СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СТАЛЕТРУБОБЕТОННОЙ АРКИ
METHOD OF MAKING COMPOSITE ARCH

Предлагаемое изобретение относится к железобетонным и стальным конструкциям каркасов сооружений.
Известны факты разрушения железобетонных балок по наклонному сечению, причем разрушение по наклонным сечениям не менее вероятно, чем по вертикальным (в пролете) [1, с.256, рис.89], [2].
отн
Происходит раздробление бетона и раскрытие наклонной трещины ортогонально к направлению главных растягивающих напряжений. Такие трещины возникают по причине низкой работоспособности бетона при растяжении и срезе [1, с.29]. Предельная растяжимость бетона ε=0,00015 в сотни раз ниже, чем предельная растяжимость стальной арматуры, поэтому при совместном растяжении со сталью цельность бетона сохраняется только в начальной стадии эксплуатации!
Известно, что в любой балке при ее изгибе возникают главные сжимающие и растягивающие напряжения. Их траектории очерчены по параболам. Поэтому основной армирующий элемент балки должен быть выполнен в виде сталетрубобетонной арки. Кроме того, для уменьшения массы конструкции бетон из растянутой зоны может быть удален.
Известно также, что бетон, помещенный в стальную трубчатую обойму, получает значительное упрочнение (примерно в два раза) [3, с.191]. В этом случае особенно эффективно применять расширяющийся бетон. В этом случае бетон при схватывании расширяется и самонапрягается, так как стальная обойма препятствует расширению и обжимает его со всех сторон.
На этой основе получены трубобетонные конструкции, отлично работающие не только при сжатии, но и при срезе и сдвиге!
За прототипы примем известные трехшарнирные арки серповидного очертания с треугольной решеткой (Муханов К.К. Металлические конструкции. Госстройиздат, 1963, с.330, рис.Х.8 а и Б). Недостатком таких конструктивных решений является то, что из-за изменения расстояния между поясами по длине арки приходится применять стержни решетки разной длины, что ведет к трудоемкости изготовления.
Техническая задача изобретения - повышение работоспособности ригелей покрытий зданий и сооружений, а также повышение технологичности изготовления и монтажа ригелей покрытий зданий и сооружений.
Техническая задача по способу формирования сталетрубобетонной арки, работающей в системе рамы сооружения, решена следующим образом.
Способ формирования сталетрубобетонной арки заключается в том, что арку выполняют очерченной по параболе из трубы овальной в сечении с отношением большего габарита к меньшему габариту, равным трем.
Овальную трубу ориентируют большим габаритом из плоскости арки, а пяты арки соединяют прямолинейной затяжкой.
Соединяют верхнюю ключевую точку арки с серединой затяжки подвеской напрягаемой талрепом-регулятором, при необходимости устраивают дополнительные талрепы-регуляторы, которые располагают симметрично.
Монтируют верхний прямолинейный пояс с уклоном от конька наружу не менее 1,5…2%. Монтируют треугольную решетку и соединяют ею верхний пояс с аркой.
Монтируют и соединяют парой опорных вертикальных элементов верхний пояс с пятами арки и образуют пару параболических треугольников арки, пяты которых соединены затяжкой.
Монтируют арку в проектное положение, опирают пяты арки на опорные столики пары колонн сооружения и соединяют пяты и верхний пояс с оголовками колонн, образуют жесткие соединения сталетрубобетонной арки с парой колонн слева и справа.
Присоединяют к патрубкам трубчатых элементов арки гибкие бетонопроводы и, управляя с пульта насосной станцией, нагнетают, инжектируют способом «снизу вверх» в трубчатые полости арки мелкозернистый расширяющийся бетон.
При схватывании бетона автоматически обжимают и объемно самонапрягают бетон обоймой арки снаружи, объемно обжимают бетон со всех сторон замкнутыми обоймами, значительно (в два и более раз) повышают прочность бетона при сжатии в обойме и превращают каждую арку из пары параболических треугольников в монолитную, единую, сталетрубобетонную арочную конструкцию.
На фиг.1 - Сталетрубобетонная арка; на фиг.2 - Сечения сталетрубобетонной арки; на фиг.3 - Крепление прогонов; на фиг.4 - Железобетонная балка; на фиг.5 - Сечение железобетонной балки; на фиг.6 - Схема распределения полной нагрузки; на фиг.7 - Сечение затяжки; на фиг.8 - Схема распределения постоянной линейной нагрузки; на фиг.9 - Схема распределения односторонней снеговой нагрузки; на фиг.10 - Сечение эллипса; на фиг.11 - Узлы; на фиг.12 - Расчетная схема арки.
