Арматурный каркас
Владельцы патента RU 2331743:
Сычев Виктор Васильевич (RU)
Сахарова Марина Петровна (RU)
Вафин Рашит Каримович (RU)
Ширшов Анатолий Артемович (RU)
Техническое решение относится к области строительства, а именно к конструкции арматурных каркасов, используемых в различных строительных конструкциях - плитах перекрытий и стеновых плитах, а также в дорожном, промышленном и гражданском строительстве, а именно к конструкции армированных плит. Задачей является повышение жесткости арматурного каркаса и обеспечение возможности повышения несущей способности строительных конструкций, включающих предлагаемый каркас, в частности повышение характеристик их изгибной прочности за счет перераспределения в конструкции действующих на нее нагрузок. Предлагаемый арматурный каркас высокотехнологичен как в производстве, так и при его сборке непосредственно на объекте. Достигается это тем, что арматурный каркас содержит арматурные стержни, наклонно расположенные по ребрам тетраэдров, ориентированных вершинами в противоположные стороны, при этом каждый из образованных стержнями тетраэдров имеет общие для смежных их сторон арматурные стержни и размещенные в его вершинах узловые элементы по форме цилиндров с отверстиями на боковой поверхности, в которых размещены концы наклонно расположенных арматурных стержней. Арматурные стержни могут иметь отогнутые концы, а отверстия узловых элементов расположены радиально. По крайней мере, часть узловых элементов выполнена с аксиальным отверстием, сообщенным с отверстиями для размещения арматурных стержней или с торцевыми резьбовыми выступами для фланцев. Кроме того, арматурные стержни и/или узловые элементы могут быть выполнены из стеклопластика. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Предлагаемое техническое решение относится к области строительства, а именно к конструкции арматурных каркасов, используемых в различных строительных конструкциях, плитах перекрытий и стеновых плитах, а также в дорожном, промышленном и гражданском строительстве, в том числе аэродромного строительства, а именно к конструкции армированных плит, используемых для восприятия нагрузки при движении по ним или по сооружаемому на них покрытию.
Из известных наиболее близким является арматурный каркас, используемый в изобретении по авторскому свидетельству СССР №1731914 А1, 1992 г., в котором стержни арматурного каркаса образуют друг с другом тетраэдры, причем ножки наклонных к основанию тетраэдра стержней, выходящих за плоскость основания, отогнуты нормально к плоскости основания для помещения в теплоизоляционный слой, а на одном из свободных концов наклонных стержней установлен пластмассовый колпачок с продольным отверстием на конце для пропуска соединяющего каркасы по вертикали круглого монтажного стержня с анкерующим уширением на его конце.
Известные арматурные каркасы сложны по конструкции и малотехнологичны, кроме того, требуют использования высокопрочного бетона и значительного количества арматурной стали для обеспечения восприятия эксплуатационных нагрузок, поскольку не имеют неподвижных прочных узлов соединения стержней, препятствующих разрушению строительных конструкций от возникновения чрезмерных изгибающих нагрузок, обусловленных, например, изменением схемы внешнего воздействия на имеющую арматурный каркас строительную конструкцию. Такие изменения воздействия происходят, как правило, под воздействием внешних факторов, проявления стихии - землетрясения, ураганы и т.п.
Задачей настоящего технического решения является повышение жесткости арматурного каркаса и обеспечение возможности повышения несущей способности строительных конструкций, включающих предлагаемый каркас, в частности повышение характеристик их изгибной прочности за счет перераспределения в конструкции действующих на нее нагрузок. Предлагаемый арматурный каркас высокотехнологичен как в производстве, так и при его сборке непосредственно на объекте.
Достигается это тем, что арматурный каркас содержит арматурные стержни, наклонно расположенные по ребрам тетраэдров, ориентированных вершинами в противоположные стороны, при этом каждый из образованных стержнями тетраэдров имеет общие для смежных их сторон арматурные стержни и размещенные в его вершинах узловые элементы по форме цилиндров с отверстиями на боковой поверхности, в которых размещены концы наклонно расположенных арматурных стержней. Арматурные стержни могут иметь отогнутые концы, а отверстия узловых элементов расположены радиально. По крайней мере, часть узловых элементов выполнена с аксиальным отверстием, сообщенным с отверстиями для размещения арматурных стержней или с торцевыми резьбовыми выступами для фланцев. Кроме того, арматурные стержни и/или узловые элементы могут быть выполнены из стеклопластика.
На фиг.1 схематично представлен каркас с частично раскрытой схемой армирования (для характеристики положения тетраэдров два из них выделены утолщенными линиями);
На фиг.2 представлена схема сборки арматурного каркаса.
