СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОГНЕСТОЙКОСТИ КИРПИЧНЫХ СТОЛБОВ С ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ 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 кирпичных столбов с железобетонной обоймой зданий по показателям сопротивления их воздействию пожара. Это дает возможность обоснованного использования существующих кирпичных столбов с фактическим пределом огнестойкости в зданиях различных классов по их конструктивной пожарной опасности.

Необходимость определения показателей огнестойкости кирпичных столбов с железобетонной обоймой возникает при реконструкции здания, усилении его частей и элементов, приведении огнестойкости кирпичных столбов здания в соответствие с требованиями современных норм, при проведении экспертизы, реконструкции и/или восстановлении кирпичных столбов после пожара.

При реконструкции здания возможно переустройство и перепланировка помещений, изменение их функционального назначения, усиление кирпичных столбов. Это влияет на изменение требуемой огнестойкости здания и его несущих конструкций.

Известен способ определения огнестойкости кирпичных столбов здания по результатам изучения последствий натурного пожара. Этот способ включает определение положения столбов в здании, оценку состояния столбов путем осмотра и измерения, изготовление контрольных образцов арматурной стали, кирпича и камня, определение времени наступления предельного состояния по потере несущей способности конструкции, то есть обрушения в условиях действия внешней нагрузки и огневого воздействия / 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 кирпичных столбов, имеющих другие размеры и другую внешнюю нагрузку. Затруднительно сопоставление полученных результатов со стандартными огневыми испытаниями аналогичных кирпичных столбов. Следовательно, этот способ дорог, имеет малую технологическую возможность к повторным испытаниям, трудоемок и опасен для испытателей.

Известен способ оценки огнестойкости кирпичных столбов с железобетонной обоймой по результатам огневых испытаний фрагмента здания, в котором производят осмотр конструкций, определяют влажность бетона и кладки, назначают статическую нагрузку на конструкцию соответственно реальным условиям эксплуатации здания, определяют факторы, влияющие на огнестойкость испытуемых конструкций, и величину предела огнестойкости / ГОСТ Р 53309-2009. Здания и фрагменты зданий. Метод натурных огневых испытаний. Общие требования / [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 кирпичных столбов в условиях экспериментального пожара затруднено и небезопасно, вследствие различий теплового режима опытного и стандартного пожаров, затруднено определение истинных значений пределов огнестойкости кирпичных столбов, причины разрушения кирпичных столбов фрагмента могут быть не установлены вследствие многообразия одновременно действующих факторов пожара. Предельное состояние по огнестойкости кирпичных столбов, может быть не достигнуто из-за более раннего разрушения изгибаемых элементов покрытия фрагмента / В.П. Бушев, В.А. Пчелинцев, B.C. Федоренко, А.И. Яковлев. Огнестойкость зданий - М.: Стройиздат, 1970. - С. 252-256 / [3].

Известен способ определения огнестойкости кирпичных столбов здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление вида бетона, арматурной стали, кирпича, камня и раствора кладки, выявление условия их опирания и крепления, определение времени наступления предельного состояния по потере несущей способности столбов под нормативной нагрузкой в условиях стандартного пожара / ГОСТ 30247.1-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции / [4].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе испытания проводят на образцах кирпичных 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 образцов кирпичных столбов. 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 кирпичных столбов, не дают необходимой информации о влиянии единичных показателей качества кирпичных столбов на ее огнестойкость. Определение огнестойкости кирпичных столбов по единичному показателю качества, например, по размеру меньшей стороны прямоугольного сечения столба, как правило, недооценивает пригодность эксплуатации кирпичных столбов в здании заданной степени огнестойкости. Экономические затраты на проведение испытаний возрастают за счет расходов на возведение образца кирпичных столбов 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 кирпичных столбов здания. Результаты огневого испытания единичны и не учитывают разнообразия кирпичных столбов с железобетонной обоймой, их фактических размеров, схемы обогрева опасного сечения.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ определения огнестойкости кирпичных столбов с железобетонной обоймой, включающий проведение технического осмотра, установление вида кладки, марок кирпича и раствора, упругой характеристики кладки, временного сопротивления сжатию кладки, выявление условий опирания, крепления столбов и условий обогрева поперечного сечения, определение времени наступления предельного состояния по огнестойкости неармированных кирпичных столбов под нормативной нагрузкой в условиях стандартного пожара, определение показателей качества неармированных кирпичных столбов, назначение числа и места расположения опасных участков, сопровождая технический осмотр инструментальными измерениями геометрических размеров кирпичных столбов в их опасных сечениях, выявление схемы нагрева опасных сечений кирпичных столбов при пожаре, нахождение временного сопротивления сжатию кирпичной кладки, установление показателя термодиффузии кирпичной кладки, определение интенсивности силовых напряжений в опасных сечениях кирпичных столбов / Патент 2357245 RU, МПК-7 G01N 31/38. Способ определения огнестойкости кирпичных столбов здания / Ильин Н.А., Тюрников В.В., Эсмонт С.В., заяв. СГАСУ 23.07.07; опубл. 27.05.09, Бюл. №15 / [5].