Способ формирования сталетрубобетонной арки показан на фиг.1. Сталетрубобетонная арка содержит арку 1 очерченную по квадратной параболе. Овальное сечение арки 1 выполняют трубчатым с отношением большего габарита к меньшему габариту, равным трем (см. фиг.2). При таком отношении габаритов [4] профиль имеет отличные параметры.
Овальную трубу ориентируют большим габаритом из плоскости арки 1. Арка 1 имеет ключевую точку 2 и две пяты 3. Пяты 3 арки 1 соединяют прямолинейной стальной затяжкой 4.
Верхнюю ключевую точку арки соединяют подвеской 5, напрягаемой талрепом-регулятором 6, с серединой затяжки 4, при необходимости устраивают дополнительные талрепы-регуляторы 6 (не показано), которые располагают симметрично, например, в четвертях пролета. Талрепы-регуляторы 6 предназначены для управления напряженным состоянием всей конструкции.
Монтируют пару верхних 7 прямолинейных участков пояса с уклоном от конька наружу не менее 1,5…2%. Монтируют треугольную решетку 8 и соединяют ею верхние 7 участки пояса с аркой 1.
Монтируют и соединяют парой опорных вертикальных 9 элементов верхний пояс 7 с пятами 3 арки 1 и образуют пару параболических треугольников арки, пяты которых соединены затяжкой 4.
Патрубки 10 для нагнетания мелкозернистого расширяющегося бетона в полость арки 1 располагают на нижних отметках элементов.
Присоединяют к патрубкам (не показано) трубчатых элементов арки 1 (не показано) гибкие бетонопроводы (не показано) и, управляя с пульта насосной станцией (не показано), нагнетают, инжектируют способом «снизу вверх» в трубчатые полости арки 1 (не показано) мелкозернистый расширяющийся бетон.
При схватывании бетона автоматически обжимают и объемно самонапрягают трубчатые элементы арки 1 изнутри, объемно обжимают бетон со всех сторон замкнутыми обоймами арки 1, значительно (в два и более раз) повышают прочность бетона при сжатии в обойме и превращают каждую арку 1 из пары параболических треугольников в монолитную, единую, сталетрубобетонную арочную конструкцию.
Технологический процесс изготовления и монтажа ригелей покрытий зданий и сооружений упрощается из-за следующего:
- Стальные конструкции изготавливают автоматизированно на заводах металлических конструкций и отправляют готовую к монтажу конструкцию на монтажную площадку.
- Монтаж готовых легких стальных конструкций производят непосредственно с колес в проектное положение стреловыми кранами меньшей грузоподъемности, чем для монтажа железобетонных конструкций.
- Мелкозернистый, расширяющийся бетон транспортируют к месту укладки в бетоновозах.
- Бетононасосы смонтированы на бетоновозах и обеспечивают закачку и нагнетание бетона на большую высоту.
Патрубки для нагнетания бетона присоединены к готовым легким стальным конструкциям на нижних отметках и предназначены для нагнетания пластичного бетона через них. К патрубкам присоединяют гибкие бетонопроводы. Бетонирование и нагнетание расширяющегося бетона в полости арки производят способом “снизу вверх”, чем обеспечивается укладка без воздушных пузырей. Бетон транспортируют механизированно бетононасосами, которые смонтированы непосредственно на бетоновозах. Для повышения пластичности применяют эффективные пластификаторы, например сульфатоспиртовую барду (отходы спиртоводочной промышленности). Уплотняют бетон вибраторами, присоединенными к трубчатой арке снаружи.
При схватывании бетон расширяется. Арка 1 объемно самонапрягается и превращается в единую сталетрубобетонную арочную конструкцию. Образуют два параболических треугольника, объединенные с аркой в единое целое и подкрепляющие сжатый пояс 7 над аркой 1.
К верхнему поясу 7 параболических треугольников и арки 1 с необходимым шагом присоединены короткие опорные элементы из тавров или двутавров для крепежа прогонов технологичным соединением - болтами.
Способ формирования сталетрубобетонной арки
Пример конкретной реализации
Район строительства г. Пенза.
Определим экономический эффект, сравнив типовую двухскатную двутавровую в сечении железобетонную балку (фиг.4, фиг.5) покрытия пролетом ℓ=18 м [10, с.485-486] с разработанной сталетрубобетонной аркой.
Марка 1Б4Э-18-1 [10, с.485-486]. Масса балки 9100 кг. Расход стали 476 кг.
в
2
3
Марка бетона В25 (М300). Расчетное сопротивление R=14,5 МПа (148 кг/см). Расход бетона 3,64 м.
2
2
Двухскатная балка аналога запроектирована с учетом опирания на колонны и рассчитана на нагрузку до q=55 гН/см (q=550 кгс/м).
y
y
Балка армирована стержнями из стали A-IV (R=815 МПа) и А-III (R=365 МПа), подвергнутыми упрочнению вытяжкой (ГОСТ 5781-61). В скобках указаны расчетные сопротивления.
