СПОСОБ ОЦЕНКИ ОГНЕСТОЙКОСТИ БАЛОЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ Российский патент 2018 года по МПК G01N25/50 

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий. В частности, оно может быть использовано для классификации составной (сталежелезобетонной) балки здания по показателям сопротивления их воздействию пожара. Это дает возможность обоснованного использования составной балки с фактическим проектным пределом огнестойкости в зданиях различных классов пожароопасности.

Известен способ оценки огнестойкости балочной конструкции по результатам натурного огневого испытания фрагмента здания, в котором производят осмотр конструкций, назначают статическую нагрузку на конструкцию соответственно реальным условиям эксплуатации здания, определяют факторы, влияющие на огнестойкость испытываемой конструкции, и величину ее предела огнестойкости /ГОСТ Р 53309-2009. Здания и фрагменты зданий. Метод натурных огневых испытаний. Общие требования (С. 6-12)/ [1].

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 балочной конструкции в условиях экспериментального пожара затруднительно и небезопасно, причины разрушения элементов балочной конструкции не удается установить из-за многообразия одновременно действующих факторов пожара. Предельное состояние по огнестойкости испытуемой конструкции может быть не достигнуто вследствие более раннего разрушения стен фрагмента.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ оценки балочной конструкции путем проведения технического осмотра, измерения инструментальных геометрических размеров элементов балки, определения размеров сечения и схемы армирования железобетонной конструкции, установления глубины залегания стержней рабочей арматуры и степени ее огнезащиты, определения интенсивности силовых напряжений в опасном сечении элемента, определения теплотехнических и конструктивных параметров и определения, с использованием полученных данных, величины фактического предела огнестойкости железобетонной балки по длительности сопротивления теплосиловому воздействию до потери несущей способности по аналитическому уравнению /Патент 2604820 РФ, МПК G01N 25/50 «Способ оценки огнестойкости железобетонной фермы здания»/ Н.А. Ильин, Д.А. Панфилов, заяв. СамГТУ 25.08.2015 г., опубл. 10.12.2016, Бюл. №34 [2], - принято за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе проводят оценку на огнестойкость растянутого и сжатого элементов фермы без оценки огнестойкости гибкой стальной гофрированной стенки балочной конструкции. Вследствие этого показатели огнестойкости стальной гофрированной стенки балочной конструкции не определены. При назначении комплекса единичных показателей качеств и параметров огнестойкости не включены показатели, характерные для стальной гофрированной стенки в частности и балочной конструкции в целом.

Сущность изобретения состоит в установлении показателей пожарной безопасности здания в части гарантированной длительности сопротивления гофрированной стенки, растянутого и сжатого поясов составной балки в условиях пожара; в оценке проектных пределов огнестойкости составной балки для использования их при проектировании, строительстве или эксплуатации здания; в повышении точности и достоверности показателей огнестойкости составной балки здания.

