Арматурный элемент

Изобретение относится к области строительства. Арматурный элемент предназначен для компенсации потерь предварительного напряжения в арматуре строительных конструкций. Технический результат - увеличение несущей способности компенсатора, повышение надежности его работы при любых видах нагрузки, сохранение длительной потенциальной энергии реактивных сил, расширение области его использования. В арматурном элементе с концевыми анкерами упругие компенсаторы установлены по длине с определенным шагом и выполнены в виде кольцевых контуров, образованных из изогнутых полос со встречно направленной вогнутостью, в полостях которых расположены другие элементы из изогнутых полос как со встречно направленной вогнутостью, так и со встречно направленной выпуклостью. Арматура изогнута по синусоиде, аналитически описывается выражением y=Sin x±1 относительно продольной оси арматурного элемента, перехвачена фиксирующими кольцами с шагом 2 πn между соседними компенсаторами. Изогнутые полосы компенсатора могут быть с переменным поперечным сечением, увеличивающимся от концов к середине их длины. 1 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

Изобретение относится к области строительства, а именно к арматурным элементам, предназначенным для применения в предварительно напряженных строительных конструкциях.

Известно конструктивное решение арматурного элемента, используемого для компенсации потерь предварительного напряжения в арматуре строительных конструкций из низкомодульных материалов, взаимодействующего, по меньшей мере, с одним концом арматуры, имеющей концевой анкер и поперечную пластину с компенсаторами в виде попарно расположенных изогнутых полос в корпусе элемента [1]. Однако такое техническое решение не обеспечивает достаточного эффекта предварительного напряжения строительной конструкции от напрягаемой арматуры по причине малых реактивных сил обжатия конструкций.

Наиболее близким по совокупности признаков к изобретению является арматурный элемент для сохранения длительного эффекта предварительного напряжения в арматуре и увеличения реактивных сил для обжатия строительной конструкции из низкомодульного материала, содержащий арматуру, взаимодействующую по длине с упругими компенсаторами в виде пустотелых элементов выпукло-вогнутого замкнутого контура [2].

В известном техническом решении упругие компенсаторы в виде пустотелых элементов выпукло-вогнутого замкнутого контура, взаимодействующих с напрягаемой арматурой по длине, позволяют длительно сохранить эффект преднапряжения в конструкции, а также увеличить реактивные силы благодаря суммированию сил обжатия компенсаторов. Однако использование таких арматурных элементов для создания и сохранения длительного эффекта преднапряжения в несущих балочных конструкциях показало на недостаточную несущую способность и изгибную жесткость компенсаторов потерь предварительного напряжения в арматуре. Это указывает на то, что запас потенциальной энергии в компенсаторах недостаточен для сохранения требуемого эффекта предварительного напряжения в арматуре. Выполненные натурные испытания арматурных элементов, содержащих пустотелые элементы выпукло-вогнутого очертания, и оценка их напряженно-деформированного состояния показали, что выпукло-вогнутое очертание упругих компенсаторов значительно увеличивает их деформативность, снижается прочность сечения в зоне выпуклого участка от максимального изгиба. Увеличение поперечного сечения элемента способствует увеличению общих размеров всего контурного очертания компенсаторов, что не всегда желательно при проектировании балочных пролетных строений. Переплетение арматурных стержней между соседними компенсаторами приводит к неравномерному перераспределению реактивных усилий от компенсаторов за счет возникающих сил трения между арматурными стержнями в местах перехлеста.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение несущей способности компенсатора, увеличение запаса потенциальной энергии реактивных сил для всей напрягаемой арматурной системы, обеспечение гарантированной надежности его работы при любых видах нагрузок, а также расширение области использования.

Технический результат достигается за счет использования упругих свойств кольцевого замкнутого контура и упругих элементов разнообразной конструктивной формы, расположенных в его полости, обладающих значительной упругостью и нелинейным характером деформирования; возможности изменения схемы чередования конструктивных решений упругих элементов по длине арматурного элемента; варьирования поперечным сечением изогнутых полос кольцевого замкнутого контура и упругих элементов, расположенных в его полости, а также использования фиксирующих колец, позволяющих перехватывать арматурные стержни между соседними компенсаторами с возможностью свободного их перемещения по длине арматурного элемента, значительного снижения сил трения в местах сопряжения арматурных стержней. Таким образом, создаются большие реактивные силы и потенциальный запас энергии для сохранения длительного эффекта и гарантированного преднапряжения в арматурном элементе, а также достигаются высокие демпфирующие свойства, сохраняющиеся длительно во времени при действии как динамических, так и пульсирующих нагрузок.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в арматурном элементе, содержащем арматуру с концевыми анкерами, изогнутую по синусоиде и переплетеную между соседними компенсаторами потерь предварительного напряжения в арматуре, упругие компенсаторы выполнены в виде кольцевых контуров, образованных из изогнутых полос со встречно направленной вогнутостью, шарнирно соединенных между собой, при этом в полостях кольцевых контуров расположены упругие элементы +-образной, либо Ж-образной формы, образованных из попарно изогнутых полос со встречно направленной вогнутостью, закрепленных своими вершинами к шарнирам кольцевого контура, при этом арматура между соседними компенсаторами перехвачена фиксирующими кольцами с возможностью свободного перемещения и контактирования с компенсаторами в шарнирах кольцевого контура. При этом упругие элементы, расположенные в полостях кольцевых контуров, могут быть в виде полых фигур образованных из трех, четырех, пяти, шести изогнутых полос со встречно направленной выпуклостью. Изогнутые полосы компенсатора могут быть с переменным поперечным сечением, увеличивающимся от концов к середине их длины.

