Железобетонный элемент в виде стойки для испытания на сжатие
REINFORCED CONCRETE ELEMENT IN THE FORM OF A STAND FOR COMPRESSION TESTING

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при изготовлении железобетонного элемента в виде стойки для проведения испытаний на центральное и внецентренное сжатие.
Известен строительный элемент в виде стойки, содержащий бетонное ядро и пространственный каркас, состоящий из коаксиально расположенной центральной спирали, навитой вокруг продольных стержней, и четырех спиралей круглого поперечного сечения, расположенных по углам и навитых вокруг сгруппированных продольных стержней. /Патент RU 178561, МПК E04C 3/36 (2006.01). Строительный элемент в виде стойки.  Кришан А.Л., Чернышова Э.П., Сабиров Р.Р., Астафьева М.А., заявл. ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»: 20.10.2017, опубл: 09.04.2018, Бюл. №10/[1] – прототип.
Недостатками известной конструкции являются невозможность загружения элемента с эксцентриситетом приложения внешней нагрузки, выходящим за пределы сечения элемента, а также повышенная деформативность верхних и нижних частей железобетонного элемента (оголовков).
Техническим результатом изобретения является:
- возможность проведения испытаний на стандартных испытательных машинах (прессовом оборудовании) без использования дополнительной оснастки;
- загружение элемента с эксцентриситетом приложения внешней нагрузки, выходящим за пределы сечения элемента;
- снижение деформативности верхних и нижних частей железобетонного элемента (оголовков);
- равномерное распределение прикладываемой внешней нагрузки по поверхности испытываемого образца;
- повышение надёжности анкеровки рабочей продольной арматуры;
- сокращение времени на подготовительный и испытательный процесс при проведении испытания на сжатие железобетонного элемента в виде стойки.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном железобетонном элементе в виде стойки, включающем в себя бетон и арматурный каркас, состоящий из рабочей продольной арматуры и поперечной арматуры, отличающийся тем, что он снабжён П-образными конструкциями усиления оголовков элемента, к которым с помощью болтового соединения прикреплены съёмные консольные конструкции, при этом П-образная конструкция усиления выполнена из двух стальных пластин с отверстиями, приваренных под углом 90° к стальной пластине сплошного сечения параллельно друг к другу, и стальных трубок круглого сечения, расположенных между стальными пластинами с отверстиями и соединяющих между собой их отверстия; съёмная консольная конструкция изготовлена в виде стальной квадратной трубы, присоединённой сварным швом по периметру к базовой стальной пластине консоли, снабженной отверстиями, расположенными вне зоны соединения с квадратной трубой, которые соответствуют отверстиям на стальных пластинах П-образной конструкции усиления.
Поперечное сечение элемента может быть квадратным или прямоугольным.
Поперечная арматура выполнена в виде хомутов и отрезков стержней или скоб.
Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом заключена в следующем.
Возможность загружения элемента с эксцентриситетом приложения внешней нагрузки, выходящим за пределы сечения элемента, позволяет использовать стандартные испытательные машины (прессовое оборудование) для испытания железобетонных элементов с расширенным диапазоном эксцентриситетов, которые невозможно приложить без дополнительной оснастки.
Применение П-образной конструкции усиления уменьшает деформативность оголовков элемента и позволяет осуществлять равномерную передачу нагрузки на элемент.
Приварка рабочей продольной арматуры к элементам П-образной конструкции усиления позволяет обеспечить её надёжную анкеровку.
Всё это вместе способствует сокращению времени подготовки к проведению экспериментальных работ над элементами несущих конструкций, работающих на центральное и внецентренное сжатие.
На фиг. 1 и фиг. 2 изображена П-образная конструкция усиления: 1 – стальная пластина с отверстиями; 2 – стальная пластина сплошного сечения; 3 – втулка из стальной трубы круглого сечения; 4 – сварной угловой шов.
На фиг. 3 и фиг. 4 изображен арматурный каркас элемента с П-образной конструкцией усиления (бетон элемента не показан): 1 – стальная пластина с отверстиями; 2 – стальная пластина сплошного сечения; 3 – втулка из стальной трубы круглого сечения; 5 – рабочая продольная арматура S; 6 – рабочая продольная арматура S` 7 – поперечная арматура (хомуты); 8 – поперечная арматура в виде скоб или отрезков стержней.
На фиг. 5 и фиг. 6 изображена трёхмерная модель, подготовленного к проведению испытания, железобетонного элемента в виде стойки (бетон элемента условно не показан): 1 – стальная пластина с отверстиями; 2 – стальная пластина сплошного сечения; 3 – втулка из стальной трубы круглого сечения; 5 – рабочая продольная арматура S; 6 – рабочая продольная арматура S` 7 – поперечная арматура (хомуты); 9 – съёмная консольная конструкция; 10 – стальные болты; 11 – стальные гайки.
