Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОГНЕСТОЙКОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО СЖАТОГО ЭЛЕМЕНТА КОЛЬЦЕВОГО СЕЧЕНИЯ

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий. В частности, оно может быть использовано для классификации железобетонных колонн кольцевого сечения по показателям сопротивления их воздействию пожара. Это дает возможность обоснованного использования существующих железобетонных конструкций с фактическим пределом огнестойкости в зданиях различных классов по их пожароопасности.

Известен способ оценки огнестойкости железобетонной колонны здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление вида бетона и арматуры конструкции, выявление условия их опирания и крепления, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности конструкции под испытательной нагрузкой в условиях стандартного теплового воздействия / ГОСТ 30247.1-94. Конструкции строительные. Методы испытания на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции / [1].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе испытания проводят на образце железобетонной колонны, на который воздействуют только постоянные и длительные нагрузки в их расчетных значениях с коэффициентом надежности равным единице.

Испытания проводят на специальном стендовом оборудовании в огневых печах до разрушения образцов конструкций. Размеры образцов ограничивают в зависимости от проемов стационарных огневых печей. Следовательно, стандартные огневые испытания трудоемки, не эффективны, не безопасны, имеют малые технологические возможности для проверки на опыте различных по размерам и различно нагруженных конструкций, не дают необходимой информации о влиянии единичных показателей качества конструкции на ее огнестойкость. Оценка огнестойкости железобетонной колонны по единичному показателю качества, например, по толщине защитного слоя бетона, как правило, не позволяет достоверно определить пригодность колонны для ее эксплуатации в здании заданной степени огнестойкости. По малому числу испытуемых образцов (2-3 шт) невозможно судить о действительном состоянии колонн здания. Результаты огневого испытания единичны и не учитывают разнообразия в закреплении концов железобетонной колонны, фактических размеров и армирования колонны, и схемы обогрева опасного сечения в условиях пожара.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ оценки огнестойкости железобетонного сжатого элемента здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление вида бетона и арматуры железобетонного сжатого элемента, выявление условий его опирания и крепления, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности железобетонного сжатого элемента под испытательной нагрузкой в условиях стандартного огневого воздействия. Испытание железобетонного сжатого элемента проводят без разрушения по комплексу единичных показателей качества, технический осмотр дополняют инструментальными измерениями геометрических размеров железобетонного сжатого элемента и его опасного сечения. Устанавливают площади бетона и рабочей арматуры в опасном сечении, выявляют схему его обогрева при пожаре, определяют показатели плотности бетона и его влажности в естественном состоянии и величину показателя термодиффузии бетона, находят предельные сопротивления бетона и арматуры на сжатие, степень армирования опасного сечения колонны, устанавливают величину испытательной нагрузки на железобетонную колонну и величину интенсивности силовых напряжений в опасном сечении, и, используя полученные интегральные параметры железобетонного сжатого элемента по номограмме вычисляют фактический предел огнестойкости F_ur, мин; /Патент №2281482 RU МПК G01N 25/50. Способ определения огнестойкости сжатых элементов железобетонных конструкций здания / Ильин Н.А., Бутенко С.А., Эсмонт С.В.; заяв. СГАСУ: 06.09.04; опубл. 18.02.06. Бюл. №22 / [2].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что использование номограммы для определения фактической огнестойкости железобетонного сжатого элемента дает результаты расчета с большей погрешностью, в ряде случаев требуется дополнительное построение графиков номограммы; кроме этого при построении номограммы не учитываются показатели надежности железобетонного сжатого элемента по назначению (уровню ответственности), особенности условий обогрева опасного сечения элемента, глубина залегания продольной арматуры, сплошность тела железобетонного элемента и коэффициент его продольного изгиба.

Сущность изобретения заключается в установлении показателей пожарной безопасности здания в части гарантированной длительности сопротивления железобетонного сжатого элемента в условиях пожара; в определении фактических пределов огнестойкости железобетонного сжатого элемента при проектировании, строительстве и эксплуатации здания; в снижении экономических затрат при испытании железобетонного сжатого элемента на огнестойкость.

