СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОГНЕСТОЙКОСТИ ПОПЕРЕЧНО АРМИРОВАННЫХ КАМЕННЫХ СТЕН ЗДАНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01N25/50 

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и сооружений (далее - «зданий»). В частности оно может быть использовано для классификации поперечно армированных каменных стен зданий по показателям сопротивления их воздействию пожара. Это дает возможность обоснованного использования существующих каменных стен с фактическим пределом огнестойкости в зданиях различных классов по их конструктивной пожарной опасности.

Необходимость определения показателей огнестойкости армированных каменных стен и перегородок (далее - «стен») возникает при реконструкции здания, усилении его частей и элементов, приведении огнестойкости каменных стен здания в соответствие с требованиями современных норм, при проведении экспертизы и/или восстановлении каменных стен после пожара.

При реконструкции капитального здания возможно переустройство и перепланировка помещений, изменение их функционального назначения, замена каменных стен и оборудования. Это влияет на изменение требуемой огнестойкости здания и его огнепреграждающих конструкций.

Известен способ определения огнестойкости каменных стен здания по результатам изучения последствий натурного пожара. Этот способ включает определение положения стен в здании, оценку состояния стен путем осмотра и измерения, изготовление контрольных образцов камня, определение времени наступления предельного состояния по потере несущей способности конструкции, то есть обрушению в условиях пожара /Ильин Н.А. Последствия огневого воздействия на железобетонные конструкции. - М.: Стройиздат, 1979. С.34-35; 90/ [1].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе пределы огнестойкости определяют приближенно по результатам исследования последствий прошедшего пожара. Детальное исследование предопределяет длительную работу эксперта. При этом невозможно определить огнестойкость натурных каменных стен, имеющих другие размеры и другую внешнюю нагрузку. Затруднительно сопоставление полученных результатов со стандартными огневыми испытаниями аналогичных каменных стен. Следовательно, этот способ дорог, имеет малую технологическую возможность к повторным испытаниям, трудоемок и опасен для испытателей.

Известен способ оценки огнестойкости каменных стен по результатам натурных огневых испытаний фрагмента зданий, в котором производят осмотр конструкций, определяют влажность материала кладок, назначают статическую нагрузку на стены соответственно реальным условиям эксплуатации здания, определяют факторы, влияющие на величину предела огнестойкости /НПБ 233-97. Здания и фрагменты зданий. Метод натурных огневых испытаний. Общие требования. - М.: ВНИИПО, 1997. С.6-12/ [2].

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, наблюдение за состоянием каменных стен в условиях экспериментального пожара затруднено и небезопасно, вследствие различий теплового режима опытного и стандартного пожаров затруднено определение истинных значений пределов огнестойкости каменных стен, причины разрушения каменных стен фрагмента могут быть не установлены вследствие многообразия одновременно действующих факторов пожара. Предельное состояние по огнестойкости каменной стены может быть не достигнуто из-за более раннего разрушения изгибаемых элементов покрытия фрагмента /Огнестойкость зданий. В.П.Бушев, В.А.Пчелинцев, B.C.Федоренко, А.И.Яковлев. - М.: Стройиздат, 1970. С.252-256/ [3].

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ определения огнестойкости каменных стен здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление вида камня и раствора стены, класса арматуры, процента армирования по объему кладки сетчатой арматурой, выявление условия ее опирания и крепления, определение времени наступления предельного состояния по потере несущей способности стены под нормативной нагрузкой в условиях стандартного пожара /ГОСТ 30247.1-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции. - М., 1995. - 7 с./ [4] - принят за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе испытания проводят на образцах каменных стен, на которые воздействуют только постоянные и длительные нагрузки в их расчетных значениях с коэффициентом надежности, равным единице, то есть проектные нормативные нагрузки.

Испытания проводят на специальном стендовом оборудовании в огневых печах до разрушения образцов каменной конструкции. Размеры образцов ограничивают в зависимости от проемов стационарных печей. Следовательно, стандартные огневые испытания трудоемки, не эффективны, не безопасны, имеют малые технологические возможности для проверки на опыте различных по размерам и различно нагруженных каменных конструкций, не дают необходимой информации о влиянии единичных показателей качества каменной конструкции на ее огнестойкость.

Определение огнестойкости каменной стены по единичному показателю качества, например по толщине, как правило, недооценивает пригодность эксплуатации каменных стен в здании заданной степени огнестойкости.

Экономические затраты на проведение испытаний возрастают за счет расходов на возведение образца каменной конструкции по месту установки нагревательных печей и на создание в них стандартного теплового режима. По малому числу испытуемых образцов (2-3 шт) невозможно судить о действительном состоянии стен здания.

Результаты огневого испытания единичны и не учитывают разнообразия в закреплении концов каменных стен, их фактических размеров, влияния сетчатого армирования, условий обогрева опасного сечения испытуемых стен.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в установлении показателей пожарной безопасности здания в части гарантированной длительности сопротивления поперечно армированных каменных стен в условиях пожара; в определении фактических пределов огнестойкости каменных стен при проектировании, строительстве и/или эксплуатации здания; в снижении экономических затрат при испытании конструкций на огнестойкость.

