ОГНЕЗАЩИЩЕННАЯ ДВУТАВРОВАЯ БАЛКА ЗДАНИЯ Российский патент 2014 года по МПК E04B1/94 

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и сооружений (далее по тексту - зданий). В частности, оно может быть использовано при проектировании и изготовлении конструктивной огнезащиты стального несущего стержня балки, выполненного в виде балочного двутавра, при использовании крупноразмерной листовой, плитной и рулонной облицовки.

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

Известна конструкция огнезащищенной двутавровой балки здания, облицовка которой представлена в виде двух скорлуп из пустотелого керамического камня, вплотную уложенная к стенке и нижней полке двутавра /Ройтман М.Я. Пожарная профилактика в строительном деле/ВИПТШ, Редакционно-издательский отдел. - М., 1975, - 525 с. (гл.5 Огнезащита металлических конструкций; §5.2. Повышение огнестойкости стальных конструкций; рис.5.2, с.116-117)/ [1].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции огнезащищенной двутавровой балки относится то, что в известной конструкции элементы облицовки выполнены из тяжелого материала - керамического камня плотностью 1200÷1400 кг/м³, это значительно увеличивает массу огнезащитной облицовки, наличие внутренних пустот (25÷30%) в керамическом камне благоприятствует быстрому прогреву облицовки до критических температур нагрева стального балочного двутавра и снижению предела огнестойкости на 20÷25%; изделия облицовки в виде скорлуп из керамического камня строительная промышленность не выпускает, следовательно, оно не индустриально и не экономично.

Известна конструкция огнезащищенной двутавровой балки здания, содержащая стальной двутавр и огнезащитную облицовку из крупноразмерных листов и плит, установленных на относе, - зазор между огнезащитной облицовкой и гранями защищаемого стального несущего стержня принят не менее 25 мм; каркас огнезащитной облицовки выполнен в виде рамы, состоящей из стальных продольных и поперечных элементов, высотой 40÷75 мм; крепление стальных элементов каркаса между собой осуществлено самонарезающими винтами 5×25÷5×45 /Романенков И.Г., Левитес Ф.А. Огнезащита строительных конструкций. - М.: Стройиздат, 1991. - 320 с. (гл.4 Конструктивные способы огнезащиты; п.4.2 - Крупноразмерные листовые, плитные и рулонные облицовки; рис.8, с.131-133)/ [2].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции огнезащищенной балки здания, относится то, что в известной конструкции применено значительное число элементов каркаса и, вследствие этого, повышен расход металла на изготовление каркаса для огнезащитной облицовки; при проектировании пустот и зазоров между стенкой и полками двутавра и плитами защитной облицовки увеличиваются размеры поперечного сечения облицованной балки (площадь сечения возрастает на 40÷45%; расход материалов облицовки - на 30÷35%); снижается проектный предел огнестойкости огнезащищенной колонны на 25÷30%; снижается надежность крепления элементов крупноразмерной листовой и плитной облицовки; снижаются коррозионная стойкость стального несущего стержня и ремонтопригодность огнезащитной облицовки (при возможности получения механических повреждений и сквозных отколов).