Технический результат - исключение огневых испытаний при определении огнестойкости железобетонного сжатого элемента в здании или его фрагменте; снижение трудоемкости оценки огнестойкости железобетонного сжатого элемента, расширение технологических возможностей определения фактической огнестойкости различно нагруженных железобетонных элементов любых размеров и возможность сопоставления полученных результатов с результатами испытаний аналогичных элементов здания; возможность проведения испытания конструкций на огнестойкость без нарушения функционального процесса в здании; снижение экономических затрат при определении огнестойкости железобетонного элемента; сохранение эксплуатационной пригодности здания при обследовании и проведении неразрушающих испытаний железобетонного сжатого элемента; упрощение условий и сокращение сроков испытания элементов на огнестойкость; повышение точности и оперативности испытания.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе оценки огнестойкости сжатого железобетонного элемента здания, включающем проведение технического осмотра, установление вида бетона и арматуры железобетонного элемента, выявление условий его опирания и крепления, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности железобетонного элемента под испытательной нагрузкой в условиях стандартного теплового воздействия, проведение оценочных испытаний без разрушения по комплексу единичных показателей качества железобетонного элемента, при котором технический осмотр сопровождают инструментальными измерениями геометрических размеров железобетонного элемента и его опасных сечений, устанавливают площади бетона и арматуры в опасном сечении, определяют показатели термодиффузии бетона, жесткость и критическую силу железобетонного элемента, влажность и плотность бетона, находят предельные сопротивления бетона и арматуры на сжатие, степень армирования опасного сечения железобетонного элемента и величину интенсивности силовых напряжений в опасном сечении, особенностью является то, что определяют огнестойкость сжатого железобетонного элемента кольцевого сечения, при этом дополнительно определяют его надежность по назначению, выявляют показатель сплошности железобетонного элемента в опасном сечении и фактический предел огнестойкости железобетонного элемента от начала стандартного огневого воздействия до потери несущей способности (F_ur, мин), который определяют используя аналитическое уравнение (1):

где r₁ и r₂ - соответственно внутренний и наружный радиусы окружностей железобетонного элемента кольцевого сечения, мм; J_σ0 - интенсивность силовых напряжений в опасном сечении; α_μs - степень насыщения продольной арматурой бетона железобетонного элемента; K - интегральный показатель безопасности железобетонного элемента; D_вт - показатель термодиффузии бетона, мм²/мин, R_bn - нормативное сопротивление бетона осевому сжатию, МПа.

Величину интегрального показателя безопасности железобетонного элемента определяют, используя аналитическое уравнение (2):

где γ_n - коэффициент надежности железобетонного элемента по назначению; k_cn - показатель сплошности тела железобетонного элемента; k_a - показатель глубины залегания продольной арматуры железобетонного элемента. При этом показатель глубины залегания продольной арматуры железобетонного элемента (k_a) определяют из уравнения (3):

где а_н и а - нормативная и соответственно фактическая глубина залегания продольной арматуры железобетонного элемента, мм.

Показатель сплошности тела железобетонного элемента кольцевого сечения (k_сп≤1) вычисляют по аналитическому выражению (4):

где r₁ и r₂ - внутренний и соответственно наружный радиусы окружностей кольца железобетонного элемента кольцевого сечения, мм.

Интенсивность силовых напряжений в опасном сечении сжатого железобетонного элемента (J_σ0≤1) находят, используя уравнение (5):

где M_ξ и М_сс - изгибающий момент от расчетной продольной силы с учетом прогиба сжатого железобетонного элемента и соответственно изгибающий момент, характеризующий прочность сечения, кН⋅м.

Степень насыщения продольной арматурой бетона сжатого железобетонного элемента кольцевого сечения (α_μs) вычисляют по уравнению (6):

где A_s,tot и А - площадь сечения всей продольной арматуры и соответственно площадь сечения бетона в поперечном сечении железобетонного элемента, мм²; R_sn и R_bn - нормативное значение сопротивления растяжению арматуры и соответственно нормативное сопротивление бетона осевому сжатию, МПа.

Критическую силу (N_cr, кН), воспринимаемую сжатым железобетонным элементом кольцевого сечения, вычисляют по уравнению (7):

где Ж₀ - жесткость железобетонного элемента кольцевого сечения, кН⋅м²; - расчетная длина железобетонного элемента, м; π=3,14.

Жесткость железобетонного элемента кольцевого сечения (Ж₀, кН⋅м²) вычисляют по уравнению (8):

где E_s и E_b - модуль упругости арматуры и соответственно начальный модуль упругости бетона, МПа; J_s и J_b - момент инерции арматуры и соответственно бетонного сечения относительно центра тяжести бетонного сечения, мм⁴; - коэффициент, учитывающий длительность действия нагрузки на прогиб железобетонного элемента; δ_е - относительное значение эксцентриситета продольной силы

δ_e=e₀/D_cir≥0,15;

где D_cir - диаметр кольцевого сечения железобетонного элемента, мм; e₀ - эксцентриситет продольной силы, мм.

