СПОСОБ ОЦЕНКИ ОГНЕСТОЙКОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ ФЕРМЫ ЗДАНИЯ Российский патент 2016 года по МПК G01N25/50 

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и сооружений (далее по тексту - зданий). В частности, оно может быть использовано для классификации железобетонных ферм зданий по показателям сопротивления их воздействия пожара. Это дает возможность обоснованного использования железобетонных ферм с фактическим пределом огнестойкости в зданиях различных классов пожароопасности.

Необходимость определения показателей огнестойкости железобетонных ферм возникает при реконструкции здания, усилении его частей и элементов, приведении огнестойкости здания в состояние с требованиями современных строительных норм, при проведении экспертизы и восстановлении железобетонных ферм после пожара.

Известен способ оценки огнестойкости железобетонной фермы здания по результатам изучения последствий натурного пожара. Этот способ включает определение положения фермы в здании, оценку состояния железобетонной фермы путем осмотра и измерения, изготовление контрольных образцов бетона и арматуры, определение времени наступления предельного состояния по потере несущей способности элемента конструкции, то есть обрушению в условиях действия внешней нагрузки и теплового воздействия натурного пожара; / Ильин Н.А. Техническая экспертиза зданий, поврежденных пожаром. - М.: Стройиздат, 1983, 200 с. (см. с. 11-20) / [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 оценить огнестойкость натурных элементов железобетонной фермы, имеющих другие размеры и другую внешнюю нагрузку. Затруднительно сопоставление полученных результатов со стандартными огневыми испытаниями аналогичных железобетонных ферм. Следовательно, этот способ дорог, трудоемок и опасен для испытателей, имеет малую технологическую возможность к повторным испытаниям на огнестойкость.

Известен способ оценки огнестойкости железобетонной фермы здания по результатам натурного огневого испытания фрагмента здания, в котором производят осмотр конструкций, определяют влажность бетона, назначают статическую нагрузку на конструкцию соответственно реальным условиям эксплуатации здания, определяют факторы, влияющие на огнестойкость испытываемой фермы, и величину ее предела огнестойкости / ГОСТ Р 53309-2009. Здания и фрагменты зданий. Метод натурных огневых испытаний. Общие требования. (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 конструкций в условиях экспериментального пожара затруднено и небезопасно, вследствие различий температурного режима опытного и стандартного пожаров затруднена оценка истинных значений пределов огнестойкости конструкций, причины разрушения элементов многообразия одновременно действующих факторов пожара. Предельное состояние по огнестойкости испытуемой фермы может быть не достигнуто из-за более раннего разрушения сжатых стен фрагмента / Огнестойкость зданий / В.П. Бушев, В.А. Пчелинцев, B.C. Федоренко, А.И. Яковлев. - М.: Стройиздат, 1970, С. 112; 252-256 / [3].

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ оценки огнестойкости элементов железобетонных конструкций здания путем испытания, включающего проведения технического осмотра, установление вида бетона и арматуры элементов фермы, выявление условия их крепления, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности элементов конструкции под испытательной нагрузкой на огнестойкость. / Пат. 2282848, МПК-7, G01N 25/50. Способ определения огнестойкости растянутых элементов железобетонных конструкций здания / Ильин Н.А., Сургачев А.А., Тюрников В.В., Эсмонт С.В.; заяв. СГАСУ: 06.09.04; опубл. 28.08.06. Бюл. №24 / [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 образце элемента конструкции, на который воздействуют только усилия растяжения. Вследствие этого оценка огнестойкости сжатых элементов железобетонной фермы не может быть определена. При назначении комплекса единичных показателей качества и интегральных параметров огнестойкости железобетонной конструкции не включены показатели, характерные для сжатых элементов фермы. Использование номограммы известного способа дает неточную оценку пределов огнестойкости растянутых элементов железобетонной фермы.

Сущность изобретения состоит в повышении пожарной безопасности здания, в частности в установлении достоверных показателей длительности сопротивления растянутых и сжатых элементов железобетонной фермы в условиях пожара для использования их при проектировании, строительстве или эксплуатации зданий; в использовании неразрушающих методов испытаний железобетонной фермы на огнестойкость, сокращающих время их проведения.