Наиболее близким техническим решением к изобретению по совокупности признаков является конструкция огнезащищенной двутавровой балки здания, содержащая стальной несущий стержень с анкерами на его боковых гранях, каркас из профилей С-образного сечения, состоящий из продольных элементов с отгибами по краям полок и поперечных элементов, облицовки из листовых материалов, которая прикреплена на относе 40÷50 мм с образованием зазоров между полками двутавра (площадь пустого пространства между полками и стенкой двутавра №20 и элементами облицовки в поперечном сечении огнезащищенной колонны составляет А_пуст=650 см²) /А.с. SU 887755, МКИ-3 Е04В 1/94. Строительный узел здания/ Ю.В.Покровский, В.В.Федоров, М.М.Карабочинский и другие; заявл. 21.02.80; опубл. 07.12.81; Бюл. №45/ [3], - принято за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции огнезащищенной двутавровой балки здания, относится то, что в известной конструкции применено значительное число элементов каркаса и, вследствие этого, повышен расход металла на изготовление каркаса для огнезащитной облицовки; при проектировании пустот и зазоров между стенкой и полками двутавра и плитами защитной облицовки увеличиваются размеры поперечного сечения облицованной балки (площадь сечения возрастает на 30÷40%; расход материалов облицовки - на 30÷35%); снижается проектный предел огнестойкости огнезащищенной балки на 25÷30%; снижается надежность крепления элементов крупноразмерной листовой и плитной облицовки; снижаются коррозионная стойкость стального несущего стержня и ремонтопригодность огнезащитной облицовки (при возможности получения механических повреждений и сквозных отколов); не обосновано определение проектной толщины элементов листовой огнезащитной облицовки стального несущего стержня балки в зависимости от степени огнестойкости здания, условий нагрева двутавра и показателя термодиффузии материалов облицовки.

Сущность изобретения заключается в следующем. Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в повышении огнестойкости и эксплуатационной надежности огнезащищенной двутавровой балки здания, а также на улучшение пожарно-технических и экономических показателей стальных конструкций зданий.

Технический результат - повышение надежности крепления элементов крупноразмерной листовой и плитной огнезащитной облицовки двутавровой балки и элементов усиления балочного двутавра для нее; сокращение числа элементов усиления балочного двутавра для огнезащитной облицовки; снижение массы металла и материалов облицовки; уменьшение площади поперечного сечения огнезащищенной двутавровой балки на 30÷55%; повышение предела огнестойкости стальной балки с несущим стержнем в виде балочного двутавра на 25÷30%; повышение безопасности при тушении пожара и проведении аварийно-спасательных и восстановительных работ; снижение возможных потерь от пожара; повышение надежности работы огнезащищенной балки в процессе нормальной эксплуатации здания и в условиях пожара; упрощение монтажа элементов усиления балочного двутавра и огнезащитой облицовки двутавровой балки; повышение жесткости соединения балочного двутавра с листами и плитами облицовки и сопротивляемости огнезащитной облицовки механическим воздействиям; повышение коррозионной стойкости стального балочного двутавра и ремонтопригодности огнезащитной облицовки в случае получения местных механических повреждений; снижение трудоемкости монтажа элементов усиления балочного двутавра и элементов огнезащитной облицовки; сокращение сварочных работ и мокрых строительных процессов.

Указанный технический результат при использовании изобретения достигается тем, что в известной конструкции огнезащищенной двутавровой балки здания, содержащей несущий стержень, элементы усиления балочного двутавра и листовую облицовку, особенностью является то, что стальной несущий стержень выполнен в виде балочного двутавра, к которому прикреплены элементы усиления из стальных прокатных профилей с отверстиями с нарезанной внутренней резьбой, в которых размещены установочные винты с потайной головкой и ввинчиваемым заостренным концом, элементы усиления прикреплены снизу сжатой и растянутой полок балочного двутавра, к которым установочными винтами прикреплены в плотную элементы листовой и плитной огнезащитной облицовки; толщина элементов облицовки определена с учетом показателей термодиффузии ее материалов, условий нагрева балочного двутавра и нормативного предела огнестойкости несущей балки здания.

Другими особенностями является то, что элементы усиления балочного двутавра, расположенные снизу сжатой и растянутой полок балочного двутавра, выполнены в виде двух пар стальных уголков. Элемент усиления балочного двутавра, расположенный снизу растянутой полки балочного двутавра, выполнен в виде стального швеллера. Толщина плитной огнезащитной облицовки принята не менее высоты полок стального швеллера. Элементы усиления балочного двутавра соединены с полками балочного двутавра прерывистыми шпоночными сварными швами длиною l_ш≥50 мм с шагом шпонок U₁≤80·r_min в растянутой полке и U₂≤40·r_min - в сжатой полке (здесь r_min - радиус инерции уголка или швеллера, см). Отверстия с резьбой в элементах усиления балочного двутавра для установочных винтов выполнены ⌀ 6÷20 мм с шагом 500÷1000 мм.

