СПОСОБ ЖЕСТКОГО СОЕДИНЕНИЯ ОВАЛЬНОГО В СЕЧЕНИИ ТРУБЧАТОГО РИГЕЛЯ С ОВАЛЬНОЙ В СЕЧЕНИИ ТРУБОБЕТОННОЙ КОЛОННОЙ КАРКАСА
METHOD OF STIFF CONNECTION OF TUBULAR CROSSBAR OVAL IN SECTION WITH GUNCRETE CARCASS PILLAR OVAL IN SECTION

Предлагаемое изобретение относится к трубобетонным каркасам гражданских и производственных сооружений, а именно к долговечности и надежности сооружений.
Известны узлы соединения ригелей с колоннами, приведенные в учебнике, в которых колонна выполняется на несколько этажей, а ригели применяются разрезными [1, с.328, рис.117…рис.121, с.445, рис.163]. Аналогичные узлы приведены в [2, с.18, рис.1.4.]. Трудоемкость таких стыков высокая. Надежность стыков может быть повышена, а материалоемкость снижена.
Известны трубобетонные колонны, в которых стальная оболочка из трубы является обоймой и значительно упрочняет бетон, находящийся внутри нее в 1,92…1,5 раза [3, с.191, табл.8.3.]. Примем это техническое решение за аналог.
Известно также, что при трансформации цилиндрической трубы в овал с эллиптической поверхностью [4], или в овал с поверхностью, очерченной по квадратной параболе [5], причем отношение большего габарита по средней линии к меньшему габариту равно трем, превращает профиль, обладающий отличными характеристиками при его изгибе! Показатели оказываются даже лучшими, чем у двутаврового профиля! Примем упомянутые овальные в сечении профили за аналоги.
Известен также «Способ усиления железобетонной колонны, утратившей несущую способность» [6, №2274719], предложенный К.К.Неждановым и разработанный с аспирантами. Способ реализован на ТЭЦ-1, г.Пенза. Способ заключается в превращении обычной железобетонной колонны, получившей сильные повреждения в результате коррозии бетона и арматуры, в трубобетонную колонну. Способ позволяет не только полностью восстановить утраченную несущую способность, но и увеличишь ее в необходимое число раз. Примем это техническое решение за прототип.
Техническая задача изобретения - автоматизация процесса возведения каркаса сооружения, повышение технологичности процесса, снижение трудоемкости и повышение надежности соединения ригеля с колонной.
Техническая задача по способу автоматизация процесса жесткого соединения овального в сечении трубчатого ригеля с овальной в сечении трубобетонной колонной каркаса решена следующим образом.
Способ, автоматизирующий процесс возведения каркаса сооружения, заключается в следующем.
Изгибаемый ригель пропускают сквозь узел неделимым, целым, а оголовок нижней колонны выполняют лоткообразным, с продольными отогнутыми ребрами, копирующим и охватывающим поверхность овала снизу.
Ригель плотно вкладывают в оголовок колонны, совмещая фиксирующие штифты с ответными отверстиями в лотке оголовка, а базу верхней колонны выполняют подобно оголовку - лоткообразной и снабжают фиксирующими штифтами с ответными отверстиями в отгибах оголовка.
Безвыверочно монтируют верхнюю колонну, совмещая фиксаторы с ответными отверстиями, и образуют с лотком оголовка овальную трубчатую полость с габаритами 3/1 и плотно охватывают вложенный в полость овальный в сечении ригель с такими же габаритами 3/1.
Причем продольные ребра базы верхней колонны и оголовка нижней колонны соединяют друг с другом высокоресурсными соединениями, например высокопрочными легированными шпильками, гарантированно затягивают их гайковертом и образуют единый монолитный узел из колонн и ригеля.
На фиг.1 показан узел жесткого соединения овального в сечении трубчатого ригеля с овальной в сечении трубобетонной колонной каркаса. Причем бетон выполнен с применением расширяющегося цемента. Бетон нагнетают в колонну по патрубку в нижней части колонны способом «снизу-вверх». После схватывания бетона происходит его расширение, а стальная обойма препятствует этому расширению. Бетон оказывается всесторонне сжат, его прочность значительно возрастает (см. пример расчета) На фиг.2 - вид сбоку на фиг.1. На фиг.3 - вид А-А и вид Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - вид С-С на фиг.1. На фиг.5 - сечение главной балки; на фиг.6 - расчетная схема трехпролетного неразрезного ригеля; на фиг.7 - болтовое соединение трубобетонной колонны с двутавровым неразрезным ригелем; на фиг.8 - жесткое соединение трубобетонной колонны с овальным в сечении ригелем; на фиг.9 - расчетная схема центрально сжатой трубобетонной колонны; на фиг.10 - сечение стальной трубы ⌀480×6 мм; на фиг.11 - сечение стальной трубы ⌀480×5 мм; на фиг.12 - сечение трубобетонной колонны диаметром ⌀480 мм с центральным каналом в центре сечения колонны.
