Результат интеллектуальной деятельности: ОГНЕЗАЩИЩЕННАЯ ДВУТАВРОВАЯ КОЛОННА ЗДАНИЯ

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и сооружений; далее по тексту - зданий. В частности, оно может быть использовано при проектировании и изготовлении конструктивной огнезащиты стального несущего стержня колонны, выполненного в виде колонного двутавра, при использовании крупноразмерной листовой, плитной и рулонной облицовки.

Незащищенные стальные конструкции здания при действии огня в условиях пожара быстро (спустя 15÷18 мин) утрачивают свою несущую способность, обрушаются сами и способствуют обрушению других конструкций здания, что приводит к значительным материальным убыткам.

Известна конструкция огнезащищенной двутавровой колонны здания, содержащая стальной двутавр и огнезащитную облицовку в виде железобетонных плит из ячеистых бетонов, многопустотных гипсовых плит или пластин, вермикулитных плит и асбестоцементных листов /Бартеллеми Б., Крюппа Ж. Огнестойкость строительных конструкций/ пер. с франц. - М.: Стройиздат, 1985, - 216 с. (гл. 4; п.4.2 Материалы и способы защиты, рис.4.2; 4.4÷4.6; с.94÷98)/ [1].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции огнезащищенной двутавровой колонны здания, относится то, что в известной конструкции применено значительное число элементов каркаса и вследствие этого повышен расход огнезащитного материала и металла на изготовление каркаса для огнезащитной облицовки; при проектировании пустот и зазоров между стенкой и полками двутавра и плитами защитной облицовки увеличиваются размеры поперечного сечения облицованной колонны (площадь сечения возрастает на 75÷85%); снижается проектный предел огнестойкости огнезащищенной колонны на 25÷30%; снижается надежность крепления элементов крупноразмерной листовой и плитной облицовки; снижаются коррозионная стойкость стального несущего стержня и ремонтопригодность огнезащитной облицовки (при возможности получения механических повреждений и сквозных отколов).

Известна конструкция огнезащищенной двутавровой колонны здания, содержащая стальной двутавр и огнезащитную облицовку из крупноразмерных листов и плит, установленных на относе, - зазор между огнезащитной облицовкой и гранями защищаемого стального несущего стержня принят не менее 25 мм; каркас огнезащитной облицовки выполнен в виде рамы, состоящей из стальных продольных и поперечных элементов, высотой 40÷75 мм; крепление стальных элементов каркаса между собой осуществлено самонарезающими винтами 5×25÷5×45 / Романенков И.Г., Левитес Ф.А. Огнезащита строительных конструкций. - М.: Стройиздат, 1991. - 320 с. (гл.4 Конструктивные способы огнезащиты; п.4.2 - Крупно-размерные листовые, плитные и рулонные облицовки; рис.8, с.131-133) / [2].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции огнезащищенной колонны здания, относится то, что в известной конструкции применено значительное число элементов каркаса и вследствие этого повышен расход металла на изготовление каркаса для огнезащитной облицовки; при проектировании пустот и зазоров между стенкой и полками двутавра и плитами защитной облицовки увеличиваются размеры поперечного сечения облицованной колонны (площадь сечения возрастает на 80÷95%; расход материалов облицовки - на 45÷50%); снижается проектный предел огнестойкости огнезащищенной колонны на 25÷30%; снижается надежность крепления элементов крупноразмерной листовой и плитной облицовки; снижаются коррозионная стойкость стального несущего стержня и ремонтопригодность огнезащитной облицовки (при возможности получения механических повреждений и сквозных отколов).

