СПОСОБ ОГНЕЗАЩИТЫ ДВУТАВРОВОЙ КОЛОННЫ ЗДАНИЯ

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и сооружений (далее по тексту - зданий) и касается способа конструктивной огнезащиты стального несущего стержня колонны, выполненного в виде колонного двутавра, при использовании крупноразмерной листовой, плитной и рулонной облицовки в качестве материала облицовки.

Незащищенные стальные конструкции здания при действии огня в условиях пожара быстро (спустя 15÷20 мин) утрачивают свою несущую способность, обрушаются сами и способствуют обрушению других конструкций здания, что приводит к значительным материальным убыткам.

Известен способ огнезащиты двутавровой колонны здания, включающий огнезащитную облицовку стального двутавра железобетонными плитами из ячеистых бетонов, многопустотными гипсовыми плитами или пластинами, вермикулитовыми плитами и асбестоцементными листами; Бартеллеми Б., Крюпа 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 известного способа огнезащиты двутавровой колонны здания, относится то, что в известном способе применяют значительное число элементов каркаса и, вследствие этого, повышают расход материала огнезащиты и металла на изготовление каркаса для огнезащитной облицовки; при проектировании пустот и зазоров между стенкой и полками двутавра и плитами защитной облицовки увеличивают размеры поперечного сечения облицованной колонны (площадь сечения возрастает на 75÷85%), снижая проектный предел огнестойкости огнезащищенной колонны на 25÷30%; снижается надежность крепления элементов крупноразмерной листовой и плитной облицовки; снижают коррозионную стойкость стального несущего стержня и ремонтопригодность огнезащитной облицовки (при возможности получения механических повреждений и сквозных отколов).

Известен способ огнезащиты двутавровой колонны здания, содержащей стальной двутавр и огнезащитную облицовку из крупноразмерных листов и плит, установленных на относе, зазор между огнезащитной облицовкой и гранями защищаемого стального несущего стержня принимают не менее 25 мм; каркас огнезащитной облицовки выполняют в виде рамы, состоящей из стальных продольных и поперечных элементов, высотой 40÷75 мм; крепление стальных элементов каркаса между собой осуществляют 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 - Крупноразмерные листовые, плитные и рулонные облицовки; рис.8, с.131-133)./ [2].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа огнезащиты колонны здания, относится то, что в известном способе применяют значительное число элементов каркаса и, вследствие этого, повышается расход металла на изготовление каркаса для огнезащитной облицовки; при проектировании пустот и зазоров между стенкой и полками двутавра и плитами защитной облицовки увеличивают размеры поперечного сечения облицованной колонны (площадь сечения возрастает на 80÷95%; расход материалов облицовки - на 45÷50%), снижая 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).

Известен способ огнезащиты двутавровой колонны здания, в котором стальной несущий стержень с анкерами на его боковых гранях, оборудуют каркасом из профилей С-образного сечения, состоящего из продольных элементов с отгибами по краям полок и поперечных элементов; облицовку из листовых материалов прикрепляют 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 Е04В 1/94 Строительный узел здания / Ю.В.Покровский, В.В.Федоров, М.М.Карбочинский и другие; заяв. 21.02.80; опубл. 07.12.81; Бюлл. №45/ [3].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа огнезащиты двутавровой колонны здания, относится то, что в известном способе применяют значительное число элементов каркаса и, вследствие этого, повышают расход металла на изготовление каркаса для огнезащитной облицовки; при проектировании пустот и зазоров между стенкой и полками двутавра и плитами защитной облицовки увеличивают размеры поперечного сечения облицованной колонны (площадь сечения возрастает на 60÷70%; расход материалов облицовки - на 40÷45%), снижая 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 способ огнезащиты двутавровой колонны здания, в котором стальной несущий стержень образован элементами каркаса и листовой облицовкой, которую прикрепляют к каркасу на относе; элементы каркаса выполняют из стальных профилей с отгибами, а несущий стержень снабжают анкерами, обеспечивая зазор 60÷80 мм между несущим стержнем и облицовкой. Элементы облицовки из листового материала закрепляют к элементам каркаса самонарезающими винтами; / А.с. SU №773218 МКИ-3 Е04В 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 известного способа огнезащиты двутавровой колонны здания, принятого за прототип, относится то, что в известном способе применяют значительное число элементов каркаса и, вследствие этого, повышают расход металла на изготовление каркаса для огнезащитной облицовки; при проектировании пустот и зазоров между стенкой и полками двутавра и плитами защитной облицовки увеличивают размеры поперечного сечения облицованной колонны (площадь сечения возрастает на 75÷85%), снижая 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 рациональном способе повышения огнестойкости и эксплуатационной надежности огнезащищенной двутавровой колонны здания, а также в улучшении пожарно-технических и экономических показателей огнезащиты 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 известном способе огнезащиты двутавровой колонны здания, в котором несущий стержень оборудуют листовой облицовкой, особенностью является то, что несущий стержень выполняют в виде стального колонного двутавра и каждый торец стального несущего стержня снабжают крепежными гайками и установочными винтами с потайными головками и ввинчиваемыми заостренными концами и прямым шлицем; установочными винтами к полкам колонного двутавра прикрепляют контактно, вплотную элементы листовой огнезащитной облицовки, к стенке двутавра прикрепляют контактно, вплотную элементы плитной огнезащитной облицовки; толщину элементов облицовки определяют с учетом показателей термодиффузии ее материалов, условий нагрева полок и стенки двутавра и степени огнестойкости здания.

