Изобретение относится к области строительства жилых зданий, а более конкретно к фундаментам неглубокого залегания, например, для жилых помещений, домов, коттеджей индивидуального строительства. Опорный узел строительной конструкции включает подготовленное основание и элементы несущей конструкции. Новым является то, что узел выполнен в виде монолитной железобетонной конструкции, образуя объемную обвязку, и включает армированную мембрану, коробчатое ограждение цоколя и выпуклую книзу балочную крестовину с опорной плитой, при толщине мембраны и опорной плиты, равной не менее 1/2 толщины балки крестовины, причем концы крестовины имеют профильные прорези, срезы и жестко заделаны по углам в проемах ограждения цоколя, а пяткой опорной плиты крестовина опирается на монолитный геомассив монтажного горизонта. Техническим результатом изобретения является повышение функциональной надежности фундаментной конструкции на слабых грунтах и значительное упрощение конструкции. 4 ил.
Изобретение относится к области строительства жилых зданий, а более конкретно к фундаментам неглубокого залегания, например для жилых помещений, домов, коттеджей индивидуального строительства.
ПРОВЕРЯЕМ НА ПРОЧНОСТЬ ОПОРНЫЙ УЗЕЛ КОЛОННЫ СТАЛЬНОГО КАРКАСА ЗДАНИЯ
Актуальность проблемы вызвана отсутствием в народном хозяйстве отечественных высокоэффективных фундаментных сооружений, устойчивых на слабых грунтах.
Создание данного типа фундаментов диктуется требованиями геологических условий просадочных грунтов.
Известна сборная железобетонная рама подземной части здания, включающая верхние и нижние горизонтальные элементы, соединенные стойками, причем верхний горизонтальный элемент выполнен в виде двух консольных балок, а стойки наклонены и сближены к оси нижнего горизонтального элемента [1].
Недостатком известного технического решения является низкая эксплуатационная надежность на слабых грунтах из-за низкой пространственной жесткости из-за высокой проемности рамы.
Известна железобетонная рама каркаса здания или сооружения, включающая арочный фундамент, колонны, ригеля арочного очертания, жестко соединенные между собой, и раму, выполненную в виде единого элемента, причем радиус арочного фундамента равен половине пролета рамы, радиус ригеля — растоянию от узла соединения ригеля с колонной до центра окружности арочного фундамента [2].
Недостатком известного технического решения является низкая эксплуатационная надежность фундамента на слабых грунтах из-за слабой опорной части и ее устойчивости, значительные нормативные затраты при проведении монтажных работ.
Известное здание включает слой подсыпки, фундамент и несущий остов, причем фундамент выполнен в виде плиты с нижней криволинейно-выпуклой поверхностью и размещен свободно на слое подсыпки, образованной из амортизирующего материала, при этом остов выполнен жесткий и жестко соединен с фундаментом, а высота здания равна или меньше его минимального размера в плане [3] .
Недостатком известного технического решения является низкая эксплуатационная надежность на слабых грунтах от снижения устойчивости при повышении высоты здания.
Как работает жесткий опорный узел деревянной стойки каркаса здания?
Наиболее близким по своей сущности и достигаемому техническому результату является конструкция опорного узла строительной конструкции, включающего подготовленное основание и балочные элементы в несущей конструкции [4].
Анализируя как представленные аналоги, так и не вошедшие в заявку для анализа описания известных источников информации, можно сделать вывод что, независимо от вида и типоразмера известные сооружения опорного узла решают проблему надежности и простоты конструкции, но мало пригодны для слабых грунтов.
Задачей изобретения является создание фундаментной конструкции повышенной устойчивости на слабых грунтах и значительное упрощение конструкции.
Поставленная задача решается за счет того, что опорный узел строительной конструкции, включающий подготовленное основание и балочные элементы в несущей конструкции, согласно изобретению выполнен в виде монолитной железобетонной конструкции, образуя объемную обвязку, и включает армированную мембрану, коробчатое ограждение цоколя и выпуклую книзу балочную крестовину с опорной плитой, при толщине мембраны и опорной плиты, равной не менее 1/2 толщины балки крестовины, причем концы крестовины имеют профильные прорези, срезы и жестко заделаны по углам в проемах ограждения цоколя, а пяткой опорной плиты крестовина опирается на монолитный геомассив монтажного горизонта.
