арматурными стержнями (2) среднего элемента может быть выполнено с трубами для коммуникаций (16) с установочным окном, на который устанавливается смотровой люк (17) с крышкой - заглушкой, для обеспечения возможности монтажа или диагностики состояния коммуникаций (16) (фиг. 4а - пример конструкции трубы для коммуникаций; фиг. 4б - продольный профиль дороги с трубой для коммуникаций).
Модуль может быть выполнен с возможностью размещения на его верхнем (5) и нижнем (6) элементах геотекстиля (19) при этом пространство между наклонными арматурными стержнями (2) среднего элемента может быть заполнено наполнителем (20) (фиг. 4).
Пространство между наклонными арматурными стержнями среднего элемента может быть выполнено с трубчатыми каналообразователями (18) для канатной арматуры со смотровыми люками (17) для обеспечения возможности монтажа или диагностики состояния канатной арматуры (фиг. 5).
2
В качестве геотекстиля (19) могут использовать, например, геотекстиль «Дорнит» плотностью 300 г/м.
Арматурные стержни (2, 7) среднего (1), верхнего (5) и нижнего (6) элементов и узловые элементы (10) могут быть выполнены из металла или композитных материалов на основе базальта или углерода, или стеклопластика, или полимерных материалов, или полимерных материалов с армирующими добавками.
В качестве металла для арматурных стержней (2, 7) могут использовать, например, сталь марок Ст3кп или 22Х2Г2АЮ.
В качестве полимерного материала для арматурных стержней (2, 7) могут использовать АБС-пластики, ударопрочный полистирол, полипропилен и др.
В качестве композитного материала для арматурных стержней (2, 7) могут использовать, например, «Арматуру композитную полимерную для армирования бетонных конструкций» ГОСТ 31938-2012, например, на основе базальта марки АБП-6.
В качестве полимерного материала с армирующими добавками для арматурных стержней (2, 7) могут использовать, например, наполненный полипропилен с добавками мела, или композиционный материал на основе политетрафторэтилена с добавками отходов производства базальтового волокна [5, 6].
Арматурные стержни (2, 7) в сечении могут быть выполнены круглыми или прямоугольными (на фигурах не показано).
По крайней мере, часть узловых элементов (10) может быть скреплена арматурными фиксаторами или пластичным полимером (на фигурах не показано).
В качестве фиксатора для арматурных стержней (2, 7) может быть использован, например, специально разработанный для выбранного узла и штампованный из полипропилена. Кроме этого, также может использоваться стальная проволока для вязки арматуры, хомуты из нейлона или пластиковые.
В качестве пластичного полимера для фиксации арматурных стержней (2, 7) может быть использован, например, термопластичный эластомер на основе полипропилена (ТРЕ), пластик RUBBER (резиноподобный).
В пространственном арматурном модуле в среднем элементе (1) грани правильных четырехгранных пирамид (3) наклонены к ее центру под углом 35°26', соответствующем углу наклона граней правильных четырехгранных пирамид (3), поперек образуемого пространственными арматурными модулями дорожного полотна, что снимает проблему возникновения дополнительных нагрузок при перепадах температур во внешней окружающей среде.
Пространство между наклонными арматурными стержнями (2) среднего элемента (1) пространственного арматурного модуля может быть выполнено заполненным наполнителем из бетона, или геополимерного бетона, или песка, или песчано-гравийной смеси, или смеси керамзита и цемента, или пеностекла и других тепло- и звукоизолирующих пеноматериалов, или перлита (на фигурах не показано).
2
3
В качестве наполнителя могут использовать, например, бетон марки В20М250 или В15М200; геополимерный бетон (смесь зольной пыли, измельченного шлака, жидкого стекла или KSiO, воды); песок речной; песчано-гравийная смесь (ГОСТ 23735-2014: «Смеси песчано-гравийные для строительных работ. Технические условия»); теплоизоляционный и звукоизоляционный материал «КАПСИМЭТ» (двухкомпонентная система на основе легкого гранулированного заполнителя, например, керамзита и цемента); гранулированное пеностекло «Пеноситал», перлит и т.п.
