узел сопряжения вертикального строительного элемента с горизонтальным монолитным железобетонным элементом

Формула изобретения

1. Узел сопряжения вертикального строительного элемента, преимущественно колонны, с горизонтальным монолитным железобетонным элементом, например, балкой, включающий в себя столик, прикрепленный к колонне для опирания на него железобетонного элемента, отличающийся тем, что дополнительно содержит анкер, прикрепленный к колонне со стороны столика, в зоне, ограниченной четырьмя плоскостями, совпадающими с нижней, верхней и боковыми поверхностями железобетонного элемента, анкер выполнен из одного или нескольких арматурных стержней, причем длина одного стержня не больше четверти пролета железобетонного элемента и не меньше длины анкеровки, при этом расстояние Z между центром тяжести анкера и столиком определяется из выражения

Z=Н-a"-Kd,

где Н - расстояние между столиком и плоскостью, совпадающей с верхней гранью железобетонного элемента;

а" - толщина верхнего защитного слоя элемента;

К - параметр, величина которого может меняться в пределах: 2 К 0,5;

d - диаметр стержней анкера и растянутой продольной арматуры монолитного железобетонного элемента.

2. Узел по п.1, отличающийся тем, что на свободных концах стержней анкера выполнены крюки.

3. Узел по п.1, отличающийся тем, что вертикальный строительный элемент выполнен в виде сварной металлической колонны, а столик - в виде металлической пластины, приваренной к колонне и к косынкам, расположенным выше столика.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при возведении монолитных и сборно-монолитных сооружений.

Известен узел сопряжения вертикального строительного элемента с горизонтальным, выполненный в виде выемки в вертикальной стене, на которую опирается плита перекрытия (горизонтальный элемент) [1,2].

Наиболее близким аналогом (прототипом) является техническое решение, раскрытое в источнике [3], где к колонне прикреплена короткая консоль, несущая металлический столик, на который опирается горизонтальный строительный элемент (балка, плита и т.п.). В частном случае, колонна может быть выполнена из металла, металлический столик приварен непосредственно к колонне, а сопрягаемый горизонтальный элемент выполнен из монолитного железобетона.

Недостаток и аналогов, и прототипа в том, что между колонной и торцом монолитного железобетонного элемента неизбежно появляется трещина как из-за усадки бетона, так и вследствие прогиба нагруженного железобетонного элемента и соответствующего поворота опорного сечения; устье такой трещины характеризуется исчезающе малым радиусом кривизны, а это, по закону Лапласа, приводит к капиллярной конденсации паров воды, всегда содержащейся в воздухе, и соответственно к коррозии сопрягаемых элементов (этот процесс особенно опасен в случае металлической колонны). Возможно и другое негативное явление: образовавшаяся трещина постепенно заполняется продуктами коррозии и твердыми частицами, оседающими из воздуха; при неизбежных колебаниях величины временной изгибающей нагрузки, прикладываемой к железобетонному элементу, ширина трещины периодически меняется, заполняющие ее твердые частицы погружаются глубже, уплотняются и неизбежно приводят к появлению нерасчетного горизонтального сжимающего усилия, дополнительно нагружающего сжатую зону железобетонного элемента, не рассчитанную на эту лишнюю (и весьма неопределенную) нагрузку; не рассчитана на нее и колонна. А это чревато аварией, вследствие чего снижается надежность узла сопряжения.

Другими недостатками известных технических решений являются: высокий расход арматуры и бетона, значительный прогиб железобетонного элемента, повышенная высота сечения. Данный недостаток относится к случаю сопряжения сборной, преимущественно металлической, колонны с монолитной железобетонной балкой (или плитой), поскольку без дополнительных конструктивных деталей (анкеров) реализуется только шарнирное, но не жесткое опирание монолитного элемента, а значит: изгибающий момент на опоре равен нулю, тогда как в середине пролета он имеет максимальное значение, чем и определяется необходимая высота сечения монолитного элемента (влияющая на его материалоемкость); расход арматуры также связан с величиной изгибающего момента; возможность снижения расхода бетона и стали обусловливает экономию не только материальных, но также трудовых и энергетических ресурсов.

Введение анкера в рассматриваемый узел сопряжения позволяет перейти от шарнирного опирания к жесткому; при этом возможно в два раза уменьшить величину максимального изгибающего момента и получить широкое право выбора в отношении уменьшения: расхода арматуры, высоты сечения (и соответственно объема бетона), прогиба элемента. Дополнительная нагрузка на колонну, возникающая в результате постановки анкера, может быть учтена при проектировании колонны, она может быть уменьшена конструктивными приемами (например, эксцентричное приложение сил), а при симметричном нагружении колонны дополнительный момент в ней совсем не возникает, т.е. возможность целесообразного использования рассматриваемого приема не исключается.

