Результат интеллектуальной деятельности: Способ огнезащиты чугунной опоры здания

Изобретение относится к области пожарной защиты зданий и касается способа конструктивной огнезащиты несущего стержня чугунной опоры, выполненного в виде цилиндра, с использованием огнезащитного покрытия.

Незащищенные чугунные опоры здания при действии огня в условиях пожара быстро (спустя 1,5÷2,0 мин) утрачивают свою несущую способность, разрушаются сами и способствуют обрушению других конструкций здания, что приводит к катастрофе со значительным материальным убытком.

Известен способ конструктивной огнезащиты металлической колонны здания, включающий огнезащиту несущего стержня плитами из ячеистых бетонов, 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 конструктивной огнезащиты металлической 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 конструктивной огнезащиты; при проектировании пустот и зазоров между несущими стержнями опоры и плитами конструктивной огнезащиты увеличивают размеры поперечного сечения огнезащищенной конструкции (площадь сечения возрастает на 75÷85%), снижая проектный предел огнестойкости конструкции на 25÷30%; при этом снижается надежность крепления элементов крупноразмерной листовой и плитной облицовки; снижается ремонтопригодность огнезащищенной колонны.

Известен способ конструктивной огнезащиты металлической колонны здания, содержащей стальной стержень и огнезащитное покрытие из крупноразмерных листов и плит, установленных с зазором между конструктивной огнезащитой и гранями защищаемого стального несущего стержня (принимают не менее 25 мм); каркас конструктивной огнезащиты выполняют в виде рамы, состоящей из стальных продольных и поперечных элементов, высотой 40÷75 мм; / Романенков И.Г., Левитес Ф.А. Огнезащита строительных конструкций. - М.: Стройиздат, 1991. - 320 с. (гл. 4 Конструктивные способы огнезащиты; рис. 8, с. 131-133) / [2].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа конструктивной огнезащиты металлической колонны здания, относится то, что в известном способе применяют значительное число элементов каркаса и, вследствие этого, повышается расход металла на изготовление каркаса для конструктивной огнезащиты; при проектировании пустот и зазоров между несущим стержнем и плитами конструктивной огнезащиты увеличивается поперечное сечение колонны (площадь сечения возрастает на 80÷95%; расход материалов огнезащиты - на 45÷50%), снижается ремонтопригодность огнезащиты колонны.

В качестве прототипа принят способ огнезащиты двутавровой колонны здания, в котором металлический несущий стержень оборудуют конструктивной огнезащитой, несущий стержень выполняют в виде стального колонного двутавра и каждый торец стального несущего стержня снабжают крепежными гайками и установочными винтами; установочными винтами к элементам колонного двутавра прикрепляют контактно, вплотную элементы конструктивной огнезащиты; толщину элементов огнезащиты определяют с учетом показателей термодиффузии ее материалов, условий нагрева двутавра и требуемого предела огнестойкости несущей конструкции здания.

Недостатком прототипа является то, что огнезащищенная чугунная опора не рациональная с точки зрения экономических затрат; / Ильин Н.А., Славкин П.Н., Шепелев А.П., Ибатуллин P.P. Способ огнезащиты двутавровой колонны здания; патент RU 2518599, МПК Е04В 1/94; Е04С 3/32 / заяв. 25.10.2012, опубл. 10.06.2014. Бюл №16./ [3].

Сущность изобретения состоит в рациональном способе повышения огнестойкости и эксплуатационной надежности чугунной опоры здания, а также в улучшении пожарно-технических и экономических показателей конструктивной огнезащиты чугунных опор зданий.

Технический результат - повышение надежности крепления элементов конструктивной огнезащиты несущего стержня опоры; сокращение количества элементов каркаса для конструктивной огнезащиты; снижение массы металла и материалов огнезащиты; уменьшение площади поперечного сечения огнезащищенной чугунной опоры; повышение предела огнестойкости огнезащитной чугунной опоры; повышение безопасности конструкции здания при тушении пожара и проведении спасательных работ; снижение возможных потерь от пожара; повышение надежности работы огнезащищенной чугунной опоры в процессе нормальной эксплуатации здания и в условиях пожара; упрощение монтажа элементов конструктивной огнезащиты; повышение эффективности огнезащиты несущего стержня чугунной опоры; снижение трудоемкости монтажа элементов конструктивной огнезащиты; оптимизация толщины конструктивной огнезащиты чугунной опоры в зависимости от требуемого предела огнестойкости опоры здания и показателей термодиффузии огнезащитной штукатурки.