На фиг. 7 и фиг. 8 изображена съёмная консольная конструкция: квадратная труба – 12; базовая стальная пластина консоли – 13.
Бетон на фигурах не показан.
Железобетонный элемент в виде стойки включает в себя арматурный каркас, содержащий рабочую продольную арматуру S – 5, рабочую продольную арматуру S` – 6, поперечную арматуру (хомуты) – 7, поперечную арматуру в виде скоб или отрезков стержней – 8 и П-образную конструкцию усиления, изготовленную из двух стальных пластин с отверстиями – 1, приваренных под углом 90° к стальной пластине сплошного сечения – 2 параллельно друг к другу, и втулок из стальной трубы круглого сечения – 3, расположенных между стальных пластин с отверстиями – 1 и соединяющих между собой их отверстия.
Съёмная консольная конструкция – 9 изготовлена в виде стальной квадратной трубы – 12, присоединённой сварным угловым швом по периметру к  части базовой стальной пластины консоли – 13, другая часть которой снабжена отверстиями. Расположение отверстий базовой стальной пластины консоли – 13 соответствуют отверстиям на стальных пластинах П-образной конструкции усиления. Съёмная консольная конструкция – 9 установлена к обетонированному арматурному каркасу с П-образной конструкцией усиления на жёсткий цементно-песчаный раствор и присоединена к железобетонному элементу посредством стальных болтов – 10, пропущенных через отверстия базовой стальной пластины консоли, отверстия стальных пластин П-образной конструкции усиления, втулки из стальной трубы круглого сечения – 3 П-образной конструкции усиления, и стальных гаек – 11.
Железобетонный элемент в виде стойки состоит из арматурного каркаса, в котором рабочая продольная арматура S – 5 и рабочая продольная арматура S` – 6 выполнены из арматурной стали класса А400÷А600, поперечная арматура (хомуты) 7, поперечная арматура в виде скоб или отрезков стержней 8 выполнены из арматурной стали класса А240 или В500; и П-образной конструкции усиления (фиг. 1, 2), элементы которой изготовлены из углеродистой конструкционной стали. Используемые материалы имеют высокую прочность на растяжение и сжатие, что позволяет обеспечить требуемую прочность железобетонного элемента в виде стойки. Наружная часть стержней рабочей продольной арматуры S и S` – 5 и 6 соответственно расположена на расстоянии не менее 20 мм и не менее половины диаметра стержня от грани сечения изготавливаемого элемента [2]. При меньших расстояниях не удастся обеспечить сохранность стержней рабочей продольной арматуры S и S` – 5 и 6 соответственно от воздействий окружающей среды (в том числе при наличии агрессивных воздействий). Поперечная арматура (хомуты) 7 и поперечная арматура в виде скоб или отрезков стержней 8 у одной грани  расположены по высоте элемента с шагом не более 15-и кратного значения наибольшего диаметра рабочей продольной арматуры S и S` – 5 и 6 соответственно. Это необходимо для удержания продольных стержней в проектном положении и закрепления их от бокового выпучивания в любом направлении [2]. Рабочая продольная арматура S и S` – 5 и 6 соответственно в своём проектном положении приварена к стальным пластинам с отверстиями 1 и стальной пластине сплошного сечения 2 соответственно, что обеспечивает надёжную анкеровку для рабочей продольной арматуры S и S` – 5 и 6 соответственно. Наличие в железобетонном элементе П-образной конструкции усиления, состоящей из соединенных между собой с помощью сварного углового шва 4 двух стальных пластин с отверстиями 1 и стальной пластины сплошного сечения 2, позволяет снизить деформативность верхних и нижних частей железобетонного элемента (оголовков), осуществить равномерное распределение прикладываемой внешней нагрузки по поверхности образца. Равномерное распределение нагрузки осуществляется от съёмной консольной конструкции 9 через слой цементно-песчаного раствора на П-образную конструкцию усиления элемента. Внутри П-образной конструкции усиления установлены втулки из стальной трубы круглого сечения 3, позволяющие закреплять на железобетонном элементе съёмную консольную конструкцию 9, которая позволяет в процессе испытания загрузить элемент с эксцентриситетом приложения внешней нагрузки, выходящим за пределы сечения элемента (фиг. 5, 6). Бетон на фигурах не показан.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного выше технического результата.
