СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОГНЕСТОЙКОСТИ КАМЕННЫХ СТОЛБОВ СО СТАЛЬНОЙ ОБОЙМОЙ Российский патент 2015 года по МПК G01N33/38 

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

Необходимость определения показателей огнестойкости каменных столбов, простенков и стен со стальными обоймами возникает при реконструкции здания, усилении его частей и элементов, приведении огнестойкости каменных столбов здания в соответствие с требованиями современных норм, при проведении экспертизы и/или восстановлении каменных столбов после пожара.

При реконструкции капитального здания возможно переустройство и перепланировка помещений, изменение их функционального назначения, усиления каменных столбов со стальными обоймами, замена каменных столбов и оборудования. Это влияет на изменение требуемой огнестойкости здания и его несущих конструкций.

Известен способ определения огнестойкости каменных столбов здания по результатам изучения последствий натурного пожара. Этот способ включает определение положения каменных столбов, простенков и стен в здании, оценку состояния каменных столбов со стальными обоймами путем осмотра и измерения, изготовление контрольных образцов строительной стали и камня, определение времени наступления предельного состояния по потере несущей способности конструкции, то есть обрушения 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 столбов, простенков и стен со стальной обоймой, имеющих другие размеры и другую внешнюю нагрузку. Затруднительно сопоставление полученных результатов со стандартными огневыми испытаниями аналогичных каменных столбов. Следовательно, этот способ дорог, имеет малую технологическую возможность к повторным испытаниям, трудоемок и опасен для испытателей.

Известен способ оценки огнестойкости каменных столбов со стальной обоймой по результатам натурных огневых испытаний фрагмента зданий, в котором производят осмотр конструкций, определяют влажность материала кладок, назначают статическую нормативную нагрузку на каменные столбы соответственно реальным условиям эксплуатации здания, определяют факторы, влияющие на величину предела огнестойкости/ГОСТ Р 53309-2009. Здания и фрагменты зданий. Метод натурных огневых испытаний. Общие требования (см. 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, наблюдения за состоянием каменных столбов в условиях экспериментального пожара затруднено и небезопасно, вследствие различий теплового режима опытного и стандартного пожаров затруднено определение истинных значений пределов огнестойкости каменных столбов со стальной обоймой, причины разрушения каменных столбов фрагмента здания могут быть не установлены вследствие многообразия одновременно действующих факторов пожара. Предельное состояние по огнестойкости каменных столбов со стальной обоймой 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 (см. с. 252-256) / [3].

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ определения огнестойкости каменных столбов со стальной обоймой, путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление вида камня и раствора, класса арматуры, процента косвенного армирования по объему кладки, выявление условия опирания и крепления каменных столбов, определение времени наступления предельного состояния по потере несущей способности каменных столбов со стальной обоймой под нормативной нагрузкой в условиях стандартного пожара/ ГОСТ 30247.1-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции / [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 столбов, 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 образца 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 каменных столбов со стальными обоймами по единичному показателю качества, например, по толщине, как правило, недооценивает пригодность эксплуатации каменных столбов со стальной обоймой 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 каменных столбов здания. Результаты огневых испытаний единичны и не учитывают разнообразия в закреплении концов каменных столбов (простенков, стен), их фактических размеров, влияния усиления стальной обоймой, условий обогрева опасного сечения испытуемых конструкций.

Сущность изобретения заключается в следующем. Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в установлении показателей пожароопасности здания в части гарантированной длительности сопротивления каменных столбов со стальной обоймой в условиях стандартного пожара; в определении фактических пределов огнестойкости каменных столбов, усиленных стальной обоймой, при проектировании, строительстве, реконструкции и/или эксплуатации здания; в снижении экономических затрат при испытании каменных конструкций на огнестойкость.