Технический результат - расширение диапазона показателей для оценки огнестойкости железобетонных конструкций, включающих также другой вид напряженного состояния (сжатие) элементов железобетонной фермы здания, получаемых при проведении испытаний на огнестойкость; приближение условий испытаний растянутых и сжатых элементов железобетонной фермы к реальным условиям их эксплуатации; повышение точности результатов испытаний при использовании статистического метода оценки единичных показателей качества растянутых и сжатых элементов железобетонной фермы; определение комплекса основных параметров, влияющих на огнестойкость элементов железобетонной фермы; вычисление интегральных параметров теплофизических и конструктивных характеристик растянутых и сжатых элементов железобетонной фермы; составление математических моделей (описаний) процесса сопротивления растянутых и сжатых элементов железобетонной фермы стандартному огневому испытанию; сокращение временного проведения испытаний на огнестойкость железобетонной фермы здания.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе оценки огнестойкости железобетонной фермы здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, инструментальное измерение геометрических размеров элементов фермы и их опасных сечений, определение количества и диаметров рабочих стержней арматуры, их взаимного расположения и толщины защитного слоя бетона, выявление формы элементов фермы, схем обогрева их опасных сечений при пожаре и условий нагревания рабочей арматуры, установление глубины залегания стержней рабочей арматуры и степени ее огнезащиты, определение показателей плотности бетона и его влажности в естественном состоянии, величины термодиффузии бетона, характеристики рабочей арматуры сопротивлению на растяжение, определение величины испытательной нагрузки на элементы фермы и интенсивности силовых напряжений в опасном сечении, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности элементов под испытательной нагрузкой на огнестойкость, согласно изобретению оценку фактической огнестойкости элементов железобетонной фермы здания проводят без натурного огневого воздействия неразрушающими методами испытаний, дополнительно оценивая при этом также и сжатые элементы железобетонной фермы здания; технический осмотр дополняют определением группы однотипных растянутых и сжатых элементов железобетонной фермы, назначают комплекс единичных показателей качества растянутых и сжатых элементов железобетонной фермы, находят глубину залегания, условия нагрева и степень огнезащиты бетоном рабочей арматуры растянутых и сжатых элементов железобетонной фермы, вычисляют интегральные теплотехнические и конструктивные параметры и, используя их, определяют величину фактического предела огнестойкости элемента железобетонной фермы по длительности их сопротивления термосиловому воздействию до потери несущей способности менее огнестойкого элемента железобетонной фермы; длительность сопротивления от начала стандартного огневого воздействия до потери несущей способности растянутых элементов железобетонной фермы F_ur, мин, определяют, используя аналитическое уравнение (1):

где J_σs - интенсивность силовых напряжений в продольной рабочей арматуре в опасном сечении растянутого элемента фермы (0,1÷1,0); C - степень огнезащиты рабочей арматуры бетона, см; К - интегральный показатель безопасности растянутого элемента; n - эмпирический показатель изменения свойства арматурной стали в условиях пожара; t_cr - критическая температура для арматурной стали, °C;

интенсивность силовых напряжений в продольной рабочей арматуре растянутого элемента железобетонной фермы от испытательной нагрузки на огнестойкость определяют из уравнения (2):

где A_s и A_{s, mp} - соответственно площади арматуры, фактически установленной в опасном сечении элемента и требуемой по расчету на прочность, мм²; R_s и R_su - расчетное и предельное сопротивление арматуры растяжению, МПа; (R_su=R_sn/0,9); N и N_g - расчетная и продольная сила и усилие от испытательной нагрузки на огнестойкость, кН;

усилие от испытательной нагрузки на огнестойкость в растянутом элементе железобетонной фермы определяют из выражения (3)

где N_дл - длительная часть расчетной нагрузки, кН; - коэффициент надежности по нагрузке;

степень огнезащиты бетоном продольной рабочей арматуры растянутого элемента железобетонной фермы определяют из степенного уравнения (4):

где m₀ - показатель условий нагрева арматуры в опасном сечении элементов фермы (0,25-1,0); a _min - минимальная глубина залегания арматуры, мм; D_вm - показатель термодиффузии бетона, мм²/мин.

При несимметричном расположении арматурных стержней относительно биссектрисы угла прямоугольного поперечного сечения элемента железобетонной фермы показатель условий нагрева арматуры (m₀) при двухстороннем обогреве (при a _x≤a _y) определяют из показательной функции (5):

где a _x и a _y - соответственно глубины залегания арматурных стержней от обогреваемых граней элемента по осям координат поперечного сечения, мм (при a _x>a _y - в показателе функции (5) принимают обратное соотношение величины осевых расстояний, то есть a _y/a _x).

