Саморегульовано-напружена балка чекановича

Реферат: Винахід належить до будівництва і може використовуватися для підсилення і виготовлення залізобетонних балок. В основу винаходу поставлена задача створення саморегульованонапружених, міцних, жорстких і тріщиностійких та живучих конструкцій балок, що ефективно підсилюються розтягнутими елементами, що чутливо реагують на дію зовнішнього навантаження шляхом раціонального перерозподілу напруження між стисненою і розтягнутою зонами, шляхом суттєвого розвантаження поперечною розтягнутою арматурою стиснутої зони балки, поздовжнього обтиску розтягнутої зони і поперечного обтиску її приопорних зон. Для цього саморегульовано-напружена балка містить залізобетонне тіло з закладними пластинами на поверхні, поздовжню затяжку, закріплену по кінцях на балці, взаємодіючу по середині з натяжним елементом, що обпирається на нижню грань балки, і поперечну зовнішню арматуру, взаємодіючу у приопорних зонах балки з верхньою і нижньою її гранями, а в середній частині - взаємодіючу з затяжкою, при цьому поперечна арматура виконана із гнучких зі згином у середній частині v-подібно розташованих на бічних гранях балки стрижнів, закріплених асиметрично по кінцях на верхніх фібрах балки і охоплюючих в місцях згину котки, розташовані на нижній грані балки з обмеженням їх зміщення до середини балки, при цьому гілка кожного стрижня, направлена до середини балки, розташована до верхньої грані балки похило під UA 110309 C2 (12) UA 110309 C2 гострим кутом, зверненим до торців балки, і під гострим кутом до нижньої грані балки, зверненим до середини балки, а гілка стрижня, розташована ближче до торців балки, розміщена вертикально. UA 110309 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі будівництва і може використовуватися для підсилення та виготовлення конструкцій залізобетонних балок будівель та споруд. Відомі конструкції балок, що включають залізобетонне тіло з закладними пластинами на поверхні і поздовжню затяжку, закріплену по кінцях на балці, взаємодіючу по середині з натяжним елементом, що обпирається на нижню грань балки, і поперечну арматуру, розташовану дзеркально симетрично у приопорних зонах балки [Клименко Є.В. Технічна експлуатація та реконструкція будівель і споруд: навчальний посібник/ Є.В. Клименко. - К.: "Центр навчальної літератури", 2004. С. 171]. При цьому залізобетонна балка має невисоку міцність, жорсткість і тріщиностійкість, недостатню живучість при екстремальних навантаженнях, її руйнування наступає зарано при зменшених деформаціях і прогинах через втрату стійкості поздовжньої арматури стисненої зони балки з її вигином до верху і руйнуванням захисного шару бетону, що прискорює роздроблення стиснутої зони бетону балки, вона потребує значного попереднього напруження зовнішньої арматури, що може викликати утворення тріщин в її тілі, неефективно чинить опір зовнішньому навантаженню через неможливість саморегульованого ефективного розвантаження верхньої стиснутої зони, обтиску нижньої розтягнутої зони і поперечного обтиску приопорних ділянок балки. Найбільш близьким технічним вирішенням до запропонованого є регульовано-обтиснена залізобетонна балка, що включає залізобетонне тіло з закладними пластинами на поверхні і поздовжню затяжку, закріплену по кінцях на балці і взаємодіючу по середині з натяжним елементом, що обпирається на нижню грань балки і поперечну зовнішню арматуру, взаємодіючу у приопорних зонах балки з верхньою і нижньою її гранями, а в середній частині взаємодіючу з затяжкою (Патент України на винахід №87047 С2, МПК Е04С 3/00. Регульованообтиснена залізобетонна балка/ -а200710856; заявл. 01.10.2007; опубл. 