Пространственный арматурный модуль работает следующим образом.
Предлагаемую конструкцию пространственного арматурного модуля, применимого для строительства дорожного полотна, изготовления перекрытий, консолей, мостов, надземных переходов и пр., изготавливают из среднего (1), верхнего (5) и нижнего (6) элементов, собранных по принципу правильных четырехгранных пирамид (3) в единый блок, образующий в пространстве противоположно ориентированные правильные четырехгранные пирамиды (3) (фиг. 1). Верхний (5), нижний (6) и средний (1) элементы при их изготовлении из металла, композитных материалов на основе базальта или углерода, или стеклопластика, или полимерных материалов, или полимерных материалов с армирующими добавками выполнены, при необходимости, монолитными, например, методом литья, при этом одновременно в едином исполнении, при необходимости, могут быть выполнены наклонные арматурные стержни (2) и узловые элементы (10).
Сборку верхних (5), нижних (6) и средних (1) элементов пространственного арматурного модуля осуществляют посредством узловых элементов (10). Затем производят крепеж узловых элементов (10) методом, приемлемым для материала, из которого изготовлены наклонные арматурные стержни (2), формирующие узловой элемент (10).
Узловые элементы (10), при необходимости, могут быть образованы пересечением (состыковкой, совмещением) соответствующих горизонтальных (9) и наклонных арматурных стержней (2) посредством их скрепления арматурными фиксаторами или пластичным полимером (на фигурах не показаны) с образованием соответствующих волн из соответствующих наклонных арматурных стержней (2).
Ячейки в виде правильных четырехгранных пирамид (3) могут быть образованы наклонными арматурными стержнями (2) необходимой длины в виде ряда последовательных волн, выполненных посредством перегиба длинных арматурных стержней с образованием наклонных арматурных стержней (2).
При этом остается определенная степень свободы для перемещений в местах крепления узловых элементов (10), что уменьшает возникновение чрезмерных изгибающих нагрузок, обусловленных, например, изменением схемы внешнего воздействия на имеющую пространственный арматурный каркас строительную конструкцию в виде предлагаемого в данном техническом решении пространственного арматурного модуля. Такие изменения воздействия происходят, как правило, под воздействием внешних факторов, проявлений стихии - землетрясений, ураганов, и т.п. (фиг. 2).
Прочность конструкции определяется конструктивными особенностями пространственного арматурного модуля, его массогабаритными характеристиками и качеством сборки.
Дальнейшая сборка пространственных арматурных модулей зависит от назначения конструкции в целом.
При изготовлении дорожного полотна из пространственных арматурных модулей их устанавливают посредством съемных опорных элементов (15) на подстилающий слой (грунт (почву), на которой устанавливаются пространственные арматурные модули при строительстве дорожного полотна). При этом за счет съемных соединительных (14) и опорных (15) элементов обеспечивают соединение арматурных модулей без предварительных напряжений вследствие возможности их поворота по горизонтали и/или по вертикали сборку единого полотна из необходимого количества пространственных арматурных модулей по всей длине и ширине дороги (фиг. 3).
При этом процесс строительства дорожного полотна из необходимого количества пространственных арматурных модулей по всей длине и ширине дороги может быть организован специальным механизмом непосредственно на дороге.
Далее производится, при необходимости, установка в пространстве между наклонными арматурными стержнями (2) среднего элемента (1) пространственного арматурного модуля труб для коммуникаций (16), по крайней мере, часть из которых выполнена со смотровыми люками (17) для обеспечения возможности монтажа или диагностики состояния коммуникаций (16).
Упорные элементы (12) на местах перегиба (4) наклонных арматурных элементах (2) волнообразной формы и съемные соединительные элементы (14) на горизонтальных (7) и наклонных (2) арматурных стержнях, при необходимости, могут быть выполнены в едином исполнении.
