RU221621U1 - Замковое свайное соединение - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к устройствам для возведения сооружений и фундаментов зданий или дорожных магистралей на разных типах грунта. Сущность полезной модели заключается в замковом свайном соединении, содержащем основание, включающее нагели и стаканы для ответных нагелей другого замкового свайного соединения, со сквозными отверстиями для установки штифта, при этом диаметр нагеля относится к диаметру сквозного отверстия нагеля как [1,9-2,2]:1, расстояние от опорной площадки до сквозного отверстия нагеля относится к диаметру сквозного отверстия нагеля как [1,2-1,7]:1, общая высота стакана относится к диаметру сквозных отверстий стакана как [3,2-3,6]:1, а диаметр сквозных отверстий стакана относится к диаметру сквозного отверстия нагеля как [1-1,1]:1. Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в снижении риска преждевременного возникновения дефекта стакана и нагеля замкового свайного соединения в процессе эксплуатации сваи. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Полезная модель относится к устройствам для возведения сооружений и фундаментов зданий или дорожных магистралей на разных типах грунта и может быть применена в строительной или транспортной промышленности для обеспечения быстрого и надежного соединения свай между собой и таким образом оперативного их наращивания.

В качестве прототипа выбрано замковое свайное соединение, содержащее основание, включающее нагель со сквозным отверстием для установки штифта и стакан для ответного нагеля другого замкового свайного соединения, также имеющий сквозные отверстия для установки штифта, при этом к нагелю и стакану присоединено по арматурному стержню для закрепления в структуре сваи, а геометрические параметры нагелей и стаканов в документе не раскрываются [US 20140241816 A1, дата публикации: 28.08.2014 г.]

Недостатком прототипа является высокий риск преждевременного возникновения дефекта стакана и нагеля в процессе эксплуатации свай, соединенных между собой при помощи замковых свайных соединений, из-за неравномерного распределения нагрузок, возникающих в телах нагеля и стакана, вследствие чего возможно превышение допустимой величины разрушающей нагрузки на разрыв стакана и нагеля по их поперечным сечениям, а также допустимых величин разрушающей нагрузки на смятие стакана и разрушающей нагрузки на срез (вырыв) нагеля, в результате чего может произойти их разрушение и нарушение соединения свай между собой, что в свою очередь может привести к общему снижению жесткости соединения свай друг с другом и нарушению целостности образованной ими несущей конструкции, что существенным образом ухудшает эксплуатационные характеристики замкового свайного соединения.

Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, заключается в необходимости улучшения эксплуатационных характеристик замкового свайного соединения.

Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в снижении риска преждевременного возникновения дефекта стакана и нагеля замкового свайного соединения в процессе эксплуатации сваи.

Сущность полезной модели заключается в следующем.

Замковое свайное соединение содержит основание, включающее нагели, каждый из которых имеет сквозное отверстие для установки штифта и опорную площадку для присоединения нагеля к основанию, и стаканы для ответных нагелей другого замкового свайного соединения, каждый из которых также имеет сквозные отверстия для установки штифта, при этом к каждому нагелю и стакану присоединено по арматурному стержню для закрепления в структуре сваи. В отличие от прототипа параметры каждого нагеля находятся в следующем соотношении:

- диаметр нагеля относится к диаметру сквозного отверстия нагеля как [1,9-2,2]:1;

- минимальное расстояние от опорной площадки до сквозного отверстия нагеля относится к диаметру сквозного отверстия нагеля как [1,2-1,7]:1,

параметры каждого стакана находятся в следующем соотношении:

- общая высота стакана относится к диаметру сквозных отверстий стакана как [3,2-3,6]:1,

взаимные параметры нагелей и стаканов находятся в следующем соотношении:

- диаметр сквозных отверстий стакана относится к диаметру сквозного отверстия нагеля как [1-1,1]:1.

Замковое свайное соединение обеспечивает возможность стыковки и соединения между собой бетонных свай и состоит из основания и стержней для закрепления замкового свайного соединения в структуре сваи.