Изгибаемый ригель 1 пропускают сквозь узел неделимым, целым, а оголовок 2 нижней колонны 3 выполняют лоткообразным, с продольными отогнутыми ребрами 4, копирующим и охватывающим поверхность овала ригеля 1 снизу.
Ригель 1 ориентирован большим габаритом вертикально. Его плотно вкладывают в оголовок 2 колонны 3, совмещая фиксирующие штифты 5 с ответными отверстиями в лотке оголовка 2, а базу 6 верхней колонны 7 выполняют подобно оголовку - лоткообразной и снабжают фиксирующими штифтами 8, западающими в ответные отверстия в отгибах 4 оголовка 2.
Безвыверочно монтируют верхнюю 7 колонну, совмещая фиксирующие штифты 8 с ответными отверстиями, и образуют с лотком оголовка овальную трубчатую полость с габаритами 3/1 и плотно охватывают вложенный в полость овальный в сечении ригель 1 с такими же габаритами 3/1. Колонны нижняя 3 и верхняя 7 и ригель 1 ориентированы большими габаритами в плоскости рамы каркаса сооружения. Причем продольные ребра 4 базы верхней 7 колонны и оголовка 2 нижней 3 колонны соединяют друг с другом высокоресурсными соединениями, например высокопрочными легированными 9 шпильками (сталь 40Х «Селект»), гарантированно затягивают их гайки гайковертом и образуют единый монолитный узел из колонн 3, 7 и ригеля 1.
Стальная пластинка 10, на которую опирается второстепенная балка, пропущена сквозь овальный ригель и закреплена сваркой. 11 - второстепенная балка, 12 и 13 - накладки, перекрывающие верхний пояс второстепенной балки, 14 - высокопрочные легированные шпильки (сталь 40Х «Селект»).
При монтаже узла необходима установка специальных перегородок для того, чтобы при бетонировании колонны более высокого этажа бетон не заполнял ригель.
В теле колонны имеется канал. При возникновении пожара и повышении температуры датчик подает сигнал и автоматически включается подача воды по полости ригеля и каналу в колонне. Это позволяет не допустить разогрев стального каркаса до температуры, вызывающей снижение прочностных свойств стали.
Сопоставление с аналогом [3, с.191] показывает существенное отличие - обойма выполнена овальной в сечении с соотношением большего габарита к меньшему, равным трем. Узлы жесткого соединения ригеля с трубобетонной колонной не найдены. Узлы показаны в [1, с.328] и в [2, с.68] относятся к колоннам и ригеля, армированным стержневой арматурой. Трудоемкость возведения сооружения с такими конструктивными решениями узлов высокая.
Экономический эффект достигнут за счет снижения трудоемкости изготовления и безвыверочного монтажа элементов рамы. Высокоресурсные болтовые соединения обеспечивают быстрый автоматизированный монтаж конструкций при любых погодных условиях. Выполнение ригеля цельным обеспечивает высокую надежность узлового соединения и позволят достигнуть значительного снижения материалоемкости.
Выполнение трубобетонной колонны и ригеля из овальных профилей с относительной высотой сечения 3/1 также обеспечивает снижение материалоемкости.
ПРИМЕР КОНКРЕТНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ
Необходимо сравнить новое решение узла сопряжения с уже известными техническими решениями. Для сравнения возьмем узел сопряжения неразрезного ригеля из прокатного широкополочного двутавра с трубобетонной колонной каркаса.
РИГЕЛЬ
6
2
2
2
2
Расчет ригеля производим в соответствии с требованиями СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия». Напряжения в этом СНиП даны в МПа (мегапаскалях), поэтому для удобства будем измерять действующие силы в гН (гектоньютонах). Тогда 1 МПа=10 Н/м=1 Н/мм=100 Н/см=1 гН/см.
y
cp
y
Материал балки сталь - С255 ГОСТ 27772-88 (В Ст3 сп5) с расчетными сопротивлениями: при изгибе R=230 МПа, при срезе R=0,58·R=133,4 МПа.
Расчет производился в расчетном комплексе SCAD. В результате получились следующие внутренние усилия:
max
оп
M=M=8863,1 гНм
max
Q=5174,6 гН
тр
max
3
M =3833,5 см ⇒ по сортаменту подбираем двутавр 50Ш4
ф
3
W=3838 см, m=173,38 кг.
Сечение главной балки представлено на фиг.5.
Ригель будет состоять из трех составных балок прокатного профиля, сечением I 50Ш4. Стыки балок будут находиться в местах, где момент равен нулю . Схема трехпролетного неразрезного ригеля показана на фиг.6.
тр
ф
max
3
3
Для сравнения подбираем по сортаменту овальный профиль W =3833,5 см ⇒ W=4074,7 см, m=140,3 кг.