Известна конструкция огнезащищенной двутавровой колонны здания, содержащая стальной несущий стержень с анкерами на его боковых гранях, каркаса из профилей С-образного сечения, состоящего из продольных элементов с отгибами по краям полок и поперечных элементов, облицовки из листовых материалов, которая прикреплена на относе 40÷50 мм с образованием зазоров между полками двутавра (площадь пустого пространства между полками и стенкой двутавра №20 и элементами облицовки в поперечном сечении огнезащищенной колонны составляет А_пуст=650 см²) / А.с.SU 887755 МКИ-3 Е 04 В 1/94 Строительный узел здания/ Ю.В. Покровский, В.В. Федоров, М.М. Карбачинский и другие; заяв. 21.02.80; опубл. 07.12.81; Бюлл. №45/ [3].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции огнезащищенной двутавровой колонны здания, относится то, что в известной конструкции применено значительное число элементов каркаса и вследствие этого повышен расход металла на изготовление каркаса для огнезащитной облицовки; при проектировании пустот и зазоров между стенкой и полками двутавра и плитами защитной облицовки увеличиваются размеры поперечного сечения облицованной колонны (площадь сечения возрастает на 60÷70%; расход материалов облицовки - на 40÷45%); снижается проектный предел огнестойкости огнезащищенной колонны на 25÷30%; снижается надежность крепления элементов крупноразмерной листовой и плитной облицовки; снижаются коррозионная стойкость стального несущего стержня и ремонтопригодность огнезащитной облицовки (при возможности получения механических повреждений и сквозных отколов).

Наиболее близким техническим решением к изобретению по совокупности признаков является конструкция огнезащищенной двутавровой колонны здания, содержащая несущий стержень, элементы каркаса и листовую облицовку, прикрепленную к каркасу на относе; элементы каркаса выполнены из стальных профилей с отгибами, а несущий стержень снабжен анкерами, обеспечивая зазор 60÷80 мм между несущим стержнем и облицовкой. Элементы облицовки из листового материала закреплены к элементам каркаса самонарезающими винтами / А.с. SU №773 218 МКИ-3 E04B 1/94 Строительный элемент/ Ю.В. Покровский, В.В. Федоров и др.; заявл. 13.04.79; опубл. 23.10.80, Бюл. №39/ [4] принято за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции огнезащищенной двутавровой колонны здания, принятой за прототип, относится то, что в известной конструкции применено значительное число элементов каркаса и вследствие этого повышен расход металла на изготовление каркаса для огнезащитной облицовки; при проектировании пустот и зазоров между стенкой и полками двутавра и плитами защитной облицовки увеличиваются размеры поперечного сечения облицованной колонны (площадь сечения возрастает на 75÷85%); снижается проектный предел огнестойкости огнезащищенной колонны на 25÷30%; снижается надежность крепления элементов крупноразмерной листовой и плитной облицовки; снижаются коррозионная стойкость стального несущего стержня и ремонтопригодность огнезащитной облицовки (при возможности получения механических повреждений и сквозных отколов); не обосновано определение толщины элементов листовой огнезащитной облицовки стального несущего стержня колонны в зависимости от степени огнестойкости здания и теплофизических свойств материалов облицовки.

Сущность изобретения заключается в следующем. Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в повышении огнестойкости и эксплуатационной надежности огнезащищенной двутавровой колонны здания, а также в улучшении пожарно-технических и экономических показателей стальных конструкций зданий.

Технический результат - повышение надежности крепления элементов крупноразмерной листовой и плитной огнезащитной облицовки двутавровой колонны и элементов каркаса для нее; сокращение числа элементов каркаса для огнезащитной облицовки; снижение массы металла и материалов облицовки; упрощение изготовления элементов каркаса огнезащитной облицовки; уменьшение площади поперечного сечения огнезащищенной двутавровой колонны на 75÷95%; повышение предела огнестойкости стальной колонны с несущим стержнем в виде колонного двутавра на 25÷30%; повышение безопасности при тушении пожара и проведении аварийно-спасательных и восстановительных работ; снижение возможных потерь от пожара; повышение надежности работы огнезащищенной колонны в процессе нормальной эксплуатации здания и в условиях пожара; упрощение монтажа элементов каркаса и огнезащитой облицовки; повышение жесткости соединения колонного двутавра с листами и плитами облицовки и сопротивляемости огнезащитной облицовки механическим воздействиям; повышение эффективности огнезащиты стального несущего стержня крупноразмерной облицовкой; повышение коррозионной стойкости стального колонного двутавра и ремонтопригодности огнезащитной облицовки в случае получения местных механических повреждений; снижение трудоемкости монтажа элементов каркаса и элементов огнезащитной облицовки; сокращение сварочных работ и мокрых строительных процессов; обоснование инженерным расчетом толщины элементов листовой и плитной огнезащитной облицовки стального колонного двутавра в зависимости от степени огнестойкости здания, показателей термодиффузии материалов облицовки и условий нагрева полок и стенки двутавра при пожаре.