Основание обеспечивает функцию формообразующей конструкции для компонентов замкового свайного соединения, в частности, для нагелей и стаканов для ответных нагелей другого замкового свайного соединения. Основание преимущественно имеет полую коробчатую конструкцию и может быть выполнено открытым с одной стороны для обеспечения возможности расположения замкового свайного соединения на свае.

Нагели и стаканы для ответных нагелей и стаканов другого замкового свайного соединения обеспечивают возможность штифтового соединения между собой двух замковых свайных соединений и центрирования их положения друг относительно друга. Нагели и стаканы могут быть выполнены из металлического сплава, в частности из стали марки 09Г2С, марки 10ХСНД и марки 30ХГСА.

Нагель представляет собой сплошное цилиндрическое тело с опорной площадкой, обеспечивающей возможность его присоединения к основанию. Для этого диаметр опорной площадки может превышать диаметр нагеля. Присоединение нагеля к основанию может обеспечиваться посредством сварки, а сварочный шов может проходить в месте соприкосновения опорной площадки нагеля с основанием замкового свайного соединения. Для установки штифта, обеспечивающего фиксацию положения двух замковых свайных соединений друг относительно друга, нагель имеет сквозное отверстие.

Диаметр нагеля относится к диаметру сквозного отверстия нагеля как [1,9-2,2]:1, что обеспечивает снижение риска преждевременного возникновения дефекта нагеля замкового свайного соединения в процессе эксплуатации сваи. Выполнение нагеля таким образом, что его диаметр превысит диаметр сквозного отверстия нагеля менее чем в 1,9 раз, может привести к уменьшению площади поперечного сечения нагеля в области его потенциального отказа по сценарию разрыва. При этом выполнение нагеля таким образом, что его диаметр превысит диаметр сквозного отверстия нагеля более чем в 2,2 раза, то это приведет лишь к увеличению материалоемкости нагеля без существенного влияния на технический результат.

Минимальное расстояние от опорной площадки до сквозного отверстия нагеля относится к диаметру сквозного отверстия нагеля как [1,2-1,7]:1, что обеспечивает снижение риска преждевременного возникновения дефекта нагеля замкового свайного соединения в процессе эксплуатации сваи. Под минимальным расстоянием от опорной площадки до сквозного отверстия нагеля, в рамках настоящей полезной модели, понимается расстояние от соприкасающейся с основанием замкового свайного соединения поверхности опорной площадки до ближайшей к ней точки на окружности, лежащей в поперечном сечении сквозного отверстия нагеля. Выполнение нагеля таким образом, что величина упомянутого расстояния превысит диаметр сквозного отверстия нагеля менее чем в 1,2 раз, может привести к уменьшению площади опорной поверхности, работающей в сценарии отказа нагеля по его срезу в горизонтальном направлении. При этом выполнение нагеля таким образом, что величина упомянутого расстояния превысит диаметр сквозного отверстия нагеля более чем в 1,7 раза, то это приведет лишь к увеличению материалоемкости нагеля без существенного влияния на технический результат.

Стакан для ответного нагеля другого замкового свайного соединения представляет собой полый цилиндр, одно из оснований которого имеет отверстие для приема нагеля, а другое основание выступает в качестве крышки стакана. Присоединение стакана к основанию может обеспечиваться при помощи сварки, при этом сварочный шов может проходить по внешней поверхности стенки стакана в месте его соприкосновения с основанием. Для установки штифта, обеспечивающего фиксацию положения двух замковых свайных соединений друг относительно друга, стакан имеет пару сквозных отверстий, выполненных в его стенках. Сквозные отверстия стакана выполнены соосными, имеют одинаковый диаметр.

