СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СТАЛЬНОЙ ДВУХВЕТВЕВОЙ КОЛОННЫ
METHOD TO MANUFACTURE GUNCRETE ELEMENTS OF STEEL DOUBLE-BRANCH PILLAR

Изобретение относится к возведению железобетонных каркасов промышленных и гражданских зданий из трубобетонных элементов.
2
Железобетонные конструкции подвержены коррозии бетона и арматуры [1, с.255], [2]. Особенно опасна коррозия арматуры внутри сечения колонны или балки. Продукты коррозии имеют объем, почти в два (1,91) раза больший, чем первоначальный объем стали. Поэтому внутри железобетонного сечения создается внутреннее давление, легко раскалывающее бетон. Это приводит к отслоению и обрушению защитного слоя. Так на ТЭЦ-1 г.Пенза, построенной в 1943 г., имеющей железобетонные колонны сечением 1400×700 мм с защитным слоем 75 мм, наблюдалось резкое снижение несущей способности при обрушении защитного слоя бетона на колоннах. Первоначальная площадь сечения колонны равна А*=140·70=9800 см (100%).
2
После обрушения защитного слоя на нулевой отметке произошло уменьшение габаритов сечения 140-2·7,5=125 см и 75-2·7,5=60 см. Площадь сечения также уменьшилась А=125·60=7500 см (76,5%). Уменьшение площади сечения составило 24,5%. Уменьшение несущей способности всей колонны значительно больше, так как в результате коррозии площадь течения арматуры так же уменьшилась на 20…25%. Снижение несущей способности колонн значительное. Кроме того, наблюдается и язвенная коррозия арматуры, которая особенно опасна.
При обследовании установлено, что более напряженные железобетонные консоли колонн каркаса ТЭЦ-1 сильнее поражаются коррозией, чем другие менее напряженные зоны каркаса сооружения [3].
Таким образом, долговечность железобетонных каркасов зданий, в результате коррозии бетона и арматуры, падает и становится недостаточной. Актуальность разработки конструкций, более стойких к внешним агрессивным воздействиям, нарастает!
За прототип примем способ усиления железобетонных колонн, предложенный К.К.Неждановым и разработанный с аспирантами [4, RU №2274719].
В прототипе способ усиления железобетонной колонны, утратившей несущую способность в результате коррозии бетона и арматуры, заключается в следующем.
Поверхность железобетонной колонны, утратившей несущую способность, обрабатывают путем насечки и увлажнением ее. Обойму устраивают из стальной трубы, овальной в сечении с отношением большего габарита к меньшему габариту, равным трем. Разрезают трубу вдоль, заключают поврежденную колонну внутрь стальной обоймы, ориентируя ее большую ось сечения в плоскости эксцентриситета приложения продольной сжимающей силы, и уменьшают эксцентриситет.
Герметично соединяют две половинки овального сечения в единое целое и заполняют полости между стальной обоймой и поврежденной колонной расширяющимся мелкозернистым бетоном, нагнетая его через патрубки в полости способом «снизу вверх».
Уплотняют бетон вибрированием глубинными вибраторами и при схватывании его предварительно напрягают сечение, обжимая его со всех сторон стальной обоймой, преобразуют колонну в трубобетонную и этим усиливают всю конструкцию.
X
Известно также, что после деформирования цилиндрической в сечении трубы с боков и придания ее сечению эллиптической формы происходит значительное увеличение момента сопротивления W относительно главной горизонтальной оси Х овального сечения [5, №2191154], [6, патент №2192381], [7, патент №2304479]. Поэтому применять обойму из стальной овальной трубы выгодно.
Известен каркас сооружения с овальными сечение трубобетонными колоннами [8, патент №2319811], [9, патент №2319817]. Также известен способ исключения возможности обрушения металлических конструкций каркаса от пожара [10, патент №2411330].
Техническая задача изобретения - повышение долговечности и несущей способности железобетонного каркаса здания путем применения внешнего поверхностного армирования расширяющегося бетона стальной овальной в сечение обоймой, обжимающей бетонное ядро, выполняющей также функцию защиты бетона от коррозии, а также упрощение технологического процесса возведения каркаса сооружения и снижение трудоемкости его возведения.
Техническая задача по повышению несущей способности и долговечности железобетонного каркаса здания реализована следующим образом.
