Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЖАРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ И МАТЕРИАЛОВ КОМПЛЕКСНОЙ ОБЛИЦОВКИ СТАЛЬНОЙ БАЛКИ С ГОФРИРОВАННОЙ СТЕНКОЙ

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и сооружений (далее по тексту - зданий) и касается способа определения конструктивной огнезащиты стального несущего стержня балки с гофрированной стенкой, выполненного в виде составного сварного двутавра, при использовании крупноразмерной листовой, плитной и рулонной облицовки (покрытия).

Незащищенные стальные балки с гофрированной стенкой при действии огня в условиях пожара в здании быстро (спустя 5÷20 мин) утрачивают свою несущую способность, обрушаются сами и способствуют обрушению других конструкций здания, что приводит к значительным материальным убыткам.

Наиболее близким техническим решением к изобретению по совокупности признаков является способ определения пожарно-технических характеристик элементов и материалов комплексной облицовки стальной балки здания, включающий определение вида стального проката и геометрических характеристик стального несущего стержня стальной балки, вида стального профиля для каркаса комплексной облицовки; нахождение интенсивности силовых напряжений в металле; выявление видов материалов, составляющих комплексную облицовку, установление показателей термодиффузии материалов облицовки; определение степени огнезащиты стального несущего стержня стальной балки с комплексной облицовкой; нахождение требуемого нормами предела огнестойкости стальной балки здания / Патент №2522110 (2006.1), МПК Е04В 1/94. Способ огнезащиты двутавровой балки здания / Н.А. Ильин, А.П. Шепелев, П.Н. Славкин, P.P. Ибатуллин. Заяв. СГАСУ 25.10.2012; опубл. 27.04.2014 г. Бюл №12 /[1] - принято за прототип/.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа определения пожарно-технических характеристик комплексной облицовки стальной балки здания, принятого за прототип, относится то, что в известном способе велика погрешность в определении геометрических размеров стальных элементов каркаса комплексной облицовки, а также геометрических и теплофизических характеристик листовой и плитной облицовки.

Сущность изобретения - снижение расхода стали и крупноразмерных листовых и плитных материалов облицовки, повышение ресурсосбережения в процессе проведения огнезащитной облицовки сварного двутавра стальной балки с гофрированной стенкой.

Технический результат - повышение точности выбора оптимальных по огнестойкости и достаточных для пожарной безопасности геометрических размеров элементов сварного двутавра стальной балки с гофрированной стенкой и материалов его комплексной облицовки.

Указанный технический результат при использовании изобретения достигается тем, что в известном способе определения пожарно-технических характеристик элементов и материалов комплексной облицовки стальной балки с гофрированной стенкой, включающем определение вида стального проката, марки стали и геометрических характеристик сварного двутавра стальной балки, выявление числа сторон поперечного сечения стальной балки, подвергаемых тепловому воздействию в условиях пожара; нахождение приведенной толщины металла элементов сварного двутавра стальной балки и интенсивности силовых напряжений в металле; установление показателей термодиффузии изоляционного покрытия материалов облицовки; определение требуемой степени огнезащиты элементов сварного двутавра стальной балки; нахождение требуемого предела огнестойкости стальной балки здания, особенностью является то, что вначале выявляют наиболее слабый в статическом и тепловом отношении элемент сварного двутавра: гофрированную стенку, нижнюю и верхнюю полки, находят контрольную точку в сечении элемента сварного двутавра, выявляют вид эталонного материала и соответствующие ему материалы, составляющие комплексную облицовку; выявляют показатель условий нагрева контрольной точки, выбирают размеры гнутого профиля для полок сварного двутавра в виде швеллера и уголка стальной балки, затем вычисляют приведенную толщину металла - T_sr, мм - элемента сварного двутавра с усилением, используя уравнение (1)

где A_s- площадь металла сечения элемента сварного двутавра, мм²; P₀ - периметр обогрева элемента сварного двутавра, мм;

время сопротивления - r_us, мин - элемента сварного двутавра без огнезащиты термосиловому воздействию вычисляют по аналитическому выражению (2)

где T_sr - приведенная толщина металла элемента сварного двутавра, см; J_σs - интенсивность силовых напряжений в элементе сварного двутавра (0,1÷1,0);

требуемую степень огнезащиты элемента сварного двутавра - С, см - с комплексной облицовкой вычисляют по логарифмическому уравнению (3)

