АРМАТУРНЫЙ КАРКАС КОМПОЗИТОБЕТОННОГО СТРОИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА

Полезная модель относится к арматурным каркасам и системам для изготовления дорожных, аэродромных и фундаментных плит, балок и других элементов строительных конструкций, в частности, изготавливаемых с применением композитной арматуры.
Известен арматурный каркас, изготавливаемый с применением композитной арматуры, описанный в книге В.Ф. Степанова, А.Ю. Степанов, Е.П. Жирков «Арматура композитная полимерная», М.: 2013 - стр. 167. На рисунке 10.11. приводится поперечный разрез плиты, армированной комбинированным способом: в ней верхний и нижний арматурные каркасы выполнены из композитной арматуры, а вертикальные стержни - из металлической путем зажима композитных стержней С-образными концами металлических. Недостатком известной конструкции арматурного каркаса является сложность проведения монтажных работ, связанная с тем, что композитную арматуру нужно соединять с металлической.
Известна арматурная система предварительно напряженной дорожной плиты, в которой арматурные каркасы выполнены в виде спиральных элементов, расположенных вдоль и поперек продольной оси плиты (см. авторское свидетельство СССР №1661260, опубл. 1988 г.). недостатками такого арматурного каркаса является избыточная материалоемкость, вызванная тем, что вертикально ориентированные участки спиральных элементов исключаются из работы, а также сложность конструкции. В случае применения композитной арматуры такой каркас вообще проблематично собрать из-за невозможности выполнить спиральную навивку стержня.
Наиболее близким аналогом является арматурная система, описанная в патенте РФ №2413059 (опубл. 2011.02.27), в которой конструкция арматурного каркаса содержит замкнутые и периодически изгибающиеся петли и жгуты из композитного материала. При этом натянутые жгуты свивается в непрерывный жгут повторяющимися витками, а арматура содержит по меньшей мере, одну петлю, которая когда заделывается, образует, по меньшей мере два растянутых жгута, разнесенных друг от друга, причем концы жгутов соединены искривленным переходным участком.
Недостатком арматурной системы по указанному патенту, является то, что в ней при укладке арматурных стержней в условиях строительной площадки существенно усложняется сборка каркаса, невозможно выдержать точные (соответствующие расчетным) геометрические размеры между осями жгутов, а тем более - выдержать параметры пропитки жгутов и полимеризации компаунда. Все это, как следствие, сопровождается потерей прочности и снижением надежности конструкции каркаса.
Предлагаемой полезной моделью решается задача упрощения конструкции арматурного каркаса для композитобетонных изделий, повышение его прочности и обеспечение стабильного качества сборки и надежности в эксплуатации.
Для достижения указанного технического результата в арматурный каркас композитобетонного строительного элемента, содержащий верхние и нижние продольные и поперечные стержни, а также вертикальные стержни, связанные между хомутами и образующие прямоугольный пространственный каркас в виде пересекающихся продольных и поперечных плоских рам, дополнительно снабжен синусоидально изогнутыми стержнями, расположенными в плоскостях продольных и поперечных, рам в такой последовательности, что пересечения вертикальных стержней в них с синусоидально изогнутыми стержнями последовательно чередуются на соответствующих пересечениях, а в местах примыкания синусоидально изогнутых стержней к продольным и поперечным стержням на вершинах синусоид они снабжены соединительными хомутами, монтируемыми по обе стороны от вертикального стержня. При этом:
- амплитуда геометрической оси Rc синусоидально изогнутого стержня изменяться от Rc=0 до Rc=H/2, где H - высота каркаса;
- длина волны Lc синусоидально изогнутого стержня изменяться для продольных рам от Lc=2d до Lc=L, а для поперечных рам от Lc=2d до Lc=B, где d - номинальный диаметр арматурного стержня, L - длина продольной рамы между осями крайних вертикальных стержней, B - ширина поперечной рамы между осями крайних вертикальных стержней;
- расстояние Д1 (здесь и далее «Д» соответствует греческой букве «дельта», указанной в чертежах на фиг.1-7) от оси вертикального стержня до места установки соединительных хомутов на синусоидально изогнутом стержне изменяется от Д1=d до Д1=Н/2;
- расстояние ДН между геометрическими осями стержней продольных и поперечных рам в местах примыкания к синусоидально изогнутому стержню на вершине синусоид выдерживается от ДН=d до ДН=1|2H.