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 неармированных кирпичных столбов и, следовательно, не может быть применим для определения фактической огнестойкости кирпичного столба, усиленного обоймой, из-за невозможности учета единичных показателей качества кирпичных столбов с железобетонной обоймой.

Сущность изобретения заключается в следующем. Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в установлении показателей пожарной безопасности здания в части гарантированной длительности сопротивления кирпичных столбов с железобетонной обоймой в условиях пожара; в определении фактических (проектных) пределов огнестойкости кирпичных столбов с железобетонной обоймой при проектировании, строительстве, реконструкции и/или эксплуатации здания; в снижении экономических затрат при испытании конструкций на огнестойкость.

Технический результат - устранение огневых испытаний кирпичных столбов в здании или его фрагмента; снижение трудоемкости определения огнестойкости кирпичных столбов с железобетонной обоймой; расширение технологических возможностей определения фактической огнестойкости различно нагруженных кирпичных столбов любых размеров и возможность сопоставления полученных результатов с испытаниями аналогичных конструкций здания; возможность проведения испытания кирпичных столбов с железобетонной обоймой на огнестойкость без нарушения функционального процесса в здании; снижение экономических затрат на испытание; сохранение эксплуатационной пригодности здания при обследовании и неразрушающих испытаниях кирпичных столбов; упрощение условий и сокращение сроков испытания кирпичных столбов на огнестойкость; использование полипараметрических зависимостей для определения огнестойкости кирпичных столбов; повышение точности и экспрессивности испытания; использование конструктивных параметров для определения огнестойкости кирпичных столбов и упрощение математического описания процесса термического сопротивления нагруженных кирпичных столбов с железобетонной обоймой; повышение достоверности результатов испытаний группы однотипных кирпичных столбов; учет реального ресурса кирпичных столбов на предел огнестойкости с использованием комплекса единичных показателей их качеств; уточнение единичных показателей качества кирпичных столбов с железобетонной обоймой, влияющих на их огнестойкость; возможность определения гарантированного предела огнестойкости кирпичных столбов с железобетонной обоймой по конструктивным параметрам.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе определения огнестойкости кирпичных столбов с железобетонной обоймой путем испытания, включающем проведение технического осмотра, установление вида кладки, марок кирпича и раствора, упругой характеристики кладки, временного сопротивления сжатию кладки, выявление условий опирания, крепления столбов и условий обогрева поперечного сечения, определение времени наступления предельного состояния по огнестойкости неармированных кирпичных столбов под нормативной нагрузкой в условиях стандартного пожара, определение показателей качества неармированных кирпичных столбов, назначение числа и места расположения опасных участков, проведение технического осмотра инструментальными измерениями геометрических размеров кирпичных столбов в их опасных сечениях, выявление схемы нагрева опасных сечений кирпичных столбов при пожаре, нахождение временного сопротивления сжатию кирпичной кладки, установление показателя термодиффузии материалов кирпичной кладки, определение интенсивности силовых напряжений в опасных сечениях кирпичных столбов, особенностью является то, что испытание кирпичных столбов с железобетонной обоймой проводят без разрушения, технический осмотр дополняют установлением вида бетона и класса продольной арматуры железобетонной обоймы, определением показателей качества материалов железобетонной обоймы, инструментальными измерениями геометрических размеров железобетонной обоймы, величины диаметров стержней продольной арматуры и глубины их заложения; определяют сопротивление сжатию продольной арматуры и показатель термодиффузии бетона обоймы; устанавливают площади бетона и продольной арматуры железобетонной обоймы в опасных сечениях, степень армирования опасных сечений; устанавливают величину нормативной нагрузки на кирпичные столбы с железобетонной обоймой при испытании на огнестойкость; определяют интенсивность силовых напряжений в сечении кирпичных столбов с железобетонной обоймой и используя полученные показатели единичных показателей качества кирпичного столба с железобетонной обоймой, вычисляют пределы огнестойкости по потери их несущей способности F_u(R), мин, по алгебраической формуле (1):