Технический результат - устранение огневых испытаний каменной конструкции, усиленной стальной обоймой, в здании или его фрагмента; снижение трудоемкости определения огнестойкости каменных столбов, расширение технологических возможностей определения фактической огнестойкости различно нагруженных каменных столбов, усиленных стальными обоймами любых размеров и возможность сопоставления полученных результатов с испытаниями аналогичных каменных конструкций здания; возможность проведения испытания каменных столбов, простенков и стен со стальными обоймами на огнестойкость без нарушения функционального процесса в здании; снижение экономических затрат на испытание; сохранение эксплуатационной пригодности здания при обследовании и неразрушающих испытаниях каменных столбов; упрощение условий и сокращение сроков испытания каменных столбов на огнестойкость; использование математической полипараметрической зависимости для определения огнестойкости каменных столбов со стальной обоймой; повышение точности и экспрессивности испытания; использование интегральных конструктивных параметров для определения огнестойкости каменных конструкций и упрощение математического описания процесса термического сопротивления нагруженных каменных столбов со стальной обоймой; повышение достоверности результатов испытаний группы однотипных каменных столбов; уточнение единичных показателей качества каменных столбов со стальной обоймой, влияющих на их огнестойкость; возможность определения гарантированного предела огнестойкости каменных столбов, простенков и стен, усиленных обоймами, по конструктивным параметрам.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе определения огнестойкости каменных столбов со стальной обоймой путем испытания, включающем проведение технического осмотра, установление вида кладки, марок кирпича, камня и раствора кладки, выявление условий опирания и крепления каменных столбов, испытание каменных столбов без разрушения, с использованием комплекса единичных показателей качества каменных столбов, назначение числа и места расположения контрольных участков; инструментальные измерения геометрических размеров каменных столбов в опасных сечениях, выявление прочности камня и раствора, определение размеров и формы камней, площади сечения кладки; выявление схемы нагрева опасных сечений каменных столбов при пожаре; определение показателя термодиффузии кладки в условиях пожара; нахождение временного сопротивления сжатию кладки; выявление величины нормативной нагрузки на каменные столбы при испытании на огнестойкость и величины интенсивности силовых напряжений в опасных сечениях, определение времени наступления предельного состояния по огнестойкости каменных столбов под нормативной нагрузкой, особенность заключается в том, что технический осмотр дополняют инструментальными измерениями геометрических размеров стальной обоймы в опасных сечениях каменных столбов, измерениями размеров поперечных сечений уголковых стержней и поперечных планок стальной обоймы, шага поперечных планок, выявляют условия передачи испытательной нагрузки на стальную обойму, состояние кладки, устанавливают классы по прочности стали уголковых стержней и поперечных планок; выявляют марку и вид строительного раствора, нанесенного на стальную обойму, находят показатели термодиффузии для строительного раствора и стали, толщину растворного покрытия уголковых стержней стальной обоймы, степень огнезащиты стальной обоймы строительным раствором, время сопротивления огневому воздействию стальной обоймы без растворного покрытия; выявляют расчетное сопротивление стали на сжатие и растяжение, устанавливают нагрузку, воспринимаемую стальной обоймой, интенсивность напряжений в поперечном сечении уголковых стержней стальной обоймы, и, используя полученные единичные показатели качества каменных столбов со стальной обоймой, вычисляют предел огнестойкости по потере несущей способности F_u(R) мин, по алгебраической формуле (1)

где F_u(R) - предел огнестойкости каменного столба со стальной обоймой по несущей способности, мин; τ_u,_co - время сопротивления огневому воздействию стальной обоймы, покрытой строительным раствором до потери ею несущей способности, мин;

τ_u,kk - время сопротивления огневому воздействию остова каменного столба до потери несущей способности, мин.;

при этом τ_u,_co определяют по полипараметрической зависимости (2)

где τ_u,со - время сопротивления огневому воздействию до потери несущей способности стальной обоймы, покрытой строительным раствором, мин; J_σs - интенсивность силовых напряжений в сечении уголковых стержней стальной обоймы; С - степень огнезащиты стальной обоймы строительным раствором, определяемая по математическому выражению (3)

где m_o - показатель условий нагрева уголкового стержня стальной обоймы при двухсторонней подводке тепла к нему в условиях огневого испытания; δ_o,min - минимальная толщина покрытия уголкового стержня стальной обоймы строительным раствором, мм; D_ar- показатель термодиффузии для растворного покрытия уголковых стержней стальной обоймы, мм²/мин.

τ_us ⁼(10÷15) мин - время сопротивления огневому воздействию стальной обоймы без изоляционного покрытия до потери несущей способности вычисляют по алгебраической формуле (4)

где T_sr - приведенная толщина металла, см; е=2,718 - натуральное число;

интенсивность силовых напряжений в поперечном сечении уголковых стержней стальной обоймы вычисляют по математической зависимости (5)

где J_σs - интенсивность силовых напряжений в поперечном сечении уголковых стержней стальной обоймы; N_p - нормативная нагрузка на каменные столбы со стальной обоймой в условиях огневого испытания, кН; N_k - нагрузка, воспринимаемая каменными столбами без учета усиления стальной обоймой, кН; A_s′ - площадь поперечного сечения уголковых стержней стальной обоймы, см²; R_sω - расчетное сопротивление на сжатие стали уголковых стержней стальной обоймы, МПа;

причем величину нормативной испытательной нагрузки на каменные столбы со стальной обоймой (N_p, кН) вычисляют по математическому выражению (6)

где N_p - нормативная нагрузка на каменные столбы со стальной обоймой при испытании на огнестойкость, кН; N_cc - расчетная несущая способность каменных столбов, усиленных стальной обоймой, кН;

при этом τ_u,_kk вычисляют по полипараметрической зависимости (7)

где τ_u,kk - время сопротивления огневому воздействию остова каменного столба без стальной обоймы, мин; h_min - минимальный геометрический размер поперечного сечения каменного столба, см; J_σo - интенсивность силовых напряжений в опасном сечении каменного столба без стальной обоймы (0,1÷1); m_об - коэффициент условий обогрева поперечного сечения каменного столба, вычисляемый по формуле (8)

φ_в - коэффициент продольного изгиба остова каменного столба (0,1÷1); D_kk - показатель термодиффузии для кладки каменного столба, мм²/мин;

R_u - временное сопротивление сжатию кладки, МПа.

J_σo вычисляют по математической зависимости (9)

где J_σo - интенсивность силовых напряжений в кладке каменного столба без учета стальной обоймы (0,1÷0,95); N_p - нормативная испытательная нагрузка на каменный столб, усиленный стальной обоймой, кН; N_cc - расчетная несущая способность каменного столба, усиленного стальной обоймой, кН; γ_o - коэффициент уровня ответственности каменного столба здания (0,8÷1,1); φ_в вычисляют по математическому выражению (10)

где ξ_к - показатель деформативности кладки, который для прямоугольного сечения каменных столбов вычисляют по математическому выражению (11)

где α - упругая характеристика неармированной кладки (табл. 15 СНиП II-22);

h_min ^_ минимальный геометрический размер прямоугольного поперечного сечения каменных столбов, см; L_o - расчетная высота каменных столбов, см.

