АРМАТУРНЫЙ КАНАТ
ARMATURE CABLE

Изобретение относится к области конструкций канатов используемых в области строительства, предназначенных для применения в предварительно напряженных строительных конструкциях.
Известны конструктивные решения сердечников стальных канатов, используемых для подъемных и подвесных механизмов, для глубоководного оборудования, для рыболовства, а также морских выносных причалов (см., на пример, патент РФ 2112095, D07B 1/06, 1998; патент РФ 2617031, D07B 1/06, 2017).
В известных технических решениях стальных канатов сердечники выполняли роль заполнителя внутренней полости канатов с целью исключения контактного трения между свивками каната, а также с целью уменьшения веса канатов и тем самым увеличения их длины для глубоководных морских работ, для рыболовства, подвешивания грузовых элементов и глубоководного оборудования.
Однако, такие технические решения сердечников для арматурных стальных канатов не обеспечивают возможности использования их в строительных предварительно напряженных конструкциях, по причине недостаточного эффекта от реактивных сил обжатия конструкции.
Известны также конструктивные решения арматурных канатов с металлическим сердечником (см., например, авторское свидетельство SU 1645414, Е04С 5/03, D07B 1/10, 1991). Однако такие технические решения, используемые для предварительного напряжения строительных конструкций не обеспечивают длительного эффекта предварительного напряжения по причине малого запаса потенциальной энергии реактивных сил обжатия, а также недостаточного относительного удлинения каната под нагрузкой и релаксационной стойкости. При этом напряжения в сердечнике превышают повивочные наружные проволочные пряди на 0,9…1,6% (см., например, Мусихин В.А. "Расчет и конструирование стальных спиральных канатов, используемых в качестве предварительно напряженной арматуры железобетонных конструкций ", канд. диссерт., Челябинск, 2003 г., с. 206).
Наиболее близким по совокупности признаков к изобретению является арматурный канат, содержащий сердечник из низкомодульных композитных высокопрочных стержней и свитые в продольном направлении и навитые на сердечник проволочные стальные пряди (см., например, патент РФ 2569650, Е04С 5/08, 2015). В известном техническом решении достигнуто увеличение несущей способности каната за счет использования в сердечнике высокопрочных стержней из композитного низкомодульного материала, также значительно повысился запас потенциальной энергии реактивных сил сжатия за счет их низкомодульности. Так, например, модуль упругости композитных стержней сердечника почти в 3,5 раза меньше высокомодульных стальных проволочных прядей навитых на сердечник, соответственно удельная деформация растяжения в сердечнике будет больше чем в стальных прядях. Таким образом, потенциальная энергия в сердечнике при растяжении увеличивается в 3 раза, что так необходимо для сохранения длительного эффекта предварительного напряжения в строительных конструкциях. При использовании таких сердечников в стальных канатах, для предварительно напряженных строительных конструкций, достигается длительный эффект создания в них внутренних напряжений, противоположенных по знаку напряжениям от внешних нагрузок.
Однако, при навивке наружных прядей стального каната вокруг пучка сердечника из композитных стержней, образуются внутренние силы обжатия, сердечник подвергается неравномерному обжатию прядями в радиальном, тангенциальном и продольным направлениях. Наружная поверхность матрицы композитных стержней после полимеризации связующего формируется неровной, шероховатой, имеет некруглую форму поперечного сечения. Такие технологические дефекты на поверхности композитных стержней по длине образуются периодически и зависят от многих факторов, при этом прочностные характеристики на растяжение особо не отличаются от нормативных значений. При создании предварительного напряжения в канате, первоначально осуществляют натяжение сердечника, затем, зафиксировав его в исходном положении (не показано), переходят к предварительному напряжению (натяжению) оплеточных наружных прядей. Оплеточные пряди стального каната при натяжении подвергают мощному обжатию сердечника в радиальном, тангенциальном и продольном направлениях, это приводит к образованию локальных вмятин и возможных повреждений на поверхности стержней сердечника, возможны также дефекты и по причине трения оплеточного слоя вдоль сердечника.
При этом необходимо отметить, что усилия поперечного обжатия от оплеточных прядей не должны превышать нормативного сопротивления композитных стержней поперечному обжатию, например, для стеклопластиковой арматуры Rсп=400 МПа (см. Фролов Н.П. Стеклопластиковая арматура и стеклопластбетонные конструкции. - М.: Стройиздат, 1980, с. 46). Если в высокопрочном низкомодульном сердечнике возможны такие локальные повреждения на матрице, тогда эффект создания надежности и ожидаемого предварительного напряжения в таких канатах ставится под сомнение.