Колонну выполняют с уступом для опирания подкрановых балок. Колонна содержит нижнюю двухветвевую часть ниже уступа и верхнюю часть выше уступа. Части соединены в единое целое траверсой.
Каждый трубобетонный элемент колонны выполняют из овального профиля с отношением большего габарита к меньшему габариту, равным трем. Расширяющийся бетон по бетонопроводу нагнетается и быстро вращающийся вокруг продольной оси овальный профиль, являющийся обоймой, центробежными силами отбрасывает (центрифугирует) пластичный расширяющийся бетон на периферию к стенкам обоймы, уплотняя и отжимая из него избыточную влагу, что улучшает водоцементное отношение. Затем подают в центральный канал пар и, не прекращая вращения, пропаривают бетон изнутри. При схватывании бетон расширяется, всесторонне распирая внешнюю обойму изнутри, а обойма препятствует расширению, всесторонне обжимает бетон снаружи и повышает его прочность. После схватывания бетона получают готовые трубобетонные элементы двухветвевой колонны.
Больший габарит сечения каждой из ветвей нижней части колонны ориентирован из плоскости рамы, а верхней части в плоскости рамы (в плоскости эксцентриситета). Ветви соединяют решеткой из элементов коробчатого профиля. Базу ветвей колонны оснащают анкерными балками, соединяющими ветви. Оголовки ветвей снабжают фланцами. Траверсу присоединяют к фланцам высокоресурсными болтами. Траверса может быть выполнена, например, из овального профиля с отношением большего габарита к меньшему габариту, равным трем.
Для опирания подкрановой балки на овальную траверсу смонтирована седлообразная опора. Седлообразная опора состоит из таврового элемента, расположенного вдоль траверсы, и приваренных к нему по краям продольных ребер. В полке тавра выполнены овальные отверстия, соосные ответным отверстиям в нижних поясах смежных подкрановых балок, для присоединения подкрановой балки анкерными болтами к седлообразной опоре, с возможностью поперечной рихтовки. Овальная траверса имеет ребра жесткости.
К траверсе присоединяют верхнюю трубобетонную часть колонны и получают единую конструкцию - двухветвевую трубобетонную колонну.
Внутри каждого трубобетонного элемента имеется канал, используемый для повышения огнестойкости конструкции. При возникновении пожара и повышении температуры датчик подает аварийный сигнал и автоматически включается подача охлажденной воды, ограничивающей разогрев двухветвевой трубобетонной колонны в допустимых пределах.
Анкерная балка присоединяется к фундаменту анкерным болтом, снабженным рихтующей гайкой.
Подкрановые балки безвыверочно установлены над центром тяжести нижней части колонны и шарнирно присоединены к траверсе анкерными болтами, с возможностью поперечной рихтовки подкрановых балок, для восстановления их проектного положения.
е
min
При этом верхняя часть колонны установлена по отношению к нижней части колонны с эксцентриситетом  наружу здания, с обеспечением минимального зазора Δ между внутренней гранью верхней части колонны и выступающей наружу вбок частью мостового крана.
Внешний пояс тормозной балки присоединен болтами к столику, приваренному к верхней части колонны, также с возможностью поперечной рихтовки ее.
На фиг.1 показан узел сопряжения овальных трубобетонных ветвей колонны с овальной в сечении полой траверсой, узел сопряжения траверсы с седлообразной опорой и верхней овальной трубобетонной частью колонны;
на фиг.2 показано сечение двухветвевой трубобетонной колонны;
на фиг.3 - вид сбоку на фиг.1;
на фиг.4 - узел сопряжения ветви колонны с элементами решетки;
на фиг.5 - сечение овальной трубобетонной верхней части колонны;
на фиг.6 - узел сопряжения ветвей колонны с анкерными балками;
на фиг.7 - вид сверху на фиг.6;
на фиг.8 - вид сверху на фиг.1;
на фиг.9 - схема определения усилий в наружной ветви колонны;
на фиг.10 - схема определения усилий во внутренней ветви колонны;
на фиг.11 - расчетная схема решетки колонны.
Колонну выполняют с уступом для опирания подкрановых балок, Колонна содержит нижнюю двухветвевую часть ниже уступа (внутренняя ветвь - 1; наружная ветвь - 2) и верхнюю часть 3 выше уступа. Части соединены в единое целое траверсой 4.