Указанный технический результат при использовании изобретения достигается тем, что в известной конструкции огнезащищенной двутавровой колонны здания, содержащей несущий стержень и листовую облицовку, особенностью является то, что несущий стержень выполнен в виде стального колонного двутавра и каждый торец стального несущего стержня снабжен крепежными гайками и установочными винтами с потайными головками и ввинчиваемыми заостренными концами и прямым шлицем; установочными винтами к полкам колонного двутавра прикреплены контактно, вплотную элементы листовой огнезащитной облицовки, к стенке двутавра прикреплены контактно, вплотную элементы плитной огнезащитной облицовки; толщина элементов облицовки определена с учетом показателей термодиффузии ее материалов, условий нагрева и степени огнестойкости здания.

Другими особенностями является то, что на поверхность стального несущего стержня нанесен антикоррозионный слой; элементы листовой огнезащитной облицовки выполнены из огнеупорных гипсокартонных листов; элементы плитной огнезащитной облицовки выполнены в виде прошивных матов из минеральной ваты; элементы плитной огнезащитной облицовки выполнены в виде минераловатных плитных изделий «Rockwool»; длина ввинчиваемого конца установочного винта в элементы плитной огнезащитной облицовки принята не менее l_min≥0,2·h, здесь h - высота стального колонного двутавра; на наружные поверхности элементов огнезащитной облицовки нанесен слой стеклоткани; на наружные поверхности элементов огнезащитной облицовки нанесена штукатурка; толщина элементов огнезащитной облицовки δ_o.mp, мм, определена по показательному уравнению (1):

где C - степень огнезащиты стального колонного двутавра, см;

D_ar - показатель термодиффузии материала облицовки, мм²/мин;

m_o - показатель условий нагрева колонного двутавра (0,5÷1).

Величина предела огнезащиты отдельного слоя огнезащитной облицовки τ_u,co, мин, вычислена по показательному уравнению (2):

где m_o1- показатель условий нагрева слоя облицовки, (0,5÷1);

δ_co - толщина отдельного слоя огнезащитной облицовки, мм;

D_co - показатель термодиффузии материала облицовки, мм²/мин.

Показатель условий нагрева полки коронного двутавра вычислен по степенному уравнению (3):

где δ_x и δ_y - толщина огнезащиты полки колонного двутавра по осям X и У, мм.

Торцы полок колонного двутавра защищены от огня асбестовым шнуром. На поверхности стенок и полок колонного двутавра нанесен клеевой слой для дополнительного крепления облицовки.

Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом изобретения заключена в следующем: использование предлагаемой конструкции огнезащищенной двутавровой колонны здания обеспечивает простоту и надежность крепления элементов крупноразмерной облицовки и элементов каркаса для нее за счет использования установочных винтов с потайной головкой с длинным ввинчиваемым заостренным концом и жесткого соединения (сварки) крепежной гайки к полкам колонного двутавра; снижение массы металла на изготовление элементов каркаса огнезащитной облицовки производят за счет снижения числа элементов каркаса; уменьшение площади поперечного сечения огнезащищенной двутавровой колонны на 75÷95%, вследствие отсутствия пустотного пространства между стальным несущим стержнем и облицовкой; повышение предела огнестойкости стальной колонны с несущим стержнем в виде колонного двутавра на 25÷35% вследствие заполнения пустотного пространства внутри поперечного сечения колонны; повышение безопасности при тушении, при проведении аварийно-спасательных и восстановительных работ, а также снижение потерь от пожара, вследствие повышения пределов огнестойкости несущих конструкций здания; повышение надежности работы огнезащищеной колонны при нормальной эксплуатации здания и в условиях пожара возможно вследствие повышения жесткости при контактном соединении колонного двутавра с листами и плитами облицовки, а также проектирование толщины элементов облицовки по предлагаемой методике расчета в зависимости от степени огнестойкости здания, показателей термодиффузии материалов облицовки и условий нагрева при пожаре.

