СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
METHOD FOR CONSTRUCTION OF BUILDING STRUCTURES

Изобретение относится к области строительства, зданий и сооружений из готовых элементов с заранее заданным размером. Изобретение может быть использовано в различных отраслях промышленности, где необходимо строительство зданий и сооружений из готовых элементов и системы соединения, не требующей «мокрых» процессов со строительными растворами.
В уровне техники широко распространены методы строительства с использованием арматуры и отдельных блоков: арматуру выполняют либо в виде длинных арматурных стержней, либо в виде длинных стальных прутков, размещенных в полостях. Предварительное напряжение с натяжением на арматуру используется только с полной блочной кладкой совместно со строительным раствором между каждым рядом. Для специализированных блочных систем с прутками и пластинами требуется сложная конструкция и квалифицированный труд.
Поскольку в конструкциях с каменной кладкой используют строительный раствор, поэтому для нее требуются несколько условий. Во-первых, для строительного раствора нужна вода. Во-вторых, в большинстве случаев, для кладки блоков требуется квалифицированный каменщик. В-третьих, обычно нужна электроэнергия для перемешивания строительного раствора. В-четвертых, необходимо тщательное раскрепление связями и армированием, пока строительный раствор не затвердеет, и не будет иметь свою заданную прочность. Вся эта конструкция «хрупкая» в отношении ветра, значительных температур и др. естественных погодных и окружающих условий. В течение этого времени пользоваться этой конструкцией не рекомендуется.
Из уровня техники (патент US6088987A, опуб., 18.07.2000) известен способ возведения строительных конструкций, заключающийся в том, что используют готовые элементы, а именно, строительные блоки со сквозными отверстиями, арматурные стержни с резьбовыми концевыми участками, которые располагают в указанных сквозных отверстиях блоков, центрирующие элементы для центровки блоков и стяжные гайки, которые располагают, по меньшей мере, на одном из резьбовых концов арматурных стержней, с помощью которых стягивают блоки между собой, при этом размещают блоки в заданной последовательности с обеспечением центровки между ними с помощью центрирующих элементов и стягивают блоки с помощью стяжных гаек. Центрирующие элементы выполняют заодно с блоком в виде выступов и выемок. Боковые концы модулей находятся на одном уровне с боковыми концами соседних модулей. Модули представляют собой: цементирующую смесь из заполнителя низкой плотности; и/или имеют полое пространство, простирающееся от выемки (паза) до выемки (шипа) и включают в себя структурный опорный элемент, проходящий через полое пространство, и фиксатор сжатия, прикрепляющий структурный опорный элемент к модулям. Модули предпочтительно герметично соединяются друг с другом с помощью герметика, помещенного в канавки.
К недостаткам относится: наличие уникальных стартовых и конечных блоков, для установки на них специальных стартовых и завершающих элементов армирования, невозможность выполнять последовательное соединение элементов сборки армирующих элементов как в вертикальном, так и горизонтальном направлении, причем каждый сборочный элемент армирования позволяет зафиксировать текущую сборочную единицу, и в виду отсутствия стартовых и замыкающих элементов, продолжать и завершать сборку армирования на любом армирующем стержне сборки.
Технической проблемой является устранение отмеченных недостатков.
Технический результат заключается в увеличении конструкционной прочности конструкции, повышения трещиностойкости, уменьшении объёма материала при реализации разработанного способа возведения строительной конструкции.
