КОЛОННА ИЗ АРМИРОВАННОГО СТАЛЬЮ БЕТОНА
STEEL-REINFORCED CONCRETE COLUMN

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Настоящее изобретение в целом относится к колонне из армированного сталью бетона для высотного здания. Оно также относится к стальной конструкции для такой колонны из армированного сталью бетона и к высотному зданию, содержащему такую колонну из армированного сталью бетона.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Колонны из армированного сталью бетона представляют собой составные колонны, содержащие конструкционные стальные секции, заключенные в армированный бетон. Они широко используются в высотных зданиях и из-за своих размеров также называются "мега-колоннами". Благодаря преимуществу комбинированного взаимодействия между бетоном и стальными секциями несущая способность составной колонны обычно больше суммы несущих способностей изолированного бетона и стальных секций.
[0003] Колонны из армированного сталью бетона первого типа имеют сварной стальной каркас, состоящий из тяжелых стальных пластин, собранных на месте путем сварки. Такая колонна раскрыта, например, в китайской полезной модели CN 204919988 U. Стальной каркас этой колонны имеет сечение крестообразной формы, расположенное по центру на центральной продольной оси колонны. Сечение самой колонны имеет квадратную форму, при этом каркасы из арматурных стержней усиливают четыре угла колонны. Также известно выполнение стального каркаса в виде огромного стального спускного колодца, состоящего из тяжелых стальных пластин, собранных на месте путем сварки. Такой стальной спускной колодец заполнен бетоном и заключен в бетон, армированный продольными и поперечными арматурными стержнями.
[0004] Также известно комбинирование открытых стальных секций с закрытыми стальными секциями в колонне из армированного сталью бетона. Такая колонна раскрыта, например, в китайской полезной модели CN 104405082 U. Такая колонна имеет крестообразное поперечное сечение. Каждое плечо креста имеет сварную Т-образную стальную секцию, имеющую стенку, направленную к средней части креста. В центре колонны трубчатая стальная секция встроена в бетон и заполнена бетоном.
[0005] В колоннах из армированного сталью бетона данного первого типа конструкция стального каркаса может быть выполнена без ограничений, чтобы бетон и сталь эффективно взаимодействовали. Однако изготовление такого стального каркаса как правило требует большого объема сварочных работ на месте с тяжелой конструкционной сталью, и это дорого, долго и может привести к проблемам с качеством.
[0006] Колонны из армированного сталью бетона второго типа имеют изолированные горячекатаные стальные секции. Такая колонна раскрыта, например, в китайской полезной модели CN 203113624 U. Раскрытая там колонна из армированного сталью бетона имеет квадратное или прямоугольное поперечное сечение, причем в каждом из углов колонны расположена стальная двутавровая балка. Стенки этих стальных двутавровых балок расположены вдоль двух противоположных сторон бетонного сердечника, армированного продольными и поперечными арматурными стержнями. В случае прямоугольного поперечного сечения колонны стенки четырех двутавровых балок расположены вдоль малых сторон колонны. Кольца арматурных стержней окружают пары двутавровых балок и всю систему двутавровых секций.
[0007] Колонны из армированного сталью бетона данного второго типа не требуют больших сварочных работ на месте с тяжелой конструкционной сталью, однако они, как правило, менее эффективны в отношении взаимодействия между бетоном и стальными секциями для обеспечения высокой несущей способности.
[0008] Задачей настоящего изобретения является создание колонны из армированного сталью бетона, которая может быть легко изготовлена на месте, и в которой бетон и сталь, тем не менее, эффективно взаимодействуют для обеспечения высокой несущей способности.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0009] Колонна из армированного сталью бетона для высотного здания согласно изобретению содержит множество горячекатаных стальных секций, проходящих в продольном направлении через бетонную колонну, причем каждая из этих стальных секций имеет наружную полку с внешней поверхностью, обращенной наружу в бетонной колонне, противоположную внутреннюю полку с внешней поверхностью, обращенной внутрь в бетонной колонне, и центральную стенку, соединяющую наружную полку с внутренней полкой. Предпочтительными горячекатаными стальными секциями являются, например, Н-образные стальные секции с широкими полками, такие как европейские балки HEA, HEB или HEM в соответствии с prEN16828-2015, EN 10025-2:2004, 10025-4:2004, или американские балки с широкой полкой или W-образные балки в соответствии с ASTM A6/A6M-14, или другая горячекатаная стальная секция, имеющая две полки и центральную стенку, аналогичная вышеупомянутым балкам или соответствующая им. Колонна из армированного сталью бетона имеет продольную ось, вдоль которой проходят стальные секции, предпочтительно так, что продольная ось каждой стальной секции параллельна продольной оси колонны из армированного сталью бетона.
[0010] В соответствии с первым аспектом изобретения стальные секции расположены в бетонной колонне так, что внешние поверхности их внутренних полок ограничивают центральный бетонный сердечник с n боковыми сторонами и трансверсальным поперечным сечением, образующим многоугольник с n сторонами, где n равно по меньшей мере трем, причем каждая из n боковых сторон центрального бетонного сердечника расположена в одной плоскости с внешней поверхностью внутренней полки по меньшей мере одной стальной секции. Следует понимать, что "расположен в одной плоскости" в данном документе означает, что соответствующая боковая сторона центрального бетонного сердечника и внешняя поверхность внутренней полки лежат, разумеется, в одной плоскости, в пределах допусков на плоскостность внешней поверхности внутренней полки. Важно то, что внешняя поверхность внутренней полки образует внешнюю границу для центрального бетонного сердечника. Таким образом, удержание центрального бетонного сердечника, которое обычно обеспечивается лишь внешними слоями армированного бетона, улучшается за счет специального расположения внутренних полок стальных секций. "Удержание" в данном документе означает блокировку поперечного расширения бетона под действием сжимающих сил. Благодаря улучшенному удержанию бетонного сердечника в бетонном сердечнике развивается трехмерное напряженное состояние, увеличивающее несущую способность и пластичность колонны из армированного сталью бетона. В сжатом в осевом направлении бетонном сердечнике распространение и рост трещин сведены к минимуму. Следует также отметить, что эффект удержания (пока) не учитывается в нормах проектирования, однако он безусловно обеспечивает дополнительную безопасность для пользователя. Таким образом, в настоящем изобретении заявлена колонна из армированного сталью бетона, которая может быть легко изготовлена на месте с помощью горячекатаных стальных секций, причем эти секции не только обеспечивают высокую несущую способность, но и увеличивают несущую способность центрального бетонного сердечника.
