АРМАТУРНЫЙ СТЕРЖЕНЬ ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ
REINFORCING ROD OF ALTERNATE SECTION

Предложенное изобретение относится к области строительства. Более конкретной областью использования предложенного изобретения является производство строительных конструкционных материалов.
В промышленном и гражданском строительстве широко используются бетонные конструкции. В производстве строительных блоков и панелей бетонные конструкции армируются различными материалами (железобетон, фибробетон и т.п.). Для обеспечения надежного сцепления арматуры с бетоном поверхности армирующих стержней или арматурной проволоки сообщают профилированный вид. При любом виде периодичности профиля, в соответствии с действующими в настоящее время нормативными документами (ГОСТ 5781-82), арматурные стержни в любом поперечном сечении имеют постоянную площадь и характеризуются постоянством массы на единицу длины. Также известны другие способы увеличения надежности сцепления с бетоном поверхности стального арматурного стержня, например за счет использования концевого анкера: прямое окончание стержня с увеличенным поперечным сечением, например приварка концевого элемента к стержню и т.п. (Свод правил по проектированию и строительству. СП 52-101-2003. Москва. 2004. Раздел 8, Стандарт США ASTM A970).
В качестве ближайшего аналога предложенного технического решения выбрано техническое решение, описанное в опубликованной заявке патентного ведомства Японии JP 2001323958. В JP 2001323958 описан арматурный стержень переменного сечения, конструкция которого включает участки, поперечное сечение стержня на которых увеличено по сравнению с базовым сечением этого же стержня. Согласно JP 2001323958 конструкция стержня предусматривает наличие плавных переходов между участками с базовым и увеличенным поперечным сечением. Однако это местное увеличение поперечного сечения арматурного стержня не предназначено для формирования анкерующего участка арматурного стержня, и, кроме того, в местах увеличенного сечения поверхность стержня не является непосредственно контактирующей с бетоном. Местное увеличение сечения стержня обеспечивает достижение другой цели: удерживание в фиксированном положении специального элемента, надеваемого на арматурный стержень и играющего роль анкера. Выполненный таким образом анкер имеет вид крупной шайбы, наружная поверхность элемента контактирует с окружающим его бетоном, а внутренняя поверхность элемента имеет кольцевое углубление, в котором размещается вся зона арматурного стержня, имеющая увеличенное сечение.
То есть описанный в JP 2001323958 арматурный стержень предусматривает в качестве отдельной и обязательной составляющей использование отдельного элемента специальной формы, в которой размещается деформированный металл, причем формообразующий элемент имеет сквозное отверстие и надевается на стержень через обязательно свободный конец стержня. Также использование стержня известной конструкции невозможно для протяженных изделий непрямолинейного вида, например для арматурных стержней, свернутых при поставке в бухты, в бунты или в мотки. Также в известном арматурном стержне используется некоторый посторонний элемент, постоянно охватывающий стержень по периметру и обеспечивающий создание анкера после завершения технологических процедур. Этот элемент по завершении бетонных работ играет роль участка стержня с увеличенным диаметром, хотя не является непосредственным элементом стержня, не имеет химического состава, соответствующего составу стержня, и не образует со стержнем однородной структуры.
В условиях эксплуатации железобетонной конструкции профилированная поверхность арматурных стержней либо выполненные анкеры обеспечивают надежное сцепление арматуры с бетоном. Однако стальная поверхность, развитая по площади и сложная по форме (в результате периодичного профилирования), повышает интенсивность коррозии металла на поверхности арматурных стержней. Это проявляется особенно интенсивно при проникновении влаги внутрь строительной конструкции и при перепадах температур. Ребра и выступы на поверхности периодического профиля являются концентраторами напряжений при динамических нагрузках. Коррозия стали арматурных стержней и неравномерность напряженного состояния металла вызывают снижение или потерю контактного взаимодействия бетона и стальной поверхности армирующих стержней. Перечисленные выше негативные эффекты усиливаются при включении в конструкцию арматурного стержня дополнительных элементов, аналогичных используемому в JP 2001323958.
Задачей предложенного изобретения является создание такой конструкции арматурного стержня, которая могла бы обеспечить производство железобетонных строительных конструкций, работоспособных при значительных коррозионных повреждениях стального арматурного стержня и при местной или общей потере связи стали с бетоном.
Основной целью предложенного изобретения является создание конструкции такого арматурного стержня, который бы обеспечивал работоспособность железобетонных изделий в условиях развития реальных коррозионных повреждений поверхности арматурного стержня, в том числе при полной потере связи поверхности стального стержня с окружающим бетоном.
Также целью изобретения является создание реальных возможностей для максимального увеличения в строительстве объемов использования арматурной стали гладкого профиля взамен арматурной стали периодического профиля. Обе эти цели достигаются с использованием арматурного стержня, имеющего вдоль своей длины переменное поперечное сечение.
