МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ КАРКАС МОНОЛИТНОЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ КОЛОННЫ
METAL FRAME OF MONOLITHIC REINFORCED CONCRETE COLUMNS

Изобретение относится к области монолитного строительства и может быть использовано для возведения крупных административных, общественных, торговых, жилых, складских и производственных зданий и сооружений, в том числе в сейсмических районах.
Известен металлический каркас монолитной железобетонной колонны, состоящий из соединенных своркой или вязкой между собой арматурных продольных и поперечных стержней (см. Пособие по проектированию «Армирование элементов монолитных железобетонных зданий», рис. 2.1, 2.2 / Под ред. Тихонова И.Н., изд. Москва 2007 г., ФГУП «НИЦ» «Строительство», НИИЖБ им. А.А.Гвоздева ЗАО «КТБ НИИЖБ).
Недостатки данного каркаса следующие:
1. Низкая поперечная и продольная жесткость металлического каркаса, состоящего из соединенных между собой своркой или вязкой отдельных арматурных стержней или гнутых хомутов. Каркас начинает работать как силовой элемент только после заливки бетона и его отвердевания.
2. Отсутствуют узлы крепления каркаса с другими силовыми элементами здания.
3. Для изготовления железобетонной колонны (заливка бетоном) необходима специализированная опалубка.
Также известно арматурное изделие - металлический каркас по патенту РФ 2447243, МПК Е04С 5/06 от 08.09.2010 г., состоящий из сваренных между собой  в определенном порядке арматурных стержней, образующих в сборе различные типы «жесткой арматуры»: уголок, швеллер, двутавр и др., расположенные в центре поперечного сечения монолитного железобетонного силового элемента здания или сооружения (колонны, стены и др.).
Недостатки данного арматурного изделия-каркаса следующие:
1. Чрезвычайно большая сложность и трудоемкость изготовления, огромная длина сварных швов.
2. Невысокая поперечная жесткость, так как изделие-каркас располагается в центре поперечного сечения монолитного железобетонного силового элемента.
3. Для изготовления железобетонного изделия (заливка бетоном) необходима специализированная опалубка.
4. Отсутствуют узлы крепления с другими силовыми элементами здания.
Также известен жесткий арматурный элемент - металлический каркас по патенту РФ 2016983, МПК Е04С 5/06 от 23.07.1991 г., выполненный из металлического гнутого листа, на внутренней и наружной поверхностях которого имеются выступы с заостренными концами.
Недостатки данного арматурного элемента-каркаса следующие:
1. Чрезвычайно большая сложность и трудоемкость изготовления выступов на его внутренней и наружной поверхностях.
2. Для изготовления железобетонного изделия (заливка бетоном) необходима специализированная опалубка.
3. Отсутствуют узлы крепления с другими силовыми элементами здания.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности (прототипом) является металлический каркас монолитной железобетонной колонны по патенту РФ 2020227, МПК Е04С 5/06 от 30.09.1994 г., состоящий из соединенных между собой продольных и поперечных стержней и опорно-монтожного узла, расположенного в верхней части каркаса и соединенного с продольными стержнями.
Недостатки данного каркаса следующие:
1. Низкая поперечная и продольная жесткость известного металлического каркаса, состоящего из связанных между собой механическим способом отдельных арматурных стержней и гнутых хомутов. Каркас начинает работать как силовой элемент только после заливки бетона и его отвердевания.
2. Опорно-монтажный узел выполнен в виде пластины, что для соединения с другими силовыми элементами здания допускает использование только сварки.
3. Для изготовления железобетонной колонны (заливка бетоном) необходима специализированная опалубка.
4. Опорно-монтажный узел выполнен только в верхней части каркаса, что затрудняет монтаж всей конструкции здания на стройке.
Технической задачей заявляемого изобретения является повышение несущей способности металлического каркаса и, как следствие, колонны, уменьшение сроков и стоимости строительства при повышении его технологичности.
Поставленная задача решается тем, что в металлическом каркасе монолитной железобетонной колонны, состоящем из соединенных между собой продольных и поперечных стержней и опорно-монтажного узла, расположенного в верхней части каркаса и соединенного с продольными стержнями, продольные и поперечные стержни выполнены из тонкостенного профилированного проката, в нижней части каркаса также расположен соединенный с продольными стержнями опорно-монтажный узел, оба опорно-монтажных узла выполнены из профилированного тонкостенного проката с монтажно-крепежными отверстиями в них, в верхнем опорно-монтажном узле дополнительно выполнена выносная опорно-монтажная площадка.
