Способ сопряжения стальной колонны с железобетонным фундаментом
Владельцы патента RU 2786580:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к области строительства, а именно к способу сопряжения стальной колонны с железобетонным фундаментом. Технический результат изобретения - повышение прочности и жесткости подколонника стальной колонны. Способ сопряжения стальной колонны с железобетонным фундаментом включает выполнение подколонника из металлической трубы, к верхней части которой закрепляют сварными швами укороченные анкерные болты-шпильки. Металлическую трубу заполняют бетоном высокой прочности, после чего на нее устанавливают опорную пластину базы колонны, выполненную в виде опорного кольца с отверстиями, через которые пропускают анкерные болты-шпильки и закручивают высокие гайки анкерных болтов-шпилек, присоединяя базу стальной колонны к подколоннику. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области строительства, а именно к способу сопряжения стальных колонн со сборно-монолитными железобетонными фундаментами.
Известен способ сопряжения сборной колонны с фундаментом, в котором сопряжение сборной колонны с плитной частью фундамента выполняют 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 Е04 В 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 способа сопряжения является высокий расход металла на изготовление стандартных анкерных болтов, сложность изготовления башмака (базы) колонны, нет обоснований принятых размеров элементов узла стыка.
Известен способ сопряжения (опирания) стальных конструкций колонны на железобетонный фундамент, в котором размещают типовых анкерные болты 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 устанавливают в проектное положение и бетонируют 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 способа 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 способе сопряжения стальной колонны с железобетонным фундаментом, в котором развитой подколонник снабжают анкерными болтами для закрепления опорной пластины базы стальной колонны и устанавливают ребра жесткости, особенность заключается в том, что развитый подколонник выполняют из тонкостенной металлической трубы, анкерные болты изготавливают виде укороченных анкерных болтов-шпилек, оборудованных высокими гайками и упругими шайбами, и закрепляют с помощью сварного шва в верхней части металлической трубы, а опорную пластину базы колонны выполняют в виде кольца с отверстиями для пропуска анкерных болтов-шпилек, при этом металлическую трубу заполняют конструктивным бетоном высокой прочности, после чего на нее устанавливают опорную пластину и закручивают высокие гайки анкерных болтов-шпилек, присоединяя базу стальной колонны к подколоннику.
Расчетное сопротивление бетона и его класс по прочности на сжатие (
) определяют по уравнению (1):
;
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.
Коэффициент условий работы металла () в составе трубобетона, вычисляют, используя уравнения (2) и (3):
;
;
где 
– расчетное сопротивление металла трубы на сжатие в составе трубобетона, МПа; – расчетное 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 (
) вычисляют по уравнению (4):
где 
и 
– радиусы трубы наружный и внутренний, мм.
Толщину опорного кольца базы стальной колонны назначают конструктивно в пределах
, а площадь опорного кольца базы стальной колонны принимают исходя из условий сжатия бетона под опорным кольцом.
Число укороченных анкерных болтов-шпилек и их диаметр определяют по расчету на срез, сжатие или растяжение.
При необходимости по расчету косвенного армирования верхняя часть подколонника под опорной частью стальной колонны оборудуют пакетом сварных сеток.
Каждый укороченный анкерный болт-шпильку соединяют с внутренней или наружной поверхностью тонкостенной металлической трубы подколонника двусторонним прерывистым угловым сварным швом: катет шва 
, длина шва 
.
Металлическую трубу подколонника на уровне обреза фундамента соединяют по периметру с опорным кольцом базы стальной колонны односторонним прерывистым сварным швом встык: 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 показаны: 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.
Анкерные болты-шпильки, пропущенные через предусмотренные отверстия опорного кольца базы колонны, посредством навинчивания высоких гаек на болты-шпильки, приводят узел сопряжения в работу.
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. Способ сопряжения стальной колонны с железобетонным фундаментом, в котором развитой подколонник снабжают анкерными болтами для закрепления опорной пластины базы стальной колонны и устанавливают ребра жесткости, отличающийся тем, что развитой подколонник выполняют из тонкостенной металлической трубы, анкерные болты изготавливают в виде укороченных анкерных болтов-шпилек, оборудованных высокими гайками и упругими шайбами, и закрепляют с помощью сварного шва в верхней части металлической трубы, а опорную пластину базы колонны выполняют в виде опорного кольца с отверстиями для пропуска анкерных болтов-шпилек, при этом металлическую трубу заполняют конструктивным бетоном высокой прочности, после чего на нее устанавливают опорную пластину и закручивают высокие гайки анкерных болтов-шпилек, присоединяя базу стальной колонны к подколоннику.
2. Способ сопряжения по п.1, отличающийся тем, что расчетное сопротивление бетона и его класс по прочности на сжатие (
) определяют по уравнению:
;
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. Способ сопряжения по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что коэффициент условий работы металла () в составе трубобетона, вычисляют, используя уравнения (2) и (3):
;
;
где 
– расчетное сопротивление металла трубы на сжатие в составе трубобетона, МПа; – расчетное сопротивление металла трубы на сжатие, МПа; 
– эксцентриситет приложения продольной силы на обрез фундамента, мм; 
– наружный диаметр металлической трубы, мм; 
– толщина металла трубы, мм.
4. Способ сопряжения по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что площадь сечения металла трубы (
) вычисляют по уравнению (4):
,
где 
и 
- радиусы трубы наружный и внутренний, мм.
5. Способ сопряжения по п. 1, отличающийся тем, что толщину опорного кольца базы стальной колонны назначают конструктивно в пределах 
, а площадь опорного кольца базы стальной колонны принимают исходя из условий сжатия бетона под опорным кольцом.
6. Способ сопряжения по п. 1, отличающийся тем, что число укороченных анкерных болтов-шпилек и их диаметр определяют по расчету на срез, сжатие или растяжение.
7. Способ сопряжения по п. 1, отличающийся тем, что при необходимости по расчету косвенного армирования верхнюю часть подколонника под опорной частью стальной колонны оборудуют пакетом сварных сеток.
8. Способ сопряжения по п. 1, отличающийся тем, что каждый укороченный анкерный болт-шпильку соединяют с внутренней или наружной поверхностью тонкостенной металлической трубы подколонника двусторонним прерывистым угловым сварным швом: катет шва 
, длина шва 
.
9. Способ сопряжения по п. 1, отличающийся тем, что металлическую трубу подколонника на уровне обреза фундамента соединяют по периметру с опорным кольцом базы стальной колонны односторонним прерывистым сварным швом встык: катет шва , длина шва 
.
10. Способ сопряжения по п. 1, отличающийся тем, что ребра жесткости и опорное кольцо базы колонны соединяют между собой двусторонним сварным швом: катет шва .
