композитный несущий элемент строительных конструкций

Формула изобретения

1. Композитный несущий элемент строительных конструкций, включающий фрагмент металлической оболочки, подкрепленной упрочняющими элементами, имеющими полости, арматуру, расположенную в полостях упрочняющих элементов поперек их направления, заполнитель из бетона, расположенный в пространстве между и над упрочняющими элементами, отличающийся тем, что упрочняющие элементы расположены с одной или с обеих наружных поверхностей металлической оболочки, полости в упрочняющих элементах образованы ломаным очертанием их свободных краев с гладкими участками, находящимися на различных расстояниях от наружной поверхности оболочки, арматура, проходящая через полости, жестко прикреплена к дополнительным, направленным вдоль упрочняющих элементов арматурным стержням, в крайнем случае всем, расположенным над свободными краями упрочняющих элементов, и те дополнительные арматурные стержни, которые вплотную примыкают к упрочняющим элементам, жестко прикреплены к ним на гладких участках наибольшего удаления упрочняющего элемента от оболочки.

2. Композитный несущий элемент строительных конструкций по п.1, отличающийся тем, что упрочняющие элементы имеют дополнительные полости, образованные ломаным очертанием краев ребер, примыкающих к поверхности оболочки.

3. Композитный несущий элемент строительных конструкций по п.1, отличающийся тем, что упрочняющие элементы, в крайнем случае все, выполнены в виде гнутого арматурного стержня.

4. Композитный несущий элемент строительных конструкций по п.1 или 2, отличающийся тем, что в заполнителе созданы пустоты.

5. Композитный несущий элемент строительных конструкций по п.4, отличающийся тем, что пустоты, в крайнем случае все, выполнены в виде каналов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству, преимущественно к таким областям, как мостостроение, резервуаростроение, возведение высотных и большепролетных зданий, башен, дымовых труб, градирен, подземных и подводных объектов и т.д.

Для сооружений указанных областей недостаточно создание конструкций из классической композиции бетона и стержневой стальной арматуры вследствие фундаментального недостатка бетона - неспособности воспринимать растяжение сколько-нибудь значительной величины, приводящее к нарушению сплошности композита и недопустимое при создании герметичных оболочек и конструкций, воспринимающих многократные динамические воздействия или контактирующих с агрессивной для стали средой.

С другой стороны, желательно подкрепление тонкостенных, чувствительных к несовершенствам стальных оболочечных конструкций железобетонными рубашками, не отделяющимися от стальной части конструкции в сложнейших условиях двух- и трехосного напряженных состояний.

Получило широкое внедрение устройство бетонной или железобетонной плиты из монолитного бетона, укладываемой на стальной поддон из профилированного настила ([1]. стр.20, рис.1.12., [2]. стр. 19, рис.1) применительно к конструкциям междуэтажных перекрытий промышленных и гражданских зданий.

Такие конструкции недостаточно надежны при действии локальных динамических нагрузок. Жесткость поддона обеспечивается профилированием тонкой стали, которая чувствительна к коррозии и требует оцинкования или другой дорогостоящей антикоррозионной защиты. Профилирование, увеличивая расход стали на поддон, не обеспечивает жесткости поддона поперек направления гофр при укладке бетона и при постоянной эксплуатации. Обеспечение поперечной жесткости поддона является дополнительной задачей, решаемой только со снижением технико-экономических показателей такой композитной системы.

Известна также конструкция, в которой используется холодногнутый прокатный профиль Z - образной формы, одна из полок которого имеет вертикальный бортик с прорезями ([1] стр.47, 49, рис.2.9).

Из двух таких профилей с помощью сварки образуется корытообразная балка, перекрываемая оцинкованными опалубочными листами. Для перекрытия пролета корытообразные балки располагаются вплотную, параллельно друг другу. В прорезях вертикальных бортиков расположены объединительные стержни, на которых размещена нижняя арматурная сетка монолитной железобетонной плиты.

Такое решение весьма трудоемко при изготовлении деталей и монтаже конструкций.

Известно также образование композитной системы из стального поддона и монолитного бетона ([1] стр. 49, 50, 51, рис.2.10 б, г), в котором поддон образован из тонкого стального листа с поперечными уголками, приваренными к нему кромками полок. Применение уголков придает поддону вертикальную жесткость и с учетом резкого увеличения площади сцепления и образования гибких упоров обеспечивает, по мнению авторов этого решения, совместную работу стального листа и бетона как в продольном, так и в поперечном направлениях.

