RU2352737C2

RU2352737C2 - Tendon

Info

Publication number: RU2352737C2
Application number: RU2007112521/03A
Authority: RU
Inventors: Сергей Ашотович Мадатян (RU); Сергей Ашотович Мадатян; Марсель Янович Бикбау (RU); Марсель Янович Бикбау; Вячеслав Геворкович Асатрян (RU); Вячеслав Геворкович Асатрян; Андрей Адольфович Безруков (RU); Андрей Адольфович Безруков; Ян Марсельевич Бикбау (RU); Ян Марсельевич Бикбау
Original assignee: Закрытое акционерное общество "ИМЭТСТРОЙ" (ЗАО "ИМЭТСТРОЙ")
Priority date: 2007-04-05
Filing date: 2007-04-05
Publication date: 2009-04-20
Also published as: RU2007112521A

Abstract

FIELD: construction.

SUBSTANCE: tendon comprises additional external reinforcing contour in the form of cylindrical rigid steel or nonmetal cartridge that is installed symmetrically relative to prestressed reinforcement and filled with concrete of at least B 15 grade; with concrete prestressing force in element within the limits from 5 N/sq.mm to 40 N/sq.mm and force of side thrust in cartridge from prestressing within the limits from 0 to 300 N\sq.mm. External cartridge may be arranged with rectangular or square section, and prestressed reinforcement - from coal plastic; at that reinforcement made of steel ropes may be installed in flexible nonmetal tubes with lubricant inside.

EFFECT: increased reliability.

5 cl, 2 dwg, 2 ex

Description

Предлагаемое изобретение относится к предварительно напряженным бетонным конструкциям, прежде всего к напрягаемым арматурным элементам конструкции.The present invention relates to prestressed concrete structures, primarily to prestressed reinforcing structural elements.

Известны традиционные ненапрягаемые арматурные элементы в виде проволоки или профилированных стальных стержней, используемые в различных строительных конструкциях: балках, ригелях, колоннах, перекрытиях, панелях и других конструктивных строительных элементах зданий и сооружений, изготовленных из железобетона (см., например, С.А.Мадатян. Арматура железобетонных конструкций. - М.: Военлит. 2000. - 256 с.).Known traditional non-tensile reinforcing elements in the form of wire or profiled steel rods used in various building structures: beams, crossbars, columns, ceilings, panels and other structural building elements of buildings and structures made of reinforced concrete (see, for example, S.A. Madatyan, Reinforcement of Reinforced Concrete Structures. - M .: Voenlit. 2000. - 256 p.).

Основным полезным свойством таких конструкций является высокая прочность на сжатие, растяжение и изгиб, определяющие несущую способность конструкции. При этом весьма важным являются экономические соображения, касающиеся расхода металла и бетона. Известные строительные конструкции имеют значительный расход металла в виде арматуры и бетона.The main useful property of such structures is the high compressive, tensile and bending strengths that determine the structural bearing capacity. Moreover, economic considerations regarding the consumption of metal and concrete are very important. Known building structures have a significant consumption of metal in the form of reinforcement and concrete.

