Узел сопряжения стальной колонны с железобетонным фундаментом
Владельцы патента RU 2786462:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к области строительства, а именно к узлу сопряжения стальных колонн со сборно-монолитными железобетонными фундаментами. Технический результат – повышение прочности и жесткости подколонника стальной колонны. Узел сопряжения включает подколонник с анкерными болтами для крепления базы колонны. Подколонник выполнен в виде металлической трубы, заполненной конструктивным бетоном высокой прочности. Анкерные болты выполнены в виде укороченных анкерных болтов-шпилек, закрепленных с помощью сварного шва в верхней части металлической трубы, а опорная пластина базы колонны выполнена в виде опорного кольца с отверстиями для пропуска анкерных болтов-шпилек, оборудованных высокими гайками и упругими шайбами. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области строительства, а именно к устройству узлов сопряжения стальных колонн со сборно-монолитными железобетонными фундаментами.
Известен узел стыка сборной колонны с фундаментом, в котором сопряжение сборной колонны с плитной частью фундамента выполнено анкерными болтами, пропущенными через стальную пластину плитной части; в верхней части анкерных болтов выполнена резьба, а нижняя часть – в виде полукольца; закладная деталь в торце колонны выполнена в виде торцевой пластины с отверстиями под анкерные болты / Патент на ПМ 128 636 МПК Е04В 1/38; Узел стыка сборной железобетонной колонны с фундаментом/Матвеев А.В., Пермяков В.Л., Родевич В.В.; заяв. 09.01.2013, опуб. 27.05.2013, Бюл. №15.[1].
Недостатком этого узла сопряжения является высокий расход металла на изготовление стандартных анкерных болтов, сложность изготовления башмака (базы) колонны, нет обоснований принятых размеров элементов узла стыка.
Известно сопряжение (опирание) стальных конструкций колонны на железобетонный фундамент, включающее размещение типовых анкерных болтов для крепления металлоконструкции башмака (базы) стальной колонны; анкерные болты приняты диаметром 
, выступающая часть имеет нарезку длиной 
, глубина заделки 
; длина отгиба 
; полная длина болтов 
; анкерные болты устанавливаются в проектное положение и бетонируются одновременно с фундаментом / Руководство по конструированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона (без ПН) - М., Cтройиздат, 1978, (рис.65 ÷ 67,с.84 ÷ 86) / [2] – принят за прототип.
Недостатками известного узла сопряжения является большая трудоемкость и стоимость монтажных работ, большой расход стали на изготовление анкерных болтов, не рациональное конструирование элементов узла сочленения, использование низкого класса бетона по прочности на сжатие для изготовления подколонника, как правило только прямоугольного сечения; не проработаны детально конструирование верхней части фундамента и узла сопряжения со стальной колонной в зависимости от способа опирания стального башмака на фундамент и метода монтажа колонны; необходимость применения временной опалубки подколонника повышает стоимость железобетонных работ на 25 ÷ 30%.
Сущность изобретения заключается в совершенствовании конструкции узла сопряжения стальной колонны с железобетонным фундаментом, в использовании несъемной тонкостенной металлической тубы (стальной опалубки) подколонника, в снижении трудоемкости и сроков проведения железобетонных работ нулевого цикла строительства здания, в повышении надежности работы элементов узла сопряжения и экономичности расходования изделий и материалов на его изготовление.
Технический результат – повышение прочности и жесткости подколонника стальной колонны, сокращение сроков возведения фундамента и стальной колонны, снижение трудозатрат на изготовление узла сопряжения стальной колонны с подколонником фундамента; сокращение массы строительной стали и объема конструктивного бетона; повышение надежности работы элементов узла сопряжения; упрощение конструкции узла сопряжения; повышение экономичности расходования строительной стали и конструктивного бетона повышенной прочности на сжатие.
Технический результат достигается тем, что в известном узле сопряжения стальной колонны с железобетонным фундаментом, включающем развитой подколонник, оборудованный анкерными болтами для крепления опорной пластины базы стальной колонны и ребра жесткости, особенность заключается в том, что развитый подколонник выполнен в виде тонкостенной металлической трубы, заполненной конструктивным бетоном высокой прочности, при этом анкерные болты выполнены в виде укороченных анкерных болтов-шпилек, закрепленных с помощью сварного шва в верхней части металлической трубы, а опорная пластина базы колонны выполнена в виде опорного кольца с отверстиями для пропуска анкерных болтов-шпилек, оборудованных высокими гайками и упругими шайбами. При этом расчетное сопротивление бетона и его класс по прочности на сжатие 
определено по:
;
где 
- продольная сила, действующая на обрез фундамента, кН; 
и 
- коэффициенты условий работы бетона и металла трубы на сжатие в составе трубобетона:
;
;
- расчетное сопротивление металла на сжатие, МПа;
и 
- площадь металла трубы и площадь бетона, мм2.