Каждый трубобетонный элемент колонны выполняют из овального профиля с отношением большего габарита к меньшему габариту, равным трем. Расширяющийся бетон по бетонопроводу нагнетается и быстро вращающийся вокруг продольной оси овальный профиль, являющийся обоймой, центробежными силами отбрасывает (центрифугирует) пластичный расширяющийся бетон на периферию к стенкам обоймы, уплотняя и отжимая из него избыточную влагу, что улучшает водоцементное отношение. Затем подают в центральный канал пар и, не прекращая вращения, пропаривают бетон изнутри. При схватывании бетон расширяется, всесторонне распирая внешнюю обойму изнутри, а обойма препятствует расширению, всесторонне обжимает бетон снаружи и повышает его прочность. После схватывания бетона получают готовые трубобетонные элементы двухветвевой колонны.
Больший габарит сечения каждой из ветвей нижней части колонны ориентирован из плоскости рамы, а верхней части в плоскости рамы (в плоскости эксцентриситета). Ветви соединяют решеткой из элементов коробчатого профиля 5. Базу ветвей колонны 6 оснащают анкерными балками 7, соединяющими ветви. Оголовки ветвей снабжают фланцами 8. Траверсу присоединяют к фланцам высокоресурсными болтами 9. Траверса может быть выполнена, например, из овального профиля с отношением большего габарита к меньшему габариту, равным трем.
Для опирания подкрановой балки на овальную траверсу смонтирована седлообразная опора 10. Седлообразная опора состоит таврового элемента 11, расположенного вдоль траверсы, и приваренных к нему по краям продольных ребер 12. В полке тавра выполнены овальные отверстия (⌀60 и 33 мм), соосные ответным отверстиям в нижних поясах смежных подкрановых балок, для присоединения подкрановой балки анкерными болтами к седлообразной опоре, с возможностью поперечной рихтовки. Овальная траверса имеет ребра жесткости 13.
К траверсе присоединяют верхнюю трубобетонную часть 3 колонны и получают единую конструкцию - двухветвевую трубобетонную колонну.
Внутри каждого трубобетонного элемента имеется канал ⌀50 мм, используемый для повышения огнестойкости конструкции. При возникновении пожара и повышении температуры датчик подает аварийный сигнал и автоматически включается подача охлажденной воды, ограничивающей разогрев двухветвевой трубобетонной колонны в допустимых пределах.
В базе колонны 6 имеется отверстие для стока воды 14. Анкерная балка 7 присоединяется к фундаменту 15 анкерными болтами (оси анкерных болтов 16), снабженными рихтующими гайками.
Подкрановые балки безвыверочно установлены над центром тяжести нижней части колонны и шарнирно присоединены к траверсе анкерными болтами, с возможностью поперечной рихтовки подкрановых балок, для восстановления их проектного положения.
е
min
При этом верхняя часть колонны установлена по отношению к нижней части колонны с эксцентриситетом  наружу здания, с обеспечением минимального зазора Δ между внутренней гранью верхней части колонны и выступающей наружу вбок частью мостового крана.
Внешний пояс тормозной балки присоединен болтами к столику, приваренному к верхней части колонны, также с возможностью поперечной рихтовки ее.
Отличие в том, что обе ветви колонны и верхняя часть колонны выполнены из готовых трубобетонных элементов, выполненных центрифугированием. Данный способ позволяет уплотнить бетонную смесь и отжать из него избыточную влагу, что улучшает водоцементное отношение, повышает прочность бетона. Повышение прочности бетона происходит и за счет обжатия его стальной обоймой.
Экономический эффект достигнут за счет снижения трудоемкости изготовления, снижения материалоемкости и повышения несущей способности конструкции. Применение поверхностного армирования повышает долговечность конструкции, защищает бетон от коррозии, повышает технологичность возведения каркаса здания.
Пример конкретной реализации
Необходимо сравнить новое решение конструкции двухветвевой колонны с уже известными техническими решениями. Сравним двухветвевую колонну с ветвями сечением двутавр с колонной, ветви которой имеют овальное трубобетонное сечение.
Расчет нижней части колонны
Напряжения даны в МПа (мегапаскалях), поэтому для удобства будем измерять действующие силы в гН (гектоньютонах).
6
2
2
2
2
Тогда 1 МПа=10 Н/м=1 Н/мм=100 Н/см=1 гН/см.
y
ср
y
Материал балки сталь - С255 ГОСТ 27772-88 (В Ст3 сп5) с расчетными сопротивлениями: при изгибе R=230 МПа, при срезе R=0,58·R=133,4 МПа.
