Строительный элемент в виде стойки

Объект − полезная модель
МПК  Е04С 3/36
Строительный элемент в виде стойки
Полезная модель относится к области строительства и может быть использована в качестве строительных конструкций, работающих на центральное и внецентренное сжатие, например, колонн зданий и сооружений, опор мостов, различных стоек и т.п.
Известна колонна, содержащая металлическую трубу с бетонным ядром внутри, армированным спиральной арматурой так, чтобы спираль либо касалась внутренних стенок трубы, либо отстояла от них не более чем на 2-3 мм (см. патент РФ №2121045, Е04С 3/32).
Недостатками известной конструкции являются низкая огнестойкость колонны, вследствие размещения спирали на расстоянии не более 2-3 мм от внутренних стенок трубы, а также неэффективное армирование бетонного ядра колонны спиральной арматурой в случае использования прямоугольной или квадратной трубы-оболочки. Это связано с тем, что в углах поперечного сечения таких колонн при подобном армировании будут оставаться значительные зоны, не усиленные спиральной арматурой. Это не позволяет увеличить прочность бетона в пределах всего сечения элемента, что отрицательно скажется на его несущей способности.
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является железобетонная колонна, содержащая бетонное ядро с пространственным каркасом, выполненным в виде центральной спирали эллипсовидного или круглого поперечного сечения, навитой вокруг продольных стержней, и четырех угловых спиралей в форме круглого поперечного сечения, навитых вокруг сгруппированных в углах сечения продольных стержней (Самуэл Иен-Лян ИН. Экспериментальные исследования гибридного спирального армирования в прямоугольных колоннах // Промышленное и гражданское строительство. 2012. №12. С. 77-80).
Недостатками известной конструкции являются низкая несущая способность при осевом и особенно внецентренном сжатии, при воздействии сейсмических нагрузок, а также низкая прочность и деформативность защитного слоя бетона.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью, заключается в повышении несущей способности элемента при осевом и внецентренном сжатии при одновременном обеспечении повышенной огнестойкости.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной проблемы, заключается в обеспечении более эффективной работы бетонного ядра за счет заключения в трубчатую оболочку всего объема бетона строительного элемента, включая бетон, расположенный за пределами пространственного каркаса, что позволит увеличить предельное усилие, воспринимаемое бетоном и несущую способность элемента в целом при осевом сжатии, а также в размещении большого количества металла или полимерного композиционного материала трубчатой оболочки у наиболее сжатой и растянутой граней поперечного сечения внецентренно сжатого элемента, что также способствует повышению его несущей способности.
Поставленная техническая проблема решается тем, что строительный элемент в виде стойки, содержащий бетонное ядро и пространственный каркас, состоящий из коаксиально расположенной центральной спирали, навитой вокруг продольных стержней, и четырех спиралей круглого поперечного сечения, расположенных по углам и навитых вокруг сгруппированных продольных стержней, согласно изменению, он снабжен трубчатой оболочкой, выполненной из металла или полимерного композиционного материала.
Причем трубчатая оболочка элемента может быть выполнена в форме квадратного поперечного сечения, при этом центральная спираль – круглого поперечного сечения.
Трубчатая оболочка также может быть выполнена в форме прямоугольного поперечного сечения, при этом центральная спираль – эллипсовидного поперечного сечения.
В качестве полимерного композиционного материала трубчатой оболочки может быть использован стекло-, базальто- или углепластик, а в качестве металла для трубчатой оболочки может быть использована как сталь обычной прочности, так и высокопрочная сталь.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 изображена схема строительного элемента в виде стойки без бетонного ядра;
- на фиг. 2 схематично изображен строительный элемент квадратного поперечного сечения без бетонного ядра (вид сверху);
- на фиг. 3 схематично изображен строительный элемент прямоугольного поперечного сечения без бетонного ядра (вид сверху).