Однако данное решение не гарантирует отслоение бетона от стального листа в зонах между уголками, шаг установки которых должен быть не слишком малым по экономическим соображениям.

Известно соединение верхнего пояса стальной балки с железобетонной плитой с помощью специальных арматурных зигзагов, приваренных на монтаже (см.[1] , рис.10.2(а), стр.294).

Недостатки этого решения, - ограничения по наибольшему диаметру арматуры до 25...40 мм, что дает площадь поперечного сечения не более 4,9...12,6 см², недостаточную для сильно нагруженных конструкций.

Сварной элемент из стального листа и арматурных зигзагов не имеет высокой изгибной жесткости из плоскости листа. Многократные перегибы, не обеспечивая высокой геометрической точности зигзагов, требуют больших затрат труда на деформирование стержней, особенно для арматуры класса выше А1. При более тонкой арматуре резко возрастает объем сварочных работ. Тем не менее, арматурные зигзаги могут использоваться как компоненты более сложных композитных конструкций.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является конструкция, в которой к стальному листу привариваются соединительные элементы из полос с отверстиями, создаваемыми сверлением или штампованием. Эти полосы привариваются вертикально к поясным листам стальных балок тонкими углевыми швами, возможно, с использованием автоматов ([31 стр.14, 15, рис.6, [4] стр. 16, 17, рис. 4). Контакт стали и бетона такого типа обеспечивает надежное сцепление и выносливость как бетона, так и стальной части конструкции. На разрушающее усилие не оказывает влияния расположение поперечной арматуры над полосовыми упорами, либо с пропуском ее через отверстия.

Такая арматура исключает отслоение бетона от стальных полос. Благодаря проникновению бетона в отверстия стальной полосы образуются бетонные шпонки с двумя поверхностями среза.

Недостаток такого решения, принятого за прототип, - повышенная материалоемкость, сложность выполнения отверстий штамповкой при увеличении толщины ребер, а переход к сверлению или фрезерованию отверстий дает резкий скачек трудоемкости.

Если изменить геометрическую форму ребер и расположение арматуры, не уменьшая их сцепление с монолитным заполнителем, то можно снизить материалоемкость и трудоемкость такой конструкции и создать предпосылки для существенного расширения области возможного применения рассматриваемого композиционного решения, что и является задачей изобретения.

Решение задачи достигается тем, что композитный несущий элемент строительных конструкций (КНЭСК), включающий фрагмент металлической оболочки, подкрепленной упрочняющими элементами, имеющими полости, арматуру, расположенную в полостях упрочняющих элементов поперек их направления, заполнитель, например бетон, расположенный в пространстве между и над упрочняющими элементами, согласно изобретению упрочняющие элементы, расположены с одной или с обеих наружных поверхностей металлической оболочки, полости в упрочняющих элементах образованы ломаным очертанием их свободных краев с гладкими участками, находящимися на различных расстояниях от наружной поверхности оболочки, арматура, проходящая через полости, жестко прикреплена к дополнительным, направленным вдоль упрочняющих элементов арматурным стержням, в крайнем случае всем расположенным над свободными краями упрочняющих элементов, а те дополнительные арматурные стержни, которые вплотную примыкают к упрочняющим элементам, жестко прикреплены к ним на гладких участках наибольшего удаления упрочняющего элемента от оболочки.

Желательно, чтобы упрочняющие элементы согласно изобретению имели бы дополнительные полости, образованные ломаным очертанием краев, примыкающих к поверхности оболочки. Допустимо, чтобы упрочняющие элементы согласно изобретению, в крайнем случае все, были бы выполнены в виде гнутого арматурного стержня.

Желательно, чтобы КНЭСК согласно изобретению имел бы пустоты в заполнителе.

Целесообразно, чтобы пустоты согласно изобретению, в крайнем случае все, были бы выполнены в виде каналов.

При вертикальном или близком к вертикальному расположению поддона, в случае приварки ребер к обеим его наружным поверхностям, осуществима двухсторонняя укладка бетона различных с каждой стороны состава и толщины.

В предлагаемой конструкции упрочняющих элементов возможно нетрудоемкое получение полостей любых размеров и формирование экономичных по расходу материала ребер любой толщины и не постоянной высоты, в том числе и не плоских.