Глубина залегания стержней рабочей арматуры по осям координат (осевые расстояния a _{x, y}) определяют из уравнения (6):

где a _{x, y} - толщины защитных слоев арматуры соответственно по осям x или y, мм; d_s - номинальный диаметр продольных арматурных стержней, мм.

Величину показателя термодиффузии бетона D_вm, мм²/мин, при температуре 450°C определяют из аналитического уравнения (7):

где λ₀ и C₀ - показатели теплопроводности бетона, Вт/(м·°C), и удельной теплоемкости, кДж/(кг·°C), при нормальной температуре (20±5°C); b и d - термические коэффициенты теплопроводности и теплоемкости бетона;

p_c и ω - плотность бетона в сухом состоянии, кг/м³, и его влажность, % по массе.

Интегральный показатель безопасности растянутого элемента фермы определяют из уравнения (8):

где γ_n - коэффициент надежности фермы по назначению здания; m_об - показатель условий обогрева периметра сечения элемента фермы; k_сn - показатель сплошности сечения элемента фермы; k_ф - показатель номинального диаметра рабочей арматуры.

За единичные показатели качества растянутого элемента железобетонной фермы, влияющие на предел огнестойкости растянутого элемента, принимают геометрические размеры опасного сечения; глубину залегания, класс по прочности, номинальный диаметр, степень напряжения и предел текучести рабочей арматуры; влажность и плотность бетона, толщину защитного слоя и показатель термодиффузии бетона.

Длительность сопротивления сжатых элементов железобетонной фермы F_ur, мин, от начала стандартного огневого воздействия до потери несущей способности определяют, используя аналитическое выражение (9):

где B - наименьший размер прямоугольного поперечного сечения сжатого элемента фермы, мм; J_σо - интенсивность силовых напряжений в опасном сечении сжатого элемента фермы (0-1); α_µз - степень армирования железобетонного элемента фермы; К₁ - интегральный показатель безопасности сжатого элемента; D_вm - показатель термодиффузии бетона, мм²/мин; R_вn - нормативная прочность бетона сопротивлению на осевое сжатие, МПа;

интенсивность силовых напряжений в опасном сечении сжатого элемента фермы (J_σо) от испытательной нагрузки на огнестойкость определяют из условия (10):

где k₃ - коэффициент условий закрепления сжатого элемента фермы (0,8-0,9); N_ρо - испытательная нагрузка при определении огнестойкости сжатого элемента фермы, кН; N_un - разрушающая сжатый элемент продольная сила до начала огневого испытания, кН;

степень армирования сжатого железобетонного элемента фермы (α_µs) вычисляют из выражения (11):

где A_s и A - соответственно площади рабочей арматуры и всего бетона в поперечном сечении элемента фермы, мм²; R_sc и R_вn - соответственно расчетное сопротивление арматуры сжатию и нормативное сопротивление бетона осевому сжатию, МПа;

интегральный показатель безопасности сжатого элемента фермы (К₁) определяют, используя алгебраическое уравнение (12):

где γ_n - коэффициент надежности фермы по назначению здания; m_об - показатель условий обогрева периметра поперечного сечения сжатого элемента фермы; k_сn - показатель сплошности поперечного сечения элемента фермы; k_a - показатель глубины залегания рабочей арматуры; φ - коэффициент продольного изгиба сжатого элемента фермы.

За единичные показатели качества сжатого элемента железобетонной фермы, влияющие на предел огнестойкости сжатого элемента, принимают геометрические размеры опасного сечения, глубину залегания; класс по прочности, номинальный диаметр, сопротивление арматуры сжатию; интенсивность силовых напряжений в сечении сжатого элемента; степень армирования бетона; прочность бетона на осевое сжатие, гибкость сжатого элемента, класс по прочности, влажность и плотность бетона; толщину защитного слоя и показатель термодиффузии бетона.

