Узел сопряжения трубобетонных стоек-колонн с опорными балками (варианты)
UNIT FOR INTERFACING PIPE CONCRETE PILLARS-COLUMNS WITH SUPPORT BEAMS (EMBODIMENTS)

Изобретение относится к строительству, а именно к системе узлов стоек каркаса и опорных балок, и может быть использовано для возведения зданий и сооружений из трубобетонных конструкций, относящихся по конструктивной схеме к каркасным или каркасно-ствольным.
Известна трубчатая строительная конструкция, включающая соосно сопряженные стальные трубы с бетонным ядром внутри, соединенные между собой и с горизонтальными несущими балками узловым соединительным элементом. При этом узловой соединительный элемент выполнен в виде трех соединенных основаниями цилиндров, горизонтальные балки введены внутрь среднего цилиндра, а концы балок снабжены перфорацией или прорезями для соединения концов балок стальными элементами (см. патент РФ №2241100, Е04С 3/34).
Недостатком данной конструкции является ее невысокая несущая способность в виду нарушения целостности конструкции, а также передачи нагрузки от перекрытий только на трубную часть трубобетонной конструкции без передачи ее на бетонное ядро, когда металлическая часть оказывается перегруженной, а бетонная часть недогруженной, что приводит к снижению устойчивости конструкции. Кроме того, при отсутствии жесткого соединения металлических элементов разница во внутренних диаметрах верхней и нижней труб подразумевает наличие зазора, приводящего к люфту конструкции и соответственно к уменьшению ее устойчивости. Также, составные, собранные из мелких труб, стойки внецентренно сжаты с резко изменяющимся в вертикальной оси эксцентриситетом, что снижает несущую способность трубчатой строительной конструкции.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является узел сопряжения трубобетонных колонн с балками перекрытий, включающий соосно сопряженные стальные трубы круглого сечения с бетонным ядром внутри, соединенные между собой и с горизонтальными опорными балками узловым соединительным элементом, на наружной поверхности которого в местах сопряжения с торцевой частью опорных балок выполнены крепежные столики, представляющие собой горизонтальные пластины, которые жестко соединены с вертикальными треугольными пластинами-укосами. Причем узловой соединительный элемент выполнен в виде замкнутого полого элемента по форме внутренней полости сопрягаемых стальных труб и имеет сквозное осевое отверстие, а крепежные столики попарно и соосно размещены относительно стоек-колонн (см. патент РФ №95691, Е04В 1/38, Е04В 1/20).
Недостатком известной конструкции является отсутствие сплошности трубы трубобетонной колонны, а также исключение стальной трубы из функциональной работы узла, поскольку воспринимаемая нагрузка фактически передается только бетонному заполнению. Это влечет за собой уязвимость узла сопряжения элементов от действия изгибающих моментов и боковых нагрузок и, как следствие, приводит к снижению несущей способности конструкции в целом. Кроме того, замкнутый полый элемент, расположенный внутри колонны, препятствует равномерному заполнению внутренней полости трубы бетоном, нарушая сплошность бетонной составляющей трубобетонной колонны. Вместе с тем, узел сопряжения неудобен в монтаже, требует точной подгонки элементов, дополнительной выверки ее составных элементов.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что:
- в первом варианте узел сопряжения трубобетонных стоек-колонн с опорными балками, содержащий соосно сопряженные стальные трубы круглого сечения с бетонным ядром внутри, соединенные между собой и с горизонтальными опорными балками узловым соединительным элементом, на наружной поверхности которого в местах сопряжения с торцевой частью опорных балок выполнены крепежные столики, представляющие собой горизонтальные пластины, которые жестко соединены с вертикальными треугольными пластинами-укосами, согласно изобретению узел снабжен стальными уголками, жестко соединяющими опорные балки с узловым соединительным элементом, выполненным в виде насадки-оболочки, которая представляет собой стальную трубу круглого сечения, горизонтальные пластины крепежных столиков жестко соединены с опорными балками, а в вертикальных треугольных пластинах-укосах выполнены пазы для обеспечения жесткой связи между стойкой-колонной и насадкой-оболочкой, причем крепежные столики расположены попарно и симметрично относительно горизонтальной плоскости опорных балок, а стальные уголки - попарно и симметрично относительно вертикальной плоскости опорных балок;
- во втором варианте узел сопряжения трубобетонных стоек-колонн с опорными балками, содержащий стальную трубу круглого сечения с бетонным ядром внутри, соединенную с горизонтальными опорными балками узловым соединительным элементом, на наружной поверхности которого в местах сопряжения с торцевой частью опорных балок выполнены крепежные столики, представляющие собой горизонтальные пластины, которые жестко соединены с вертикальными треугольными пластинами-укосами, согласно изобретению узел снабжен стальными уголками, жестко соединяющими опорные балки с узловым соединительным элементом, выполненным в виде насадки-оболочки, которая представляет собой стальную трубу круглого сечения, заглушенную со стороны свободного торца, горизонтальные пластины крепежных столиков жестко соединены с опорными балками, а в вертикальных треугольных пластинах-укосах выполнены пазы для обеспечения жесткой связи между стойкой-колонной и насадкой-оболочкой, причем крепежные столики расположены попарно и симметрично относительно горизонтальной плоскости опорных балок, а стальные уголки - попарно и симметрично относительно вертикальной плоскости опорных балок.