Толщина элементов огнезащитной облицовки -δ_о,mp, мм, определена по показательному уравнению (1):

$${\delta }_{o.mp}=\mathrm{0,7}\cdot C\cdot D^{\mathrm{0,8}}{}_{ar}/m_o;\left(1\right)$$

где С - степень огнезащиты балочного двутавра, см;

D_ar - показатель термодиффузии материала облицовки, мм²/мин;

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

Величина предела огнезащиты отдельного слоя облицовки - τ_u,со, мин, вычислена по показательному уравнению (2):

$${\tau }_{u,co}=65\cdot m_{o1}\cdot {\left({\delta }_{co}/D_{co}\right)}^{\mathrm{1,41}};\left(2\right)$$

где m_o1 - показатель условий нагрева слоя облицовки (0,5÷1);

δ_со - толщина отдельного слоя огнезащитной облицовки, мм;

D_co - показатель термодиффузии слоя облицовки, мм²/мин.

Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом изобретения заключена в следующем: использование предлагаемой конструкции огнезащищенной двутавровой балки здания обеспечивает простоту и надежность крепления элементов крупноразмерной облицовки и элементов каркаса для нее за счет использования установочных винтов с потайной головкой с длинным ввинчиваемым заостренным концом и жесткого соединения (сварки) крепежной гайки к полкам балочного двутавра; снижение массы металла на изготовление элементов каркаса огнезащитной облицовки производят за счет снижения числа элементов каркаса; уменьшение площади поперечного сечения огнезащищенной двутавровой балки на 75÷95% вследствие отсутствия пустотного пространства между стальным несущим стержнем и облицовкой; повышение предела огнестойкости стальной балки с несущим стержнем в виде балочного двутавра на 25÷35% вследствие заполнения пустотного пространства внутри поперечного сечения колонны; повышение безопасности при тушении, при проведении аварийно-спасательных и восстановительных работ, а также снижение потерь от пожара возможно вследствие повышения пределов огнестойкости несущих конструкций здания; повышение надежности работы огнезащищеной балки при нормальной эксплуатации здания и в условиях пожара возможно вследствие повышения жесткости при контактном соединении балочного двутавра с листами и плитами облицовки, а также проектирование толщины элементов облицовки по предлагаемой методике расчета в зависимости от степени огнестойкости здания, показателей термодиффузии материалов облицовки и условий нагрева балочного двутавра при пожаре.

На фиг.1 изображено поперечное сечение огнезащищенной двутавровой балки с контактным присоединением элементов листовой и плитной облицовки к стальному несущему стержню: 1 - балочный двутавр; 2 - антикоррозионный слой; 3 - листовая огнезащитная облицовка; 4 - плитная огнезащитная облицовка (для стенки двутавра); 5 - плитная огнезащитная облицовка (для нижней полки двутавра); 6 - равнополочный уголок (на верхней полке двутавра, с отверстием в полке уголка для винта); 7 - неравнополочный уголок (на нижней полке двутавра, с отверстием в полке уголка для винта); 8 - сварной шов (шпоночный, прерывистый); 9 - установочные винты (с потайной головкой с ввинчиваемым заостренным концом и прямым шлицем); 10 - стеклоткань (штукатурка); 11 - клеевой слой (строительный раствор); 12 - плита перекрытия.

На фиг.2 изображена схема поперечного сечения балочного двутавра, усиленного равнополочными уголками, прикрепленными к верхней и нижней полкам двутавра.

