Вид РИД
Изобретение
Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий. В частности, оно может быть использовано для классификации составной (сталежелезобетонной) балки здания по показателям сопротивления их воздействию пожара. Это дает возможность обоснованного использования составной балки с фактическим проектным пределом огнестойкости в зданиях различных классов пожароопасности.
Известен способ оценки огнестойкости балочной конструкции по результатам натурного огневого испытания фрагмента здания, в котором производят осмотр конструкций, назначают статическую нагрузку на конструкцию соответственно реальным условиям эксплуатации здания, определяют факторы, влияющие на огнестойкость испытываемой конструкции, и величину ее предела огнестойкости /ГОСТ Р 53309-2009. Здания и фрагменты зданий. Метод натурных огневых испытаний. Общие требования (С. 6-12)/ [1].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе велики экономические затраты на проведение огневых испытаний, наблюдения за состоянием балочной конструкции в условиях экспериментального пожара затруднительно и небезопасно, причины разрушения элементов балочной конструкции не удается установить из-за многообразия одновременно действующих факторов пожара. Предельное состояние по огнестойкости испытуемой конструкции может быть не достигнуто вследствие более раннего разрушения стен фрагмента.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ оценки балочной конструкции путем проведения технического осмотра, измерения инструментальных геометрических размеров элементов балки, определения размеров сечения и схемы армирования железобетонной конструкции, установления глубины залегания стержней рабочей арматуры и степени ее огнезащиты, определения интенсивности силовых напряжений в опасном сечении элемента, определения теплотехнических и конструктивных параметров и определения, с использованием полученных данных, величины фактического предела огнестойкости железобетонной балки по длительности сопротивления теплосиловому воздействию до потери несущей способности по аналитическому уравнению /Патент 2604820 РФ, МПК G01N 25/50 «Способ оценки огнестойкости железобетонной фермы здания»/ Н.А. Ильин, Д.А. Панфилов, заяв. СамГТУ 25.08.2015 г., опубл. 10.12.2016, Бюл. №34 [2], - принято за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе проводят оценку на огнестойкость растянутого и сжатого элементов фермы без оценки огнестойкости гибкой стальной гофрированной стенки балочной конструкции. Вследствие этого показатели огнестойкости стальной гофрированной стенки балочной конструкции не определены. При назначении комплекса единичных показателей качеств и параметров огнестойкости не включены показатели, характерные для стальной гофрированной стенки в частности и балочной конструкции в целом.
Сущность изобретения состоит в установлении показателей пожарной безопасности здания в части гарантированной длительности сопротивления гофрированной стенки, растянутого и сжатого поясов составной балки в условиях пожара; в оценке проектных пределов огнестойкости составной балки для использования их при проектировании, строительстве или эксплуатации здания; в повышении точности и достоверности показателей огнестойкости составной балки здания.
Технический результат - повышение точности показателей огнестойкости элементов составной балки; определение комплекса основных параметров, влияющих на огнестойкость элементов составной балки; повышение точности, при определении параметров теплофизических и конструктивных характеристик элементов составной балки; снижение трудоемкости и сокращение сроков оценки огнестойкости составной балки; возможность определения фактической огнестойкости различно нагруженных составных балок любых размеров по признаку потери несущей способности; снижение экономических затрат на оценку огнестойкости составной балки здания; сохранение эксплуатационной пригодности здания при проведении оценки; определение реального ресурса составной балки перекрытия по огнестойкости с использованием комплекса единичных показателей качества; определение фактических пределов огнестойкости составной балки здания в зависимости от конструктивных параметров по признаку потери несущей способности.