За единичные показатели качества железобетонного элемента кольцевого сечения, влияющие на предел его огнестойкости, принимают: геометрические размеры опасного сечения, условия закрепления сжатого железобетонного элемента, степень насыщения арматурой бетона сжатого элемента, жесткость железобетонного элемента, прочность бетона на осевое сжатие, сопротивление арматуры сжатию, интенсивность силовых напряжений в опасном сечении, влажность и плотность бетона в естественном состоянии, показатель термодиффузии бетона, показатель сплошности тела железобетонного элемента кольцевого сечения, модуль упругости арматуры, начальный модуль упругости бетона.

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

Исключение огневых испытаний железобетонного элемента кольцевого сечения существующего здания и замена их на неразрушающие испытания снижает трудоемкость оценки его огнестойкости, расширяет технологические возможности выявления фактической огнестойкости различно нагруженных конструкций любых размеров, дает возможность проведения испытания конструкций на огнестойкость без нарушения функционального процесса обследуемого здания, а также сопоставления полученных результатов с результатами стандартных испытаний аналогичных конструкций и сохранения эксплуатационной пригодности обследуемого здания без нарушения несущей способности его конструкций в процессе испытания. Следовательно, условия испытания железобетонного элемента здания на огнестойкость значительно упрощены. Снижение экономических затрат на проведение испытания достигается за счет уменьшения расходов на демонтаж, транспортирование и огневые испытания образца железобетонного элемента.

Применение математического описания процесса сопротивления нагруженного железобетонного элемента стандартному огневому испытанию и использование построенного полипараметрического уравнения (1) повышает точность и оперативность оценки огнестойкости.

Использование интегральных конструктивных параметров, как-то: степени напряжения арматуры, показателя термодиффузии бетона, и показателя безопасности сжатого элемента упрощает математическое описание процесса сопротивления нагруженного железобетонного элемента огневому воздействию.

Оценка огнестойкости железобетонного элемента только по одному показателю качества, например, по толщине защитного слоя бетона, приводит, как правило, к недооценке их фактической 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 огнестойкости железобетонного элемента предусматривают не по одному показателю, а по комплексу единичных показателей их качества. Использование интегральных конструктивных параметров для определения огнестойкости железобетонного сжатого элемента и упрощение математического описания процесса термического сопротивления нагруженного железобетонного элемента, а также учет реального ресурса конструкции на величину огнестойкости использованием комплекса единичных показателей их качеств; учет влияния на предел огнестойкости показателей надежности железобетонного элемента по назначению, глубины залегания продольной арматуры, сплошности тела и продольного прогиба железобетонного элемента позволяет более точно учесть реальный ресурс огнестойкости железобетонного элемента кольцевого сечения.

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

Способ определения огнестойкости железобетонного элемента кольцевого сечения здания осуществляют в следующей последовательности. Сначала проводят визуальный осмотр здания. Затем определяют группу однотипных железобетонных элементов и их общее число в нем. Вычисляют величину выборки однотипных элементов. Назначают комплекс единичных показателей качества железобетонных элементов, влияющих на огнестойкость. Выявляют условия закрепления концов и опасные сечения железобетонных элементов. Вычисляют число испытаний единичного показателя качества конструкции в зависимости от его статистической изменчивости. Затем оценивают единичные показатели качества железобетонного элемента и его интегральные параметры, и по ним находят предел огнестойкости.

Под визуальным осмотром понимают проверку состояния железобетонных элементов кольцевого сечения, включающую выявление условий обогрева и закрепления концов железобетонных элементов, определение вида бетона и толщины его защитного слоя, наличие трещин и отколов, нарушение сцепления арматуры с бетоном, наличие коррозии арматурной стали и других показателей безопасности железобетонных элементов кольцевого сечения.

В процессе осмотра определяют группы однотипных элементов. Под группой элементов в здании понимают однотипные железобетонные элементы кольцевого сечения, изготовленные и возведенные в сходных технологических условиях и находящихся в подобных условиях эксплуатации.

Изобретение поясняется чертежом, где стрелками показано направление действия высокой температуры стандартного пожара t_ст, °С.