Проблема решается, а  технический результат достигается тем, что способ возведения строительных конструкций, заключается в том, что используют готовые элементы, с заранее установленным размерами, а именно, строительные блоки со сквозными отверстиями, арматурные стержни с резьбовыми концевыми участками, которые располагают в указанных сквозных отверстиях блоков, для центровки блоков используют центрирующие вставки и стяжные гайки-втулки, которые устанавливают, по меньшей мере, на одном из резьбовых концов арматурных стержней, с помощью которых стягивают блоки между собой, при этом размещают блоки в заданной последовательности с обеспечением центровки между ними с помощью центрирующих вставок и стягивают блоки с помощью стяжных гаек-втулок, при этом, согласно изобретению, сборку строительной конструкции выполняют последовательно, притягивая стяжной гайкой-втулкой установленной на арматурном стержне к уже установленному блоку каждый последующий блок, при этом центрирующую вставку выполняют в виде отдельной кольцевой  вставки со сквозным отверстием и двумя противоположными выступами, имеющими центрирующие поверхности, контактирующими в собранной конструкции с ответными центрирующими выемками с центрирующими поверхностями в блоках, расположенными соосно со сквозными отверстиями блоков для арматурных стержней, при этом центрирующий элемент размещают между соединяемыми блоками с возможностью контактирования его противоположных центрирующих поверхностей с соответствующими центрирующими поверхностями выемок обоих соединяемых блоков, перед стягиванием соединяемых блоков центрирующую вставку устанавливают вокруг резьбового конца арматурного стержня, и завинчивают  стяжную гайку-втулку, после чего свободный конец арматурного стержня вставляют в канал соединяемого блока так, что сопрягается центрирующая поверхность ее выступа с центрирующей поверхностью выемки притягиваемого блока, при стяжке блоков стяжной гайкой-втулкой прижимают центрирующую вставку к блоку, а центрирующую выемку последующего соединяемого блока устанавливают на центрирующую поверхность выступа уже притянутой центрирующей вставки, причем стяжную гайку-втулку выполняют в виде резьбовой муфты, в которую вворачивают последующий арматурный стержень, на который заводят соответствующим отверстием последующий строительный блок,  при этом отверстия в блоках выполняют под арматурные стержни.
В блоках выполняют по меньше мере одно отверстие под арматурные стержни, например, в направлении X, для формирования армирования в одном направлении, и по меньшей мере два отверстия, для формирования армирования сразу в двух направлениях, например, X и Y, и по меньшей мере   три отверстия при формировании армирования одновременно в трех направлениях, а именно X, Y, Z
Технический результат достигается также тем, что строительные блоки могут быть выполнены в виде параллепипеда, куба, тетраэдра, октаэдра, додекаэдра, призмы, пирамиды, цилиндра или форма которого содержит множества многогранников, в том числе параллепипеда, куба, тетраэдра, октаэдра, додекаэдра, призмы, пирамиды, или их комбинации, соединенных между собой с образованием многогранного элемента сложной геометрии, при этом хотя бы один блок содержит по меньшей мере две поверхности,  расположенные на двух противоположных сторонах блока.
Технический результат достигается также тем, что кольцевую вставку могут выполнять чашеобразной формы, у которой отверстие с одной ее стороны имеет больший диаметр, чем с противоположной ее стороны.
Технический результат также достигается тем, что стяжную гайку-втулку могут выполнять заодно с кольцевой вставкой.
Технический результат также достигается тем, что стяжную гайку-втулку могут снабжать средством ограничения момента ее затяжки при сборке конструкции.
В заявленном изобретении используется принцип преднапряжения армирования, преимуществами которого перед обычными непреднаряженными конструкциями – это, прежде всего, его высокая трещиностойкость; повышенная жесткость конструкции – конструкционная прочность (за счет обратного выгиба, получаемого при обжатии конструкции); лучшее сопротивление динамическим нагрузкам; а также определенный экономический эффект, достигаемый применением высокопрочной арматуры. К примеру, предварительно напряженной балке под нагрузкой бетон испытывает растягивающие напряжения только после погашения начальных сжимающих напряжений.
Из общего уровня техники (Инженерно-строительный журнал, №3, 2010, Безригельный предварительно напряженный каркас с плоским перекрытием, Магистр И.О. Погребной; профессор В.Д. Кузнецов, ГОУ Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, https://engstroy.spbstu.ru/userfiles/files/2010/3(13)/pogrebnoy_prednapryazheniye.pdf) известно, что трещиностойкость преднапряженных конструкций в 2 – 3 раза больше трещиностойкости железобетонных конструкций без предварительного напряжения. Это обусловлено тем, что предварительное обжатие арматурой бетона, значительно превосходит предельную деформацию натяжения бетона. В таких конструкциях уменьшаются размеры поперечного сечения, следовательно, сокращаются объем и вес комплектующих элементов (на 20 – 30%), а также расход цемента. Более рациональное использование свойств стали позволяет сокращать расход арматуры (стержневой и проволочной) до 50%, особенно из высокопрочных марок (A-IV и выше), имеющих значительный предел прочности.
Причина же образования трещин в обычном железобетоне кроется в малой растяжимости бетона. Первые трещины в бетоне появляются уже при удлинении 0,1—0,15 мм/м, тогда как растянутая арматура при эксплуатационной нагрузке (например, при 1250 кг/см²) получает удлинение в 4—6 раз большее, т. е. при эксплуатационной нагрузке всегда в растянутой зоне бетона имеются волосные трещины (невидимые).