Коэффициент условий работы металла в составе трубобетона, вычислен с использованием уравнений:
;
;
где 
- расчетное сопротивление металла трубы на сжатиев составе трубобетона, МПа; - сопротивление металла трубы на сжатие, МПа; 
- эксцентриситет приложения продольной силы на обрез фундамента, мм; 
- наружный диаметр металлической трубы, мм; 
- толщина металла трубы, мм.
Площадь сечения металла трубы 
вычислена по уравнению:
где 
и 
- радиусы трубы наружный и внутренний, мм.
Толщина опорного кольца базы стальной колонны назначена конструктивно в пределах 
, а площадь опорного кольца базы стальной колонны принят исходя из условий сжатия бетона под опорным кольцом.
Число укороченных анкерных болтов-шпилек и их диаметр определены по расчету на срез, сжатие или растяжение.
При необходимости по расчету косвенного армирования верхняя часть подколонника под опорной частью стальной колонны оборудована пакетом сварных сеток.
Каждый укороченный анкерный болт-шпилька соединен с внутренней или наружной поверхностью тонкостенной металлической трубы подколонника двусторонним прерывистым угловым сварным швом: катет шва 
, длина шва 
.
Металлическая труба подколонника на уровне обреза фундамента соединена по периметру с опорным кольцом базы стальной колонны односторонним прерывистым сварным швом в стык: катет шва , длина шва 
.
Ребра жесткости и опорное кольцо базы колонны соединены между собой двусторонним сварным швом: катет шва .
На фиг. 1 изображен боковой вид узла сопряжения стальной колонны с трубобетонным подколонником составного внецентренно-сжатого железобетонного фундамента: 1 – стальная колонна; 2 – опорное кольцо базы стальной колонны; 3 – анкерный болт-шпилька; 4 – высокая гайка; 5 – упругая пружинная шайба; 6 – ребро жесткости базы стальной колонны δ = 10 мм; 7 – подколонник; 8 –металлическая труба, 
.
На фиг. 2 изображено опорное кольцо с восемью отверстиями, расположенными в средней части кольца на одинаковом расстоянии друг от друга: 2 – опорное кольцо базы стальной колонны; 6 – ребро жесткости базы стальной колонны δ = 10 мм; 8 –металлическая труба, .
На фиг. 3 изображено опорное кольцо с шестью отверстиями, расположенными в средней части кольца на одинаковом расстоянии друг от друга, где показана: 2 – опорное кольцо базы стальной колонны; 6 – ребро жесткости базы стальной колонны δ = 10 мм; 8 –металлическая труба, .
На фиг. 4 изображена укороченная анкерная болт-шпилька для крепления стальной колонны: 3 – анкерный болт – шпилька; 4 – высокая гайка; 5 – упругая пружинная шайба.
Узел сопряжения стальной колонны с железобетонным фундаментом включает в себя 6÷8 укороченных анкерных болтов-шпилек – 3, выполненных из арматурных стержней и установленных в верхней части подколонника сборно-монолитного фундамента на внешней или внутренней поверхности тонкостенной металлической трубы – 8; на верхней части анкерных болтов-шпилек – 3 выполнена метрическая резьба; анкерные болты-шпильки – 3 пропущены через отверстия опорного кольца базы стальной колонны – 2; анкерные болты-шпильки – 3 оборудованы крепежными высокими гайками – 4 и упругими пружинными шайбами – 5; опорное кольцо базы стальной колонны – 2 оборудовано шестью или восемью отверстиями для пропуска анкерных болтов-шпилек – 3; ребра жесткости базы стальной колонны – 6 приварены по контуру сварными швами к стальной колонне – 1; соединение анкерных болтов-шпилек – 3 с металлом трубы подколонника – 7 осуществлено двусторонним прерывистым сварным швом, толщина катета шва 
соединение металлической трубы – 8 верха подколонника – 7 с опорным кольцом базы стальной колонны – 2 осуществлено односторонним прерывистым сварным швом, толщина катета шва ; полость металлической трубы – 8 подколонника – 7 заполнена конструктивным бетоном повышенной прочности.
Монтаж узла сопряжения стальной колонны – 1 с подколонником – 7 составного железобетонного фундамента производят следующим образом.
Вначале в составе заготовительного процесса изготовляют металлическую трубу - 8 подколонника – 7 и укороченные анкерные болты-шпильки – 3, оборудуя их типовыми высокими гайками – 4 и упругими пружинными шайбами – 5; изготовляют опорное кольцо базы стальной колонны – 2, просверливая 6 ÷ 8 отверстий для последующего пропуска анкерных болтов-шпилек – 3; устанавливают с помощью сварных швов укороченные анкерные болты-шпильки – 3 на внутренней или наружной поверхности тонкостенной металлической трубы – 8 подколонника – 7; затем, выполняя монтажно-укладочные процессы, распределяют, укладывают до верха и уплотняют бетонную смесь в металлической трубе – 8 подколонника – 7; после набора прочности бетоном стальная колонна – 1 монтируется на подготовленный подколонник – 7 путём установки базы стальной колонны, состоящей из опорного кольца – 2 и ребер жесткости – 6, на укороченные анкерные болты-шпильки – 3 и закручиванием высоких гаек – 4 присоединяют базу стальной колонны на верхнюю часть трубобетонного подколонника – 7; проводят гидроизоляционные работы узла сопряжения стальной колонны – 1 с подколонником – 7 железобетонного фундамента.