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

Устранение огневых испытаний элементов железобетонной фермы существующего здания и замена их на неразрушающие испытания снижают трудоемкость оценки их огнестойкости, расширяют диапазон применения способа оценки огнестойкости элементов железобетонных ферм, имеющих другой вид напряженного состояния (сжатие) элементов железобетонной фермы здания; приближают условия испытаний растянутых и сжатых элементов к реальным (проектным) условиям их эксплуатации. Применение предложенного способа оценки пределов огнестойкости растянутых и сжатых элементов железобетонной фермы позволяет назначить комплекс теплофизических и конструктивных параметров, влияющих на их величины. Математическое описание процесса сопротивления растянутых и сжатых элементов железобетонной фермы стандартному огневому испытанию позволяет составить соответствующие аналитические уравнения (1) и (9) для вычисления их фактических пределов огнестойкости.

Использование интегральных конструктивных параметров, как то: степени огнезащиты арматуры, уровня ее напряжения и показателя термодиффузии бетона, - упрощает математические описания сопротивления соответственно растянутых и сжатых элементов железобетонной фермы термосиловому воздействию.

В предложенном техническом решении предусматривают проведение испытаний не одной, а группы однотипных элементов конструкций. Это позволяет в 10-15 раз увеличить число испытуемых конструкций и повысить достоверность результатов испытаний и технического осмотра здания.

Оценка огнестойкости элементов железобетонной фермы только по одному показателю качества, например по толщине защитного слоя бетона, приводит, как правило, к недооценке их фактического предела огнестойкости, поскольку влияние на него вариаций единичных показателей качества имеют различные знаки, и снижение огнестойкости за счет одного показателя может быть компенсировано другими. Вследствие этого в предложенном способе оценку фактической огнестойкости элементов железобетонной фермы предусматривают не по одному показателю, а по комплексу единичных показателей их качества. Это позволяет более точно учесть реальный ресурс огнестойкости элементов железобетонной фермы.

В предложенном техническом решении снижают погрешность определения степени огнезащиты рабочей арматуры, оценивая ее величину в зависимости от глубины залегания и условий ее нагрева при пожаре.

Показатель условия нагрева рабочей арматуры определяют по математической зависимости, учитывающей число направлений подвода тепла к ней и расположение ее стержней по отношению к биссектрисе угла обогреваемого сечения. Это позволяет более точно определить условия нагрева поперечного сечения элементов железобетонной фермы при симметричном его обогреве.

Упрощен учет конструктивных особенностей: степени армирования опасного сечения, интенсивности силовых напряжений прочности бетона и арматуры, величины диаметров стержней арматуры, условий обогрева сечения, глубины заложения арматуры, гибкости элемента и сплошности поперечного сечения на величину их пределов огнестойкости.

Уточнен комплекс единичных показателей качества растянутых и сжатых элементов железобетонной фермы, влияющих на их огнестойкость, определяемых неразрушающими испытаниями.

На фиг. 1 изображена геометрическая схема сегментной железобетонной фермы пролетом 24 м с полигональным очертанием верхнего пояса.

На фиг. 2 изображена схема усилий в элементах сегментной железобетонной фермы пролетом 24 м (нагрузка ± N, кН, к примеру расчета).

На фиг. 3 изображена расчетная схема к определению прочности растянутого элемента железобетонной фермы (сечение 1-1).

На фиг. 4 изображена расчетная схема к определению огнестойкости растянутого элемента (обогрев сечения четырехгранный, сечение 2-2).

На фиг. 5 изображена расчетная схема к определению прочности сжатого элемента железобетонной фермы.

На фиг. 6 изображена расчетная схема к определению огнестойкости сжатого элемента железобетонной фермы (обогрев сечения четырехгранный). На чертежах показаны: 1 - рабочая арматура; 2 - поперечные стержни; 3 - бетон; t_ст°C - направление действия высокой температуры.

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

Последовательность действий способа оценки огнестойкости растянутых и сжатых элементов железобетонной фермы здания состоит в следующем.

Сначала проводят визуальный осмотр железобетонной фермы здания. Затем определяют группу однотипных элементов фермы. Назначают комплекс единичных показателей качества элементов фермы, влияющих на огнестойкость. Выявляют условия опирания, закрепления концов и опасные сечения элементов фермы. Затем оценивают единичные показатели качества элементов фермы и их интегральные параметры и по ним находят пределы огнестойкости элементов фермы.

Под визуальным осмотром понимают проверку состояния испытуемых элементов фермы, включающую выявление условий опирания отдельных элементов фермы, определение вида бетона и толщины его защитного слоя, наличие трещин и отколов, нарушение сцепления арматуры с бетоном, наличие коррозии арматурной стали.