Технический результат - устранение огневых испытаний каменных конструкций в здании или его фрагменте; снижение трудоемкости определения огнестойкости каменных стен; расширение технологических возможностей определения фактической огнестойкости различно нагруженных каменных стен любых размеров и возможность сопоставления полученных результатов с испытаниями аналогичных конструкций здания; возможность проведения испытания каменных стен на огнестойкость без нарушения функционального процесса в здании; снижение экономических затрат на испытание; сохранение эксплуатационной пригодности здания при обследовании и неразрушающих испытаниях каменных стен; упрощение условий и сокращение сроков испытания каменных стен на огнестойкость; использование полипараметрической зависимости для определения огнестойкости армированных каменных стен; повышение точности и экспрессивности испытания; получение возможности решения обратных задач огнестойкости стен и применения метода подбора переменных значений их конструктивных параметров; использование интегральных конструктивных параметров для определения огнестойкости каменных конструкций и упрощение математического описания процесса термического сопротивления нагруженных каменных стен; повышение достоверности результатов испытаний группы однотипных каменных стен; уточнение единичных показателей качества армированных каменных стен, влияющих на их огнестойкость; возможность определения гарантированного предела огнестойкости каменных стен по конструктивным параметрам.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе определения огнестойкости каменных стен здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление марок кирпича, камня и раствора каменной кладки, марки стали, вида армирования, класса арматуры по прочности на растяжение, выявление условий опирания и крепления каменных стен, установление предельного состояния по огнестойкости, определение времени наступления предельного состояния по огнестойкости поперечно армированных каменных стен под нормативной нагрузкой, особенность заключается в том, что испытание ограждающих поперечно армированных каменных стен здания проводят без разрушения, используя комплекс единичных показателей качества каменных стен, назначают число и место расположения участков, в которых определяют показатели качества, технический осмотр дополняют инструментальными измерениями геометрических размеров поперечно армированных каменных стен в опасных сечениях, измерениями диаметров арматуры сеток, размеров ячеек и шага сеток, устанавливают прочность камня и раствора, размеры и форму камней, толщину швов каменной кладки и качество из заполнения, определяют площади сечения кладки и поперечной арматуры; выявляют схему нагрева опасных сечений каменных стен при пожаре; экспериментально определяют показатели плотности каменной кладки, ее влажности в естественном состоянии, показатели теплопроводности, теплоемкости и тепловой диффузии каменной кладки в условиях пожара; находят временное сопротивление сжатию каменной кладки; степень армирования опасных сечений каменных стен; устанавливают величину нормативной нагрузки на каменные стены при испытании на огнестойкость, величину интенсивности силовых напряжений в опасных сечениях, используя полученные единичные параметры качества поперечно армированных каменных стен:

m_o - коэффициент условий обогрева поперечного сечения стен (1÷5);

k₀ - коэффициент условий опирания стен на основание (0,75÷1,0);

J_σk - интенсивность силовых напряжений в опасных сечениях поперечно армированных каменных стен (0÷0,95);

h - минимальный размер толщины каменных стен, мм;

ϕ_s - коэффициент продольного изгиба каменных стен с поперечным сетчатым армированием (0,05÷1,0);

μ₀ - процент армирования каменной кладки по объему (0,1÷1,0)%;

D_sk - показатель тепловой диффузии армированной кладки, мм²/мин;

R_sku - временное сопротивление сжатию армированной кладки, МПа;

- вычисляют предел огнестойкости каменных стен с поперечным сетчатым армированием по потери несущей способности F_u(R), мин, по формуле (1):

предел огнестойкости армированных каменных стен по потери теплоизолирующей способности f_u(J), мин, вычисляют по формуле (2):

предел огнестойкости по потери целостности F_u(E), мин, каменных стен без проемов принимают равным 0,99·F_u(R), мин, вычислим по формуле (3):

фактический предел огнестойкости каменных стен с поперечным сетчатым армированием по трем предельным состояниям F_u(REJ), _min, мин, принимают по наименьшей из величин, вычисленных по формулам (1)÷(3).

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что величину коэффициента условий обогрева поперечного сечения стены (m_о) определяют по формуле (4):

где Р и Р_o - соответственно полный периметр поперечного сечения стены и часть периметра, обогреваемого при пожаре, мм.

Особенность предложенного способа заключается в том, что интенсивность силовых напряжений в опасном сечении несущих каменных стен от нормативной нагрузки при испытаниях на огнестойкость определяют из условия (5):

где γ_n - уровнь ответственности стен здания;

R_u; R - соответственно временное сопротивление и расчетное сопротивление сжатию кладки, МПа;

N_ρ - нормативная нагрузка при испытаниях на огнестойкость армированных каменных стен, кН;

N_cc - несущая способность армированных каменных стен при испытании на огнестойкость, кН.

Особенность предложенного способа заключается в том, что показатель поперечного сетчатого армирования кладки по объему определяют по формуле (6):

где μ₀ - процент армирования кладки по объему (%);

V_s; V_k - объемы сетчатой арматуры и каменной кладки, мм³.

Особенность предложенного способа заключается в том, что коэффициент продольного изгиба каменных стен с поперечным сетчатым армированием определяют без использования нормативных таблиц по формуле (7):

где ϕ_s - коэффициент продольного изгиба каменных стен с поперечным сетчатым армированием (0,05÷1,0);

ξ_к - показатель деформативности кладки стен с сетчатым армированием, вычисляемый по зависимости (8):

или

где h - минимальный размер толщины каменных стен, мм;

r - радиус инерции сечения, мм;

l₀ - расчетная высота каменных стен, мм;

α_sk - упругая характеристика кладки с сетчатым армированием, определяемая по формуле (9):

α - упругая характеристика неармированной кладки, принимаемая в зависимости от вида кладки и прочности раствора (200÷1500);

R_u; R_sku - соответственно временное сопротивление сжатию неармированной и армированной кладки, МПа.

Особенность предложенного способа заключается в том, что коэффициент условий платформенного опирания каменных стен на упругое основание вычисляют по формуле (10):

где δ_шв - толщина горизонтального шва в месте платформенного стыка каменной стены с упругим основанием (5≤δ_шв≤20 мм).