При необходимости на грунтовое основание устанавливают геотекстиль (19) (с целью создания армирующего и разделительного слоя между грунтом и самими покрытиями, фильтрации воды и воздуха, а также как соединительный слой между прежним и новым покрытием при ремонте дорог) и модуль, в который заводится труба для коммуникаций (16), а в нее - необходимые коммуникации (телефонные кабели, электрокабели, средства для обогрева дорожного полотна, средства для бесконтактного электромагнитного питания для электротранспорта, движущегося по арматурному модулю и др.), после чего устанавливается смотровой люк (17) и крышку-заглушку.
Пространство между наклонными арматурными стержнями (2) среднего элемента (1) пространственного арматурного модуля, при необходимости, может быть заполнено наполнителем из обычного бетона или геополимерного бетона, или песка, или песчано-гравийной смеси, или смеси керамзита и цемента, или пеностекла, или перлита (фиг. 4, 5). После чего сверху и боков устаналивается геотестиль (19); сверху на на геотестиль (19) укладывают слой дорожной одежды, при этом крышка-заглушка должна располагаться на уровне поверхности дорожной одежды. В некоторых конструкциях, таких как мосты, переходы и пр., заполнение наполнителем как правило не предполагается. При изготовлении, например, моста не требуется заливка наполнителя, а в верхней части моста на основе пространственного арматурного модуля устанавливается омоноличивающий настил.
После чего, при необходимости, производят заливку наполнителем, например, бетоном или иным наполнителем, по всему пространственному объему среднего элемента (1) пространственных арматурных модулей.
При необходимости повышения прочности дорожного полотна, сформированого из пространственных арматурных модулей, каждый пространственный арматурный модуль может быть выполнен с отверстиями для предварительно напряженной канатной арматуры, помещенной в трубчатые каналообразователи (18), и площадкой для размещения анкеров и натяжных приспособлений и с размещенным между опорными элементами (15) арматурным каркасом, при этом предварительно напряженную канатную арматуру первого арматурного модуля заанкеривают на его соответствующих опорных элементах (15), а предварительно напряженную арматуру каждого следующего арматурного модуля заанкеривают на соответствующих опорных элементах (15) предыдущего и следующего за предыдущим арматурных модулей.
При изготовлении, например, стеновых панелей, пространственный арматурный модуль устанавливают между омоноличивающими слоями, например, из древесностружечных плит. В данных плитах могут выполнены отверстия для наклонных арматурных стержней (2) среднего элемента (1).
На основании вышеизложенного новыми достигаемыми техническими результатами заявляемого изобретения (по сравнению с прототипом) являются следующие.
1. Использование в строительных конструкциях пространственных арматурных модулей, ребра которых в виде наклонных арматурных стержней (2) волнообразной формы образуют в пространстве правильные четырехгранные пирамиды (4), повышает пространственную жесткость конструкции и характеристики изгибной прочности не менее чем на 20-30% за счет равномерного распределения действующих вибрационных и ударно-волновых знакопеременных статических и динамических нагрузках на узловые элементы (10) по всему объему пространственного армирующего модуля. Вследствие этого пространственный армирующий модуль более устойчив к большему диапазону данного типа нагрузок.
2. Предлагаемый пространственный арматурный модуль не менее чем на 20-30% технологичнее как в производстве, так и при его сборке непосредственно на объекте, за счет следующих факторов:
а) новое направление в дорожном строительстве позволяет повысить рентабельность строительства автомобильных дорог, значительно снизить затраты при строительстве, реконструкции и эксплуатации дорог и увеличить срок службы дорожной одежды не менее чем на 5-10 лет за счет армирования разных участков конструкции дорог;
б) предлагаемый пространственный арматурный модуль позволяет снизить напряженно деформированное состояние в нижних слоях дорожной одежды; уменьшить толщину конструкции дороги, колееобразование, обусловленное деформациями сдвига, и влияние неоднородности слоев основания и толщину конструкции дорожной одежды; обеспечить надежный дренаж; увеличить несущую способность дорожного полотна; снизить влияние механических воздействий от проезжающего транспорта на придорожные территории; повысить распределяющую способность нагрузок на конструкцию дороги; уменьшить влияние неоднородности слоев основания и предотвратить перемешивание слов дорожного пирога; снизить строительные и эксплуатационные затраты за счет особенностей распределения статических и динамических нагрузок, а также прочности армирующей конструкции.