Под группой элементов фермы понимают однотипные элементы, изготовленные и возведенные в сходных технологических условиях и работающие соответственно на растяжение или на сжатие.

Схемы обогрева поперечных сечений элементов фермы в условиях пожара определяют в зависимости от фактического расположения фермы и других частей здания, устройства подвесных потолков, укладки смежных конструкций, уменьшающих число сторон обогрева, элементов фермы.

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

К основным единичным показателям качества элементов железобетонной фермы, обеспечивающим огнестойкость, относятся: геометрические размеры элементов фермы и их опасных сечений; глубина залегания, класс, диаметр, интенсивность растягивающих напряжений и предел текучести арматуры; прочность бетона, влажность и плотность его в естественных условиях; толщина защитного слоя и показатель термодиффузии бетона.

Опасные сечения элементов фермы назначают в местах наибольшего действия рабочей испытательной нагрузки. Проверяемыми геометрическими размерами являются ширина и высота опасного сечения элемента железобетонной фермы. Размеры конструкции проверяют с точностью ±1 мм; ширину трещин - с точностью до 0,05 мм.

Проверку прочности бетона элементов фермы производят неразрушающими испытаниями с применением механических и ультразвуковых приборов.

Минимальную глубину залегания стержня рабочей арматуры принимают по одной из осей координат поперечного сечения элемента фермы.

Величину критической температуры (t_cr, °C) стали и показатель функции сглаживания (n) принимают следующими в зависимости от класса арматуры (табл. 1):

По результатам измерений определяют минимальную глубину залегания рабочей арматуры по одной из осей координат поперечного сечения конструкции (a _min, мм) и величину показателя условий нагрева (m₀) рабочей арматуры при тепловом воздействии. Затем, используя величины m₀ и a _min, устанавливают интегральный параметр - степень огнезащиты рабочей арматуры из уравнения (5).

Интегральный параметр интенсивности напряжения продольной рабочей арматуры растянутых элементов железобетонной фермы определяют из условия (2), для сжатых элементов - из условия (11).

Показатель термодиффузии бетона защитного слоя в условиях огневого испытания определяют при 450°C. Для определения интегрального параметра из алгебраического выражения (8) определяют плотность бетона в естественном состоянии, его влажность, а также показатели теплопроводности и теплоемкости бетона при 450°C.

Показатель термодиффузии бетона можно принять по таблице 2.

Используя полученные интегральные параметры C, J_σs, t_cr, D_вm, из аналитических уравнений (1) и (9) находят пределы огнестойкости соответственно растянутых и сжатых элементов фермы здания.

Интегральный показатель безопасности растянутого элемента фермы (К) определяют из уравнения (8):

К=γ_n·m_об·k_сn·k_ф;

где γ_n - коэффициент надежности фермы по назначению здания; γ_n=1,1; 1,0 и 0,8 - соответственно при повышенном, нормальном и пониженном уровне ответственности;

m_об - показатель условий обогрева периметра сечения элемента фермы:

здесь p и p₀ - соответственно периметр и обогреваемая часть периметра сечения элемента, мм; k_сn - показатель сплошности поперечного сечения элемента фермы: для сплошного сечения k_сn=1,0; для пустотелого сечения k_сn=0,8;

k_ф - показатель номинального диаметра (d, мм) рабочей арматуры:

Интегральный показатель безопасности сжатого элемента фермы (К₁) определяют из уравнения (12):

К₁=γ_n·m_об·k_сn·k_a·φ;

где γ_n - коэффициент надежности фермы по назначению здания; φ - коэффициент продольного изгиба сжатого элемента фермы:

здесь - расчетная длина сжатого элемента, мм; m_об - показатель условий обогрева периметра поперечного сечения элемента фермы, определяемый из уравнения (14); k_сn - показатель сплошности поперечного сечения элемента фермы;

k_a - показатель глубины залегания рабочей арматуры:

здесь a _n и a - соответственно нормативная и фактическая глубина залегания арматуры, мм.

Пример 1. Дано: Растянутый элемент железобетонной сегментной фермы здания выполнен из тяжелого бетона (D_вm=19,5 мм²/мин) и рассчитан на растягивающее усилие N=108,55 кН; усилие от постоянной нагрузки N_дл=16,34 кН; ; продольная арматура ; R_s=350; R_sn=400; R_su=400/0,9=444,44 МПа; требуемая по расчету площадь сечения A_{s, mp}=297,4 мм²; по проекту A_s=314 мм² ; критическая температура для стали t_cr=550°C; (n=4,4);

при p=p₀, →m_об=(p/p₀)^1,2=1; γ_n=1; k_сn=1; k_ф=d^0,05=1,0^0,05=1 (фиг. 3).