Другими особенностями способа являются то, что на поверхность стального несущего стержня предварительно наносят антикоррозионный слой. Элементы листовой огнезащитной облицовки выполняют из гипсовых облицовочных листов. Элементы плитной огнезащитной облицовки выполняют в виде плит из базальтового волокна. Элементы плитной огнезащитной облицовки выполняют в виде минераловатных плитных изделий «Rockwool».

Длину ввинчиваемого конца установочного винта в элементы плитной огнезащитной облицовки принимают не менее l_min≥0,2·h, - здесь h - высота стального колонного двутавра. Наружные поверхности элементов огнезащитной облицовки покрывают слоем стеклоткани. Наружные поверхности элементов огнезащищенной колонны штукатурят. Толщину элементов огнезащитной облицовки δ_o,mp, мм, колонного двутавра определяют по математическому выражению (1):

где С - степень огнезащиты стального колонного двутавра;

D_ar - показатель термодиффузии материала облицовки, мм²/мин;

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

Величина предела огнезащиты отдельного слоя комплексной облицовки τ_u,co, мин, вычислена по формуле (2):

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

δ_со - толщина отдельного слоя огнезащитной облицовки, мм;

D_ar - показатель термодиффузии материала облицовки, мм²/мин (табл.1).

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

где δ_х и δ_у - толщина полки колонного двутавра по осям Х и У, мм.

Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом изобретения заключена в следующем: использование предлагаемого способа огнезащиты 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 огнезащищенной 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 полок и стенки двутавра 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 - стальной 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 полок двутавра; δх и δу - толщина огнезащиты двутавра по осям Х и У).

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; здесь δ_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; требуемый предел огнестойкости несущей колонны F_и,н=120 мин (табл.21, ФЗ РФ №123-2009); стальной несущий стержень - колонный двутавр №20 К-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».

Степень огнезащиты колонного двутавра вычислена по математическому выражению (2):

при интенсивности силовых напряжений J_σs=0,5;

где С - степень огнезащиты колонного двутавра, см;

τ_uo - предел огнезащиты элементов облицовки, мин;

In - натуральный логарифм.

Предел огнезащиты облицовки вычислен по формуле (6):

где F_u,mp - требуемый предел огнестойкости несущей колонны, мин;

τ_us - предел огнестойкости колонного двутавра без огнезащитной облицовки, мин.

Строительные работы по огнезащите двутавровой колонны здания ведут при положительных и отрицательных температурах воздуха.

Пример:

Дано: стальной несущий стержень - колонный двутавр из прокатного профиля №20 К-2; требуемый предел огнестойкости несущих колонн для здания I (первой) степени огнестойкости F_u,mp=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 m₀₁=0,75; 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 (при двухсторонней подводке тепла).

Определить толщину элементов листовой и плитной облицовки.

Решение:

1) Предел огнезащиты облицовки вычислен по формуле (6):

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 (5):

С=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):

δ_{mp, ГКЛО}=0,7·С·D^0,8 _ГКЛО/m₀₁=0,7·3·20^0,8/0,75=31 мм.

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.

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 формуле (1):

δ_{mp, Roc}=0,7·С·D^0,8 _Roc/m₀₂=0,7·3·68,8^0,8/0,5=120 мм>b/2=200/2=100 мм;

принято δ_{mp, Roc}=120 мм.

В состав работ по способу огнезащиты 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 стального колонного двутавра - 1 с шагом 500÷1000 мм по длине (высоте) колонны; сборка элементов листовой огнезащитной облицовки - 3 и крепление их установочными винтами - 5 на полках стального колонного двутавра - 1; нанесение клеевого слоя - 10 на поверхность стенки и полок стального 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_к≥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, 2010/2011 гг.).

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 Е04В 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 Е04В 1/94 Строительный элемент / Ю.В.Покровский, В.В.Федоров, В.В.Филиппов; заяв. 13.04.79; опубл. 23.10.80, Бюл. №39.