где R_ин - требуемый предел огнестойкости стальной балки здания, мин, r_us - время сопротивления термосиловому воздействию элемента сварного двутавра без учета его огнезащиты, мин;

требуемую толщину материала облицовки - δ_тр, мм - элемента сварного двутавра определяют по показательному уравнению (4)

где С - требуемая степень огнезащиты элемента сварного двутавра; D_вт - показатель термодиффузии материала огнезащитной облицовки, мм²/мин; m₀ - показатель условий нагрева контрольной точки элемента сварного двутавра (0,5÷1,0);

приведенную толщину - b_r, мм - комплексной облицовки элемента сварного двутавра вычисляют, используя уравнение (5)

где δ_эт и δ_r,тр - толщина слоя эталонного материала и требуемая толщина приведенной комплексной облицовки, мм; D_эт и D_вт - показатель термодиффузии эталонного и сравниваемого с ним материала облицовки, мм²/мин;

толщину материала облицовки элемента сварного двутавра, сравниваемого с эталонным материалом - δ_пл, мм - вычисляют по алгебраическому уравнению (6)

где δ_r,тр и δ_эт - толщина требуемого приведенного слоя и эталонного слоя покрытия, мм; D_вт и D_эт - показатель термодиффузии сравниваемого слоя и эталонного слоя комплексной облицовки, мм²/мин;

конструктивную толщину комплексной облицовки элемента сварного двутавра - b_кп, мм - определяют по выражению (7)

где δ_эт и δ_пл - толщина слоя эталонного материала облицовки и материала, сравниваемого с ним, мм.

В качестве наименее слабого в статическом и тепловом отношении элемента сварного двутавра принимают элемент сварного двутавра: гофрированную стенку, нижнюю и верхнюю полки, имеющий наименьшую длительность сопротивления термосиловому воздействию без учета его огнезащиты - r_us,min, мин.

Контрольную точку в сечении полки сварного двутавра определяют как направленно-перемещенную точку размещения средней температуры неравномерно прогретого по сечению элемента сварного двутавра.

При расположении полки сварного двутавра параллельно оси x абсциссу (а_х) и ординату (а_y) определяют соответственно по уравнениям (8) и (9)

где δ_x и δ_y - толщина комплексной облицовки изоляционного покрытия полки сварного двутавра соответственно по оси x и y, мм; а_x и а_y - глубина заложения контрольной точки сечения полки сварного двутавра по оси x и y, мм; b - ширина полки сварного двутавра, мм; В - ширина сечения облицованной стальной балки с гофрированной стенкой, мм.

Контрольную точку в поперечном сечении гофрированной стенки сварного двутавра при симметричном двухстороннем нагреве назначают в середине поперечного сечения ее: (а_x=d/2, мм, здесь а_х - глубина заложения контрольной точки по оси x; d - толщина гофрированной стенки, мм).

Показатель условий нагрева (m₀) элемента сварного двутавра при трехстороннем подводе тепла к контрольной точке сечения элемента сварного двутавра определяют по аналитическому уравнению (10)

где а_y; а_y1 и а_y2 - ординаты контрольной точки сечения элемента сварного двутавра, мм; δ_x - толщина изоляционного покрытия по оси x, мм.

Показатель условий нагрева (m₀) элемента сварного двутавра при двухстороннем несимметричном подводе тепла к контрольной точке сечения элемента сварного двутавра определяют по степенному уравнению (11)

где a_y - ордината контрольной точки сечения сварного двутавра, мм; δ_x - толщина изоляционного покрытия элемента сварного двутавра по оси x, мм.

Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом изобретения заключена в следующем:

использование предлагаемого логарифмического уравнения для нахождения требуемой степени огнезащиты гофрированной стенки, нижней и верхней полок сварного двутавра позволяет с меньшей погрешностью определить требуемую толщину материалов комплексной облицовки элементов стальной балки;

использование предлагаемого аналитического уравнения для нахождения направленно-перемещенной (контрольной) точки размещения средней температуры неравномерно прогретого сечения гофрированной стенки, нижней и верхней полок сварного двутавра снижает погрешность определения пожарно-технических характеристик комплексной облицовки элементов сварного двутавра на 15÷20%;

определение времени сопротивления термосиловому воздействию гофрированной стенки, нижней и верхней полок сварного двутавра по предлагаемому аналитическому уравнению позволяет с меньшей погрешностью выявить наименее слабый элемент стальной балки в условиях стандартного испытания на огнестойкость;