Болтовое соединение трубобетонной колонны с двутавровым неразрезным ригелем показано на фиг.7, жесткое соединение трубобетонной колонны с овальным в сечении ригелем на фиг.8.
Спецификация двутаврового ригеля
Сечение
Длина, мм
Количество
Масса
Примечание
ед.
всего
Двутавр 50Ш4
10000
2
1733,8
3467,6
Двутарв 50Ш4
4500
1
780,21
780,21
Сумма
4247,81
Спецификация овального ригеля
Сечение
Длина, мм
Количество
Масса
Примечание
ед.
всего
Овал h=123 см
10000
2
1403
2806
Овал h=123 см
4500
1
631,35
631,35
Сумма
3437,35
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРУБОБЕТОННОЙ КОЛОННЫ
Расчет круглой в сечении трубобетонной колонны аналогичен расчету овальной трубобетонной колонны. Рассчитаем круглую трубобетонную колонну.
ef
n
Исходные данные: N=15770 гН; l=4.8 м; R=240 МПа; γ=0,95; λ=40. Задаемся φ=0,8,γ=1
N - сжимающая сила;
ef
l - расчетная длина колонны;
φ - коэффициент продольного изгиба;
γ - коэффициент условий работы,
λ - гибкость ,
i - радиус инерции сечения.
Расчетная схема центрально сжатой колонны с шарнирно опертыми концами показана на фиг.9.
Так как эксцентриситет равен нулю, эффект максимален. Находим требуемую площадь сечения стальной трубы из условия ее устойчивости
Задаемся толщиной стенки t=0.6 см. Находим диаметр стальной трубы:
А=π·d·t;
н
По сортаменту принимаем стандартную круглую трубу круглую D=480 мм,
2
x
y
толщина стенки t=6 мм; A - площадь поперечного сечения A=74,6 см; i=i=16,8 см (см. фиг.10).
ф
ф
2
A - фактическая площадь сечения А=π·d·t=3,14·47,5·0,6=90,3 см
гибкость колонны
приведенная гибкость
коэффициент продольного изгиба
Проверяем устойчивость
Устойчивость обеспечена с запасом.
Избыточный запас, необходимо откорректировать сечение.
н
х
y
2
Корректируем сечение. По сортаменту принимаем трубу круглую D=480 мм, толщина стенки t=5 мм; А=74,6 см; i=i=14,9 см (см. фиг.11)
Проверяем устойчивость
Устойчивость обеспечена.
тр
y
Несущая способность равна: F=γ·φ·R·A=1·0,924·74,6=16543,3 гН>15770 гН
Площадь бетона на расширяющемся цементе (заполнение плотное полное).
Сечение колонны показано на фиг.12.
б
k=1,92 (М200) - коэффициент, учитывающий увеличение прочности бетона при обжатии его обоймой; [3, с. 191]
y
R=240 МПа;
bn
R=11.28 МПа;
λ=32,21;
тр
2
А=74,6 см;
;
;
Приведенная гибкость:
φ=0,654
Несущая способность трубобетонной колонны:
трубоб
б
bn
б
тр
F=(А·R·k+А·R)·φ
трубоб
F=(1734,9·11,28·1,92+74,6·240)·0,654=(37573,77+17904)·0,654=36282,5 гН
Несущая способность стальной трубы:
y
F=γ·φ·R·A=1·0.924·240·74,6=16543,3 гН>15770 гН
При заполнении трубы бетоном произошло значительное увеличение несущей способности
Следовательно, трубобетонные колонны необходимо более широко применять при проектировании каркасов зданий.
Список литературы
1. Железобетонные и каменные конструкции: Учебник для строительных специальностей вузов / В.М.Бондаренко, P.O.Бакиров, В.Г.Назаренко, В.И.Римшин; Под ред. В.М.Бондаренко, - 4-е изд., доп. - М.: Высш. шк., 2007, - 887 с.
2. Кудзис А.П. Железобетонные и каменные конструкции: Учебник для строительных специальностей вузов. В 2-х частях. Ч.2. Конструкции промышленных и гражданских зданий и сооружений. - М.: Высш. шк., 1989, - 264 с.
3. Металлические конструкции. Общий курс: учебник для студ. высш. учебн. заведений / [Е.И.Беленя, В.А.Балдин, Г.С.Ведеников и др.]; под общ. ред. Е.И.Беленя. - 6-е изд. М.: Стройиздат, 1986, - 560 с. (Аналог).
4. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Туманов В.А., Карев М.А. Рельсобалочная конструкция. Патент России №2192381. М. кл. B66C 6/00, 7/08. Бюл №.31. Зарег. 10.11.2002 (Аналог).
5. 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 (Аналог).
6. Нежданов К.К., Туманов В.А., Нежданов А.К. Способ усиления железобетонной колонны, утратившей несущую способность. Патент России №2274719. Бюл. №11. Опубликовано 20.04.2006 (Прототип).