Кроме того, продольные стержни выполнены из уголка.
Кроме того, продольные стержни выполнены из труб.
Кроме того, поперечные стержни выполнены из уголка.
Кроме того, поперечные стержни выполнены из полосы.
Кроме того, на продольных стержнях из уголка или труб выполнены монтажные крепежные отверстия, предназначенные для установки опалубки.
Кроме того, на поперечных стержнях из уголка или полосы выполнены монтажные крепежные отверстия, предназначенные для установки опалубки.
Кроме того, верхний и нижний крепежные узлы выполнены из уголка.
Кроме того, верхний и нижний крепежные узлы выполнены из швеллера.
Кроме того, верхний и нижний крепежные узлы выполнены из двутавра.
Сущность заявляемого изобретения представлена на чертежах Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5, Фиг. 6, Фиг. 7, Фиг. 8, Фиг. 9, Фиг. 10.
На фиг.1 показана конструкция металлического каркаса монолитной железобетонной колонны, выполненного целиком из уголков.
На фиг. 2 и фиг. 3 показаны поперечные сечения каркаса по линиям А-А и Б-Б фиг. 1 в увеличенном масштабе.
На фиг. 4 показана конструкция металлического каркаса монолитной железобетонной колонны, выполненного из квадратной трубы (продольные стержни), полосы (поперечные стержни) и швеллера (верхний и нижний опорно-монтажные узлы).
На фиг. 5 и Фиг. 6 показаны поперечные сечения каркаса по линиям В-В и Г-Г фиг. 4 в увеличенном масштабе.
На фиг. 7 показана конструкция металлического каркаса монолитной железобетонной колонны, выполненного из уголка (продольные и поперечные стержни) и двутавра (верхний и нижний опорно-монтажные узлы).
На фиг. 8 и фиг. 9 показаны поперечные сечения каркаса по линиям Д-Д и Е-Е фиг. 7 в увеличенном масштабе.
На фиг. 10 показано поперечное сечение монолитной железобетонной колонны по линии Б-Б с закрепленными на каркасе из уголка (фиг. 1) листами опалубки через крепежные винты с залитым бетоном.
Металлический каркас монолитной железобетонной колонны, представленный на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, состоит из продольных стержней 1, поперечных стержней 2 и двух опорно-монтажных узлов (верхнего и нижнего) 3 с выносными опорно-монтажными площадками 4. Все стержни каркаса изготовлены из уголка и соединены между собой сваркой. На боковых поверхностях стержней 1 и 2 выполнены крепежные отверстия 5 и 6, предназначенные для крепления опалубки. На торцевых поверхностях опорно-монтажных узлов выполнены крепежные отверстия 7, предназначенные для крепления каркаса с соседними каркасами колонны. На боковых поверхностях опорно-монтажных узлов 3 и выносных опорно-монтажных площадок 4 выполнены крепежно-монтажные отверстия 8 и 9, предназначенные для соединения каркаса с прилегающими силовыми элементами здания или сооружения.
На фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6 представлен второй вариант исполнения металлического каркаса монолитной железобетонной колонны. Продольные стержни 10 изготовлены из квадратной трубы, поперечные - из полосы 11, опорно-монтажные узлы из швеллера 12. Выпуски швеллера 13 образуют выносную опорно-монтажную площадку. Все стержни каркаса соединены между собой сваркой. На боковых поверхностях труб и полос выполнены крепежно-монтажные отверстия 14 и 15, предназначенные для крепления опалубки. На торцевых поверхностях опорно-монтажных узлов выполняются крепежные отверстия 16, предназначенные для крепления каркаса с соседними каркасами колонны, и крепежные отверстия 17, предназначенные для соединения каркаса с прилегающими силовыми элементами здания или сооружения.
На фиг. 7, фиг. 8, фиг. 9 представлен третий вариант исполнения металлического каркаса монолитной железобетонной колонны. Продольные и поперечные стержни 18 и 19 изготовлены из уголка, а опорно-монтажные узлы - из двутавра 20. Выпуски двутавра 21 образуют выносную опорно-монтажную площадку. Все стержни каркаса соединены между собой сваркой. На боковых поверхностях уголков 18 и 19 выполнены крепежно-монтажные отверстия 22 и 23, предназначенные для крепления опалубки. На торцевых поверхностях опорно-монтажных узлов выполняются крепежные отверстия 24, предназначенные для крепления данного каркаса с соседними каркасами колонны, и крепежные отверстия 25, предназначенные для соединения данного каркаса с прилегающими силовыми элементами здания или сооружения.