Технический результат - повышение точности показателей огнестойкости элементов составной балки; определение комплекса основных параметров, влияющих на огнестойкость элементов составной балки; повышение точности, при определении параметров теплофизических и конструктивных характеристик элементов составной балки; снижение трудоемкости и сокращение сроков оценки огнестойкости составной балки; возможность определения фактической огнестойкости различно нагруженных составных балок любых размеров по признаку потери несущей способности; снижение экономических затрат на оценку огнестойкости составной балки здания; сохранение эксплуатационной пригодности здания при проведении оценки; определение реального ресурса составной балки перекрытия по огнестойкости с использованием комплекса единичных показателей качества; определение фактических пределов огнестойкости составной балки здания в зависимости от конструктивных параметров по признаку потери несущей способности.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе оценки огнестойкости балочной конструкции путем проведения технического осмотра, инструментального измерения геометрических размеров элементов балочной конструкции и их опасных сечений, определения количества и диаметров рабочих стержней арматуры балочной конструкции, их взаимного расположения и толщины защитного слоя бетона, выявления формы элементов балочной конструкции, определения схем обогрева их опасных сечений при пожаре и условий нагревания рабочей арматуры, установления глубины залегания стержней рабочей арматуры и степени их огнезащиты, определения показателей плотности бетона и его влажности в естественном состоянии, определения величины термодиффузии бетона, характеристики рабочей арматуры сопротивлению на растяжение, определения величины проектной испытательной нагрузки на балочную конструкцию и интенсивности силовых напряжений в опасном сечении, определения времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности балочной конструкции под испытательной нагрузкой на огнестойкость согласно изобретению оценку огнестойкости балочной конструкции, выполненной в виде составной балки двутаврового сечения, состоящей из: стальной гофрированной стенки, растянутого и сжатого железобетонных поясов, проводят без натурного огневого испытания, не нарушающего пригодности, назначают комплекс единичных показателей качества стальной гофрированной стенки, растянутого и сжатого железобетонных поясов составной балки, находят глубину залегания, условия нагрева и степень огнезащиты контрольной точки гофрированной стенки, а также рабочей арматуры растянутого и сжатого железобетонных поясов составной балки, выявляют теплотехнические и конструктивные параметры и, используя их, определяют величину проектного предела огнестойкости составной балки (F_ur, мин) по длительности сопротивления термосиловому воздействию до потери несущей способности наименее огнестойкого элемента составной балки ( мин) по условию (1):

длительность сопротивления от начала стандартного огневого воздействия до потери несущей способности растянутого пояса составной балки (, мин) определяют, используя аналитическое уравнение (2):

где е^c - натуральное число (2,72); С - степень огнезащиты рабочей арматуры бетоном, см; J_σs - интенсивность силовых напряжений в продольной рабочей арматуре в опасном сечении растянутого железобетонного пояса (0,1÷1,0); К₁ - интегральный показатель безопасности растянутого железобетонного пояса; n - эмпирический показатель изменения свойства арматурной стали в условиях пожара; t_cr - критическая температура нагрева арматурной стали, °C;

интенсивность силовых напряжений в продольной рабочей арматуре растянутого железобетонного пояса составной балки от проектной испытательной нагрузки на огнестойкость определяют из уравнения (3):

где A_s и - соответственно площади арматуры фактически установленной в опасном сечении растянутого железобетонного пояса и требуемая по расчету на прочность, мм²; R_s и R_su - расчетные предельное сопротивление арматуры растяжению, МПа; (R_su=R_sn/0,9); N и N_g - расчетная продольная сила и усилие от проектной испытательной нагрузки на огнестойкость, кН;

усилие от проектной испытательной нагрузки на огнестойкость в растянутом железобетонном поясе составной балки определяют из выражения (4):

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

степень огнезащиты продольной рабочей арматуры растянутого железобетонного пояса составной балки определяют из степенного уравнения (5):

где m₀ - показатель условий нагрева арматуры в опасном сечении растянутого железобетонного пояса (0,25-1,0); a_min - минимальная глубина залегания арматуры по оси координат, мм; - показатель термодиффузии защитного слоя бетона, мм²/мин.

При несимметричном расположении арматурных стержней относительно биссектрисы угла прямоугольного поперечного сечения элемента составной балки показатель условий нагрева арматуры (m₀) при двустороннем обогреве (при а_х≤а_y) определяют из показательной функции (6):

где а_х и а_y - соответственно глубина залегания арматурных стержней от обогреваемых граней элемента по осям координат поперечного сечения, мм; (при а_x>а_y - в показателе функции (6) принимают обратное соотношение величины осевых расстояний, то есть а_х/a_y).

Глубину залегания стержней рабочей арматуры по осям координат (осевые расстояния а_x,y) определяют из уравнения (7):

где а_x,y - толщины защитных слоев арматуры соответственно по осям х или y, мм; d_s - номинальный диаметр продольных арматурных стержней, мм.