[0011] Для улучшения удержания центрального бетонного сердечника внутренними полками, предпочтительно по меньшей мере 30%, более предпочтительно по меньшей мере 40% и наиболее предпочтительно по меньшей мере 50% поверхности каждой из n боковых сторон бетонного сердечника должно быть ограничено внешней поверхностью внутренней полки одного или более стальных секций.
[0012] Кроме того, горизонтальное расстояние между двумя смежными стальными секциями в колонне должно составлять по меньшей мере несколько сантиметров, так что каждая из отдельных стальных секций по существу встроена в бетон. Таким образом, максимум 98% поверхности каждой из n боковых сторон бетонного сердечника обычно может быть ограничено внешней поверхностью внутренней полки одной или более стальных секций. В предпочтительных вариантах осуществления процентное соотношение поверхности каждой из n боковых сторон бетонного сердечника, ограниченного внешней поверхностью внутренней полки одной или более стальных секций, находится в диапазоне от 30% до 98%, более предпочтительно в диапазоне от 30 до 80% или от 40 до 80%.
[0013] Если сторона центрального бетонного сердечника расположена в одной плоскости с внешней поверхностью внутренней полки одной стальной секции, эта внутренняя полка предпочтительно центрирована относительно ширины этой стороны центрального бетонного сердечника. Такое центрированное расположение внутренней полки обеспечивает хорошее удержание центрального бетонного сердечника и оптимальные возможности соединения несущей балки с колонной.
[0014] Следует понимать, что поперечное сечение заявленной колонны из армированного сталью бетона и, таким образом, ее несущая способность могут быть легко увеличены без ухудшения удержания центрального бетонного сердечника, если имеются стороны центрального бетонного сердечника, расположенные в одной плоскости с внешними поверхностями внутренних полок более чем одной стальной секции.
[0015] Для улучшения удержания центрального бетонного сердечника, если сторона центрального бетонного сердечника расположена в одной плоскости с внешними поверхностями внутренних полок m стальных секций, где m равно по меньшей мере двум, расстояние между двумя последовательными внутренними полками, расположенными вдоль данной стороны центрального бетонного сердечника, а также расстояние между углом, ограничивающим в боковом направлении данную сторону центрального бетонного сердечника, и внутренней полкой, ближайшей к этому углу, предпочтительно не должны быть больше 0,8⋅w/(m+1), предпочтительно не больше 0,7⋅w/(m+1), где w - ширина этой стороны, и m - количество стальных секций, расположенных вдоль этой стороны.
[0016] Как правило, все внутренние полки имеют одинаковую ширину. Однако в особых случаях внутренние полки могут иметь разную ширину.
[0017] Как правило, внутренняя полка стальной секции может иметь ту же ширину, что и его наружная полка. Однако в особых случаях внутренняя полка может быть шире наружной полки.
[0018] Как правило, все стальные секции имеют одинаковые размеры. Однако в особых случаях в одной и той же колонне могут быть использованы стальные секции разных размеров.
[0019] Отличное удержание центрального бетонного сердечника может быть легко достигнуто, если последний имеет трансверсальное поперечное сечение, образующее выпуклый многоугольник с n сторонами. Однако в случае, если по меньшей мере одна стальная секция может быть расположена вдоль каждой стороны центрального бетонного сердечника, не исключено, что последний может иметь трансверсальное поперечное сечение, образующее вогнутый многоугольник с n сторонами, такой как, например, звезда. (Выпуклый многоугольник является многоугольником, все внутренние углы которого меньше 180°. Вогнутый многоугольник имеет по меньшей мере один угол, который больше 180°.)
[0020] Во многих случаях все n сторон центрального бетонного сердечника могут иметь одинаковую ширину. Однако не исключено, что n сторон центрального бетонного сердечника могут иметь разную ширину. Это, например, имеет место, если центральный бетонный сердечник имеет трансверсальное поперечное сечение, представляющее собой прямоугольник.
[0021] Следует понимать, что отличное удержание центрального бетонного сердечника может быть достигнуто, если этот центральный сердечник имеет трансверсальное поперечное сечение, образующее правильный многоугольник, т.е. многоугольник, который является равноугольным (все углы равны по величине) и равносторонним (все стороны имеют одинаковую длину). Однако архитектурные и/или конструкционные ограничения (например, несущие направления балок, соединенных с колонной) могут предполагать придание центральному бетонному сердечнику трансверсального поперечного сечения, которое образует многоугольник, не являющийся равноугольным и/или равносторонним.
[0022] Аналогично, для улучшения удержания центрального бетонного сердечника предпочтительно, если стальные секции образуют систему, в которой центральная продольная ось колонны является осью вращательной симметрии 360°/n, где n представляет собой количество сторон центрального бетонного сердечника.