На фиг.3 изображено поперечное сечение балочного двутавра, усиленного равнополочными уголками и стальным швеллером, прикрепленным к нижней полке двутавра: 13 - швеллер усиления (с отверстиями в полках для винтов), обозначения поз.1, 6 - 9 и 12 приведены в описании к фиг.1).

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

При реконструкции учебного корпуса университета проектом предусмотрены огнезащищенные стальные балки из прокатного профиля. Пожарно-техническая характеристика здания и его несущих балок: класс функциональной пожароопасности - Ф 4.2; степень огнестойкости - I (первая); класс конструктивной пожароопасности - СО (непожароопасное); число этажей - 6; нормативный предел огнестойкости несущей балки F_u,mp=120 мин (табл.21, ФЗ РФ №123-2009); стальной несущий стержень - балочный двутавр №20Б-1, высота двутавра h=200 мм; ширина полки b=200 мм, толщина стенки d=6,5 мм; толщина полки δ_s=10 мм; площадь сечения двутавра А=28,5 см².

Огнезащита нижней полки двутавра - минватные изделия «Rockwool», маты М-50; огнезащита стенки двутавра - маты М-50 толщиной δ_о, мм=b/2=200/2=100 мм; плюс листовая огнезащитная облицовка - огнеупорный гипсокартонный лист (ГКЛО) толщиной δ₁=12,5 мм.

Требуемая толщина элементов огнезащитной облицовки - δ_о,mp, мм, стального балочного двутавра определена по показательному уравнению (I):

$${\delta }_{o.mp}=\mathrm{0,7}\cdot C\cdot D^{\mathrm{0,8}}{}_{ar}/m_o;$$

где С - степень огнезащиты балочного двутавра, см;

D_аr - показатель термодиффузии материала облицовки, мм²/мин;

m_o - показатель условий нагрева балочного двутавра (0,25÷1).

Степень огнезащиты стального балочного двутавра вычислена по логарифмической функции (3):

$$C=In\left({\tau }_{uo}/48\cdot {\left(1-J_{\sigma s}\right)}^3\right);\left(3\right)$$

(3) при интенсивности силовых напряжений J_σs=0,625,

$$C=In\left(\mathrm{0,4}\cdot {\tau }_{uo}\right);\left(4\right)$$

где С - степень огнезащиты балочного двутавра;

τ_uo - предел огнезащиты элементов облицовки, мин;

In - натуральный логарифм.

Величина предела огнезащиты облицовки вычислена по алгебраической формуле (5):

$${\tau }_{uo}=F_{u,н}-{\tau }_{us};\left(5\right)$$

где F_u,н - нормативный предел огнестойкости несущей балки, мин;

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

Пример: дано: стальной несущий стержень - балочный двутавр из прокатного профиля №20 Б-1; нормативный предел огнестойкости несущих балок для здания I (первой) степени огнестойкрсти F_u.н=120 мин (табл.21 ФЗ №123-2009 г); предел огнестойкости балочного двутавра без огнезащитной облицовки τ_us=20 мин; облицовка нижней полки двутавра - минватные маты М-50, изделия «Rockwool»; показатель термодиффузии - D_Roc=68,8 мм²/мин; показатель условий нагрева стенки двутавра m₀₂=0,5; огнезащитная облицовка стенки балочного двутавра - огнеупорные гипсокартонные листы (ГКЛО), показатель термодиффузии - D_ГКЛО=20 мм²/мин; показатель условий нагрева полок двутавра m₀₁=0,75; плюс маты из минваты М-50 толщиной δ_o, мм=b/2=200/2=100 мм.

Определить толщину элементов листовой и плитной облицовки.

Решение. 1) Предел огнезащиты облицовки вычислен по алгебраической формуле (5):

τ_uo=F_u,н-τ_us=120-15=105 мин.

2) Степень огнезащиты балочного двутавра комплексной облицовкой (при J_σs=0,625) вычислена по показательному уравнению (4):

C=In(0,4·τ_uo)=In(0,4·105)=In42=3,74.