Выполнение компенсаторов потерь предварительного напряжения в виде кольцевых замкнутых контуров, образованных из изогнутых полос со встречно направленной вогнутостью, шарнирно соединенных между собой, в полостях которых установлены упругие элементы из изогнутых полос, шарнирно закрепленных своими концами к шарнирам кольцевого контура, и имеющие возможность контактирования с напрягаемой арматурой, расположенной по внешнему кольцевому контуру и перехваченной фиксирующими кольцами между соседними компенсаторами, позволяет получить в сравнении с известным техническим решением новые свойства, заключающиеся в создании достаточно больших реактивных сил и увеличении запаса потенциальной энергии для создания и длительного сохранения эффекта предварительного напряжения в арматуре, повышение несущей способности и надежности в работе по компенсации потерь начально созданных напряжений в арматуре, образующихся по причине ползучести и релаксации низкомодульного материала строительной конструкции; также благодаря нелинейному деформированию и способу размещения в полости кольцевых замкнутых контуров упругих элементов из изогнутых полос как со встречно направленной вогнутостью, так и со встречно направленной выпуклостью, а также схемы размещения чередующихся упругих элементов по длине напрягаемой арматуры, создаются высокие демпфирующие свойства и несущие способности, длительно сохраняющиеся во времени при различных силовых воздействиях на конструкцию.

На фигуре 1 изображен арматурный элемент с компенсаторами потерь предварительного напряжения в арматуре, общий вид; на фигуре 2, 3 - варианты выполнения сборного арматурного элемента в аксонометрии, в напряженном состоянии; на фигурах 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 - варианты выполнения компенсаторов, общий вид и в аксонометрии; на фигуре 12 - опытно-экспериментальная установка.

Арматурный элемент содержит, по меньшей мере, три продольных стержня 1, которые взаимодействуют с другими компенсаторами 2 при помощи концевых анкеров 3. Упругие компенсаторы 2 выполнены в виде кольцевых контуров, образованных из изогнутых полос со встречно направленной вогнутостью, шарнирно соединенных между собой, а в полости кольцевых контуров расположены упругие элементы, причем очертание упругих элементов может быть выполнено, например, в виде +-образной формы, образованной из попарно изогнутых полос со встречно направленной вогнутостью - 4, Ж-образной формы - 5, полых многоугольных фигур, образованных из трех изогнутых полос со встречно направленной выпуклостью - 6, четырех - 7, пяти - 8, шести - 9. Изогнутые полосы компенсаторов 2 могут быть выполнены с переменным сечением, увеличивающимся от концов к середине их длины как для упругих элементов - 10, так и кольцевого контура - 11.

Сборку арматурного элемента производят следующим образом. По крайней мере, три продольных арматурных стержня 1 объединяют на одном концевом участке анкером 3. Затем другие свободные концы арматурных стержней 1 пропускают сквозь заранее подготовленные фиксирующие кольца 12. Количество фиксирующих колец 12 соответствует количеству периодов синусоиды, устанавливаемых с шагом 2πn по длине арматурного элемента, описываемого графиком функции y=Sin х±1. Внутренний диаметр фиксирующих колец 12 равен 3...4 диаметра одного арматурного стержня 1. После установки требуемого количества фиксирующих колец 12 свободные концы арматурных стержней 1 объединяют анкером 3. Затем на определенном участке по длине арматурного элемента с шагом 2πn (в середине каждого полупериода синусоиды) между стержнями 1 устанавливают компенсатор 2 в сборе таким образом, чтобы арматурные стержни 1 контактировали с внешним кольцевым контуром компенсатора 2 в шарнирных соединениях и свободно перемещались. В полости кольцевого контура компенсатора 2 расположены упругие элементы. Конструктивное решение упругих элементов может быть разнообразным как по форме (фиг.4...9), так и поперечному сечению (фиг.10, 11), зависит от требуемого реактивного усилия в компенсаторе 2 для создания и сохранения эффекта предварительного напряжения в арматурных стержнях 1, соответственно и строительной конструкции (не показана).