[0023] Если сторона центрального бетонного сердечника расположена в одной плоскости с внешней поверхностью внутренней полки одной стальной секции, удержание центрального бетонного сердечника также улучшается, если стенка этой стальной секции имеет среднюю плоскость, содержащую, с обычными допусками для такого применения конструкционной стали, продольную ось колонны.
[0024] Каждая внутренняя полка предпочтительно содержит множество анкеров, проникающих внутрь центрального бетонного сердечника. Эти анкеры обеспечивают то преимущество, что система стальных секций и центрального бетонного сердечника ведет себя более эффективно в качестве составного тела, при этом значительно улучшается способность колонны из армированного сталью бетона противостоять напряжениям при изгибе, вызванным эксцентричными нагрузками на колонну.
[0025] Каждая из стальных секций может дополнительно или альтернативно содержать множество анкеров, проникающих внутрь бетона между его наружной и внутренней полками и/или внутрь бетона, окружающего внешнюю поверхность его наружной полки. Эти анкеры обеспечивают то преимущество, что стальные секции и бетон, охватывающий стальные секции, ведут себя более эффективно в качестве составного тела.
[0026] Бетон, как правило, может содержать продольные и/или поперечные арматурные стержни, где "арматурный стержень" является короткой формой термина "армирующий стержень" и обозначает стальной стержень, используемый в качестве натяжного устройства для усиления и удержания бетона при растяжении, причем поверхность арматурного стержня часто служит для создания лучшей связи с бетоном.
[0027] В предпочтительном варианте осуществления бетон содержит внешний арматурный каркас, выполненный из продольных и поперечных арматурных стержней и охватывающий систему стальных секций. Данный внешний бетонный арматурный каркас обеспечивает, в частности, внешнее удержание периферийного бетонного слоя, окружающего стальные секции. Он, в частности, противодействует выпучиванию этого периферийного бетонного слоя под действием осевых сжимающих сил, так что этот периферийный бетонный слой может способствовать более высоким нагрузкам на несущую способность колонны из армированного сталью бетона.
[0028] Внешний арматурный каркас предпочтительно содержит множество замкнутых круглых колец из арматурного стержня, соединенных с продольными арматурными стержнями. Следует понимать, что данные замкнутые круглые кольца из арматурного стержня эффективно противодействуют поперечному давлению, создаваемому в сжимаемом в осевом направлении бетоне, благодаря способности поглощать значительные периферические растягивающие напряжения (аналогично цилиндрической стенке контейнера высокого давления).
[0029] Бетон также может предпочтительно содержать внутренний арматурный каркас, выполненный из продольных и поперечных арматурных стержней и расположенный между наружными полками и внутренними полками так, чтобы охватывать центральный бетонный сердечник. Данный внутренний бетонный арматурный каркас обеспечивает в частности удержание промежуточного бетонного слоя, непосредственно окружающего центральный бетонный сердечник. Таким образом, он противодействует поперечному давлению, создаваемому в этом промежуточном бетонном слое под действием осевых сжимающих сил, так что этот промежуточный бетонный слой может способствовать более высоким нагрузкам на несущую способность колонны из армированного сталью бетона.
[0030] Внутренний арматурный каркас предпочтительно содержит замкнутые круглые кольца из арматурного стержня, проходящие через отверстия в стенках стальных секций. Таким образом, эти кольца конструктивно не зависят от системы стальных секций, что предпочтительно, когда стальные секции подвергаются деформациям. В качестве альтернативы, внутренний арматурный каркас содержит дугообразные сегменты колец из арматурного стержня, приваренные своими концами к стенкам стальных секций. Хотя этот альтернативный вариант менее предпочтителен с конструктивной точки зрения, он имеет, однако, немаловажное преимущество, заключающееся в отсутствии необходимости просверливать отверстия внутри стенок стальных секций.
[0031] В предпочтительном варианте осуществления колонна из армированного сталью бетона содержит по меньшей мере два разнесенных в продольном направлении узла соединения балки с колонной. Такой "узел соединения балки с колонной" представляет собой специальную секцию колонны из армированного сталью бетона, специально оборудованную для соединения с ним несущих нагрузку балок, поддерживающих, например, пол в высотном здании. Следует понимать, что между двумя последовательными узлами соединения балки с колонной предпочтительно отсутствует конструкционная сталь, соединяющая между собой стальные секции. Другими словами, между двумя последовательными узлами соединения балки с колонной несущая стальная конструкция колонны из армированного сталью бетона состоит лишь из изолированных стальных секций, проходящих параллельно через колонну. Однако на узлах соединения балки с колонной стальные секции могут быть конструктивно соединены между собой посредством конструкционной стали. Термин "конструкционная сталь" в данном документе обозначает разнообразные тяжелые стальные секции, такие как Н-образные балки, двутавровые балки, Т-образные балки, тяжелые U- или L-образные секции и тяжелые стальные пластины, используемые в качестве несущих или передающих нагрузку элементов в стальной конструкции. Арматурные стержни в этом контексте не рассматриваются в качестве конструкционной стали. Благодаря отсутствию конструкционной стали, соединяющей между собой стальные секции между двумя последовательными узлами соединения балки с колонной, существенно ограничиваются сварочные работы с конструкционной сталью на месте, что заметно улучшает качество колонны и облегчает ее сборку.
[0032] В предпочтительном варианте осуществления колонна из армированного сталью бетона содержит по меньшей мере один элемент соединения балки с колонной на наружной полке по меньшей мере одной стальной секции для соединения с указанной наружной полкой несущей нагрузку балки. Такой элемент соединения балки с колонной может, например, содержать элемент из конструкционной стали, такой как, например: L-образные секции, жестко закрепленные на наружной полке, для сварки или болтового крепления на стенке балки; отверстия для болтов в наружной полке для крепления концевой пластины балки на наружной полке, чтобы обеспечить болтовое соединение балки с колонной концевой пластины и т.д. Предпочтительно соединение балки с колонной может быть жестким соединением балки с колонной.