Задачей данного изобретения является повышение надежности узла сопряжения, снижение материальных, трудовых и энергетических затрат при изготовлении горизонтального монолитного железобетонного элемента, работающего на изгиб; это достигается за счет введения дополнительной детали (анкера) в рассматриваемый узел сопряжения, а также за счет новых соотношений линейных размеров, в том числе задаваемых математическим выражением.

Сущность изобретения в том, что, кроме столика, к колонне прикреплен анкер, выполненный в виде одного или нескольких арматурных стержней с крюками на концах, расположенных в одной горизонтальной плоскости, при этом анкер находится в зоне, ограниченной четырьмя плоскостями, совпадающими с нижней, верхней и боковыми поверхностями монолитного железобетонного элемента, причем несущая способность анкера равна несущей способности продольной растянутой арматуры сопрягаемого железобетонного элемента, а его длина не меньше длины анкеровки и не больше четверти пролета указанного железобетонного элемента, при этом расстояние Z между столиком и центром тяжести анкера определяется из соотношения:

Z = Н - a"- Kd,

где Н - расстояние между столиком и плоскостью, совпадающей с верхней гранью монолитного железобетонного элемента;

а" - толщина верхнего защитного слоя указанного элемента;

К - параметр, изменяющийся в пределах 2 К 0,5;

d - диаметр стержней анкера и продольной растянутой арматуры монолитного железобетонного элемента.

Колонна и столик могут быть выполнены из металла, а косынки, с помощью которых столик приварен к колонне, располагаются выше столика.

На фиг. 1 показан вид сбоку вертикального строительного элемента (колонны) с деталями узла сопряжения - столиком, косынкой и анкером. На фиг. 2 изображен тот же вертикальный строительный элемент с деталями, но в другой проекции (вид по 1-1). На фиг.3 показан тот же элемент в третьей проекции - сверху (вид по 2-2). На фиг.4 изображен тот же строительный элемент (вид сбоку), но с установленной опалубкой (борт-оснастка и поддон), а также с плоским вертикальным арматурным каркасом (второй конец опалубки и каркаса также опирается на аналогичный вертикальный элемент, реализуя симметричную работу балки на двух опорах). На фиг.5 изображен узел сопряжения колонны с монолитным железобетонным элементом, выполненный по известному техническому решению (т. е. без анкера), а также соответствующая этому случаю эпюра изгибающих моментов (Э.М.); можно видеть трещину между колонной и монолитным элементом, появившуюся в результате усадки бетона и поворота опорного сечения железобетонного элемента, при этом изгибающий момент на опоре равен нулю, а в середине пролета - имеет максимальное значение. На фиг.6 показан узел сопряжения по предложенному техническому решению: трещины между колонной и монолитным элементом нет (благодаря наличию анкера), величина изгибающего момента на опоре, так же как и в середине пролета, равна половине максимального момента, характерного для известного технического решения; это позволяет экономить арматуру, уменьшать высоту сечения железобетонного элемента при сохранении проектной несущей способности, а следовательно, снижать расход бетона и связанные с этим затраты на транспорт, а также трудовые и энергетические затраты; уменьшать прогиб элемента, увеличивать его расчетный пролет.

Обозначения на приведенных фигурах: 1 - вертикальный строительный элемент (в частном случае это может быть металлическая колонна); 2 - металлический столик, приваренный к вертикальному строительному элементу (к колонне); 3 - косынка, поддерживающая столик и расположенная выше столика; 4 - анкер, выполненный в виде стержней с крюками, приваренных к колонне; 5 - арматурный каркас монолитного железобетонного элемента; 6 - опалубка монолитного железобетонного элемента (бортоснастка и поддон); 7 - монолитный железобетонный элемент, сопрягаемый с вертикальным элементом (с колонной) Э.М. - эпюра изгибающих моментов.

Для получения максимального эффекта от работы предложенного узла сопряжения необходимо выполнение ряда условий, в том числе отраженных в факультативных пунктах формулы изобретения: анкер должен быть прикреплен к колонне не в любой ее точке, а только в зоне, ограниченной четырьмя плоскостями, совпадающими с длинными гранями железобетонного элемента, и расположен он должен быть со стороны столика; рекомендуемая длина анкера строго ограничена, т.к. если она существенно меньше длины анкеровки, то в нем не разовьется нужное усилие, а если она больше четверти пролета, то это приведет к неоправданному перерасходу металла; регламентировано и расстояние между центром тяжести анкера и столиком - увеличение его приведет к недопустимому уменьшению толщины защитного слоя, а снижение - к существенному ослаблению узла сопряжения; создание крюков на концах стержней анкера повышает эффективность их работы, а расположение косынок выше поверхности столика позволяет использовать их не только в качестве опоры столика, но и в роли деталей, дополнительно армирующих монолитный железобетонный элемент.

Источники информации

1. Патент РФ 2039174.

2. Патент РФ 2145373.

3. Жилые и общественные здания. Краткий справочник инженера-конструктора./ Под ред. Ю.А.Дыховичного. - М.: Стройиздат, 1991, с. 250, рис. 4.49.