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе оценки огнестойкости балочной конструкции путем проведения технического осмотра, инструментального измерения геометрических размеров элементов балочной конструкции и их опасных сечений, определения количества и диаметров рабочих стержней арматуры балочной конструкции, их взаимного расположения и толщины защитного слоя бетона, выявления формы элементов балочной конструкции, определения схем обогрева их опасных сечений при пожаре и условий нагревания рабочей арматуры, установления глубины залегания стержней рабочей арматуры и степени их огнезащиты, определения показателей плотности бетона и его влажности в естественном состоянии, определения величины термодиффузии бетона, характеристики рабочей арматуры сопротивлению на растяжение, определения величины проектной испытательной нагрузки на балочную конструкцию и интенсивности силовых напряжений в опасном сечении, определения времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности балочной конструкции под испытательной нагрузкой на огнестойкость согласно изобретению оценку огнестойкости балочной конструкции, выполненной в виде составной балки двутаврового сечения, состоящей из: стальной гофрированной стенки, растянутого и сжатого железобетонных поясов, проводят без натурного огневого испытания, не нарушающего пригодности, назначают комплекс единичных показателей качества стальной гофрированной стенки, растянутого и сжатого железобетонных поясов составной балки, находят глубину залегания, условия нагрева и степень огнезащиты контрольной точки гофрированной стенки, а также рабочей арматуры растянутого и сжатого железобетонных поясов составной балки, выявляют теплотехнические и конструктивные параметры и, используя их, определяют величину проектного предела огнестойкости составной балки (Fur, мин) по длительности сопротивления термосиловому воздействию до потери несущей способности наименее огнестойкого элемента составной балки ( мин) по условию (1):
длительность сопротивления от начала стандартного огневого воздействия до потери несущей способности растянутого пояса составной балки (, мин) определяют, используя аналитическое уравнение (2):
где еc - натуральное число (2,72); С - степень огнезащиты рабочей арматуры бетоном, см; Jσs - интенсивность силовых напряжений в продольной рабочей арматуре в опасном сечении растянутого железобетонного пояса (0,1÷1,0); К1 - интегральный показатель безопасности растянутого железобетонного пояса; n - эмпирический показатель изменения свойства арматурной стали в условиях пожара; tcr - критическая температура нагрева арматурной стали, °C;
интенсивность силовых напряжений в продольной рабочей арматуре растянутого железобетонного пояса составной балки от проектной испытательной нагрузки на огнестойкость определяют из уравнения (3):
где As и - соответственно площади арматуры фактически установленной в опасном сечении растянутого железобетонного пояса и требуемая по расчету на прочность, мм2; Rs и Rsu - расчетные предельное сопротивление арматуры растяжению, МПа; (Rsu=Rsn/0,9); N и Ng - расчетная продольная сила и усилие от проектной испытательной нагрузки на огнестойкость, кН;
усилие от проектной испытательной нагрузки на огнестойкость в растянутом железобетонном поясе составной балки определяют из выражения (4):
где Nдл - длительная часть расчетной нагрузки, кН; - коэффициент надежности по нагрузке;
степень огнезащиты продольной рабочей арматуры растянутого железобетонного пояса составной балки определяют из степенного уравнения (5):
где m0 - показатель условий нагрева арматуры в опасном сечении растянутого железобетонного пояса (0,25-1,0); amin - минимальная глубина залегания арматуры по оси координат, мм; - показатель термодиффузии защитного слоя бетона, мм2/мин.
При несимметричном расположении арматурных стержней относительно биссектрисы угла прямоугольного поперечного сечения элемента составной балки показатель условий нагрева арматуры (m0) при двустороннем обогреве (при ах≤аy) определяют из показательной функции (6):
где ах и аy - соответственно глубина залегания арматурных стержней от обогреваемых граней элемента по осям координат поперечного сечения, мм; (при аx>аy - в показателе функции (6) принимают обратное соотношение величины осевых расстояний, то есть ах/ay).
Глубину залегания стержней рабочей арматуры по осям координат (осевые расстояния аx,y) определяют из уравнения (7):
где аx,y - толщины защитных слоев арматуры соответственно по осям х или y, мм; ds - номинальный диаметр продольных арматурных стержней, мм.
Величину показателя термодиффузии защитного слоя бетона [(, мм2/мин) при осредненной температуре 450°C] определяют из аналитического уравнения (8):
где λ0 и С0 - показатели теплопроводности бетона, Вт/(м⋅°C), и удельной теплоемкости, кДж/(кг⋅°C) при нормальной температуре (20±5°C); b u d - термические коэффициенты теплопроводности и теплоемкости бетона; рc и ω - плотность бетона в сухом состоянии, кг/м3, и его влажность, % по массе.
