НАПРЯГАЕМЫЙ АРМАТУРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
TENDON

Предлагаемое изобретение относится к предварительно напряженным бетонным конструкциям, прежде всего к напрягаемым арматурным элементам конструкции.
Известны традиционные ненапрягаемые арматурные элементы в виде проволоки или профилированных стальных стержней, используемые в различных строительных конструкциях: балках, ригелях, колоннах, перекрытиях, панелях и других конструктивных строительных элементах зданий и сооружений, изготовленных из железобетона (см., например, С.А.Мадатян. Арматура железобетонных конструкций. - М.: Военлит. 2000. - 256 с.).
Основным полезным свойством таких конструкций является высокая прочность на сжатие, растяжение и изгиб, определяющие несущую способность конструкции. При этом весьма важным являются экономические соображения, касающиеся расхода металла и бетона. Известные строительные конструкции имеют значительный расход металла в виде арматуры и бетона.
Также известна напрягаемая стержневая арматура, используемая в предварительно напряженных железобетонных конструкциях, применяющихся в жилищно-гражданском и промышленном строительстве, при возведении различных инженерных сооружений (мостов, телебашен, резервуаров и т.п.) и, прежде всего в высотном строительстве (см., например, Реконструкция зданий и сооружений/ под ред. Шагина А.Л., М.: Высшая школа, 1991. с.172-174; патент РФ №2033505, кл. Е04С 3/30, 1991 г.). Напрягаемая арматура изготавливается, как правило, из высокопрочной стали, благодаря чему предварительно напряженные конструкции, содержащие такую арматуру, обладают повышенной прочностью, трещиностойкостью, сейсмостойкостью, огнестойкостью. Причем особенно широко применяют такие преднапряженные конструкции, в которых натяжение арматуры осуществляется прямо на стройплощадке на уже затвердевшие железобетонные элементы (балки, плиты и т.п.). Такой способ предварительного натяжения - путем натяжения арматуры «на бетон» - рассматривается как наиболее перспективный, а во многих случаях - единственный при возведении современных, в том числе высотных зданий.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является напрягаемый арматурный элемент, включающий напрягаемую арматуру (см., например, патент РФ №2094579, кл. Е04С 21/22, 1997 г.). Использование напрягаемой арматуры в известном решении позволяет повысить трешиностойкость строительных конструкций, а размещение арматуры в заранее изготовленных каналах обеспечивает свободу их перемещения а процессе натяжения. Сцепление же бетона с арматурой достигается при этом путем нагнетания в каналы, где расположена напрягаемая арматура, цементного раствора. Однако при натяжении арматуры происходит частичное разрушение бетонной поверхности каналов с образованием раковин, сколов и т.п., что приводит к возможному попаданию в каналы воды, а в дальнейшем и к недопустимой в арматурных элементах коррозии и вследствие этого резкому снижению эксплуатационных характеристик конструкций. Кроме того, при изготовлении крупногабаритных преднапряженных строительных конструкции для достижения требуемого обжатия бетона существенно увеличивают диаметр применяемой напрягаемой арматуры, что приводит к заметному перерасходу высокопрочных арматурных сталей и, следовательно, снижению эффективности применения таких конструкций.
Цель предлагаемого изобретения - повышение эксплуатационных характеристик строительных предварительно напряженных конструкций, снижение расхода металла при их изготовлении.