где F_u(R) - предел огнестойкости кирпичного столба с железобетонной обоймой, мин; τ_u,жб - время сопротивления огневому воздействию железобетонной обоймы кирпичного столба, мин; τ_u,кк - время сопротивления огневому воздействию остова кирпичного столба, мин;

при этом время сопротивления огневому воздействию железобетонной обоймы до потери ею несущей способности в условиях испытания τ_u,жб, мин, определяют по математической зависимости (2):

где τ_u,жб - время сопротивления огневому воздействию железобетонной обоймы, мин; B_min - минимальный размер сечения кирпичного столба с железобетонной обоймой, см; J_σs - интенсивность силовых напряжений в продольной арматуре железобетонной обоймы; α_µs - степень усиления поперечного сечения железобетонной обоймы продольной арматурой;

φ_ж - коэффициент продольного изгиба кирпичного столба с железобетонной обоймой; D_bm - показатель термодиффузии для бетона железобетонной обоймы, мм²/мин;

R_bn - временное сопротивление сжатию бетона железобетонной обоймы, МПа;

k_a - коэффициент соответствия толщины защитного слоя бетона нормам (проекту), который вычисляют по алгебраической формуле (3):

где a _n и а - нормативная и фактическая глубина заложения рабочей продольной арматуры (осевые расстояния), см;

при этом время сопротивления огневому воздействию кирпичного столба после выведения продольной арматуры железобетонной обоймы из работы усиленной конструкции в условиях испытания определяют по математической зависимости (4):

где τ_u,kk - время сопротивления огневому воздействию остова кирпичного столба, мин; B_min - толщина кирпичного столба, см.; m_об - коэффициент условий обогрева поперечного сечения столба; φ_k - коэффициент продольного изгиба кирпичного столба; J_σo - интенсивность напряжений в каменной кладке без учета работы продольной арматуры железобетонной обоймы; D_kk - показатель термодиффузии для материалов усиленной конструкции, мм²/мин; R_uµ - нормативное сопротивление на сжатие материала усиленной конструкции, МПа.

Интенсивность силовых напряжений в продольной арматуре железобетонной обоймы усиления, при передаче внешней нагрузки на обойму и при наличии опоры снизу обоймы, определяют из условия (5):

где J_σs - интенсивность силовых напряжений в продольной арматуре железобетонной обоймы; N_p - нормативная нагрузка на каменный столб с железобетонной обоймой в условиях огневого испытания, кН (тс); N_k - нагрузка, воспринимаемая остовом кирпичного столба, кН; N_b - нагрузка, воспринимаемая бетоном обоймы, кН; k_f - коэффициент надежности по нагрузке (1,1-1,4); A_s - площадь поперечного сечения продольной арматуры железобетонной обоймы, см²; R_sc - расчетное сопротивление на сжатие продольной арматуры железобетонной обоймы, МПа (кгс/см²).

Интенсивность силовых напряжений в кладке кирпичного столба в момент термотекучести продольной арматуры железобетонной обоймы определяют из условия (6):

где J_σо - интенсивность силовых напряжений в кладке кирпичного столба с железобетонной обоймой, кН; N_p - нормативная нагрузка на каменный столб с железобетонной обоймой в условиях огневого испытания, кН; N_cc - расчетная несущая способность кирпичного столба с железобетонной обоймой, кН; k_f - коэффициент надежности по нагрузке (k_f=1,1-1,4).

За единичные показатели качества кирпичных столбов с железобетонной обоймой, влияющий на предел огнестойкости по потери несущей способности F_U(R), мин, принимают: геометрические размеры, диаметры стержней продольной арматуры и глубину их заложения, условия опирания и закрепления столбов, размер меньшей стороны поперечного сечения столба, коэффициент продольного изгиба, вид бетона и класс арматуры железобетонной обоймы, прочность кирпича и раствора, упругую характеристику кладки, временное сопротивление сжатию кладки и бетона обоймы, несущую способность кирпичных столбов с железобетонной обоймой и нормативную нагрузку на них при испытании на огнестойкость, интенсивность силовых напряжений в опасном сечении и показатели термодиффузии кладки и бетона обоймы.

Неразрушающие испытания проводят для группы однотипных кирпичных столбов с железобетонной обоймой, различия между прочностью арматурной стали, бетона, кирпича и раствора которых обусловлены главным образом случайным фактором.

Число испытаний n_ис единичного показателя качества кирпичных столбов с железобетонной обоймой, при вероятности результата 0,95 и погрешности 5%, принимают по алгебраической формуле (7):

где ν - выборочный коэффициент вариации результатов испытаний, %.