Особенность предложенного способа заключается в том, что временное сопротивление каменной кладки с поперечным сетчатым армированием при осевом сжатии определяют по формуле (11):

где R_sku; R_u - соответственно временное сопротивление сжатию армированной и неармированной каменной кладки, МПа;

R_sn - нормативное сопротивление арматуры в кладке, МПа;

μ_о - процент армирования каменной кладки по объему, (%).

Особенность предложенного способа заключается в том, что показатель тепловой диффузии армированной кладки при t_m=450°С определяют по формуле (12):

где μ_o - процент армирования кладки по объему, (%);

D_sk - показатель тепловой диффузии армированной кладки, мм /мин.

D_sm=462,4 мм²/мин - показатель тепловой диффузии арматурной стали;

D_кк - показатель тепловой диффузии неармированной кладки, мм²/мин, определяемый по формуле (13):

где λ_о; С_о - соответственно коэффициент теплопроводности (Вт/(м·°С)) и удельная теплоемкость (кДж/(кг·°С)) неармированной кладки при t_н=20°;

b; d - термические показатели теплопроводности (Вт/(м·°С)) и теплоемкости (кДж/(кг·°С)) кладки при осредненной температуре t_m=450°C;

γ_о; ω - плотность неармированной кладки в сухом состоянии, кг/м³, и ее влажность в условиях эксплуатации, %, по массе.

Особенность предложенного способа заключается в том, что за единичные показатели качества поперечно армированных каменных стен здания, влияющие на величину предела огнестойкости, принимают: геометрические размеры опасного сечения, высоту и толщину стен, условия опирания стен на основание, толщину швов кладки и горизонтального шва в узле стыка стен и основания; временное сопротивление сжатию армированной и неармированной кладки, процент поперечного армирования сетками по объему каменной кладки, класс арматуры по прочности на растяжение, нормативное сопротивление арматуры в армированной кладке; упругую характеристику армированной и неармированной кладки, параметры продольного изгиба армированных каменных стен, показатели влажности, плотности, теплопроводности и удельной теплоемкости армированной и неармированной кладки, показатели тепловой диффузии кладки; несущую способность армированных каменных стен; величину нормативной нагрузки на каменные стены при испытании на огнестойкость; величину интенсивности силовых напряжений в их опасных сечениях.

Особенность предложенного способа заключается в том, что неразрушающие испытания проводят для группы однотипных поперечно армированных каменных стен, различия между прочностью каменной кладки и текучестью арматуры которых обусловлены главным образом случайным фактором.

Особенность предложенного способа заключается в том, что число испытаний n_uc единичного показателя качества поперечно армированных каменных стен, при вероятности результата 0,95 и точности 5%, принимают по формуле (14):

где υ - выборочный коэффициент вариации результатов испытаний, %.

Особенность предложенного способа заключается в том, что схему обогрева поперечных сечений испытуемых каменных стен в условиях пожара определяют в зависимости от фактического расположения частей здания.

Особенность предложенного способа заключается в том, что в случае, когда все единичные показатели качества поперечно армированных каменных стен, при М более 9 шт, находятся в контрольных пределах, минимальное целое число стен в выборке по плану сокращенных испытаний M_мин, шт, назначают из условия (15):

где М - число однотипных конструкций в здании, шт.

Особенность предложенного способа заключается в том, что в случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества поперечно армированных каменных стен выходит за границы контрольных пределов, минимальное число стен в выборке по норме (M_н, шт) вычисляют по формуле (16):

Особенность предложенного способа заключается в том, что в случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества поперечно армированных каменных стен выходит за границы допустимых пределов или М≤5 шт., неразрушающему испытанию подвергают все однотипные стены здания поштучно.

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

Устранение огневых испытаний каменных стен существующего здания и замена их на неразрушающие испытания снижает трудоемкость определения их огнестойкости, расширяет технологические возможности выявления фактической огнестойкости различно нагруженных каменных стен любых размеров, дает возможность проведения испытания каменных стен на огнестойкость без нарушения функционального процесса обследуемого здания, а так же сопоставления полученных результатов со стандартными испытаниями аналогичных неармированных каменных стен и сохранения эксплуатационной пригодности обследуемого здания без нарушения несущей способности его конструкций в процессе испытания. Следовательно, условия испытания каменных стен на огнестойкость значительно упрощены.

Снижение экономических затрат на проведение испытания предусматривают за счет уменьшения расходов на возведение и огневые испытания образцов конструкций.

Применение математического описания процесса сопротивления неармированных каменных стен стандартному тепловому испытанию и использование построенных параметрических номограмм повышает точность и экспрессивность оценки их огнестойкости.

Применение полипараметрической зависимости (1) удобно вследствие простоты и возможности решения обратных задач огнестойкости поперечно армированных каменных стен и применения метода подбора переменных значений их конструктивных параметров.

Использование интегральных параметров, как-то степени напряжения расчетного сечения каменных стен и показателя тепловой диффузии каменной кладки, упрощает математическое описание процесса сопротивления стен по признаку потери теплоизолирующей способности.

В предложенном техническом решении предусматривают проведение испытаний не одной, а группы однотипных каменных стен. Это позволяет в 5-15 раз увеличить число испытуемых конструкций и повысить достоверность результатов испытаний и технического осмотра здания. Определение огнестойкости каменных стен только по одному показателю качества, например по толщине стен или перегородок, приводит, как правило, к недооценке их предела огнестойкости, поскольку влияние на него вариаций единичных показателей качества каменных стен имеет различные знаки, и снижение огнестойкости за счет одного показателя может быть компенсировано другими. Вследствие этого в предложенном способе оценку огнестойкости каменных стен предусматривают не по одному показателю, а по комплексу единичных показателей их качества. Это позволяет более точно учесть реальный ресурс огнестойкости каменных стен.