Задачей, на решение которой направленно изобретение, является защита сердечника от возможных повреждений поверхности волокон и матрицы композитных стержней, как при изготовлении составного арматурного каната, так и в процессе использования в строительных предварительно напряженных конструкциях; создание и обеспечение гарантированной надежности работы сердечника и каната в целом при любых способах армирования (прямолинейное, криволинейное расположение арматурного каната в напрягаемой конструкции), а также видов воздействия внешних нагрузок; возможность регулирования демпфирующими свойствами, сохранение длительного повышенного запаса потенциальной энергии реактивных сил в арматурном канате и конструкции в целом; расширение области использования, локальная защита сердечника от температурных воздействий, снижения трения скольжения внутри оплеточного контура стальных прядей, а также снижения материалоемкости высокопрочной стальной проволоки и уменьшения в целом веса каната.
Технический результат - защита наружной поверхности низкомодульных высокопрочных стержней сердечника от образования возможных повреждений волокон и матрицы в виде составного композитного высокопрочного элемента как при изготовлении составного каната, так и в процессе создания предварительного растягивающего напряжения; также возможности не стесненного, с низким коэффициентом трения скольжения при перемещении сердечника внутри в полости наружного оплеточного контурного слоя стальных прядей каната и, тем самым, достигается возможность снижения влияния технологических дефектов на поверхности композитных стержней, температурных воздействий, а также варьирования запасом потенциальной энергии от реактивных сил сжатия. Таким образом, при любых способах армирования конструкций, создаются большие реактивные силы и потенциальный запас энергии для сохранения длительного эффекта предварительного напряжения и демпфирующие свойства, сохраняющиеся длительно во времени при действии как динамических, так и пульсирующих нагрузок, при этом сердечник выполняет роль компенсатора потерь реактивных сил в арматурном канате комбинированного сечения.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что арматурный канат, содержащий сердечник из низкомодульных композитных высокопрочных стержней и наружные проволочные стальные пряди, свитые и навитые в продольном направлении на сердечник, отличается от прототипа тем, что сердечник выполнен с защитной оболочкой из антифрикционного композитного материала, при этом оболочка выполнена гофрированной  (ребристой кольцеобразной) в продольном направлении. При этом ребра оболочки могут быть выполнены и в виде пространственного каркаса из перекрестных ребер. Ребристая оболочка защищает композитный материал сердечника от влияния температурного воздействия на прочность, а также снижает стесненное трение.
Выполнение в арматурном канате сердечника с внешним защитным обрамлением в виде оболочки из антифрикционного композитного материала, при этом оболочка выполнена ребристой из жесткого упругого материала, причем конструктивные решения ребер оболочки выполнены как кольцеобразными в виде непрерывных цилиндрических кольцевых пружин, так и в виде пространственного каркаса из перекрестных ребер жесткости, позволяет получить в сравнении с известными техническими решениями новые свойства, заключающиеся в защите наружной поверхности низкомодульных высокопрочных стержней сердечника от образования возможных повреждений волокон и матрицы композитного материала сердечника, как при изготовлении составного каната, так и в процессе создания предварительного растягивающего напряжения; достижения возможности нестесненного перемещения сердечника, благодаря низкого коэффициента трения скольжения внутри в полости наружного контура оплеточного слоя стальных прядей каната, независимо от схемы размещения арматурного каната по длине напрягаемой строительной конструкции, тем самым позволяет создавать достаточно большие реактивные силы, не стесненные действием сил поперечного обжатия от навитых стальных прядей каната и увеличивать запас потенциальной энергии для длительного сохранения эффекта предварительного напряжения в арматурном канате комбинированного сечения; в повышении несущей способности и надежности работы сердечника по компенсации потерь созданных напряжений в арматурном канате и конструкции в целом; также расширении области использования и локальной защите сердечника от температурных воздействий. Благодаря защитной ребристой оболочке из антифрикционного композитного материала для сердечника, появилась технологическая и инженерная возможность использовать арматурный канат комбинированного сечения при любых способах армирования строительных конструкций с учетом их работы по различным схемам (разрезная, неразрезная, комбинированная). Есть такое понятие в области строительной механики (см., например, Рабинович И.М. Основы строительной механики стержневых систем. 3 изд., М., 1960., или см., Байков В.Н., Сигалов Э.С. Железобетонные конструкции. Общий курс. - М.: Стройиздат, 1985. - 728 с.).