Решение: 1) Интегральный показатель безопасности растянутого элемента:

K=m_об·λ_n·k_оn·k_ф=1·1·1·1=1,0

2) Испытательная нагрузка в растянутом элементе фермы:

3) Интенсивность растягивающих напряжений в рабочей арматуре растянутого элемента:

J_σs=(A_{s, mp}/A_s)·(R_s/R_su)·(N_g/N)=(297,4/314)·(350/444,44)·(63/108,55)=0,43

4) При глубине залегания a _x=a _y=a _min=35 мм коэффициент условий нагрева рабочей арматуры:

5) Степень огнезащиты рабочей арматуры бетоном:

6) Предел огнестойкости растянутого элемента сегментной фермы:

Пример 2. Дано: Сжатый элемент сегментной фермы выполнен из тяжелого бетона класса В30: D_вm=19,4 мм²/мин; R_вn=22; R_вu=22/0,83=26,51 МПа; и рассчитан на сжатие с усилием N=212,48 кН; N_дл=149,43 кН; ; сечение B×Н=150×150 мм; коэффициенты расчетной длины элемента µ₀=0,8 и условий его закрепления k₃=µ^0,5=0,8^0,5=0,89, продольная арматура , A_{s, mp}=151; A_s=314 мм²; R_sc=350 МПа; расчетная длина сжатого элемента (фиг. 4).

Решение: 1) Испытательная нагрузка на огнестойкость:

2) Несущая способность сжатого элемента при определении его огнестойкости:

N_uo=N_cr/0,83=316,3/0,83=381 кН;

3) Интенсивность сжимающих напряжений в сечении элемента:

J_σо=k₃·N_g·N_uo=0,89·123/381=0,287;

4) Степень армирования сечения сжатого элемента:

α_µs=(A_s/A)·(R_se/R_вu)=(157/150×150)·(350×26,51)=0,09;

5) Коэффициент продольного изгиба сжатого элемента:

6) Показатель глубины залегания рабочей арматуры:

k_a=1-0,1·(a _н-a)/a _н=1-0,1·(20-85)/20=1+0,075=1,075;

7) Интегральный показатель безопасности сжатого элемента:

k₁=γ_н·m_об·k_оn·k_a·φ=1·1·1·1,075·0,819=0,881;

8) Длительность сопротивления сжатого элемента фермы в условиях пожара определена из выражения (9):

Техническое заключение. Предел огнестойкости железобетонной сегментной фермы регламентирует наиболее слабой по термосиловому сопротивлению - сжатый элемент. Вследствие этого фактический предел огнестойкости железобетонной фермы в целом составляет F_ur=60 мин.

Предложенный способ применен при натурном осмотре железобетонных ферм покрытия цеха экспедиции площадью 41600 м² промышленного здания Волжского автозавода в г. Тольятти. Результаты неразрушающих испытаний стропильных ферм с параллельными поясами, пролетом 24 м, бетон тяжелый класса В35, арматура А800 (A-V), показали расчетный предел огнестойкости равным 70 мин (по растянутому элементу).

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Источники информации

1. Ильин Н.А. Техническая экспертиза зданий, поврежденных пожаром. - М.: Стройиздат, 1983. - 200 с. (см. с. 14-20).

2. ГОСТ Р 53309-2009. Здания и фрагменты зданий. Метод натурных огневых испытаний. Общие требования. (см. с. 6-12).

3. Огнестойкость зданий // В.П. Бушев, В.А. Пчелинцев, В.С. Федоренко, А.И. Яковлев. - М.: Стройиздат, 1970. - 261 с. (см. с. 112; 252-256).

4. Пат. 2282848 РФ, МПК 7 G01N 25/50. Способ определения огнестойкости растянутых элементов железобетонных конструкций здания / Ильин Н.А., Сургачев А.А., Тюрников В.В., Эсмонт С.В.; заяв. СГАСУ: 06.09.04; опубл. 28.08.06. Бюл. №24.