В случае, когда все единичные показатели качества кирпичных столбов с железобетонной обоймой, 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 (8):

где М - число однотипных кирпичных столбов в здании, шт.

В случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества кирпичных столбов с железобетонной обоймой выходит за границы контрольных пределов, минимальное число испытуемых конструкций в выборке по норме вычисляют по алгебраической формуле (9):

В случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества кирпичных столбов с железобетонной обоймой выходит за границы допустимых пределов или М<5 шт., неразрушающему испытанию подвергают все однотипные столбы здания поштучно.

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

Устранение огневых испытаний кирпичных столбов с железобетонной обоймой существующего здания и замена их на неразрушающие испытания снижает трудоемкость определения их огнестойкости, расширяет технологические возможности выявления фактической огнестойкости различно нагруженных кирпичных столбов любых размеров, дает возможность проведения испытаний кирпичных столбов на огнестойкость без нарушения функционального процесса обследуемого здания, а так же сопоставления полученных результатов со стандартными испытаниями аналогичных кирпичных столбов с железобетонной обоймой и сохранения эксплуатационной пригодности обследуемого здания без нарушения несущей способности его конструкций в процессе испытания. Следовательно, условия испытания кирпичных столбов с железобетонной обоймой 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 кирпичных столбов с железобетонной обоймой стандартному огневому испытанию и использование полипараметрических зависимостей повышает точность и экспрессивность, оценки их фактической огнестойкости.

Использование интегральных параметров, как-то: степени напряжения расчетного сечения кирпичных столбов с железобетонной обоймой и показателей термодиффузии бетона обоймы и каменной кладки, - упрощает математическое описание процесса сопротивления несущих конструкций огневому воздействию.

В предложенном техническом решении предусматривают проведение испытаний не одной, а группы однотипных кирпичных столбов. Это позволяет в 5-10 раз увеличить число испытуемых конструкций и повысить достоверность результатов испытаний и технического осмотра здания. Определение огнестойкости кирпичных столбов только по одному показателю качества, например, по толщине кирпичных столбов или железобетонной обоймы, приводит, как правило, к недооценке их предела огнестойкости, поскольку влияние на него вариаций единичных показателей качества кирпичных столбов имеют различные знаки, и снижение огнестойкости за счет одного показателя может быть компенсировано другими. Вследствие этого в предложенном способе оценку огнестойкости кирпичных столбов с железобетонной обоймой предусматривают не по одному показателю, а по комплексу единичных показателей их качества. Это позволяет более точно учесть реальный ресурс огнестойкости кирпичных столбов. Уточнен комплекс единичных показателей качества кирпичных столбов с железобетонной обоймой, влияющих на их пределы огнестойкости, определяемых неразрушающими испытаниями.

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

На фиг. 1 приведено продольное сечение кирпичного столба с железобетонной обоймой;

На фиг. 2 - поперечное сечение 1-1 кирпичного столба с железобетонной обоймой при 4-сторонней подводке тепла в условиях стандартного огневого испытания.

На фигурах приняты следующие обозначения: 1 - кирпичная кладка; 2 - продольные стержни арматуры (d=5-12 мм); 3 - кирпичный столб размером b×h, см; 4 - поперечные стержни арматуры (хомуты ⌀ 4-10 мм; шаг 150 мм); 5 - нормативная нагрузка на кирпичный столб с железобетонной обоймой в условиях испытания на огнестойкость, N_p, кН; 6 - железобетонная обойма (бетон класса В10÷В15, толщина 6-10 см); 7 - направление теплового потока стандартного огневого испытания, t_cm,°C.

Теплофизические характеристики строительных материалов для каменных кладок (включая значения показателя термодиффузии D_km, мм²/мин) приведены в таблице 1.

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

Последовательность действий способа определения огнестойкости кирпичных столбов с железобетонной обоймой состоит в следующем.

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

Под визуальным осмотром понимают проверку состояния кирпичных столбов, включающей выявление условий закрепления отдельных столбов и армирования железобетонной обоймы, диаметра и класса арматурной стали, определение марки кирпича и раствора, наличие трещин и отколов, минимальный размер меньшей стороны поперечного сечения столбов с железобетонной обоймой.

В процессе осмотра определяют группы однотипных элементов конструкций. Под группой элементов конструкций в здании понимают однотипные кирпичные столбы с железобетонной обоймой, изготовленные и возведенные в сходных технологических условиях и находящихся в подобных условиях эксплуатации.