Уточнен комплекс единичных показателей качества каменных стен, влияющих на их пределы огнестойкости, определяемых неразрушающими испытаниями.

Уточнено минимальное число неразрушающих испытаний единичного показателя качества неармированных каменных стен. Принятая величина выборки из общего числа однотипных каменных стен здания обеспечивает достоверность, снижает сроки и трудоемкость проведения испытаний.

На фиг.1 приведена условная полоса каменной стены с сетчатым армированием длиной l, мм, шириной b=1000 мм, нагруженной равномерно-распределенной нормативной нагрузкой N_ρ, кН/пог·м;

На фиг.2 приведено поперечное сечение 1-1 фиг.1 каменной стены толщиной h, мм; схема обогрева сечения стены; армирование поперечного сечения каменной стены;

На фиг.3 приведено продольное сечение 2-2 фиг.1; схема обогрева сечения стены; армирование продольного сечения сетками С1.

1 - каменная стена с сетчатым армированием: продольное сечение со стеками С1 (шаг сеток, S, мм);

2 - тепловой поток стандартного пожара, t_ст, °С;

3 - поперечное сечение каменной стены с сетчатым армированием; размеры сечения b×h;

4 - швы кладки, заполненные раствором и арматурными сетками с выпусками стержней для контроля укладки сеток;

5 - нормативная нагрузка N_ρ, кН/пог·м;

6 - арматурная сетка прямоугольная С1 (диаметр стержней d, мм; размер ячейки С, мм);

7 - обогреваемая часть периметра поперечного сечения каменной стены, Р_o, мм.

Теплофизические характеристики строительных материалов для каменных кладок (включая значения D_кm, мм²/мин) приведены в табл.1.

Таблица 1
Теплофизические характеристики строительных материаловМатериалПлотность ρ_с, кг/м³Влажность ω, %Параметры теплопроводности (Вт/м·°С) и теплоемкости материала (кДж/кг·°С)Коэф-т диффузии тепла D_кm (мм²/мин)λ₀bС₀d123456781. Кладка стен из керамзитобетонных камней (ГОСТ 6133) на цементно-песчаном растворе плотностью 1800 кг/м³1.1 Камни, γ=1200 кг/м³127050,850,240,840,5819,61.2 Камни, γ=1000 кг/м³106050,280,220,840,5415,61.2 Камни, γ=800 кг/м³88050,230,200,840,5013,02. Кладка стен из мелких ячеисто-бетонных блоков на цементно-песчаном растворе (γ_о=1200 кг/м³) толщиной швов 12 мм2.1 Блоки из газо- и пенобетона, γ=1000 кг/м³106060,250,120,840,411,72.2 То же, γ=800 кг/м³88060,220,120,840,410,42.3 То же, γ=600 кг/м³70050,170,120,840,48,843. Растворы цементные, известковые и гипсовые3.1 Цементно-песчаный180020,580,350,840,6320,13.2 Сложный (песок, известь, цемент)170020,520,350,840,6319,543.3 Известково-песчаный160020,470,350,840,6319,233.4 Цементно-шлаковый140020,410,350,840,6319,903.5 То же120020,350,340,840,6220,633.6 Цементно-перлитовый100070,210,330,840,6214,643.7 То же80070,160,320,840,6215,523.8 Гипсо-перлитовый600100,140,310,840,6017,263.9 То же, поризованный50060,120,300,840,6021,563.10 То же40060,090,300,840,5824,104. Кирпичная кладка из керамического камня и кирпича на цементно-песчаном растворе (γ_о=1800 кг/м³)4.1 Камня керамического крупноформатного пустотелого из пористой керамики, γ_о=600 кг/м³67010,130,210,880,3818,264.2 То же, γ_о=800 кг/м³89010,180,220,880,4016,954.3 Камня керамического пустотелого (250×120×138 мм) γ_о=800 кг/м³96010,20,220,880,4016,84

Продолжение табл.1123456784.4 То же, γ_о=1000 кг/м³113010,260,230,880,4217,954.5 То же, γ_о=1200 кг/м³130010,320,230,880,4217,474.6 То же, γ_о=1400 кг/м³146010,390,230,880,4218,124.7 Кирпича трепельного полнотелого одинарного утолщенного, γ_о=900 кг/м³109020,30,220,880,4218,804.8 То же, γ_о=1000 кг/м³117020,340,220,880,4219,264.9 Кирпича керамического пустотелого одинарного утолщенного, γ_о=1000 кг/м³117010,280,220,880,4217,374.10 То же, γ_о=1200 кг/м³133010,340,220,880,4217,704.11 То же, γ_о=1400 кг/м³148010,40,220,880,4218,104.12 Кирпича керамического полнотелого одинарного утолщенного, γ_о=1600 кг/м³164010,450,220,880,4217,954.13 То же, γ_о=1800 кг/м³180010,560,220,880,4217,04.14 То же, γ_о=2000 кг/м³196010,660,220,880,4222,615. Кирпичная кладка из силикатного кирпича и камня на цементно-песчаном растворе (γ_о=1800 кг/м³)5.1 Полнотелого одинарного кирпича, γ_о=2000 кг/м³196021,06-0,360,880,6121,915.2 То же, γ_о=1800 кг/м³180020,78-0,350,880,6024,15.3 Пустотелого одинарного и утолщенного кирпича, γ_о=1600 кг/м³164020,68-0,350,880,6026,415.4 Пустотелого 11-пустотного утолщенного кирпича и камня, γ_о=1400 кг/м³150020,64-0,350,880,6015,445.5 Пустотелого 14-пустотного утолщенного кирпича и камня, γ_о=1300 кг/м³140020,52-0,350,880,6012,425.6 То же, γ_о=1200 кг/м³130020,43-0,350,880,6010,15.7 Кладка из шлакового кирпича и камня (γ_о=1400 кг/м³) на цементно-песчаном растворе (γ_о=1800 кг/м³)15001,50,52-0,350,880,6011,84Здесь λ₀ и С₀ - соответственно значения теплопроводности, Вт/м·°С, и теплоемкости, кДж/кг·°С, строительных материалов при t_н=20°С;
b u d - соответственно термические коэффициенты теплопроводности и теплоемкости материалов, умноженные на 1000.