Технический результат, обеспечиваемый заявляемым изобретением, заключается в повышении несущей способности трубобетонной конструкции путем увеличения ее устойчивости при сохранении целостной длины трубы, изготовленной в заводских условиях. Это достигается за счет вовлечения в работу под воздействием нагрузки как стальной трубы, так и бетонного ядра. Это означает, что конструкция стоек-колонн будет иметь минимальное количество соединительных стыков, обусловленное техническими возможностями заводов-изготовителей трубной продукции в выпуске длинномерных полуфабрикатов для трубобетонных конструкций.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 схематично изображен узел сопряжения трубобетонных стоек-колонн с опорными балками с полой насадкой-оболочкой (первый вариант);
- на фиг. 2 схематично изображен узел сопряжения трубобетонных стоек-колонн с опорными балками с насадкой-оболочкой, заглушенной со стороны свободного торца (второй вариант);
- на фиг. 3 схематично изображен узел сопряжения трубобетонных стоек-колонн с опорными балками с полой насадкой-оболочкой в изометрии;
- на фиг. 4 раз А-А на фиг. 1;
- на фиг. 5 схематично изображена система узлов жесткого соединения ячеек трубобетонных конструкций.
По первому варианту узел сопряжения трубобетонных стоек-колонн с опорными балками содержит соосно сопряженные стальные трубы 1 и 2 круглого сечения с бетонным ядром внутри, жестко соединенные между собой и с горизонтальными опорными балками 3 узловым соединительным элементом 4.
По второму варианту узел сопряжения трубобетонных стоек-колонн с опорными балками содержит стальную трубу 2 круглого сечения с бетонным ядром внутри, жестко соединенную с горизонтальными опорными балками 3 узловым соединительным элементом 4.
В обоих вариантах на наружной поверхности узлового соединительного элемента 4 в местах сопряжения с торцевой частью опорных балок 3 выполнены крепежные столики, представляющие собой горизонтальные пластины 5, которые жестко соединены с вертикальными треугольными пластинами-укосами 6. Крепежные столики расположены попарно и симметрично относительно горизонтально плоскости опорных балок 3. Узел сопряжения снабжен стальными уголками 7 стандартного профиля, жестко соединяющими опорные балки 3 с узловым соединительным элементом, выполненным в виде насадки-оболочки 4.
По первому варианту насадка-оболочка представляет собой стальную трубу круглого сечения, внутренний диаметр которой больше наружного диаметра сопряженных стальных труб 1 и 2 для обеспечения ее свободной надвижки на трубы 1 и 2.
По второму варианту насадка-оболочка 4 представляет собой стальную трубу круглого сечения, заглушенную со стороны свободного торца посредством стального листа 8 круглого сечения. Причем внутренний диаметр насадки-оболочки 4 больше наружного диаметра стальной трубы 2 для обеспечения ее свободной надвижки на трубу 2.
В обоих вариантах горизонтальные пластины 5 крепежных столиков жестко соединены с опорными балками 3, а на вертикальных треугольных пластинах-укосах 6 выполнены пазы для обеспечения жесткой связи между стойкой-колонной и насадкой-оболочкой 4. Причем крепежные столики расположены попарно и симметрично относительно горизонтальной плоскости опорных балок 3.
Сборку заявляемого изобретения производят следующим образом.
Предварительно перед началом монтажа узлов сопряжения осуществляют изготовление трубы-оболочки стойки-колонны из мерных стальных труб 1 и 2 круглого сечения заводского изготовления на стеллажах, оборудованных специальными устройствами по их соосному центрованию. При этом длина стойки-колонны и количество соединяемых труб будут зависеть от проектного решения в части высоты здания или сооружения и технической возможности завода-изготовителя по выпуску максимальной длины трубы требуемого сечения.