Величину показателя термодиффузии защитного слоя бетона [(, мм²/мин) при осредненной температуре 450°C] определяют из аналитического уравнения (8):

где λ₀ и С₀ - показатели теплопроводности бетона, Вт/(м⋅°C), и удельной теплоемкости, кДж/(кг⋅°C) при нормальной температуре (20±5°C); b u d - термические коэффициенты теплопроводности и теплоемкости бетона; р_c и ω - плотность бетона в сухом состоянии, кг/м³, и его влажность, % по массе.

Интегральный показатель безопасности растянутого железобетонного пояса составной балки определяют из уравнения (9):

где γ_п - коэффициент надежности растянутого железобетонного пояса по назначению здания; m_об - показатель условий обогрева периметра сечения элемента составной балки; k_сп - показатель сплошности сечения элемента составной балки; k_ф - показатель номинального диаметра рабочей арматуры.

За единичные показатели качества растянутого железобетонного пояса составной балки, влияющие на его предел огнестойкости, 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 сжатого железобетонного пояса составной балки , мин, от начала испытания до потери несущей способности определяют, используя аналитическое выражение (10):

где В - наименьший размер прямоугольного поперечного сечения сжатого железобетонного пояса, мм; - интенсивность силовых напряжений в опасном сечении сжатого железобетонного пояса (0-1); α_μз - степень армирования сжатого железобетонного пояса; К₂ - интегральный показатель безопасности сжатого железобетонного пояса; - показатель термодиффузии защитного слоя бетона, мм²/мин; - нормативная прочность бетона сопротивлению на осевое сжатие, МПа;

интенсивность силовых напряжений в опасном сечении сжатого железобетонного пояса составной балки () от проектной испытательной нагрузки на огнестойкость определяют из условия (11):

где k₃ - коэффициент условий закрепления сжатого железобетонного пояса (0,8-0,9); - испытательная нагрузка при определении огнестойкости сжатого железобетонного пояса, кН; - разрушающая сжатый железобетонный пояс продольная сила до начала испытания, кН;

степень армирования сжатого железобетонного пояса (α_μs) вычисляют из выражения (12):

где A_s и А - соответственно площади рабочей арматуры и всего бетона в поперечном сечении сжатого железобетонного пояса, мм²; и - соответственно расчетное сопротивление арматуры сжатию и нормативное сопротивление бетона осевому сжатию, МПа;

интегральный показатель безопасности сжатого железобетонного пояса (К₂) определяют, используя алгебраическое уравнение (13):

где - коэффициент надежности составной балки по назначению здания; - показатель условий обогрева периметра поперечного сечения сжатого железобетонного пояса; - показатель сплошности поперечного сечения сжатого железобетонного пояса; k_а - показатель глубины залегания рабочей арматуры; ϕ - коэффициент продольного изгиба сжатого железобетонного пояса.

Длительность сопротивления огневому воздействию стальной гофрированной стенки , мин, с учетом термозащиты определяют по аналитическому уравнению (14):

где J_σs - интенсивность силовых напряжений в металле гофрированной стенки (0,1±0,05);

С - степень огнезащиты металла гофрированной стенки находят из уравнения (15):

где m₀ - показатель условий нагрева контрольной точки стальной гофрированной стенки; при симметричном двустороннем подводе тепла m₀=0,5; δ₀ - толщина термозащитного покрытия металла гофрированной стенки, мм; - показатель термодиффузии материала покрытия, мм²/мин;

- длительность сопротивления огневому воздействию металлической гофрированной стенки без ее термозащиты, определяемая по аналитическому уравнению (16):

где - площадь металла поперечного сечения гофрированной стенки, см²; Р₀ - периметр обогрева сечения гофрированной стенки, см; - интенсивность силовых напряжений в сечении гофрированной стенки (0,1±0,05).

Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом заключена в следующем. Исключение огневых испытаний элементов составной балки существующего здания и замена их на неразрушающий способ снижает трудоемкость оценки их огнестойкости, позволяет производить оценку огнестойкости элементов составной балки, независимо от вида напряженного состояния элементов составной балки здания; позволяет повысить точность показателей огнестойкости элементов составной балки, соответствующих реальным (проектным) условиям их эксплуатации. Применение предложенного способа оценки пределов огнестойкости элементов составной балки позволяет назначить комплекс теплофизических и конструктивных параметров, влияющих на их величины. Математическое описание процесса сопротивления элементов составной балки стандартному огневому испытанию позволяет составить соответствующие аналитические уравнения (2), (10) и (14), для вычисления их фактических показателей огнестойкости.

Использование интегральных конструктивных параметров, как то: степени огнезащиты арматуры (стали), уровня ее напряжения и показателя термодиффузии бетона, - упрощает математические описания сопротивления термосиловому воздействию соответственно каждого элемента составной балки.

Оценка огнестойкости элемента составной балки только по одному показателю качества, например по толщине защитного слоя бетона, приводит, как правило, к недооценке 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 составной балки предусматривают не по одному показателю, а по комплексу единичных показателей их качества. Это позволяет более точно учесть реальный ресурс огнестойкости элементов составной балки.

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

Показатель условия нагрева гофрированной стенки и рабочей арматуры железобетонных поясов составной балки определяют по математической зависимости, учитывающей условия 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 составной балки при симметричном его обогреве.

Упрощен учет конструктивных особенностей: степени армирования опасного сжатого 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 огнестойкости.

Уточнен комплекс единичных показателей качества стальной гофрированной стенки, растянутых и сжатых железобетонных поясов составной балки, влияющих на их огнестойкость.

На фиг. 1 изображена геометрическая схема составной балки с параллельными железобетонными поясами (P_s - нагрузка; h_г/с - высота гофрированной стенки; Н - высота составной балки): 1 - растянутый железобетонный пояс; 2 - сжатый железобетонный пояс; 3 - стальная гофрированная стенка.

На фиг. 2 изображена схема усилий в элементах составной балки: +N_ρ, кН - усилие растяжения; -N_ρ, кН - усилие сжатия.

На фиг. 3 изображена расчетная схема для определения прочности сжатого железобетонного пояса составной балки (сечение А-А): 4 - рабочая арматура; 5 - поперечные стержни; 6 - бетон; а_х и а_y - глубина заложения арматуры по осям координат х и y, мм.

На фиг. 4 изображена расчетная схема для определения огнестойкости сжатого железобетонного пояса составной балки (обогрев сечения четырехгранный): 4 - рабочая арматура; 5 - поперечные стержни; 6 - бетон; - направление действия высокой температуры стандартного испытания; а_х и а_y - глубина заложения арматуры по осям координат х и y, мм.

На фиг. 5 изображена расчетная схема для определения прочности растянутого железобетонного пояса составной балки (сечение Б-Б): 4 - рабочая арматура; 5 - поперечные стержни; а_х и а_y - глубина заложения арматуры по осям координат х и y, мм.

На фиг. 6 изображена расчетная схема для определения огнестойкости растянутого железобетонного пояса составной балки (обогрев сечения четырехгранный): 4 - рабочая арматура; 5 - поперечные стержни; 6 - бетон; а_х и а_y - глубина заложения арматуры по осям координат х и y, мм; - направление действия высокой температуры стандартного испытания.

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

Последовательность действий способа оценки огнестойкости элементов составной балки здания состоит в следующем. Сначала проводят визуальный осмотр составной балки здания. Затем определяют группу однотипных элементов составной балки. Назначают комплекс единичных показателей качества элементов составной балки, влияющих на огнестойкость. Выявляют условия опирания, закрепления концов и опасные сечения элементов составной балки. Затем оценивают единичные показатели качества элементов составной балки и их интегральные параметры и по ним находят показатели огнестойкости элементов составной балки двутаврого сечения.