Для поверочных расчетов несущей способности кирпичных столбов с железобетонной обоймой определяют: высоту и ширину поперечного сечения столбов (толщину обоймы, класс бетона по прочности на сжатие), расстояние между перекрытиями здания; диаметры и класс арматуры железобетонной обоймы; вид опор кирпичных столбов: жесткие (l₀=0,7·Н) или упругие; толщину раствора под опорами кирпичных столбов; вид кирпичных столбов: 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 испытании назначают из условий (7 и 8).

Пример 1. При числе однотипных кирпичных столбов в группе М=25 шт., число испытуемых принимают по норме:

М_н=5+М^0,5=5+25^0,5=10 шт., по сокращенному плану М_мин=0,3·(15+М^0,5)=0,3·(15+25^0,5)≅6 шт.

При числе кирпичных столбов с железобетонной обоймой в группе М≤5, их проверяют поштучно.

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

К основным единичным показателям качества кирпичных столбов с железобетонной обоймой, определяющих огнестойкость, относятся: геометрические размеры каменной кладки и обоймы и меньшей стороны опасного сечения; условия опирания столбов, величина коэффициента продольного изгиба; прочность арматурной стали, бетона и каменной кладки на сжатие, глубина заложения продольной арматуры в железобетонной обойме, диаметры стержней арматуры; показатель термодиффузии (температуропроводности) каменной кладки в условиях огневых испытаний.

Число испытаний единичного показателя качества кирпичных столбов, при вероятности результата, равном 0,95, и показателе погрешности 5%, определяют по формуле (7); при этом коэффициент вариации выборки ν=±100·σ/А; среднее арифметическое А=(l/n)′∑m_i, (здесь m_i - результат i-го испытания); среднее квадратическое отклонение от среднего

; (здесь ∑(x_i)² - сумма квадратов всех отклонений от среднего); средняя ошибка ΔА=±σ/(2·n)^0,5.

Проверяемыми геометрическими размерами являются: высота этажа, ширина и высота поперечного сечения кирпичного столба, толщина железобетонной обоймы, периметр опасного сечения и часть периметра, обогреваемая при пожаре, глубина заложения стержней продольной арматуры. Опасные сечения кирпичных столбов с железобетонной обоймой назначают в местах наибольших моментов от действия нормативной нагрузки при испытаниях на огнестойкость.

Размеры кирпичных столбов с железобетонной обоймой проверяют с точностью ±1 мм; ширину трещин - с точностью до 0,05 мм. Показатели термодиффузии бетона и каменной кладки определяют при 450°C.

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

Используя полученные интегральные параметры, по формуле (1) находят фактический (проектный) предел огнестойкости F_u(R), мин, кирпичных столбов с железобетонной обоймой.

Пример 2. Исходные данные: в связи с надстройкой здания запроектировано усиление железобетонной обоймой кирпичного столба размерами b×h=51×51 см; коэффициент надежности по нагрузке k_f=1.2.

Высота кирпичного столба от уровня пола до низа перекрытия сборного настила L=330 см; уровень ответственности конструкции - нормальный - γ_n=1.

Кладка кирпичного столба выполнена из керамического полнотелого кирпича плотностью р_с=2000 кг/м³ марки М-100 на строительном растворе марки М-25; упругая характеристика кладки α=1000; сопротивление кладки R=l,l МПа; R_u=2,2 MПа; показатель термодиффузии кладки D_кт=22,61 мм²/мин; состояние кладки удовлетворительное m_k=1; [6], с. 32-33.

Толщина железобетонной обоймы принята δ_об=6 см; бетон тяжелый на гранитном крупном заполнителе класса по прочности В15 (р_с=2300 кг/м³); показатель термодиффузии бетона D_вт=22,2 мм²/мин.

Продольная арматура класса А 400: расчетное сопротивление сжатию R_cs=355 МПа (3620 кгс/см²); поперечная арматура класса А 240: расчетное сопротивление растяжению R_sw=150 МПа (1730 кгс/см²) [7].

Продольная арматура, установленная по углам сечения столба, принята 4⌀18 (A_s1=10,17 см²); глубина заложения а=30 мм; а _н=30 мм; k_a=1; продольная арматура, установленная по середине стороны сечения столба, 4⌀12 (A_s2=4,52 см²); поперечное армирование обоймы в виде связей (хомутов) диаметром d_x=0,4 см расположена с шагом S=15 см по высоте столба; процент армирования хомутами (связями) µ_х=0,066.