[0033] Колонна из армированного сталью бетона может иметь круглое или овальное, или другое криволинейное поперечное сечение, однако она также может иметь многоугольное поперечное сечение. Таким образом, в настоящем изобретении предлагается значительная архитектурная свобода для проектирования поперечного сечения колонны. Однако следует понимать, что очень интересный вариант осуществления содержит многоугольное поперечное сечение с 2n сторонами, если центральный бетонный сердечник имеет n сторон. После каждой второй из этих 2n сторон при этом может расположена внешняя поверхность наружной полки по меньшей мере одной из стальных секций. Следует понимать, что такой вариант осуществления, помимо прочего, позволяет эффективно избегать выступающих бетонных углов, не содержащих стальную секцию.
[0034] В изобретении также заявлена стальная конструкция для колонны из армированного сталью бетона для высотного здания, содержащая множество горячекатаных стальных секций, расположенных с прохождением в продольном направлении через бетонную колонну. Каждая из этих стальных секций имеет наружную полку с внешней поверхностью, обращенной наружу в бетонной колонне, противоположную внутреннюю полку с внешней поверхностью, обращенной внутрь в бетонной колонне, и стенку, соединяющую наружную полку с внутренней полкой. Стальные секции расположены так, что внешние поверхности их внутренних полок ограничивают объем центрального сердечника с n боковыми сторонами и трансверсальным поперечным сечением, образующим многоугольник с n сторонами, где n равно по меньшей мере трем; каждая из n боковых сторон объема центрального сердечника расположена в одной плоскости с внешней поверхностью внутренней полки по меньшей мере одной стальной секции. Как только такая стальная конструкция заключается в бетон, центральный бетонный сердечник удерживается или ограничивается внутренними полками стальных секций. Как указано выше, благодаря улучшенному удержанию бетонного сердечника в бетонном сердечнике развивается трехмерное напряженное состояние, увеличивающее несущую способность и пластичность колонны из армированного сталью бетона. В сжатом в осевом направлении бетонном сердечнике распространение и рост трещин сведены к минимуму.
[0035] Такая стальная конструкция обычно также содержит по меньшей мере два разнесенных в продольном направлении узла соединения балки с колонной для присоединения несущих нагрузку балок; при этом между двумя последовательными узлами соединения балки с колонной отсутствует стальная конструкция, соединяющая стальные секции между собой. На узлах соединения балки с колонной стальные секции могут быть конструктивно соединены между собой посредством конструкционной стали. Благодаря отсутствию конструкционной стали, соединяющей между собой стальные секции между двумя последовательными узлами соединения балки с колонной, существенно снижается количество сварочных работ с конструкционной сталью на месте, что заметно улучшает качество колонны и облегчает ее сборку.
[0036] В настоящем изобретении также заявлено высотное здание, содержащее по меньшей мере одну колонну из армированного сталью бетона, как описано выше.
[0037] Данное высотное здание как правило содержит по меньшей мере два последовательных этажа, поддерживаемых колонной из армированного сталью бетона на двух последовательных узлах соединения балки с колонной колонны из армированного сталью бетона, причем между двумя последовательными узлами соединения отсутствует конструкционная сталь, соединяющая стальные секции между собой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0038] Описанные выше и другие признаки, аспекты и преимущества изобретения станут более понятны при прочтении приведенного ниже описания нескольких вариантов осуществления изобретения, данного со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 - вид в поперечном сечении первого варианта осуществления колонны из армированного сталью бетона согласно изобретению;
фиг. 2 - вид в поперечном сечении второго варианта осуществления колонны из армированного сталью бетона согласно изобретению;
фиг. 3А - вид в вертикальном разрезе первого варианта осуществления сталебетонного арматурного каркаса для использования в колонне из армированного сталью бетона согласно изобретению;
фиг. 3В - вид в поперечном сечении сталебетонного арматурного каркаса с фиг. 3А;
фиг. 4А - вид в вертикальном разрезе второго варианта осуществления сталебетонного арматурного каркаса для использования в колонне из армированного сталью бетона согласно изобретению;
фиг. 4В - вид в поперечном сечении сталебетонного арматурного каркаса с фиг. 4А;
фиг. 5 - вид в поперечном сечении стальной секции для использования в колонне из армированного сталью бетона согласно изобретению;
фиг. 6 - вид в поперечном сечении третьего варианта осуществления колонны из армированного сталью бетона согласно изобретению;
фиг. 7 - вид поперечном сечении четвертого варианта осуществления колонны из армированного сталью бетона согласно изобретению;
фиг. 8 - вид в поперечном сечении пятого варианта осуществления колонны из армированного сталью бетона согласно изобретению;
фиг. 9 - вид в поперечном сечении шестого варианта осуществления колонны из армированного сталью бетона согласно изобретению;
фиг. 10 - вид в поперечном сечении колонны из армированного сталью бетона, показанной на фиг. 2, на котором показано соединение балки с колонной, при котором горизонтальные несущие балки закреплены на колонне из армированного сталью бетона; и
фиг. 11 - вид в вертикальном разрезе колонны, показанной на фиг. 1, 2 или 6, на котором не показаны бетон и бетонные армирующие стержни.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0039] Следует понимать, что в приведенном ниже описании и чертежах варианты осуществления изобретения описаны в качестве примера и в целях иллюстрации. Они не должны ограничивать объем, сущность или идею заявленного изобретения. На чертежах эквивалентные элементы в разных вариантах осуществления обозначены одинаковыми номерами позиций.