использование показателей термодиффузии эталонного и сравниваемого с ним материала комплексной облицовки элементов сварного двутавра позволяет более точно и экспрессивно определить конструктивную толщину материалов облицовки гофрированной стенки, нижней и верхней полок стальной балки;

экспресс-вычисление величины показателя условий нагрева контрольной точки гофрированной стенки, нижней и верхней полок сварного двутавра выполняют по предлагаемым аналитическим уравнениям для случая двух - и трехстороннего подвода тепла к контрольной точке;

уменьшение расхода материалов комплексной облицовки вследствие более точного определения, полностью соответствующего требуемой толщине, на 20÷30%;

уменьшение требуемого объема оперативной памяти ЭВМ при использовании предлагаемого алгоритма расчета пожарно-технических характеристик комплексной облицовки стальной балки в 15÷20 раз, по сравнению с существующим способом теплотехнического расчета по номограммам прогрева материалов облицовки.

На фиг. 1, 2, 3 изображена схема стальной балки с гофрированной стенкой: сечение А-А - продольный разрез (фиг. 1); сечение Б-Б - поперечный разрез (фиг. 2); сечение В-В - план балки с гофрированной стенкой (фиг. 3), где приняты следующие обозначения: 1 - нижняя полка, 2 - верхняя полка; 3 - гофрированная стенка; h и b - высота и ширина сварного двутавра; d - толщина гофрированной стенки, мм; δ - толщина полки сварного двутавра, мм.

На фиг. 4 изображен сварной двутавр, полки которого оборудованы гнутыми стальными швеллерами - элементы каркаса защитного пояса (обогрев поперечного сечения балки - с трех сторон): 1 - нижняя полка; 2 - верхняя полка; 3 - гофрированная стенка; 4 - швеллер нижней полки; 5 - швеллер верхней полки; 6 - сварной шов; h₁×b₁×s₁ - высота, ширина и толщина гнутого швеллера, прикрепленного к растянутой полке сварного двутавра стальной балки; h₂×b₂×s₂ - высота, ширина и толщина гнутого швеллера, прикрепленного к сжатой полке сварного двутавра стальной балки.

На фиг. 5 изображен огнезащищенный сварной двутавр стальной балки (полки которого оборудованы гнутыми стальными швеллерами: 4 - швеллер нижней полки; 5 - швеллер верхней полки; 7 - гипсокартонные листы; 8 - минватная плита полки сварного двутавра; 9 - минватная плита гофрированной стенки (обогрев - двухсторонний); 10 - контрольные точки нижней полки сварного двутавра (обогрев трехсторонний); t_ст °С - направление подвода тепла в условиях стандартного испытания; g₀ - линейная испытательная нагрузка на несущую гофробалку, кН; H×B - общая высота и ширина стальной балки с огнезащитной облицовкой, мм; a_x и a_y - глубина заложения контрольной точки поперечного сечения сварного двутавра стальной балки по осям x и y, мм; δ_x - толщина облицовки полки сварного двутавра стальной балки по оси x y, мм).

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

Проведена реконструкция здания учреждения высшего образования, где проектом предусмотрены стальные балки с комплексной облицовкой. Пожарно-техническая характеристика здания и его несущих балок: класс функциональной пожароопасности - Ф 4.2; степень огнестойкости - 1 (первая); класс конструктивной пожароопасности - СО (не пожароопасное); число этажей - 6; нормативный предел огнестойкости несущей балки R_ин=120 мин (табл. 21, ФЗ РФ №123-2012).

Пример 1. Огнезащищенная стальная балка с гофрированной стенкой высотой h_ст=1000 мм содержит стальной несущий стержень в виде составного сварного двутавра: h×b×δ×d=1060×450×30×2 мм; A_sm=270 см²; обогрев поперечного сечения балки с трех сторон; температурный режим стандартного испытания; подвод тепла к контрольной точке сечения полки сварного двутавра двусторонний; стальные элементы каркаса защитного пояса для полок сварного двутавра - 2 гнутых швеллера на каждую полку: h₁×b₁×s₁=120×60×4 мм; A_s1=2×9=18 см², площадь сечения полок сварного двутавра A_s=A_sm+A_s1=135+18=153 см²; интенсивность силовых напряжений в металле нижней полки равна J_σs=J_он=0,625; в гофрированной стенке - J_σs=0,1; требуемый нормами предел огнестойкости несущей балки равен R_ин=120 мин для здания I (первой) степени огнестойкости; комплексная облицовка снизу нижней полки сварного двутавра стальной балки: минераловатная плита П-100; γ=100 кг/м³ - показатель термодиффузии D_вт=33,53 мм²/мин; два гипсокартонных листа (эталонный материал) толщиной δ_ГКЛ=2⋅12,5=25 мм; D_ГКЛ=D_эт=19 мм²/мин, материал покрытия с боков нижней полки - минераловатная плита П-100; показатель условий нагрева контрольной точки нижней полки m₀=0,5; тоже, сжатой полки - m₀=1; материал облицовки гофрированной стенки - минераловатная плита П-100, показатель условий двухстороннего обогрева m_о,г/с=0,5.

