Составная деревобетонная балка
Изобретение относится к области мостостроения и строительства. Технический результат - увеличение несущей способности и повышение запаса прочности и надежности балки. Балка содержит дощатоклееную деревянную стенку, объединенную по верхней грани с железобетонной плитой при помощи сдвиговоспринимающих элементов, заанкереных одними концами в наклонных глухих пазах стенки клеевой полимербетонной композицией и поперечными стержневыми нагелями, а другими концами в железобетонной плите. Сдвиговоспринимающие элементы выполнены в виде наклонных дугообразных элементов с изогнутыми концевыми участками, вставленными попарно в глухие наклонные пазы деревянной стенки, или в виде элементов замкнутого контура. 1 з.п. ф-лы, 15 ил.
Изобретение относится к области мостостроения, может быть использовано в несущих конструкциях покрытия и перекрытия промышленных и гражданских зданий.
Известны конструктивные решения объединения деревянной дощатоклееной балки с железобетонной плитой посредством сдвиговоспринимающих устройств в виде нагелей, устанавливаемых дискретно перпендикулярно относительно продольной оси в предварительно высверленные гнезда в деревянной балке [1].
Однако такие технические решения обладают существенным недостатком, как, например, податливость соединения при взаимном сдвиге железобетонной плиты и деревянной балки по причине недостаточной прочности древесины на смятие в зоне анкеровки и изгиба нагелей.
Известны также сдвиговоспринимающие устройства в составной деревожелезобетонной балке, преимущественно моста, включающей дощатоклееную стенку из дерева, железобетонную плиту, объединенную со стенкой посредством сдвиговоспринимающих устройств в виде наклонных и вертикальных стержней, установленных одним концом в высверленные наклонные и вертикальные гнезда и заанкеренных клеевой композицией в стенке, а другим концом в железобетонной плите [2, стр. 31].
В известном техническом решении сдвиговоспринимающие элементы в виде наклонных вклеенных стержней (см. [2], стр.31, обр. 1 и 2) позволяют обеспечить совместную работу железобетонной плиты и деревянной стенки достаточно долго до определенного этапа загружения, но при этом возникают значительные деформации сдвига и соответственно прогибы всей составной деревожелезобетонной балки. При установке вертикальных стерженьковых нагелей в качестве сдвиговоспринимающих элементов (см. [2], стр. 31, обр. 3), но при значительном дисперсном увеличении их количества постановки в отверстия и заанкеривания клеевой композицией, позволяют значительно снизить деформации сдвига до определенного этапа загружения, но при этом возникает технологическая трудоемкость и сложность нагнетания клеевой композиции в высверленные отверстия, процесс качества анкеровки сдвиговоспринимающих элементов в дощатоклееной стенке трудно контролируется, снижается фактор надежности совместной работы плиты и стенки.
Наиболее близкой к изобретению по совокупности признаков является составная деревобетонная балка, включающая дощатоклееную стенку из дерева и верхнюю железобетонную плиту, объединенную со стенкой посредством сдвиговоспринимающих устройств в виде соединительных Г-образных элементов из стержневой арматуры, размещенных одними концами в глухих дугообразных пазах, которые образованы по верхней грани стенки и заанкереных клеевой полимербетонной композицией, а другими концами анкеруются в железобетонной плите [3].
В известном техническом решении сдвиговоспринимающие Г-образные элементы, заанкеренные в глухих дугообразных пазах посредством полимербетонной клеевой композиции, заполняющей дугообразные глухие пазы и формирующей защитную прослойку по верхней грани деревянной стенки, позволяют значительно снизить деформации сдвига до определенного этапа загружения, но после появления поперечных трещин в полимербетонной прослойке из-за концентрации напряжений на границе сопряжения с Г-образным сдвиговоспринимающим элементом происходит неравномерный отрыв и скалывание дугообразной полимербетонной шпонки. При таком характере разрушения анкерующего гнезда происходит недостаточное использование прочностных свойств материала сдвиговоспринимающих элементов.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение несущей и анкерующей способности сдвиговоспринимающих элементов, увеличение запаса прочности и надежности работы составной конструкции при любых видах внешней нагрузки, сохранение длительного эффекта совместной работы разномодульных материалов.