3) Требуемая толщина плитной огнезащитной облицовки для нижней

полки балочного двутавра минераловатными изделиями «Rockwool» в виде матов М-50 (при показателе условий нагрева m₀₁=0,75) определена по показательному уравнению (1):

δ_mp,мм=0,7·C·D^0,8 _мм/m₀₂=0,7·3,74·68,8^0,8/0,75 = 103 мм > b/2=200/2=100 мм, принято δ_Roc=100 мм.

4) Предел огнезащиты мата М-50 толщиной δ_{o, мм}=100 мм для стенки двутавра определен по показательному уравнению (2):

τ_u,мм=65·m₀₂·(δ_o,мм/D_мм)^1,41=65·0,5·(100/68,82)^1,41=55 мм.

5) Суммарный предел огнезащиты для стенки двутавра равен:

∑τ_u=τ_{u, мм}+τ_us=55+15=70 мин.

6) Требуемый предел огнезащиты листовой облицовки для стенки двутавра равен τ_uo,2=F_u,н-∑τ_u=120-70=50 мин.

7) Степень огнезащиты стенки двутавра листовой облицовки вычислена по логарифмическому уравнению (4):

C=In(0,4·τ_uo,₂)=In(0,4·05)=3.

8) Требуемая толщина листовой огнезащитной облицовки для стенки балочного двутавра огнеупорными гипсокартонными листами (при m₀₁=1,0), вычислена по показательному уравнению (1):

δ_{mp, ГКЛО}=0,7·C·D^0,8 _ГКЛО/m₀₁=0,7·3·20^0,8/1 = 23 мм.

9) Число слоев облицовки стенки балочного двутавра из огнеупорных гипсокартонных листов (толщиной δ₁=12,5 мм каждый лист) равно:

т_ГКЛО=δ_{mp, ГКЛО}/δ₁=23/12,5=1,84; принято n_ГКЛО=2 листа с каждой стороны стенки двутавра.

В состав работ по устройству огнезащиты двутавровой балки здания входит: подготовка поверхности балочного двутавра - 1 и нанесение антикоррозионного слоя - 2; выбор материалов для огнезащитной облицовки; расчет толщины элементов облицовки; изготовление элементов листовой огнезащитной облицовки - 3 и плитной огнзащитной облицовки для стенки - 4 и плитной огнезащитной облицовки для нижней полки - 5; установка уголков усиления на полки балочного двутавра - 1; установка элементов листовой огнезащитной облицовки - 3 и крепление их установочными винтами - 9; нанесение клеевого слоя - 11 на поверхность стенки и полок балочного двутавра - 1 и приклеивание к ним элементов плитной огнезащитной облицовки для стенки - 4 и плитной огнезащитной облицовки для нижней полки - 5; ввинчивание каждого установочного винта - 9 с потайной головкой и с заостренным концом в элементы плитной облицовки - 4 и 5 на глубину l_к≥0,2·h (здесь h - высота колонного двутавра - 1); покрытие поверхности элементов огнезащитной плитной облицовки для стенки - 4 и плитной огнезащитной облицовки для нижней полки - 5 стеклотканью - 10 (по необходимости).

Предложенный способ для устройства огнезащиты двутавровой балки здания применен при реконструкции учебного корпуса №2 СГАСУ (г.Самара, 2010/12 гг.).

Источники информации

1. Ройтман М.Я. Пожарная профилактика в строительном деле/ ВИПТШ, РИО. - М., 1975. - 525 с. (гл.5 Огнезащита металлических конструкций; §5.2. Повышение огнестойкости стальных конструкций; рис.5.2(6), с.116-117).

2. Романенков И.Г., Левитес Ф.А. Огнезащита строительных конструкций. - М.: Стройиздат, 1991. - 320 с.(гл.4 Конструктивные способы огнезащиты; п.4.2. - Крупнозамерные листовые, плитные и рулонные облицовки; рис.8, с.131-133).