Определяем продольную силу в наружной ветви колонны (схема определения усилий показана на фиг.9):
mах
М=74529 гН·м
соотв
N=33401 гН
о
∑М=0
ниж.в
соотв
-N·150+М+N·75=0
тр
Получив требуемую площадь A, по сортаменту подбираем колонну двутаврового профиля 155Б2 со следующими характеристиками:
ф
2
A=124,75 см;
x
i=22,43 см;
y
i=4,7 см
и овального сечения из трубы ⌀530 мм со следующими характеристиками:
ф
2
А=115 см;
x
i=24,0 см;
y
i=7,2 см
Определяем продольную силу во внутренней ветви (схема определения усилий показана на фиг.10):
min
М=43837 гН·м
соотв
N=27434 гН
о
∑М=0
соотв
внутр.в
-M-N·75+N·150=0
тр
Получив требуемую площадь A, по сортаменту подбираем колонну двутаврового профиля I55Б2 со следующими характеристиками:
ф
2
А=124,75 см;
x
i=22,43 см;
y
i=4,7 см
и овального сечения из трубы ⌀530 мм со следующими характеристиками
ф
2
А=115 см;
x
i=24,0 см;
y
i=7,2 см
x1
Проверка на устойчивость из плоскости: l=14,2 м
1. Колонна с ветвями двутаврового профиля
x
y
λ<λ
σ=137.85 МПа≤146.28 МПа
Устойчивость обеспечена.
2. Колонна с ветвями овального сечения с отношением габаритов, равным трем
x
y
λ>λ
γ=0.9
σ=149.5 МПа≤168.912 МПа
Устойчивость обеспечена с запасом 13%.
Спецификация двухветвевой колонны двутаврового сечения
Сечение
Длина, мм
Количество
Масса
Примечание
ед.
всего
Двутарв 55Б2
14200
2
1390,18
2780,36
Спецификация двухветвевой колонны овального сечения
Сечение
Длина, мм
Количество
Масса
Примечание
ед.
всего
Овал h=530 мм
14200
2
1282,26
2564,52
Расчет решетки
Расчетная схема решетки представлениа на фиг.11.
раск
l - длина раскоса решетки; N - продольная сила в раскосе.
Подбираем элементы решетки коробчатого сечения γ=0,9
тр
2
По А=10,88 см принимаем сечение  10×10×0,3 см
ф
2
А=11,64 см;
x
i=3,96 см
γ=0.9
σ=154.786 МПа≤174.294 МПа
Устойчивость обеспечена с запасом
Превращение ветвей колонны в трубобетонные элементы
Повысим устойчивость ветвей колонны превращением их в трубобетонные стержни.
Значение коэффициента повышения прочности бетона в трубе [Беленя, с.191]
Таблица 1
Марка бетона
250
300
350
400
450
500
550
k<sub>бя</sub>
1,92
1,83
1,73
1,66
1,59
1,55
1,50
R<sub>Пр</sub> МПа
10,79
13,24
15,2
17,17
19,13
21,09
R<sub>Пр</sub> кгс/см<sup>2</sup>
110
135
155
175
195
215
бя
бя
бя
Тр
y
Несущая способность трубобетонной колонны N≤(ARk+AR)φ
бя
Тр
где A и A - площадь бетонного ядра и стальной трубы;
бя
k - коэффициента повышения прочности бетона в трубе;
бя
Пр
y
R=R и R - расчетные сопротивления бетона и стали;
φ - коэффициент устойчивости стержня трубобетонной колонны.
Приведенная гибкость
ef
где ; ; ℓ - расчетная длина колонны;
- радиус бетонного ядра.
Таблица 2
Коэффициент устойчивости φ стержня трубобетонной колонны
Приведенная гибкость λ<sub>Пр</sub>
10
20
30
40
50
60
Марка бетона 250
0,988
0,963
0,931
0,888
0,850
0,791
Марка бетона 500
0,988
0,974
0,950
0,922
0,893
0,852
Приведенная гибкость λ<sub>Пр</sub>
70
80
90
100
110
120
Марка бетона 250
0,728
0,654
0,591
0,527
0,461
0,400
Марка бетона 500
0,80
0,731
0,663
0,588
0,518
0,450
2
x
y
Назначаем ветви колонны из овальной в сечении трубы. Овальный стержень получен из трубы ⌀530·7 мм, А=115 см, i=24,0 см, i=7,2 см, m=90,3 кг.