Общая высота стакана относится к диаметру сквозных отверстий стакана как [3,2-3,6]:1, что обеспечивает снижение риска преждевременного возникновения дефекта стакана замкового свайного соединения в процессе эксплуатации сваи. Под общей высотой стакана, в рамках настоящей полезной модели, понимается высота стакана вместе с крышкой. Выполнение стакана таким образом, что его общая высота превысит диаметр сквозных отверстий стакана менее чем в 3,2 раза, приведет с одной стороны к уменьшению глубины стакана и как следствие уменьшению длины размещаемого внутри него нагеля, что в свою очередь приведет к уменьшению площади опорной поверхности, работающей в сценарии отказа нагеля по его срезу в горизонтальном направлении, и с другой стороны к уменьшению толщины крышки стакана и невозможности присоединения стержня к стакану при помощи сварки, ввиду высокого риска прожога его крышки в процессе сварки. При этом выполнение стакана таким образом, что его общая высота превысит диаметр сквозных отверстий стакана более чем в 3,6 раза, приведет лишь к увеличению материалоемкости стакана без существенного влияния на технический результат.

Взаимные параметры нагелей и стаканов находятся в соотношении, при котором диаметр сквозных отверстий стакана относится к диаметру сквозного отверстия нагеля как [1-1,1]:1, что необходимо для обеспечения возможности работы установленного в эти отверстия штифта в состоянии упругой деформации.

Нагели и стаканы установлены на основании таким образом, что их оси расположены симметрично на диагоналях квадрата, лежащего в поперечном сечении сваи.

К каждому нагелю и стакану присоединено по стержню для закрепления замкового свайного соединения в структуре сваи. Присоединение стержней к нагелям и стаканам может обеспечиваться посредством сварки, а сварочный шов для присоединения стержней к нагелям может проходить в месте соприкосновения опорной площадки нагеля с торцом стержня, а сварочный шов для присоединения стержней к стаканам может проходить в месте соприкосновения крышки стакана с торцом стержня. Стержни могут быть представлены в виде строительной арматуры. Оси стержней преимущественно совпадают с осями нагелей и стаканов, к которым они присоединены.

Полезная модель может быть выполнена из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».

Полезная модель характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что:

- диаметр нагеля относится к диаметру сквозного отверстия нагеля как [1,9-2,2]:1, что позволяет поддерживать на оптимальном уровне величину площади поперечного сечения нагеля в области его потенциального отказа по сценарию разрыва.

- минимальное расстояние от опорной площадки до сквозного отверстия нагеля относится к диаметру сквозного отверстия нагеля как [1,2-1,7]:1, что позволяет поддерживать на оптимальном уровне величину площади опорной поверхности нагеля, работающей в сценарии отказа нагеля по его срезу в горизонтальном направлении;

- общая высота стакана относится к диаметру сквозных отверстий стакана как [3,2-3,6]:1, что обеспечивает такую глубину стакана, при которой возможно размещение внутри него нагеля с вышеуказанными характеристиками, а также обеспечивает оптимальную толщину крышки стакана, при которой снижен риск ее прогара в процессе присоединении к стакану стержней при помощи сварки;

- диаметр сквозных отверстий стакана относится к диаметру сквозного отверстия нагеля как [1-1,1]: 1, что обеспечивает возможность работы установленного в эти отверстия штифта в состоянии упругой деформации.

Совокупность существенных признаков полезной модели, обеспечивает возможность равномерного распределения нагрузок, возникающих в телах нагеля и стакана в процессе эксплуатации сваи, и позволяет повысить жесткость соединения свай между собой при помощи замкового свайного соединения предложенной конструкции. Таким образом замковое свайное соединение предложенной конструкции имеет прочность не ниже, чем прочность продольного армирования сваи, за счет чего обеспечивается равнопрочность для основного армирования до класса арматуры А-III марки А500С диаметром до 25 мм, при выполнении стаканов и нагелей замкового свайного соединения из различных материалов.

Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в снижении риска преждевременного возникновения дефекта стакана и нагеля замкового свайного соединения в процессе эксплуатации сваи, тем самым улучшаются эксплуатационные характеристики замкового свайного соединения.

Полезная модель характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «новизна».

Полезная модель поясняется следующими фигурами.

Фиг. 1 - Замковое свайное соединение, установленное на сваю, продольное сечение по стакану и нагелю.

Фиг. 2 - Совмещенные между собой замковые свайные соединения по Фиг. 1, продольное сечение по стакану и нагелю.