Также известна напрягаемая стержневая арматура, используемая в предварительно напряженных железобетонных конструкциях, применяющихся в жилищно-гражданском и промышленном строительстве, при возведении различных инженерных сооружений (мостов, телебашен, резервуаров и т.п.) и, прежде всего в высотном строительстве (см., например, Реконструкция зданий и сооружений/ под ред. Шагина А.Л., М.: Высшая школа, 1991. с.172-174; патент РФ №2033505, кл. Е04С 3/30, 1991 г.). Напрягаемая арматура изготавливается, как правило, из высокопрочной стали, благодаря чему предварительно напряженные конструкции, содержащие такую арматуру, обладают повышенной прочностью, трещиностойкостью, сейсмостойкостью, огнестойкостью. Причем особенно широко применяют такие преднапряженные конструкции, в которых натяжение арматуры осуществляется прямо на стройплощадке на уже затвердевшие железобетонные элементы (балки, плиты и т.п.). Такой способ предварительного натяжения - путем натяжения арматуры «на бетон» - рассматривается как наиболее перспективный, а во многих случаях - единственный при возведении современных, в том числе высотных зданий.Also known is prestressing bar reinforcement used in prestressed concrete structures used in civil and industrial construction, in the construction of various engineering structures (bridges, television towers, tanks, etc.) and, above all, in high-rise construction (see. for example, Reconstruction of buildings and structures / edited by A. Shagin, Moscow: Vysshaya Shkola, 1991. p.172-174; RF patent No. 2033505, CL Е04С 3/30, 1991). Tensioned reinforcement is made, as a rule, of high-strength steel, so that prestressed structures containing such reinforcement have increased strength, crack resistance, seismic resistance, and fire resistance. Moreover, such prestressed structures are especially widely used in which the reinforcement is tensioned directly on the construction site to already hardened reinforced concrete elements (beams, slabs, etc.). This method of pre-tensioning - by tensioning the reinforcement "on concrete" - is considered as the most promising, and in many cases the only one in the construction of modern, including high-rise buildings.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является напрягаемый арматурный элемент, включающий напрягаемую арматуру (см., например, патент РФ №2094579, кл. Е04С 21/22, 1997 г.). Использование напрягаемой арматуры в известном решении позволяет повысить трешиностойкость строительных конструкций, а размещение арматуры в заранее изготовленных каналах обеспечивает свободу их перемещения а процессе натяжения. Сцепление же бетона с арматурой достигается при этом путем нагнетания в каналы, где расположена напрягаемая арматура, цементного раствора. Однако при натяжении арматуры происходит частичное разрушение бетонной поверхности каналов с образованием раковин, сколов и т.п., что приводит к возможному попаданию в каналы воды, а в дальнейшем и к недопустимой в арматурных элементах коррозии и вследствие этого резкому снижению эксплуатационных характеристик конструкций. Кроме того, при изготовлении крупногабаритных преднапряженных строительных конструкции для достижения требуемого обжатия бетона существенно увеличивают диаметр применяемой напрягаемой арматуры, что приводит к заметному перерасходу высокопрочных арматурных сталей и, следовательно, снижению эффективности применения таких конструкций.Closest to the proposed technical essence is a prestressing reinforcing element, including prestressing reinforcement (see, for example, RF patent No. 2094579, class ЕСС 21/22, 1997). The use of prestressing reinforcement in a known solution allows to increase the crack resistance of building structures, and the placement of reinforcement in prefabricated channels provides freedom of movement and tension. The adhesion of concrete to the reinforcement is achieved by injection into the channels where the prestressed reinforcement is located, cement mortar. However, when the reinforcement is tensioned, the concrete surface of the channels is partially destroyed with the formation of shells, chips, etc., which leads to the possible ingress of water into the channels, and subsequently to corrosion that is unacceptable in reinforcing elements and, as a result, a sharp decrease in the operational characteristics of structures. In addition, in the manufacture of large-sized prestressed building structures, in order to achieve the required compression of concrete, the diameter of the applied prestressed reinforcement is significantly increased, which leads to a noticeable overspending of high-strength reinforcing steels and, therefore, a decrease in the efficiency of the use of such structures.

Цель предлагаемого изобретения - повышение эксплуатационных характеристик строительных предварительно напряженных конструкций, снижение расхода металла при их изготовлении.The purpose of the invention is to increase the operational characteristics of building prestressed structures, reducing metal consumption in their manufacture.

