RU2160345C2

RU2160345C2 - Method for producing stress-reinforced dome- shaped ceiling

Info

Publication number: RU2160345C2
Application number: RU99105377A
Authority: RU
Inventors: В.А. Милых; И.С. Захаров
Original assignee: Курский государственный технический университет
Priority date: 1999-03-16
Filing date: 1999-03-16
Publication date: 2000-12-10

Abstract

FIELD: construction engineering, long-span buildings and structures. SUBSTANCE: main accessories are placed in pneumatic form with their convex part down to form yielding spatial suspension structure, and then grouted in concrete. In the course of dome shaping accessories are loaded with set of weights distributed to obey specified mechanism over external and internal surfaces with the result that accessories undergo desired deformation dictating its pre-stress level and formation of design shape of dome. EFFECT: enlarged range of dome shapes of ceilings. 4 dwg

Description

Изобретение относится к строительству, а именно к производству монолитных железобетонных купольных перекрытий. The invention relates to the construction, namely the production of monolithic reinforced concrete domed ceilings.

Известные способы изготовления железобетонных монолитных куполов сооружений с предварительным напряжением арматуры требуют уникальной дорогостоящей металлической опалубки и сложной системы напряжения рабочей арматуры [1] . Недостатками этих способов является большая трудоемкость изготовления опалубки, сложность и дороговизна оснастки, невозможность обеспечить одинаковые механические характеристики, а следовательно, и несущую способность по всему объему строительной конструкции, что требует закладывать повышенные запасы прочности в строительные нормы прочности, ведет к увеличению металлоемкости и весу конструкции. Known methods for the manufacture of reinforced concrete monolithic domes of structures with prestressing reinforcement require a unique expensive metal formwork and a complex voltage system of the working reinforcement [1]. The disadvantages of these methods are the great complexity of the manufacture of formwork, the complexity and high cost of tooling, the inability to provide the same mechanical characteristics, and therefore the bearing capacity throughout the volume of the building structure, which requires laying increased safety margins in the building strength standards, leading to an increase in metal consumption and weight of the structure .

Прототипом предлагаемого изобретения является способ изготовления монолитных железобетонных куполов на пневматической опалубке, поднимающей от земли всю конструкцию, арматуру, бетон в жидком состоянии и удерживающей всю конструкцию до полного схватывания бетона [2]. Недостатками данного способа являются сравнительно небольшие размеры перекрытия из-за невозможности выдержать во всем объеме пневматической опалубки под нижней диафрагмой одинакового давления, возможные изменения и пульсации которого вызывают проседание купола, образование трещин и пустот, что снижает несущую способность купола. Кроме того, данный способ не позволяет предварительно нагрузить арматуру, что также уменьшает несущую способность. Необходимо заметить, что нагнетание воздуха в течение 1-3 дней до затвердевания бетона с помощью низконапорных вентиляторов мощностью 10-15 кBт (для купола диаметром 30 м) существенно удорожает технологический процесс изготовления перекрытия, полностью перечеркивая выгоды применения пневматической опалубки. Это, кстати, и ограничивает размеры купольных перекрытий. The prototype of the invention is a method of manufacturing monolithic reinforced concrete domes on pneumatic formwork, lifting the entire structure, reinforcement, concrete from the ground in the liquid state and holding the entire structure until the concrete sets completely [2]. The disadvantages of this method are the relatively small size of the overlap due to the inability to withstand the same pressure in the entire volume of the pneumatic formwork under the lower diaphragm, the possible changes and pulsations of which cause the dome to sag, to form cracks and voids, which reduces the bearing capacity of the dome. In addition, this method does not allow preload reinforcement, which also reduces the bearing capacity. It should be noted that air injection for 1-3 days before the concrete hardens using low-pressure fans with a capacity of 10-15 kW (for a dome with a diameter of 30 m) significantly increases the cost of manufacturing the floor, completely crossing out the benefits of using pneumatic formwork. This, by the way, limits the size of domed ceilings.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является расширение технологических возможностей и повышение несущей способности купольного перекрытия за счет предварительного нагружения рабочей арматуры. The task to which the invention is directed is to expand technological capabilities and increase the bearing capacity of the domed ceiling due to the preliminary loading of the working reinforcement.

Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления напряженно-армированного монолитного купольного перекрытия, заключающемся в том, что в пневматическую опалубку, образованную двумя оболочками из эластично-упругого материала, выполненными по форме поверхности купола, устанавливают арматуру и заливают бетон с последующим виброформированием, процесс формирования купола сопровождают нагружением арматуры купола системой нагрузок, распределенных по заданному закону по наружной и внутренней поверхностям, в результате чего происходит целенаправленное деформирование рабочей арматуры, определяющее форму купола и уровень предварительного напряжения рабочей арматуры, в частности нагружение рабочей арматуры изнутри осуществляют гидростатическим давлением воды, залитой внутрь купола, причем во внутреннее пространство арматурного пакета, образованного слоями арматурной сетки и соседними продольными элементами арматуры, размещают герметичные мешки из эластично-упругого материала, соединенные с источником высокого давления, в которые подают сжатый газ заданного давления при формировании купола. The problem is achieved in that in the method of manufacturing a stress-reinforced monolithic domed ceiling, which consists in the fact that in the pneumatic formwork formed by two shells of elastic-elastic material, made in the form of the surface of the dome, fittings are installed and concrete is poured, followed by vibration formation, the process the formation of the dome is accompanied by loading the reinforcement of the dome with a system of loads distributed according to a given law on the outer and inner surfaces, as a result there is a targeted deformation of the working reinforcement, which determines the shape of the dome and the level of prestressing of the working reinforcement, in particular, the loading of the working reinforcement from the inside is carried out by hydrostatic pressure of water poured into the dome, and sealed in the inner space of the reinforcing bag formed by the reinforcing mesh layers and adjacent longitudinal reinforcement elements bags of elastic material connected to a high pressure source into which compressed gas is supplied constant pressure during the formation of the dome.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана сущность способа изготовления напряженно-армированного монолитного купольного перекрытия; на фиг. 2-4 показаны схемы создания усилий при формировании различных форм перекрытий. The essence of the invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows the essence of the method of manufacturing a stress-reinforced monolithic domed ceiling; in FIG. Figures 2-4 show the schemes for creating efforts in the formation of various forms of overlappings.

Способ изготовления напряженно-армированного монолитного купольного перекрытия реализуется следующим образом (см. фиг. 1). Вначале возводят технологический фундамент 1 по периметру изготовляемого купола 2 для крепления закладных деталей опорного кольца 3 и элементов крепления оболочек пневматической опалубки. Далее внутри образовавшегося контура отрывают котлован 4 по очертаниям, совпадающим с внешней поверхностью купoла, но несколько больших размеров (на величину технологического зазора, равного толщине наружной оболочки пневматической опалубки в рабочем состоянии). A method of manufacturing a stress-reinforced monolithic domed ceiling is implemented as follows (see Fig. 1). First, the technological foundation 1 is erected around the perimeter of the dome 2 being manufactured for fastening the embedded parts of the support ring 3 and the fastening elements of the shells of the pneumatic formwork. Then, excavation 4 is torn off inside the formed contour according to outlines coinciding with the outer surface of the dome, but somewhat larger (by the size of the technological gap equal to the thickness of the outer shell of the pneumatic formwork in working condition).