Железобетонный элемент в виде стойки изготавливают следующим образом: сначала изготавливают арматурный каркас элемента, П-образную конструкцию усиления и съёмную консольную конструкцию. Две стальные пластины с отверстиями 1 привариваются под углом 90° к стальной пластине сплошного сечения 2 посредством сварного углового шва 4 (фиг. 1 узел А), образовывая П-образное изделие. Далее рабочую продольную арматуру S - 5 и рабочую продольную арматуру S` - 6, зафиксированную в проектном положении, приваривают к пластинам изготовленной П-образной конструкции усиления. Затем втулки из стальной трубы круглого сечения – 3, предназначенные для пропуска через элемент стальных болтов 10, приваривают к стальным пластинам с отверстиями 1, центрируя отверстия в пластинах с отверстиями втулок. После этого по месту выполняют устройство поперечной арматуры (хомутов) 7. В местах, где устройство замкнутых хомутов невозможно, но имеется вероятность потери устойчивости рабочей продольной арматуры, устанавливают поперечную арматуры в виде скоб или отрезков стержней 8. Отверстия втулок из стальной трубы круглого сечения 3 заполняют монтажной пеной, либо деревянной пробкой для предотвращения заполнения бетоном в процессе бетонирования, сохраняя возможность пропуска через данные отверстия стальных болтов 10 для закрепления съёмной консольной конструкции. После этого, изготовленный арматурный каркас с П-образной конструкцией усиления (фиг. 3, 4) помещают в предварительно подготовленную опалубку, и производят бетонирование образца. По истечению 2-3 суток элемент распалубливают. Происходит набор прочности бетона в течение 28 суток при твердении в нормальных естественных условиях.
Съёмная консольная конструкция – 9 изготавливается путём приварки по периметру квадратной трубы – 12, выполненной из стальных пластин, соединённых между собой сварным угловым швом, к базовой стальной пластине консоли – 13 с отверстиями сварным угловым швом. Швы выполняются с помощью автоматической или полуавтоматической сварки, что важно для получения надёжного качественного соединения. Размер вылета квадратной трубы – 12 определяется величиной требуемого эксцентриситета приложения внешнего усилия. Ширина и высота квадратной трубы – 12 равны размеру высоты сечения железобетонного элемента в виде стойки. Толщина пластин для квадратной трубы – 12 и базовой стальной пластины консоли – 13 с отверстиями подбирается расчётом на прочность, жёсткость и устойчивость по действующим нормативным документам [3]. Толщина пластин для квадратной трубы – 12 принимается равной 8÷15 мм, базовой стальной пластины консоли – 13  с отверстиями – 20÷30 мм. Ширина базовой стальной пластины консоли – 13 с отверстиями превышает ширину квадратной трубы – 12 для создания сварного соединения с требуемым катетом шва. Расчёт сварного соединения с угловыми швами производится на действие момента в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения шва [3]. Последовательность изготовления арматурного каркаса элемента с П-образной конструкцией усиления или съёмной консольной конструкции значения не имеет.
Отверстия в пластинах П-образной конструкции усиления и базовой стальной пластины консоли – 13 съёмной консольной конструкции выполняются одинакового диаметра с расположением таким образом, чтобы они совмещались при наложении. Это необходимо для пропуска через данные отверстия стальных болтов 10 для закрепления съёмной консольной конструкции 9. Количество отверстий в пластинах определяется количеством болтов, которое подбирается по расчётному усилию, воспринимаемому одним болтом в соединении, на срез, смятие, растяжение и действующему усилию [3].
Консольная конструкция устанавливается к обетонированному арматурному каркасу с П-образной конструкцией усиления на жёсткий цементно-песчаный раствор, выдерживается в таком положении в течение суток. Затем в отверстия, проделанные в П-образной конструкции усиления и базовой стальной пластины консоли – 13 съёмной консольной конструкции, устанавливаются болты с шайбами – 10 и соединение фиксируется посредством последовательного затягивания всех стальных гаек – 11. Далее железобетонный элемент выставляется в проектное положение в соответствии с заданным эксцентриситетом. До начала испытаний проверяется положение железобетонного элемента по вертикали в двух плоскостях, положение консольных конструкций относительно тела образца – железобетонного элемента. При этом необходимо обеспечение соосности верхней и нижней консолей с телом образца – железобетонного элемента.
Таким образом, предложен железобетонный элемент в виде стойки для испытаний на сжатие, позволяющей обеспечить возможность загружения элемента с эксцентриситетом приложения внешней нагрузки, выходящим за пределы  поперечного сечения элемента; снизить деформативность верхних и нижних частей железобетонного элемента (оголовков); осуществить равномерное распределение прикладываемой внешней нагрузки по поверхности образца железобетонного элемента; обеспечить надёжную анкеровку рабочей продольной арматуры.