Усилие непосредственно на железобетонную обойму не передается, - коэффициент условий работы бетона m_в=0,35 [6], см. с. 33.

Величину фактического предела огнестойкости кирпичного столба с железобетонной обоймой по признаку потери несущей способности (R) в условиях стандартного огневого испытания - F_u(R), мин, вычисляют по алгебраической формуле (1):

где τ_u,жб - время сопротивления огневому воздействию железобетонной обоймы кирпичного столба, мин; τ_u,кк - время сопротивления огневому воздействию остова кирпичного столба, мин.

А. Расчет времени сопротивления огневому воздействию железобетонной обоймы кирпичного столба - τ_u,жб, мин.

1) Минимальный размер поперечного сечения кирпичного столба с железобетонной обоймой вычисляют по формуле (10):

2) Коэффициент продольного изгиба кирпичного столба с железобетонной обоймой (п. 6.1.9 [6]) вычисляют по формуле (11):

здесь λ_в=L₀/B_min=330/63=5,24.

3) Коэффициент условий обогрева поперечного сечения кирпичного столба с железобетонной обоймой (при Р=Р₀) вычислим по формуле (12):

где Р и Р₀ - периметр поперечного сечения и обогреваемая часть периметра в условиях огневого испытания, см.

4) Усилие, воспринимаемое остовом кирпичного столба (при 1 кгс/см²=0,1 МПа), вычисляют по формуле (13):

5) Усилие, воспринимаемое бетоном класса В15 (R_b - 8,5 МПа) железобетонной обоймы, вычисляют по формуле (14):

6) Площадь сечения продольной арматуры железобетонной обоймы: A_s=14,7 см² (4⌀18+4⌀12); класс по прочности А400 (А-III), R_sc=355 МПа.

7) Расчетную несущую способность кирпичного столба с железобетонной обоймой - N_cc, кН, (при ψ=1; η=1; m_b=0,35; m_k=1; µ_x=0,66%; P_sw=150 МПа; R_sc=355 МПа) определяют по формуле (15):

8) Нормативную (силовую) нагрузку на кирпичный столб с железобетонной обоймой в условиях стандартного огневого испытания вычисляют по формуле (16)

9) Интенсивность силовых напряжений в продольной арматуре железобетонной обоймы вычислим по формуле (3):

(при 1 кгс/см²=0,1 МПа).

10) Степень усиления поперечного сечения железобетонной обоймы продольной арматурой вычисляют по формуле (17):

11) Минимальный расчетный размер поперечного сечения железобетонной обоймы вычисляют по формуле (18):

при m_оп=0,25 b_об = 4δ_оп=4·6=24 см=240 мм.

12) Время сопротивления τ_u,жб, мин, огневому воздействию железобетонной обоймы (при m_oб=1; k_a=1) вычислим по формуле (19):

В. Расчет времени сопротивления огневому воздействию обетонированного кирпичного столба после выведения продольной угловой арматуры железобетонной обоймы из работы - τ_и,жб, мин (выпучивания ее).

1) Минимальный размер поперечного сечения обетонированного кирпичного столба (а=3 см - глубина заложения стержней арматуры) вычисляют по формуле (20):

2) Коэффициент продольного изгиба обетонированного кирпичного столба вычисляют по формуле (21):

3) Усилие, воспринимаемое продольной угловой арматурой (4⌀18 А400) железобетонной обоймы (при 1 кгс/см²=0,1 МПа), вычисляют по формуле (23):

4) Интенсивность напряжений в обетонированной каменной кладке вычисляют по формуле (6):

5) Приведенный показатель термодиффузии (D_kk, мм²/мин) для обетонированной каменной кладки (при δ_oб=δ₀-а=6-3=3 см) вычисляют по формуле (24):

6) Приведенное временное сопротивление обетонированной каменной кладки (R_u,k=2,2 МПа; R_u,b=11 МПа) вычисляют по формуле (25):

7) Время сопротивления огневому воздействию обетонированного остова кирпичного столба (τ_u,кк, мин) вычислим по формуле (5):

8) Проектный (фактический) предел огнестойкости кирпичного столба с железобетонной обоймой по потере несущей способности (R) в условиях огневых испытаний вычислим по формуле (1):

Предложенный способ применен при натурном осмотре кирпичных столбов общественного здания в г. Самаре (2012 г.). В результате неразрушающих испытаний кирпичных столбов hxb=51×51 см; с железобетонной обоймой толщиной δ_об=6 см выявлен предел огнестойкости кирпичных столбов по потери несущей способности F_u(R)=379, мин (4 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 (с. 16; 34-35).