Благодаря наличию этих признаков предлагаемый арматурный каркас имеет упрощенную конструкцию, повышенную прочность и обеспечивает стабильное качество сборки и надежности в эксплуатации. Арматура, связанная таким образом, по сути, является компонентом, который обеспечивает переход с первого слоя армирования на второй слой армирования. Этим исключается необходимость применения переходных элементов соединения стержней в пространстве. Такие каркасы могут вязаться не на месте непосредственной заливки, а на стапеле-шаблоне, на монтажном столе или в любом комфортном для работы месте и в любое время. Далее они просто приносятся на пол, взаимно перпендикулярно вставляются друг в друга через полупериоды и немного фиксируются проволокой.
Кроме того, арматура, расположенная в виде синусоиды, переводится в состояние преднапряжения, за счет чего и обеспечивается повышение конечной прочности.
Предлагаемый арматурный каркас изображен на чертежах, приведенных на фиг. 1-8, где показаны:
- фиг. 1 - схематическое изображение арматурного каркаса при виде сверху;
- фиг. 2 - схематическое изображение поперечного разреза А-А (фиг. 1) с синусоидально изогнутым стержнем;
- фиг. 3 - схематическое изображение поперечного разреза Б-Б (фиг. 1) с синусоидально изогнутым стержнем, имеющим обратный изгиб по отношению к сечению А-А;
- фиг. 4 - схематическое изображение продольного разреза В-В (фиг. 1) с синусоидально изогнутым стержнем;
- фиг. 5 - схематическое изображение поперечного разреза Г-Г (фиг. 1) с синусоидально изогнутым стержнем, имеющим обратный изгиб по отношению к сечению В-В;
- фиг. 6- вид каркаса с торца (вид Д, фиг. 1);
- фиг. 7- увеличенное изображение узла сопряжения верхних продольных и поперечных, вертикального и синусоидального стержней (вид I, фиг. 6);
- фиг. 8 - фотография реального арматурного каркаса, собранного по предлагаемому в настоящей заявке на полезную модель техническому решению.
Арматурный каркас содержит верхние продольные стержни 1, верхние поперечные стержни 2, нижние продольные стержни 3, нижние поперечные стержни 4 и вертикальные стержни 5, связанные соединительными хомутами 6. Элементы 1-6 образуют прямоугольный пространственный каркас, в котором формируются поперечные рамы 7 и продольные рамы 8, узловые точки которых на пересечениях стержней 5 с стержнями 1-4, соединены между собой расположенными в плоскостях рам 7 и 8 синусоидально изогнутыми стержнями 9 в такой последовательности, что в них пересечения вертикальных стержней 5 с стержнями 1-4 последовательно чередуются на соответствующих пересечениях рам 7 и 8.
В местах пересечения рам 7 и 8 стержни 9 закрепляются хомутами 10 на вершинах синусоид с двух сторон от вертикального стержня 5, а на боковых рамах 7 и 8 - с внутренней стороны каркаса.
В собранном состоянии арматурный каркас имеет следующие геометрические характеристики:
D - номинальный диаметр арматурного стержня;
L - длина продольной рамы между осями крайних вертикальных стержней 6.
B - ширина поперечной рамы между осями крайних вертикальных стержней 6.
H - высота каркаса по расстоянию между осями верхних и нижних стержней 1-4;
Rc - амплитуда оси синусоидально изогнутого стержня 9;
Lc - длина волны синусоидально изогнутого стержня 9;
Д1 - расстояние от оси вертикального стержня 5 до места установки хомута 10;
ДН - расстояние между осями стержней 1-4 и синусоидально изогнутого стержня 9 в местах примыкания.
Амплитуда оси Rc синусоидально изогнутого стержня 9 может изменяться от 0 до Rc=H.
Длина волны Lc синусоидально изогнутого стержня 9 может изменяться:
- для продольных рам от Lc=2d до Lc=L;
- для поперечных рам от Lc=2d до Lc=B.
