Автоматизированный способ возведения каркаса сооружения

Изобретение относится к области строительства, в частности к способу возведения каркасного здания. Технический результат изобретения заключается в снижении трудоемкости монтажа. Способ возведения каркасного здания заключается в следующем. После сооружения фундамента монтируют трубчатые овальные в сечении колонны каркаса и жестко соединяют их с фундаментом анкерными болтами. Монтируют главные балки каркаса и соединяют их с колоннами. Навешивают на каркас башенным краном оставляемую несъемную опалубку, монтируют бетононасосную станцию и гибкие бетонопроводы. Под давлением инжектируют в трубчатые обоймы способом «снизу вверх» пластичный мелкозернистый расширяющийся бетон и превращают колонны в трубобетонные. После схватывания бетона монтируют главные и второстепенные балки перекрытия. С помощью башенного крана подвешивают к главным и второстепенным балкам перекрытия снизу оставляемую в перекрытии опалубку. Монтируют дополнительную рабочую арматуру перекрытия, монтируют гибкие бетонопроводы, и, управляя с пульта подачей бетона, бетонируют перекрытие и уплотняют бетон вибрированием. Наращивают каркас здания на этаж, и циклы сооружения трубобетонного каркаса огнестойкого здания продолжают до полного возведения каркаса и монолитных перекрытий сооружения. 6 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к автоматизированному способу строительства, в частности к возведению каркасов промышленных и гражданских зданий.

Известен способ возведения монолитного каркаса сооружения в съемной опалубке [1, с.27…54], [2, с.514]. Примем этот способ за аналог. Недостаток аналога - большая трудоемкость процесса возведения монолитного каркаса сооружения и малая механизация процесса возведения.

Известны конструкции из стальных труб, заполненных бетоном [10].

Известен способ усиления железобетонной колонны каркаса сооружения [3], [4], предложенный К.К. Неждановым и разработанный с аспирантами. Утратившую несущую способность в результате коррозии бетона и арматуры железобетонную колонну усиляют стальной овальной в сечении замкнутой обоймой, причем отношение большей оси к меньшей оси делают равным трем единицам. При таком отношении момент сопротивления стальной обоймы относительно оси х достигает максимума.

Заключают поврежденную коррозией железобетонную колонну внутрь стальной обоймы, ориентируя ее большую ось сечения в плоскости эксцентриситета приложения продольной сжимающей силы, уменьшают эксцентриситет. Инжектируют в полость между стальной обоймой и поврежденной железобетонной колонной расширяющийся мелкозернистый бетон, интрузируя его через патрубки в обойме в полость способом «снизу вверх», уплотняют бетон вибрированием. При схватывании бетон расширяется, а стальная обойма препятствует расширению, поэтому обжимает и напрягает усиляемую колонну снаружи со всех сторон. Усиляемая колонна и стальная обойма работают слитно, как единый трубобетонный стержень. Примем этот способ за прототип.

Известен «Автоматизированный способ возведения монолитных фундаментов и стен зданий» [5]. Армирование железобетонных конструкций сооружения осуществлено тканым на текстильных станках кордом. Корд или стальной, или из других прочных волокон. Такой эффективный способ армирования предложен К.К. Неждановым и др.

Автоматизированный способ возведения монолитных фундаментов и стен зданий заключается в том, что монтируют узел приготовления бетонной смеси, бетононасосы и гибкие бетонопроводы, для автоматизированной подачи бетонной смеси. Армирование выполняют прочным, тканым из корда рукавом. Корд внешней обоймы является армирующей сеткой из прочных волокон, находящейся снаружи. Вводят в отверстия рукавов бетонопроводы и инжектируют по ним бетононасосом внутрь рукава пластичную бетонную смесь, удерживая от растекания обоймой из рукава. Примем этот «Автоматизированный способ возведения монолитных фундаментов и стен зданий» также за прототип.

Известны также технические решения, предложенные К.К. Неждановым и др.: «Рама двухпролетного здания» [6] и «Способ управления напряженным состоянием рамы двухпролетного здания фундаментами с реактивными двигателями» [7]. В этих рамах применены эффективные овальные в сечении трубчатые профили, позволяющие значительно снизить материалоемкость и повысить надежность сооружения. Однако огнестойкость таких рам может быть значительно повышена.

Техническая задача способа - автоматизация технологического процесса возведения трубобетонного каркаса сооружения, снижение трудоемкости возведения каркаса и повышение его огнестойкости и надежности.

