Арматурный каркас для армирования железобетонного изделия в зоне установки дюбеля

Полезная модель относится к области армирования железобетонных изделий, в том числе железобетонных железнодорожных шпал, блоков и плит, а также монолитного подрельсового основания.
Известно устройство для армирования дюбеля железнодорожного подрельсового основания, выполненное в виде конусообразной спирали из пружинной стали для армирования дюбеля железобетонного подрельсового основания. Техническим результатом полезной модели является повышение жесткости и армирующей способности спирали, а также снижение ее вертикального смещения при установке (вкручивании) дюбеля (патент РФ №181430, МПК: Е01В 9/14, опубл. 13.07.2018 г. Бюл. №20) - аналог.
Недостатком известного решения является то, что спираль имеет низкую жесткость по направлению вдоль оси дюбеля и в направлении поперек оси дюбеля. При загрузке жесткой бетонной смеси могут происходить ее деформирование и смещение в сторону, так что она оказывается или сжатой, или прижатой одним боком к поверхности дюбеля, что приводит к неравномерности армирования и появлению зон ослабления бетона, так что основная задача армирования не выполняется.
Известно устройство для армирования железобетонного изделия в зоне установки дюбеля, воспринимающего местное давление, выполненное в виде спирали, которая имеет форму усеченного вытянутого сфероида. Техническим результатом полезной модели является повышение жесткости и армирующей способности спирали (патент РФ №201265, МПК: Е01В 9/1, опубл. 07.12.2020 г. бюл. №34) - прототип.
Недостатком известного решения является низкая прочность и надежность армирования, что вызвано возможностью деформации такой спирали вдоль оси дюбеля до слипания армирующих колец, что неблагоприятно для восприятия деформаций бетона, поскольку ведет к их проскальзыванию.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является повышение прочности и надежности железобетонных изделий, путем улучшения перераспределения нагрузок в бетоне вокруг дюбеля и предотвращения перекоса или смещения заявляемого арматурного каркаса под действием укладываемой бетонной смеси.
Указанный технический результат достигается тем, что арматурный каркас для армирования железобетонного изделия в зоне установки дюбеля содержит опорный элемент, выполненный с возможностью размещения его на дюбеле с обеспечением свободной посадки, и удерживающий элемент, расположенный вокруг дюбеля и опорного элемента и имеющий в плоскости, поперечной к продольной оси дюбеля, вид замкнутой фигуры, причем удерживающий и опорный элементы жестко связаны друг с другом соединительными элементами.
Устройство, характеризующееся тем, что в качестве соединительных элементов используются стержни.
Устройство, характеризующееся тем, что предназначено для армирования дюбелей из композитного материала.
Устройство, характеризующееся тем, что предназначено для армирования металлических дюбелей.
Устройство, в котором удерживающий элемент выполнен из стержней с образованием ими замкнутой линии - замкнутого контура с прочно соединенными концами.
Устройство, в котором удерживающий элемент выполнен из стержня с образованием им замкнутой линии - замкнутого контура с прочно соединенными концами.
Устройство, характеризующееся тем, что замкнутая линия с прочно соединенными концами имеет вид окружности.
Устройство, характеризующееся тем, что замкнутая линия с прочно соединенными концами имеет вид эллипса.
Устройство, характеризующееся тем, что замкнутая линия с прочно соединенными концами имеет вид многоугольника.
Устройство, в котором замкнутая фигура, образующая форму удерживающего элемента в плоскости поперечной оси дюбеля, может иметь по внешней поверхности очертание (форму) многоугольника, окружности или эллипса с прочно соединенными концами стержней.
Заявляемый технический результат будет достигаться при различных расстояниях (в плоскости поперечной к продольной оси дюбеля) между опорным и удерживающим элементом, которые связаны между собой, соединительными элементами, например, стержнями, при выполнении общей совокупности существенных признаков. Однако оптимальный результат достигается в случае, когда расстояние выбирают в зависимости от условий работы, например, нагруженности дюбеля при работе, материала дюбеля и его габаритов, а также от размера щебня в заливаемом бетоне. При твердении бетона возникают усадочные деформации. Дюбель, как инородное тело достаточного объема препятствует их распространению, в результате чего вокруг него возникают растягивающие напряжения в бетоне, приводящие к образованию трещин, радиально ориентированных относительно дюбеля. Наличие опорного и удерживающего элементов, расположенных друг от друга, в плоскости поперечной к продольной оси дюбеля, например, на расстоянии размера щебня, позволяет перехватить эти напряжения, не давая им образоваться или начать развиваться. Если расстояние между этими элементами велико, то армирующий эффект удерживающего элемента снижается. Если расстояние между опорным и удерживающим элементом в указанной плоскости менее размера щебня, то возможно образование внутренней неплотности в бетоне из-за заклинивания щебня при укладке смеси в форму.