При визуальном осмотре проводят проверку состояния элементов составной балки, включающую выявление условий опирания отдельных элементов составной балки, определение вида бетона и толщины его защитного слоя, наличие трещин и отколов, нарушение сцепления арматуры с бетоном, наличие коррозии стали.

Схемы обогрева поперечных сечений элементов составной балки двутаврого сечения в условиях пожара определяют в зависимости от фактического расположения конструкции и других частей здания, устройства подвесных потолков, расположения смежных конструкций, уменьшающих число сторон обогрева элементов составной балки здания.

Число и место расположения контрольных участков, в которых определяют показатели качества конструкций, выбирают следующим образом. В элементах конструкции, имеющих одно опасное сечение, контрольные участки располагают только в этом сечении. В элементах конструкции, имеющих несколько опасных сечений, контрольные участки располагают равномерно по поверхности с обязательным расположением части контрольных участков в опасных сечениях.

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

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

Проверку прочности бетона элементов составной балки производят неразрушающим способом с применением механических и ультразвуковых приборов.

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

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

По результатам измерений определяют минимальную глубину залегания рабочей арматуры по одной из осей координат двутаврого поперечного сечения балки (а_min, мм) и величину показателя условий нагрева (m₀) рабочей арматуры при огневом 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 растянутого железобетонного пояса составной балки определяют из условия (3), для сжатого железобетонного пояса - из условия (11).

Показатель термодиффузии бетона принимают по таблице 2.

Используя полученные интегральные параметры С (мм); J_σs; t_cr (°C); (мм²/мин), из аналитических уравнений (2), (10) и (14) находят показатель огнестойкости каждого элемента составной балки здания.

Интегральный показатель безопасности растянутого железобетонного пояса (К₁) определяют из уравнения (8); m_об - показатель условий обогрева периметра сечения элемента составной балки:

здесь Р и Р₀ - соответственно периметр и обогреваемая часть периметра сечения элемента, мм; - показатель сплошности поперечного сечения элемента балки: для сплошного сечения ; для пустотелого сечения

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

Интегральный показатель безопасности сжатого железобетонного пояса (К₂) определяют из уравнения (13);

ϕ - коэффициент продольного изгиба сжатого железобетонного пояса:

здесь - расчетная длина сжатого элемента, мм; B_min - минимальный размер сечения элемента, мм;

k_а - показатель глубины залегания рабочей арматуры:

здесь а_н и а - соответственно нормативная и фактическая глубина залегания арматуры, мм.

Пример 1. Дано: Растянутый железобетонный пояс составной балки здания выполнен из тяжелого бетона и рассчитан на растягивающее усилие N=108,55 кН; усилие от постоянной нагрузки N_дл=76,34 кH; ; продольная арматура R_s=350; ; требуемая по расчету площадь сечения ; по проекту A_s=314 мм² ; критическая температура нагрева арматуры А400 равна t_cr=550°C; n=4,4;

при Р=Р₀,→m_об=(Р/Р₀)^1,2=1; ; k_ф=d^0,05=1,0^0,05=1 (фиг. 3).

Решение: 1) Интегральный показатель безопасности растянутого железобетонного пояса:

2) Проектная нагрузка в растянутом железобетонном поясе:

3) Интенсивность растягивающих напряжений в рабочей арматуре:

4) При глубине залегания а_х=а_y=а_min=35 мм показатель условий нагрева рабочей арматуры:

m₀=(а_х/а_y)^0,5/2=(35/35)^0,5/2=0,5

5) Степень огнезащиты растянутой арматуры бетоном, см:

6) Показатель огнестойкости растянутого железобетонного пояса:

Пример 2. Дано: Сжатый железобетонный пояс составной балки двутаврого сечения выполнен из тяжелого бетона класса В30: ; ; и рассчитан на сжатие с усилием N=212,48 кН; N_дл=149,43 кН; ; сечение В×H=150×150 мм; продольная арматура 4∅10А400, ; A_s=314 мм²; R_sc=350 MПa; расчетная длина сжатого железобетонного пояса (фиг. 4).