Фиг. 3 - Нагель замкового свайного соединения, поперечный разрез.

Фиг. 4 - Стакан замкового свайного соединения, поперечный разрез.

Фиг. 5 - Соединение, включающее стакан, нагель и штифт в разрезе, изометрия.

Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути полезной модели ниже представлен вариант ее осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящая полезная модель ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.

Замковое свайное соединение (Фиг. 1) содержит основание 10, к которому присоединены: пара нагелей 12 и пара стаканов 14 для ответного нагеля другого замкового свайного соединения. К каждому нагелю 12 и стакану 14 присоединено по стержню 16 для закрепления замкового свайного соединения в структуре сваи.

Каждый нагель 12 (Фиг. 3) имеет сплошное цилиндрическое тело с опорной площадкой для присоединения его к основанию 10 и сквозное отверстие для установки штифта. Также каждый нагель 12 имеет диаметр D_н, который относится к диаметру d_н сквозного отверстия нагеля 12 как D_н/d_н=[1,9-2,2]:1. При этом минимальное расстояние L_н от опорной площадки нагеля 12 до стенки его сквозного отверстия относится к диаметру d_н сквозного отверстия нагеля 12 как L_н/d_н=[1,2-1,7]:1.

Каждый стакан 14 (Фиг. 4) для ответного нагеля другого замкового свайного соединения имеет форму полого цилиндра с внешним диаметром D_c, одно из оснований которого имеет отверстие для приема нагеля 12, а другое основание цилиндра выступает в качестве крышки стакана 14. Для установки штифта каждый стакан 14 имеет выполненные в его стенках сквозные соосные отверстия одинакового диаметра d_c. Общая высота L_c стакана 14 с крышкой относится к диаметру d_c сквозных отверстий стакана 14 как L_c/d_c=[3,2-3,6]:1.

Диаметр d_c сквозных отверстий стакана 14 относится к диаметру d_H сквозного отверстия нагеля 12 как d_c/d_н=[1-1,1]:1.

Присоединение нагелей 12 и стаканов 14 к основанию 10 обеспечивается посредством сварки. Сварочный шов 18 для присоединения каждого нагеля 12 к основанию 10 проходит в месте соприкосновения опорной площадки нагеля 12 с основанием 10. Сварочный шов 20 для присоединения каждого стакана 14 к основанию 10 проходит по внешней поверхности стенки стакана 14 в месте его соприкосновения с основанием 10.

Присоединение стержней 16 к нагелям 12 и стаканам 14 обеспечивается также посредством сварки. Сварочный шов 22 для присоединения каждого стержня 16 к каждому нагелю 12 проходит в месте соприкосновения опорной площадки нагеля 12 с торцом стержня 16, а сварочный шов 24 для присоединения каждого стержня 16 к каждому стакану 14 проходит в месте соприкосновения крышки стакана 14 с торцом стержня 16.

Полезная модель работает следующим образом.

Стаканы 14 и нагели 12 одного замкового свайного соединения совмещают с ответными им стаканами и нагелями другого замкового свайного соединения (Фиг. 2), а в совмещенные между собой отверстия выполненные в стаканах 14 и нагелях 12 устанавливают штифты. В процессе восприятия усилий замковым свайным соединением предложенной конструкции нагрузка равномерно распределяется в объеме стаканов 14 и нагелей 12, что снижает риск нарушения их структурной целостности.

Для подтверждения достижения технического результата при помощи инструментов компьютерного моделирования был произведен прочностной расчет замкового свайного соединения по типу соединения «Ухо-вилка». Расчетное соединение (Фиг. 5) включало в себя нагель 12, стакан 14 и штифт 26, установленный в отверстия стакана 14 и нагеля 12. Геометрические параметры соединения отражены в Таблице 1.

Сборку расчетного соединения выполняли внатяг, соединение рассматривали как неподвижное и неразъемное. В качестве одинарной проушины («ухо») выступал нагель 12, а в качестве двойной проушины («вилка») выступал стакан 14. Стакан 14 и нагель 12 изготавливались в двух вариантах материала - из стали марки 09Г2С и из стали марки 30ХГСА. Штифт изготавливался из стали марки 40ХН2МА.