Вследствие малой растяжимости бетона нерационально применять высокопрочную сталь в обычных железобетонных конструкциях, работающих на изгиб; при почти одинаковой величине модуля упругости для разных сталей из условия, что если при обычной мягкой стали в бетоне наблюдаются волосные трещины, то при арматуре из высокопрочной (твердой) стали (Ra — 15 000 - 20 000 кг/см²) получаются недопустимые трещины.
Предварительное же напряжение армирования конструкции характеризуют гарантированную безопасность против преждевременного образования трещин; трещиностойкость предварительно напряженных конcтрукций - это главнейшее преимущество их перед обычными железобетонными конструкциями, возможность рационального использования высокой прочности стали и бетона и, как следствие, экономия металла (до 40—50%) и облегчение конструкций; уменьшение веса элементов (до 30%) существенно смягчает еще один недостаток обычного железобетона его большой собственный вес.
Технический результат обеспечивается за счет того, что нет специализированных элементов, каждый сборочный элемент может быть стартовым и конечным, нет необходимости в специальных стартовых и оконечных армирующих элементах, обеспечение конструкционной прочности, превышающей прочность каменной кладки, т.к. прочности при сжатии, например, кирпичной кладки, выполненной даже на весьма прочном растворе, при обычных методах возведения составляет не более 40—50%, от предела прочности кирпича, в отличии от безрастворного соединения, где нет снижения прочности на сжатие, при этом поверхности кирпича и шва кладки не идеально плоские и гладкие. Поэтому каждый кирпич опирается на раствор лишь отдельными площадками, между которыми имеются участки с воздушными прослойками, кроме того, и плотность, и толщина слоя раствора в горизонтальных швах не везде одинаковы, вследствие этих причин давление в кладке неравномерно распределяется по поверхности кирпича, а сосредоточивается на отдельных участках и вызывает в нем, кроме напряжений сжатия, напряжения изгиба и среза. Каменные материалы обладают слабым сопротивлением изгибу, так, например, кирпич имеет в 4—б раз меньший предел прочности при изгибе, чем при сжатии. Этим и обусловливается значительное снижение прочности кладки по сравнению с прочностью составляющих ее материалов. В описываемое изобретении напряжение среза воспринимают центрирующие вставки, установленные в выемки между соединяемыми блоками, а сопротивление растяжению воспринимает армирующая система.
Готовые элементы выполняются с заранее установленным размерами: выбирается значение размера, которое именуется «шагом построения». Согласно данному шагу построения, размер любого блока (длина, ширина или высота), в зависимости от того в каком направлении выполняется армирование, длина арматурного стержня, всегда равна или кратна шагу построения. К примеру, не нужно каждый раз для каждой детали подбирать длину арматурного стержня. Он выбирается из заранее заданного набора размеров, который равен или кратен шагу построения. Так для примера, выбранный шаг построения равен 100 мм, тогда как длина блока может быть равна 100 мм или больше шага построения в 2 раза и быть равна 200 мм, соответственно арматурный стержень выполняется равным шагу построения и равен 100 мм, и подходит для соединения блоков длиной 100 мм, а также 200 мм и подходит для соединения блоков длиной как 100 мм, так и 200 мм. Это позволяет создать конечную номенклатуру блоков и армирующих элементов, что не допускает ситуаций с подбором объектов соединения «уникальной» или нестандартной длины, позволяет легче ориентироваться в номенклатуре типоразмерных рядов объектов.
Изобретение поясняется при помощи чертежей.
На фиг. 1 показан общий внешний вид предпочтительного варианта реализации изобретения. Показан пример конструкции, состоящий из блоков, установленных армирующих элементов, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении;
На фиг. 2 – общий внешний вид предпочтительного варианта реализации изобретения. Показан пример конструкции с установленными армирующими элементами, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении;
На фиг. 3 – общий внешний вид предпочтительного варианта реализации блока с разрезом ¼;
На фиг. 4 – общий внешний вид предпочтительного варианта реализации изобретения. Показан пример армирующей структуры;
На фиг. 5 – общий внешний вид предпочтительного варианта реализации изобретения. Показан пример сборки конструкции армирования в одном направлении;
На фиг. 6 – общий внешний вид предпочтительного варианта реализации изобретения. Показан пример сборки конструкции армирования. На изображении показаны армирующие стержни, вкрученные в гайку-втулку 5, выполненную в виде резьбовой муфты;
На фиг. 7 – общий внешний вид предпочтительного варианта реализации изобретения. Показан пример сборки конструкции армирования;
На фиг. 8 – общий внешний вид предпочтительного варианта реализации изобретения. Показан пример сборки конструкции армирования в разрезе.