2. ГОСТ Р 53309 - 2009. Здания и фрагменты зданий. Метод натурных огневых испытаний. Общие требования.

3. Бушев В.П., Пчелинцев В.А., Федоренко B.C., Яковлев А.И. Огнестойкость зданий - М.: Стройиздат, 1970. - 261 с. (с. 252-256).

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

5. Патент 2 357 245 RU, МПК-7 G01N 31/39 Способ определения огнестойкости кирпичных столбов зданий / Ильин Н.А., Тюрников В.В., Эсмонт СВ. Заяв. СГАСУ 23.07.07; опубл. 27.05.09, Бюл. №15.

6. СП 15.13330.2012. Каменные и армокаменные конструкции (Актуализированная редакция СНиП П-22-81*).

7. СП 52-101-2003. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры.

Изобретение относится к области пожарной безопасности при реконструкции и надстройках зданий, в частности оно может быть использовано для классификации кирпичных столбов с железобетонной обоймой по показателям сопротивления их воздействию пожара.

Сущность изобретения: испытание кирпичных столбов с железобетонной обоймой проводят без разрушения по комплексу единичных показателей качества, оценивая величину фактического предела огнестойкости по потере несущей способности.

Для этого определяют геометрические размеры кирпичных столбов и железобетонной обоймы, условия обогрева столбов, коэффициент продольного изгиба, классы бетона и арматурной стали, их сопротивление на сжатие, показатели термодиффузии материалов бетона обоймы и кирпичной кладки; величину нормативной нагрузки при испытании на огнестойкость, степень напряжения опасных сечений железобетонной обоймы и кирпичной кладки.

Предел огнестойкости кирпичных столбов с железобетонной обоймой определяют по полипараметрическим зависимостям, описывающим процесс сопротивления каменной конструкции огневому воздействию. Достигается снижение трудоемкости, а также повышение безопасности и достоверности определения. 8 з.п. ф-лы, 2 пр., 1 табл., 2 ил.

1. Способ определения огнестойкости кирпичных столбов с железобетонной обоймой путем испытания, включающий проведение технического осмотра, установление вида кладки, марок кирпича и раствора, упругой характеристики кладки, временного сопротивления сжатию кладки, выявление условий опирания, крепления столбов и условий обогрева поперечного сечения, определение времени наступления предельного состояния по огнестойкости неармированных кирпичных столбов под нормативной нагрузкой в условиях стандартного пожара, определение показателей качества неармированных кирпичных столбов, назначение числа и места расположения опасных участков, проведение технического осмотра инструментальными измерениями геометрических размеров кирпичных столбов в их опасных сечениях, выявление схемы нагрева опасных сечений кирпичных столбов при пожаре, нахождение временного сопротивления сжатию кирпичной кладки, установление показателя термодиффузии материалов кирпичной кладки, определение интенсивности силовых напряжений в опасных сечениях кирпичных столбов, отличающийся тем, что испытание кирпичных столбов с железобетонной обоймой проводят без разрушения, технический осмотр дополняют установлением вида бетона и класса продольной арматуры железобетонной обоймы, определением показателей качества материалов железобетонной обоймы, инструментальными измерениями геометрических размеров железобетонной обоймы, величины диаметров стержней продольной арматуры и глубины их заложения; определяют сопротивление сжатию продольной арматуры и показатель термодиффузии бетона обоймы; устанавливают площади бетона и продольной арматуры железобетонной обоймы в опасных сечениях, степень армирования опасных сечений; устанавливают величину нормативной нагрузки на кирпичные столбы с железобетонной обоймой при испытании на огнестойкость; определяют интенсивность силовых напряжений в сечении кирпичных столбов с железобетонной обоймой и, используя полученные показатели единичных показателей качества кирпичных столбов с железобетонной обоймой, вычисляют предел огнестойкости по потери их несущей способности F_u(R), мин, по алгебраической формуле (1):

где F_u(R) - предел огнестойкости кирпичного столба с железобетонной обоймой, мин; τ_u,жб - время сопротивления огневому воздействию железобетонной обоймы кирпичного столба, мин; τ_u,кк - время сопротивления огневому воздействию остова кирпичного столба, мин;
при этом время сопротивления огневому воздействию железобетонной обоймы до потери ею несущей способности в условиях испытания τ_u,жб, мин, определяют по математической зависимости (2):