После этого специальными стяжками прикрепляют к элементам крепления, установленным на технологическом фундаменте, наружную оболочку 5 пневматической опалубки. Она выполнена из эластично-упругого материала, например из армированного неопрена, двухслойной и состоит из отдельных герметичных отсеков 6, ориентированных относительно поверхности купола. Отсеки 6 могут быть соединены с источником давления по определенному закону, объединяясь в отдельные группы, расположенные в кольцевом направлении либо в меридиональном. Далее к опорному кольцу 3 купола, установленному горизонтально на технологическом фундаменте 1, монтируют рабочую арматуру, состоящую из объемного пространственного элемента, образованного зигзагообразно изогнутой сеткой из стержней, имеющих угол наклона 50-55^o к меридиональному и кольцевому направлению поверхности. Такoй вариант выполнения арматуры представлен в [3] и позволяет обеспечить оптимальные параметры арматуры, а следовательно, и наименьшую материалоемкость конструкции. Для обеспечения повышенной жесткости конструкции в местах точечного опирания купола в арматуру дополнительного включают продольные стержни. В этом случае прикрепление продольных стержней к сетке осуществляют путем изгиба прутьев сетки в кондукторах. При необходимости формирования внутри конструкции железобетона полостей, например, для придания наружной поверхности купола вида чередующихся гребней или валиков, ориентированных по меридиану, рабочую арматуру купола выполняют в виде двухслойного пакета арматурных сеток, каждая из которых переплетена в виде панцирной сетки. Такой вариант рабочей арматуры представлен, например, в [4]. Как и в прототипе, параллельно с формированием рабочей арматуры в ее внутреннем пространстве могут прокладываться перфорированные трубопроводы из пластика устройств, регулирующих испарение воды и температурный режим при неблагоприятных атмосферных условиях. После установки арматуры и ее закрепления образуется пространственный каркас, формирующий очертания поверхности перекрытия. После этого в отсеки 6 наружной оболочки 5 пневматической опалубки подается воздух, отсеки раздуваются, прижимая наружную оболочку к рабочей арматуре. После этого начинают заливку бетона, начиная от полюса купола. В качестве бетонной смеси можно применить следующее соотношение: песок - 57%, щебень диаметром 12-15 мм - 43%, цемент ~400 кг на 1 м³, водоцементное соотношение - 0,5. Толщина слоя заливаемого бетона определяется толщиной объемного пространственного пакета арматуры. В процессе поднятия уровня бетона на залитый бетон накладывается внутренняя оболочка 7, выполненная, например, из армированного поливинилхлорида и которая постепенно разворачивается от полюса купола системой стяжек 8. Эта оболочка защищает бетонную смесь от окружающей среды, способствует удержанию бетона и обеспечивает возможность уплотнения бетона проведением виброформирования. По мере укладки слоев бетона и развертывания внутренней оболочки 7 производят уплотнение бетона укаткой и виброформированием. При достижении опорного кольца заканчивают бетонирование и уплотнение бетона. В процессе бетонирования и уплотнения бетона происходит натяжение рабочей арматуры под действием сил тяжести бетонной смеси и самой рабочей арматуры, а также сил давления наружной оболочки пневмоопалубки, распределенных по заданному закону. Уровень нагружения рабочей арматуры, таким образом, можно варьировать за счет изменения давления воздуха в отсеках 6 наружной оболочки, а также за счет заливки воды в пространство, образованное внутренней оболочкой 7, прижатой к самой конструкции купола. Бетонная смесь схватывается и затвердевает в пространстве между двумя непроницаемыми оболочками пневматической опалубки, образуя монолитную конструкцию купола. Процесс тепловлажностной обработки может быть интенсифицирован путем прокачки воздуха заданной температуры и влажности по перфорированным трубам из пластика, проложенным в толщине арматуры. После затвердевания бетона стравливают давление из отсеков 6 наружной оболочки 5 опалубки, затем сливают воду из внутренней полости и удаляют внутреннюю оболочку 7 опалубки. После отделки внутренней поверхности купол переворачивают в проектное положение, используя в качестве опоры технологический фундамент. Далее отделывают лицевую поверхность перекрытия, и купол готов к установке. Предлагаемый способ в отличие от прототипа позволяет не только получить эффективную конструкцию напряженно-армированного купольного перекрытия, но и позволяет обеспечить большое разнообразие архитектурных форм. Так, например, в случае выполнения рабочей арматуры в виде двухслойного пакета арматурных сеток с расположением между ними раздуваемых герметичных пневмомешков 9, соединенных с источником высокого давления, в результате совместного воздействия распределенных нагрузок со стороны внутренней и внешней оболочек пневмоопалубки и изнутри арматурного пакета при формировании купола может быть получена форма купола с развитыми валиками (гребнями), ориентированными вдоль меридианов (или по спирали) в зависимости от расположения пневмомешков.After that, special screeds attach to the fastening elements installed on the technological foundation, the outer shell 5 of the pneumatic formwork. It is made of an elastic material, for example, of reinforced neoprene, two-layer and consists of separate sealed compartments 6, oriented relative to the surface of the dome. Compartments 6 can be connected to a pressure source according to a certain law, uniting into separate groups located in the annular direction or in the meridional direction. Next, to the support ring 3 of the dome mounted horizontally on the technological foundation 1, a working armature is mounted consisting of a three-dimensional spatial element formed by a zigzag curved grid of rods having an angle of inclination of 50-55 ^o to the meridional and annular direction of the surface. This embodiment of the reinforcement is presented in [3] and allows you to provide optimal parameters of the reinforcement, and therefore the smallest material consumption of the structure. To ensure increased structural rigidity in places of point support of the dome, longitudinal rods are included in the additional reinforcement. In this case, the attachment of the longitudinal rods to the grid is carried out by bending the rods of the grid in the conductors. If it is necessary to form cavities inside the reinforced concrete structure, for example, to give the outer surface of the dome the appearance of alternating ridges or rollers oriented along the meridian, the working reinforcement of the dome is performed in the form of a two-layer package of reinforcing meshes, each of which is interlaced in the form of a shell mesh. Such a variant of the working reinforcement is presented, for example, in [4]. As in the prototype, in parallel with the formation of the working reinforcement, perforated pipelines made of plastic devices that regulate water evaporation and temperature conditions under adverse atmospheric conditions can be laid in its internal space. After installing the reinforcement and fixing it, a spatial framework is formed that forms the outline of the surface of the floor. After that, air is supplied to the compartments 6 of the outer shell 5 of the pneumatic formwork, the compartments are inflated, pressing the outer shell to the working fittings. After this, concrete pouring begins, starting from the pole of the dome. The following ratio can be used as a concrete mixture: sand - 57%, crushed stone with a diameter of 12-15 mm - 43%, cement ~ 400 kg per 1 m ³ , water-cement ratio - 0.5. The thickness of the concrete layer is determined by the thickness of the volumetric spatial package of reinforcement. In the process of raising the concrete level, an inner shell 7 is applied to the poured concrete, made of, for example, reinforced polyvinyl chloride and which is gradually deployed from the dome pole by a screed system 8. This shell protects the concrete mixture from the environment, helps to keep the concrete and provides concrete compaction by vibration . As the concrete layers are laid and the inner shell 7 is deployed, the concrete is compacted by rolling and vibroforming. Upon reaching the support ring, concreting and compaction of the concrete is completed. In the process of concreting and compaction of concrete, tension of the working reinforcement occurs under the action of gravity of the concrete mixture and the working reinforcement itself, as well as the pressure forces of the outer shell of the pneumatic formwork, distributed according to a given law. Thus, the loading level of the working reinforcement can be varied by changing the air pressure in the compartments 6 of the outer shell, as well as by pouring water into the space formed by the inner shell 7 pressed against the dome structure itself. The concrete mix sets and hardens in the space between the two impermeable shells of the pneumatic formwork, forming a monolithic dome structure. The process of heat-moisture treatment can be intensified by pumping air of a given temperature and humidity through perforated plastic pipes laid in the thickness of the reinforcement. After the hardening of concrete, the pressure is released from the compartments 6 of the outer shell 5 of the formwork, then the water is drained from the inner cavity and the inner shell 7 of the formwork is removed. After finishing the inner surface, the dome is turned into the design position, using the technological foundation as a support. Next, the front surface of the floor is finished, and the dome is ready for installation. The proposed method, in contrast to the prototype, allows not only to obtain an effective design of a reinforced domed ceiling, but also allows to provide a wide variety of architectural forms. So, for example, in the case of working reinforcement in the form of a two-layer package of reinforcing meshes with the arrangement of inflated airtight pneumatic bags 9 connected to a high pressure source as a result of the combined influence of distributed loads from the side of the inner and outer shells of the pneumatic formwork and from the inside of the reinforcing bag when forming the dome a dome shape can be obtained with developed rollers (ridges) oriented along the meridians (or in a spiral) depending on the location of the air bags.