10.06.2009, Бюл. №11). Недоліками прототипу є невисока міцність і тріщиностійкість, за нормальними і похилими перерізами, недостатня живучість при екстремальних навантаженнях через раннє руйнування тіла балки, що наступає при зменшених деформаціях і прогинах, значна маса і матеріаломісткість системи зовнішнього підсилення, складність і недостатня надійність системи підсилення, неможливість саморегулювання напружень системою підсилення з легкими і надійними нерухомими з'єднаннями гнучких елементів при зовнішньому навантаженні балки, що прискорює знос системи підсилення, значні габарити підсиленої балки, незручність розташування і влаштування системи підсилення, що утруднює використання її для практики. В основу винаходу поставлена задача створення саморегульовано-напружених, міцних, жорстких і тріщиностійких та живучих конструкцій балок, що ефективно підсилюються розтягнутими елементами, які чутливо реагують на дію зовнішнього навантаження, раціонально перерозподіляють напруження між стисненою і розтягнутою зонами балки шляхом суттєвого дискретного розвантаження поперечною розтягнутою арматурою стиснутої зони балки, поздовжнього обтиску розтягнутої зони і поперечного обтиску її приопорних зон, при цьому ефект розвантаження збільшується зі зростанням навантаження на балку. Прототип не дозволяє одержати відповідний до задачі технічний результат, так як поворотна конструкція підсилення складна, має рухомі з'єднання, які ненадійні і швидко зношуються, натяжний елемент і поперечна зовнішня арматура підсилення працюють на вигин і потребують надвисоких витрат сталі, недовикористовуються властивості міцності матеріалів системи підсилення, залишаються нереалізованими резерви міцності, тріщиностійкості за нормальними і похилими перерізами балки, конструкції підсилення великогабаритні з незручним розміщенням елементів підсилення, неможливо поперечною розтягнутою зовнішньою арматурою раціонально розвантажити стиснену зону балки, при цьому не забезпечується збільшення ефекту розвантаження зі зростанням навантаження на балку, важко забезпечити високу живучість конструкції через відсутність системи дискретного розвантаження стиснутої зони по довжині балки. Поставлена задача вирішується тим, що саморегульовано-напружена балка включає залізобетонне тіло з закладними пластинами на поверхні, поздовжню затяжку, закріплену по кінцях на балці, взаємодіючу по середині з натяжним елементом, що обпирається на нижню грань балки, і поперечну зовнішню арматуру, взаємодіючу у приопорних зонах балки з верхньою і нижньою її гранями, а в середній частині - взаємодіючу з затяжкою, при цьому поперечна арматура виконана із гнучких з вигином у середній частині v-подібно розташованих на бічних гранях балки з зазором стрижнів, закріплених асиметрично по кінцях на верхніх фібрах балки і охоплюючих в місцях вигину котки, розташовані на нижній грані балки з обмеженням їх зміщення до середини балки, при цьому одна гілка кожного стрижня направлена до середини балки і розташована до верхньої грані балки похило під гострим кутом, зверненим до торців балки, і під гострим кутом до нижньої грані балки, зверненим до середини балки, а інша гілка 1 UA 110309 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 стрижня, розташована ближче до торців балки і розміщена вертикально, при цьому похилі гілки кожного послідовно наступного поперечного v-подібного стрижня в напрямку від торців балки до її середини розташовані під різними кутами, які послідовно зменшуються за величиною по відношенню до верхньої грані балки і ці похилі гілки стрижнів, відповідно, у тому ж порядку простягаються послідовно кожна на більшу відстань по довжині балки у вказаному напрямку і закріплені по кінцях, але не переходять за вертикальну вісь симетрії балки, при цьому вузли взаємодії поперечної арматури з затяжкою виконані у вигляді натяжного з'єднання елементами, які, починаючи з другого від торця балки, включають важіль з трубчастою верхньою частиною, у яку заведена поперечна арматура, і нижню частину, що сполучається з плечем, яке з'єднане гнучким елементом з фіксатором, закріпленим на затяжці, при цьому важіль розміщений з обмеженням зміщення трубчастої частини до верху вздовж похилої арматури, а трубчаста частина важеля по кінцях виконана з відігнутими на зовні сегментами з заокругленнями вздовж розташування поперечної арматури балки. Між сукупністю суттєвих ознак винаходу, який заявляється, і технічним результатом, якого можна досягти, є причинно-наслідковий зв'язок, який полягає в тому, що поперечна арматура виконана із гнучких з вигином у середній частині v-подібно розташованих на бічних гранях балки стрижнів, закріплених