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

Последовательность действия способа определения огнестойкости поперечно армированных каменных стен зданий состоит в следующем.

Сначала проводят визуальный осмотр здания. Затем определяют группу однотипных поперечно армированных каменных стен и их общее число в ней. Вычисляют величину выборки однотипных конструкций. Назначают комплекс единичных показателей качества каменных стен, влияющих на огнестойкость. Выявляют условия закрепления концов и опасные сечения каменных стен. Вычисляют число испытаний единичного показателя качества каменных стен в зависимости от его статистической изменчивости. Затем оценивают единичные показатели качества поперечно армированных каменных стен и их интегральные параметры, и, наконец, по ним находят предел огнестойкости испытуемых стен.

Под визуальным осмотром понимают проверку состояния каменных стен, включающую выявление условий закрепления и нагрузки отдельных стен, определение марки кирпича и раствора, наличие трещин и отколов, минимальный размер толщины стен, показатели армирования стен стальными сетками (диаметр стержней, размеры ячеек, шаг сеток, процент армирования кладки; см. табл.2); класс арматуры по прочности на растяжение; условия обогрева поперечного сечения стен, показатели тепловой диффузии армированной кладки при пожаре, упругую характеристику кладки; величину нормативной нагрузки на стены при испытании на огнестойкость.

В процессе осмотра определяют группы однотипных элементов конструкций. Под группой элементов конструкций в здании понимают однотипные каменные стены, изготовленные и возведенные в сходных технологических условиях и находящиеся в подобных условиях эксплуатации.

Для поверочных расчетов несущей способности поперечно армированных каменных стен определяют высоту и толщину стен, расстояние между перекрытиями здания, отношение высоты стены к ее толщине;

вид каменных стен: несущие, самонесущие, пожарные стены, перегородки, из панелей и крупных блоков, с облицовками;

вид опор каменных стен: жесткие (l₀=0,7·Н), упругие;

толщина раствора под опорами; деформационные швы в стенах, расстояние между швами;

вид каменной кладки: из кирпича или керамических камней, из бетонных или природных камней; из ячеисто-бетонных камней;

тип кладки в зависимости от марок кирпича и камней; группа кладки в зависимости от марок раствора; вид кладки: армированная, неармированная.

Минимальное целое число конструкций в выборке по плану нормальных или сокращенных испытаний назначают из условий (15 и 16).

Пример 1. При числе однотипных каменных стен в группе М=120 шт число испытуемых принимают по норме М_н=5+М^0,5=5+120^0,5=16 шт,

по сокращенному плану М_мин=0,3·(15+М^0,5)=0,3·(15+120^0,5)8 шт.

При числе каменных стен в группе М≤5 их проверяют поштучно. Число и место расположения участков, в которых определяют показатели качества каменных стен, определяют так. В каменных стенах, имеющих одно опасное сечение, участки располагают только в этом сечении. В каменных стенах, имеющих несколько опасных сечений, испытуемые участки располагают равномерно по поверхности с обязательным расположением части участков в опасных сечениях.

К основным единичным показателям качества поперечно армированных каменных стен, определяющих огнестойкость, относятся: геометрические размеры стен и минимальные размеры толщины опасного сечения; условия опирания и обогрева стен, величина коэффициента продольного изгиба; прочность каменной кладки на сжатие, влажность, плотность, теплопроводность и теплоемкость в естественных условиях; показатель тепловой диффузии каменной кладки (коэффициент температуропроводности) в условиях пожара; процент армирования каменной кладки; интенсивность напряжений в опасном сечении.

Таблица 2
Проценты армирования поперечных сечений каменных конструкций стальными сетками (при расположении сеток в каждом шве кладок)Диаметр арматуры d, ммРазмер ячейки С, мм30×3040×4050×5060×6070×7080×80100×100Проценты армирования стали μ, % (объем)123456781. Шаг сеток S=77 мм (обычный кирпич h=65 мм)30,610,460,370,310,260,230,1841,10,820,660,550,470,410,3351,71,271,020,850,730,640,5162,451,841,471,231,050,920,742. Шаг сеток S=100 мм (утолщенный кирпич h=88 мм)30,470,360,280,240,20,180,1440,840,630,50,420,360,320,2551,310,980,780,650,560,490,3961,891,421,130,940,810,710,573. Шаг сеток S=150 мм (камень h=138 мм)30,320,240,190,160,140,120,0940,560,420,340,280,240,210,1750,870,650,520,440,370,330,2661,260,940,750,630,540,470,38

Число испытаний единичного показателя качества поперечно армированных каменных стен, при вероятности результата, равном 0,95, и показателе точности 5%, определяют по формуле (5); при этом коэффициент вариации выборки υ=±100·σ/A;

среднее арифметическое А=(l/n)·Σm_i (здесь m_i - результат i-го испытания);

среднее квадратическое отклонение от среднего σ=±[(l/(n-1))·Σ(x_i)²]^0,5; (здесь Σ(x_i)² - сумма квадратов всех отклонений от среднего);

средняя ошибка ΔА=±σ/(2·n)^0,5.