В процессе прочностного расчета соединения в каждом из вариантов материала для стакана 14 определяли разрушающую нагрузку разрыва стакана по поперечному сечению -Р_{раст с}, разрушающую нагрузку на смятие стенок стакана -Р_{см с} и минимальную нагрузку, при которой произойдет разрушение стакана Р_{разр с}, а для нагеля 12 определяли разрушающую нагрузку разрыва нагеля по поперечному сечению - Р_{раст н}, разрушающую нагрузку на срез (вырыв) нагеля Р_{ср н} и минимальную нагрузку, при которой произойдет разрушение нагеля - Р_{разр н}. Результаты прочностного расчета для соединений, стакан и нагель которого выполнены из стали марки 09Г2С и из стали марки 30ХГСА, заносили в Таблицу 2.

Значения, полученные в результате расчета, приводились в сравнение с референсными значениями предельных напряжений анкеровочной арматуры различного диаметра. В частности, в сравнение друг с другом приводились: минимальное значение разрушающей нагрузки стакана изготовленного из стали марки 09Г2С - Р_{разр с} = 157,98 кН и предельное напряжение анкеровочной арматуры диаметром 20 мм Р_{арм 20}=157,08 кН, а также минимальное значение разрушающей нагрузки нагеля изготовленного из стали марки 30ХГСА Р _{разр н}=260,66 кН и предельное напряжение анкеровочной арматуры диаметром 25 мм Р_{арм 25}=245,44 кН. В результате сравнения было установлено, что:

что свидетельствует о том, что в процессе эксплуатации сваи при воздействии на нее нагрузок близких к разрушающим, в первую очередь произойдет разрушение арматурного каркаса сваи, а затем разрушение наименее прочного из двух элемента замкового свайного соединения, в частности для соединения изготовленного из стали марки 09Г2С таким элементом является стакан, поскольку он имеет меньшее, в сравнении с изготовленным из того же материала нагелем, значение минимальной разрушающей нагрузки, а для соединения изготовленного из стали марки 30ХГСА таким элементом является нагель.

Таким образом обеспечивается возможность использования вышеописанного замкового свайного соединения, стакан и нагель которого изготовлены из стали марки 09Г2С, в составе бетонных свай армированных стержнями диаметром до 20 мм, а также использования вышеописанного замкового свайного соединения, стакан и нагель которого изготовлены из стали марки 30ХГСА, в составе бетонных свай армированных стержнями диаметром до 25 мм.

Таким образом обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в снижении риска преждевременного возникновения дефекта стакана и нагеля замкового свайного соединения в процессе эксплуатации сваи, тем самым улучшаются эксплуатационные характеристики замкового свайного соединения.

Claims (9)

1. Замковое свайное соединение, содержащее основание, включающее нагели, каждый из которых имеет сквозное отверстие для установки штифта и опорную площадку для присоединения нагеля к основанию, и стаканы для ответных нагелей другого замкового свайного соединения, каждый из которых также имеет сквозные отверстия для установки штифта, при этом к каждому нагелю и стакану присоединено по арматурному стержню для закрепления в структуре сваи, отличающееся тем, что:

параметры каждого нагеля находятся в следующем соотношении:

– диаметр нагеля относится к диаметру сквозного отверстия нагеля как [1,9-2,2]:1;

– минимальное расстояние от опорной площадки до сквозного отверстия нагеля относится к диаметру сквозного отверстия нагеля как [1,2-1,7]:1,

параметры каждого стакана находятся в следующем соотношении:

– общая высота стакана относится к диаметру сквозных отверстий стакана как [3,2-3,6]:1,

взаимные параметры нагелей и стаканов находятся в следующем соотношении:

– диаметр сквозных отверстий стакана относится к диаметру сквозного отверстия нагеля как [1-1,1]:1.

2. Замковое свайное соединение по п.1, отличающееся тем, что стакан и нагель выполнены из стали марки 30ХГСА.