На рисунке изображена схема расчета на огнестойкость сжатого элемента кольцевого сечения: продольное сечения (фиг. 1) и поперечное сечение (фиг. 2): 1 - продольная растянутая арматура, 1' - продольная сжатая арматура, 2 - бетон; N - продольная сила, кН; е₀ - эксцентриситет продольной силы относительно центра тяжести приведенного сечения, мм; r₁ - внутренний радиус кольцевого сечения, мм; r₂ - наружный радиус кольцевого сечения, мм; r_s - радиус окружности, проходящей через центры тяжести стержней продольной арматуры, мм; а - расстояние от грани колонны до радиуса окружности r_s, проходящей через центры тяжести стержней продольной арматуры, мм; A_s - площадь сечения продольной растянутой арматуры 1, мм²; A_s' - площадь сечения продольной сжатой арматуры 1', мм²; ξ_cir - относительная площадь сжатой зоны бетона; t_ст - температура стандартного пожара, °С.

Число и место расположения участков, в которых определяют показатели качества конструкций, определяют так: в сжатых элементах конструкции, имеющих одно опасное сечение, участки располагают только в этом сечении; в сжатых элементах конструкций, имеющих несколько опасных сечений, испытуемые участки располагают равномерно по поверхности с обязательным расположением части участков в опасных сечениях.

К основным единичным показателям качества сжатого железобетонного элемента кольцевого сечения, обеспечивающим огнестойкость, относятся: геометрические размеры опасного сечения, условия закрепления сжатого железобетонного элемента, степень насыщения арматурой бетона сжатого элемента, жесткость железобетонного элемента, прочность бетона на осевое сжатие, сопротивление арматуры сжатию, интенсивность силовых напряжений в опасном сечении, влажность и плотность бетона в естественном состоянии, показатель термодиффузии бетона, показатель сплошности тела железобетонного элемента кольцевого сечения, модуль упругости арматуры, начальный модуль упругости бетона.

Проверяемыми геометрическими размерами являются: ширина и высота опасного кольцевого сечения железобетонного элемента. Опасные сечения железобетонного элемента назначают в местах наибольших моментов от действия испытательной нагрузки или в точках максимального сближения огибающей эпюры моментов и эпюры материалов конструкций. Размеры конструкции проверяют с точностью ±1 мм; ширину трещин с точностью до 0,05 мм.

Интегральный показатель безопасности сжатого железобетонного элемента кольцевого сечения определяют, используя аналитическое уравнение (2):

;

где γ_n - коэффициент надежности железобетонного элемента по назначению; k_cn - показатель сплошности тела железобетонного элемента;

k_a - показатель глубины залегания продольной арматуры железобетонного элемента определяют, используя уравнение (3):

k_a=1-0,1⋅(а_н-а)/а_н;

где а и а_н- нормативная и соответственно фактическая глубина залегания продольной арматуры железобетонного элемента, мм.

Интенсивность силовых напряжений в опасном сечении сжатого железобетонного элемента кольцевого сечения от испытательной нагрузки на огнестойкость определяют из условия (5):

J_σ0=M_ξ/M_cc;

где M_ξ и М_сс - изгибающий момент от расчетной продольной силы с учетом прогиба сжатого железобетонного элемента и соответственно изгибающий момент, характеризующий прочность сечения, кН⋅м.

Степень насыщения арматурой сжатого железобетонного элемента кольцевого сечения (α_μs) вычисляют по алгебраическому выражению (6):

α_μs=(A_s,tot/A)⋅(R_sn/R_bn);

где A_s,tot и А - площадь сечения всей продольной арматуры и соответственно площадь сечения бетона колонны в поперечном сечении железобетонного элемента, мм²;

R_sn и R_bn - нормативное значение сопротивления растяжению арматуры и нормативное сопротивление бетона осевому сжатию, МПа.

Пример.

Дано: железобетонный элемент - консольная стойка кольцевого сечения высотой Н=6 м, сечение с внутренним радиусом r₁=150 мм, наружным - r₂=250 мм; бетон класса В25 (E_b=3⋅10⁴ МПа, R_bn=18,5 МПа, D_bm=22,5 мм²/мин); продольная арматура класса А400 (R_sn=400 МПа) располагается посредине толщины кольца (а=50 мм, а_н=26 мм), площадь ее сечения A_s,tot=1470 мм² (13∅12); продольная сила и момент в заделке: от вертикальных нагрузок: N_v=120 кН, M_v=40 кН⋅м; (кратковременную, а также нагрузки от ветра и снега при оценке огнестойкости элемента в расчете не принимают!)