[0040] На фиг.1 схематично показан вид в поперечном сечении первого варианта осуществления колонны 10 из армированного сталью бетона согласно изобретению (в сокращенной форме также называемой "колонна 10"). Колонна 10 имеет центральную продольную ось 12 и поверхность оболочки (или внешнюю оболочку) 14. Центральная продольная ось 12 перпендикулярна плоскости чертежа. В колонне с фиг. 1 поверхность 14 оболочки представляет собой правую круглую цилиндрическую поверхность, имеющую центральную продольную ось 12 в виде оси цилиндра. Таким образом, колонна на фиг. 1 имеет круглое поперечное сечение.
1
2
3
4
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
[0041] Четыре горячекатаных стальных секции 16, 16, 16, 16 с Н-образным сечением (ниже также называются в сокращенной форме "стальные секции 16 ", где i=1,2,3,4) проходят в продольном направлении вдоль центральной продольной оси 12 колонны 10. Каждая из этих балок 16 колонны имеет внутреннюю полку 18 с по существу плоской внешней поверхностью 20, обращенной внутрь (т.е. обращенной к центральной продольной оси 12), противоположную наружную полку 22 с по существу плоской внешней поверхностью 24, обращенной наружу (т.е. обращенной к поверхности 14 оболочки колонны 10), и центральную стенку 26, соединяющую внутреннюю полку 18 с наружной полкой 20. Средняя плоскость стенки 26 каждой стальной секции 16 содержит, таким образом, центральную продольную ось 12 колонны 10.
[0042] Предпочтительными горячекатаными стальными секциями являются Н-образные стальные секции с широкими полками, такие как европейские балки HEA, HEB или HEM в соответствии с prEN16828-2015, EN 10025-2:2004, 10025-4:2004, или американские балки с широкой полкой или W-образные балки в соответствии с ASTM A6/A6M-14, или другая горячекатаная H-образная стальная секция, сходная с вышеупомянутыми балками или соответствующая им. Соответствующие механические параметры и марки стали подходящих стальных секций указаны, например, в европейском стандарте EN 1993-1-1:2005, таблица 3.1 и пункт 3.2.6.
i
i
i
i
i
[0043] Четыре стальные секции 16 расположены в колонне 10 таким образом, что внешние поверхности 20 их внутренних полок 18 ограничивают объем 28 центрального сердечника с четырьмя боковыми сторонами и трансверсальным поперечным сечением, образующим четырехсторонний многоугольник. Номером позиции 30 обозначена внешняя граница этого объема 28 центрального сердечника в плоскости чертежа, причем данная внешняя граница имеет форму квадрата на фиг. 1. В пространстве внешняя граница (т.е. охватывающая поверхность) объема 28 центрального сердечника определяется четырьмя воображаемыми плоскостями, причем каждая из этих четырех воображаемых плоскостей расположена в одной плоскости с внешними поверхностями 20 одной из четырех внутренних полок 18. Центральная продольная ось 12 колонны 10 также является центральной осью объема 28 центрального сердечника.
i
i
i
i
i
i
[0044] Бетон 32 (схематично представлен заливкой точками) заключает в себе четыре стальные секции 16 и заполняет объем 28 центрального сердечника, ограниченный внешними поверхностями 20 внутренних полок 18 четырех стальных секций 16. Таким образом, колонна 10 содержит центральный бетонный сердечник 28' с четырьмя боковыми сторонами и трансверсальным поперечным сечением, образующим четырехсторонний многоугольник, в частности квадрат, причем каждая из четырех боковых сторон центрального бетонного сердечника 28' расположена в одной плоскости с внешней поверхностью 20 внутренней полки одной из стальных секций 16.
i
i
[0045] Таким образом, удержание центрального бетонного сердечника 28’, которое обычно обеспечивается лишь внешними слоями из армированного бетона, улучшается за счет специального расположения внутренних полок 18 стальных секций 16. Это удержание эффективно блокирует поперечное расширение бетона под действием сжимающих сил. В результате улучшенного удержания бетонного сердечника 28' в бетонном сердечнике развивается трехмерное напряженное состояние, увеличивающее несущую способность и пластичность колонны 10 из армированного сталью бетона. В сжатом в осевом направлении бетонном сердечнике распространение и рост трещин сведены к минимуму. Следует также отметить, что эффект удержания (пока) не учитывается в нормах проектирования, однако он безусловно обеспечивает дополнительную безопасность для пользователя.
[0046] Подходящий бетон, который может быть использован для заключения в себе горячекатаных стальных секций и заполнения объема 28 центрального сердечника, соответствует, например, европейскому стандарту EN 1992-1-1:2004, таблица 3.1, или другим эквивалентным стандартам. Если для стальных секций используется высокопрочный стальной материал, то рекомендуется также использовать высокопрочный бетонный материал.
i
i
i
i
i
[0047] Для достижения достаточного удержания центрального бетонного сердечника 28’ по меньшей мере 30% поверхности каждой из четырех боковых сторон бетонного сердечника 28' должно быть ограничено внешней поверхностью 20 внутренней полки 18 соответствующей стальной секции 16. На фиг. 1 каждая из внутренних полок 18 расположена по центру на соответствующей стороне центрального бетонного сердечника 28' и ограничивает приблизительно 78% поверхности этой стороны. Другими словами, центральный бетонный сердечник 28' ограничен внутренними полками 18 по приблизительно 78% его поверхности 30 периметра.