Поставленная цель достигается тем, что напрягаемый арматурный элемент, включающий напрягаемую стальную арматуру, содержит дополнительный внешний армирующий контур в виде цилиндрической жесткой стальной или неметаллической обоймы, симметрично расположенной относительно напрягаемой арматуры и заполненной бетоном марки не ниже В 15, с напряжением обжатия бетона в элементе, выбранном в пределах от 5 Н/мм² до 40 Н/мм² и усилием распора обоймы от напряжения в пределах от 0 до 300 Н/кв.мм, с соотношением внутреннего диаметра обоймы к ее длине в пределах от 1/20 до 1/10000 и толщиной обоймы, выбранной в пределах от 0,05 до 3,0 диаметров арматуры, при соотношении диаметра арматуры к внутреннему диаметру или средней ширине контура в пределах от 1:4 до 1:20. Кроме того, обойма может быть выполнена прямоугольного или квадратного сечения с профилем, относительная площадь смятия которого выбрана в пределах от 0,001 до 0,1 а напрягаемая арматура выполнена из углепластика, а также в виде стержней из высокопрочной стали с пределом текучести, выбранном в пределах от 800 Н/кв.мм до 1400 Н/кв.мм.This goal is achieved in that the prestressing reinforcing element, including the prestressing steel reinforcement, contains an additional external reinforcing contour in the form of a cylindrical rigid steel or non-metallic ferrule symmetrically located relative to the prestressing reinforcement and filled with concrete of grade no lower than B 15, with a concrete compression stress in the element, chosen in the range from 5 N / ^mm2 to 40 N / mm ² and a force from the thrust collar voltage in the range of 0 to 300 N / mm, with the ratio of the inner diameter of the cage to its length in the pre elah from 1/20 to 1/10000 and cage thickness selected in the range of from 0.05 to 3.0 diameters of the reinforcement, reinforcement with a ratio of diameter to the inside diameter or average path width in the range from 1: 4 to 1:20. In addition, the cage can be made of rectangular or square cross-section with a profile, the relative collapse area of which is selected in the range from 0.001 to 0.1 and the prestressed reinforcement is made of carbon fiber, as well as in the form of rods of high-strength steel with a yield strength selected in the range from 800 N / sq. Mm to 1400 N / sq. Mm.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что благодаря размещению напрягаемой арматуры в дополнительном армирующем контуре, выполненном в виде стальной или неметаллической обоймы, значительно возрастает поверхность взаимодействия заявляемого арматурного элемента с бетоном строительной конструкции, что позволяет существенно уменьшить диаметр используемой напрягаемой арматуры, а следовательно, намного снизить расход дорогостоящей высокопрочной стальной арматуры, и, таким образом, способствует значительному повышению эффективности использования предлагаемого технического решения. При этом существенно возрастает и сцепление заявляемого арматурного элемента с бетоном строительной конструкции и одновременно восприятие распора бетона от его обжатия усилием предварительного напряжения, приводящие, в свою очередь, к повышению эксплуатационных характеристик строительных конструкций. Изготовление жесткой обоймы не только из высокопрочных сталей, но и из неметаллических материалов, например из базальтовых волокон, позволяет не только улучшить антикоррозийные характеристики предлагаемого арматурного элемента, но и заметно снизить его стоимость. Использование для изготовления напрягаемой арматуры наряду с высокопрочной арматурной сталью, углепластика позволяет значительно уменьшить сечение и вес преднапряженных большепролетных железобетонных конструкций. Стойкость в любых агрессивных средах делает применение углепластика особенно эффективным, а его долговечность, существенно превышающая долговечность стальной арматуры, в еще большей степени улучшает эксплуатационные характеристики преднапряженных строительных конструкций, изготовленных с использованием заявляемого арматурного элемента.The essence of the proposed technical solution lies in the fact that due to the placement of prestressed reinforcement in an additional reinforcing circuit, made in the form of a steel or non-metallic cage, the interaction surface of the inventive reinforcing element with concrete of a building structure significantly increases, which allows to significantly reduce the diameter of the used prestressed reinforcement, and therefore significantly reduce the consumption of expensive high-strength steel bars, and thus contributes to a significant Accelerating effective use of the proposed technical solutions. At the same time, the adhesion of the inventive reinforcing element with concrete of a building structure increases significantly and at the same time, the perception of concrete spread from its compression by the prestressing force, leading, in turn, to an increase in the operational characteristics of building structures. The manufacture of a rigid clip not only from high-strength steels, but also from non-metallic materials, for example, from basalt fibers, allows not only to improve the anti-corrosion characteristics of the proposed reinforcing element, but also significantly reduce its cost. Using for the manufacture of prestressing reinforcement along with high-strength reinforcing steel, carbon fiber can significantly reduce the cross-section and weight of prestressed large-span reinforced concrete structures. The resistance in any aggressive environments makes the use of carbon fiber particularly effective, and its durability, significantly exceeding the durability of steel reinforcement, further improves the operational characteristics of prestressed building structures made using the inventive reinforcing element.

Предлагаемый напрягаемый арматурный элемент, уложенный в строительную конструкцию, изображен на фиг.1; на фиг.2 - преднапряженный железобетонный ригель с тремя напрягаемыми арматурными элементами, поперечное сечение.The proposed prestressing reinforcing element, laid in a building structure, shown in figure 1; figure 2 - prestressed reinforced concrete crossbar with three prestressing reinforcing elements, cross section.