Кроме того, возможно отдельное изготовление арматурной сетки из основных и дополнительных стержней с технологически не сложной ее последующей жесткой стыковкой со сварной частью композиции.

Большой выбор геометрии полостей и форм упрочняющих элементов обеспечивает благоприятные конструктивные условия для образования в заполнителе пустот и каналов, что в ряде случаев ведет к снижению веса несущих элементов и открывает возможность устройства внутри них различных коммуникаций.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 представлен общий вид металлической составляющей композитного несущего элемента; на фиг.2 - сечение КНЭСК вдоль упрочняющих элементов; на фиг.3 - поперечное сечение КНЭСК с односторонним расположением упрочняющих элементов и заполнителя.

Композитный несущий элемент строительных конструкций состоит из металлической оболочки 1, упрочняющих элементов 3, образующих полости ломаным очертанием их свободных краев с гладкими участками, в которых расположена арматура 5, жестко прикрепленная к дополнительным арматурным стержням 4, направленным вдоль упрочняющих элементов 3 и жестко к ним прикрепленным на гладких участках наибольшего удаления упрочняющего элемента 3 от оболочки 1. Дополнительные арматурные стержни 6, направленные вдоль упрочняющих элементов 3, расположены в полостях между упрочняющими элементами 3 и жестко прикреплены к арматуре 5. В заполнителе 2 могут быть образованы пустоты 7, выполненные, например, в виде каналов.

Возможны три случая образования конструкции с помощью КНЭСК. В первом случае блоки КНЭСК изготавливаются до полной готовности в заводских условиях со свободными от заполнителя краями для обеспечения стыковки на монтаже металлической части композита с последующим омоноличиванием швов. Причем материал заполнителя 2 в швах может отличаться по своим физико-техническим свойствам от основной части заполнителя в монтажных блоках. Во втором случае в заводских условиях изготавливается монтажный блок с односторонним заполнителем 2, и после стыковки металлической части конструкции заполнитель 2 полностью укладывается со стороны другой поверхности оболочки 1, в том числе, и в зоне шва с другой стороны оболочки 1. В третьем случае в процессе сборки или после полной сборки металлической части КНЭСК, конструкция полностью омоноличивается на объекте.

КНЭСК работает следующим образом. На стадии монтажа металлический каркас полностью воспринимает внешние воздействия, собственный вес, давление еще не упрочнившегося заполнителя и, возможно, вес монтажного оборудования. На стадии эксплуатации внутренняя потенциальная энергия деформации накапливается и распределяется в КНЭСК между металлической частью и заполнителем в соответствии с закономерностями механики деформирование твердого тела в рамках пространственной задачи.

ЛИТЕРАТУРА

1. Стрелецкий Н. Н. Сталежелезобетонные пролетные строения мостов. М.: Транспорт, 1981. - 360 с.

2. Реферативное издание. Проектирование и строительство железных дорог. No. 1099 ПСЖД (8). Реферат No.42. Сталежелезобетонные мосты. (Общие положения). М. : ВИНИТИ, 1993.- 27 с. По книге: Einfuhrung in das Thema Stahlverbund-Bruckenbau/Bode H.//Stahlverbund- Bruckenbau: Ber. Tag., Kaiserslautem, 5 Oct., 1988. Dusseldorf, 1990.- С.5-8. - Нем.

3. Реферативное издание. Проектирование и строительство железных дорог. No. 2766 ПСЖД (21). Реферат No.110. Вантовые мосты со сталежелезобетонными балками жесткости. М.: ВИНИТИ, 1993. По книге: Schragseilbrucken im Verbund fur das Ausland/Saul R.//Stahlverbund - Bruckenbau: Ber. Tag., Kaiserslautem, 5 Oct., 1988.- Dusseldorf, 1990. - С. 75-84. - Нем.

4. Реферативное издание. Проектирование и строительство железных дорог. No.3198ПСЖД(26). Реферат No. 145. Соединительные устройства для сталежелезобетонных конструкций, отличающиеся высокой экономичностью и выносливостью. М. : ВИНИТИ, 1993. По книге: Economical Shear Counectors with High Fatigue Strength / Andra H.-F.// IABSE Symp., Brussels, 1990.- Zurich, 1990. - С. 167-172.-Англ.