На форму проектной поверхности купола большое влияние оказывает способ опирания опорного кольца купола, его податливость (деформируемость), а также избыточное давление на конструкцию купола (разность нагрузок, приложенных к наружной и внутренней поверхностям) и ее закон распределения в поперечном (кольцевом) и продольном (меридиональном) сечениях купола. Так, при асимметричном законе нагружения в кольцевом направлении срединная поверхность купола может принять форму, сильно отличающуюся от правильной сферической (фиг. 2). Значительное избыточное давление со стороны наружной поверхности может вызвать потерю устойчивости срединной поверхности с образованием семи-восьми волн в поперечном сечении. На фиг. 3 и сечении Б-Б такой вариант показан для усеченного конуса, нагруженного внешним равномерным давлением. Напротив, большой уровень со стороны внутренней поверхности, например для купольного перекрытия с прямоугольной формой в плане (фиг. 4), позволяет формировать разнообразные арочные перекрытия с поперечным сечением в виде цепной линии (сечение В-В). После укатывания и виброформирования бетона при дальнейшем его схватывании все эти формы сохраняются с получением многообразия архитектурных решений. The shape of the dome projection surface is greatly influenced by the method of supporting the dome support ring, its flexibility (deformability), as well as excessive pressure on the dome structure (load difference applied to the outer and inner surfaces) and its distribution law in the transverse (annular) and longitudinal ( meridional) sections of the dome. So, with an asymmetric law of loading in the annular direction, the middle surface of the dome can take a form very different from the regular spherical (Fig. 2). Significant excess pressure from the outer surface can cause loss of stability of the middle surface with the formation of seven to eight waves in the cross section. In FIG. 3 and section BB such an option is shown for a truncated cone loaded with uniform external pressure. On the contrary, a large level from the side of the inner surface, for example, for a domed ceiling with a rectangular shape in plan (Fig. 4), allows you to form a variety of arched ceilings with a cross section in the form of a chain line (section BB). After rolling and vibroforming concrete with its further setting, all these forms are preserved with a variety of architectural solutions.