асиметрично по кінцях на верхніх фібрах балки і охоплюючих в місцях вигину котки, розташовані на нижній грані балки з обмеженням їх зміщення до середини балки, при цьому гілка кожного стрижня, направлена до середини балки, розташована до верхньої грані балки похило під гострим кутом, зверненим до торців балки і під гострим кутом до нижньої грані балки, зверненим до середини балки, а гілка стрижня, розташована ближче до торців балки, розміщена вертикально, при цьому нахил похилих гілок поперечних стрижнів, розташованих починаючи від торців балки до її середини, послідовно збільшується і довжина гілок збільшується, але не переходить за вертикальну вісь симетрії балки, при цьому вузли взаємодії поперечної арматури з затяжкою виконані у вигляді натяжного з'єднання елементами, які починаючи з другого від торця балки, включають важіль з трубчастою верхньою частиною, у яку заведена поперечна арматура, і нижню частину, що сполучається з плечем, яке з'єднане гнучким елементом з фіксатором, закріпленим на затяжці, при цьому важіль розміщений з обмеженням зміщення трубчастої частини до верху вздовж похилої арматури, а трубчаста частина важеля по кінцях виконана з відігнутими на зовні сегментами з заокругленнями вздовж розташування поперечної арматури балки. Розташування похилих гілок поперечної арматури у вигляді променів, що відходять від нижньої опорної зони балки і розходяться до верху в бік центральної її частини з закріпленням на верхніх фібрах балки, дозволяє дискретно розвантажувати верхню стиснуту зону балки у відповідності до епюр зовнішніх навантажень і головних напружень у тілі балки, що значно підвищує ефективність системи підсилення. З'єднання похилої і вертикальної гілок поперечної арматури в один гнучкий стрижень підвищує ефективність саморегулювання напружень, забезпечує надійне закріплення арматури на балці. Розтягнуті похилі гілки поперечних стрижнів зміцнюють розтягом стиснену зону балки в прольоті по центру. При цьому підвищується живучість конструкції при значних, екстремальних і руйнівних навантаження. В системі зовнішнього підсилення відсутня стиснута арматура, що при високих рівнях навантаження може втратити стійкість. Важелі влаштовані так, що діють без опори на балку і являють собою натяжні регулюючі вузли з'єднання між затяжкою і поперечною арматурою. Їх дія завдяки плечу значно підвищує ефект чутливого саморегулювання, а значний нахил похилих гілок поперечних стрижнів до центру і закріплення їх на верхній фібрі балки перетворює поперечну арматуру за дією на балку на частково поздовжню, що значно підсилює і зміцнює балку на дію зовнішнього згинального моменту. Зі збільшенням навантаження збільшуються переміщення в системі зовнішнього підсилення. Відбувається поворот важелів і збільшується перегин поперечної арматури. Кути в місцях перегину не перевищують прямі - 90°. Гострі кути між похилими гілками поперечних стрижнів і верхньою і нижньою гранями балки зменшуються за величиною і горизонтальна складова сили реакції дії поперечної арматури на балку збільшується. Це ще більше підвищує ефект саморегулювання, робить його більш чутливим і дозволяє суттєво розвантажити балку за нормальними перерізами в прольоті балки і тим самим підвищити її несучу здатність. Винахід пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 зображена саморегульовано-напружена балка, загальний вигляд з боку; на фіг. 2 зображено опорний фрагмент балки; на фіг. 3 - переріз 1-1 балки. Саморегульовано-напружена балка включає залізобетонне тіло 1 з закладними пластинами на поверхні 2, поздовжню затяжку 3, взаємодіючу з натяжним елементом 4, що обпирається на 2 UA 110309 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 нижню грань балки, і поперечну зовнішню арматуру, виконану із гнучких стрижнів, закріплених асиметрично по кінцях на верхніх фібрах балки і огинаючих котки 5, розташовані на нижній грані балки з обмеженням їх зміщення упорами 6 до середини балки, при цьому одна гілка кожного поперечного стрижня 7 направлена похило і утворює гострий кут  з верхньою гранню балки і гострий кут  з нижньою її гранню, а інша гілка стрижня 8 розміщена вертикально. При цьому