Решение: 1) Проектная нагрузка на сжатый железобетонный пояс при оценке его огнестойкости:

2) Несущая способность сжатого железобетонного пояса при определении его огнестойкости:

3) Интенсивность сжимающих напряжений в сечении сжатого железобетонного пояса:

4) Степень армирования сечения сжатого железобетонного пояса:

5) Коэффициент продольного изгиба сжатого железобетонного пояса:

6) Показатель глубины залегания рабочей арматуры:

k_а=1-0,1⋅(а_н-а)/а_н=1-0,1⋅(20-85)/20=1+0,075=1,075;

7) Интегральный показатель безопасности сжатого железобетонного пояса:

8) Длительность сопротивления сжатого железобетонного пояса в условиях пожара определена из выражения (13):

Пример 3. Дано: Элемент составной конструкции - стальная гофрированная стенка высотой h_r/c=225 см; толщина d=0,3 см; площадь сечения A_r/с=h_r/с⋅d=225⋅0,3=67,5 см²; интенсивность силовых напряжений J_σs=0,1; подвод тепла к контрольной точке гофрированной стенки симметричный двухсторонний (m₀=0,5); огнезащита гофрированной стенки - легкий строительный цементно-перлитовый раствор толщиной 44 мм (γ=800 кг/м³; ; средняя толщина защитного слоя δ₀=15 мм);

Определить длительность сопротивления гофрированной стенки - , мин, - огневому воздействию стандартного пожара.

Решение: 1) Периметр обогрева поперечного сечения гофрированной стенки

P₀=2⋅h_r/c=2⋅225=450 см.

2) Длительность сопротивления огневому воздействию гофрированной стенки без учета огнезащиты вычисляют по уравнению (16):

3. Степень огнезащиты стали гофрированной стенки вычисляют по уравнению (15):

4. Длительность сопротивления огневому воздействию оштукатуренной гофрированной стенки определяют по уравнению (14):

Наименее слабый в статическом и тепловом отношении является элемент - сжатый железобетонный пояс составной конструкции .

Заключение. Предел огнестойкости составной балки двутаврого сечения регламентирует наименее слабый по термосиловому сопротивлению - сжатый железобетонный пояс. Следовательно, проектный предел огнестойкости по потере несущей способности составной балки здания принимают по условию (1):

Предложенный способ применен при оценке огнестойкости после пожара железобетонных конструкций покрытия цеха экспедиции площадью 41600 м² промышленного здания Волжского автозавода в г. Тольятти. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Источники информации

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

2. Патент 2604820 РФ, МПК G01N 25/50 «Способ оценки огнестойкости железобетонной фермы здания» / Н.А. Ильин, Д.А. Панфилов, заяв. СамГТУ 25.08.2015 г., опубл. 10.12.2016, Бюл. №34.

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и сооружений. Предложен способ оценки огнестойкости стальной гофрированной стенки, растянутого и сжатого железобетонных поясов составной балки здания без нарушения ее пригодности по комплексу единичных показателей качества. Для этого назначают комплекс единичных показателей качества гофрированной стенки, растянутого и сжатого поясов; определяют величину проектной испытательной нагрузки и интенсивность силовых напряжений в металле гофрированной стенки и в рабочей арматуре растянутого и сжатого железобетонных поясов составной конструкции. Длительность сопротивления в условиях термосилового воздействия стальной гофрированной стенки, растянутого и сжатого железобетонных поясов составной конструкции определяют по аналитическим зависимостям (2), (10) и (14). Описание процесса сопротивления нагруженных элементов составной балки стандартному тепловому воздействию представляют математическими зависимостями, которые учитывают теплотехнические параметры, а также конструктивные особенности гофрированной стенки и армирования растянутого и сжатого железобетонных поясов. Технический результат - повышение точности показателей огнестойкости стальной гофрированной стенки, растянутого и сжатого железобетонных поясов составной балки без натурного огневого воздействия; а также повышение точности показателей проектной огнестойкости составной балки в целом и определение времени сопротивления огневому воздействию наименее слабого с точки зрения огнестойкости ее элемента. 7 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл.