i
i
i
i
i
[0048] Объединяя фиг. 5 с фиг. 1 следует понимать, что каждая внутренняя полка 18 предпочтительно содержит множество анкеров 34, выступающих от его внешней поверхности 20. Данные анкеры 34 глубоко проникают внутрь центрального бетонного сердечника 28'. Как следствие, центральный бетонный сердечник 28' полностью связан с четырьмя внутренними полками 18 стальных секций 16, т.е. анкеры полностью передают напряжения сдвига на граничных поверхностях полка-бетон сердечника. Таким образом, создана составная сталебетонная колонна 10а, которая в полной мере использует высокую прочность на сжатие удерживаемого центрального бетонного сердечника 28’ и высокую прочность на растяжение и сжатие стальных секций 16.
i
i
i
i
i
[0049] Как показано только на фиг. 5, каждая из стальных секций 16 может дополнительно содержать анкеры 36, проникающие внутрь бетона 32 между его наружной полкой 22 и его внутренней полкой 18, и/или анкеры 38, проникающие внутрь бетона 32, окружающего внешнюю поверхность 24 его наружной полки 22. Все анкеры 34, 36, 38, показанные на чертежах, являются срезными штифтами с головкой, однако при этом не исключается использование других типов анкеров, если они могут надлежащим образом передавать напряжения сдвига на соответствующих граничных поверхностях бетон-сталь.
i
i
[0050] На фиг. 1 номером 40 позиции обозначен внешний арматурный каркас, окружающий четыре стальные секции 16 в бетоне 32. Предпочтительный вариант осуществления такого бетонного арматурного каркаса 40 показан на фиг. 4A и 4B, при этом его вид сбоку показан на фиг. 4А, а его поперечное сечение показано на фиг. 4В. В данном предпочтительном варианте осуществления бетонный арматурный каркас 40 содержит армирующие стержни 42, проходящие в продольном направлении через колонну 10 (также называемые продольными арматурными стержнями 42), и замкнутые круглые армирующие кольца 44 (также называемые замкнутыми круглыми кольцами из арматурного стержня). Замкнутые круглые армирующие кольца 44 изготовлены по меньшей мере из одного арматурного стержня, изогнутого с получением формы круглого кольца, причем это кольцо затем замыкают путем сварки двух концов арматурного стержня. Замкнутые круглые армирующие кольца 44, которые в колонне 10 предпочтительно параллельны горизонтальной плоскости и имеют среднюю часть, расположенную на центральной продольной оси 12, закреплены на всех или на некоторых из продольных арматурных стержней 42, предпочтительно с помощью сварки или, альтернативно, механических соединений, таких как, например, вязальная стальная проволока или механические соединители. Геометрические и материальные характеристики стальных арматурных стержней определены, например, в EN 1992-1-1:2004, EN 10080, таблица 6 и EN 1992-1-1:2004, раздел 3.2.2. (3). Следует понимать, что замкнутые круглые кольца 44 из арматурного стержня эффективно противодействуют разрыву сжимаемого в осевом направлении бетона 32 благодаря способности поглощать значительные периферические растягивающие напряжения (аналогично цилиндрической стенке контейнера высокого давления). На фиг.3А и 3В показан альтернативный вариант осуществления внешнего арматурного каркаса 40. В данном варианте осуществления непрерывный арматурный стержень 48 спирально намотан вокруг продольных арматурных стержней 42. Спирально намотанный непрерывный стержень 48 закреплен на всех или некоторых из продольных арматурных стержней 42, предпочтительно с помощью сварки или, альтернативно, механических соединений, таких как, например, вязальная стальная проволока или механические соединители. Следует также отметить, что внешний бетонный арматурный каркас 40 обеспечивает внешнее удержание периферийного бетонного слоя, окружающего стальные секции 16. Он, в частности, противодействует выпучиванию данного периферийного бетонного слоя под действием осевых сжимающих сил так, что данный периферийный бетонный слой может способствовать более высоким нагрузкам на несущую способность колонны 10 из армированного сталью бетона.
i
i
i
i
i
[0051] Номером позиции 50 обозначен внутренний бетонный арматурный каркас, расположенный между наружными полками 22 и внутренними полками 18 так, чтобы охватывать центральный бетонный сердечник 28'. Предпочтительные варианты осуществления этого внутреннего арматурного каркаса 50 также показаны на фиг. 3А, 3В и фиг. 4А, 4В. Как и внешний арматурный каркас 40, внутренний арматурный каркас 50 предпочтительно содержит вертикальные армирующие стержни 52 (также называемые продольными стержнями 52) и замкнутые круглые армирующие кольца 54, как показано на фиг. 4А и фиг. 4В, или непрерывный арматурный стержень 58, намотанный в виде спирали вокруг продольных арматурных стержней 52, как показано на фиг. 3А и фиг. 3B. Замкнутые круглые усиливающие кольца 54 и спирально намотанный непрерывный арматурный стержень 58 предпочтительно проходят через небольшие отверстия, просверленные в стенках 26. В качестве альтернативы, для предотвращения сверления отверстий в стенках 26, замкнутое круглое армирующее кольцо 54 может быть заменено четырьмя дугами круга, причем концы каждой из этих дуг приварены к двум смежным стенкам 26. Следует отметить, что внутренний бетонный арматурный каркас 50 обеспечивает в частности удержание промежуточного бетонного слоя, непосредственно окружающего центральный бетонный сердечник 28'. Таким образом, он блокирует поперечное расширение бетона под действием сжимающих сил, так что этот промежуточный слой бетона может способствовать более высоким нагрузкам на несущую способность колонны 10 из армированного сталью бетона.