Интегральный показатель безопасности растянутого железобетонного пояса составной балки определяют из уравнения (9):
где γп - коэффициент надежности растянутого железобетонного пояса по назначению здания; mоб - показатель условий обогрева периметра сечения элемента составной балки; kсп - показатель сплошности сечения элемента составной балки; kф - показатель номинального диаметра рабочей арматуры.
За единичные показатели качества растянутого железобетонного пояса составной балки, влияющие на его предел огнестойкости, принимают геометрические размеры опасного сечения; глубину залегания, класс по прочности, номинальный диаметр, степень напряжения и предел текучести рабочей арматуры; влажность и плотность бетона, толщину защитного слоя и показатель термодиффузии бетона.
Длительность сопротивления сжатого железобетонного пояса составной балки , мин, от начала испытания до потери несущей способности определяют, используя аналитическое выражение (10):
где В - наименьший размер прямоугольного поперечного сечения сжатого железобетонного пояса, мм; - интенсивность силовых напряжений в опасном сечении сжатого железобетонного пояса (0-1); αμз - степень армирования сжатого железобетонного пояса; К2 - интегральный показатель безопасности сжатого железобетонного пояса; - показатель термодиффузии защитного слоя бетона, мм2/мин; - нормативная прочность бетона сопротивлению на осевое сжатие, МПа;
интенсивность силовых напряжений в опасном сечении сжатого железобетонного пояса составной балки () от проектной испытательной нагрузки на огнестойкость определяют из условия (11):
где k3 - коэффициент условий закрепления сжатого железобетонного пояса (0,8-0,9); - испытательная нагрузка при определении огнестойкости сжатого железобетонного пояса, кН; - разрушающая сжатый железобетонный пояс продольная сила до начала испытания, кН;
степень армирования сжатого железобетонного пояса (αμs) вычисляют из выражения (12):
где As и А - соответственно площади рабочей арматуры и всего бетона в поперечном сечении сжатого железобетонного пояса, мм2; и - соответственно расчетное сопротивление арматуры сжатию и нормативное сопротивление бетона осевому сжатию, МПа;
интегральный показатель безопасности сжатого железобетонного пояса (К2) определяют, используя алгебраическое уравнение (13):
где - коэффициент надежности составной балки по назначению здания; - показатель условий обогрева периметра поперечного сечения сжатого железобетонного пояса; - показатель сплошности поперечного сечения сжатого железобетонного пояса; kа - показатель глубины залегания рабочей арматуры; ϕ - коэффициент продольного изгиба сжатого железобетонного пояса.
Длительность сопротивления огневому воздействию стальной гофрированной стенки , мин, с учетом термозащиты определяют по аналитическому уравнению (14):
где Jσs - интенсивность силовых напряжений в металле гофрированной стенки (0,1±0,05);
С - степень огнезащиты металла гофрированной стенки находят из уравнения (15):
где m0 - показатель условий нагрева контрольной точки стальной гофрированной стенки; при симметричном двустороннем подводе тепла m0=0,5; δ0 - толщина термозащитного покрытия металла гофрированной стенки, мм; - показатель термодиффузии материала покрытия, мм2/мин;
- длительность сопротивления огневому воздействию металлической гофрированной стенки без ее термозащиты, определяемая по аналитическому уравнению (16):
где - площадь металла поперечного сечения гофрированной стенки, см2; Р0 - периметр обогрева сечения гофрированной стенки, см; - интенсивность силовых напряжений в сечении гофрированной стенки (0,1±0,05).
Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом заключена в следующем. Исключение огневых испытаний элементов составной балки существующего здания и замена их на неразрушающий способ снижает трудоемкость оценки их огнестойкости, позволяет производить оценку огнестойкости элементов составной балки, независимо от вида напряженного состояния элементов составной балки здания; позволяет повысить точность показателей огнестойкости элементов составной балки, соответствующих реальным (проектным) условиям их эксплуатации. Применение предложенного способа оценки пределов огнестойкости элементов составной балки позволяет назначить комплекс теплофизических и конструктивных параметров, влияющих на их величины. Математическое описание процесса сопротивления элементов составной балки стандартному огневому испытанию позволяет составить соответствующие аналитические уравнения (2), (10) и (14), для вычисления их фактических показателей огнестойкости.