нахил похилих гілок поперечних стрижнів, розташованих починаючи від торців балки до її середини, послідовно збільшується, а величини цих кутів  і , відповідно, зменшуються - 1 > 2 > 3 і 1 > 2 > 3. Довжина похилих гілок не переходить за вертикальну вісь симетрії балки. При цьому вузли взаємодії поперечної арматури з затяжкою виконані у вигляді натяжного з'єднання елементами, які, починаючи з другого від торця балки, включають важіль з трубчастою верхньою частиною 9, у яку заведена поперечна арматура, і нижню частину з плечем 10, яке з'єднане гнучким елементом 11 з фіксатором 12, закріпленим на затяжці, при цьому важіль розміщений з обмеженням стопором 13 від зміщення трубчастої частини до верху вздовж похилої арматури, а трубчаста частина важеля по кінцях виконана з відігнутими на зовні сегментами 14 з заокругленнями вздовж контакту з поперечною арматурою балки. Виготовляють саморегульовано-напружену балку як звичайну залізобетонну з закладними пластинами на поверхні. Збирають поперечну арматуру шляхом огинання нею котків 5 нижньої грані балки, заведення кінців похилої гілки 7 кожного, починаючи з другого від торців, стрижня у трубчасту частину 9 важеля з закріпленням кінців на закладних пластинах 2. Затяжку 3 закріплюють анкерами у двох точках на похилій гілці перших від торців поперечних стрижнів 7. Ланки затяжки 3 в центральній частині балки закріплюються за допомогою анкерних елементів на натяжному елементі 4. Встановлюється коток натяжного елемента 5 під балкою. Гнучкі елементи 11 важелів закріплюють фіксатором 12 на затяжці 3. Важелі на вздовж похилих гілок поперечних стрижні відводять до верху і фіксують їх положення стопорами 13. Після виконання усіх з'єднань елементів підсилення балки ланки затяжки 3 стягуються муфтою натяжного елемента 4 з наданням системі незначного попереднього напруження. Похилі гілки поперечних стрижнів, що взаємодіють з важелями дещо перегинаються по кінцях його трубчатих частин 9. Заокруглення сегментів 14 трубчастих частин 9 зменшує контактні напруження з поперечною арматурою. Згодом виконуються контрольна підтяжка зовнішньої арматури з регулюванням і контролем стану окремих ланцюгів системи підсилення. При зовнішньому навантаженні саморегульовано-напружена балка деформується і набуває прогину. В результаті взаємодії балки з натяжним елементом 4 затяжка 3 розтягується. У вузлах з'єднання затяжки 3 з похилими гілками 7 поперечної зовнішньої арматури виникає сила, направлена до центру балки. Поперечна арматура розтягується і обтискає тіло балки 1. Оскільки похило розташована поперечна арматура 7 закріплена на верхній і нижній фібрах балки під гострими кутами нахилу  і  до верхньої і нижньої граней балки, то за рахунок локального обтиску балки поперечною похилою арматурою 7, виникає і зростає зусилля розтягу верхньої грані, що суттєво розвантажує і зміцнює стиснену зону балки. Ефект інтенсивно підсилюється стягуванням крайніх похилих гілок стрижнів поперечної арматури між двома точками анкерного кріплення затяжки 3 і перегином похилих гілок трубчастою частиною важелів 9 зі зменшенням кутів нахилу  і  інших стрижнів поперечної арматури. Взаємозв'язок поздовжньої арматури - затяжки 3 і поперечної арматури 7 і 8 забезпечує саморегулювання напружень, а застосування натяжних вузлів з важелями сприяє більш чутливому реагуванню системи підсилення на зміну зовнішнього навантаження. Зі збільшенням навантаження збільшуються переміщення в системі зовнішнього підсилення. Відбувається поворот важелів і збільшується перегин поперечної арматури. Кути в місцях перегину похилих гілок стрижнів не перевищують 90°. Гострі кути  і  зменшуються за величиною при навантаженні і горизонтальна складова сили реакції дії поперечної арматури на балку збільшується. Це підвищує ефект саморегулювання, робить його більш чутливим і суттєво розвантажує балку за нормальними перерізами в прольоті балки. Вертикальні ділянки поперечної арматури 8 поперечно обтискають балку і суттєво збільшують тріщиностійкість і міцність балки за похилими перерізами на дію поперечної сили. Застосування розтягнутих елементів в системі підсилення значно знижує її матеріаломісткість