Выполнение узла в виде монолитной железобетонной конструкции, образуя объемную обвязку, позволяет повысить надежность конструкции благодаря жесткости общей взаимосвязи.
Использование армированной мембраны обеспечивает устойчивость сооружения.
Применение коробчатого ограждения цоколя с выпуклой книзу балочной несущей крестовиной и с опорной плитой обеспечивает упрощение конструкции опорного узла, в то же время сохраняет жесткость и повышенную устойчивость в целом всей площади подошвы опорной плиты на геомассиве монтажного горизонта. Простота взаимосвязей позволяет также снизить трудоемкость и технологическое время на возведение опорного узла.
Использование на концах балочной крестовины профильных прорезей и жесткое их заделывание по углам ограждения цоколя обеспечивает повышенную сопряженность соединений элементов опорного узла при надежной взаимосвязи, чем обеспечивает общую устойчивость и несущую стабильность при различных возмущающих нагрузках.
Выполнение балочной крестовины с опорной плитой повышает устойчивость опорного узла на слабом грунте благодаря распределению воспринимаемой нагрузки при контакте опорной поверхности плиты с геомассивом.
Наличие толщины мембраны и опорной плиты крестовины, равной не менее 1/2 толщины балки крестовины, упрощает конструкцию при гарантированном обеспечении надежности.
Использование толщины каждой из балок крестовины, соизмеримой с толщиной ограждения, позволяет упростить конструкцию за счет использования единой размерности элементов опорного узла и обеспечивает запас прочности всех элементов при одинаковой конструктивной жесткости.
Между отличительными признаками и целью изобретения существует причинно-следственная связь, при которой технический результат обусловлен достижением положительного эффекта в виде повышенной устойчивости на слабых грунтах и упрощения конструкции.
Предложенное техническое решение может быть промышленно воспроизведено в серийном производстве на обычном заводском оборудовании.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом, где: — на фиг. 1 показан общий вид опорного узла; — на фиг. 2 — вид сверху; — на фиг. 3 — вид в разрезе А-А; — на фиг. 4 — разрез Б-Б на фиг.2.
Опорный узел строительной конструкции выполнен в виде монолитной железобетонной конструкции, образующей объемную обвязку, и включает элементы несущей конструкции, армированную железобетонную мембрану 1, коробчатое ограждение цоколя 2 и выпуклую книзу балочную крестовину 3 с опорной плитой 4. Каждый конец несущей крестовины 3 имеет профильные срезы 5 и прорези 6 для заделки по углам в проемах 7 ограждения цоколя 2. Элементы балочной несущей крестовины 3 выполнены из железобетона с таврообразной формой в сечении. Допустимы элементы с формой двутавра, прямоугольника или цилиндра. Все сечения должны иметь хотя бы одну ось симметрии. Армирование симметричное. Размер тавра не менее 30х70 мм. Пяткой опорной плиты 4 несущая крестовина 3 опирается на монолитный геомассив 8 подготовленного заранее монтажного горизонта 9. Толщина мембраны 1 и опорной плиты 4 несущей крестовины 3 равна не менее 1/2 толщины балки крестовины 3.
Толщина каждой из балок крестовины 3 соизмерима с толщиной ограждения цоколя 2. В целом для сооружения опорного узла используют бетон Б-20.
Коробчатое ограждение цоколя 2 включает само прямоугольное ограждение 10 и дополнительные функциональные секции 11, края стенок которых замоноличены в ограждении цоколя 2 и в целом создают общую коробчатую форму. Элементы дополнительных функциональных секций 11 выполнены по форме и расположению относительно линии раздела Б-Б в зеркальном отражении.
Профильные прорези 6 несущей крестовины 3 выполнены остроугольной формы с уклоном к ее концу. Срезы 5 выполнены согласно сечению ограничивающих плоскостей ограничения цоколя 2 по горизонтали и вертикали.