3. Основные свойства конструкций, изготовленных на основе пространственного арматурного модуля: повышенная прочность за счет конструктивных особенностей пространственного арматурного модуля; равномерное распределение нагрузки по всей опорной площади конструкции вне зависимости от расположения прилагаемой нагрузки на верхнюю часть изделия, например, дорожного полотна, изготовленного с использованием пространственных арматурных модулей: будь то распределенная нагрузка по всей поверхности дорожного полотна или, если нагрузка распределена только на поверхности одного пространственного арматурного модуля (при консольной установке панели нагрузка распределяется также по всей площади консоли); гашение вибрационных и ударно-волновых знакопеременных статических и динамических нагрузок внутри самого пространственного арматурного модуля.
Перечисленные свойства позволяют:
а) при строительстве дорог:
- изготавливать полотно дороги без стыковых швов. При этом съемные соединительные элементы (14) пространственных арматурных модулей выполняют таким образом, что при их сборке друг с другом обеспечивается их полное совмещение с образованием единого дорожного полотна;
- распределять вес всех автомобилей, находящихся на безстыковом дорожном полотне, равномерно по всей его длине. Соответственно, удельный вес нагрузки на подстилающую основу (почву) определяется площадью опоры всей безстыковой конструкции из пространственных арматурных модулей, на вес всего транспорта, находящегося в данный момент на дорожном полотне;
- гасить внутри конструкции дорожного полотна из пространственных арматурных модулей вибрационные и ударно-волновые знакопеременные статические и динамические нагрузки, возникающие при движении транспорта, и другие возможные внешние нагрузки. При этом нагрузки, возникающие при движении транспорта, не передаются на территорию, окружающую дорожное полотно;
- производить заливку бетона или иного наполнителя (после сборки конструкции из пространственных арматурных модулей, предварительно обеспечив, при необходимости, закладку в дорожное полотно труб для коммуникаций (16));
- производить ремонтные работы и строительство тоннелей под дорожным полотном без остановки движения;
- заливка бетоном или иным наполнителем наклонных арматурных стержней (2) и узловых элементов (10) обеспечивает их сохранность в течении десятилетий, а прочность конструкции из пространственных арматурных модулей исключает образование колеи в местах наиболее интенсивного движения или прохождения тяжелого транспорта.
Совокупность данных свойств позволяет уменьшить толщину основания и дополнительных слоев основания подосновы (слои между основанием и подстилающим грунтом, выполняющие морозозащитную, дренирующую и теплоизолирующую функции) под дорожное покрытие; снизить проблему вибрации в зданиях, стоящих рядом с дорожным полотном; снизить стоимость эксплуатации и ремонта дорог.
Все это повышает экологическую безопасность строительства и эксплуатации дорожного полотна и его экономичность;
б) при строительстве взлетно-посадочных полос аэродромов - повысить прочностные характеристики взлетно-посадочных полос при снижении их стоимости;
в) при строительстве зданий и иных сооружений - снизить вес стеновых и потолочных панелей за счет использования более легких наполнителей (40); повысить сейсмоустойчивость зданий; использовать возможности консольного строительства зданий на склонах.
Перечисленные эффекты обеспечиваются трехмерной геометрией предлагаемого пространственного арматурного модуля. Его структура состоит из большого числа повторяющихся узлов жесткости, аналогичных структуре кристаллов - полуоктаидров при разных вариантах их узлового сопряжения, создающих многоточечные опоры и распределение динамической или статической нагрузок.
Повторяемость стержней и узлов армированных модулей, унифицированный сортамент их элементов, использование высокопроизводительного оборудования для литья, штамповки элементов, узлов и т.п., компактность, быстрота сборки и монтажа элементов пространственного арматурного модуля обеспечивают возможности полной автоматизации, масштабирования заводского производства таких индустриальных строительных конструкций. При этом разнообразие конструктивных форм и областей применения данных модулей обеспечивается минимальным набором исходных типов и размеров элементов пространственного арматурного модуля, возможностями их транспортировки любым видом транспорта и простотой сборки на объектах гражданского строительства.