В результате будут повышены прочностные свойства и ресурс эксплуатации как арматурного стержня и отдельных строительных конструкций, при изготовлении которых будут использованы такие арматурные стержни, так и эксплуатационные характеристики возводимых зданий и сооружений. Кроме того, предложенное изобретение обеспечит возможность использования «индивидуального подхода» при проектировании блочных строительных конструкций, что особенно важно при проектировании и строительстве зданий и сооружений, к качеству которых предъявляются повышенные требования.
Технический результат, ожидаемый от использования предложенного технического решения, достигается тем, что предложен арматурный стержень переменного сечения, включающий участки стержня, поперечное сечение на которых увеличено по сравнению с базовым поперечным сечением, при наличии плавных переходов между участками с базовым и увеличенным поперечным сечением, также на каждом из участков стержня с увеличенным поперечным сечением структура материала стержня соответствует горячедеформированному состоянию.
В отличие от известных технических решений поперечное сечение стержня увеличено по сравнению с его базовым поперечным сечением, по меньшей мере, на трех участках, распределенных по длине стержня. При этом участки, на которых предусматривается увеличение поперечного сечения стержня, соответствуют положению напряженных зон строительной конструкции, оснащенной арматурными стержнями, и распределенных по всей длине стержня, с изменением их координат положения, длин и поперечных сечений по непериодическому закону. Поперечное сечение участков, расположенных по краям стержня, увеличено по сравнению с участками, расположенными между ними, не менее чем в три раза. В частных случаях реализации предложенного технического решения поверхность части стержня с базовым поперечным сечением выполнена гладкой или же с периодическим рифлением, кроме того, по всей длине стержня или же на отдельных выделенных участках может быть нанесено защитное покрытие.
В соответствии с изобретением на арматурном стержне по всей его длине формируются участки, поперечное сечение на которых увеличено по сравнению с поперечным сечением арматурного стержня, предусмотренным стандартными нормативными документами (т.е. по сравнению с базовым поперечным сечением) и расчетным значением для арматуры. Каждый из подобных участков характеризуется состоянием материала стержня, характерным для горячедеформированного состояния, и при этом не отличается по химическому составу от материала всего стержня, то есть на всей длине стержня, независимо от сечения, материал стержня будет иметь один и тот же состав (то есть для изготовления всего стержня будет использован один и тот же материал, сталь, титановый или иной сплав). Увеличение поперечного сечения, выполненное на любом из участков стержня, превышает указанные в нормативной документации допуски на исходный расчетный (базовый) диаметр стержня. На стержне предусматривается не менее трех участков с увеличенным поперечным сечением: например, два участка по концам арматурного стержня, либо на выбранном расстоянии от концов стержня, и участки между ними. При этом при формировании участков на каждом из них обеспечивается плавный переход от базового поперечного сечения к увеличенному.
В зависимости от вида стандартных арматурных стержней - заготовок арматурный стержень в своей базовой части будет либо выполнен гладким или будет иметь поверхность периодического профиля. Таким образом, в соответствии с изобретением увеличенное поперечное сечение на выбранных участках обеспечивает создание по длине стержня распределенной системы специальных зон, обладающих анкерующим эффектом в объеме бетона.
Участки арматурного стержня, обеспечивающие создание этого эффекта, оказываются «привязанными» к наиболее нагруженным зонам строительной конструкции исходя из следующих положений изобретения. Расположение по длине арматурного стержня специальных характерных участков, поперечное сечение на которых увеличено, соответствуют положению напряженных зон строительной конструкции. Геометрические параметры характерных участков на стержне: их протяженность и поперечные сечения задаются из конкретных условий эксплуатации, т.е. изменяются по непериодическому закону и не могут быть описаны какой-либо регулярной зависимостью. При этом стремятся, чтобы поперечное сечение участков, расположенных по краям стержня, было увеличено по сравнению с участками, расположенными между ними, не менее чем в три раза. В различных вариантах исполнения нового арматурного стержня базовая его поверхность может являться гладкой или иметь периодический профиль, либо с нанесением на поверхность стержня (полностью или на ее отдельные участки) защитного покрытия. Предпочтительным вариантом, выбираемым из технико-экономических соображений, является использование арматурного стержня с гладкой поверхностью.