i
[0052] Следует также отметить, что особый интерес представляют вариант осуществления с четырьмя стальными секциями 16 с крестообразным расположением, как показано на фиг. 1, а также описанные ниже варианты осуществления с фиг. 2, 6, если колонна 10 должна поддерживать горизонтальные несущие балки, расположенные в соответствии с двумя перпендикулярными направлениями, что является наиболее распространенным случаем.
i
i
i
i
i
[0053] Колонна 10 с фиг. 2 отличается от колонны 10 с фиг. 1 в основном следующими признаками. Она имеет поперечное сечение квадратной формы (вместо круглого поперечного сечения), причем ее поверхность оболочки имеет четыре плоские боковые поверхности 14, которые по существу параллельны внешним поверхностям 24 четырех наружных полок 22. Каждая из внутренних полок 18 ограничивает приблизительно 52% поверхности соответствующей стороны центрального бетонного сердечника 28' с четырьмя сторонами. Другими словами, центральный бетонный сердечник 28' с четырьмя сторонами ограничен внутренними полками 18 по приблизительно 52% его поверхности 30 периметра. Внешний бетонный арматурный каркас 40' и внутренний бетонный арматурный каркас 50' содержат замкнутые армирующие кольца 44', имеющие квадратную форму. Угловые скобы 60 из арматурного стержня усиливают армирующие кольца 44' квадратной формы, так что они лучше подходят для противодействия выпучиванию бетона 32 под действием осевых сжимающих сил. Однако, для уменьшения выпучивания бетона 32 данный вариант осуществления с армирующими кольцами 44' квадратной формы остается менее эффективным, чем вариант осуществления с замкнутыми круглыми армирующими кольцами 44.
i
i
i
i
i
[0054] Колонна 10 с фиг. 6 отличается от колонны 10 с фиг. 1 в основном следующими признаками. Она имеет восьмиугольное поперечное сечение, причем ее поверхность оболочки имеет восемь плоских боковых поверхностей 14, каждая вторая боковая поверхность которых в целом параллельна внешней поверхности 24 одной из четырех наружных полок 22. Каждая из внутренних полок 18 ограничивает приблизительно 52% поверхности соответствующей стороны центрального бетонного сердечника 28'. Другими словами, центральный бетонный сердечник 28' ограничен внутренними полками 18 по приблизительно 52% его поверхности 30 периметра. Следует отметить, что замкнутые круглые армирующие кольца 44 очень хорошо вписываются в восьмиугольное сечение колонны 10, в которой бетон используется намного лучше, чем в колонне с фиг. 2.
i
1
2
3
i
i
4
5
6
i
[0055] Колонна 10 с фиг. 7 отличается от колонны 10 с фиг. 1 в основном следующими признаками. Она включает в себя только три стальные секции 16, ограничивающие центральный бетонный сердечник 28', имеющий треугольное поперечное сечение 30'. Колонна 10 имеет в целом шестиугольное поперечное сечение, при этом ее поверхность оболочки имеет три небольших плоских боковых поверхности 14, 14, 14 по существу параллельные внешним поверхностям 24 трех наружных полок 22 и чередующиеся с тремя большими плоскими боковыми поверхностями 14, 14, 14 ("большие" и "небольшие" относятся в данном документе к ширине боковых поверхностей). Каждая из внутренних полок 18 покрывает приблизительно 75% поверхности одной из трех сторон центрального бетонного сердечника 28'. Внешний бетонный арматурный каркас 40'' содержит шестиугольные армирующие кольца 44'', имеющие аналогичный контур с шестиугольным поперечным сечением колонны 10. Такая колонна 10 представляет особый интерес, если она должна поддерживать три горизонтальные балки, расположенные в трех разных направлениях (в данном документе три направления, взаимно разделенные углами в 120°). (Следует также отметить, что на фиг. 7 не показаны продольные арматурные стержни.)
i
i
i
i
i
i
[0056] Колонна 10 с фиг. 8 отличается от колонны 10 с фиг. 6 в основном следующими признаками. Она включает в себя пять стальных секций 16, ограничивающих центральный бетонный сердечник 28', имеющий имеет пятиугольное поперечное сечение 30''. Колонна 10 имеет в целом десятиугольное поперечное сечение, причем ее поверхность оболочки имеет десять плоских боковых поверхностей 14, каждая вторая боковая поверхность которых по существу параллельна внешней поверхности 24 одной из пяти наружных полок 22. Каждая из внутренних полок 18 покрывает приблизительно 93% поверхности соответствующей стороны центрального бетонного сердечника 28'. Другими словами, центральный бетонный сердечник 28' ограничен внутренними полками 18 по приблизительно 93% его поверхности 30'' периметра. Такой вариант осуществления представляет особый интерес, если колонна 10 должна поддерживать пять горизонтальных балок, расположенных в пяти разных направлениях (в данном документе пять направлений, взаимно разделенных углами в 72°). (Следует также отметить, что на фиг. 8 не показаны продольные арматурные стержни.)
i
i
i
i
i
i
i
i
[0057] Колонна 10 с фиг. 9 отличается от колонны 10 с фиг. 2 в основном следующими признаками. Вдоль каждой стороны центрального бетонного сердечника 28', также имеющего поперечное сечение 30 квадратной формы, расположены внутренние полки 18, 18' пары стальных секций 16, 16'. Две внутренние полки 18, 18' ограничивают приблизительно 85% поверхности соответствующей стороны центрального бетонного сердечника 28'. Такой вариант осуществления представляет особый интерес, если колонна 10 должна поддерживать две параллельные горизонтальные несущие балки на каждой из четырех сторон, или если требуется особенно прочная колонна из армированного сталью бетона. Расположение внутренних полок 18 из более чем одной стальной секции 16 вдоль стороны центрального бетонного сердечника 28' позволяет проектировать большие бетонные сердечники 28' и, таким образом, большие колонны, несмотря на ограничение ширины полки имеющихся на рынке стальных секций.