Разрушающую нагрузку каменной конструкции без учета усиления стальной обоймой в условиях огневого испытания (N_u, кН) вычисляют по математическому выражению (12)

где ψ - коэффициент, учитывающий эксцентриситет (е₀) приложения нагрузки (формула (74), с. 32 [6]): ψ=1-2- e₀/h;

φ_в - коэффициент продольного изгиба сжатой каменной конструкции; m_k -коэффициент условия работы кладки каменной конструкции (для кладки с трещинами m_k=0,7); R - расчетное сопротивление сжатию каменной кладки, МПа; А - площадь поперечного сечения остова каменной конструкции, см².

За единичные показатели качества каменных столбов со стальной обоймой, влияющих на величину предела огнестойкости, принимают: геометрические размеры опасного сечения, высоту и размеры сторон поперечного сечения столба, условия опирания столбов на основание, толщину швов кладки; временное сопротивление сжатию неармированной кладки, процент поперечного армирования соединительными планками стальной обоймы по объему кладки, класс стали по прочности на сжатие и растяжение, нормативное сопротивление строительной стали в стальной обойме; упругую характеристику неармированной кладки, параметры продольного изгиба каменных столбов, показатели влажности, плотности, теплопроводности и удельной теплоемкости неармированной кладки, показатели термодиффузии материалов кладки и стальной обоймы; величину нормативной нагрузки на каменные столбы при испытании на огнестойкость, величину интенсивности силовых напряжений в их опасных сечениях.

Неразрушающие испытания проводят для группы однотипных каменных столбов со стальными обоймами различая между прочностью кладки и текучестью стали которых обусловлены главным образом случайным фактором.

Число испытаний n_ис единичного показателя качества однотипных каменных столбов со стальными обоймами, при вероятности результата 0,95 и погрешности 5%, принимают по алгебраической формуле (13)

где υ - выборочный коэффициент вариации результатов испытаний, %.

Схему обогрева поперечных сечений испытуемых каменных столбов со стальной обоймой в условиях стандартного огневого испытания определяют в зависимости от фактического расположения частей здания.

В случае, когда все единичные показатели качества каменных столбов со стальными обоймами, при М боле 9 шт., находятся в контрольных пределах, минимальное целое число столбов в выборке по плану сокращенных испытаний М_мин, шт., назначают из условия (14)

где М- число однотипных конструкций в здании, шт.

В случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества каменных столбов со стальными обоймами выходит за границы контрольных пределов, минимальное число столбов в выборке по норме вычисляют по алгебраической формуле (15)

В случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества каменных столбов со стальными обоймами выходит за границы допустимых пределов или М≤5 шт., неразрушающему испытанию подвергают все однотипные каменные столбы здания поштучно.

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

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

Снижение экономических затрат на проведение испытания предусматривают за счет уменьшения расходов на возведение специальных печей и огневые испытания образцов конструкций. Применение математического описания процесса сопротивления каменных столбов со стальной обоймой стандартному огневому испытанию и использование построенных математических полипараметрических зависимостей повышает точность и экспрессивность оценки их огнестойкости.

Применение полипараметрических зависимостей (2) и (3) удобно вследствие простоты и возможности решения обратных задач огнестойкости каменных столбов, усиленных стальными обоймами, и применения метода подбора переменных значений их конструктивных параметров.

В предложенном техническом решении предусматривают проведение испытаний не одной, а группы однотипных каменных столбов. Это позволяет в 5-10 раз увеличить число испытываемых конструкций и повысить достоверность результатов испытаний и технического осмотра здания. Определение огнестойкости каменных столбов только по одному показателю качества, например, по толщине сечения, приводит, как правило, к недооценке их предела огнестойкости, поскольку влияние на него вариаций единичных показателей качества каменных столбов имеют различные знаки, и снижение огнестойкости за счет одного показателя может быть компенсировано другими. Вследствие этого в предложенном способе оценку огнестойкости каменных столбов предусматривают не по одному показателю, а по комплексу единичных показателей их качества. Это позволяет более точно учесть реальный ресурс огнестойкости каменных столбов со стальными обоймами.

Уточнен комплекс единичных показателей качества каменных конструкций, влияющих на их пределы огнестойкости, определяемых неразрушающими испытаниями. Уточнено минимальное число неразрушающих испытаний единичного показателя качества каменных столбов со стальными обоймами. Принятая величина выборки из общего числа однотипных каменных столбов здания обеспечивает достоверность, снижает сроки и трудоемкость проведения испытаний.