Указанный технический результат при использовании изобретения достигается тем, что в известном способе огнезащиты металлической опоры здания, в котором металлический несущий стержень конструкции оборудуют конструктивной огнезащитой, особенностью является то, что несущий стержень выполняют в виде круглого элемента из серого чугуна, а в качестве конструктивной огнезащиты используют огнезащитную штукатурку, армированную объемной арматурной сеткой, которую прикрепляют по всему периметру боковой поверхности несущего стержня, затем определяют величину интенсивности силовых напряжений в сечении несущего стержня чугунной опоры от испытательной нагрузки на огнестойкость; выявляют марку серого чугуна и критическую температуру его нагрева, определяют требуемую толщину огнезащитной штукатурки для несущего стержня чугунной опоры; толщину конструктивной огнезащиты несущего стержня чугунной опоры определяют с учетом величины термодиффузии огнезащитной штукатурки, критической температуры нагрева по термопрочностному разрушению чугунной опоры и требуемого предела огнестойкости несущей конструкции здания. Величину интенсивности силовых напряжений в сечении несущего стержня чугунной опоры от испытательной нагрузки на огнестойкость определяют по уравнению (1):

где: К₃ - коэффициент запаса несущей способности чугунной опоры при испытательной нагрузке на огнестойкость.

Критическую температуру нагрева для серого чугуна по признаку термопрочностного разрушения (Т_cr, °С) вычисляют по аналитическому уравнению (2):

где: - интенсивность силовых напряжений в сечении несущего стержня чугунной опоры от испытательной нагрузки на огнестойкость:

Требуемую толщину огнезащитной штукатурки для несущего стержня чугунной опоры (S_шт, мм) вычисляют по аналитическому уравнению (3):

где: D_шт - показатель термодиффузии огнезащитной штукатурки, мм²/мин;

R_u - требуемый предел огнестойкости, мин;

Т_cr - критическая температура нагрева серого чугуна по признаку термопрочностного разрушения, °С.

Диаметр огнезащищенной чугунной опоры (D_ст, мм) принимают по уравнению (4):

где: d_ст - диаметр несущего стержня чугунной опоры, мм;

S_шт - толщина огнезащитной штукатурки, мм.

В качестве объемной арматурной сетки для армирования огнезащитной штукатурки используют объемную арматурную сетку Рабица.

Соотношение компонентов огнезащитной штукатурки в сухой смеси по массе принимают равным 1:0,9:0,3 или 1:0,35:0,35 - портландцемент : вермикулит : керамзит.

Огнезащитную штукатурку наносят на несущий стержень при температуре в помещении здания не ниже +8°С и выдерживают, для набора прочности огнезащитной штукатурки, в течение 15 суток при температуре не ниже +10°С.

Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом изобретения заключена в следующем: использование предлагаемого способа конструктивной огнезащиты чугунной опоры здания обеспечивает простоту и надежность ее крепления; снижение массы металла на изготовление косвенной арматуры огнезащитной штукатурки производят за счет снижения количества элементов каркаса; уменьшение площади поперечного сечения огнезащищенной чугунной опоры на 75%, вследствие отсутствия пустотного пространства между металлическим несущим стержнем и конструктивной огнезащиты; повышение безопасности при тушении пожара, при проведении аварийно-спасательных работ, а также снижение потерь от пожара, вследствие повышения фактических пределов огнестойкости несущих конструкций здания; повышение надежности работы огнезащищенной чугунной опоры при нормальной эксплуатации здания и в условиях пожара возможно вследствие проектирования толщины конструктивной огнезащиты в зависимости от требуемого предела огнестойкости опоры здания, показателей термодиффузии материалов огнезащиты и условий нагрева чугунной опоры при пожаре.

На фиг. 1 изображено продольное сечение огнезащищенной чугунной опоры: 1 - несущий стержень чугунной опоры; 2 - огнезащитная штукатурка; 3 - объемная арматурная сетка; S_шт - толщина огнезащитой штукатурки, мм; N₀ - испытательная нагрузка на огнестойкость чугунной опоры.