Техническая задача изобретения - автоматизации технологического процесса возведения трубобетонного каркаса сооружения - решена следующим образом. Трубобетонный каркас сооружения состоит из монолитно соединенных в узлах колонн и ригелей, опирающихся на фундаменты с реактивной тягой.

Автоматизация технологического процесса возведения каркаса сооружения, состоящего из монолитно соединенных в узлах ригелей и колонн, опирающегося на фундаменты, заключается в следующем.

На заводе железобетонных конструкций изготавливают овальную в сечении обойму из стальной замкнутой оболочки с отношением большего габарита к меньшему габариту, равному трем, являющейся одновременно несущей и отделочной обоймой.

Вкладывают внутрь обоймы по центру трубчатый пустотообразователь и фиксируют его по отношению к обойме. Жестко соединяют обойму с базой и оголовком колонны, например, стальным, снабженным карманами для ригелей, и отправляют подготовленную конструкцию на монтажную площадку.

Сооружают фундаменты с реактивной тягой с выступающими из них анкерными болтами, точно до проектной отметки навинчивают на анкерные болты рихтующие гайки. Механизированно безвыверочно монтируют базу обоймы, совмещая отверстия плиты базы с анкерными болтами, выступающими из фундамента, и опускают обойму до упора плиты базы в рихтующие гайки.

Навинчивают на анкерные болты крепежные гайки и этим фиксируют базу обоймы и обойму точно в проектном положении на фундаменте. Аналогично монтируют другие обоймы, монтируют бетононасосную станцию, монтируют гибкие бетонопроводы, управляя с пульта, принудительно под давлением через патрубки инжектируют в овальные обоймы колонн способом «снизу вверх» пластичный мелкозернистый расширяющийся бетон.

Формируют трубобетонные огнестойкие колонны, армированные прочной внешней обоймой, циклы продолжают и формируют все колонны каркаса первого этажа. После схватывания бетона, башенным краном механизированно безвыверочно монтируют стальные овальные в сечении главные балки с отношением большего габарита к меньшему габариту, равному трем, и второстепенные балки перекрытия, являющиеся его жесткой арматурой.

Жестко соединяют балки с оголовками колонн, механизированно подвешивают к главным и второстепенным балкам перекрытия снизу, несъемную оставляемую опалубку, монтируют трубчатую арматуру перекрытия с гребнями по винтовой спирали, монтируют гибкие бетонопроводы, и, управляя с пульта механизированной подачей бетона, бетонируют перекрытие.

Уплотняют бетон вибрированием, наращивают трубобетонный каркас здания на этаж и циклы сооружения трубобетонного огнестойкого каркаса здания продолжают до полного возведения трубобетонного огнестойкого каркаса и монолитных перекрытий сооружения.

На фиг.1, фиг.2 и фиг.3 показана автоматизация технологического процесса возведения трубобетонного каркаса сооружения. На фиг.1 показана база колонны; на фиг.2 - узел соединения ригеля с колонной; на фиг.3 - вид по А-А на фиг.2. Приведен сравнительный расчет прямоугольного железобетонного и трубобетонного сечений центрально сжатой колонны при сопоставимом расходе стали. Величина сжимающей силы составляет 3300 кН. На фиг.4 показана расчетная схема, на фиг.5 - прямоугольное сечение колонны, на фиг.6 - трубобетонное сечение колонны.

Автоматизация технологического процесса возведения трубобетонного каркаса сооружения решена следующим образом. В соответствии с геодезической разбивкой возводят фундаменты 1 с реактивной тягой. В фундаменты 1 замоноличивают анкерные 2 болты. На анкерные 2 болты надевают рихтующие 3 гайки, жестко соединенные с шайбами 4. Точность верхних отметок рихтующих 3 гаек по высоте контролируют по нивелиру. Шайбы 4 требуемого диаметра каждой рихтующей 3 гайки плотно контактируют с верхней поверхность фундамента 1. На верхние торцы рихтующих 3 гаек оперта плита 5 базы колонны.

Механизированно безвыверочно монтируют базу обоймы, совмещая отверстия плиты 5 базы с анкерными 2 болтами, выступающими из фундамента 1, и опускают обойму до упора плиты 5 базы в рихтующие 3 гайки.

Плита 5 имеет отверстия и жестко прикреплена к фундаменту 1 посредством крепежных 6 гаек, жестко соединенных с шайбами 7. Гайки навинчены на анкерные 2 болты, замоноличенные в тело фундамента 1 на достаточную глубину.