На фиг.1 изображено поперечное сечение огнезащищенной двутавровой колонны с контактным присоединением элементов листовой и плитной облицовки к стальному несущему стержню, где приняты следующие обозначения: 1 - колонный двутавр; 2 - антикоррозионный слой; 3 - листовая огнезащитная облицовка; 4 - плитная огнезащитная облицовка; 5 - установочные винты (с потайной головкой с ввинчиваемым заостренным концом и прямым шлицем); 6 - крепежная гайка (для установочного винта); 7 - потайная головка установочного винта; 8 - асбестовый шнур; 9 - стеклоткань (штукатурка); 10 - клеевой слой (строительный раствор); (b и h- ширина полки и высота двутавра; В и Н - ширина и высота сечения огнезащищенной колонны; d и δ_s - толщина стенки и полки двутавра; δ_x и δ_y- толщина огнезащиты двутавра по осям X и Y).

На фиг.2 изображено поперечное сечение огнезащищенной колонны со стальным несущим стержнем в виде колонного двутавра №20 К-2 (условные обозначения поз.1-10 приведены на фиг.1; здесьδ_ГКЛО и δ_Roc - соответственно толщина листовой и плитной огнезащитной облицовки); к примеру расчета.

Сведения, подтверждающие возможность применения изобретения с получением указанного выше технического результата.

При реконструкции учебного корпуса университета проектом предусмотрены огнезащищенные стальные колонны из прокатного профиля. Характеристика здания и его несущих колонн: класс функциональной пожароопасности - Ф 4.2; степень огнестойкости - I (первая); класс конструктивной пожароопасности - СО (не пожароопасное); число этажей - 6; нормативный предел огнестойкости несущей колонны F_u,н=120 мин (табл.21, ФЗ РФ №123-2009); стальной несущий стержень - колонный двутавр №20К-2, высота двутавра h=198 мм; ширина полки b=200 мм, толщина стенки d=7 мм; толщина полки δ_s=11,5 мм; площадь сечения двутавра А=53 см².

Огнезащита полки двутавра - листовая огнезащитная облицовка - огнеупорный гипсокартонный лист (ГКЛО) толщиной δ₁=12,5 мм; огнезащита стенки двутавра - плитная огнезащитная облицовка - маты из минваты М-50 изделия «Rockwool».

Показатель условий нагрева полки колонного двутавра вычислен по степенному уравнению (3):

где δ_x и δ_y- толщина огнезащиты полки колонного двутавра по осям X и У.

Степень огнезащиты колонного двутавра вычислена по логарифмическому уравнению (4):

при интенсивности силовых напряжений J_σs=0,5,

где C - степень огнезащиты колонного двутавра, см;

τ_uo - предел огнезащиты элементов облицовки, мин;

In - натуральный логарифм. Предел огнезащиты облицовки вычислен по алгебраической формуле (6):

где F_u,н - нормативный предел огнестойкости несущей колонны, мин;

τ_us - предел огнестойкости колонного двутавра без огнезащиты, мин.

Пример: Дано: Стальной несущий стержень - колонный двутавр из прокатного профиля №20 К-2; нормативный предел огнестойкости несущих колонн для здания I (первой) степени огнестойкости F_u,н =120 мин (табл.21 ФЗ №123-2009 г); предел огнестойкости колонного двутавра без огнезащиты τ_us=20 мин; огнезащитная облицовка полок колонного двутавра - огнеупорные гипсокартонные листы (ГКЛО), показатель термодиффузии - D_ГКЛО=20 мм²/мин; показатель условий нагрева полок двутавра m₀=0,75; δ_x=30 мм; облицовка стенки двутавра - минватные маты М-50 изделия «Rockwool»; показатель термодиффузии - D_Roc=68,8 мм²/мин; показатель условий нагрева стенки двутавра m₀₂=0,5.