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и сооружений, в частности оно может быть использовано для классификации железобетонных ферм зданий по показателям сопротивления их воздействию пожара. Сущность изобретения: испытание растянутых и сжатых элементов железобетонной фермы здания без разрушения по комплексу единичных показателей качества. Для этого назначают комплекс единичных показателей качества растянутых и сжатых элементов; определяют величину испытательной нагрузки и интенсивность силовых напряжений в рабочей арматуре. Предел огнестойкости растянутых и сжатых элементов определяют из соответствующих аналитических уравнений. Описание процесса сопротивления нагруженных элементов железобетонной фермы тепловому воздействию стандартного пожара представляют математическими зависимостями, которые учитывает интегральные теплотехнические и конструктивные параметры, а также особенности армирования растянутых и сжатых элементов. Технический результат заключается в повышении достоверности неразрушающих испытаний, расширении диапазона применения способа, приближении условий испытаний к реальным. 7 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл.

1. Способ оценки огнестойкости железобетонной фермы здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, инструментальное измерение геометрических размеров элементов фермы и их опасных сечений, определение количества и диаметров рабочих стержней арматуры, их взаимного расположения и толщины защитного слоя бетона, выявление формы элементов фермы, схем обогрева их опасных сечений при пожаре и условий нагревания рабочей арматуры, установление глубины залегания стержней рабочей арматуры и степени ее огнезащиты, определение показателей плотности бетона и его влажности в естественном состоянии, величины термодиффузии бетона, характеристики рабочей арматуры сопротивлению на растяжение, определение величины испытательной нагрузки на элементы фермы и интенсивности силовых напряжений в опасном сечении, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности элементов под испытательной нагрузкой на огнестойкость, отличающийся тем, что оценку фактической огнестойкости элементов железобетонной фермы здания проводят без натурного огневого воздействия неразрушающими методами испытаний, дополнительно оценивая при этом также и сжатые элементы железобетонной фермы здания; технический осмотр дополняют определением группы однотипных растянутых и сжатых элементов железобетонной фермы, назначают комплекс единичных показателей качества растянутых и сжатых элементов железобетонной фермы, находят глубину залегания, условия нагрева и степень огнезащиты бетоном рабочей арматуры растянутых и сжатых элементов железобетонной фермы, вычисляют интегральные теплотехнические и конструктивные параметры и, используя их, определяют величину фактического предела огнестойкости элемента железобетонной фермы по длительности их сопротивления термосиловому воздействию до потери несущей способности менее огнестойкого элемента железобетонной фермы;
длительность сопротивления от начала стандартного огневого воздействия до потери несущей способности растянутых элементов железобетонной фермы (F_ur, мин) определяют, используя аналитическое уравнение (1):

где J_σs - интенсивность силовых напряжений в продольной рабочей арматуре в опасном сечении растянутого элемента фермы (0,1÷1,0); С - степень огнезащиты рабочей арматуры бетона, см; K - интегральный показатель безопасности растянутого элемента; n - эмпирический показатель изменения свойства арматурной стали в условиях пожара; t_cr - критическая температура для арматурной стали, °С;
интенсивность силовых напряжений в продольной рабочей арматуре растянутого элемента железобетонной фермы от испытательной нагрузки на огнестойкость определяют из уравнения (2):

где A_s и A_s,mp - соответственно площади арматуры, фактически установленной в опасном сечении элемента и требуемой по расчету на прочность, мм²;
R_s и R_su - расчетное и предельное сопротивление арматуры растяжению, МПа;
(R_su=R_sn/0,9); N и N_g - расчетная продольная сила и усилие от испытательной нагрузки на огнестойкость, кН;
усилие от испытательной нагрузки на огнестойкость в растянутом элементе железобетонной фермы определяют из выражения (3):
;
где - длительная часть расчетной нагрузки, кН; - коэффициент надежности по нагрузке;
степень огнезащиты продольной рабочей арматуры растянутого элемента железобетонной фермы определяют из степенного уравнения (4):
;
где m₀ - показатель условий нагрева арматуры в опасном сечении элементов фермы (0,25-1,0); a _min - минимальная глубина залегания арматуры, мм; D_вm - показатель термодиффузии бетона, мм²/мин.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при несимметричном расположении арматурных стержней относительно биссектрисы угла прямоугольного поперечного сечения элемента железобетонной фермы показатель условий нагрева арматуры (m₀) при двухстороннем обогреве (при а_х≤а_у) определяют из показательной функции (5):
;
где a _х и a _y - соответственно глубины залегания арматурных стержней от обогреваемых граней элемента по осям координат поперечного сечения, мм; (при a _х>a _у - в показателе функции (5) принимают обратное соотношение величины осевых расстояний, то есть a _y/a _х).