Использование интегральных конструктивных параметров, как то: степени огнезащиты арматуры (стали), уровня ее напряжения и показателя термодиффузии бетона, - упрощает математические описания сопротивления термосиловому воздействию соответственно каждого элемента составной балки.
Оценка огнестойкости элемента составной балки только по одному показателю качества, например по толщине защитного слоя бетона, приводит, как правило, к недооценке фактического предела огнестойкости, поскольку влияние на него вариаций единичных показателей качества имеют различные знаки, и снижение огнестойкости за счет одного показателя может быть компенсировано другими. Вследствие этого в предложенном способе оценку фактической огнестойкости элементов составной балки предусматривают не по одному показателю, а по комплексу единичных показателей их качества. Это позволяет более точно учесть реальный ресурс огнестойкости элементов составной балки.
В предложенном техническом решении снижают погрешность определения степени огнезащиты стали гофрированной стенки и рабочей арматуры, железобетонных поясов, оценивая ее величину в зависимости от глубины залегания и условий нагрева при пожаре.
Показатель условия нагрева гофрированной стенки и рабочей арматуры железобетонных поясов составной балки определяют по математической зависимости, учитывающей условия подвода тепла к ней и расположение ее стержней по отношению к биссектрисе угла обогреваемого сечения. Это позволяет более точно определить условия нагрева поперечного сечения элементов составной балки при симметричном его обогреве.
Упрощен учет конструктивных особенностей: степени армирования опасного сжатого сечения, интенсивности силовых напряжений, прочности бетона и арматуры, величины диаметров стержней арматуры, условий обогрева сечения, глубины заложения арматуры, гибкости элемента и сплошности поперечного сечения на величину их огнестойкости.
Уточнен комплекс единичных показателей качества стальной гофрированной стенки, растянутых и сжатых железобетонных поясов составной балки, влияющих на их огнестойкость.
На фиг. 1 изображена геометрическая схема составной балки с параллельными железобетонными поясами (Ps - нагрузка; hг/с - высота гофрированной стенки; Н - высота составной балки): 1 - растянутый железобетонный пояс; 2 - сжатый железобетонный пояс; 3 - стальная гофрированная стенка.
На фиг. 2 изображена схема усилий в элементах составной балки: +Nρ, кН - усилие растяжения; -Nρ, кН - усилие сжатия.
На фиг. 3 изображена расчетная схема для определения прочности сжатого железобетонного пояса составной балки (сечение А-А): 4 - рабочая арматура; 5 - поперечные стержни; 6 - бетон; ах и аy - глубина заложения арматуры по осям координат х и y, мм.
На фиг. 4 изображена расчетная схема для определения огнестойкости сжатого железобетонного пояса составной балки (обогрев сечения четырехгранный): 4 - рабочая арматура; 5 - поперечные стержни; 6 - бетон; - направление действия высокой температуры стандартного испытания; ах и аy - глубина заложения арматуры по осям координат х и y, мм.
На фиг. 5 изображена расчетная схема для определения прочности растянутого железобетонного пояса составной балки (сечение Б-Б): 4 - рабочая арматура; 5 - поперечные стержни; ах и аy - глубина заложения арматуры по осям координат х и y, мм.
На фиг. 6 изображена расчетная схема для определения огнестойкости растянутого железобетонного пояса составной балки (обогрев сечения четырехгранный): 4 - рабочая арматура; 5 - поперечные стержни; 6 - бетон; ах и аy - глубина заложения арматуры по осям координат х и y, мм; - направление действия высокой температуры стандартного испытания.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного выше технического результата
Последовательность действий способа оценки огнестойкости элементов составной балки здания состоит в следующем. Сначала проводят визуальный осмотр составной балки здания. Затем определяют группу однотипных элементов составной балки. Назначают комплекс единичных показателей качества элементов составной балки, влияющих на огнестойкость. Выявляют условия опирания, закрепления концов и опасные сечения элементов составной балки. Затем оценивают единичные показатели качества элементов составной балки и их интегральные параметры и по ним находят показатели огнестойкости элементов составной балки двутаврого сечения.