Выполним расчет стелетрубобетонной арки (фиг.1) с одной опорой - шарнирно-неподвижной и другой - шарнирно-подвижной, пролет конструкции ℓ=18 м.
Расчетную постоянную плюс снеговую нагрузку на единицу площади примем, как у аналога [10, с.485-486]. Нагрузка равномерно распределенная, так как фонарная конструкция отсутствует. Систему покрытия принимаем с прогонами, уложенными по узлам. Шаг колонн в продольном направлении цеха - 6 м. Прогоны стальные из прокатных двутавров или швеллеров стали ВСт3Сп5 ГОСТ27772-88. Шаг прогонов равен шагу узлов (3 м). По прогонам уложены “сэндвич” панели, утепленные негорючим утеплителем (базальтовая шлаковата).
Вычисляем максимальное усилие в затяжке и распор в ключевой точке от суммарной нагрузки.
2
2
q+s=550 кгс/м=55 гН/м.
2
2
В настоящее время по действующим нормам [16] снеговая нагрузка расчетная для г. Пенза на единицу площади s=180 кгс/м≈18 гН/м.
2
Если оставлять суммарную нагрузку без изменения, то постоянную нагрузку следует принять не боле q=55-18=37 гН/м. Шаг ригелей примем 6 м. Тогда линейная нагрузка суммарная Σ(q+s)=55×6=330 гН/м.
Линейная нагрузка постоянная q=37×6=222 гН/м,
более точно q=2220×9,81=21780 Н/м=217,8 гН/м.
Линейная нагрузка снеговая s=18×6=108 гН/м.
Расчет на линейную, суммарную нагрузка Σ(q+s)=55×6=330 гН/м,
Σ(q+s)=330×9,81=323,73 гН/м.
Максимальный изгибающий момент в середине пролета арки по аналогии с балкой
;
Строительный подъем арки f=2,5, м=250 см.
Расчетное растягивающее усилие в затяжке, равное по модулю максимальному сжимающему усилию в ключевой точке арки
.
Условие достаточной прочности затяжки
y
Требуемая площадь сечения затяжки из малоуглеродистой стали ВСт3сп5, Гост 27772-88. R=230 МПа [10].
2
x
Назначаем затяжку из трубы ⌀159Х5 мм, A=24,2 см, i=5,45 [11].
i=5.46 ГОСТ 8732-70*, Масса 18,99 кг/м,
x
y
4
J=J=718,8 см.
Вычисляем изгибающий момент в балке при шаге ригелей 6 м от постоянной линейной нагрузки по всему пролету (фиг.8).
2
2
Постоянная и снеговая нагрузка Σq+S=550 кгс/м=55 гН/м,
постоянная q=55-18=37 гН/м,
постоянная на единицу длины при шаге арок 6 м
q=37·6=222 гН/м,
q=222·9,81=217,8 гН/м (более точно).
Изгибающий момент в балке при шаге ригелей 6 м от постоянной линейной нагрузки q=217,8 гН/м
Изгибающий момент в арке от постоянной линейной нагрузки q=217,8 гН/м не возникает [12].
Расстояние от оси затяжки до оси арки в четверти пролета х=1/4
Согласно справочнику [12, с.501]
Нормальная сила в сечении арки
x=L/4
x
зат
0
N=Q ·sinα+N·cosα
Определяем угол наклона касательной к оси арки параболического очертания
α=18,435°
Поперечная сила около опоры
Поперечная сила в четверти пролета
Нормальная сила в четверти пролета арки
x=1/4
N=979,9·sin 18,435°+5244,4·cos 18,435°=5285,15 гН
Проверка эксцентриситета от односторонней снеговой нагрузки
Односторонняя снеговая нагрузка на половине пролета слева (фиг.9)
Собираем нагрузку с половины пролета и заменяем распределенную нагрузку сосредоточенной силой, приложенной в четверти пролета.
2
2
Снеговая нагрузка 1,8 кН/м=18 гН/м
2
линейная снеговая нагрузка на единицу длины ригеля при шаге арок 6 м S=18 гН/м·6 м=98 гН/м
Опорные реакции
лев
R=3/4 N=3/4·882 гН=661,5 гН
пр
R=1/4 N=1/4·882 гН=220,5 гН
Момент в четверти пролета от односторонней снеговой нагрузки
снег
М=1984,5 гНм
Момент в середине пролета
Максимальный изгибающий момент в арке от снеговой линейной нагрузки q=98 гН/м не возникает в четверти пролета
Усилие в затяжке в четверти пролета
Усилие в затяжке в середине пролета
Нормальная сила в любом сечении арки
снег
x
зат
0
N=Q ·sinα+N·cosα
Нормальная сила в сечении арки в четверти пролета
снег
N=661,5·sin 18,435°+882·cos 18,435°=1045,92 гН
Суммарная нормальная сила при действии постоянной и снеговой нагрузки на половине пролета арки
x=l/4
const
снег
ΣN=N+N=5285,15+1045,92=6331,1 гН
Проверка эксцентриситета
сеч
e>h/2
Эксцентриситет не вышел за грань сечения, т.е. все сечение сжато.