Напрягаемый арматурный элемент включает армирующий контур в виде жесткой обоймы 1, изготовленной из высокопрочной стали или углепластика и имеющей цилиндрическое или прямоугольное, или квадратное сечение. При этом обойма может быть выполнена с внешним профилем, обеспечивающим повышенное сцепление с бетоном и характеризующимся относительной площадью смятия, составляющей 0,001-0,1. Отношение внутреннего диаметра обоймы к ее длине в заявляемом напрягаемом арматурном элементе составляет от 1/20 до 1/10000, а толщина обоймы выбирается в пределах от 0,05 до 3,0 диаметров арматуры. Обойма 1 заполнена бетоном 2 марки не ниже В 15, напряжение обжатия бетона в обойме составляет 5÷40 Н/мм², а усилие распора обоймы от преднапряжения составляет от 0 до 300 Н/кв.мм. Внутри обоймы 1 между концевыми анкерами 3 размещена напрягаемая арматура 4, изготовленная либо из высокопрочной стали, либо из углепластика. Анкеры 3 имеют возможность перемещаться в продольном направлении относительно стенки обоймы на длину от 0 до 0,02 длины арматурного элемента без поперечных перемещений анкеров. Арматура может быть также выполнена в виде арматурных канатов, помещенных в гибкие неметаллические трубки со смазкой внутри. Причем соотношение диаметра арматуры к внутреннему диаметру цилиндрической обоймы или средней ширине контура, изготовленного в виде обоймы квадратного или прямоугольного сечения, составляет от 1:4 до 1:20. На фиг.1 предлагаемый арматурный элемент показан с размещением в бетоне 5 строительной конструкции.Tensioned reinforcing element includes a reinforcing circuit in the form of a rigid cage 1 made of high strength steel or carbon fiber and having a cylindrical or rectangular, or square section. In this case, the cage can be made with an external profile that provides increased adhesion to concrete and is characterized by a relative crushing area of 0.001-0.1. The ratio of the inner diameter of the cage to its length in the inventive prestressed reinforcing element is from 1/20 to 1/10000, and the thickness of the cage is selected in the range from 0.05 to 3.0 diameters of the reinforcement. The holder 1 is filled with concrete 2 grade no lower than B 15, the compression stress of the concrete in the holder is 5 ÷ 40 N / mm ² , and the force of contact of the holder from prestressing is from 0 to 300 N / sq. Mm. Inside the cage 1 between the end anchors 3 is placed prestressing reinforcement 4 made of either high-strength steel or carbon fiber. Anchors 3 have the ability to move in the longitudinal direction relative to the wall of the cage for a length from 0 to 0.02 of the length of the reinforcing element without lateral movements of the anchors. The fittings can also be made in the form of reinforcing ropes placed in flexible non-metallic tubes with lubricant inside. Moreover, the ratio of the diameter of the reinforcement to the inner diameter of the cylindrical cage or the average width of the contour, made in the form of a cage of square or rectangular section, is from 1: 4 to 1:20. In Fig.1, the proposed reinforcing element is shown with placement in concrete 5 of a building structure.

За пределами приведенных параметров изготовления напрягаемого элемента поставленная цель не достигается.Beyond the limits of the manufacturing parameters of the prestressing element, the goal is not achieved.

При изготовлении напрягаемого арматурного элемента жесткую стальную или неметаллическую обойму 1 требуемой длины закрепляют на стенде или месте изготовления на строительной площадке. Затем в обойме размещают стальную или углепластиковую арматуру 4, подвергают ее натяжению между концевыми анкерами 3 с последующим заполнением обоймы бетоном 2 и выдерживанием его до затвердевания. После приобретения бетоном необходимой прочности натянутую арматуру 4 освобождают из концевых анкеров 3, и силы натяжения передаются на бетон обоймы. Готовый арматурный элемент устанавливают в строительной конструкции 4 (балке, плите и т.п.).In the manufacture of a prestressing reinforcing element, a rigid steel or nonmetallic ferrule 1 of the required length is fixed to a stand or place of manufacture at the construction site. Then, steel or carbon fiber reinforcement 4 is placed in the holder, subjected to tension between the end anchors 3, followed by filling the holder with concrete 2 and holding it until it hardens. After the concrete has acquired the necessary strength, the tensioned reinforcement 4 is released from the end anchors 3, and the tension forces are transmitted to the concrete clips. The finished reinforcing element is installed in the building structure 4 (beam, plate, etc.).