3
Данная конструкция использует современные полимерные материалы (в том числе изготовленные из вторсырья), позволяет создавать высокопрочные, сейсмоустойчивые, вибро- и ветроустойчивые сборно-разборные конструкции значительной протяженности. Важнейшим технологическим преимуществом является то, что при сборке/разборке конструкций не используются сварка, пайка и клейка материалов. Коэффициент заполнения конструкций армирующими элементами колеблется от 0,2 до 0,4. Удельный вес используемых материалов от 0,9 до 1,4 кг/м. Сборка конструкций может осуществляться как в заводских условиях на автоматизированных линиях, так и на строительной площадке специальными машинами.
Проектирование пространственных арматурных модулей предусматривает такую важную их особенность как создание предварительного напряжения за счет тросов, что резко повышает прочность конструкций при разнонаправленных нагрузках (аналог - Останкинская телебашня), а также обеспечивает создание конструкций с выступающими элементами и сложной арочной формы. Таким образом, область применения пространственных арматурных модулей не ограничивается только строительством, ремонтом автомобильных дорог, но может быть использована при строительстве мостов, путепроводов, надземных и подземных переходов, объектов метрополитена, железных дорог, опор монорельсовых путей, конструкций транспортных развязок, конструкций наземных и подземных пешеходных переходов, сэндвидж-панелей и потолочных перекрытий.
Многозвенные пространственные арматурные модули могут найти применение в строительстве временных дорог и дорог высоких категорий в условиях вечной мерзлоты, на слабом основании и в зонах подтопления, при возведении сейсмоустойчивых зданий, транспортных и иных сооружений в сейсмоопасных зонах [7]. Прочностные свойства модулей можно использовать при устройстве подземных сооружений шахтного типа, креплений стен котлованов, быстровозводимых военных объектов, заглубленных укрытий. Энергетическое строительство может использовать пространственные арматурные модули для устройства фундаментов и опор ветрогенераторных установок, муниципальные организации благоустройства - в качестве основания при укладке тротуарной плитки, обустройства пешеходных троп, возведения однопролетных мостов через небольшие речки и овраги в парковых зонах.
Пространственные арматурные модули могут производиться на российских предприятиях и на отечественном сырье, а главное - соответствуют реальным потребностям народного хозяйства и обороны, целям «Транспортной стратегии» [1] и других концептуальных документов экономического развития Российской Федерации.
В настоящее время на предприятии «НПЦ СПЕЦОСНАЩЕНИЕ МО» проведены компьютерное моделирование и испытания предлагаемого пространственного арматурного модуля, и на их основе выпущены конструкторская и технологическая документация на предлагаемый пространственный арматурный модуль.
Используемые источники
1. Транспортная стратегия Российской Федерации на период до 2030 года. Утв. распоряжением Правительства Российской Федерации от 22.11.2008 г. №1734-р. URL: https://www.mintrans.ru/ documents/7/1009.
2. Интервью Костюченко И.В. отраслевому журналу «Дорожники». 04.12.2017. URL: https://dorogniki.com/novosti/algoritm-vnedreniya-innovacionnyx-materialov-v-stroitelstve/.
3. Патент RU №2338036, 2008, МКИ Е04В 1/32, Е04С 5/00.
4. Патент РФ №128218, 2013, МКИ Е04В 1/00.
5. Осама аль Хело, Осипчик B.C., Кравченко Т.П. Получение композиционных материалов на основе наполненного полипропилена с улучшенными эксплуатационными характеристиками (за счет добавления мела) // Успехи в химии и химической технологии. 2007. Том XXI. №5(73). с. 66-70.
6. Васильев С.В., Гоголева О.В. Исследование свойств полимерного композиционного материала на основе политетрафторэтилена и отходов производства базальтового волокна // Наука и образование. 2016. №3. с. 63-67.
7. Canadian Patent No. 2 937 174. Многозвенный строительный элемент и способ сборки многозвенного строительного элемент. Межд. заявка PCT\RU2014\000347 от 15.11.2015 г., issued February 20.02.2018 г.