Овальная в сечении обойма 8 с отношением большего габарита к меньшему габариту, равному трем, является одновременно несущей обоймой и отделочным слоем трубобетонной колонны. По центру трубобетонной колонны заложен оставляемый в колонне пустотообразователь 9. В нижней части колонны имеется патрубок 10, предназначенный для нагнетания бетона внутрь обоймы. Колонну венчает лоткообразный оголовок 11, в который вкладываются главные 12 балки.

Лоткообразный оголовок 11 колонны имеет отбортованный край 13, на который опирается отбортованный край 14 лотка базы верхней колонны. Для облегчения монтажа в отбортованном краю 14 лотка базы верхней колонны предусмотрены зубья-фиксаторы 15. Отбортованные края стягиваются при помощи болтов 16 с гайками.

База 17 верхней колонны жестко соединена с овальной в сечении обоймой 18 верхней колонны, в нижней части которой предусмотрен патрубок 10 для нагнетания бетона внутрь обоймы.

Затем монтируют второстепенные двутавровые балки 19 перекрытия, являющиеся его жесткой арматурой. Механизированно подвешивают к главным 12 и второстепенным 19 балкам перекрытия снизу несъемную оставляемую опалубку (не показано). Монтируют трубчатую арматуру перекрытия с гребнями по винтовой спирали (не показано), монтируют гибкие бетонопроводы (не показано), и, управляя с пульта механизированной подачей бетона, бетонируют перекрытие.

Уплотняют бетон вибрированием, наращивают трубобетонный каркас здания на этаж и циклы сооружения трубобетонного огнестойкого каркаса здания продолжают до полного возведения трубобетонного огнестойкого каркаса, и монолитных перекрытий сооружения.

Среди основных отличий предлагаемого способа монтажа от известного можно выделить следующие:

1) При установке колонны безвыверочным методом нет необходимости в установочных винтах, так как их роль выполняют рихтующие гайки 4, навинченные непосредственно на анкерные болты 2.

2) Главные балки монтируются безвыверочно, их монтаж упрощен, так как нет необходимости в приваривании горизонтальных накладок для создания жесткого их сопряжения с колонной каркаса (балки являются неразрезными, что благоприятно сказывается на их работе - уменьшается изгибающий момент в пролете): балки укладываются в лоткообразные оголовки 11 колонн нижнего этажа и жестко фиксируются лоткообразными базами 17 колонн верхнего этажа.

3) Установка обоймы колонны 18 последующего этажа в проектное положение упрощена благодаря наличию на отбортованном краю 14 ее базы 17 зубьев-фиксаторов 15 и отверстий для них в отбортованном краю 13 оголовка 11 колонны 8 предыдущего этажа.

4) Высокая экономичность трубобетонных колонн достигается благодаря самоупрочнению закачиваемого в них мелкозернистого расширяющегося бетона.

Номера элементов

1. фундаменты

2. анкерные болты

3. рихтующие гайки

4. шайбы

5. плита базы колонны

6. крепежные гайки

7. шайбы

8. овальная в сечении обойма

9. оставляемый пустотообразователь

10. патрубки

11. лоткообразный оголовок колонны

12. главная балка перекрытия

13. отбортованный край оголовка

14. отбортованный край лотка базы

15. зубья-фиксаторы

16. крепежные болты с гайками

17. лоткообразная база верхней колонны

18. овальная в сечении обойма верхней колонны

19. второстепенная балка

Пример конкретной реализации.

Исходные данные для расчета колонны:

Расчетная длина колонны l₀=6000 мм.

Сжимающая сила N=3300 кН.

Прямоугольное железобетонное сечение (традиционный вариант).

Размеры сечения b×h=400×400 мм.

Класс бетона: В20 (марка М250);

R_b=1 МПа; R_bt=0,9 МПа; E_b=27,5·10³ МПа,

где R_b - расчетное сопротивление бетона на сжатие;

R_bt - расчетное сопротивление бетона на растяжение;

E_b - модуль упругости бетона.

Класс арматуры: А300 (AII);

R_s=270 МПа; R_sc=270 МПа; E_s=2,06·10⁵ МПа,

где R_s - расчетное сопротивление стали на растяжение;

R_sc - расчетное сопротивление стали на сжатие;

E_s - модуль упругости стали.

Расчет на устойчивость.