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, глубину залегания стержней рабочей арматуры по осям координат (осевые расстояния a _х,у) определяют из уравнения (6):
a _x,y=u_x,y+0,5·d_s;
где a _х,у - толщины защитных слоев арматуры соответственно по осям х или y, мм; d_s - номинальный диаметр продольных арматурных стержней, мм.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величину показателя термодиффузии бетона (D_вm, мм²/мин) при температуре 450°С определяют из аналитического уравнения (7):
;
где λ₀ и С₀ - показатели теплопроводности бетона, Вт/(м·°С), и удельной теплоемкости, кДж/(кг·°С), при нормальной температуре (20±5°С); b и d - термические коэффициенты теплопроводности и теплоемкости бетона; p_c и ω - плотность бетона в сухом состоянии, кг/м³, и его влажность, % по массе.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что интегральный показатель безопасности растянутого элемента фермы определяют из уравнения (8):
K=γ_n·m_об·k_сn·k_ф;
где γ_n - коэффициент надежности фермы по назначению здания; m_об - показатель условий обогрева периметра сечения элемента фермы; k_сn - показатель сплошности сечения элемента фермы; k_ф - показатель номинального диаметра рабочей арматуры.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что за единичные показатели качества растянутого элемента железобетонной фермы, влияющие на предел огнестойкости растянутого элемента, принимают геометрические размеры опасного сечения; глубину залегания, класс по прочности, номинальный диаметр, степень напряжения и предел текучести рабочей арматуры; влажность и плотность бетона, толщину защитного слоя и показатель термодиффузии бетона.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длительность сопротивления сжатых элементов железобетонной фермы F_ur, мин, от начала стандартного огневого воздействия до потери несущей способности определяют, используя аналитическое выражение (9):

где В - наименьший размер прямоугольного поперечного сечения сжатого элемента фермы, мм; J_σo - интенсивность силовых напряжений в опасном сечении сжатого элемента фермы (0-1); α_µз - степень армирования железобетонного элемента фермы; K₁ - интегральный показатель безопасности сжатого элемента; D_вm - показатель термодиффузии бетона, мм²/мин; R_вn - нормативная прочность бетона сопротивлению на осевое сжатие, МПа;
интенсивность силовых напряжений в опасном сечении сжатого элемента фермы (J_σo) от испытательной нагрузки на огнестойкость определяют из условия (10):
J_σo=k₃·N_ρo/N_un;
где k₃ - коэффициент условий закрепления сжатого элемента фермы (0,8-0,9); N_ρo - испытательная нагрузка при определении огнестойкости сжатого элемента фермы, кН; N_un - разрушающая сжатый элемент продольная сила до начала огневого испытания, кН;
степень армирования сжатого железобетонного элемента фермы (α_µs) вычисляют из выражения (11):
α_µs=(A_s/A)·(R_sc/R_вn);
где A_s и А - соответственно площади рабочей арматуры и всего бетона в поперечном сечении элемента фермы, мм²; R_sc и R_вn - соответственно расчетное сопротивление арматуры сжатию и нормативное сопротивление бетона осевому сжатию, МПа;
интегральный показатель безопасности сжатого элемента фермы (K₁) определяют, используя алгебраическое уравнение (12):
K₁=γ_n·m_об·k_cn·k_a·φ;
где γ_n - коэффициент надежности фермы по назначению здания;
m_об - показатель условий обогрева периметра поперечного сечения сжатого элемента фермы; k_сn - показатель сплошности поперечного сечения элемента фермы; k_a - показатель глубины залегания рабочей арматуры; φ - коэффициент продольного изгиба сжатого элемента фермы.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что за единичные показатели качества сжатого элемента железобетонной фермы, влияющие на предел огнестойкости сжатого элемента, принимают геометрические размеры опасного сечения, глубину залегания; класс по прочности, номинальный диаметр, сопротивление арматуры сжатию; интенсивность силовых напряжений в сечении сжатого элемента; степень армирования бетона; прочность бетона на осевое сжатие, гибкость сжатого элемента, класс по прочности, влажность и плотность бетона; толщину защитного слоя и показатель термодиффузии бетона.