При визуальном осмотре проводят проверку состояния элементов составной балки, включающую выявление условий опирания отдельных элементов составной балки, определение вида бетона и толщины его защитного слоя, наличие трещин и отколов, нарушение сцепления арматуры с бетоном, наличие коррозии стали.
Схемы обогрева поперечных сечений элементов составной балки двутаврого сечения в условиях пожара определяют в зависимости от фактического расположения конструкции и других частей здания, устройства подвесных потолков, расположения смежных конструкций, уменьшающих число сторон обогрева элементов составной балки здания.
Число и место расположения контрольных участков, в которых определяют показатели качества конструкций, выбирают следующим образом. В элементах конструкции, имеющих одно опасное сечение, контрольные участки располагают только в этом сечении. В элементах конструкции, имеющих несколько опасных сечений, контрольные участки располагают равномерно по поверхности с обязательным расположением части контрольных участков в опасных сечениях.
К основным единичным показателям качества железобетонного пояса составной балки, обеспечивающим огнестойкость, относятся: геометрические размеры элементов составной балки и их опасных сечений; глубина залегания, класс, диаметр, интенсивность напряжений и предел текучести стали и арматуры; прочность бетона, влажность и плотность его в естественных условиях; толщина защитного слоя и показатель термодиффузии бетона.
Опасные сечения элементов составной балки назначают в местах наибольшего действия проектной нагрузки. Проверяемыми геометрическими размерами являются ширина и высота опасного сечения элемента составной балки. Размеры конструкции проверяют с точностью ±1 мм; ширину трещин - с точностью до 0,05 мм.
Проверку прочности бетона элементов составной балки производят неразрушающим способом с применением механических и ультразвуковых приборов.
Минимальную глубину залегания стержня рабочей арматуры принимают по одной из осей координат двутаврого поперечного сечения элемента составной балки.
Величину критической температуры (tcr, °C) стали и показатель функции сглаживания экспериментальных данных - показатель термотекучести арматуры (n) принимают следующими в зависимости от класса арматуры (табл. 1):
По результатам измерений определяют минимальную глубину залегания рабочей арматуры по одной из осей координат двутаврого поперечного сечения балки (аmin, мм) и величину показателя условий нагрева (m0) рабочей арматуры при огневом воздействии. Затем, используя величины m0 и amin, устанавливают интегральный параметр - степень огнезащиты рабочей арматуры из уравнения (5).
Интегральный параметр интенсивности напряжения продольной рабочей арматуры растянутого железобетонного пояса составной балки определяют из условия (3), для сжатого железобетонного пояса - из условия (11).
Показатель термодиффузии бетона принимают по таблице 2.
Используя полученные интегральные параметры С (мм); Jσs; tcr (°C); (мм2/мин), из аналитических уравнений (2), (10) и (14) находят показатель огнестойкости каждого элемента составной балки здания.
Интегральный показатель безопасности растянутого железобетонного пояса (К1) определяют из уравнения (8); mоб - показатель условий обогрева периметра сечения элемента составной балки:
здесь Р и Р0 - соответственно периметр и обогреваемая часть периметра сечения элемента, мм; - показатель сплошности поперечного сечения элемента балки: для сплошного сечения ; для пустотелого сечения
kф - показатель номинального диаметра (d, мм) рабочей арматуры:
Интегральный показатель безопасности сжатого железобетонного пояса (К2) определяют из уравнения (13);
ϕ - коэффициент продольного изгиба сжатого железобетонного пояса:
здесь - расчетная длина сжатого элемента, мм; Bmin - минимальный размер сечения элемента, мм;
kа - показатель глубины залегания рабочей арматуры:
здесь ан и а - соответственно нормативная и фактическая глубина залегания арматуры, мм.
Пример 1. Дано: Растянутый железобетонный пояс составной балки здания выполнен из тяжелого бетона и рассчитан на растягивающее усилие N=108,55 кН; усилие от постоянной нагрузки Nдл=76,34 кH; ; продольная арматура Rs=350; ; требуемая по расчету площадь сечения ; по проекту As=314 мм2 ; критическая температура нагрева арматуры А400 равна tcr=550°C; n=4,4;
при Р=Р0,→mоб=(Р/Р0)1,2=1; ; kф=d0,05=1,00,05=1 (фиг. 3).