На фиг. 1, 2 и 3 изображены каменный столб со стальной обоймой; схемы приложения нормативной (силовой) нагрузки (Nρ, кН) и температурного воздействия (t,°C) в условиях стандартного огневого испытания; продольное сечение 1-1 (фиг. 1), поперечное сечение 2-2 (фиг. 2) и 3-3 (фиг. 3): 1 - остов кирпичного столба; 2 - уголковые стержни стальной обоймы; 3 - поперечные планки стальной обоймы; 4 - сварные швы; 5 - металлическая сетка; 6 - защитный слой строительного раствора; 7 - точка приложения силовой нагрузки в плане сечения; 8 - нормативная (силовая) нагрузка при испытании конструкции на огнестойкость; 9 - центр тяжести (ЦТ) поперечного сечения каменной конструкции; 10 - эксцентриситет продольной силы относительно ЦТ сечения (е₀, мм); 11 - направление действия температуры стандартного огневого испытания - t_cт,°С.

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

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного выше технического результата. Последовательность действий способа определения огнестойкости каменных столбов со стальной обоймой здания состоит в следующем.

Сначала проводят визуальный осмотр здания. Затем определяют группу однотипных каменных столбов со стальными обоймами и их общее число в ней. Вычисляют величину выборки однотипных каменных конструкций.

Назначают комплекс единичных показателей качества каменных столбов (простенков, стен), влияющих на огнестойкость. Выявляют условия закрепления концов и опасные сечения каменных столбов.

Вычисляют число испытаний единичного показателя качества каменных столбов со стальными обоймами в зависимости от его статистической изменчивости. Затем оценивают единичные показатели качества каменных столбов со стальными обоймами и их интегральные параметры, и, наконец, по ним находят фактический предел огнестойкости испытываемых каменных столбов.

Под визуальным осмотром понимают проверку состояния каменных столбов со стальными обоймами, включающую выявление условий закрепления и нагрузки отдельных каменных столбов, определение марки кирпича и раствора, наличие трещин и отколов, минимальный размер толщины каменных столбов, показатели косвенного армирования столбов соединительными планками стальной обоймы (размеры ячеек, шаг планок, процент армирования кладки); класс строительной стали по прочности на сжатие и растяжение; условия обогрева поперечного сечения каменных столбов, простенок стен, показатели термодиффузии неармированной кладки при пожаре, упругую характеристику кладки; величину нормативной нагрузки на каменные столбы при испытании на огнестойкость; условия работы каменной кладки до ее усиления стальной обоймой.

В процессе осмотра определяют группы однотипных элементов конструкций. Под группой элементов каменных конструкций в здании понимают однотипные каменные столбы, простенки, стеньг со стальными обоймами, изготовленные и возведенные в сходных технологических условиях и находящихся в подобных условиях эксплуатации.

14

Для поверочных расчетов несущей способности каменных столбов со стальной обоймой определяют: высоту и толщину столбов, расстояние между перекрытиями здания, отношение высоты столбов к их толщине; вид опор каменных столбов: жесткие (L₀-0,7·H), упругие; толщину растворного шва под опорами; вид каменной кладки: из кирпича или керамических камней, из бетонных или природных камней; из ячеисто-бетонных камней; тип кладки в зависимости от марки кирпича и камней; группу кладки в зависимости от марки раствора; вид кладки: армированная, неармированная; класс строительной стали уголковых стержней и поперечных планок стальной обоймы, геометрические размеры стальных профилей и пластин, нормативные и расчетные сопротивления сталей на растяжение и сжатие.

Минимальное целое число конструкций в выборке по плану нормальных или сокращенных испытаний назначают из условий (14 и 15).

Пример 1. При числе однотипных каменных столбов в группе М=100 шт., число испытуемых принимают по норме М_н=5+М^0,5=5+100^0,5=15 шт., по сокращенному плану М_мин=0,3·(15+М⁰′⁵)=0,3·(15+100⁰⁵)≅8 _шт.

При числе каменных столбов в группе М≤5, их проверяют поштучно.

Число и место расположения участков, в которых определяют показатели качества каменных столбов, определяют так. В каменных столбах, имеющих одно опасное сечение, участки располагают только в этом сечении. В каменных столбах, имеющих несколько опасных сечений, испытуемые участки располагают равномерно по поверхности с обязательным расположением части участков в опасных сечениях.

К основным единичным показателям качества каменных столбов со стальными обоймами, определяющих огнестойкость, относятся: геометрические размеры столбов и минимальные размеры толщины опасного сечения; условия опирания и обогрева столбов, величина коэффициента продольного изгиба; прочность каменной кладки на сжатие, влажность, плотность, теплопроводность и теплоемкость в естественных условиях; показатель термодиффузии каменной кладки и строительного раствора в условиях пожара; процент косвенного армирования каменной кладки; интенсивность напряжений в опасном сечении; толщина покрытия стальной обоймы строительным раствором.

Проверяемыми геометрическими размерами являются: минимальный размер толщины столбов и их высота. Опасные сечения каменных столбов назначают в местах наибольших моментов от действия нормативной нагрузки при испытаниях на огнестойкость, с учетом изменения величины коэффициента продольного изгиба столбов по их высоте (длине). Размеры стен проверяют с точностью ±1 мм; ширину трещин - с точностью до 0,05 мм; толщину уголковых стержней и соединительных планок - с точностью 0,1 мм. Проверку прочности строительной стали 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 термодиффузии каменной кладки и строительного раствора в условиях теплового воздействия определяют при 450°С. Для расчета интегрального его параметра определяют плотность каменной кладки и строительного раствора в естественном состоянии, их влажность, а так же коэффициент теплопроводности и удельную теплоемкость кладки при 450°С.