На фиг. 2 изображено поперечное сечение огнезащищенной чугунной опоры: 1 - несущий стержень чугунной опоры; 2 - огнезащитная штукатурка; 3 - объемная арматурная сетка; S_шт - толщина огнезащитой штукатурки, мм; N₀ - испытательная нагрузка на огнестойкость чугунной опоры, d_ст - диаметр несущего стержня чугунной опоры, мм.

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

При реконструкции учебного корпуса №1 АСА СамГТУ проектом предусмотрена конструктивная огнезащита чугунных опор круглого зала. Характеристика здания и его несущих колонн: класс функциональной пожароопасности - Ф 4.2; требуемая степень огнестойкости - I (первая); класс конструктивной пожароопасности - СО; число этажей - 6; требуемый предел огнестойкости R_u=120 мин (табл. 21, ФЗ РФ №123-2017); металлический несущий стержень - чугунная опора диаметром d_cr=200 мм; площадь сечения чугунной опоры А=15,71 см².

Пример 1.

Дано: несущая опора здания из серого чугуна марки СЧ 30, имеющего физические характеристики: предел прочности σ_b,cr=300 Н/мм², коэффициент Пуассона ν=0,3; модуль упругости Е_cr=98⋅10 Н/мм²; коэффициент линейного температурного расширения α_л=12⋅10^-6, 1/°С, запас прочности чугунной опоры при испытательной нагрузке на огнестойкость К=1,538. - интенсивность силовых напряжений в сечении.

Требуется вычислить критическую температуру по термопрочности серого чугуна марки СЧ 30.

Решение: Критическую температуру по термопрочности (Т_cr, °С) для серого чугуна марки СЧ 30 вычисляют по аналитическому уравнению (2):

где: =0,65 - интенсивность силовых напряжений в сечении

Пример 2:

Дано: несущая опора здания из чугуна марки СЧ 25, диаметр опоры d_cr=200 мм, высота опоры Н=4,2 м; требуемый предел огнестойкости R_u=120 мин [табл. 21 ФЗ №123 (2012 г)], огнезащита - армированная объемной сеткой огнезащитная перлито-керамзитовая штукатурка на цементе плотностью до 1000 кг/м³; показатель термодиффузии огнезащитной штукатурки: D_шт=19,7 мм²/мин. Критическая температура нагрева чугуна по термопрочностному разрушению Т_cr=590°С

Решение: Толщину огнезащитной штукатурки (S_шт, мм) определяют по аналитическому уравнению (3):

где: D_шт=19,7 мм²/мин - показатель термодиффузии огнезащитной штукатурки; R_u=120 мин - требуемый предел огнестойкости; Т_cr=590°С - критическая температура нагрева чугуна по термопрочностному разрушению.

В состав работ по возведению конструктивной огнезащиты чугунной опоры входят: подготовка поверхности несущего стержня чугунной опоры - 1; выбор материалов для конструктивной огнезащиты; расчет толщины огнезащитной штукатурки - 2 огнезащитного покрытия; установка объемной арматурной сетки - 3 и маяков, нанесение слоев штукатурки с тщательным выравниванием поверхности, соотношение компонентов огнезащитной штукатурки в сухой смеси по массе принимают равным 1:0,9:0,3 или 1:0,35:0,35 - портландцемент : вермикулит : керамзит.

Огнезащитную штукатурку наносят на несущий стержень при температуре в помещении здания не ниже +8°С и выдерживают, для набора прочности огнезащитной штукатурки, в течение 15 суток при температуре не ниже +10°С.

Предложенное изобретение для устройства огнезащищенной чугунной опоры здания применено при реконструкции учебного корпуса №1 Академии строительства и архитектуры СамГТУ (г. Самара, 2017/2018 гг.).

Использование предложенного изобретения позволяет уменьшить площадь поперечного сечения огнезащищенной чугунной опоры на 75-95%; повысить предел огнестойкости огнезащитной чугунной опоры на 25-30%; снизить возможные потери от пожара в 10 раз и более.

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; с. 131÷133).

3. Патент RU 2518599, МПК Е04В 1/94; Е04С 3/32 Способ огнезащиты двутавровой колонны здания / Ильин Н.А., Славкин П.Н., Шепелев А.П., Ибатуллин P.P.; заяв. 25.10.2012, опубл. 10.06.2014. Бюл №16.