Распределенные и «привязанные» к наиболее нагруженным зонам строительной конструкции анкерующие зоны, благодаря своему увеличенному поперечному сечению, фиксируются в забетонированном объеме строительной конструкции, чем обеспечивается сопротивление арматурного стержня сдвигу. Даже при возникновении ситуации потери контактного взаимодействия бетона со всей поверхностью стального арматурного стержня вдоль его образующей использование стержня предлагаемой конструкции не приводит к потере им несущей способности, поскольку основная часть нагрузок передается в осевом направлении, а существенно меньшая - через его протяженную поверхность. Благодаря увеличенному поперечному сечению положение арматурных стержней в строительной конструкции становится определенным и не зависящим от качества контакта бетона с материалом арматурного стержня. Наличие плавных переходов от базового поперечного сечения к увеличенному сечению предотвращает концентрацию напряжений на арматурном стержне. Изготовление арматурного стержня из одного материала исключит возникновение коррозии из-за разности электрохимических потенциалов. Таким образом, обеспечивается возможность длительной эксплуатации строительной конструкции в условиях воздействия коррозионной среды и избыточного нагружения.
Перед началом изготовления арматурного стержня выбираются места расположения участков, поперечное сечение на которых увеличено по сравнению с базовым поперечным сечением. Для этого выполняется предварительное моделирование строительной конструкции, при изготовлении которой будут использованы арматурные стержни, и при котором определяются места расположения напряженных участков. В соответствии с определенными местами расположения предполагаемых напряженных «ответственных» участков железобетонной конструкции на арматурных стержнях определяют места, на которых следует расположить участки с увеличенным поперечным сечением, а также выбирается порядок расположения арматурных стержней в строительной конструкции. При этом выбирается непериодический закон (нет математической зависимости, которая могла бы охарактеризовать изменение поперечного сечения стержня), по которому будут изменяться длина и поперечные сечения этих участков, то есть отсутствует связь геометрических характеристик формы стержня с технологией его изготовления. Например, выполняется моделирование железобетонных блоков (либо колец или других изделий), исходя из конкретных мест расположения каждого из блоков в строительной конструкции. Моделирование условий эксплуатации позволит спрогнозировать наиболее опасные места блока и соответственно определить места расположения анкерующих зон на арматурных стержнях.
Далее для локального увеличения поперечного сечения на выбранном участке стержня нагревают зону требуемой ширины (с использованием газопламенной горелки, прохождения электрического тока через стержень под воздействием тока магнитной индукции или иным способом) до состояния высокой пластичности материала изделия, с последующим выполнением местной деформации стержня в осевом направлении. Для этого участки, расположенные на некотором расстоянии от зоны нагрева, фиксируются зажимами для перемещения, и производится встречное осевое перемещение, деформирующее нагретые участки до состояния, когда их геометрические размеры будут соответствовать определенной выше зависимости. Поскольку при этом происходит изгиб образующей поверхности стержня, а физически имеет место выпучивание нагретого металла, то на стержне формируется участок с увеличенным поперечным сечением, в котором структура металла стержня соответствует горячедеформированному состоянию металла.
Регулируя режим нагрева и прилагаемые усилия, можно сформировать требуемую геометрическую форму участка с увеличенным поперечным сечением. Технологически могут регулироваться максимальные температуры металла в зоне нагрева, профиль температурного поля вдоль оси стержня, распределение источников тепла вдоль стержня, продолжительность выдержки между окончанием нагрева и началом осевой деформации, скорость нагрева стержня, скорость охлаждения стержня после осевой деформации, усилие и скорость приложения усилия осевой деформации. На деформированные участки может быть нанесено защитное покрытие, например цинковое покрытие. Перечисленные процедуры повторяются для каждого из выбранных участков изделия. Очевидно, что в составе арматурного стержня, изготовленного по описанной технологии, исключаются операции сварки и ковки, не будет сварных швов, литых элементов или участков, различающихся по химическому составу.
Арматурный стержень предложенной конструкции может использоваться при производстве любых строительных конструкций, выполняемых из железобетона либо фибробетона. Кроме того, при малых диаметрах, порядка 1 мм, такой стержень с произвольным расположением небольших участков увеличенного диаметра может использоваться в качестве длинномерного и непрерывного стального фибрового элемента для изготовления фибробетона.
Таким образом, в предложенной конструкции арматурного стержня положение и работоспособность самого стержня не будут зависеть от качества контакта бетона с материалом арматурного стержня. В результате будет продлен ресурс эксплуатации как отдельных строительных конструкций, так и возводимых зданий и сооружений. Также предложенное изобретение обеспечит возможность использования «индивидуального подхода» при проектировании блочных строительных конструкций, что особенно важно при проектировании и строительстве зданий и сооружений, к качеству которых предъявляются повышенные требования, например к сейсмостойким конструкциям. В итоге использование предложенного изобретения позволит во многих случаях отказаться от использования стальных арматурных стержней с периодическим профилем за счет использования арматурных стержней гладкого профиля, что в свою очередь позволит использовать при производстве арматурных стержней более дешевые прокатные валки и более экономичную технологию горячей прокатки гладкого профиля.