Используя полученные параметры J_σs; m_o; δ_o,min; D_ar, мм²/мин; τ_us, мин, - по полипараметрической зависимости (2) вычисляют время сопротивления огневому воздействию стальной обоймы - τ_u,_со, мин.

Используя параметры m_oδ; k_oп; φ_в; h_min, мм; J_σo; D_kk, мм²/мин; R_su, МПа; по полипараметрической зависимости (8) находят время сопротивления огневому воздействию остова каменного столба после выведения из работы стальной обоймы, τ_u,_kk, мин.

Предел огнестойкости каменных столбов по потере несущей способности F_u(R), мин, вычисляют как сумму величин (τ_u,_co+τ_u,_kk).

Пример 2. Определение огнестойкости каменного столба со стальной обоймой. Исходные данные: Условия огневого испытания принимают по ГОСТ 30247.0-94; уровень ответственности конструкций здания повышенный - γ_o=1,1 (закон ФЗ №384-2010); размеры поперечного сечения остова кирпичного столба b×h_min=54×54 см; площадь сечения А=0,54²=0,292·10³ см²; коэффициент условий обогрева сечения столба при 4-сторонней подводке тепла (Р=Р_об); коэффициент m_об=(Р/Р_o)^1,2=1; расчетная высота столба L₀=H=480 см; вид и марка силикатного кирпича М-100, марка раствора М-50.

Расчетное сопротивление сжатию кладки R=l,5 МПа (табл. 2 СНиП II-22); временное сопротивление кладки сжатию R_u=2·R=2·1,5=3 МПа.

Уголковые стержни стальной обоймы из строительной стали С 245 в виде продольных уголков 4^L - 50×50×5 мм площадь сечения уголковых стержней A′_s=4·4,8=19,2 см²; расчетное сопротивление на сжатие стали уголков R_sc=240 МПа (при передачи нагрузки на стальную обойму с двух сторон); толщина огнезащиты строительным раствором δ₀=35 мм; поперечные планки стальной обоймы - полоса сечением 30×8 мм; A_s=2,4 см², сталь С 235; процент косвенного армирования µ_х=0,35%; шаг планок S=35cm; расчетное сопротивление планок стальной обоймы R_sω=230 МПа. Упругая характеристика неармированной кладки α=750 (табл. 15 СНиП II-22 [6]).

Показатель деформативности кладки вычисляют по формуле (12)

ξ_k=0,75·α·(h_min/L₀)2=0,75·750·(54/480)²=7,12.

Коэффициент продольного изгиба кирпичного столба вычисляют по формуле (11)

φ_в=ξ_k/ξ_k+1)=7,12/8,12=0,877.

Нормативная нагрузка при испытании на огнестойкость Nρ, кН, приложена с эксцентриситетом e₀=5 см, следовательно:

ψ=1-2·e₀/h_min=1-2·5/54=0,815; n=1-4·е₀/h_min=1-4·5/54=0,63.

Коэффициент влияния длительного воздействия нагрузки rn_g=l; коэффициент вида материала каменной кладки k=0,8; коэффициент условий работы кладки с трещинами m_k=0,7; коэффициент условий опирания столба на основание k_оп=0,75.

Расчетную несущую способность кирпичного столба со стальной обоймой вычисляют по формуле (71) [6]

N_cc=ψ·φ_в·[(m_k·R+{2,5µ}/{l+2,5·µ}·{n₁·R_sω)}/100)·A+R_sc·A′_s]=0,815·0,877·[(0,7·1,5+{2,5·0,35}/{1+2,5·0,35}·{0,63·230}/100·0,292+240·19,2·10^-4]·10³=820,3 кН.

Нормативную нагрузку на кирпичный столб со стальной обоймой при испытании на огнестойкость вычисляют по алгебраической формуле (6)

N_ρ=k_f·N_ss≈0,7·820,3=574,24 кН.

Нагрузку, воспринимаемую остовом каменного столба (без учета усиления стальной обоймой) вычисляют по алгебраической формуле (7)

N_u=ψ·φ_в·m_k·R·A=0,815·0,877·0,7·l,5·0,292·10³=219 кН (22,2 mc).

Интенсивность силовых напряжений в поперечном сечении уголковых стержней стальной обоймы вычисляют по формуле (5)

J_σs=(N_ρ-N_k)/(A′_s·R_sc)·10^-1=(574,24-218,7)/(19,2·240)·10^-1=0,771.

Время сопротивления уголковых стержней без изоляционного покрытия вычисляют по алгебраической формуле (4)

τ_us=110·[(1-J_σs)^1/2-0,5]+6·T_sr=110·[(l-0,771)^1/2-0,5]+6·0,5=27,6 мин.

Степень огнезащиты уголковых стержней стальной обоймы строительным раствором (m_o=0,5; δ_0,мин ⁼35 мм; D_pac=20,l мм²/мин) вычисляют по формуле (3)

C=l,4·m_o·δ₀,_min/D_pac ^0,8=l,4·0,5·35/20,1^0,8=2,22.

Время сопротивления огневому воздействию стальной обоймы, покрытой строительным раствором, вычисляют по формуле (2)

τ_u,_со=48·(1-J_σs)³·e^c+σ_u,s=48·(l-0,771)³·e^2,22+27,6=32,87 мин.