1. Способ оценки огнестойкости балочной конструкции путем проведения технического осмотра, инструментального измерения геометрических размеров элементов балочной конструкции и их опасных сечений, определения количества и диаметров рабочих стержней арматуры балочной конструкции, их взаимного расположения и толщины защитного слоя бетона, выявления формы элементов балочной конструкции, определения схем обогрева их опасных сечений при пожаре и условий нагревания рабочей арматуры, установления глубины залегания стержней рабочей арматуры и степени их огнезащиты, определения показателей плотности бетона и его влажности в естественном состоянии, определения величины термодиффузии бетона, характеристики рабочей арматуры сопротивлению на растяжение, определения величины проектной испытательной нагрузки на балочную конструкцию и интенсивности силовых напряжений в опасном сечении, определения времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности балочной конструкции под испытательной нагрузкой на огнестойкость, отличающийся тем, что оценку огнестойкости балочной конструкции, выполненной в виде составной балки двутаврового сечения, состоящей из: стальной гофрированной стенки, растянутого и сжатого железобетонных поясов, проводят без натурного огневого испытания, не нарушающего пригодности, назначают комплекс единичных показателей качества стальной гофрированной стенки, растянутого и сжатого железобетонных поясов составной балки, находят глубину залегания, условия нагрева и степень огнезащиты контрольной точки гофрированной стенки, а также рабочей арматуры растянутого и сжатого железобетонных поясов составной балки, выявляют теплотехнические и конструктивные параметры и, используя их, определяют величину проектного предела огнестойкости составной балки (F_ur, мин) по длительности сопротивления термосиловому воздействию до потери несущей способности наименее огнестойкого элемента составной балки (ƒ_ur,min, мин) по условию (1):

F_ur=ƒ_ur,min;

длительность сопротивления от начала стандартного огневого воздействия до потери несущей способности растянутого пояса составной балки (ƒ_{ur, 1}, мин) определяют, используя аналитическое уравнение (2):

,

где е^с - натуральное число (2,72); С - степень огнезащиты рабочей арматуры бетоном, см; J_σs - интенсивность силовых напряжений в продольной рабочей арматуре в опасном сечении растянутого железобетонного пояса (0,1÷1,0); К₁ - интегральный показатель безопасности растянутого железобетонного пояса; n - эмпирический показатель изменения свойства арматурной стали в условиях пожара; t_cr - критическая температура нагрева арматурной стали, °С;

интенсивность силовых напряжений в продольной рабочей арматуре растянутого железобетонного пояса составной балки от проектной испытательной нагрузки на огнестойкость определяют из уравнения (3):

;

где A_s и - соответственно площади арматуры фактически установленной в опасном сечении растянутого железобетонного пояса и требуемой по расчету на прочность, мм²; R_s и R_su - расчетные предельное сопротивление арматуры растяжению, МПа; (R_su=R_sn/0,9); N и N_g - расчетная продольная сила и усилие от проектной испытательной нагрузки на огнестойкость, кН;

усилие от проектной испытательной нагрузки на огнестойкость в растянутом железобетонном поясе составной балки определяют из выражения (4):

;

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

степень огнезащиты продольной рабочей арматуры растянутого железобетонного пояса составной балки определяют из степенного уравнения (5):

;