Геомассив 8 монтажного горизонта 9 готовят заранее перед монтажом опорного узла, чем создают объемную жесткость обвязки геомассива 8 путем его трамбовки и последующего обжатия до требуемого коэффициента упругости грунта геомассива 8. Для обжатия сначала делают шурфы диаметром 50 мм, вставляют туда стаканы 12 с отверстиями. Далее под давлением подается жидкий раствор.
В результате получаем геомассив 8 на используемом монтажном участке, пригодном для возведения сооружения без рытья котлована под фундамент. Так как опорный узел опирается непосредственно через опорную плиту 4 несущей крестовины 3 прямо на геомассив 7 по плоскости грунта монтажного горизонта, то само строение будет бесфундаментным. Его роль выполняет с успехом опорный узел, в котором подошва опорной плиты 4 несущей крестовины 3 испытывает постоянное интенсивное давление. Все точки контура подошвы опорной плиты 4 испытывают сосредоточенные силы нагрузки.
Выгодное расположение нормальных реактивных давлений не создают развитие пластических деформаций геомассива опорной плиты 7 в зоне посадки несущей крестовины 2 и опорной плиты 4. Изменение геометрии опорных элементов вносит существенные отличия и изменения в сложившуюся практику строительства фундаментов на слабых грунтах для жилых помещений индивидуального строительства. Простота конструкции снижает значительно техническое время на возведение данного фундамента, экономические и технологические ресурсы, что в конечном итоге указывает на перспективность предлагаемого технического решения.
Рассматриваемое техническое решение является полезным при возведении фундамента неглубокого залегания под жилые дома с учетом надежности и простоты конструкции, что способствует значительному потребительскому спросу при возведении жилья и особенно важно при сложившемся существующем его дефиците.
Источники информации 1. А.С. СССР 885471, Е 04 В 1/20, 1981.
2. А.С. СССР 1638279, Е 04 В 1/38, 1991.
3. А.С. СССР 1701875, Е 04 Н 9/02, 1991.
4. А.С. СССР 1612058, Е 02 D 27/00, 1990 (прототип).
Опорный узел строительной конструкции, включающий подготовленное основание и элементы несущей конструкции, отличающийся тем, что узел выполнен в виде монолитной железобетонной конструкции, образуя объемную обвязку и включает армированную мембрану, коробчатое ограждение цоколя и выпуклую книзу балочную крестовину с опорной плитой, при толщине мембраны и опорной плиты, равной не менее 1/2 толщины балки крестовины, причем концы крестовины имеют профильные прорези, срезы и жестко заделаны по углам в проемах ограждения цоколя, а пяткой опорной плиты крестовина опирается на монолитный геомассив монтажного горизонта.
Источник: findpatent.ru
Основные узлы рамных конструкций
Однотипность основных элементов рам позволяет глубоко унифицировать узлы их соединений. Основным типом жестких узлов рамных конструкций являются фланцевые соединения на высокопрочных болтах. Использование фланцевых соединений позволяет, помимо сокращения расхода стали на стыковочные детали и количества высокопрочных болтов, получать элементы полной заводской готовности, не требующие дополнительной подгонки и выверки при монтажной сборке. Важным преимуществом фланцевых соединений является и то, что их монтаж не требует высокой квалификации по сравнению со сварными узлами и трудоемких операций по подготовке контактирующих поверхностей, применяемых в соединениях со сдвигоустойчивыми высокопрочными болтами.
Соединение элементов ригелей рам между собой в пролете выполняется на фланцах, имеющих болты с наружной стороны растянутой полки (рис. 39 а). При действии знакопеременных изгибающих моментов фланцевое соединение имеет болты с обеих сторон (рис. 39 б).
Применение фланцевых соединений без наружных болтов возможно в сжатых элементах, а также при действии незначительных изгибающих моментов. Применение изгибаемых соединений без наружных болтов в некоторых зарубежных конструкциях можно объяснить преимущественным действием постоянных нагрузок, что позволяет использовать конструкции с податливыми соединениями. Для уменьшения толщины фланцы могут иметь подкрепляющие ребра, устанавливаемые с наружной стороны растянутой полки (рис. 39 в). В тех случаях, когда монтаж элементов ригеля производится «в навес», к фланцам привариваются специальные фиксаторы, как это показано на рис. 39 г.