Требуемая площадь сечения арматуры принимается по формуле:

$$A_{sc}=\frac{\frac{N}{\varphi }-R_b\cdot A}{R_{sc}}$$ ;

$$A_{sc}=\frac{\frac{3300}{\mathrm{0,875}}-11\cdot {10}^3\cdot \mathrm{0,16}}{270\cdot {10}^3}\approx \mathrm{70,3}\cdot {10}^{-4}{м}^2=\mathrm{70,3}с{м}^2$$ ,

где φ=0,875 - коэффициент продольного изгиба при кратковременном действии нагрузки (согласно п.6.1.9 СП-52-101-2003);

А=b·h=0,4·0,4=0,16 м².

Принимаем арматуру 4⌀32 А300 и 4⌀36 А300:

$$A_{sc}^{ф}=\mathrm{32,17}+\mathrm{40,72}=\mathrm{72,89}с{м}^2$$ .

Фактическая несущая способность колонны при центральном сжатии:

$$N=\left(R_{б}+R_{sc}\cdot \frac{A_{sc}}{A}\right)\cdot \varphi \cdot A$$ ;

$$N=\left(\mathrm{11,5}+270\cdot \frac{\mathrm{72,89}}{1600}\right)\cdot \mathrm{0,875}\cdot 1600\cdot {10}^{-1}=\mathrm{3332,02}кН$$

Предлагаемое трубобетонное сечение.

Примем трубу с площадью сечения, ближайшей к площади сечения принятой продольной арматуры:

D_н=426 мм; t=6 мм; A_тр.=72,6 см²

где D_н - наружный диаметр трубы;

t - толщина стенки трубы;

А_тр - площадь поперечного сечения трубы.

Класс бетона: В20 (марка М250);

Rb=11 МПа; R_bt=0,9 МПа; E_b=27,5·10³ МПа,

где R_b - расчетное сопротивление бетона на сжатие;

R_bt - расчетное сопротивление бетона на растяжение;

E_b - модуль упругости бетона.

Марка стали 09Г2, R=300 МПа (ТУ-14-1-3023-80),

где R - расчетное сопротивление стали на растяжение.

Расчет на устойчивость.

Проверка несущей способности производится по формуле [9, с.191]:

N≤(A_б·R_б·k_б+A_тp·R)·φ;

3000<(1346,1·11,5·1,92+72,6·300)·0,855·10^-1=4403,41 кН,

где φ=0,855 - коэффициент продольного изгиба, зависит от приведенной гибкости:

$${\lambda }_{пр}=\frac{l_0}{i_{б}}\sqrt{\frac{\left(k+\mu \right)}{\mathrm{0,25}\cdot k+\mathrm{0,5}\cdot \mu }}=\frac{600}{\mathrm{20,7}}\sqrt{\frac{\left(\mathrm{0,0736}+\mathrm{0,0539}\right)}{\left(\mathrm{0,25}\cdot \mathrm{0,0736}+\mathrm{0,5}\cdot \mathrm{0,0539}\right)}}\approx \mathrm{48,6,}$$

где $$k=\frac{k_{б}\cdot R_{б}}{R}=\frac{\mathrm{1,92}\cdot \mathrm{11,5}}{300}=\mathrm{0,0736}$$ ;

k_б=1,92 [9, c.191];

$$\mu =\frac{A_{тр}}{A_{б}}=\frac{\mathrm{72,6}}{\mathrm{1346,1}}\approx \mathrm{0,0539}$$ ;

$$i_{б}=\frac{D_{вн}-2\cdot t}{2}=\frac{\mathrm{42,6}-2\cdot \mathrm{0,6}}{2}=\mathrm{20,7}см$$ - радиус бетонного ядра;

$$A_{б}=\pi \cdot i_{б}^2=\pi \cdot {\left(\mathrm{20,7}\right)}^2\approx \mathrm{1346,1}с{м}^2$$ - площадь бетона в поперечном сечении.

Сравнение вариантов по расходу стали, бетона и по несущей способности.
	Расход стали (Aмет., см2)	%	Расход бетона (Абет., см2.)	%	Несущая способность (N, кН)	%
Прямоугольное сечение	72,89	100,4	1527,11	113,45	3332,02	100
Трубобетонное сечение	72,6	100	1346,1	100	4403,41	132,15

Из сравнения вариантов видно, что несущая способность при том же расходе стали увеличилась на 32,15%, а расход бетона уменьшился на 13,45%. Такие результаты достигнуты благодаря упрочнению саморасширяющегося бетона в обойме.

Список литературы

1. Кудзис А.П. Железобетонные и каменные конструкции. - М.: Высшая школа, 1988, ч.1, с.255.