Технический результат достигается за счет надежной анкеровки и устранения концентраторов напряжений при взаимно противоположном сдвиге железобетонной плиты и дощатоклееной деревянной стенки, благодаря наклонным к продольной оси стенки дугообразным сдвиговоспринимающим элементам с изогнутыми концевыми участками, или в виде замкнутого контура расположенных в дугообразных наклонных к продольной оси стенки глухих пазах и заанкереных полимербетонной клеевой композицией в стенке, а также дополнительными анкерующими устройствами в виде стержневых нагелей, пропущенных сквозь поперек глухих наклонных пазов стенки и сдвиговоспринимающих элементов; возможности чередования схемы расстановки конструктивных решений сдвиговоспринимающих элементов по длине деревянной стенки в зависимости от эпюры напряжений сдвига, при этом достигается дисперсная схема расстановки сдвиговоспринимающих элементов и так называемый принцип дробности, позволяющий перераспределять максимальные сдвигающие усилия между двумя составляющими - плитой железобетонной и стенкой дощатоклееной.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что составная деревобетонная балка, включающая стенку из дерева и железобетонную плиту, объединенную со стенкой в верхней грани посредством сдвиговоспринимающих устройств из стержневой арматуры, размещенных одними концами в глухих пазах, которые образованы по верхней грани стенки и заанкереных клеевой полимербетонной композицией, а другими концами анкеруются в железобетонной плите, отличается от прототипа тем, что каждый глухой паз имеет дугообразный и наклонный к продольной оси стенки участки, а сдвиговоспринимающие устройства выполнены в виде наклонных дугообразных элементов с изогнутыми концевыми участками вставленными попарно в глухие пазы деревянной стенки или в виде элементов замкнутого контура. При этом, начиная от торца деревянной балки к ее средней части на расстоянии от 0,15 до 0,3 перекрываемого пролета, установлены дополнительные анкерные устройства для сдвиговоспринимающих элементов в виде стержневых нагелей, пропущенных сквозь поперек глухих наклонных пазов стенки и сдвиговоспринимающих элементов.
Выполнение конструктивной системы сдвиговоспринимающих устройств, позволяющей объединить два разномодульных конструктивных элемента путем взаимосвязи соединительных элементов с наклонными полимербетонными шпонками, жестко связанных с древесиной глухих пазов стенки в ее верхней плоской грани, а также с железобетонной плитой, позволяет создавать рациональное составное сечение композитной конструкции, периферийные зоны которой работают эффективно. Выполнение наклонных анкерующих шпонок из полимербетонной клеевой композиции позволяет значительно уменьшить уязвимые свойства древесины при действии сдвигающих и отрывающих усилий от внешней нагрузки, позволяет оптимизировать расход материала сдвиговоспринимающих элементов. Выполнение сдвиговоспринимающих элементов дугообразной формы с изогнутыми концами либо замкнутого контура позволяет дополнительно увеличивать анкерующие возможности для сдвиговоспринимающих элементов, тем самым повысить степень надежности работы составной деревобетонной балки. Конструктивное решение сдвиговоспринимаюших элементов позволяет унифицировать схему расстановки их по длине деревянной балки исходя из существующего пролета и эпюры напряжений сдвига от внешней нагрузки. Можно варьировать как взаиморасположением, так и необходимой дисперсной схемой анкеровки, позволяющей применять принцип дробности сдвигающих усилий. Принятая схема наклонного размещения сдвиговоспринимающих элементов в дугообразных глухих пазах, выполненных с уклоном к продольной оси стенки дощатоклееной балки, позволила практически исключить отрицательное влияние изгибающего момента на напряженно-деформированное состояние сдвиговоспринимающего устройства в целом.