где τ_u,жб ^_ время сопротивления огневому воздействию железобетонной обоймы, мин; B_min - минимальный размер сечения кирпичного столба с железобетонной обоймой, см; J_σs - интенсивность силовых напряжений в продольной арматуре железобетонной обоймы; α_µs - степень усиления поперечного сечения железобетонной обоймы продольной арматурой; φ_ж - коэффициент продольного изгиба кирпичного столба с железобетонной обоймой; D_bm - показатель термодиффузии для бетона железобетонной обоймы, мм²/мин; R_bn - временное сопротивление сжатию бетона железобетонной обоймы, МПа;
k_a - коэффициент соответствия толщины защитного слоя бетона нормам (проекту) вычисляют по алгебраической формуле (3):

где a _n и а - нормативная и фактическая глубины заложения рабочей продольной арматуры (осевые расстояния), см;
при этом время сопротивления огневому воздействию кирпичного столба после выведения продольной арматуры железобетонной обоймы из работы усиленной конструкции в условиях испытания определяют по математической зависимости (4):

где τ_ukk - время сопротивления огневому воздействию остова кирпичного столба, мин; B_min - толщина кирпичного столба с обоймой, см.; m_об - коэффициент условий обогрева поперечного сечения столба; φ_k - коэффициент продольного изгиба кирпичного столба; J_σo - интенсивность напряжений в каменной кладке без учета работы продольной арматуры железобетонной обоймы; D_kk - показатель термодиффузии для материалов усиленной конструкции, мм²/мин; R_uµ - нормативное сопротивление на сжатие материала усиленной конструкции, МПа.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что интенсивность силовых напряжений в продольной арматуре железобетонной обоймы усиления, при передаче внешней нагрузки на обойму и при наличии опоры снизу обоймы, определяют из условия (5):

где J_σs - интенсивность силовых напряжений в продольной арматуре железобетонной обоймы; N_p - нормативная нагрузка на каменный столб с железобетонной обоймой в условиях огневого испытания, кН (тс); N_k - нагрузка, воспринимаемая остовом кирпичного столба, кН; N_b - нагрузка, воспринимаемая бетоном обоймы, кН; k_f - коэффициент надежности по нагрузке (1,1-1,4); A_s - площадь поперечного сечения продольной арматуры железобетонной обоймы, см²; R_sc - расчетное сопротивление на сжатие продольной арматуры железобетонной обоймы, МПа (кгс/см²).

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что интенсивность силовых напряжений в кладке кирпичного столба в момент термотекучести продольной арматуры железобетонной обоймы определяют из условия (6):

где J_σо - интенсивность силовых напряжений в кладке кирпичного столба с железобетонной обоймой, кН; N_p - нормативная нагрузка на каменный столб с железобетонной обоймой в условиях огневого испытания, кН; N_cc - расчетная несущая способность кирпичного столба с железобетонной обоймой, кН; k_f - коэффициент надежности по нагрузке (k_f=1,1-1,4).

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что за единичные показатели качества кирпичных столбов с железобетонной обоймой, влияющие на предел огнестойкости по потере несущей способности F_u(R), мин, принимают: геометрические размеры, диаметры стержней продольной арматуры и глубину их заложения, условия опирания и закрепления столбов, размер меньшей стороны поперечного сечения столба, коэффициент продольного изгиба, вид бетона и класс арматуры железобетонной обоймы, прочность кирпича и раствора, упругую характеристику кладки, временное сопротивление сжатию кладки и бетона обоймы, несущую способность кирпичных столбов с железобетонной обоймой и нормативную нагрузку на них при испытании на огнестойкость, интенсивность силовых напряжений в опасном сечении и показатели термодиффузии кладки и бетона обоймы.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что неразрушающие испытания проводят для группы однотипных кирпичных столбов с железобетонной обоймой, различия между прочностью арматурной стали, бетона, кирпича и раствора которых обусловлены главным образом случайным фактором.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что число испытаний n_ис единичного показателя качества кирпичных столбов с железобетонной обоймой, при вероятности результата 0,95 и погрешности 5%, принимают по формуле (7):

где ν - выборочный коэффициент вариации результатов испытаний, %.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в случае, когда все единичные показатели качества кирпичных столбов с железобетонной обоймой 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 (8):

где М - число однотипных кирпичных столбов в здании, шт.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества кирпичных столбов с железобетонной обоймой выходит за границы контрольных пределов, минимальное число испытуемых конструкций в выборке по норме вычисляют по алгебраической формуле (9):

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества кирпичных столбов с железобетонной обоймой выходит за границы допустимых пределов или М<5 шт., неразрушающему испытанию подвергают все однотипные столбы здания поштучно.