Причинно - следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом заключена в следующем:
Использование несъемной тонкостенной металлической трубы в качестве опалубки для возведения подколонника фундамента и узла сопряжения его со стальной колонной приводит к сокращению строительной стали и бетона замоноличивания подколонника, к повышению качества работ, к сокращению сроков возведения фундамента и стальной колонны за счет исключения работ по созданию сборно-разборной опалубки, к повышению экономичности расходования конструктивного бетона повышенной прочности и строительной стали, к упрощению конструкции узла сопряжения и статистического расчета на прочность.
Использование предлагаемого технического решения по проектированию и изготовлению элементов узла сопряжения стальной колонны с железобетонным подколонником фундамента позволяет увеличить прочность и жесткость подколонника за счет повышения надежности работы элементов узла сопряжения стальной колонны с железобетонным фундаментом, а также значительно снизить расход материалов и готовых изделий, снизить трудоемкость и сроки работ при его возведении.
Источники информации:
1. Патент на ПМ 128 636; МПК Е04 Е 1/38; Узел стыка сборной железобетонной колонны с фундаментом. / Матвеев А.В., Пермяков В.Л., Родевич В.В.; заяв. 09.01.2013, опуб. 27.05.2013, Бюл. №15.
2. Руководство по конструированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона (без ПН) - М., CU, 1978, (рис.65 ÷ 67, с.84 ÷ 86).
1. Узел сопряжения стальной колонны с железобетонным фундаментом, включающий развитой подколонник, оборудованный анкерными болтами для крепления опорной пластины базы стальной колонны и ребра жесткости, отличающийся тем, что развитой подколонник выполнен в виде тонкостенной металлической трубы, заполненной конструктивным бетоном высокой прочности, при этом анкерные болты выполнены в виде укороченных анкерных болтов-шпилек, закрепленных с помощью сварного шва в верхней части металлической трубы, а опорная пластина базы колонны выполнена в виде опорного кольца с отверстиями для пропуска анкерных болтов-шпилек, оборудованных высокими гайками и упругими шайбами.
2. Узел сопряжения по п.1, отличающийся тем, что расчетное сопротивление бетона и его класс по прочности на сжатие 
определено по:
;
где 
- продольная сила, действующая на обрез фундамента, кН; 
и 
- коэффициенты условий работы бетона и металла трубы на сжатие в составе трубобетона: 
;
;
- расчетное сопротивление металла трубы на сжатие, МПа; 
и 
- площадь сечения металла трубы и площадь бетона, мм2.
3. Узел сопряжения по любому из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что коэффициент условий работы металла в составе трубобетона вычислен с использованием уравнений:
;
;
где 
- расчетное сопротивление металла трубы на сжатие в составе трубобетона, МПа; - сопротивление металла трубы на сжатие, МПа; 
- эксцентриситет приложения продольной силы на обрез фундамента, мм; 
- наружный диаметр металлической трубы, мм; 
- толщина металла трубы, мм.
4. Узел сопряжения по любому из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что площадь сечения металла трубы 
вычислена по уравнению:
,
где 
и 
- радиусы трубы наружный и внутренний, мм.
5. Узел сопряжения по п. 1, отличающийся тем, что толщина опорного кольца базы стальной колонны назначена конструктивно в пределах 
, а площадь опорного кольца базы стальной колонны принят исходя из условий сжатия бетона под опорным кольцом.
6. Узел сопряжения по п. 1, отличающийся тем, что число укороченных анкерных болтов-шпилек и их диаметр определены по расчету на срез, сжатие или растяжение.
7. Узел сопряжения по п. 1, отличающийся тем, что при необходимости по расчету косвенного армирования верхняя часть подколонника под опорной частью стальной колонны оборудована пакетом сварных сеток.
8. Узел сопряжения по п. 1, отличающийся тем, что каждый укороченный анкерный болт-шпилька соединен с внутренней или наружной поверхностью тонкостенной металлической трубы подколонника двусторонним прерывистым угловым сварным швом: катет шва 
, длина шва 
.
9. Узел сопряжения по п. 1, отличающийся тем, что металлическая труба подколонника на уровне обреза фундамента соединена по периметру с опорным кольцом базы стальной колонны односторонним прерывистым сварным швом встык: катет шва , длина шва 
.
10. Узел сопряжения по п. 1, отличающийся тем, что ребра жесткости и опорное кольцо базы колонны соединены между собой двусторонним сварным швом: катет шва .