Интенсивность напряжений в опасном сечении остова каменного столба здания повышенного уровня ответственности (γ₀=1,1) после выхода из работы стальной обоймы вычисляют по формуле (10)

J_σo=N_ρ/(N_cc·γ₀)=574,24/(820,3·1,1)=0,636.

При величине показателя термодиффузии для каменной кладки из силикатного кирпича (плотностью γ=1800 кг/м³) равной D_kk=24,l мм²/мин, время сопротивления огневому воздействию остова каменного столба без учета усиления стальной обоймой вычисляют по формуле (7)

τ_u,kk ⁼[5·h_min ²(l-J_σо)²·φ_в·k_сил·m_o6]/(D_kk ²·R_u ^0,25)=[5·(540)²·(1-0,636)²·0,877·0,8·1]/(24,1²·3^0,25)=221,6 мин.

Предел огнестойкости кирпичного столба, усиленного стальной обоймой, по признаку потери несущей способности в условиях огневого испытания, F_u(R), мин, вычисляют по алгебраической формуле (1)

F_u(R)=τ_u,co+τ_u,kk=32,87+221,6=254,5 мин (4,2 ч).

Пример 3. Основные исходные данные приняты по примеру 2; продольные уголковые стержни установлены без непосредственной передачи нагрузки на стальную обойму; расчетное сопротивление растяжению для стали С 245 поперечных планок стальной обоймы R_sω=230 МПа; для стали С345 уголковых стержней расчетное сопротивление сжатию R_sc,1=55 МПа.

Расчетную несущую способность кирпичного столба с навесной стальной обоймой вычислим по формуле (71) [6]

N_cc,₁=ψ·φ_в·[(m_k·R+{2,5·µ}/{l+2,5·µ}·{n₁·R_sω}/100)·A+R_sc,1·A′_s]=0,815·0,877·[(0,7·l,5+{2,5·µ}/{l+2,5·µ}·{0,63·230}/100)·0,292+55·19,2·10^-4]·10³=0,715·(0,504+1056·10^-4)·10³=436 кН=44 mc.

Нормативная нагрузка на кирпичный столб с навесной стальной обоймой при испытании на огнестойкость:

N_ρ,1=0,7·N_cc,₁=0,7·436=305 кН (30,8 mc).

Интенсивность силовых напряжений в сечении остова кирпичного столба:

J_σ0=N_ρ,1(N_cc,_1·γ₀)=305/(436·1,1)=0,636.

Навесная стальная обойма, облицованная строительным раствором, является теплоизоляционным слоем для остова каменного столба; толщина слоя строительного раствора:

δ=δ_o+δ_уг+δ_пл+2·z=25+5+8+2·1=40 мм (4 см);

площадь сечения уголковых стержней и соединительных планок:

A_s=54·0,8·4+192=173 см²;

площадь сечения строительного раствора: А_рас=58²-54²=448 см²;

площадь сечения остова каменного столба: А=2920 см²;

суммарная площадь приведенного сечения А_сум=3430 см².

Приведенную величину показателя термодиффузии для изоляционного покрытия остова столба (материалы стальной обоймы со строительным раствором) вычислим по алгебраической формуле

D_u=(A_s·D_s+A_pac·D_pac)/A_pac=(210·461,4+448·20,1)/448=236,4 мм²/мин.

Приведенная толщина изоляционного покрытия остова кирпичного столба к материалу кладки: δ_r=(δ·D_kk)/D_µ=(40·24,l)/236,4=4 м=0,4 см; следовательно, расчетная толщина остова кирпичного столба:

H_min=h_min+δ_r=54+0,4=54,4 см.

Время сопротивления огневому воздействию остова кирпичного столба с навесной стальной обоймой по потере несущей способности вычислим по полипараметрической зависимости (7):

F_u(R)=[5·h_min ² _·(1-J_σ0)²·φ_в·m_обK_сил]/(D_kk ²·R_u ^0,25)=[5·(544)²·(1-0,636)²·0,877·1·0,8]/(24,1²·3^0,25)=180 мин (3 ч).

Предложенный способ применен при натурном осмотре каменных столбов жилого здания в г. Самаре. В результате неразрушающих испытаний каменных столбов со стальной обоймой (4 L 50×50×5 мм; С 245; b×h=54,0×54,0 см; µ_к=0,35%; φ_в=0,877; L_o=480 см; N_c=48 кН) - выявлен предел огнестойкости по потери несущей способности F_U(R)=175 мин. 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. ГОСТ 53309-2009. Здания и фрагменты зданий. Метод натурных огневых испытаний. Общие требования (см. с. 6-9).

3. Бушев В.П. Огнестойкость зданий / В.П. Бушев, В.А. Пчелинцев, B.C. Федоренко, А.И. Яковлев. - М.: Стройиздат, 1970; (см. с. 252-256).

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

5. Патент №2357246 RU, МПК-7 G01N 31/38. Способ определения огнестойкости каменных столбов с сетчатым армированием/ Ильин Н.А., Тюрников В.В., Эсмонт СВ.; заяв. СГАСУ 04.05.09; опубл. 10.05.2009, Бюл. №25.

6. Каменные и арокаменные конструкции. Пособие по проектированию (к СНиП II-22-81) - М.; 1989. - 150 с.