На фиг.1 изображена составная деревобетонная балка, общий вид; на фиг.2 - разрез 1-1 на фиг.1; на фиг.3 - общий вид дугообразного сдвиговоспринимающего элемента с изогнутыми концевыми участками, общий вид; на фиг.4 - общий вид сдвиговоспринимающего элемента в виде замкнутого контура; на фиг.5 - поперечный разрез составной балки 1-1 со сдвиговоспринимающими элементами на фиг.4; на фиг.6 - разрез 2-2 на фиг.2; на фиг.7 - разрез 3-3 на фиг.5; на фиг.8 - общий вид составной деревобетонной балки с дополнительными анкерными поперечными стержневыми нагелями для сдвиговоспринимающих элементов на части длины пролета; на фиг.9 - разрез 4-4 на фиг.8; на фиг.10 - фрагмент заанкеривания дугообразного сдвиговоспринимающего элемента с изогнутыми концевыми участками с помощью поперечного стержневого нагеля; на фиг.11 - то же, фрагмент заанкеривания сдвиговоспринимающего элемента замкнутого контура с помощью поперечного стержневого нагеля в пазу; на фиг.12 - общий вид деревянной балки со смешанной схемой установки сдвиговоспринимающих элементов, заанкереных полимербетонной клеевой композицией; на фиг.13 - общий вид глухих пазов, образованных по верхней грани деревянной балки; на фиг.14 - разрез 5-5 на фиг 13; на фиг.15 - расчетная схема конструктивного очертания глухого наклонного паза на фиг.13, 14.
Составная деревобетонная балка содержит дощатоклееную стенку 1, объединенную по верхней грани с железобетонной плитой 2 при помощи сдвиговоспринимающих устройств 3. Сдвиговоспринимающие устройства 3 выполнены в виде дугообразных элементов с изогнутыми концевыми участками, причем очертание элементов 3 может быть выполнено, например, в виде замкнутого контура 4. Сдвиговоспринимающие устройства 3, 4 заанкерены в дощатоклееной стенке 1 в наклонных к продольной оси глухих дугообразных пазах 5 при помощи клеевой полимербетонной композиции 6. Сдвиговоспринимающие устройства 3, 4 могут быть заанкерены дополнительно стержневыми нагелями 7, размещенными на концевых приопорных участках дощатоклееной стенки 1, пропущенных сквозь поперек глухих наклонных пазов 5 и сдвиговоспринимающих элементов 3, 4.
Сборку составной дощатоклееной балки производят следующим образом. Первоначально в дощатоклееной деревянной стенке 1 вдоль верхней грани выполняют глухие наклонные к продольной оси пазы 5 при помощи цепного электродолбежника. Шаг пазов 5 зависит от величины сдвигающего усилия между стенкой 1 и плитой 2. Угол наклона пазов 5 принимается от 30°до 35° относительно продольной оси стенки 1, глубина пазов 5 составляет от 8 до 11 диаметров сдвиговоспринимающего элемента 3, радиус закругления глухого паза 5 от 4 до 6 диаметров сдвиговоспринимающего элемента 3, диаметр сдвиговоспринимающего элемента 3 из стержневой арматуры от 12 до 14 мм. Конструктивное очертание глухого наклонного паза 5 (фиг.15) можно представить в системе координат Х-У в виде параметрического уравнения дуги AD окружности:
X=R·cosϕ
Y=R·sinϕ+R·cosϕ при значениях ϕ
π/2+ϕ≤ϕ≤3π/2+ϕ;
а так же уравнением прямой DC:
Y=-tgϕ·X+R·cosϕ+R/cosϕ,
где R - радиус окружности,
ϕ - угол наклона оси паза 5 к оси Х (продольная ось балки).