Крепление листов опалубки 26 к металлическому каркасу, показанное на фиг. 10, осуществляется через винты-саморезы или болты 27, входящими в резьбовое зацепление с отверстиями в продольных стержнях-уголках 1, и через винты-саморезы или болты 28, входящими в резьбовое зацепление с отверстиями в поперечных стержнях-уголках 2.
Получение технического результата (достижение технической задачи) обеспечивается за счет появления возможности изготовления каркаса на серийных заводах, где выше производительность труда и качество, чем на стройке. В этом случае сварные швы между продольными и поперечными стержнями (уголками или квадратными трубами) выполняются достаточно протяженными, длиной несколько сантиметров каждый, и, как результат, достигается надежное, прочное и жесткое соединение стержней друг с другом - каждый шов контролируется по длине и размеру катета. На заводах при сварке протяженных конструкций обычно используется технологическое приспособление - стапель, что обеспечивает прямолинейность каркаса в смонтированном виде и гарантирует для него большую вертикальную нагрузку даже до заливки бетоном. Отсутствуют в этом случае такие ненадежные и непрочные способы соединения стержней, как вязка арматуры вязальной отожженной проволокой или точечная прихватка сваркой на стройке, что дает повышение технологичности. Заводское изготовление способствует повышению качества металлического каркаса: стапель обеспечивает выполнение точных расчетных размеров-габаритов каркаса d, h, D, Н (см. фиг. 1-фиг. 9), что положительно влияет на несущую способность каркаса и колонны. Наличие двух опорно-монтожных узлов (верхнего и нижнего) с крепежными монтажными отверстиями в них позволяет быстро и качественно через болты соединять металлические каркасы монолитной колонны как друг с другом, так и с другими элементами конструкции здания, например, с каркасами плит перекрытий, что сокращает сроки строительства. Высокая несущая способность каркаса позволяет сократить размеры поперечного сечения колонны, уменьшает объем необходимого бетона и снижает стоимость строительства: нагрузка как бы переходит с бетона колонны на металлический каркас, который обладает не только высокой прочностью, но и высокой упругостью с повышенной сейсмостойкостью. Наличие выносной опорно-монтажной площадки с габаритом D, большим, чем габарит каркаса колонны d, обеспечивает наличие жесткого узла соединения колонны с соседними силовыми элементами здания - плитами, что положительно влияет на прочность всего здания или сооружения.
Сокращение сроков и стоимости строительства происходит также и при закреплении листового материала на имеющихся плоских боковых поверхностях стержней каркаса. Необходимость в штатной опалубке отпадает, тонкие листы металла или пластика многократно дешевле штатной опалубки, горизонтальная базовая поверхность, например, нижележащая плита перекрытия, также не требуется.
Сокращение сроков строительства происходит также и за счет высокой осевой прочности и устойчивости заявляемого каркаса. Нет необходимости дожидаться полного отвердевания бетона нижележащей колонны, время полного застывания бетона можно существенно сократить. Также появляется возможность монтажа каркасов нескольких этажей здания сразу за один прием, не нужна площадка для их хранения.
2
3
о
В качестве примера конкретного исполнения представлен металлический каркас монолитной железобетонной колонны сечением 500×500 мм и высотой Н=4800 мм (см. фиг. 1, 2, 3). Металлический каркас выполняется из стального уголка по ГОСТ 8509-93 из стали марки С275 по ГОСТ 27772-88. Расчетное сопротивление данной стали равно R=2750 кГ/см. Габарит сечения каркаса равен d=400×400 мм. Продольные стержни 1, опорно-монтажные узлы 3 и выносная опорно-монтажная площадка 4 выполняются из уголка 50×50×5 мм, а поперечные стержни 2 - из уголка 30×30×3 мм. Крепежные отверстия 5 и 6 имеют диаметр 8 мм, а отверстия 7, 8, 9 - диаметр 14 мм. Расстояние между поперечными стержнями h=400 мм. Катеты сварных швов 4 мм. Такой каркас способен вертикальную нагрузку до 50 тонн. Момент сопротивления поперечного сечения каркаса высок и равен М=330 см. Для металлического каркаса, изображенного на фиг. 4, 5, 6, могут быть использованы квадратные трубы сечением 50×50×5 мм по ГОСТ 30245-94, стальные полосы 40×4 мм и швеллер 10П по ГОСТ 8240-82. Металлический каркас, изображенный на фиг. 7, 8, 9, может быть изготовлен из уголков 63×63×6 мм и 40×40×4 по ГОСТ 8509-93 и двутавра 12Б1 по ГОСТ 26020-83.