Проверяемыми геометрическими размерами являются минимальный размер толщины стены и ее высота. Опасные сечения каменных стен назначают в местах наибольших моментов от действия нормативной нагрузки при испытаниях на огнестойкость, с учетом изменения величины коэффициента продольного изгиба стен по их высоте (длине).

Размеры стен проверяют с точностью ±1 мм; ширину трещин - с точностью до 0,05 мм; диаметр стержней - с точностью 0,1 мм.

Проверку прочности кирпича, камней и раствора каменных конструкций, включенных в выборку или проверяемых поштучно, производят неразрушающими испытаниями с применением механических и ультразвуковых приборов [1, с.31-38].

Показатели тепловой диффузии каменной кладки в условиях теплового воздействия определяют при 450°С. Для расчета интегрального его параметра по формуле (3) определяют плотность каменной кладки и бетона в естественном состоянии, их влажность, а так же коэфициенты теплопроводности и удельную теплоемкость кладки при 450°С.

Используя полученные интегральные параметры m_о; k_o; ϕ_s; h, мм; J_σк; μ_о; R_sku, МПа; D_sk, мм²/мин, по зависимости (1) находят предел огнестойкости поперечно армированных каменных стен здания, F_u, мин.

Гарантированный предел огнестойкости каменных стен F_u(REJ), мин, вычисляют по полипараметрической зависимости (1) при соответствующем изменении конструктивных параметров: толщины стены h, мм, коэффициента условий обогрева и опирания стен m_о и k_o; продольного изгиба ϕ_s, показателя временного сопротивления сжатию каменной кладки R_sku, МПа, показателя тепловой диффузии каменной кладки, D_sk, мм²/мин, интенсивности силовых напряжений J_σк.

Пример 2. Определение огнестойкости каменной стены толщиной в 2 кирпича (h=510 мм) с сетчатым армированием по потери целостности (Е), несущей (R) и теплоизолирующей (J) способности.

Исходные данные: Стена из кирпича глиняного пластического прессования марки 100 на растворе марки 75;

расчетная высота стены l_о=3000 мм;

расчетная продольная сила N=1250 кН (125 тс);

эксцентриситет приложения продольной силы е=50 мм;

длительная нагрузка N_дл=0,9·N=0,9·1250=1125 кН (112,5 тс);

нормативная нагрузка N_ρ=N_дл/k_н=1125/1,2=937,5 кН (93,75 тс);

площадь расчетного сечения A=0,51·1=0,51 м²>0,3 м²;

упругая характеристика неармированной кладки а=1000 (табл.15 СНиП II-22-81);

расчетное поперечное сечение стены n×b=510×1000 мм;

обогрев сечения - 1 сторонний; полный периметр расчетного сечения Р=2·(h+b)=2·(510+1000)=3020 мм;

обогреваемая часть периметра сечения Р_о=b=1000 мм;

коэффициент условий обогрева расчетного сечения стены вычисляют по формуле (4):

m_o=(P/P_o)^1,2=(3020/1000)^l,2=3,77;

показатель тепловой диффузии каменной кладки из глиняного полнотелого кирпича (γ_о=2000 кг/м³), на цементно-песчаном растворе (γ_о=1800 кг/м³) из табл.1: D_кк=22,61 мм²/мин;

сопротивление кладки сжатию временное R_u=2·1,7=3,4 МПА;

тоже, расчетное R=1,7 МПа;

арматура сеток ⊘4 Bp-I (B500); R_s=219 МПа;

размер ячеек сеток С=32 мм; шаг сеток - два ряда кладки - S=154 мм;

процент сетчатого армирования μ_o=0,4%;

временное сопротивление сжатию армированной кладки - по формуле (9):

R_sku=R_u+2·R_sn·μ_o/100=3,4+2·243·0,4/100=5,3 МПА;

упругая характеристика армированной кладки

a_sk=a·R_u/R_sku=1000·3,4/5,3=640;

показатель деформативности кладки каменных стен с сетчатым армированием вычисляют по формуле (8):

ξ_sk=0,75·a_sk·(h/l_o)²=0,75·640·(510/3000)²=13,87;

коэффициент продольного изгиба каменной стены с сетчатым армированием вычисляют по формуле (7):

ϕ_s=ξ_sk/(ξ_sk+1)=13,87/(13,87+1)=0,93;

при коэффициенте температуропроводности для стальной арматуры D_s,cm=462,4 мм²/мин, и кладки из глиняного кирпича D_кк=22,61, мм²/мин показатель тепловой диффузии кладки каменных стен с сетчатым армированием вычисляют по формуле (12):

D_sk=(μ_o·D_s,cm+(100-μ_о)·D_кк)/100=(0,4·462,4+(100-0,4)·22,61)/100=24,37 мм²/мин;

расчетное сопротивление армированной кладки вычисляют по формуле (27) СНиП II-22-81:

R_sk,1=R+2·μ_o·R_s/100=1,7+2·0,4·219/100=3,45 МПА> R_u=3,4 МПа, принимаем R_sk=3,4 МПа;

несущую способность N_cc, кН, каменных стен с сетчатым армированием (при m_o=1; ω=1) вычисляют по формуле (29) СНиП II-22-81:

N_cc=m_g·ϕ_s·R_sk·A·(1-2·e_o/h)·ω=1·0,93·3,4·0,51·10³(1-2·50/510)·1=1290 кН (129 тс);

опирание стен на упругое основание при δ_шв=20 мм, - k_o=0,75;

уровень ответственности здания II (второй): коэффициент уровня ответственности конструкций (СНиП 2.01.07-85*, прил.7): γ_n=0,95;

интенсивность силовых напряжений в опасном сечении каменных стен (Н·2/3) вычисляют по формуле (5):

J_σк=γ_n·(N_ρ/N_cc)·(R/R_u)=0,95·(937,5/1290)·(1,7/3,4)=0,345.