На фигуре 1 изображен арматурный канат с сердечником, общий вид; на фигуре 2 - сечение составного каната; на фигурах 3, 4, 5 - варианты выполнения защитной ребристой оболочки для сердечника, общий вид.
Сердечник 1 арматурного каната содержит защитную наружную ребристую оболочку 2, которая внешне обрамляет сердечник 1 расположенный внутри. Поверх оболочки 2 навиты продольные проволочные стальные пряди 3. Защитная ребристая оболочка 2 выполнена из антифрикционного композитного материала, например, класса фторопластов, причем наружные ребра оболочки 2 армированы и выполнены из жесткого упругого материала в виде наклонных 4 ребер, кольцеобразных 5 ребер жесткости типа цилиндрических пружин, либо в виде пространственного каркаса из перекрестных 6 ребер жесткости..
Сборку сердечника 1 и арматурного каната в целом производят следующим образом. Первоначально сердечник 1, в виде длинномерного составного элемента, образованного из высокопрочных низкомодульных композитных стержней, вставляют в полость (см. фиг. 6) внутрь защитной ребристой оболочки 2, выполненной из антифрикционного композитного материала, например, на основе жестких пластиков класса фторопластов в комбинации с другими материалами, типа «Маслянит». Длина сердечника 1 и защитной ребристой оболочки 2 не регламентированы, так как длина их зависит в основном от размеров арматурных канатов. Длина производимых арматурных канатов регламентирована заводскими техническими условиями. Собранный сердечник 1 с защитной ребристой оболочкой 2 наматывается на катушку - барабан (не показано) и поставляются на технологическую линию, где и осуществляется продольная навивка на сердечник 1 с защитной оболочкой 2 стальных прядей 3.. Конструктивное решение оболочки 2 может быть разнообразным по способу образования наружных гофр, выполняющих роль ребер жесткости (см. фиг. 3, 4, 5),зависит от способов навивки наружных проволочных прядей 3 и усилий от обжатия прядями 3 при создании предварительного напряжения в канате. Основное функциональное назначение ребристой оболочки 2 - защита низкомодульных композитных стержней сердечника 1 от локальных механических повреждений и от поперечного обжатия стальными навитыми прядями 3, для свободного перемещения сердечника 1 внутри контура навитых в продольном направлении наружных металлических свитых прядей 3 каната в процессе создания предварительного напряжения как в сердечнике 1, так и в прядях 3 обеспечение возможности использовать арматурный канат не только при прямолинейном расположении в конструкции, но и при криволинейных способах армирования с целью достижения эффективного предварительного напряжения и сохранения длительного воздействия реактивных сил обжатия строительной конструкции, а также повышения демпфирующих свойств, расширения области применения в конструкциях зданий и сооружений, снижения веса и высокопрочной проволоки, локальной защиты сердечника от температурных воздействий.
Сердечник 1 арматурного каната работает следующим образом. С целью создания и сохранения предварительного напряжения в строительной конструкции, необходимо первоначально выполнить крепление концевых пучков стержней сердечника 1 с помощью известных устройств для анкеровки композитных стержней (см., например, патент РФ 2613370, Е04С 5/12,2017 г.), после этого осуществляют натяжение сердечника 1 домкратом, соединенным с концевым анкерным устройством (не показано), усилие натяжения контролируется. Так как сердечник 1 выполнен с внешним защитным обрамлением в виде ребристой оболочки 2 из антифрикционного композитного материала, величиной контролируемого напряжения в сердечнике 1 можно варьировать по всей длине конструкции, независимо от способов армирования (прямолинейное, либо криволинейное).