Решение: 1) Интегральный показатель безопасности растянутого железобетонного пояса:
2) Проектная нагрузка в растянутом железобетонном поясе:
3) Интенсивность растягивающих напряжений в рабочей арматуре:
4) При глубине залегания ах=аy=аmin=35 мм показатель условий нагрева рабочей арматуры:
m0=(ах/аy)0,5/2=(35/35)0,5/2=0,5
5) Степень огнезащиты растянутой арматуры бетоном, см:
6) Показатель огнестойкости растянутого железобетонного пояса:
Пример 2. Дано: Сжатый железобетонный пояс составной балки двутаврого сечения выполнен из тяжелого бетона класса В30: ; ; и рассчитан на сжатие с усилием N=212,48 кН; Nдл=149,43 кН; ; сечение В×H=150×150 мм; продольная арматура 4∅10А400, ; As=314 мм2; Rsc=350 MПa; расчетная длина сжатого железобетонного пояса (фиг. 4).
Решение: 1) Проектная нагрузка на сжатый железобетонный пояс при оценке его огнестойкости:
2) Несущая способность сжатого железобетонного пояса при определении его огнестойкости:
3) Интенсивность сжимающих напряжений в сечении сжатого железобетонного пояса:
4) Степень армирования сечения сжатого железобетонного пояса:
5) Коэффициент продольного изгиба сжатого железобетонного пояса:
6) Показатель глубины залегания рабочей арматуры:
kа=1-0,1⋅(ан-а)/ан=1-0,1⋅(20-85)/20=1+0,075=1,075;
7) Интегральный показатель безопасности сжатого железобетонного пояса:
8) Длительность сопротивления сжатого железобетонного пояса в условиях пожара определена из выражения (13):
Пример 3. Дано: Элемент составной конструкции - стальная гофрированная стенка высотой hr/c=225 см; толщина d=0,3 см; площадь сечения Ar/с=hr/с⋅d=225⋅0,3=67,5 см2; интенсивность силовых напряжений Jσs=0,1; подвод тепла к контрольной точке гофрированной стенки симметричный двухсторонний (m0=0,5); огнезащита гофрированной стенки - легкий строительный цементно-перлитовый раствор толщиной 44 мм (γ=800 кг/м3; ; средняя толщина защитного слоя δ0=15 мм);
Определить длительность сопротивления гофрированной стенки - , мин, - огневому воздействию стандартного пожара.
Решение: 1) Периметр обогрева поперечного сечения гофрированной стенки
P0=2⋅hr/c=2⋅225=450 см.
2) Длительность сопротивления огневому воздействию гофрированной стенки без учета огнезащиты вычисляют по уравнению (16):
3. Степень огнезащиты стали гофрированной стенки вычисляют по уравнению (15):
4. Длительность сопротивления огневому воздействию оштукатуренной гофрированной стенки определяют по уравнению (14):
Наименее слабый в статическом и тепловом отношении является элемент - сжатый железобетонный пояс составной конструкции .
Заключение. Предел огнестойкости составной балки двутаврого сечения регламентирует наименее слабый по термосиловому сопротивлению - сжатый железобетонный пояс. Следовательно, проектный предел огнестойкости по потере несущей способности составной балки здания принимают по условию (1):
Предложенный способ применен при оценке огнестойкости после пожара железобетонных конструкций покрытия цеха экспедиции площадью 41600 м2 промышленного здания Волжского автозавода в г. Тольятти. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".
Источники информации
1. ГОСТ Р 53309 - 2009. Здания и фрагменты зданий. Метод натурных огневых испытаний. Общие требования (см. с. 6-12).
2. Патент 2604820 РФ, МПК G01N 25/50 «Способ оценки огнестойкости железобетонной фермы здания» / Н.А. Ильин, Д.А. Панфилов, заяв. СамГТУ 25.08.2015 г., опубл. 10.12.2016, Бюл. №34.