Жесткое сопряжения ригелей рам со стойками также выполняются при помощи фланцевых соединений. Вид узла сопряжения зависит от типа применяемых элементов рам. При сопряжении элементов типа P1 в ригеле и типа Р2 в стойке, в основном используются узлы, подобные приведенным на рис. 40 а, б, в. При сопряжении элементов типа P1 и Р2 более предпочтителен узел, показанный на рис.
40 а, так как в этом случае сжимающая сила действующая в стойке разгружает фланцевое соединение, в то время, как для узла на рис. 40 б, она вызывает сдвиг в зоне контакта фланцев. Диагональные зебра в отсеках узла следует ставить в тех случаях когда не обеспечивается устойчивость стенки отсека или требуется установка в этом месте распорок, связей и т. д.
Размещение фланцев под углом ко внутреннему поясу ригеля (рис. 40 в) имеет преимущества при раздельном монтаже стоек и ригеля, но требует дополнительной обрезки стенки ригеля. Наилучшими показателями по технологичности и металлоемкости обладают узлы, в которых сопрягаются элементы ригеля и стойки, относящиеся к типу P1 (рис. 40 г).
В этом случае количество дополнительных деталей минимально, а сами узлы аналогичны узлам сопряжения элементов ригеля в пролете. Для восприятия локальных усилий, передающихся с внутренних поясов на стенку и обеспечения ее прочности и местной устойчивости, бывает необходимой установка дополнительных ребер по всей высоте сечения или на ее части. В наружной зоне узла могут устанавливаться ребра для передачи усилий с растянутых полок и уменьшения свободного пролета фланца.
Вынос соединения за пределы узла в зону нулевого момента (рис. 40 д) позволяет уменьшить толщину фланца практически до уровня конструктивных ограничений, однако сложность изготовления, транспортировки и монтажа элементов в большинстве случаев делает применение таких узлов нерациональным.
Сопряжение элементов пространственных рам осуществляется либо шарнирно, либо жестко, в зависимости от выбранной статической схемы. Шарнирные сопряжения проще в изготовлении и монтаже рам как конструктивно, так и благодаря возможности компенсации неточностей изготовления и монтажа.
Шарнирные сопряжения пространственных рам аналогичны узлам сопряжения балок в балочных клетках, как это показано на рис. 41 а, б. При конструировании шарнирных узлов сопряжения следует стремиться к уменьшению крутящего момента возникающего в основном элементе рамы из-за эксцентриситета передачи опорной реакции передающегося с примыкающей рамы. На рис. 41 а показано принципиальное решение узла с малым эксцентриситетом, а на рис. 41 б — с большим эксцентриситетом.
Из-за большой податливости, к шарнирным может быть условно отнесено и сопряжение элементов рам через фланцевое соединение (рис. 41 в, г). С одной стороны, это допущение идет в запас несущей способности примыкающей рамы, но с другой стороны, некоторая жесткость узла приводит к кручению основной рамы. Кроме того, такие узлы требуют повышенной точности при изготовлении и монтаже конструкций и имеют ограничения, связанные с заведением примыкающей рамы в пределы сечения основной рамы при монтаже.
Жесткое сопряжение может выполняться при помощи специальных элементов, сечение которых соответствует сечениям сопрягаемых элементов пространственных рам, а фланцевые соединения при этом выносятся за пределы узла. Более простое решение представлено на рис. 42 а, где фланцы поперечных рам привариваются непосредственно к основным рамам, имеющем в этом месте прорезное ребро. При необходимости примыкания рам под углом друг к другу, может применяться узел, показанный на рис. 42 б.
Расчет фланцевых соединений пространственных рам по сути не отличается от расчета соединений плоских рам. При проектировании таких узлов должны быть выполнены дополнительные проверки поясов основных рам на совместное действие напряжений σх от изгиба основных рам и напряжений σу, передающихся с примыкающих рам, по формулам сложного сопротивления.