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий, в частности оно может быть использовано для классификации каменных столбов, простенков и стен со стальными обоймами по показателям сопротивления их воздействию пожара. Сущность изобретения: испытание каменных столбов со стальной обоймой проводят без разрушения по комплексу единичных показателей качества, оценивая величину фактического предела огнестойкости по потере несущей способности. Для этого определяют геометрические размеры каменных столбов со стальной обоймой, условия опирания и обогрева конструкции, величину коэффициента продольного изгиба, показатели плотности, влажности, теплопроводности, теплоемкости и термодиффузии материала каменных столбов со стальной обоймой, процент армирования соединительными планками стальной обоймы; величину нормативных нагрузок при испытании на огнестойкость и степень напряжения опасных сечений каменной конструкции. Предел огнестойкости каменных столбов со стальной обоймой определяют по полипараметрической математической зависимости. Достигается снижение трудоемкости, повышение точности, достоверности, информативности и ускорение испытаний. 8 з.п. ф-лы, 3 прим., 3 ил.

1. Способ определения огнестойкости каменных столбов со стальной обоймой путем испытания, включающий проведение технического осмотра, установление вида кладки, марок кирпича, камня и раствора кладки, выявление условий опирания и крепления каменных столбов, испытание каменных столбов без разрушения, с использованием комплекса единичных показателей качества каменных столбов, назначение числа и места расположения контрольных участков; инструментальные измерения геометрических размеров каменных столбов в опасных сечениях, выявление прочности камня и раствора, определение размеров и формы камней, площади сечения кладки; выявление схемы нагрева опасных сечений каменных столбов при пожаре; определение показателя термодиффузии кладки в условиях пожара; нахождение временного сопротивления сжатию кладки; выявление величины нормативной нагрузки на каменные столбы при испытании на огнестойкость и величины интенсивности силовых напряжений в опасных сечениях, определение времени наступления предельного состояния по огнестойкости каменных столбов под нормативной нагрузкой, отличающийся тем, что технический осмотр дополняют инструментальными измерениями геометрических размеров стальной обоймы в опасных сечениях каменных столбов, измерениями размеров поперечных сечений уголковых стержней и поперечных планок стальной обоймы, шага поперечных планок, выявляют условия передачи испытательной нагрузки на стальную обойму, состояние кладки, устанавливают классы по прочности стали уголковых стержней и поперечных планок; выявляют марку и вид строительного раствора, нанесенного на стальную обойму, находят показатели термодиффузии для строительного раствора и стали, толщину растворного покрытия уголковых стержней стальной обоймы, степень огнезащиты стальной обоймы строительным раствором, время сопротивления огневому воздействию стальной обоймы без растворного покрытия; выявляют расчетное сопротивление стали на сжатие и растяжение, устанавливают нагрузку, воспринимаемую стальной обоймой, интенсивность напряжений в поперечном сечении уголковых стержней стальной обоймы, и, используя полученные единичные показатели качества каменных столбов со стальной обоймой, вычисляют предел огнестойкости по потере несущей способности F_u(R), мин, по алгебраической формуле (1)
F_u(R)=τ_u,_co+τ_u.kk;
где F_u(R) - предел огнестойкости каменного столба со стальной обоймой по несущей способности, мин; τ_u,_со - время сопротивления огневому воздействию стальной обоймы, покрытой строительным раствором, до потери ею несущей способности, мин; τ_u,kk - время сопротивления огневому воздействию остова каменного столба до потери несущей способности, мин; при этом τ_u,со определяют по полипараметрической зависимости (2)
τ_u,co=48·(l-J_σs)³·e^C+τ_us,
где τ_u,со - время сопротивления огневому воздействию до потери несущей способности стальной обоймы, покрытой строительным раствором, мин; J_σs - интенсивность силовых напряжений в сечении уголковых стержней стальной обоймы; С - степень огнезащиты стальной обоймы строительным раствором, определяемая по математическому выражению (3)
C=l,4·m_o·δ_o,_min/D^0,8 _ar;
где m₀ - показатель условий нагрева уголкового стержня стальной обоймы при двухсторонней подводке тепла к нему в условиях огневого испытания;
δ_0,min - минимальная толщина покрытия уголкового стержня стальной обоймы строительным раствором, мм; D_ar - показатель термодиффузии для растворного покрытия уголковых стержней стальной обоймы, мм²/мин;
τ_us=(10÷15) мин - время сопротивления огневому воздействию стальной обоймы без изоляционного покрытия до потери несущей способности вычисляют по алгебраической формуле (4)
τ_us=110·[(l-J_σs)^1/2-0,5]+6·T_sr;
где T_sr - приведенная толщина металла, см; е=2,7128 - натуральное число;
интенсивность силовых напряжений в поперечном сечении уголковых стержней стальной обоймы вычисляют по математической зависимости (5)
J_σs=(N_ρ-N_k)/A_s′·R_sω;
где J_σs - интенсивность силовых напряжений в поперечном сечении уголковых стержней стальной обоймы; N_ρ - нормативная нагрузка на каменные столбы со стальной обоймой в условиях огневого испытания, кН; N_k - нагрузка, воспринимаемая каменными столбами без учета усиления стальной обоймой, кН; A_s′ - площадь поперечного сечения уголковых стержней стальной обоймы, см²; R_sω - расчетное сопротивление на сжатие стали уголковых стержней стальной обоймы, МПа;
причем величину нормативной испытательной нагрузки на каменные столбы со стальной обоймой (N_ρ, кН) вычисляют по математическому выражению (6)
N_ρ=0,7·N_cc;
где N_ρ - нормативная нагрузка на каменные столбы со стальной обоймой при испытании на огнестойкость, кН; N_cc - расчетная несущая способность каменных столбов, усиленных стальной обоймой, кН;
при этом τ_u,kk вычисляют по полипараметрической зависимости (7)
τ_u,kk=[5·h² _min·(l-J_σo)²·φ_в·m_o6]/(D² _kk·R_u ^0,25);
где τ_u,kk - время сопротивления огневому воздействию остова каменного столба без стальной обоймы, мин; h_min - минимальный геометрический размер поперечного сечения каменного столба, см; J_σo - интенсивность силовых напряжений в опасном сечении каменного столба без стальной обоймы (0,1÷1);
m_об - коэффициент условий обогрева поперечного сечения каменного столба, вычисляемый по алгебраической формуле (8)
m_o6=(P/P_o)^1,2;
φ_в - коэффициент продольного изгиба остова каменного столба (0,1÷1);
D_kk - показатель термодиффузии для кладки каменного столба, мм²/мин;
R_u - временное сопротивление сжатию кладки, МПа;
J_σo вычисляют по математической зависимости (9)
J_σo=N_ρ/(N_cc·γ_o);
где J_σo - интенсивность силовых напряжений в кладке каменного столба без учета стальной обоймы (0,1÷0,95); N_ρ - нормативная испытательная нагрузка на каменный столб, усиленный стальной обоймой, кН; N_cc - расчетная несущая способность каменного столба, усиленного стальной обоймой, кН; γ_о - коэффициент уровня ответственности каменного столба здания (0,8÷1,1); φ_в вычисляют по математическому выражению (10)
φ_в=ξ_k/(ξ_k+1);
где ξ_k - показатель деформативности кладки, который для прямоугольного сечения каменных столбов вычисляют по математическому выражению (11)
ξ_k=0,75·α·(h_min/L_o)²;
где α - упругая характеристика неармированной кладки; h_min - минимальный геометрический размер прямоугольного поперечного сечения каменных столбов, см; L_o - расчетная высота каменных столбов, см.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разрушающую нагрузку каменной конструкции без учета усиления стальной обоймой в условиях огневого испытания (N_u, кН) вычисляют по математическому выражению (12)
N_u=ψ·φ_в·m_k·R·А;
где - коэффициент, учитывающий эксцентриситет (е₀) приложения нагрузки: ψ=l-2·e₀/h;
φ_в - коэффициент продольного изгиба сжатой каменной конструкции;
m_k - коэффициент условия работы кладки каменной конструкции (для кладки с трещинами m_k - 0,7); R - расчетное сопротивление сжатию каменной кладки, МПа; А - площадь поперечного сечения остова каменной конструкции, см².