Арматурный элемент работает следующим образом. Для выполнения предварительного обжатия строительной конструкции (не показана) с целью создания в ней внутренних напряжений, противоположных по знаку напряжениям от внешней нагрузки, осуществляют натяжение арматурных стержней 1 домкратом, соединенным с концевым анкером 3. При натяжении арматурных стержней 1 компенсаторы 2, установленные с определенным шагом вдоль арматурного элемента, начинают деформироваться, в результате этого арматурный элемент удлиняется, концевые анкерные участки с анкерами 3, взаимодействующие с обжимаемой строительной конструкцией (не показана), приобретают мощное реактивное усилие (потенциальную энергию). Величиной обжатия строительной конструкции реактивными усилиями можно варьировать путем установки суммарного количества компенсаторов 2, путем чередования разнообразных конструктивных форм упругих элементов по длине арматурного элемента. Большое разнообразие конструктивных форм упругих элементов компенсатора 2 позволяет создавать реактивные усилия в арматурном элементе как вдоль, так и поперек строительной конструкции, может быть переменным по длине.

После натяжения арматурных стержней 1 до требуемой контролируемой величины предварительного натяжения осуществляют их крепление и фиксирование в строительной конструкции (не показана) известными способами. В результате действия реактивных сил от арматурного элемента строительная конструкция подвергается мощному обжатию, в результате возникают внутренние напряжения, позволяющие снизить деформативность и трещинообразование от действия внешних нагрузок (статических, динамических, пульсирующих), расширяется область использования композитных материалов в строительных конструкциях, увеличивается их несущая способность и надежность.

При длительном воздействии внешних нагрузок на строительную конструкцию и внутреннее обжатие реактивными силами в материале конструкции происходят явления ползучести и релаксации, которые приводят к потере начально созданных сил и напряжений в арматуре, соответственно и в конструкции. Компенсаторы 2, выполненные в виде кольцевых контуров с упругими элементами разнообразной конструктивной формы, мгновенно реагируют на изменения деформаций как в материале конструкций, так и в самой арматуре, в результате этого в арматурных стержнях 1 длительно сохраняется заданный эффект предварительного напряжения, соответственно и в строительной конструкции. Благодаря разнообразию конструктивных форм упругих элементов в компенсаторах 2 и возможности варьирования переменным сечением изогнутых полос, из которых формируются кольцевые контуры и упругие элементы, арматурный элемент приобретает дополнительные преимущества в сравнении с известными техническими решениями - значительное увеличение реактивных сил обжатия конструкции, обеспечение достаточной прочности и надежности работы элементов компенсатора, повышение демпфирующих свойств, расширение области применения в конструкциях зданий и сооружений.

Изобретение позволяет повысить надежность работы компенсаторов и длительно сохранять эффект предварительного напряжения в строительных конструкциях из дерева, полимербетонов, железобетона, композитных материалов, обладающих свойствами длительной ползучести, трещинообразования, деформациями последействия при длительных нагрузках; снижать резонансные явления от действия подвижной, пульсирующей, динамической нагрузок, может быть использовано по функциональному назначению как демпфер в строительных конструкциях, для промышленного оборудования, в различных сооружениях многоцелевого назначения.

Источники информации

1. Патент РФ 2109894, кл. Е04С 5/08. Бюл.12, 1998.

2. Патент РФ 2211900, кл. Е04С 5/08. Бюл.25, 2003.

1. Арматурный элемент, содержащий арматуру с концевыми анкерами, изогнутую по синусоиде и переплетеную между соседними упругими компенсаторами потерь предварительного напряжения в арматуре, отличающийся тем, что упругие компенсаторы выполнены в виде кольцевых контуров, образованных из изогнутых полос со встречно направленной вогнутостью, шарнирно соединенных между собой, при этом в полостях кольцевых контуров расположены упругие элементы +-образной, либо Ж-образной формы, образованные из попарно изогнутых полос со встречно направленной вогнутостью, закрепленных своими вершинами к шарнирам кольцевого контура, или упругие элементы из полых фигур, образованных из 3-х, 4-х, 5-ти либо 6-ти изогнутых полос со встречно направленной выпуклостью, соединенных между собой с внутренним кольцевым контуром.

2. Арматурный элемент по п.1, отличающийся тем, что изогнутые полосы упругого компенсатора выполнены с переменным поперечным сечением, увеличивающимся от концов к середине их длины.