Опирание ригелей на средние стойки многопролетных рам, в основном, осуществляется шарнирно. Шарнирное опирание ригеля производится через центрирующую прокладку (рис. 43 а), центрирующее прорезное ребро (рис. 43 б) или непосредственно через фланцы (рис. 43 в).
Опирание ригеля на стойки через фланцы позволяет обходится без дополнительных элементов и производить монтаж рам попролетно с опиранием монтируемых элементов непосредственно на средние стойки. К недостаткам узла относится то, что фланцевое соединение находится в зоне действия максимального изгибающего момента, а это приводит к повышенному расходу низколегированной стали на фланцы.
Шарнирное опирание ригеля на крайние стойки производится через торцевое ребро или центрирующую пластину (рис. 43 г). Опирание ригеля по всей поверхности торцевой пластины (серия «Канск») нежелательно, так как из-за неточностей изготовления и монтажа трудно обеспечить плотный и однозначный контакт по поверхности стыка (рис. 43 д). Во всех случаях, при опирании ригеля на средние или крайние стойки, должна быть обеспечена его устойчивость от опрокидывания при действии вертикальных и горизонтальных нагрузок.
Жесткое сопряжение ригеля со средними стойками многопролетных рам встречается относительно редко и обычно осуществляется при помощи фланцев и высокопрочных болтов. При этом ригель, в большинстве случаев, выполняется неразрезным и опирается на стойку сверху. Применение вутов в опорных узлах ригеля, как это сделано в серии «Канск» (рис.
44 а) крайне нежелательно, так как приводит к большим трудозатратам при изготовлении элементов. Жесткое опирание ригеля непосредственно на среднюю стойку показано на рис. 44 б. Ригель рамы в этом месте должен быть проверен на совместное действие глобальных и локальных напряжений.
Жесткое примыкание ригелей сбоку стоек встречается, в основном, в многоэтажных зданиях, когда поэтажная разрезка колонн становится невыгодной (рис. 44 в). Применение таких узлов в одноэтажных зданиях нерационально из-за увеличенного числа соединительных деталей и метизов, и, в основном, из-за разрезки ригеля в месте действия наибольших моментов.
Опирание крайних стоек рам в большинстве случаев выполняется шарнирным, как это показано на рис. 45 а. В стойках, имеющих большую высоту сечения, для обеспечения шарнирности выполняются скосы поясов (рис. 45 б). В исключительных случаях могут устраиваться тангенциальные опоры (рис. 45 б).
Жесткое сопряжение крайних стоек с фундаментами выполняется сравнительно редко, так как приводит к существенному развитию фундаментов из-за увеличения горизонтальных усилий распора и появлению значительных опрокидывающих моментов в опорном сечении стойки.
Горизонтальные усилия распора, возникающие в крайних стойках рам, воспринимаются либо непосредственно фундаментами, либо специальными затяжками, соединяющими противоположные стойки рам или фундаментами. Передача распора на фундаменты осуществляется за счет сил трения между опорной пластиной стойки и бетоном фундамента или при помощи специальных противосдвиговых устройств. Затяжки устраиваются для рам с большими пролетами или когда развитие фундаментов для восприятия распора становится нерациональным.
Средние стойки могут иметь как жесткое сопряжение с фундаментом, так и шарнирное. С одной стороны, шарнирное сопряжение позволяет избежать изгибающих моментов в стойке, которая работает как центрально-сжатый стержень, но, с другой стороны, создает трудности при монтаже. Применение тонких опорных пластин и разнесенных анкерных болтов позволяет монтировать стойки как жестко опертые, без дополнительных монтажных раскреплений, а податливость такого узла существенно уменьшает изгибающие моменты в них, приближая работу стойки к случаю центрального сжатия.
Конструктивные решения узлов стоек при жестком опирании принимаются как для обычных центрально-сжатых колонн имеющих двутавровое или замкнутое сечение.
Другие узлы рамных конструкций и каркасов в целом (узлы связей, кровельных и стеновых прогонов, распорок и т.д. приведены в соответствующих разделах настоящей работы).
Источник: ctcmetar.ru