Заявляемое устройство, характеризующееся совокупностью существенных признаков, приведенных в независимом пункте формулы, обеспечивает необходимую жесткость и неизменность формы арматурного каркаса при выполнении его из стали, например, из нелегированной арматурной стали по ГОСТ Р 54384-2011 «Сталь. Определение и классификация по химическому составу и классам качества» и ГОСТ 6727-80 «Проволока из низкоуглеродистой стали холоднотянутая для армирования железобетонных конструкций». Выбор конкретной марки стали определяется условиями работы, и требованиями к нагруженности дюбеля. При этом заявляемый арматурный каркас может быть изготовлен из целикового куска (прутка) арматурной стали или состыкованных между собой элементов (заготовок) арматурной стали.
Известны закладные детали, применяемые при изготовлении железобетонных изделий, в виде дюбелей, которые устанавливают в бетон при изготовлении изделия, которые служат для установки шурупов, шпилек резьбовых или закладных болтов для присоединения различных силовых элементов к железобетонному изделию. Примером таких изделий из железобетона могут служить шпалы, блоки, плиты или путевой бетон (изготавливаемый монолитным способом) подрельсового основания, к которому рельсы прикрепляются раздельными скреплениями с помощью шурупов, шпилек резьбовых или закладных болтов. Как правило, места прикрепления элементов, воспринимающих нагрузку - например рельсов, испытывают значительные силовые воздействия, которые передаются на закладные детали, выполненные в виде дюбеля с внутренней резьбой из полимерного, композитного материала или металла, соответствующей шурупу или болту, а через них на окружающий бетон. Часто эти усилия направлены на выров закладной детали из бетона и вызывают в бетоне растягивающие напряжения, которые могут его разрушить или вызвать появление в нем трещин.
При наборе прочности в бетоне протекает процесс усадки, при котором вокруг закладных элементов могут формироваться растягивающие деформации, поскольку закладные элементы препятствуют свободе деформаций.
Для предотвращения подобных явлений служит предлагаемое устройство, которое представляет собой арматурный каркас для местного армирования закладных деталей в окружающем их бетоне.
Заявляемая конструкция арматурного каркаса конкретизирована на фиг. 1-5, где на фиг. 1 представлен пространственный вид устройства, на фиг. 2 представлен вид сбоку устройства, на фиг. 3 представлен вид сверху устройства, на фиг. 4 представлен общий вид устройства в сборе с дюбелем в бетонном изделии, на фиг. 5 представлен пространственный вид заявляемого устройства с соединительными элементами между опорным и удерживающим элементами в виде стержней.
Суть конструкции и реализация заявляемого решения представлена на фиг. 1, где показано заявляемое устройство в пространственном виде, имеющем опорный элемент 1 и удерживающий элемент 2, образующий замкнутую фигуру с прочно соединенными концами, которые соединяются между собой связующими элементами, например, стержнями 3, которые прочно прикреплены к опорному и удерживающему элементам - например сваркой, обозначенной буквой С на фиг. 1. Армирующее устройство может быть также выполнено из одного куска арматурной стали, опорный и удерживающий элементы могут быть жестко соединены, при сохранении требуемого расстояния между ними, не стержнями, а посредством самого куска арматурной стали, из которой выполнено в данном случае армирующее устройство. Соединительные элементы могут быть частью опорного и удерживающего элементов, т.е. могут быть выполнены заодно с опорным и удерживающим элементом или выполняются из отдельных элементов, например, из отдельных стержней 3 как показано на фиг. 5. Обязательным условием является расположение опорного и удерживающего элементов относительно друг друга в соответствии с формулой и их жесткое соединение друг с другом.
На фиг. 4 показано заявляемое армирующее устройство, расположенное в бетонном изделии 4 в качестве закладной детали в виде дюбеля 5, с установленным опорным элементом 1, расположенным вокруг дюбеля 5, повторяющим его форму и имеющим свободную посадку на его тело, и удерживающим элементом 2, образующим замкнутую фигуру с прочно соединенными концами, и расположенным вокруг дюбеля опорного элемента в плоскости поперечной оси дюбеля. В рамках данной заявки предполагается, что плоскость поперечная оси дюбеля, это не только плоскость, расположенная под углом 90° к его оси, но и любая плоскость, расположенная поперек оси дюбеля, т.е. составляющая с осью дюбеля угол меньше 90 градусов до 45 градусов практически любая плоскость, составляющая с плоскостью в которой лежит ось дюбеля угол до, например, 45 градусов. Это утверждение обосновано тем, что опорный и удерживающий элементы имеют определенную высоту, которая зависит от высоты и материала дюбеля, и при таком определении в любой плоскости поперечной оси дюбеля будет замкнутая фигура.