Пример. Железобетонный элемент в виде стойки для испытания на внецентренное сжатие с эксцентриситетом приложения внешнего усилия 300 мм.
Высота железобетонного элемента в виде стойки составляет 1 м. Класс бетона по прочности на осевое сжатие В40.
Рабочая продольная арматура S выполнена из двух стержней диаметром 22 мм класса А400, рабочая продольная арматура S` – два стержня диаметром 12 мм класса А400, поперечная арматура (хомуты) и поперечная арматура в виде скоб или отрезков стержней – диаметром 8 мм класса А240 с шагом по высоте элемента 160 мм.
Для предотвращения разрушения бетона в оголовках железобетонного элемента, установлены стальные П-образные конструкции усиления, обеспечивающие равномерную передачу нагрузки на бетон, а также служащие для закрепления консольной конструкции на железобетонном элементе, для чего в их пластинах проделаны отверстия под болты ∅25 мм. Для болтов нормальной точности отверстия выполняют на 1мм больше диаметра болта. П-образная конструкция усиления представлена на фиг. 1 и 2. Втулки из стальной трубы круглого сечения выполнены с внутренним диаметром 34 мм.
П-образная конструкция усиления представляет собой две стальные пластины размером 240×200×10мм с шестью отверстиями ∅25мм и одну пластину сплошного сечения габаритами 200×190×10 мм. Пластины с отверстиями соединены с пластиной сплошного сечения посредством углового сварного соединения под углом 90° – «П»-образное соединение (узел А на фиг. 1). Условное обозначение соединения по [ГОСТ 5264-80] – У6. Конструктивные элементы подготовленных кромок свариваемых деталей и сварного шва, а также их геометрические показатели даны в таблице 40 [ГОСТ 5264-80]. Между пластинами с отверстиями установлены втулки из стальной трубы круглого сечения для защиты рабочих болтов от бетонирования с целью последующих применений.
К пластине с отверстиями приваривается в своем проектном положении рабочая продольная арматура S. Соединение выполняется согласно требований [ГОСТ 14098-91], в таблице 18 которых указаны геометрические характеристики сварного соединения данного типа.
Съёмная консольная конструкция является неотъемлемой частью железобетонного элемента для испытаний на сжатие. Она представляет собой квадратную трубу размерами 200×200×12 мм, прикреплённую к базовой стальной пластине консоли с отверстиями размерами 500×250×20 мм угловым швом с катетом 13 мм путем обварки по периметру профиля (фиг. 7 и 8). В базовой стальной пластине консоли с отверстиями проделаны шесть отверстий ∅25 мм, обеспечивающих соединение посредством болтового соединения с П-образной конструкцией усиления оголовка железобетонного элемента. Конструкция квадратной трубы выполнена из стальных пластин толщиной 12 мм (фиг. 7).
Расчёт съёмной консольной конструкции произведён с применением норм [3], как изгибаемого в одной из главных плоскостей железобетонного элемента. Сечение подобрано исходя из требуемого значения момента сопротивления сечения по сортаменту [ГОСТ 30245-94]. Так как консольная конструкция съёмная, то расчёт производился на максимальный изгибающий момент, возникающий при испытаниях образцов.
Расчёт сварного соединения с угловыми швами произведён на действие момента в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения шва согласно пособию [Пособие по расчету и конструированию сварных соединений стальных конструкций (к главе СНиП II-23-81)] и нормам [3]. Сечение, по которому произведён расчёт сварного соединения для данного сочетания стали, сварочной проволоки и способа сварки определено в соответствии с табл.2 [Пособие по расчету и конструированию сварных соединений стальных конструкций (к главе СНиП II-23-81)] и является – по металлу шва.
В результате испытания было установлено, что разрушающая нагрузка на железобетонный элемент в виде стойки составляет 21,2 тонны. Эксперимент проводился в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории кафедры «Железобетонные конструкции» СамГТУ (г. Самара) в 2010-2011 гг.
Предложенное техническое решение для железобетонного элемента в виде стойки использовалось при проведении экспериментальных работ в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории кафедры «Железобетонные конструкции» СамГТУ (г. Самара).
Источники информации
1. Патент RU 178561, МПК E04C 3/36 (2006.01). Строительный элемент в виде стойки. Кришан А.Л., Чернышова Э.П., Сабиров Р.Р., Астафьева М.А., заявл. ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»: 20.10.2017, опубл. 09.04.2018, Бюл. №10.
2. СП 63.13330.2018. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. СНиП 52-01-2003 (с Изменением №1). – М.: Минстрой России. – 2018 – 119 с.
3. СП 16.13330.2017. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81* (с Поправкой, с Изменением N 1). - М.: Минстрой России, 2019. – 145 с.