Описываемый способ реализуется с помощью следующих элементов. На чертежах показаны: строительные блоки 1 со сквозными отверстиями 2, арматурные стержни 3 с резьбовыми концевыми участками 4, которые располагают в указанных сквозных отверстиях 2 блоков 1. Стяжные гайки-втулки 5, центрирующая вставка, выполненная в виде отдельной кольцевой  вставки 6 со сквозным отверстием 7 и двумя противоположными выступами 8, имеющими центрирующие поверхности, контактирующими в собранной конструкции с ответными центрирующими выемками 9 с центрирующими поверхностями в блоках 1 и расположенными соосно со сквозными отверстиями 2 блоков 1. Центрирующую  вставку 6 размещают между соединяемыми блоками 1 с возможностью контактирования его противоположных центрирующих поверхностей с соответствующими центрирующими поверхностями выемок 9 обоих соединяемых блоков 1. Перед стягиванием соединяемых блоков 1 центрирующую вставку 6 устанавливают вокруг резьбового конца 4 арматурного стержня 3, сопрягая центрирующую поверхность ее выступа 8 с центрирующей поверхностью выемки 9 притягиваемого блока 1. При стяжке блоков 1 стяжной гайкой-втулкой 5 прижимают центрирующую вставку 6 к блоку 1, а центрирующую выемку 9 последующего соединяемого блока 1 устанавливают на центрирующую поверхность выступа 8 уже притянутой центрирующей вставки 6. Стяжную гайку-втулку 5 выполняют в виде резьбовой муфты, в которую вворачивают последующий арматурный стержень 3, на который заводят соответствующим отверстием 2 последующий строительный блок 1.
Вставку 6 выполняют чашеобразной формы, у которой отверстие с одной ее стороны имеет больший диаметр, чем с противоположной ее стороны. При этом стяжную гайку-втулку 5 могут выполнять заодно с вставкой 6.
Стяжную гайку-втулку 5 могут снабжать, например, встроенным в нее средством (на чертежах не показано) ограничения момента ее затяжки при сборке конструкции.
Сборка осуществляется следующим образом:
Устанавливают первый ряд блоков 1 основания отдельно стоящей конструкции или фундамента здания и сооружения, при этом в одном из направлений XYZ, устанавливаются в отверстие 2 первого блока 1 сборки армирующий стержень 3, после чего с обеих сторон отверстия 2 на армирующий стержень 3 надеваются центрирующие вставки 6, которые размещаются в выемках 9 на противоположных гранях блока 1 или объекта, таким образом, чтобы стяжные гайки-втулки 5, которые накручиваются на концевые резьбовые участки 4 армирующего стержня 3, размещались в отверстиях центрирующей вставки 6, диаметр которых больше или равен диметру данной втулки. Если необходимо выполнить последующею сборку относительно установленного блока 1 более чем в одном из направлении XYZ, то в первый блок 1 дополнительно монтируются армирующие стержни 3 в требуемых направлениях, после чего с обеих сторон отверстия 2 на армирующие стержни 3 надеваются центрирующие вставки 6, которые размещается в выемке 9 на противоположных гранях блока 1 или объекта относительно стрежней 3, таким образом, чтобы стяжные гайки-втулки 5, которые накручиваются на концы армирующего стержня 3, размещались в отверстиях центрирующей вставки 6. Отверстия 2 при этом выполняются скрещивающимися, то есть пересекающимися в параллельных плоскостях, обеспечивая свободный проход стержней 3 в различных направлениях.
Затем, к первому блоку 1 устанавливают следующий блок 1 и при установке совмещают боковую грань каждого последующего блока 1 в ряду с боковой гранью предыдущего блока 1, при этом выемки 9 устанавливаемого блока 1 размещают на центрирующих поверхностях выступов 8 предыдущего установленного в ряду блока 1 без зазора с соблюдением одинаковой ориентации верхнего и нижнего оснований устанавливаемого блока с ориентацией таких же оснований установленных блоков.