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что за единичные показатели качества каменных столбов со стальной обоймой, влияющих на величину предела огнестойкости, принимают: геометрические размеры опасного сечения, высоту и размеры сторон поперечного сечения столба, условия опирания столбов на основание, толщину швов кладки; временное сопротивление сжатию неармированной кладки, процент поперечного армирования соединительными планками стальной обоймы по объему кладки, класс стали по прочности на сжатие и растяжение, нормативное сопротивление строительной стали в стальной обойме; упругую характеристику неармированной кладки, параметры продольного изгиба каменных столбов, показатели влажности, плотности, теплопроводности и удельной теплоемкости неармированной кладки, показатели термодиффузии материалов кладки и стальной обоймы; величину нормативной нагрузки на каменные столбы при испытании на огнестойкость, величину интенсивности силовых напряжений в их опасных сечениях.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что неразрушающие испытания проводят для группы однотипных каменных столбов со стальными обоймами, различая между прочностью кладки и текучестью стали которых обусловлены главным образом случайным фактором.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что число испытаний n_ис единичного показателя качества однотипных каменных столбов со стальными обоймами, при вероятности результата 0,95 и погрешности 5%, принимают по алгебраической формуле (13)
n_ис=0,15·υ²≥6;
где υ - выборочный коэффициент вариации результатов испытаний, %.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что схему обогрева поперечных сечений испытуемых каменных столбов со стальной обоймой в условиях стандартного огневого испытания определяют в зависимости от фактического расположения частей здания.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае, когда все единичные показатели качества каменных столбов со стальными обоймами, при М более 9 шт., находятся в контрольных пределах, минимальное целое число столбов в выборке по плану сокращенных испытаний М_мин, шт., назначают из условия (14)
М_мин=0,3·(15+M^0,5)≥5;
где М - число однотипных конструкций в здании, шт.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества каменных столбов со стальными обоймами выходит за границы контрольных пределов, минимальное число столбов в выборке по норме вычисляют по алгебраической формуле (15)
М_н=5+М^0,5≥8.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества каменных столбов со стальными обоймами выходит за границы допустимых пределов или М≤5 шт., неразрушающему испытанию подвергают все однотипные каменные столбы здания поштучно.