СПОСОБ ИСКЛЮЧЕНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ ОБРУШЕНИЯ СТАЛЬНЫХ ФЕРМ ПОКРЫТИЯ ОТ ПОЖАРА

Предлагаемое изобретение относится к повышению огнестойкости и живучести стальных ферм гражданских и промышленных сооружений. Необходимость повышения свойств огнестойкости и живучести ферм вытекает из сложившейся в настоящее время в России «негативной» ситуации.

Значительное количество ферм сооружений эксплуатируется в состоянии ферм, близком к предельным и даже аварийным. В России функционируют здания, не пригодные к эксплуатации, с большой вероятностью обрушения ферм. Обрушения чаще происходят в металлургическом комплексе сооружений, причем в последние два десятилетия темп обрушений ферм нарастает.

Известны сооружения с решетчатыми фермами в системе покрытия [1, с. 13, рис. 1.14].

Недостатки известных технических решений следующие:

- Низкая огнестойкость ферм покрытия, так как решетку стержней ферм чаще всего выполняют из стандартных уголковых профилей.

- Обрушение ферм покрытия здания происходит в 45…50% случаев из-за обрушения решетчатых ферм [2, с. 198], [3, с. 5, рис. 1] [4, с. 113, рис. 58].

- Надежность ферм покрытий зданий низкая.

- Узлы сопряжения ферм вызывают избыточную трудоемкость, а безвыверочный монтаж затруднен.

Разрешение проблемы повышения огнестойкости и живучести ферм покрытия высокое.

Предрасположенность стальных ферм к авариям усиливается нарушением правил эксплуатации объектов и повышением опасности возникновения террористических актов.

Известно, что при нагревании сталь теряет свою прочность. При нагревании до ≈600°C [1, с. 22] сталь переходит в пластическое состояние и происходит обрушение стальных ферм. Однако сталь начинает терять прочность только при температуре ≈200°C. Алюминиевые сплавы полностью переходят в пластичное состояние при температуре ≈200°C, поэтому их огнестойкость в несколько раз ниже, чем у стальных конструкций.

Ужасное обрушение стального каркаса произошло при террористическом акте в США 11 сентября 2001 г. Высотные здания обрушились в результате сильнейшего нагрева стальных колонн и потери ими несущей способности. Если бы была запроектирована система охлаждения колонн, автоматически включающаяся при пожаре, то обрушения не возникло бы, и не погибли бы люди.

В Пензе в январе 2008 возник пожар в Пензенском драматическом театре. Из-за низкой огнестойкости стальных ферм пожарные не успели предотвратить обрушение, которое очень быстро произошло вместе с покрытием театра.

Известно также, что при нагреве до температуры 100°C начинается кипение воды и интенсивное испарение ее, сопровождающееся значительным забором тепла. Используем это замечательное свойство для исключения возможности обрушения стальных ферм.

Для использования этого свойства удобно применять замкнутые трубчатые конструкции, как в прототипе, и охлаждать их изнутри испарением воды при их нагреве снаружи открытым огнем. Используем эти свойства кипящей воды.

Часто при проектировании и строительстве даже зрелищных и других сооружений, где скапливается значительное количество людей (сооружения первого уровня ответственности), предпочтение отдается техническим решениям с низкой огнестойкостью, принимаемым архитектором, а не инженером-конструктором.

Такие технические решения приводят к трагическим последствиям с гибелью людей, например, всем известные случаи обрушений «Аквапарка» и «Крытого рынка» в Москве [1, с. 26, рис. 28…31], [1, с. 75, рис. 108].

Другим примером низкой надежности и огнестойкости является проект «Крытого конькобежного центра» в Москве [2]. В этом центре весной 2007 г. возникла аварийная ситуация, которая могла привести к обрушению всего сооружения. После восстановления сооружения живучесть осталась «нулевой». Очевидно, что сооружения с низкой огнестойкостью могут привести к гибели людей и их нельзя рекомендовать для зрелищных и спортивных сооружений (первый уровень ответственности, коэффициент надежности по ответственности γ_n=1,2).

Следовательно, актуальность повышения огнестойкость и живучести ферм покрытия несомненна и продолжает нарастать. Живучесть и огнестойкость стальных ферм должна быть повышена.