Далее, в сквозное отверстие 2 вновь установленного блока 1 монтируется свободным концом, армирующий стержень 3 с центрирующей вставкой 6 и закрученной стяжной гайкой-втулкой 5 на другом конце и закручивается в ранее установленную стяжную гайку-втулку 5 первого блока 1 до достижения требуемого усилия. При этом, последующая сборка для данного направления повторяется, совмещают боковую грань каждого последующего блока 1 в ряду с боковой гранью предыдущего блока 1, и монтируются  армирующие стержни 3, которыми соединяются с ранее установленными армирующими стержнями 3, размещенными также внутри сквозного отверстия 2 блока 1 на концах через соединительную стяжную гайку-втулку 5 таким образом, чтобы все элементы армирования, соединенные вместе, образовывали напряженную арматурную систему, в которой армирующие стержни 3 испытывают растягивающее напряжение, а центрирующие вставки 6 передают стягивающее усилие на центрирующие поверхности блока 1.
Устанавливают второй и последующие ряды блоков 1 основания отдельно стоящей конструкции или фундамента здания и сооружения, при этом формируют второй и последующие ряды, устанавливая последовательно первый, второй и последующие блоки 1 рядом с предыдущими смонтированными блоками 1 и при установке совмещают боковую грань каждого последующего блока 1 в ряду с боковой гранью предыдущего блока 1. При этом выемки 9 устанавливаемого блока 1 размещаются на выступах 8 центрирующей вставки 6 предыдущего установленного в ряду блока 1 без зазора с соблюдением одинаковой ориентации верхнего и нижнего оснований устанавливаемого блока с ориентацией таких же оснований установленных блоков 1.
В двух из направлений XYZ, устанавливаются в отверстия 2 первого блока 1 в ряду данной сборки армирующие стержни 3, после чего с обоих сторон отверстия 2 на армирующие стержни 3 надеваются центрирующие вставки 6, которые размещается в выемке 9 на противоположных гранях блока 1 или объекта таким образом, чтобы стяжные гайки-втулки 5, которые накручиваются на концы армирующего стержня 3, размещались в отверстиях центрирующей вставки 6.
Если необходимо выполнить последующею сборку относительно установленного блока более чем в двух из направлении XYZ, то в первый блок дополнительно монтируется армирующий стержень в требуемом направлении, после чего с обеих сторон канала на армирующие стержни надеваются центрирующие вставки, которые размещается в выемке на противоположных гранях блока или объекта относительно стрежней, таким образом, чтобы стяжные гайки-втулки, которые накручиваются на концы армирующего стержня, размещались в отверстиях центрирующей вставки, диаметр которых больше или равен диметру данной стяжной гайки-втулки;
Таким образом, предложенный способ позволяет значительно увеличить конструкционную прочность конструкции, уменьшить материалоемкость конструкции.
Разработанный способ позволяет легко возводить конструкции или сооружения из блоков или объектов, расположенных в разных структурных конфигурациях, расположенными в соприкосновении друг с другом, и в структуре которого используется способ последующего напряжения армирования, а именно сборной конструкции, напряжение в которой искусственно создаётся во время сборки, путём натяжения всей рабочей арматуры, для достижения гарантированного напряжения в армирующей сборке, при этом преднапряженное армирование дает увеличенную прочность на растяжение и изгиб по сравнению с традиционными кладочными материалами, соединенными связующими строительным растворами или клеевыми составами. Преднапряжённое армирование позволяет уменьшить объём материала конструкции, в котором оно размещается по сравнению с непреднапряженными армированными конструкциями, без потери прочности, и в отличии от конструкций без предварительного напряжения, под воздействием сейсмической нагрузки в предварительно-напряженных конструкциях сопротивляемость развитию пластических деформаций и трещинообразованию значительно выше, чем у непреднапряженных, благодаря чему они лучше сопротивляются повреждениям при слабых, но частых землетрясениях и в связи с упругостью деформаций, не сопровождающихся образованием трещин, они не подвергаются повреждениям, накопление которых ослабляет сопротивляемость конструкций к последующим сейсмическим воздействиям. В целом предварительно напряженным конструкциям свойственно хорошо работать на сжатие и прогиб. В таких конструкциях уменьшаются размеры поперечного сечения, следовательно, сокращаются объем и вес комплектующих элементов (на 20 – 30%), а также расход материала элемента. Более рациональное использование свойств стали позволяет сокращать расход арматуры до 50%, особенно из высокопрочных марок (A-IV и выше), имеющих значительный предел прочности. Химическая нейтральность бетона к стали способствует предохранению арматуры от коррозии.
Заявленный способ возведения конструкций и сооружений позволяет собирать и разбирать для повторного использования составные части системы с помощью простого инструмента неквалифицированными рабочими.