2
2
Поставленная цель достигается тем, что напрягаемый арматурный элемент, включающий напрягаемую стальную арматуру, содержит дополнительный внешний армирующий контур в виде цилиндрической жесткой стальной или неметаллической обоймы, симметрично расположенной относительно напрягаемой арматуры и заполненной бетоном марки не ниже В 15, с напряжением обжатия бетона в элементе, выбранном в пределах от 5 Н/мм до 40 Н/мм и усилием распора обоймы от напряжения в пределах от 0 до 300 Н/кв.мм, с соотношением внутреннего диаметра обоймы к ее длине в пределах от 1/20 до 1/10000 и толщиной обоймы, выбранной в пределах от 0,05 до 3,0 диаметров арматуры, при соотношении диаметра арматуры к внутреннему диаметру или средней ширине контура в пределах от 1:4 до 1:20. Кроме того, обойма может быть выполнена прямоугольного или квадратного сечения с профилем, относительная площадь смятия которого выбрана в пределах от 0,001 до 0,1 а напрягаемая арматура выполнена из углепластика, а также в виде стержней из высокопрочной стали с пределом текучести, выбранном в пределах от 800 Н/кв.мм до 1400 Н/кв.мм.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что благодаря размещению напрягаемой арматуры в дополнительном армирующем контуре, выполненном в виде стальной или неметаллической обоймы, значительно возрастает поверхность взаимодействия заявляемого арматурного элемента с бетоном строительной конструкции, что позволяет существенно уменьшить диаметр используемой напрягаемой арматуры, а следовательно, намного снизить расход дорогостоящей высокопрочной стальной арматуры, и, таким образом, способствует значительному повышению эффективности использования предлагаемого технического решения. При этом существенно возрастает и сцепление заявляемого арматурного элемента с бетоном строительной конструкции и одновременно восприятие распора бетона от его обжатия усилием предварительного напряжения, приводящие, в свою очередь, к повышению эксплуатационных характеристик строительных конструкций. Изготовление жесткой обоймы не только из высокопрочных сталей, но и из неметаллических материалов, например из базальтовых волокон, позволяет не только улучшить антикоррозийные характеристики предлагаемого арматурного элемента, но и заметно снизить его стоимость. Использование для изготовления напрягаемой арматуры наряду с высокопрочной арматурной сталью, углепластика позволяет значительно уменьшить сечение и вес преднапряженных большепролетных железобетонных конструкций. Стойкость в любых агрессивных средах делает применение углепластика особенно эффективным, а его долговечность, существенно превышающая долговечность стальной арматуры, в еще большей степени улучшает эксплуатационные характеристики преднапряженных строительных конструкций, изготовленных с использованием заявляемого арматурного элемента.
Предлагаемый напрягаемый арматурный элемент, уложенный в строительную конструкцию, изображен на фиг.1; на фиг.2 - преднапряженный железобетонный ригель с тремя напрягаемыми арматурными элементами, поперечное сечение.
2
Напрягаемый арматурный элемент включает армирующий контур в виде жесткой обоймы 1, изготовленной из высокопрочной стали или углепластика и имеющей цилиндрическое или прямоугольное, или квадратное сечение. При этом обойма может быть выполнена с внешним профилем, обеспечивающим повышенное сцепление с бетоном и характеризующимся относительной площадью смятия, составляющей 0,001-0,1. Отношение внутреннего диаметра обоймы к ее длине в заявляемом напрягаемом арматурном элементе составляет от 1/20 до 1/10000, а толщина обоймы выбирается в пределах от 0,05 до 3,0 диаметров арматуры. Обойма 1 заполнена бетоном 2 марки не ниже В 15, напряжение обжатия бетона в обойме составляет 5÷40 Н/мм, а усилие распора обоймы от преднапряжения составляет от 0 до 300 Н/кв.мм. Внутри обоймы 1 между концевыми анкерами 3 размещена напрягаемая арматура 4, изготовленная либо из высокопрочной стали, либо из углепластика. Анкеры 3 имеют возможность перемещаться в продольном направлении относительно стенки обоймы на длину от 0 до 0,02 длины арматурного элемента без поперечных перемещений анкеров. Арматура может быть также выполнена в виде арматурных канатов, помещенных в гибкие неметаллические трубки со смазкой внутри. Причем соотношение диаметра арматуры к внутреннему диаметру цилиндрической обоймы или средней ширине контура, изготовленного в виде обоймы квадратного или прямоугольного сечения, составляет от 1:4 до 1:20. На фиг.1 предлагаемый арматурный элемент показан с размещением в бетоне 5 строительной конструкции.
За пределами приведенных параметров изготовления напрягаемого элемента поставленная цель не достигается.