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующими примерами.The proposed technical solution is illustrated by the following examples.

Пример 1.Example 1

Обойма напрягаемого арматурного элемента изготовлена в виде трубы квадратного сечения размером 150×150 мм из рядовой стали Ст3 и заполнена бетоном марки В 15 с кубиковой прочностью R_b=300 Н/мм². Бетон подвергается обжатию расположенным внутри обоймы арматурным канатом диаметром 15 мм и площадью сечения А=140 мм² с напряжением в нем 1200 Н/мм² и общим усилием 168 кН.The clip of the prestressing reinforcing element is made in the form of a square tube of size 150 × 150 mm from ordinary steel St3 and filled with concrete of grade B 15 with cubic strength R _b = 300 N / mm ² . Concrete is subjected to compression located inside the cage reinforcing rope with a diameter of 15 mm and a cross-sectional area A = 140 mm ² with a voltage of 1200 N / mm ² and a total force of 168 kN.

Это усилие обеспечивает обжатие бетона с напряжением в нем 7,67 Н/мм². При этом за счет обжатия бетон в обойме находится в условиях трехосного напряженного состояния и передает распор обойме. При длине обоймы 10000 мм общее усилие распора в ней составляет: Р=168×0,2=33,6 кН или 3,36 Н на 1 мм периметра, что составляет 0,0056 Н на 1 мм внутренней поверхности обоймы.This force provides the compression of concrete with a voltage of 7.67 N / mm ² . At the same time, due to compression, the concrete in the cage is in a triaxial stress state and transfers the cage spacer. With a clip length of 10,000 mm, the total thrust force in it is: P = 168 × 0.2 = 33.6 kN or 3.36 N per 1 mm of the perimeter, which is 0.0056 N per 1 mm of the inner surface of the clip.

При последующем растяжении арматурного элемента: усилие преднапряжения 1 каната обеспечивает 168 кН; усилие, воспринимаемое стальной трубой, составляет 288 кН и усилие, воспринимаемое бетоном, 210 кН. Таким образом, за счет преднапряжения обойма может упруго работать на растяжение до усилия 666 кН вместо 288 кН, воспринимаемых металлической трубой, т.е. усилие увеличивается в 2,3 раза.With the subsequent tension of the reinforcing element: the pre-stressing force of 1 rope provides 168 kN; the force perceived by the steel pipe is 288 kN and the force perceived by concrete is 210 kN. Thus, due to prestressing, the cage can elastically work in tension up to a force of 666 kN instead of 288 kN perceived by a metal pipe, i.e. effort increases by 2.3 times.

Пример 2.Example 2

Обойма напрягаемого арматурного элемента изготовлена в виде стальной цилиндрической трубы диаметром 100 мм с толщиной стенки 3 мм (площадь поперечного сечения трубы - 464 мм²).The clip of the prestressing reinforcing element is made in the form of a steel cylindrical pipe with a diameter of 100 mm and a wall thickness of 3 mm (pipe cross-sectional area is 464 mm ² ).

Бетон, заполняющий обойму, и арматура, размещенная в обойме, как в предыдущем примере.The concrete filling the cage and the reinforcement placed in the cage, as in the previous example.

Тогда усилие, воспринимаемое обоймой, составляет:Then the effort perceived by the clip is:

Р=240×464=111,4 кН; усилие, воспринимаемое арматурным канатом, - 168 кН; усилие, воспринимаемое бетоном, 7,385×10=73,85 кН. Таким образом, общее усилие составляет 353,2 кН, т.е. преднапряжение увеличивает прочность на растяжение элемента в 1,9 раза.P = 240 × 464 = 111.4 kN; the force perceived by the reinforcing rope is 168 kN; the force perceived by concrete is 7.385 × 10 = 73.85 kN. Thus, the total force is 353.2 kN, i.e. prestressing increases the tensile strength of an element by 1.9 times.