Определить толщину слоев комплексной облицовки полок и гофрированной стенки сварного двутавра стальной балки.

Решение

1. Приведенную толщину металла нижней полки сварного двутавра стальной балки при четырехстороннем подводе тепла вычисляют, используя уравнение (1)

T_sr=A_s/P₀=153/[2(b+δ)-d]=153/[2(45+3)-0,2]=16 мм =1,6 см.

2. Время сопротивления термосиловому воздействию стандартного испытания нижней полки стальной балки без огнезащиты - , мин - вычисляют по аналитическому выражению (2)

3. Требуемую степень огнезащиты нижней полки с комплексной облицовкой вычисляют по логарифмическому уравнению (3)

4. Требуемую толщину комплексной облицовки, приведенную к эталонному материалу, определяют по показательному уравнению (4)

5. Приведенную толщину комплексной облицовки нижней полки вычисляют, используя уравнение (5)

b_r=δ_эт+(δ_r,тр-δ_ст)⋅D_эт/D_вт=25+(54-25)⋅19/33,53=25+16,5=41,5 мм.

6. Требуемую толщину минватной плиты П-100 для облицовки нижней полки вычисляют по уравнению (6)

δ_пл=(δ_r,тр-δ_эт)⋅D_вт/D_эт=(57-25)⋅33,53/19=56,5 мм;

δ_пл,r=δ_r,тр⋅D_вт/D_эт=57⋅33,53/19=100,6 мм.

7. Конструктивную толщину комплексной облицовки нижней полки вычисляют из выражения (7)

8. Приведенную толщину металла верхней полки при одностороннем подводе тепла к сварному двутавру стальной балки вычисляют, используя уравнение (1)

9. Время сопротивления огневому воздействию верхней полки без огнезащиты - , мин - вычисляют по выражению (2)

10. Требуемую степень огнезащиты верхней полки вычисляют по логарифмическому уравнению (3)

11. Требуемую толщину облицовки верхней полки минватной плитой П-100 (показатель термодиффузии D_вт=33,53 мм²/мин, m₀=1) определяют по уравнению (4)

12. Приведенную толщину металла гофрированной стенки (при симметричном двухстороннем подводе тепла - m₀=0,5) вычисляют, используя уравнение (1)

T_sr,г/с=A_s,ст/P_0,ст=dh_ст/2⋅h_ст=d/2=0,212=0,1 см.

13. Время сопротивления огневому воздействию гофрированной стенки без огнезащиты - r_rs, мин - вычисляют по выражению (2)

r_us,г/с=6⋅{T_sr,r/с+18,33⋅⎣(1-J_σs)^1/2-0,5⎦}=6⋅{0,1+18,33⋅[(1-0,1)^1/2-0,5}=6⋅(0,1+8,2)=50 мин.

14. Требуемую степень огнезащиты гофрированной стенки вычисляют по уравнению (3)

15. Требуемую толщину облицовки гофрированной стенки минераловатной плитой П-100, при m_0,г/с=0,5; D_вт=33,53 мм²/мин, определяют, используя уравнение (4)

δ_пл,cт=07⋅C_г/c⋅D_вт^0,8/0,5=0,7⋅3,33⋅33,53^0,8/0,5=77,5 мм.

Результаты расчета сведены в таблице.

Предложенный способ для определения пожарно-технических характеристик комплексной облицовки стальной балки здания применен при реконструкции учебного корпуса №2 СГАСУ (г. Самара, 2012/15 гг.).

Источники информации

1. Патент №2522110 (2006.1), МПК Е04В 1/94. Способ огнезащиты двутавровой балки здания / Н.А. Ильин, А.П. Шепелев, П.Н. Славкин, P.P. Ибатуллин, заяв. СГАСУ 25.10.2012; опубл. 27.04.2014 г. Бюл. №12.