Предел огнестойкости поперечно армированной каменной стены по потере несущей способности F_u(R), мин, вычисляют по формуле (1):

Предел огнестойкости поперечно армированной каменной стены по потери целостности F_u(E), мин, вычисляют по формуле (3):

F_u(E)=0,99·F_u(R)=0,99·1255=1240 мин (20,7 ч).

Предел огнестойкости поперечно армированной каменной стены по потери теплоизолирующей способности F_u(J), мин, вычисляют по формуле (2):

F_u(J)=4,5·(h/D_sk)²=4,5·(510/24,37)²=1970 мин (33 час).

Следовательно, фактический предел огнестойкости поперечно армированной каменной стены толщиной h=510 мм по потери целостности, несущей и теплоизолирующей способности F_u(REJ)=1240 мин (20,7 час).

Пример 3. Определение огнестойкости каменной стены толщиной h=250 мм (1 кирпич) с сетчатым армированием.

Периметр расчетного сечения перегородки:

Р=2·(h+b)=2·(250+1000)=2500 мм;

обогреваемая часть периметра сечения P_o=b=1000 мм;

коэффициент условий обогрева расчетного сечения вычисляют по формуле (4):

m_o=(P/P_o)^1,2=(2500/1000)^1,2=3;

показатель деформативности кладки каменных стен с сетчатым армированием вычисляют по формуле (8):

ξ_sk=0,75·a_sk·(h/l_o)²=0,75·640·(250/3000)²=3,33;

коэффициент продольного изгиба каменной стены - по формуле (7):

ϕ_s=ξ_sk/(ξ_sk+1)=3,33/(3,33+1)=0,77.

Далее используем исходные данные предыдущего примера: k_o=0,75; J_σk=0,36; μ_o=0,4%; D_sk=24,37 мм²/мин; R_sku=5,3 МПА.

Предел огнестойкости поперечно армированной каменной перегородки толщиной h=250 мм по потери несущей способности F_u(R), мин, вычисляют по формуле (1):

Предел огнестойкости поперечно армированной каменной перегородки толщиной h=250 мм по потери целостности F_u(E), мин, вычисляют по формуле (3):

F_u(E)=0,99·390=385 мин (6,4 ч).

Предел огнестойкости поперечно армированной каменной перегородки толщиной h=250 мм по потери теплоизолирующей способности F_u(J), мин, вычисляют по формуле (2):

F_u(J)=4,5·(h/D_sk)²=4,5·(250/24,37)²=475 мин (8 час).

Следовательно, фактический предел огнестойкости поперечно армированной каменной перегородки толщиной h=250 мм F_u(REJ)=385 мин.

Предложенный способ применен при натурном осмотре каменных перегородок жилого здания в г.Самаре. Результаты неразрушающих испытаний армированных каменных перегородок h=250 мм; D_кm=24,2 мм²/мин; ϕ_о=0,75; l_о=3000 мм; J_σo=0,36; m_o=1,63; R_sku=5,3 МПа; показали пределы огнестойкости: по потери несущей способности и целостности F_u(RE)=210 мин (3,5 час); тоже, по потери теплоизолирующей способности F_u(J)=475 мин (8 час); фактический (минимальный) предел огнестойкости перегородки F_u(REJ)=210 мин (3,5 ч).

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Источники информации

1. Ильин Н.А. Последствия огневого воздействия на железобетонные конструкции. - М.: Стройиздат, 1979. - 128 с. (см. с.16; 34-35).

2. Здания и фрагменты зданий. Метод натурных огневых испытаний. Общие требования: НПБ 233-97. - М.: ВНИИПО, 1997. - 14 с.

3. Огнестойкость зданий / В.П.Бушев, В.А.Пчелинцев, А.И.Яковлев и др. - М.: Стройиздат, 1970. - 261 с. (см. с.252-256).

4. ГОСТ 30247.1-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции. - М., 1995. - 7 с.

5. СниП II-22-81. Каменные и арокаменные конструкции. Нормы проектирования. - М.: Стройиздат, 1983. - 40 с.

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий. Сущность изобретения: испытание поперечно армированных каменных стен и перегородок здания проводят без разрушения по комплексу единичных показателей качества, оценивая величину фактического предела огнестойкости по потери целостности, несущей и теплоизолирующей способности. Для этого определяют геометрические размеры каменных стен, условия обогрева, опирания и крепления стен, коэффициент продольного изгиба, процент армирования кладки по объему; показатели плотности, влажности, теплопроводности, теплоемкости и тепловой диффузии материала поперечно армированных каменных стен; величину нормативной нагрузки при испытании на огнестойкость и степень напряжения опасных сечений каменных стен. Пределы огнестойкости поперечно армированных каменных стен определяют по полипараметрическим зависимостям. Технический результат - изобретение позволяет определить огнестойкость без натурного теплового воздействия, повышает достоверность контроля качества и неразрушающих испытаний, снижает экономические затраты. 14 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