Определить толщину элементов листовой и плитной облицовки.

Решение. 1) Предел огнезащиты, облицовки вычислен по алгебраической формуле (5):

τ_uo=F_u,mp-τ_us=120-20=100 мин.

2) Степень огнезащиты колонного двутавра комплексной облицовкой (при J_σs=0,5) вычислена по логарифмическому уравнению (4):

C=In(0,2·τ_uo)=In(0,2·100)=In20=3.

3) Требуемая толщина листовой огнезащитной облицовки для полок колонного двутавра огнеупорными гипсокартонными листами (при m₀₁=0,75), вычислена по показательному уравнению (1):

4) Число слоев облицовки полок колонного двутавра из огнеупорных гипсокартонных листов толщиной δ₁=12,5 мм каждый лист:

n_ГКЛО=δ_{mp, ГКЛО}/δ₁=31/12,5=2,5; принято n_ГКЛО=3 листа, δ_y=40 мм;

5) Требуемая толщина плитной огнезащитной облицовки для стенки колонного двутавра минераловатными изделиями «Rockwool» в виде матов М-50 (при двухсторонней подводке тепла в условиях пожара m₀₂=0,5) определена по показательному уравнению (1):

;

принято δ _Roc=126 мм.

В состав работ по устройству огнезащищенной стальной колонны входят: подготовка поверхности стального колонного двутавра - 1 и нанесение антикоррозионного слоя - 2; выбор материалов для огнезащитной облицовки; расчет толщины элементов облицовки; изготовление элементов листовой огнезащитной облицовки - 3 и плитной огнезащитной облицовки - 4; установка крепежных гаек - 6 на торцы полок колонного двутавра - 1 с шагом 500÷100 мм по длине (высоте) колонны; сборка элементов листовой огнезащитной облицовки - 3 и крепление их установочными винтами - 5 на полках колонного двутавра - 1; нанесение клеящего слоя - 10 на поверхность стенки и полок колонного двутавра - 1 и приклеивание к ним элементов плитной огнезащитной облицовки - 4; ввинчивание каждого установочного винта - 5 с потайной головкой - 7 и с заостренным концом в элементы плитной огнезащитной облицовки - 4 на глубину l_K≥0,2·h (здесь h - высота колонного двутавра - 1); установка в пазы (в местах расположения крепежных гаек) асбестового шнура - 8; покрытие поверхности элементов плитной огнезащитной облицовки - 4 стеклотканью - 9 (по необходимости).

Предложенное изобретение для устройства огнезащищенной двутавровой колонны здания применено при реконструкции учебного корпуса №2 СГАСУ (г.Самара, 2011/12 г).

Источники информации

1. Бартеллеми Б., Крюппа Ж. Огнестойкость строительных конструкций / Пер. с франц. - М.: Стройиздат, 1985.-216 с.(гл.4, п.4.2 Материалы и способы защиты; рис.4.2; 4.4÷4.6; с.94-98).

2. Романенков И.Г., Левитес Ф.А. Огнезащита строительных конструкций. - М.: Стройиздат, 1991. -320 с. (гл.4 Конструктивные способы огнезащиты; п.4.2. - Крупнозамерные листовые, плитные и рулонные облицовки; рис.8, с.131÷133.

3. А.с.SU №887755 МКИ-3 E04B 1/94 Строительный узел здания/ Ю.В. Покровский, В.В. Федоров, М.М. Карабочинский и др.; заяв. 21.02.80; опубл. 07.12.81, Бюл. №45.

4. А.с.SU №773 218 МКИ-3 E04B 1/94 Строительный элемент/ Ю.В. Покровский, В.В. Федоров, В.В. Филиппов; заяв. 13.04.79; опубл. 23.10.80, Бюл. №39.