[0058] В дополнительном варианте осуществления колонны (не показан), которая содержит шесть стальных секций, и в которой центральный бетонный сердечник имеет прямоугольное поперечное сечение с двумя длинными сторонами и двумя короткими сторонами, внутренние полки двух стальных секций расположены вдоль каждой из двух длинных сторон, при этом внутренняя полка одной стальной секции расположена вдоль каждой из двух коротких сторон. Такой вариант осуществления представляет особый интерес, если колонна должна поддерживать две параллельные горизонтальные несущие балки вдоль первого направления и одиночные (или нет) горизонтальные несущие балки во втором направлении.
i
i
i
[0059] Во всех вариантах осуществления, показанных на чертежах, все остальные секции 16 имеют одинаковые размеры и имеют внутренние полки и, соответственно наружные полки, имеющие одинаковую ширину. Однако не исключено наличие в одной и той же колонне из армированного сталью бетона: стальных секций 16 меньшего и большего размера; стальных секций 16, имеющих внутренние полки и, соответственно наружные полки различной ширины.
[0060] Во всех вариантах осуществления, показанных на чертежах, все n сторон центрального бетонного сердечника 28' имеют одинаковую ширину. Однако не исключено наличие центрального бетонного сердечника со сторонами разной ширины. Это может быть, например, в случае центрального бетонного сердечника, имеющего прямоугольное поперечное сечение или поперечное сечение, которое является неправильным многоугольником.
i
[0061] В вариантах осуществления с фиг. 1, 2, 6, 7, 8 стенка каждой из стальных секций 16 имеет среднюю плоскость, имеющую центральную продольную ось 12 колонны 10. Однако, как показано, например, на фиг. 9, это не обязательно так.
[0062] Хотя показанные на чертежах колонны имеют круглое поперечное сечение, поперечное сечение квадратной формы, шестиугольное, восьмиугольное или десятиугольное поперечное сечение, следует понимать, что колонна согласно изобретению может иметь поперечное сечение любого вида, включая например, прямоугольные, крестообразные и овальные сечения, сечения, являющиеся правильными или неправильными многоугольниками, сечения, состоящие из изогнутых линий и т.д.
[0063] Также следует понимать, что поперечное сечение колонны может уменьшаться с высотой. В таком случае поперечное сечение центрального бетонного сердечника также может уменьшаться в той же пропорции, так что внутренние полки стальных секций могут быть не параллельны центральной продольной оси колонны.
i
i
i
i
i
i
[0064] На фиг. 10 показан вид в поперечном сечении колонны 10 с фиг. 2, в частности, на так называемом узле 70 соединения балки с колонной, где в конкретном вертикальном местоположении или уровне вдоль колонны 10 горизонтальная несущая балка 72 закреплена на каждой из наружных полок 22 вертикальной колонны 10. Такие горизонтальные несущие балки 72 поддерживают, например, этаж в высотном здании. Стрелка 74 указывает на опциональную поперечную конструкционную сталь, предпочтительно соединяющую между собой внутренние полки 18 на узле 70 соединения, на том же уровне, на котором горизонтальные несущие балки 72 соединены с наружными полками 22 колонны 10.
i
i
[0065] На фиг. 11 показан вид в вертикальном разрезе колонны с фиг. 1, 2 или 6, на котором не показаны бетон и стальная арматура для бетона. Данная колонна 10 содержит по меньшей мере два разнесенных в продольном направлении узла 70, 70' соединения балки с колонной, как показано на фиг. 10, для поддержки двух последовательных этажей. Следует отметить, что между двумя разнесенными в продольном направлении узлами 70, 70' соединения балки с колонной отсутствует конструкционная сталь, соединяющая стальные секции 16 между собой. Другими словами, между двумя разнесенными в продольном направлении узлами 70, 70' соединения колонны 10 стальные секции 16 конструктивно соединены между собой исключительно армированным сталью бетоном 32.
[0066] Настоящее изобретение описано выше в отношении колонны из армированного сталью бетона для высотного здания, однако следует понимать, что колонна из армированного сталью бетона согласно изобретению может быть также использована в не строительных конструкциях, таких как, например, большие залы, площадки, мосты, пилоны и т.д.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
10 колонна из армированного сталью бетона
12 центральная продольная ось 10
14 поверхность оболочки 10
i
14 боковые поверхности 14
i
16 горячекатаная стальная секция
i
i
18 внутренняя полка 16
i
i
20 внешняя поверхность 18
i
i
22 наружная полка 16
i
i
24 внешняя поверхность 22
i
i
26 стенка 16
28 объем центрального сердечника с n сторонами
28' центральный бетонный сердечник с n сторонами (=28 заполненный бетоном)
30 внешняя граница 28 (= поверхность периметра 28')
32 бетон
34 анкер
36 анкер
38 анкер
40 внешний арматурный каркас
42 вертикальный армирующий стержень (вертикальный арматурный стержень)
44 замкнутое круглое армирующее кольцо
44' замкнутое армирующее кольцо квадратной формы
46 сетка 40
48 спирально навитый непрерывный арматурный стержень
50 внутренний арматурный каркас
52 вертикальные армирующие стержни
54 замкнутое круглое армирующее кольцо
58 спирально навитый непрерывный арматурный стержень
60 угловая скоба
70, 70' узел соединения балки с колонной 10
i
72 горизонтальная несущая балка
i
74 трансверсальная конструкционная сталь, соединяющая между собой 18