1. Способ определения огнестойкости поперечно армированных каменных стен здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление марок кирпича, камня и раствора каменной кладки, марки стали, вида армирования, класса арматуры по прочности на растяжение, выявление условий опирания и крепления каменных стен, установление предельного состояния по огнестойкости, определение времени наступления предельного состояния по огнестойкости поперечно армированных каменных стен под нормативной нагрузкой, отличающийся тем, что испытание ограждающих поперечно армированных каменных стен здания проводят без разрушения, используя комплекс единичных показателей качества каменных стен, назначают число и место расположения участков, в которых определяют показатели качества, технический осмотр дополняют инструментальными измерениями геометрических размеров поперечно армированных каменных стен в опасных сечениях, измерениями диаметров арматуры сеток, размеров ячеек и шага сеток, устанавливают прочность камня и раствора, размеры и форму камней, толщину швов каменной кладки и качество их заполнения, определяют площади сечения кладки и поперечной арматуры; выявляют схему нагрева опасных сечений каменных стен при пожаре; экспериментально определяют показатели плотности каменной кладки, ее влажности в естественном состоянии, показатели теплопроводности, теплоемкости и тепловой диффузии каменной кладки в условиях пожара; находят временное сопротивление сжатию каменной кладки; степень армирования опасных сечений каменных стен; устанавливают величину нормативной нагрузки на каменные стены при испытании на огнестойкость, величину интенсивности силовых напряжений в опасных сечениях, и, используя полученные единичные параметры качества поперечно армированных каменных стен:

m_о - коэффициент условий обогрева поперечного сечения стен (1÷5);

k₀ - коэффициент условий опирания стен на основание (0,75÷1,0);

J_σk - интенсивность силовых напряжений в опасных сечениях поперечно армированных каменных стен (0÷0,95);

h - минимальный размер толщины каменных стен, мм;

ϕ_s - коэффициент продольного изгиба каменных стен с поперечным

сетчатым армированием (0,05÷1,0);

μ₀ - процент армирования каменной кладки по объему (0,1÷1,0)%;

R_sku - временное сопротивление сжатию армированной кладки, МПа;

D_sk - показатель тепловой диффузии армированной кладки, мм²/мин,

вычисляют предел огнестойкости каменных стен с поперечным сетчатым армированием по потере несущей способности F_u(R), мин, по формуле (1)

предел огнестойкости армированных каменных стен по потери теплоизолирующей способности F_u(J), мин, вычисляют по формуле (2)

F_u(J)=4,5·(h/D_sk)²;

предел огнестойкости по потере целостности F_u(E), мин, каменных стен без проемов принимают равным 0,99·F_u(R), мин, вычисляя по формуле (3)

F_u(E)≈0 99·F_u(R);

фактический предел огнестойкости каменных стен с поперечным сетчатым армированием по трем предельным состояниям F_{u(REJ), min}, мин, принимают по наименьшей из величин, вычисленных по формулам (1)÷(3).

m₀=(P/P_o)^1,2,

где Р и Р_o - соответственно полный периметр поперечного сечения стены и часть периметра, обогреваемого при пожаре, мм.

J_σk=γ_n·(R/R_u)·(N_ρ/N_cc),

где γ_n - коэффициент уровня ответственности стен здания;

R_u; R - соответственно временное сопротивление и расчетное сопротивление сжатию кладки, МПа;

N_ρ - нормативная нагрузка при испытаниях на огнестойкость армированных каменных стен, кН;

N_cc - несущая способность армированных каменных стен при испытании на огнестойкость, кН.

μ₀=(V_s/V_k)·100,

где μ₀^_ процент армирования кладки по объему, %;

V_s; V_k - объемы сетчатой арматуры и каменной кладки, мм³.

ϕ_s=ξ/(ξ_к+1)

где ϕ_s - коэффициент продольного изгиба каменных стен с поперечным сетчатым армированием (0,05÷1,0);

ξ_к - показатель деформативности кладки стен с сетчатым армированием, вычисляемый по зависимости (8) и (8а)

ξ_к=0,75·α_sk·(h/l₀)²;

или

ξ_к=9·α_sk·(r/l₀)²;

где h - минимальный размер толщины каменных стен, мм;

r - радиус инерции сечения, мм;

l₀ - расчетная высота каменных стен, мм;

α_sk - упругая характеристика кладки с сетчатым армированием, определяемая по формуле (9)

α_sk=α·R_u/R_sku;

α - упругая характеристика неармированной кладки, принимаемая в зависимости от вида кладки и прочности раствора (200÷1500);

R_u; R_sku - соответственно временное сопротивление сжатию неармированной и армированной кладки, МПа.

k₀=0,85-(δ_шв-5)/150;

где δ_шв - толщина горизонтального шва в месте платформенного стыка каменной стены с упругим основанием (5<δ_шв<20 мм).

R_sku=R_u+2·R_sn·μ_o/100;

где R_sku; R_u - соответственно временное сопротивление сжатию армированной и неармированной каменной кладки, МПа;

R_sn - нормативное сопротивление арматуры в кладке, МПа;

μ_о - процент армирования каменной кладки по объему, %.

D_sk=(μ_o·D_sm+(100-μ_o)·D_кк)/100;

где μ_o - процент армирования кладки по объему, %;

D_sk - показатель тепловой диффузии армированной кладки, мм²/мин;

D_sm=462,4 мм²/мин - показатель тепловой диффузии арматурной стали;

D_кк - показатель тепловой диффузии неармированной кладки, мм²/мин, определяемый по формуле (13)

где λ_o; С_o - соответственно коэффициент теплопроводности (Вт/(м·°С)) и удельная теплоемкость (кДж/(кг·°С)) неармированной кладки при t_н=20°;

b; d - термические показатели теплопроводности (Вт/(м·°С)) и теплоемкости (кДж/(кг·°С)) кладки при осредненной температуре

t_m=450°C;

γ_o; ω - плотность неармированной кладки в сухом состоянии, кг/м³, и ее влажность в условиях эксплуатации, % по массе.

n_ис=0,15·υ²≥6,

где υ - выборочный коэффициент вариации результатов испытаний, %.

М_мин=0,3·(15+М^0,5)≥5,

где М - число однотипных конструкций в здании, шт.

М_н=5+М^0,5≥8.