Требуется выявить интенсивность силовых напряжений и вычислить предел огнестойкости сжатого железобетонного элемента кольцевого сечения (γ_н=1).

Расчет.

1) Внутренний и наружный диаметры равны D₁=2⋅r₁=300 мм, D₂=D_cir=2⋅r₂=500 мм; М=M_v=40 кН⋅м. Расчетная длина стойки равна .

Усилия от всех нагрузок равны: N=120 кН; М=40 кН⋅м; е₀=М/N=40/120=0,333=333 мм.

2) Для определения жесткости (Ж₀) вычисляем:

радиус окружности, проходящей через центры тяжести стержней продольной арматуры: r_s=r_m=(r₁+r₂)/2=(150+250)/2=200 мм;

М₁ и - моменты внешних сил относительно оси, нормальной плоскости изгиба и проходящей через центр наиболее растянутого или наименее сжатого (при целиком сжатом сечении) стержня арматуры, соответственно от действия всех нагрузок и от действия постоянных и длительных нагрузок:

M₁=M+N⋅r_s=40+120⋅0,2=64 кНм;

;

коэффициент, учитывающий влияние длительного действия нагрузки на прогиб элемента:

Относительное значение эксцентриситета продольной силы: δ_е=е₀/D_cir=333/500=0,667>0,15 и менее 1,5.

3) Моменты инерции бетонного сечения и всей арматуры соответственно равны

4) Значения коэффициентов для бетона и арматуры при определении жесткости консольной стойки:

;

k_s=0,7

Тогда непосредственно жесткость консольной стойки кольцевого сечения (Ж₀) по [3] равна:

Ж₀=k_b⋅E_b⋅J_b+k_s⋅E_s⋅J_s=0,078⋅3⋅10⁴⋅2,67⋅10⁹+0,7⋅2⋅10⁵⋅2,94⋅10⁷=10331,479 кН⋅м²

5) Определим значение условной критической силы

.

Значение коэффициента, учитывающего влияние прогиба на значение эксцентриситета продольной силы:

η=1/(1-N/N_cr)=1/(1-120/708,108)=1,204.

6) Изгибающий момент с учетом влияния прогиба равен

M_ξ=M_v⋅η=40⋅1,204=48,162 кН⋅м,

Площадь кольцевого сечения равна

.

7) Вычисляем относительную площадь сжатой зоны бетона железобетонного элемента по формуле:

.

8) Так как 0,15<ξ_cir<0,6, прочность сечения сжатого железобетонного элемента равна:

9) Величина интенсивности силовых напряжений (J_σ0) в сечении сжатого железобетонного элемента: J_σ0=M_ξ/М_сс=48,162/135,273=0,356.

10) Степень армирования железобетонного элемента кольцевого сечения вычисляем по уравнению:

α_μs=(A_s/А)⋅(R_sn/R_bn)=(1470/125664)⋅(400/18,5)=0,253.

11) Показатель сплошности сжатого железобетонного элемента кольцевого сечения (k_cn) и показатель глубины заложения арматуры (k_a) вычисляют соответственно по уравнениям:

k_cn=1-(r₁/r₂)³=1-(15/25)³=1-0,216=0,784;

k_a=(1-0,1(a_n-a)/a_n)=(1-0,1(26-50)/26)=1+0,067=1,067.

12) Интегральный показатель безопасности сжатого железобетонного элемента: k=γ_n⋅k_cn⋅k_a=1⋅0,784⋅1,067=0,836.

13) Проектный предел огнестойкости сжатого железобетонного элемента кольцевого сечения по потере несущей способности (F_ur, мин) вычисляют по уравнению (1):

.

Следовательно, конструкция консольной стойки кольцевого сечения подходит для зданий 1 степени огнестойкости (табл. 21 [5]).

Источники информации

1. ГОСТ 30247.1-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции.

2. Патент №2281482 RU МПК G01N 25/50. Способ определения огнестойкости сжатых элементов железобетонных конструкций здания / Ильин Н.А., Бутенко С.А., Эсмонт С.В.; заяв. СГАСУ: 06.09.04; опубл. 18.02.06. Бюл.№22.

3. СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003 - М.: ФАУ «ФЦС», 2012.- 156 с.

4. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона без предварительного напряжения арматуры (к СП 52-101-2003). ЦНИИПромзданий, НИИЖБ. - М.; - 2005.

5. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности: ФЗ №123-2018 (табл. 21).