Если ферма статически определима, то живучесть и огнестойкость у нее самая низкая - «нулевая». То есть при потере устойчивости одного из сжатых стержней ферма превращается в механизм и она внезапно обрушается.

Жесткое соединение ферм с колоннами повышает живучесть и надежность всего сооружения, так как рама сооружения стала статически неопределимой. Предельное состояние фермы в этом случае наступает только при выключении из работы второго сжатого стержня системы.

За аналог примем «типовую» ферму с треугольной решеткой с восходящими сжатыми и нисходящими растянутыми стержнями раскосов [3, с. 370…378, рис. 13.9], [5, с. 13…26, рис. 2.1], [4, с. 37]. Опорные реакции от фермы передаются в зоне ее нижнего растянутого пояса.

При работе в системе рамы сооружения каждая ферма соединена с колоннами фланцевыми болтовыми соединениями. Монтажные болты передают расчетные усилия взаимодействия фермы с колоннами. Примем эти решения за аналоги. Аналоги обладают отмеченными недостатками.

Расчет стальных конструкций производят по первому и второму предельным состояниям [3, с. 60].

Первая группа предельных состояний сооружений достигается вследствии:

- потери стержнями конструкции устойчивости и полной непригодности конструкции к эксплуатации;

- превращения конструкции в геометрически изменяемую систему стержней (механизм), что в свою очередь приводит к качественному изменению конфигурации сооружения и обрушению его [4, c. 37];

- хрупкого, внезапного разрушения в результате возникновения и развития усталостных трещин при циклических воздействиях;

- чрезмерного нарастания пластических деформаций в стержнях, что в конечном итоге приводит к разрушению стальной конструкции и сооружения.

Вторая группа предельных состояний характеризуется затруднениями нормальной эксплуатации сооружения или снижением долговечности вследствие возникновения недопустимых перемещений (прогибов, осадок опор, углов поворота, колебаний, трещин и т.п.).

Очевидно, что первая группа предельных состояний более опасна, чем вторая, так как разрушение происходит внезапно, хрупко без видимых перемещений и деформаций.

При пожаре разогреваются как сжатые, так и растянутые элементы фермы. Более опасен разогрев сжатых стержней. Исчерпание несущей способности решетчатой фермы при пожаре наступает в результате нагрева и потери устойчивости самого слабого сжатого стержня статически определимой фермы. Далее ферма превращается в механизм и происходит ее обрушение.

При увеличении нагрузки на ферму сначала теряют устойчивость сжатые стержни. Растянутые стержни имеют большую несущую способность, так как расчетное сопротивление стали ВСт3сп5 (С255), назначенное по пределу текучести, равно R_y=240 МПа [8, с. 64], а назначенное по временному сопротивлению R_u=360 МПа. Следовательно, растянутые стержни имеют более чем полуторный запас по несущей способности по отношению к сжатым стержням.

Это же подтверждают исследования Е.И. Белени [4], Б.И. Беляева, B.C. Корниенко [6, с. 98] - причиной аварий сооружений в 44% случаев является потеря устойчивости одного из сжатых стержней фермы [6, с. 17]. Следовательно, повышать огнестойкость и живучесть ферм зданий необходимо повышением устойчивости сжатых стержней фермы.

Примером низкой живучести стальных ферм из уголков является лавинообразное обрушение покрытия литейно-арматурного цеха г. Пенза [7, с. 27]. В цехе полностью обрушились фермы в двух пролетах 18+24=42 м температурного блок здания длиной 96 м. При обрушении погибли люди. Обрушение ферм на площади 42·96=4032 м² произошло лавинообразно.

Причиной лавинообразного обрушения явилась низкая живучесть ферм покрытий и ряд сопутствующих явлений - безпрогонная система покрытия, недостатки в системе связей, применение кипящей стали, избыточная нагрузка на кровлю.

Фермы выполняют из симметричных в сечении уголковых профилей [5], образующих в сборке тавровое сечение, то есть «типовая» ферма, разработанная в середине прошлого века. В России и в бывшем СССР построено большое количество покрытий сооружений с фермами, обладающими низкой живучестью и огнестойкостью.

В результате низкой огнестойкость и живучести «типовых» ферм и естественного старения конструкций при длительной эксплуатации вероятность возникновения аварийных ситуаций постоянно увеличивается. Вероятность внезапного обрушения также увеличивается. Например, в г. Самара (2010-08-13) в старом здании, преобразованном для торговли мебелью, произошло обрушение кровли. Пострадали находящиеся в здании люди.