Эффективность применения напрягаемого арматурного элемента иллюстрируется на примере использования его в железобетонном ригеле, приведенном на фиг.2.The effectiveness of the application of the prestressing reinforcing element is illustrated by the example of its use in a reinforced concrete crossbar, shown in figure 2.

Железобетонный ригель пролетом 12 м, содержащий заявленный элемент и ненапрягаемую арматуру 6, при общей нагрузке, включая собственный вес, имеет массу 5 т. Тогда момент в середине пролета от действия расчетной нагрузки составит:A reinforced concrete crossbar with a span of 12 m, containing the claimed element and non-tensioning reinforcement 6, with a total load, including its own weight, has a mass of 5 tons. Then the moment in the middle of the span from the calculated load will be:

M=q·l²/8=5·144/8=90 т·м.M = q · l ^2/8 = 5 · 144/8 = 90 t · m.

При высоте ригеля, например, 70 см и ширине нижней части 60 см для восприятия этого момента (с учетом расчета по второму предельному состоянию - прогибы и трещиностойкость) потребуется всего три арматурных элемента, изготовленных согласно примеру 1. При этом расход металла с использованием предлагаемого арматурного элемента снизится в 1,5 раза в сравнении с армированием аналогичного железобетонного ригеля согласно прототипу.When the height of the crossbar, for example, 70 cm and the width of the lower part of 60 cm, for the perception of this moment (taking into account the calculation according to the second limiting state - deflection and crack resistance), only three reinforcing elements are made, made according to example 1. In this case, the metal flow rate using the proposed reinforcing element will decrease by 1.5 times in comparison with the reinforcement of a similar reinforced concrete crossbar according to the prototype.

Таким образом, предлагаемый арматурный элемент обеспечивает восприятие и передачу на бетон строительной конструкции растягивающего усилия, слагающегося из предварительного напряжения арматуры, усилия растяжения, воспринимаемого материалом собственно обоймы, и остаточной растяжимости бетона внутри обоймы, что обеспечивает повышение эксплуатационных характеристик преднапряженных строительных конструкций, а также эффективность предлагаемого арматурного напрягаемого элемента за счет возможности существенного снижения расхода дорогостоящих высокопрочных сталей и исключения необходимости принятия дополнительных мер по обеспечению сцепления с бетоном строительной конструкции.Thus, the proposed reinforcing element provides the perception and transmission to concrete of a building structure of a tensile force composed of prestressing reinforcement, tensile forces perceived by the material of the actual cage, and the residual extensibility of concrete within the cage, which improves the operational characteristics of prestressed building structures, as well as efficiency the proposed reinforcing prestressed element due to the possibility of a significant reduction in road consumption high-strength steels and eliminating the need for additional measures to ensure adhesion to concrete of a building structure.

Claims

1. Tensioned reinforcing element, including tensioned steel reinforcement or carbon fiber, characterized in that it contains an additional external reinforcing contour in the form of a cylindrical rigid steel or nonmetallic ferrule symmetrically located relative to the tensile reinforcement and filled with concrete grade not lower than B 15; with a compression stress of concrete in the element selected in the range from 5 to 40 N / mm ² and the force of the clip from the prestress in the range from 0 to 300 N / mm ² with a ratio of the inner diameter of the holder to its length in the range from 1/20 to 1 / 10000 and the thickness of the cage, selected in the range from 0.5 to 3.0 diameters of the reinforcement, with the ratio of the diameter of the reinforcement to the inner diameter or the average width of the circuit, selected in the range from 1: 4 to 1:20.

2. The tensile reinforcing element according to claim 1, characterized in that the outer casing is made of rectangular or square section.

3. The prestressing reinforcing element according to claim 1, characterized in that the prestressing reinforcement is made in the form of reinforcing ropes placed in flexible non-metallic tubes with lubricant inside.

4. The prestressing reinforcing element according to claim 1, characterized in that the prestressing reinforcement is made in the form of rods of high strength steel with a yield strength σ ranging from 800 to 1400 N / mm ² .

5. The tensioned reinforcing element according to claim 1, characterized in that the external reinforcing cage is made with a profile, the relative area of the collapse of which is selected in the range from 0.001 to 0.1, providing increased adhesion to concrete.