2. Железобетонные и каменные конструкции: Учебник для строит. спец. вузов / В.М. Бондаренко, В.Г. Назаренко, P.O. Бакиров, В.И. Рамшин; Под ред. В.М. Бондаренко. - М.: Высш. шк., 2007. - 887 с.: ил.

3. Нежданов К.К., Туманов В.А., Нежданов А.К. Способ усиления железобетонной колонны, утратившей несущую способность. Патент России №2274719. Бюл. №11. Опубликовано 20.04.2006.

4. Нежданов К.К., Туманов В.А., Рубликов С.Г., Нежданов А.К. Способ повышения несущей способности цилиндрической трубы на изгиб. Патент России №2304479. Бюл. №23. Опубликовано 20.08.2007.

5. Нежданов К.К., Хвастунов В.Л., Нежданов А.К. Автоматизированный способ возведения монолитных фундаментов и стен зданий. Патент России №2324789 E02D 35/00, 37/00. Зарегистрировано 20 мая 2008, Бюл. №14.

6. Нежданов К.К., Карев М.А., Нежданов А.К., Щипалкин А.А. «Рама двухпролетного здания». Патент России №2319817. E04C 3/38 (2006.01). Заявка на изобретение №2005116385/03 (018711). Бюл. №8. Опубликовано 20.03.2008.

7. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Либаров А.В. «Способ управления напряженным состоянием рамы двухпролетного здания фундаментами с реактивными двигателями». Патент России №2319811. E02D 35/00 (2006.01). Заявка на изобретение №2005 116385/03 (018711).

Бюл. №8. Опубликовано 20.03.2008.

8. Нежданов К.К., Нежданов А.К. Артюшин Д.В. Заявка №2009 136726 от 07.10.2009. «Способ проката горячекатаной арматуры периодического профиля», E02D 27/50, Е04В 1/38.

9. Беленя Е.И. «Металлические конструкции». - М.: Стройиздат, 1986, 560 с.

10. Кикин А.И., Санжаровский Р.С., Трулль В.А. «Конструкции из стальных труб, заполненных бетоном». - М.: Стройиздат, 1974, 145 с.

Автоматизированный способ возведения каркаса сооружения, состоящего из монолитно соединенных в узлах ригелей и колонн, опирающихся на фундаменты, заключающийся в том, что на заводе железобетонных конструкций изготавливают овальную в сечение обойму из стальной замкнутой оболочки с отношением большего габарита к меньшему, равным трем, являющейся одновременно несущей и отделочной обоймой, вкладывают внутрь обоймы по центру трубчатый пустотообразователь и фиксируют его по отношению к обойме, жестко соединяют обойму с базой и стальным оголовком колонны, снабженным карманами для ригелей, отправляют подготовленную конструкцию на монтажную площадку, сооружают фундаменты с выступающими из них анкерными болтами, точно до проектной отметки навинчивают на анкерные болты рихтующие гайки, соединенные с опорными фланцами, механизировано безвыверочно монтируют базу обоймы, совмещая отверстия плиты базы с анкерными болтами, выступающими из фундамента, и опускают обойму, соединенную с плитой базы до упора плиты в рихтующие гайки, навинчивают на анкерные болты крепежные гайки и этим фиксируют на фундаменте базу, соединенную с обоймой точно в проектном положении, аналогично монтируют другие базы вместе с обоймами, монтируют бетононасосную станцию, монтируют гибкие бетонопроводы, управляя с пульта, принудительно под давлением через патрубки инжектируют в овальные обоймы колонн способом «снизу вверх» пластичный мелкозернистый, расширяющийся бетон, формируют трубобетонные огнестойкие колонны, армированные прочной внешней обоймой, циклы продолжают и формируют все колонны каркаса первого этажа, после схватывания бетона башенным краном механизировано безвыверочно монтируют стальные овальные в сечение двухконсольные главные балки с отношением большего габарита к меньшему, равным трем, и второстепенные балки перекрытия, являющиеся его жесткой арматурой, и жестко соединяют балки с оголовками колонн, механизировано подвешивают к главным и второстепенным балкам перекрытия снизу несъемную оставляемую опалубку, монтируют трубчатую арматуру перекрытия с гребнями по винтовой спирали, монтируют гибкие бетонопроводы, и, управляя с пульта механизированной подачей бетона, бетонируют перекрытие, уплотняют бетон вибрированием, наращивают трубобетонный каркас здания на этаж и циклы сооружения трубобетонного огнестойкого каркаса здания продолжают до полного возведения сооружения.