При изготовлении напрягаемого арматурного элемента жесткую стальную или неметаллическую обойму 1 требуемой длины закрепляют на стенде или месте изготовления на строительной площадке. Затем в обойме размещают стальную или углепластиковую арматуру 4, подвергают ее натяжению между концевыми анкерами 3 с последующим заполнением обоймы бетоном 2 и выдерживанием его до затвердевания. После приобретения бетоном необходимой прочности натянутую арматуру 4 освобождают из концевых анкеров 3, и силы натяжения передаются на бетон обоймы. Готовый арматурный элемент устанавливают в строительной конструкции 4 (балке, плите и т.п.).
Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1.
b
2
2
2
Обойма напрягаемого арматурного элемента изготовлена в виде трубы квадратного сечения размером 150×150 мм из рядовой стали Ст3 и заполнена бетоном марки В 15 с кубиковой прочностью R=300 Н/мм. Бетон подвергается обжатию расположенным внутри обоймы арматурным канатом диаметром 15 мм и площадью сечения А=140 мм с напряжением в нем 1200 Н/мм и общим усилием 168 кН.
2
Это усилие обеспечивает обжатие бетона с напряжением в нем 7,67 Н/мм. При этом за счет обжатия бетон в обойме находится в условиях трехосного напряженного состояния и передает распор обойме. При длине обоймы 10000 мм общее усилие распора в ней составляет: Р=168×0,2=33,6 кН или 3,36 Н на 1 мм периметра, что составляет 0,0056 Н на 1 мм внутренней поверхности обоймы.
При последующем растяжении арматурного элемента: усилие преднапряжения 1 каната обеспечивает 168 кН; усилие, воспринимаемое стальной трубой, составляет 288 кН и усилие, воспринимаемое бетоном, 210 кН. Таким образом, за счет преднапряжения обойма может упруго работать на растяжение до усилия 666 кН вместо 288 кН, воспринимаемых металлической трубой, т.е. усилие увеличивается в 2,3 раза.
Пример 2.
2
Обойма напрягаемого арматурного элемента изготовлена в виде стальной цилиндрической трубы диаметром 100 мм с толщиной стенки 3 мм (площадь поперечного сечения трубы - 464 мм).
Бетон, заполняющий обойму, и арматура, размещенная в обойме, как в предыдущем примере.
Тогда усилие, воспринимаемое обоймой, составляет:
Р=240×464=111,4 кН; усилие, воспринимаемое арматурным канатом, - 168 кН; усилие, воспринимаемое бетоном, 7,385×10=73,85 кН. Таким образом, общее усилие составляет 353,2 кН, т.е. преднапряжение увеличивает прочность на растяжение элемента в 1,9 раза.
Эффективность применения напрягаемого арматурного элемента иллюстрируется на примере использования его в железобетонном ригеле, приведенном на фиг.2.
Железобетонный ригель пролетом 12 м, содержащий заявленный элемент и ненапрягаемую арматуру 6, при общей нагрузке, включая собственный вес, имеет массу 5 т. Тогда момент в середине пролета от действия расчетной нагрузки составит:
2
M=q·l/8=5·144/8=90 т·м.
При высоте ригеля, например, 70 см и ширине нижней части 60 см для восприятия этого момента (с учетом расчета по второму предельному состоянию - прогибы и трещиностойкость) потребуется всего три арматурных элемента, изготовленных согласно примеру 1. При этом расход металла с использованием предлагаемого арматурного элемента снизится в 1,5 раза в сравнении с армированием аналогичного железобетонного ригеля согласно прототипу.
Таким образом, предлагаемый арматурный элемент обеспечивает восприятие и передачу на бетон строительной конструкции растягивающего усилия, слагающегося из предварительного напряжения арматуры, усилия растяжения, воспринимаемого материалом собственно обоймы, и остаточной растяжимости бетона внутри обоймы, что обеспечивает повышение эксплуатационных характеристик преднапряженных строительных конструкций, а также эффективность предлагаемого арматурного напрягаемого элемента за счет возможности существенного снижения расхода дорогостоящих высокопрочных сталей и исключения необходимости принятия дополнительных мер по обеспечению сцепления с бетоном строительной конструкции.