Рассматриваемая конструкция арматурного каркаса состоит из стержней, т.е. одномерных силовых элементов. По общепринятому определению рама - стержневая конструкция, у которой стержни в местах соединения - узлах - соединены жестко, т.е. отсутствуют взаимные линейные и угловые перемещения. В ферме взаимные угловые перемещения стержней в узлах разрешены. В связи с этим в каждом узле имеет место шесть степеней свободы, а не три (как в ферме). Вследствие ограничений на угловые перемещения в стержнях помимо нормальных сил возникают крутящий и изгибающий моменты. Поэтому стержень следует рассматривать не как один элемент, а разбивать его на несколько участков - элементов. Такая операция приводит к значительному увеличению порядка глобальной матрицы жесткости. Положительные осевые перемещения обозначены u. Нижним индексом 1 отмечена принадлежность к начальному сечению; индексом 2 - к конечному сечению. Распределение осевых перемещений по конечному элементу аппроксимировано полиномом первого порядка:
u(x)=u1(1-x/l)+u2x/l, (4.1)
где l - длина конечного элемента;
u1, u2 - осевые перемещения начального узла и конечного узлов соответственно;
х - осевая координата, отсчитываемая от начального узла. Осевая деформация будет равна:
Осевая сила определена согласно закону Гука с учетом температурных деформаций:
где QXO=EFεx;
EF - погонная жесткость на растяжение-сжатие;
Е - модуль упругости;
F - площадь поперечного сечения;
QXT=EFαΔT - температурная составляющая осевой силы;
α - коэффициент линейного температурного расширения материала;
ΔT - изменение температуры, отсчитываемое от температуры монтажа конструкции (считается постоянной в области КЭ).
По принципу Даламбера, после "остановки" системы и приложения инерционных сил, формулировка принципа возможных перемещений для отдельного конечного элемента при растяжении имеет следующий вид:
где 
- осевое ускорение,
ρ - плотность материала;
- осевые силы реакций от отброшенных элементов;
δ - знак вариации;
δu1, δu2 - возможные осевые перемещения начального и конечного узлов (любые числа).
Подстановка (4.1)-(4.3) в (4.4) дает
где 
ρF - погонная масса КЭ.
Поскольку δu1, δu2, - любые возможные узловые осевые перемещения, то из (4.5) получаем
Это уравнение позволяет связать узловые осевые реакции с узловыми осевыми перемещениями и ускорениями.
В плане арматурный каркас 1 может быть выполнен в виде прямоугольника или многоугольника, предпочтительно, правильного шестиугольника. Форма каркаса определяется расчетом и формой изделия 2. Арматурный каркас 2 выполнен из размещенных в нижнем и верхнем поясах узловых элементов 3 и соединенных с ними наклонно расположенные арматурных стержней 4. Такое соединение должно образовать ориентированные вершинами вверх и вниз связанные между собой тетраэдры (см. фиг.1, для пояснения расположения тетраэдров два из них выделены утолщенными линиями). При этом смежные тетраэдры имеют общие для них арматурные стержни. Узловые элементы 3 выполнены в виде расположенных перпендикулярно плоскости плиты цилиндров с отверстиями 5 на боковой поверхности, в которых размещены концы наклонно расположенных арматурных стержней 4.
Арматурный каркас позволяет использовать его при непрерывном бетонировании дороги или полосы аэродрома, а также для длинномерных изделий - плит перекрытий и стеновых плит.
Для обеспечения технологичности изготовления и сборки каркаса арматурные стержни 3 имеют отогнутые концы 6, а узловые элементы выполнены с радиально расположенными отверстиями, в которых расположены отогнутые концы 6 наклонно расположенных арматурных стержней 4. Часть узловых элементов 3 может быть выполнена с аксиальным отверстием, сообщенным с отверстиями для размещения арматурных стержней или с торцевыми резьбовыми выступами 7 для фланцев 8.
Сборка арматурного каркаса осуществляется последовательным соединением арматурных стержней 4, соединяя их с узловыми элементами 3, например, размещая их в отверстиях 5. При этом образуется арматурный каркас в виде системы объединенных тетраэдров (см. фиг.1). Арматурный каркас собранный таким образом, является достаточно жесткой и прочной конструкцией, обеспечивающей перераспределение возникающих в плите эксплуатационных нагрузок, в том числе и нештатных, обеспечивая при этом сохранение несущей способности плиты. Арматурный каркас при использовании его в непрерывном цикле бетонирования (при возведении монолитных сооружений) может быть изготовлен непосредственно на месте производства работ путем описанной выше последовательной сборки стержней с узловыми элементами.
1. Арматурный каркас, содержащий арматурные стержни, наклонно расположенные по ребрам тетраэдров, ориентированных вершинами в противоположные стороны, отличающийся тем, что каждый из образованных стержнями тетраэдров имеет общие для смежных их сторон арматурные стержни и размещенные в его вершинах узловые элементы по форме цилиндров с отверстиями на боковой поверхности, в которых размещены концы наклонно расположенных арматурных стержней.
2. Арматурный каркас по п.1, отличающийся тем, что арматурные стержни имеют отогнутые концы, а отверстия узловых элементов расположены радиально,
3. Арматурный каркас по п.1 или 2, отличающийся тем, что, по крайней мере, часть узловых элементов выполнена с аксиальным отверстием, сообщенным с отверстиями для размещения арматурных стержней или с торцевыми резьбовыми выступами для фланцев.
4. Арматурный каркас по п.1 или 2, отличающийся тем, что арматурные стержни и/или узловые элементы выполнены из стеклопластика.