После выполнения требуемого количества пазов 5, осуществляется крепление временной опалубки по боковым и торцевым сторонам дощатоклееной стенки 1, затем все пазы 5 тщательно очищаются от древесной пыли сжатым воздухом, устанавливаются в пазы 5 предварительно изготовленные сдвиговоспринимающие элементы 3, 4. Причем, типы устанавливаемых сдвиговоспринимающих элементов 3, 4, либо их сочетание зависит от действующих внешних силовых факторов на составную деревобетонную балку. После расстановки сдвиговоспринимающих элементов 3, 4 в подготовленные пазы 5 в проектное положение осуществляется заливка в опалубку предварительно подготовленной полимербетонной клеевой композиции 6.
Полимербетонная клеевая композиция 6 заполняет полости пазов 5 и заполняет полость опалубки (не показана), образуя прослойку толщиной 0,8...1,5 диаметра сдвиговоспринимающего элемента 3, 4. После полимеризации полимербетонной композиции 6 временная опалубка снимается и дощатоклееная деревянная стенка 1 со сдвиговоспринимающими элементами 3, 4 готова к объединению с железобетонной плитой 2.
Для заанкеривания сдвиговоспринимающих устройств 3, 4 в пазах 5 дощатоклееной стенки 1, кроме клеевой полимербетонной композиции 6, могут быть еще использованы и дополнительные анкерные устройства в виде стержневых нагелей 7 (фиг.8-11), пропущенных сквозь поперек глухих наклонных пазов 5 стенки 1 и сдвиговоспринимающих элементов 3, 4. Установка дополнительных анкерных стержневых нагелей осуществляется на концевых приопорных участках от торца деревянной балки 1 к ее средней части на расстоянии от 0,15 до 0,3 длины перекрываемого пролета до начала заливки полимербетонной клеевой композиции 6. Для этой цели перед началом установки сдвиговоспринимающих элементов 3, 4 в наклонные пазы 5, выполняют контрольные замеры глубины каждого вырезанного паза 5 с пометками на боковой грани деревянной балки 1, затем отмеряют у одного торца балки 1 размер участка 0,15...0,3 длины всей балки, затем у другого концевого участка. После этого помечают на боковой поверхности балки 1 места для сверления сквозных поперечных отверстий для стержневых нагелей 7 таким образом, чтобы заанкерить сдвиговоспринимающие элементы 3, 4 в глухом пазу 5 стенки 1. После этого просверливают сквозные отверстия в стенке 1 меньшим диаметром, чем диаметр стержневых нагелей 7 на 2 мм, затем устанавливают в пазы 5 сдвиговоспринимающие элементы 3, 4 и забивают с боковой поверхности стенки 1 насквозь поперечные стержневые нагели 7 таким образом, чтобы они проходили по внутреннему диаметру изогнутых концевых участков сдвиговоспринимающих элементов 3, 4 (фиг.9-11). После установки требуемого количества и типа сдвиговоспринимающих элементов 3, 4 и забивки поперечных дополнительных анкерных стержневых нагелей 7 выставляется временная опалубка (не показана) по боковым и торцевым сторонам верхней грани дощатоклееной стенке 1, все пазы очищаются сжатым воздухом от пыли и стружек, а затем осуществляется заливка в опалубку стенки 1 предварительно подготовленной полимербетонной клеевой композиции 6. После полимеризации анкерующей полимербетонной композиции 6 балка готова к объединению с железобетонной плитой 2. Конструктивное решение сдвиговоспринимающей системы направлено на эффективное использование прочностных свойств материалов, обеспечение надежности работы составной деревобетонной балки как при статических, так и динамических, пульсирующих внешних нагрузках. Разработанная конструктивная система сдвиговоспринимающих устройств в составной деревобетонной балке позволяет создавать рациональное составное сечение композитной конструкции, в результате все периферийные зоны конструктивных разномодульных элементов работают эффективно.