3. А.с. SU №887755, МКИ-3 Е04В 1/94, Строительный узел здания/ Ю.В.Покровский, В.В.Федоров, М.М.Карабочинский и др.; заявл. 21.02.80; опубл. 07.12.81, Бюл. №45.

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий, в частности может быть использовано при изготовлении конструктивной огнезащиты стальной балки здания. Техническим результатом изобретения является повышение надежности крепления элементов крупноразмерной облицовки, повышение предела огнестойкости стальной балки, снижение риска обрушения балки в начальной стадии пожара. Cтальной балочный двутавр, к которому прикреплены стальные прокатные профили из швеллера и пары уголков, оборудован крепежными гайками и установочными винтами с потайными головками и ввинчиваемым заостренным концом. Элементы листовой облицовки прикреплены вплотную к полкам балочного двутавра, элементы плитной облицовки - вплотную к стенке двутавра. Толщина элементов огнезащитной облицовки заранее определена с учетом теплофизических свойств ее материалов и условий нагрева при пожаре. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Огнезащищенная двутавровая балка здания, содержащая стальной несущий стержень, элементы усиления балочного двутавра и листовую облицовку, прикрепленную к балочному каркасу, отличающаяся тем, что стальной несущий стержень выполнен в виде балочного двутавра, к которому прикреплены элементы усиления из стальных прокатных профилей с отверстиями с нарезанной внутренней резьбой, в которых размещены установочные винты с потайной головкой и ввинчиваемым заостренным концом, элементы усиления прикреплены снизу сжатой и растянутой полок балочного двутавра, к которым установочными винтами прикреплены вплотную элементы листовой и плитной огнезащитной облицовки; толщина элементов облицовки определена с учетом показателей термодиффузии ее материалов, условий нагрева балочного двутавра и нормативного предела огнестойкости несущей балки здания.

2. Огнезащищенная балка по п.1, отличающаяся тем, что элементы усиления балочного двутавра, расположенные снизу сжатой и растянутой полок балочного двутавра, выполнены в виде двух пар стальных уголков.

3. Огнезащищенная балка по п.1, отличающаяся тем, что элемент усиления балочного двутавра, расположенный снизу растянутой полки балочного двутавра, выполнен в виде стального швеллера.

4. Огнезащищенная балка по пп.1 и 3, отличающаяся тем, что толщина плитной огнезащитной облицовки принята не менее высоты полок стального швеллера.

5. Огнезащищенная балка по п.1, отличающаяся тем, что элементы усиления балочного двутавра соединены с полками балочного двутавра прерывистыми шпоночными сварными швами длиною l_ш≥50 мм с шагом шпонок U₁≤80·r_min в растянутой полке и U₂≤40·r_min - в сжатой полке; здесь r_min - радиус инерции уголка или швеллера, см.

6. Огнезащищенная балка по п.1, отличающаяся тем, что отверстия с резьбой в элементах усиления балочного двутавра для установочных винтов выполнены ⌀ 6÷20 мм с шагом 500÷1000 мм.

7. Огнезащищенная балка по п.1, отличающаяся тем, что толщина элементов огнезащитной облицовки - δ_о,mp, мм, определена по показательному уравнению (1):
,
где С - степень огнезащиты балочного двутавра, см;
D_ar - показатель термодиффузии материала облицовки, мм²/мин;
m_o - показатель условий нагрева балочного двутавра, (0,5÷1).

8. Огнезащищенная балка по п.1, отличающаяся тем, что величина предела огнезащиты отдельного слоя облицовки - τ_u,со, мин, вычислена по показательному уравнению (2):
,
где m₀₁ - показатель условий нагрева слоя облицовки (0,5÷1);
δ_co - толщина отдельного слоя огнезащитной облицовки, мм;
D_co - показатель термодиффузии слоя облицовки, мм²/мин.