В предлагаемой конструкции ферм будем использовать новые эффективные овальные в сечении стержни (отношение большего габарита к меньшему габариту равно 3:1), предложенные К.К. Неждановым и разработанные с аспирантами [9]. Стержень трубчатый, это свойство будем использовать для повышения огнестойкости.

За прототип примем «Способ исключения возможности обрушения стальных конструкций от пожара», предложенный К.К. Неждановым и разработанный с аспирантами [10]. В этом способе исключается возможность обрушения стального каркаса автоматическим охлаждением его испарением воды.

Техническая задача изобретения - исключение вероятности обрушения фермы при пожаре, охлаждением ее стержней изнутри испарением воды в центральных каналах, что останавливает повышение температуры фермы на отметке кипения воды 100°C.

Живучесть фермы повышена выполнением ее сжатых стержней овальными, трубобетонными с отношением большего габарита каждого стержня к меньшему, равным 3:1, что исключает внезапную потерю устойчивости стержней.

Работа фермы переведена из опасной стадии работы по первому предельному состоянию в более благоприятную стадию работы по второму предельному состоянию.

Техническая задача по исключению возможности обрушения стальных ферм покрытия от пожара охлаждением стержней ферм изнутри испарением воды и исключению внезапной потери устойчивости сжатых стержней ферм с восходящими сжатыми опорными и промежуточными раскосами, стойками и нисходящими растянутыми раскосами решена следующим образом.

Способ заключается в том, что верхний и нижний пояса фермы и сжатые раскосы фермы изготавливают заранее проектной длины из овальных труб с отношением большего габарита к меньшему габариту, равным 3:1 [9, 11].

Точно фрезеруют торцы под углом 90 градусов к продольной оси пояса, бетононасосом по шлангу подают в полые (овальные, трубчатые) стержни пластичный мелкозернистый бетон, центробежным способом (центрифугированием) отбрасывают его на периферию стержня, оставляя центральный продольный канал, а при схватывании бетон расширяется.

Обоймой является любой трубчатый стержень фермы, препятствующий расширению бетона в ней. Труба (обойма) стержня препятствует расширению бетона, со всех сторон обжимает бетон снаружи, что приводит к самонапряжению бетона в трубе обоймы. Получаем предварительно напряженные трубобетонные стержни с центральными, продольными, сквозными каналами в бетоне каждого из стержней.

При вращении центробежные силы отжимают из бетона излишнюю воду и улучшают водоцементное отношение, а при схватывании самонапрягающийся бетон напрягает трубчатую обойму изнутри. Подготавливают необходимое количество трубобетонных стержней, а при изготовлении ферм используют их в тех стержнях решетки ферм, которые под действием внешней нагрузки испытывают сжатие.

При пожаре срабатывает автоматика и в центральные каналы стержней каждой из ферм поступает вода. Под действием температуры вода испаряется и этим останавливает разогрев стальных стержней ферм.

Пропуская сквозь каналы и испаряя воду внутри каналов, предотвращают обрушение фермы при пожаре. Этим значительно повышают устойчивость и живучесть стержней решетки.

На поточной линии ориентируют каждый из поясов фермы большим габаритом овала перпендикулярно плоскости фермы, присоединяют к верхнему и нижнему поясам фермы (например, сваркой) седлообразные столики.

На сборочном стенде располагают верхний и нижний пояса параллельно друг другу. Присоединяют к седлообразным столикам раскосы и стойки фермы, раскрепляют сжатые элементы решетки в плоскости фермы шпренгелями. Этим значительно понижают их гибкость в плоскости фермы.

Объединяют пояса в монолитные левую и правую отправочные марки. На монтажной площадке объединяют отправочные марки в единую ферму с трубобетонными сжатыми стержнями с продольным каналом в каждом, образуя уклон наружу 1,5…2,5% за счет уклона каждой из отправочных марок. Раскрепляют фермы пространственными связями, завершают строительство.

Оснащают сооружение температурными датчиками и системой труб для подачи воды и разбрызгивания ее внутри каналов в овальных трубобетонных и трубчатых стержнях фермы. И в случае возникновения пожара по сигналу от датчиков температуры автоматически на верхней отметке включают подачу и разбрызгивание воды внутри каналов в овальных трубчатых стержнях каждой фермы и сток ее под действием сил гравитации вниз по каналам трубчатых стержней.