Вертикальный и горизонтальный размеры овального профиля (по оси, проходящей по середине толщины стенки)
2b=26,16 см.
Вертикальный и горизонтальный габариты овала профиля
a
0
0
2+t=78,48+0,7=79,18; 2b+t=2·13,08+0,7=26,86 см.
Моменты инерции
Моменты сопротивления
Радиусы ядра сечения
радиусы инерции
ef
Геометрическая и расчетная длина колонны из плоскости равна ℓ=1420; ℓ=µ·ℓ=1420 см.
ef
Геометрическая и расчетная длина колонны в плоскости равна µ=1, ℓ=300; ℓ=µ·ℓ=300 см.
x
Максимальная гибкость λ=59,17
Заполняем овальный профиль мелкозернистым расширяющимся бетоном и превращаем стержень в трубобетонный.
a
0
0
Внешние габариты бетонного сечения ядра наибольший и наименьший 2-t=78,48-0,7=77,78; 2b-t=2·13,08-0,7=25,46 см.
Площадь сечения бетонного ядра
Момент инерции бетонного ядра
Радиус инерции бетонного ядра
Приведенная гибкость
Несущая способность ветви трубобетонной колонны
Несущая способность ветви трубобетонной колонны увеличилась по сравнению со стальной ветвью колонны двутаврового сечения в 25596,4/18248,43=1,4 раза.
Несущая способность ветви трубобетонной колонны увеличилась по сравнению со стальной ветвью колонны овальной в сечении в
25596,4/19424,88=1,3 paзa.
Эффект высокий.
Источники информации
1. Железобетонные и каменные конструкции: Учебник для строительных специальностей вузов / В.М.Бондаренко, В.Г.Назаренко, В.И.Римшин; под редакцией В.М.Бондаренко - М., Высш. шк., 2007, 887 с.; ил.
2. А.П.Кудзис. Железобетонные и каменные конструкции: Учебник для строительных специальностей. - М., Высш. шк., 1989 - 264 с.
3. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Бороздин А.Ю. Способ разгрузки разрушающихся железобетонных консолей. В66С 7/00, E04G 23/02. Заявка 2006 112731/11, 17.04.2006. Патент России №2346878. Опубликовано 20.02.2009. Бюл. №5.
4. Нежданов К.К., Туманов В.А., Нежданов А.К. Способ усиления железобетонной колонны, утратившей несущую способность. Патент России №2274719. М., Кл. Е04G 23/02. Заявка №2004116028 от 2004.02.19. Бюл. №11. Опубликовано 20.04.2006. Трубобетонная. Прототип.
5. Нежданов К.К., Туманов В.А, Нежданов А.К., Карев М.А. Рельсобалочная конструкция. Патент России №2191154. М., Кл. В66С 6/00, 7/08. Бюл №.24. Зарег. 20.10.2002.
6. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Туманов В.А., Карев М.А. Рельсобалочная конструкция. Патент России №2192381. М., Кл. В66С 6/00, 7/08. Бюл №.31. Зарег. 10.11.2002. Овал.
7. Нежданов К.К., Туманов В.А., Рубликов С.Г., Нежданов А.К. Способ повышения несущей способности цилиндрической трубы на изгиб. Патент России №2304479. Бюл. №23. Опубликовано 20.08.2007. Овал.
8. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Либаров А.В. «Способ управления напряженным состоянием рамы двухпролетного здания фундаментами с реактивными двигателями». Патент России №2319811. E02D 35/00 (2006.01). Заявка на изобретение №2005 116385/03 (018711). Бюл. №8. Опубликовано 20.03.2008.
9. Нежданов К.К., Карев М.А., Нежданов А.К., Щипалкин А.А. «Рама двухпролетного здания». Патент России №2 319817. Е04С 3/38 (2006.01). Заявка на изобретение №2005 116385/03 (018711). Бюл. №8. Опубликовано 20.03.2008. Трубобетонная.
10. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Куничкин П.В. Способ исключения возможности обрушения металлических конструкций каркаса от пожара. Патент России RU №2411330. С1. Заявка №2009117090/03. 04.05.2009. МПК Е04В 1/94 (2006.01). Опубликовано 10.02.2011.