Составная деревобетонная балка работает следующим образом. После изготовления балки ее несущая способность оценивается равенством момента внешних сил моменту внутренних сил относительно центров тяжести линейных эпюр растянутой и сжатой зон взаимно уравновешиваемых относительно нейтральной оси. Для эффективного использования прочностных свойств составляющих материалов в периферийных зонах сечения необходимо, чтобы нейтральная ось проходила на высоте сечения не по древесине, а другому материалу, обладающему достаточно высоким пределом прочности на скалывание и отрыв при взаимном продольном сдвиге стенки 1 и плиты 2, описываемого графиком функции y=cosx, который называется косинусоидой и показывает, что максимальные сдвигающие усилия развиваются на концевых участках составной балки от торцов к середине пролета на расстоянии до 0,3 длины перекрываемого пролета. Этому требованию прочности и надежной работы на сдвиг и отрыв хорошо удовлетворяет принятое конструктивное решение размещения и анкеровки сдвиговоспринимающих элементов 3, 4, устанавливаемых в наклонных к продольной оси стенки 1 глухих пазах 5, и тип полимерного клеевого связующего 6, позволяющего обеспечить монолитность всего сечения и технологичность изготовления составной конструкции. Унификация конструктивного решения сдвиговоспринимающих элементов 3, 4 позволяет варьировать схемой расстановки и анкеровки, применять принцип дробности сдвигающих усилий на опасных участках составной бимодульной конструкции.
Изобретение позволяет повысить несущую способность составной деревобетонной балки благодаря увеличению жесткости и надежности соединения железобетонной плиты с дощатоклееной деревянной стенкой. Выполнение унифицированной системы анкеровки и дисперсной схемы расстановки унифицированных сдвиговоспринимающих элементов в наклонных глухих пазах во взаимосвязи с полимербетонной клеевой композицией позволяет варьировать положением нейтральной оси составного сечения балки, прогнозировать характер распределения сдвигающих усилий, эффективно использовать прочностные свойства составляющих сечение конструкционных материалов и оптимизировать параметры сечения балки. Изобретение может быть использовано при реконструкции и реставрации деревянных конструкций перекрытия памятников истории и культуры, при возведении купольных, плоских покрытий и перекрытий больших и малых пролетов, при конструировании подкрановых балок промышленных зданий благодаря хорошим демпфирующим свойствам древесины.
Источники информации
1. Кулиш В.И. Клееные деревянные мосты с железобетонной плитой. - М.: Транспорт, 1979, с.43-50.
2. Стуков В.П. Мосты с балками комбинированного сечения из клееной древесины и железобетона. - Архангельск, 1997, с.23-31.
3. Патент РФ №2172371, Е01D 22/00, 19/00, E04С 3/10. - Бюл. №23 от 20.08.2001.
1. Составная деревобетонная балка, включающая стенку из дерева и железобетонную плиту, объединенную со стенкой в верхней грани посредством сдвиговоспринимающих устройств из стержневой арматуры, размещенных одними концами в глухих пазах, которые образованы по верхней грани стенки и заанкереных клеевой полимербетонной композицией, а другими концами анкеруются в железобетонной плите, отличающаяся тем, что каждый глухой паз имеет дугообразный и наклонный к продольной оси стенки участки, а сдвиговоспринимающие устройства выполнены в виде наклонных дугообразных элементов с изогнутыми концевыми участками, вставленными попарно в глухие пазы деревянной стенки или в виде элементов замкнутого контура.
2. Составная деревобетонная балка по п.1, отличающаяся тем, что на концевых приопорных участках от торца деревянной балки к ее средней части на расстоянии от 0,15 до 0,3 перекрываемого пролета установлены дополнительные анкерные устройства для сдвиговоспринимающих элементов в виде стержневых нагелей, пропущенных сквозь поперек глухих наклонных пазов стенки и сдвиговоспринимающих элементов.