Стальные трубчатые стержни фермы охлаждают изнутри испарением воды в центральных каналах и исключают этим повышение температуры металла фермы выше 120…130°C. Этим и исключают возможность обрушения конструкций покрытия сооружения от пожара.

Повышают живучесть всей стальной фермы в 1,5…1,6 раза, а возможность внезапной потери устойчивости каждого из сжатых стержней исключают превращением их в трубобетонные. Работу всей конструкции фермы переводят из опасной стадии работы по первому предельному состоянию в более благоприятную работу по второму предельному состоянию. Для уменьшения материалоемкости растянутые элементы фермы выполняют из легированной стали.

На фиг. 1 показан способ повышения огнестойкость и живучести стальной фермы, имеющей верхний 1 пояс из овального стержня, который снабжен седлообразными столиками. Восходящие сжатые опорные стерни 2 (раскосы) и промежуточные сжатые 3 стерни в плоскости фермы раскрепляют двумя стернями шпренгелей, этим понижают их гибкость сжатых стержней в плоскости фермы в три раза. Сжатые стойки 5 выполнены из квадратных в сечении стержней, превращенных в трубобетонные.

На фиг. 2 показано сечение верхнего пояса фермы, выполненного из овального стержня 1 с бетонным ядром 6 с центральным отверстием для протекания воды.

На фиг. 3 показан узел сопряжения и сечения верхнего пояса, выполненного из овального стержня 1, сжатого опорного раскоса 2 с бетонным ядром 6 и отверстием для протекания воды, раскоса 4, соединенного с гнутым седловидным элементом 7.

На фиг. 4 показан узел сопряжения и сечения нижнего пояса, выполненного из овального стержня 1, соединенного гнутым седловидным элементом 7 с растянутым раскосом 4, сжатым раскосом 3 и стойкой 5 с бетонным ядром 6 и отверстием для прохода воды.

На фиг. 5 показано сечения верхнего пояса, выполненного из овального стержня 1 с бетонным ядром 6 и отверстием для прохода воды в гнутые седловидные элементы 7.

На фиг. 6 показано сечение сопряжения нижнего пояса, выполненного из овального стержня 1, соединенного гнутым седловидным элементом 7 со стойкой 5.

Для снижения расхода стали нисходящие промежуточные стержни растянутых 4 раскосов и нижний пояс выполнены из низколегированной стали. Кроме того, нижний пояс выполнен из овального стержня и снабжен седлообразными столиками.

При работе фермы в системе рамы она жестко соединена фланцевыми соединениями с колоннами. Чаще опорные реакции передаются на колонны на отметке нижнего пояса фермы на опорные столики на колоннах.

Все фермы покрытия снабжены системой распорок и крестовых связей по верхним и нижним поясам, а также вертикальными крестовыми связями. В каждом температурном отсеке здания в системе покрытия имеются пространственные связевые блоки (посередине отсека и его торцам). Промежуточные фермы связаны с пространственными связевыми блоками распорками и прогонами. Следовательно, все фермы раскреплены из плоскости связями.

Несущую способность и живучесть стальной фермы повышают в 1,5…1,6 раза, превращают все сжатые элементы в трубобетонные и исключают этим возможность внезапной потери устойчивости каждого из трубобетонных сжатых стержней с центральным каналом внутри.

Обрушение стальных конструкций ферм покрытия от пожара исключают, охлаждая изнутри трубчатые стержни фермы испарением воды. Исключают разогрев стальных стержней ферм выше 120…130°C и этим исключают возможность обрушения стальных ферм.

Работу фермы переводят из опасной стадии работы по первому предельному состоянию в более благоприятную стадию по второму предельному состоянию.

Экономический эффект возник из-за следующего:

- Исключена возможность обрушения стальных ферм сооружения охлаждением их изнутри испарением воды внутри центральных каналов. Повышение температуры ферм останавливают испарением и стоком воды в центральных каналах стальных стержней при нагреве их до 120…130°C.

- Повышена надежность всего сооружения, так как оно выполнено из овальных трубобетонных стержней с центральным каналом в каждом и снабжено системой охлаждения стержней, исключающей возможность обрушение ферм.