Следует отметить, что, несмотря на некоторое усложнение способа по сравнению с прототипом, заявляемый способ изготовления напряженно-армированного монолитного купольного перекрытия обладает рядом преимуществ, обеспечивающих положительный эффект, а именно:
- снимаются ограничения на размеры и архитектурное разнообразие формы, так как заявляемый способ позволяет получить купольные перекрытия любых очертаний и любой формы в плане, прямоугольной, треугольной и других, отличных от круговых и эллиптических;
- возможность создания равнопрочных, оптимально нагруженных купольных конструкций, что снижает металлоемкость и вес конструкции;
- существенно меньшая энергоемкость процесса, так как в технологическом процессе исключены мощные вентиляторы, непрерывно работающие в течение нескольких дней.It should be noted that, despite some complication of the method compared to the prototype, the inventive method of manufacturing a stress-reinforced monolithic domed ceiling has several advantages that provide a positive effect, namely:
- removed restrictions on the size and architectural diversity of the form, since the claimed method allows to obtain domed ceilings of any shape and any shape in plan, rectangular, triangular and others, different from circular and elliptical;
- the possibility of creating equal strength, optimally loaded dome structures, which reduces the metal consumption and weight of the structure;
- significantly lower energy consumption of the process, since powerful fans that continuously operate for several days are excluded in the process.

Таким образом, в расширении технологических возможностей способа изготовления напряженно-армированного монолитного купольного перекрытия обеспечением предварительного напряжения рабочей арматуры за счет веса конструкции, включая вес арматуры, бетонной смеси и элементов опалубки, а также в обжатии конструкции по заданному закону с целью благоприятного распределения напряжений и исключения растягивающих зон при эксплуатационных нагрузках выражен положительный эффект предлагаемого изобретения. Thus, in expanding the technological capabilities of the method of manufacturing a stress-reinforced monolithic domed ceiling by providing prestressing of the working reinforcement due to the weight of the structure, including the weight of the reinforcement, concrete mix and formwork elements, as well as in compressing the structure according to a given law with the aim of favorable stress distribution and elimination tensile zones at operational loads expressed the positive effect of the invention.

Источники информации
1. Герник Б.Е. Предварительно напряженные железобетонные конструкции в строительстве.- М.: Стройиздат, 1978, с. 305-307.Sources of information
1. Guernik B.E. Pre-stressed reinforced concrete structures in construction.- M .: Stroyizdat, 1978, p. 305-307.

2. Липницкий М.Е. Купола.- Л.: Из-во литературы по строительству, 1973, с.12-18. 2. Lipnitsky M.E. Domes .- L.: From the literature on construction, 1973, pp. 12-18.

3. Авторское свидетельство СССР N 726283, кл. E 04 C 2/22, 1980. 3. Copyright certificate of the USSR N 726283, cl. E 04 C 2/22, 1980.

4. Авторское свидетельство СССР N 881243, кл. E 04 C 2/00, 1981. 4. Copyright certificate of the USSR N 881243, cl. E 04 C 2/00, 1981.

Claims

A method of manufacturing a stress-reinforced monolithic domed ceiling, which consists in the fact that in the pneumatic formwork formed by two shells of elastic-elastic material, made according to the shape of the dome surface, reinforcement is installed and concrete is poured with subsequent vibration formation, characterized in that the working reinforcement is convex down forming a malleable hanging spatial structure loaded with its own weight, and the process of dome formation is accompanied by loading of the reinforcement of the dome a system of loads distributed according to a given law on the external and internal surfaces, as a result of which there is a targeted deformation of the working reinforcement, which determines the level of its prestress and the design shape of the dome, and the reinforcement is loaded from the side of the inner shell of the pneumatic formwork by the hydrostatic pressure of water poured into the inside of the dome and into the inner space of the reinforcing bag formed by the layers of the reinforcing mesh and adjacent longitudinal elements of the reinforcement, they pressurized bags of elastic material connected to a high pressure source into which compressed gas is supplied during the formation of the dome.