і підвищує надійність як самої системи підсилення, так і балки в цілому. Застосування запропонованої саморегульовано-напруженої балки з регульованим натягом затяжкою зовнішньої похилої поперечної арматури ефективно підсилює балку за нормальними і похилими перерізами в процесі експлуатаційного навантаження, зменшує габарити, полегшує конструкцію та підвищує надійність роботи, забезпечує високу міцність, жорсткість і тріщиностійкість та живучість, зменшує матеріаломісткість, сповільняє ентропію та забезпечує високу ефективність використання фізико-механічних характеристик матеріалів за рахунок 3 UA 110309 C2 5 10 роботи всіх арматурних елементів підсилення на розтяг, розвантаження стиснутої зони балки поперечною зовнішньою арматурою. Наявність в системі зовнішнього підсилення поздовжньої і поперечної арматури дозволяє виготовляти тіло балки з мінімальним процентом армування, а в випадках з малими прольотами застосовувати навіть фібробетонне або бетонне тіло балки. Джерела інформації: 1. Клименко Є.В. Технічна експлуатація та реконструкція будівель і споруд: навчальний посібник/ Є.В. Клименко. - К.: "Центр навчальної літератури", 2004. С 171. 2. Пат. 87047 Україна, МПК Е04С 3/00. Регульованообтиснена залізобетонна балка/ Чеканович О.М., заявник: Чеканович О.М., патентовласник: Чеканович О.М., - а200710856; заявл. 01.10.2007; опубл. 10.06.2009, Бюл. №11. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 30 35 40 1. Саморегульовано-напружена балка, що включає залізобетонне тіло з закладними пластинами на поверхні, поздовжню затяжку, закріплену по кінцях на балці, взаємодіючу по середині з натяжним елементом, що обпирається на нижню грань балки, і поперечну зовнішню арматуру, взаємодіючу у приопорних зонах балки з верхньою і нижньою її гранями, а в середній частині взаємодіючу з затяжкою, яка відрізняється тим, що поперечна арматура виконана із гнучких з вигином у середній частині v-подібно розташованих на бічних гранях балки з зазором окремих стрижнів, закріплених асиметрично по кінцях на верхніх фібрах балки і охоплюючих в місцях вигину котки, розташовані на нижній грані балки з обмеженням їх зміщення до середини балки, при цьому гілка кожного стрижня, направлена до середини балки, розташована до верхньої грані балки похило під гострим кутом, зверненим до горців балки, і під гострим кутом до нижньої грані балки, зверненим до середини балки, а гілка кожного стрижня, розташована ближче до торців балки, розміщена у вертикальному напрямі. 2. Балка за п. 1, яка відрізняється тим, що похилі гілки поперечної арматури розташовані у вигляді промінів, що відходять від нижньої опорної зони балки і розходяться до верху в бік центральної її частини з закріпленням на верхніх фібрах балки, дискретно розвантажуючи верхню стиснуту зону балки у відповідності до епюр зовнішніх навантажень і головних напружень у тілі балки, при цьому нахил похилих гілок поперечних стрижнів, розташованих починаючи від торців балки до її середини, послідовно збільшується, а гострі кути між похилими гілками і верхньою і нижньою гранями послідовно зменшуються, і ці похилі гілки стрижнів у тому ж порядку простягаються послідовно на більшу відстань по довжині балки до її середини, але не переходять за вертикальну вісь симетрії балки. 3. Балка за п. 1, яка відрізняється тим, що вузли взаємодії поперечної арматури з затяжкою виконані у вигляді натяжного з'єднання елементами, які, починаючи з другого від торця балки, включають важіль з трубчастою верхньою частиною, у яку заведена поперечна арматура з можливістю її перегину і збільшення горизонтальної складової розтягу верхньої стисненої зони і стиску нижньої розтягнутої зони балки при навантаженні, і нижню частину, що сполучається з плечем, яке з'єднане гнучким елементом з фіксатором, закріпленим на затяжці, при цьому важіль розміщений з обмеженням зміщення трубчастої частини до верху вздовж похилої арматури, а трубчаста частина важеля по кінцях виконана з відігнутими назовні сегментами з заокругленнями вздовж розташування поперечної арматури в площині, паралельній бічній грані балки. 4 UA 110309 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5