Замкнутая фигура, образующая форму удерживающего элемента в плоскости поперечной оси дюбеля может иметь по внешней границе фигуры, образованной в плоскости поперечной оси дюбеля, очертание, например, многоугольника, окружности или эллипса с прочно соединенными, например, сваркой концами стержней, которые образуют удерживающий элемент. Или одного стержня, в случае, если опорный, удерживающий и соединительные элементы изготовлены из одного стержня, например, согнутого с образованием требуемой замкнутой фигуры. Форма замкнутой фигуры, в том числе и по внешней границе поверхности определяется технологическими условиями изготовления и не является существенной так же, как и форма внутренней поверхности замкнутой фигуры. В данном случае существенным является то, что фигура, имеющая любую форму, указанную в материалах заявки, должна быть замкнутой. Это вызвано тем, что удерживающий элемент воспринимает растягивающие деформации бетона и должен иметь жесткость превосходящую жесткость окружающего бетонного камня.
Опорный элемент 1 и удерживающий элемент 2 могут соединяться между собой связующими элементами, например стержнями 3, которые жестко прикреплены к ним - например сваркой, как показано на фиг. 5. Связующие элементы могут быть изготовлены заодно с опорным и удерживающим элементами из одной заготовки арматурной стали. Связующие элементы могут располагаться диаметрально или под разными углами друг к другу. Важно, чтобы они осуществляли жесткую связь опорного элемента с удерживающим. Количество таких элементов (стержней) определяется технологией изготовления арматурного каркаса, подбором диаметров арматуры и обеспечением неизменности его формы.
Как правило, стендовые испытания натурных образцов на выров дюбеля из изделия показывают, что на поверхности образуются трещины, направленные по радиусам от дюбеля в сторону окружающего бетона. Из этого следует, что растягивающие напряжения в бетоне, направленные поперек радиальных трещин, действуют по касательным к воображаемой окружности, описанной вокруг дюбеля. В заявляемом решении, в железобетонном изделии вокруг дюбеля устанавливается арматурный каркас с расположением вокруг дюбеля армирующих прочно замкнутых элементов, которые забирают на себя растягивающие деформации в бетонном камне, направленные по касательной к окружности, описанной вокруг дюбеля.
Оптимально, если арматурный каркас устанавливается в плоскости поперечной оси дюбеля на высоте защитного слоя Н от наружной (опалубочной) поверхности и образован опорным элементом и удерживающим элементом, которые связаны соединительными элементами. Причем соединительные элементы могут быть выполнены в виде стержней, жестко прикрепленных к опорному и удерживающему элементам электросваркой или изготовлены заодно с опорным и удерживающим элементами из одной заготовки арматурной стали с обеспечением жесткого соединения последних.
Элементы арматурного каркаса, заявляемые в данном решении, расположенные вокруг закладной детали - дюбеля, воспринимают деформации, возникающие в бетонном камне, воспринимая растяжение в ближайшем ограниченном пространстве, и повышают несущую способность зоны вокруг закладной детали.
Пример выполнения.
3
В качестве примера конкретного выполнения заявляемой полезной модели можно привести ее проектно-экспериментальную разработку в составе плиты подрельсового основания железнодорожного пути с габаритными размерами: длина 4636 мм, ширина 2600 мм, толщина 220 мм. На верхней плоскости плиты интегрированы по 8 подредльсовых опор под каждый рельс, плита выполнена из бетона класса В 50 по прочности на сжатие по ГОСТ 26633-2012 объемом 2, 8254 м. Крепежные элементы рельсовых скреплений в бетоне плиты типа FOSLO W30 выполнены из пластмассовых дюбелей ЦП 369 ТУ-7 под путевой шуруп ЦП 54 по два на каждой подрельсовой площадке. Каждый дюбель укреплен заявляемым арматурным каркасом. Опорный элемент посадочным диаметром 35 мм изготовлен из арматурной стали Bp1 по ГОСТ 7348-81 из прутка диаметром 4 мм и плотно посажен на пластиковый дюбель диаметром 34,5 мм. Удерживающий элемент изготовлен из прутка диаметром 4 мм из арматурной стали Bp1 по ГОСТ 7348-81 в виде кольца с внутренним диаметром 92 мм с концами соединенными электросваркой и соединен с опорным элементом посредством двух соединительных элементов диаметром 4 мм из арматурной стали Bp1 по ГОСТ 7348-81, изготовленных заодно с ними из одной заготовки арматурной стали, приваренных концами к опорному и удерживающему элементам.
При лабораторных натурных испытаниях крупномасштабных образцов размерами 300×600 мм, включающими одну подрельсовую площадку, образцы, не имеющие заявляемых арматурных каркасов вокруг дюбелей, имели повреждения бетона - видимые волосяные усадочные трещины от одной до трех штук, радиально отходящие от дюбеля, чаще всего вдоль короткой стороны образца. Образцы, армированные заявляемыми арматурными каркасами вокруг дюбелей, усадочных трещин в зоне дюбелей не имели.
При испытаниях на выносливость образцы без армирования дюбелей и не имевшие видимых усадочных трещин имели более низкую на 20-35% долговечность (до появления первых трещин) по сравнению с образцами с дюбелями, армированными арматурными каркасами. При этом усталостные трещины в образцах с неармированными дюбелями часто развивались вдоль короткой стороны образца, что совпадает с направлением видимых усадочных трещин.