Строительный элемент состоит из трубчатой оболочки 1 (фиг.1), выполненной из металла или полимерного композиционного материала в виде стекло-, базальто- или углепластика. Заявляемые материалы имеют высокую прочность на растяжение и сжатие, что обеспечит высокую несущую способность строительного элемента при работе на сжатие. Причем трубчатая оболочка 1 может быть выполнена квадратного (фиг.2) или прямоугольного (фиг.3) поперечного сечения. Внутри трубчатой оболочки размещен пространственный каркас в виде коаксиально установленной центральной металлической спирали 2, выполненной из стержневой или проволочной арматуры и навитой вокруг продольных стержней 3 (фиг.1-3). Причем расстояние между двумя ближайшими продольными стержнями составляет 50÷100 мм, а стержни, находящиеся на осях симметрии элемента, расположены на расстоянии 10÷40 мм от геометрического центра боковых граней элемента. При расстоянии между продольными стержнями менее 10 мм от геометрического центра боковых граней элемента, даже для бетонов со щебнем мелкой фракции, сложно обеспечить качественное бетонирование тех зон, которые размещены между продольной арматурой и внутренней поверхностью трубчатой оболочки. В случае, если расстоянии будет превышать 40 мм заметно снижается рабочая высота поперечного сечения элемента, что отрицательно скажется на его несущей способности. При использовании трубчатой оболочки с квадратным поперечным сечением центральную спираль выполняют круглого поперечного сечения, в случае использования трубчатой оболочки с прямоугольным поперечным сечением, поперечное сечение центральной спирали - эллипсовидное, что обеспечивает заключение большей части поперечного сечения в пределах зоны, усиленной спиральной арматурой. По углам элемента расположены четыре металлических спирали 4 круглого поперечного сечения, навитых вокруг сгруппированных по углам элемента продольных стержней 3, расположенных на расстоянии 50÷100 мм друг от друга и 14÷40 мм от углов поперечного сечения элемента до ближайшего стержня. Заявляемое расстояние между продольными стержнями обеспечит качественную укладку бетонной смеси при вертикальном бетонировании изделия. Бетон на фигурах не показан.
Использование пространственного каркаса в трубобетонном элементе обеспечивает более равномерное армирование бетонного ядра, а также увеличение прочности всего бетонного тела за счет дополнительного эффекта обоймы от косвенного армирования, что способствует повышению несущей способности элемента при осевом сжатии. Наличие внешней трубчатой оболочки квадратного или прямоугольного поперечного сечения приводит к росту эффекта обоймы, к увеличению несущей способности элементов внецентренно сжатых с большими эксцентриситетами, а также к увеличению прочности и деформативности бетона, расположенного за пределами пространственного каркаса. Повышенная деформативность бетона позволит в сжатом строительном элементе эффективно использовать продольную арматуру, выполненную из высокопрочной стали, что положительно скажется на несущей способности элемента.
Причем несущая способность строительного элемента при пожаре будет обеспечена не только наличием продольного и спирального армирования, но и совместной работой стальной или полимерной композиционной оболочки с бетонным ядром, что повысит его огнестойкость.
Строительный элемент в виде стойки изготавливают следующим образом.
Предварительно в вертикально расположенную трубчатую оболочку 1 (фиг.1), выполненную из металла или полимерного композиционного материала в виде стекло-, базальто- или углепластика, нижний торец которой установлен на фундаменте или аналогичном элементе нижнего яруса (на фигуре не показано), устанавливают пространственный каркас, состоящий из коаксиально установленной в трубе-оболочке 1 центральной металлической спирали 2, навитой вокруг продольных стержней 3. Кроме того, по углам элемента расположены четыре металлических спирали 4, навитые вокруг сгруппированных по углам элемента продольных стержней 3. Шаг арматуры центральной и угловых спиралей принимают равным не менее 15 мм и не более ¼ их диаметра. Количество продольных стержней определяется расчетом прочности нормальных сечений сжатого элемента (Байков В.Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные и каменные конструкции. Общий курс. М.: Стройиздат, 1991), расстояние между ними должно обеспечивать качественное бетонирование элемента, защитный слой бетона – по расчету в зависимости от требуемой огнестойкости элемента. Затем трубчатую оболочку 1 заполняют бетонной смесью. При достижении твердым телом, изготовленным из бетона, требуемой прочности, строительный элемент готов к использованию.
Таким образом, несущая способность заявляемого строительного элемента при сжатии примерно на 30÷50 % выше несущей способности строительного элемента, взятого за прототип.