Расстояние Д1 от оси вертикального стержня 5 до места установки хомута 10 может изменяться от Д1=d до Д1=Н/2.
Расстояние ДH между геометрическими осями стержней 1-4 и стержня 9 на вершине синусоид выдерживается от ДH=d до ДH=1|2H.
Арматурный каркас композитобетонного строительного элемента собирается в следующем порядке:
- на плоском основании выкладывают продольные стержни 2 и 4, вертикальные стержни 5 и фиксируют их технологическими стяжками, формируя продольные рамы 7;
- продольные рамы 7 выставляют в проектное вертикальное положение и поперечными стержнями 1 и 3 скрепляют их между собой хомутами 6, формируя, одновременно, поперечные рамы 8;
- последовательно, начиная с одного из боковых торцов рам 7 и 8, прокладывают стержень 9, прикрепляя его хомутами 10 на расстоянии Д1 от вертикальных стержней 5, придавая оси стержня 9 синусоидально изогнутую форму.
Арматурный каркас, например, в дорожной плите при воздействии нагрузки работает следующим образом. При сосредоточенной нагрузке, приложенной сверху по середине плиты, верхний слой композитобетона сжимается, а нижний растягивается. Соответственно, верхние продольные стержни 1 и верхние поперечные стержни 2 воспринимают сжимающую нагрузку, а нижние продольные стержни 3 и нижние поперечные стержни 4 воспринимают растягивающую нагрузку.
При неравномерной распределенной нагрузке синусоидальные стержни 9 за счет образования треугольников жесткости в ячейках каркаса способствуют перераспределению нагрузки, повышая трещинностойкость плиты.
Амплитуда оси Rc синусоидально изогнутого стержня 9 может изменяться от 0 до Rc=H. При Rc=H каркас имеет максимальную прочность и упругость, а при Rc=0 эффективность работы минимальна и обусловливается только прочностными свойствами дополнительного плоского каркаса, расположенного на срединной линии плиты.
Длина волны Lc синусоидально изогнутого стержня 9 может изменяться для продольных рам от Lc=2d до Lc=L (для поперечных рам от Lc=2d до Lc=B). При Lc=2d синусоидальный стержень 9 превращается в сплошную композитную стенку, а при Lc=L получается одна рабочая синусоида.
Расстояние Д1 от оси вертикального стержня 5 до места установки хомута 10 может изменяться от Д1=d до Д1=H/2. Расстояние Д1 не может быть меньшим, исходя из геометрических характеристик элементов, а при Д1=H/2 синусоидальные стержни 9 превращаются в прямолинейные и эффект от синусоидальности теряется.
Расстояние ДН между геометрическими осями стержней 1-4 и стержня 9 на вершине синусоид выдерживается от ДН=d до ДН=1|2H. При ДH=d синусоидальный стержень 9 имеет максимальный прогиб, а каркас максимальную прочность и упругость, а при ДH=1|2H эффективность работы синусоидального стержня минимальна, а прочность каркаса обусловливается только прочностными свойствами дополнительной арматурной сетки, расположенной на срединной линии плиты.
Синусоидальный стержень 9 в каждой точке пересечения с продольными элементами 1-4 создает схему армирования, которая в отличие от плоского армирования, сразу включается в работу, поскольку синусоидально изогнутые элементы придают каркасу состояние преднапряжения. При этом используется главное преимущество стеклопластиковой арматуры высокая прочность на разрыв составляющая от 1000 МП а, что соответствует преднапряженной металлической арматуре, но при этом не требуется специальных мероприятий в виде механического натяжения или электрического нагрева.
По предлагаемому техническому решению собран арматурный каркас для дорожной плиты размером 3.0 м ×1.2 м ×0.2 м. Величина ячеек армирования составила 30 см ×30 см, что достаточно, чтобы при выполнении работ имелся доступ ко всем удаленным стержням каркаса. Расчетная проектная нагрузка на плиту составила 5.0-5.5 тонны на квадратный метр площади. Без синусоидально изогнутых стержней соответствующая нагрузка составляет не более 3.8-4.0 тонны на квадратный метр.