Проверка прочности при изгибе (фиг.2, б) в четверти пролета
4
2
180·180·4, I=1389 см, A=27,5 см
x
x
y
2
4
⌀159·5 i=5,45 A=24,2 см I=I=718,8 см
Второстепенный момент инерции относительно оси х
Главный момент инерции относительно оси х
x
2
4
J=42204.4-50,6·2,45=41900,7 см
Момент сопротивления на нижней границе сечения
Напряжения на нижней границе сечения
Прочность при изгибе достаточна.
Координаты узлов
Пролет l=18 м
Стрела подъема f=3 м
Длина панели 2,25 м
Уклон x/l=2,25/18=1/8
x/l
1/8
2/8
3/8
4/8
y
1,3125
2,25
2,8125
3
Масса сталетрубобетонной арки 1150 кг.
Масса железобетонной балки 9100 кг.
Использование данного изобретения позволяет значительно уменьшить массу конструкции по сравнению с аналогом - железобетонной балкой, упростить изготовление конструкции, повысить надежность, упростить крепление прогонов.
Список литературы
1. Железобетонные и каменные конструкции: Учебник для строительных специальностей вузов / В.М. Бондаренко, В.Г. Назаренко, В.И. Римшин; под редакцией В.М. Бондаренко. - М.: Высш. шк., 2007, 887 с; ил.
2. Железобетонные конструкции. Общий курс / В.Н. Байков, Э.Е. Сигалов - Стройиздат, М., 1991, с.767 с.
3. Металлические конструкции [Текст]: учеб. / Е.И. Беленя, В.А. Балдин, Г.С. Венедиктов и др.; под общей ред. Е.И. Беленя. - 6-е изд. - М.: Стройиздат, 1986. 560 с.
4. Нежданов К.К., Туманов В.А., Нежданов А.К. Способ усиления железобетонной колонны, утратившей несущую способность. Патент России №2274719. М., Кл. E04G 23/ 02. Заявка №2004116028 от 2004.02.19. Бюл. №11. Опубликовано 20.04.2006. Трубобетонная. Прототип.
5. Нежданов К.К., Карев М.А., Нежданов А.К., Щипалкин А.А. “Рама двухпролетного здания”. Патент России №2319817. Е04С 3/38 (2006.01). Заявка на изобретение №2005 116385/03 (018711). Бюл. №8. Опубликовано 20.03.2008. Трубобетонная.
6. Нежданов К.К., Туманов В.А., Рубликов С.Г., Нежданов А.К. Способ повышения несущей способности цилиндрической трубы на изгиб. Патент России №2304479. Бюл. №23. Опубликовано 20.08.2007. Овал.
7. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Куничкин. Способ исключения возможности обрушения металлических конструкций каркаса от пожара Патент России RU №2411330. С1. Заявка №2009 117090/03.
8. Нежданов К.К., Артюшин Д.В. Способ проката горячекатаной арматуры периодического профиля. Заявка №2009 136726 от 07.10.2009. E02D 27/50, Е04В 1/38.
9. Абаринов А.А. и др. Технология изготовления стальных конструкций. Госстройиздат, 1963. - 307 с.
10. Справочник инженера-строителя. Том 1 (1-й полутом). Под редакцией И.А. Онуфриева и А.С. Данилевского. М 1968.
11. Справочник конструктора строительных сварных конструкций. М.М. Сахновский. Издательство “ПРОМШЬ” 1975. Днепропетровск.
12. Справочник проектировщика расчетно-теоретический. Под редакцией А.А. Уманского. Книга 1. Стройиздат 1972.
13. Большой энциклопедический словарь. (БЭС). Главный редактор A.M. Прохоров. НАУЧНОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО «БОЛЬШАЯ РОССИЙСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ» М. 1998. С.1456.
14. Нежданов К.К, Туманов В.А. Нежданов А.К Анкерное устройство. Патент России №2228405. E02D 27/50, Е04В 1/38. Бюл №.13. Зарег. 10.05.2004.
15. Справочник по кранам: В 2т. T.I. Характеристики материалов и нагрузок. Основы расчета кранов, их приводов и металлических конструкций // В.И. Брауде, М.М. Гохберг, И.Е. Звягин и др.: Ред. М.М. Гохберг. - М.: Машиностроение, 1988 - 536 с.
16. СНиП Нагрузки и воздействия.