По первому варианту стыки сварного соединения стальных труб 1 и 2 между собой и места соединения стоек-колонн с опорными балками 3 усиливают путем установки насадки-оболочки 4, внутренний диаметр которой больше наружного диаметра сопряженных стальных труб 1 и 2 для обеспечения ее свободной надвижки на трубы 1 и 2. Монтаж насадки-оболочки 4 к стойкам-колоннам производят заранее с учетом местоположения узлов сопряжения путем ее надвижки на стойки-колонны с их последующим соединением электродуговой сваркой двумя нахлесточными сварными швами.
По второму варианту места соединения стоек-колонн с опорными балками 3 усиливают путем установки насадки-оболочки 4, изготовленной из стальной трубы круглого сечения, заглушенной со стороны свободного торца посредством стального листа 8 круглого сечения. Причем внутренний диаметр насадки-оболочки 4 больше наружного диаметра стальной трубы 2 для обеспечения ее свободной надвижки на трубу 2. Монтаж насадки-оболочки 4 к стойкам-колоннам производят заранее с учетом местоположения узлов сопряжения путем надвижки заглушенной насадки-оболочки 4 на свободный торец стойки-колонны с последующим соединением электродуговой сваркой одним нахлесточным сварным швом со стороны стойки-колонны и одним тавровым сварным швом со стороны стального листа 8.
Такое соединение элементов в обоих вариантах обеспечивает максимальную жесткость и устойчивость конструкции. Для создания высокой прочности конструкции длина насадки-оболочки 4 по вертикальной оси должна быть не менее двух ее наружных диаметров.
Далее для первого и второго варианта стойки-колонны устанавливают в вертикальное проектное положение и поярусно осуществляют монтаж опорных балок 3 в соответствии с объемно-планировочным решением. В качестве опорных балок 3 длиной до 6 метров в зданиях и сооружениях целесообразно применять стальные двутавры по СТО АСЧМ 20-93. При этом до монтажа опорных балок 3 в проектное положение производится установка горизонтальных стальных пластин 5 попарно и симметрично относительно горизонтальной плоскости опорных балок 3 посредством электродуговой сварки поверх полок каждой из сторон стального двутавра 3. Затем опорные балки 3 с пластинами 5 при помощи подъемного крана перемещают в проектное горизонтальное положение и стыкуют со стойкой-колонной посредством треугольных вертикальных стальных пластин-укосов 6 с пазом для обеспечения жесткой связи между стойкой-колонной и насадкой-оболочкой 4. И сначала сверху, а затем снизу относительно опорных балок 3 жестко соединяют горизонтальными и вертикальными сварными швами. Затем осуществляют монтаж электродуговой сваркой двумя вертикальными сварными швами стальных уголков стандартного профиля 7, жестко соединяющих опорные балки 3 с насадкой-оболочкой 4. При этом до монтажа стальных уголков 7 им посредством нагревания и передачи небольшого усилия ударным способом придают форму, при которой значение угла между полками составляет 108 градусов. При таком конструктивном исполнении треугольные стальные пластины-укосы 6 будут воспринимать вертикальные нагрузки, а стальные уголки 7 - горизонтальные.
Монтаж трубобетонной конструкции осуществляют в вертикальном развитии. После полного сварного соединения всех связей и узлов конструкции производят заполнение напорным методом внутренней полости стальных труб 1 и 2 бетонной смесью, которая после твердения и набора прочности образует бетонное ядро. Такой порядок монтажа производят с целью добиться полной усадки и предварительного напряжения конструкции под действием собственного веса, чтобы не допустить разрушение бетона касательными напряжениями в ходе и по окончанию сборки.
Заявляемое изобретение работает следующим образом.
По первому и второму варианту стойки-колонны и насадки-оболочки 4 совместно с опорными балками 3 смежных ячеек создают в расчетной системе жесткие диски с защемлением. Под действием равномерно распределенной нагрузки перекрытий в опорной балке 3 возникают внутренние напряжения, препятствующие ее растяжению, направленные вдоль продольной оси внутрь балки 3. Под действием этих напряжений вследствие защемления опорной балки 3 в стойке-колонне трубобетонной конструкции в местах их соединений возникают местные растягивающие поперечные деформации, влекущие возникновение продольной сжимающей силы, направленной вдоль оси трубобетонной конструкции.
По второму варианту возникшая в месте сопряжения стоек-колонн с опорными балками продольная сжимающая сила, направленная вдоль оси трубобетонной конструкции вниз, через заглушенную со стороны свободного торца насадку-оболочку 4 благодаря равенству диаметров бетонного ядра и круглой пластины 8 из стального листа равномерно передается на бетонное ядро, наиболее устойчивое для восприятия такого рода нагрузок.
Таким образом, заявляемые варианты узлов сопряжения трубобетонных стоек-колонн с опорными балками позволяют повысить несущую способность трубобетонной конструкции за счет увеличения ее устойчивости.