После достижения требуемой величины контролируемого напряжения в сердечнике 1, в пределах  где  - временное сопротивление разрыву композитных стержней (см. Накашидзе Б.В. «Использование стеклопластиковой арматуры в клееных деревянных балках», канд. диссерт., Хабаровск, 1972., с. 165), приступают к созданию предварительного напряжения в стальных прядях 3, концы которых также заанкерены известными способами и соединены с домкратом (не показаны), усилия натяжения при этом также контролируются. Особенностью конструктивного решения устройств для анкеровки сердечника 1 и стальных прядей 3 является то, что после создания контролируемых напряжений при растяжении сердечника 1 и проволочных навитых прядей 3 осуществляется их совместное объединение в одно устройство (не показано), закрепленное в напрягаемой строительной конструкции известными способами. После создания предварительного напряжения в строительной конструкции, со временем происходят потери начально созданных реактивных сил обжатия по причине ползучести и релаксации материала конструкции, а также в арматурном канате комбинированного сечения. Так как в сердечнике 1 реактивные силы по удельной энергии превышают деформации растяжения стальных наружных свитых прядей почти в 3 раза, его можно использовать также в качестве компенсатора потерь предварительного напряжения в арматурном канате и строительной конструкции в целом. Выполнение сердечника 1 с внешним защитным обрамлением в виде ребристой оболочки 2 из антифрикционного композитного материала, имеющего низкий коэффициент трения скольжения, позволяет создавать и регулировать начальные и конечные усилия предварительного напряжения (растяжения) в самом сердечнике 1 и арматурном канате в целом при разнообразных способах его расположения в строительных конструкциях (прямолинейное, криволинейное) в наиболее напряженных зонах сечения, например, при разрезных и неразрезных балочных схемах. Таким образом, защитное для сердечника 1 обрамление в виде ребристой оболочки 2 из антифрикционного композитного материала, обеспечивает первоначально защиту низкомодульных высокопрочных стержней сердечника от локальных механических повреждений; за счет низкого коэффициента трения скольжения сердечника 1 внутри контура навитых стальных прядей 3, уменьшает внешние прикладываемые усилия, необходимые для предварительного натяжения (контролируемого напряжения) сердечника при криволинейном расположении арматурного каната в строительной конструкции на участках перегиба каната, а ребра жесткости (см. Фиг. 3; 4; 5) защитной оболочки 2 значительно уменьшают влияние стесненного обжатия сердечника 1 от навитых металлических прядей 3 каната. Ребристая оболочка 2 позволяет снизить влияние температурных воздействий на сердечник, тем самым обеспечивает его прочность и надежность в работе.
После натяжения арматурного каната до требуемой контролируемой величины предварительного напряжения осуществляют его крепление и фиксирование в строительной конструкции (не показано) известными способами. В результате действия реактивных сил от арматурного каната строительная конструкция подвергается мощному обжатию, возникают внутренние напряжения, противоположные по знаку напряжениям от внешней нагрузки, это позволяет снизить деформативность, трещинообразование в железобетонных и полимербетонных конструкциях, увеличивать перекрываемые пролеты конструкций зданий и сооружений. Известно, что при длительном воздействии внешних нагрузок на строительную конструкцию и внутреннего ее обжатия реактивными силами от арматурного каната в материале конструкции и самой арматуре происходят явления ползучести и релаксации, которые приводят к потере начально созданных сил и напряжений. Сердечник 1 каната, выполненный из низкомодульного высокопрочного композитного материала в виде пучка, образованного из отдельных прямолинейных стержней с внешним защитным обрамлением в виде ребристой оболочки 2 из антифрикционного композитного материала, за счет низкого коэффициента трения скольжения, позволяет уменьшать внешние усилия, необходимые для создания контролируемого предварительного напряжения в строительной конструкции.. Благодаря разнообразию конструктивных форм ребер (Фиг. 3; 4; 5) жесткости в оболочке 2, достигается значительный эффект уменьшения влияния стесненного обжатия сердечника 1 от навитых стальных прядей 3 каната. Выполнение сердечником 1 функции компенсатора потерь предварительного напряжения в арматурном канате значительно расширило область его применения для конструкций зданий и сооружений в сейсмических зонах строительства при резких перепадах температур.
Изобретение позволяет длительно сохранять эффект предварительного напряжения в строительных конструкциях из дерева, полимербетона, железобетона, композитных материалов, обладающих свойствами длительной ползучести, трещинообразования, деформациями последействия при длительных внешних нагрузках; уменьшать внешние прикладываемые усилия для создания предварительного натяжения (контролируемого напряжения) в сердечнике при криволинейном расположении арматурного каната в строительной конструкции за счет уменьшения сил трения на криволинейных участках перегиба каната, также уменьшить влияние температурных воздействий на прочность сердечника; снижать резонансные явления от действия подвижной, пульсирующей, динамической нагрузок, может быть использовано по функциональному назначению как демпфер в строительных мостовых конструкциях, в различных сооружениях многоцелевого назначения, а также уменьшать расход высокопрочной стальной проволоки и, тем самым, снижать вес каната.
Источники информации:
1. Патент РФ 2112095, D07B 1/06, 1998; патент РФ 2617031, D07B 1/06, 2017).
2. Авторское свидетельство SU 1645414, Е04С 5/03, D07B1/10, 1991).
3. Патент РФ 2569650, Е04С 5/08, 2015).