где m₀ - показатель условий нагрева арматуры в опасном сечении растянутого железобетонного пояса (0,25-1,0); a_min - минимальная глубина залегания арматуры по оси координат, мм; - показатель термодиффузии защитного слоя бетона, мм²/мин.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при несимметричном расположении арматурных стержней относительно биссектрисы угла прямоугольного поперечного сечения элемента составной балки показатель условий нагрева арматуры (m₀) при двустороннем обогреве (при а_х≤а_у) определяют из показательной функции (6):

m₀=(а_у/а_х)^0,5/2≤1;

где а_х и а_у - соответственно глубина залегания арматурных стержней от обогреваемых граней элемента по осям координат поперечного сечения, мм; (при а_х>а_у - в показателе функции (6) принимают обратное соотношение величины осевых расстояний, то есть а_х/а_у).

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что глубину залегания стержней рабочей арматуры по осям координат (осевые расстояния а_х,у) определяют из уравнения (7):

a _x,y=u_x,y+0,5⋅d_x;

где а_х,у - толщины защитных слоев арматуры соответственно по осям х или у, мм; d_s - номинальный диаметр продольных арматурных стержней, мм.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величину показателя термодиффузии защитного слоя бетона [(, мм²/мин) при осредненной температуре 450°С] определяют из аналитического уравнения (8):

;

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; р_с 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 железобетонного пояса составной балки определяют из уравнения (9):

;

где - коэффициент надежности растянутого железобетонного пояса по назначению здания; m_об - показатель условий обогрева периметра сечения элемента составной балки; - показатель сплошности сечения элемента составной балки; k_ф - показатель номинального диаметра рабочей арматуры.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что за единичные показатели качества растянутого железобетонного пояса составной балки, влияющие на его предел огнестойкости, 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 сжатого железобетонного пояса составной балки ƒ_ur,2, мин, от начала испытания до потери несущей способности определяют, используя аналитическое выражение (10):

;

где В - наименьший размер прямоугольного поперечного сечения сжатого железобетонного пояса, мм; J_σо - интенсивность силовых напряжений в опасном сечении сжатого железобетонного пояса (0-1); α_μз - степень армирования сжатого железобетонного пояса; К₂ - интегральный показатель безопасности сжатого железобетонного пояса; - показатель термодиффузии защитного слоя бетона, мм²/мин; - нормативная прочность бетона сопротивлению на осевое сжатие, МПа;

интенсивность силовых напряжений в опасном сечении сжатого железобетонного пояса составной балки (J_σо) от проектной испытательной нагрузки на огнестойкость определяют из условия (11):

;

где k_з - коэффициент условий закрепления сжатого железобетонного пояса (0,8-0,9); N_ρо - испытательная нагрузка при определении огнестойкости сжатого железобетонного пояса, кН; - разрушающая сжатый железобетонный пояс продольная сила до начала испытания, кН;

степень армирования сжатого железобетонного пояса (α_μs) вычисляют из выражения (12):

;

где A_s и А - соответственно площади рабочей арматуры и всего бетона в поперечном сечении сжатого железобетонного пояса, мм²; R_sc и - соответственно расчетное сопротивление арматуры сжатию и нормативное сопротивление бетона осевому сжатию, МПа;

интегральный показатель безопасности сжатого железобетонного пояса (К₂) определяют, используя алгебраическое уравнение (13):

;

где γ_n - коэффициент надежности составной балки по назначению здания; m_об - показатель условий обогрева периметра поперечного сечения сжатого железобетонного пояса; - показатель сплошности поперечного сечения сжатого железобетонного пояса; k_a - показатель глубины залегания рабочей арматуры; ϕ - коэффициент продольного изгиба сжатого железобетонного пояса.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длительность сопротивления огневому воздействию стальной гофрированной стенки ƒ_us,3, мин, с учетом термозащиты определяют по аналитическому уравнению (14):

;

где J_σs - интенсивность силовых напряжений в металле гофрированной стенки (0,1±0,05);

С - степень огнезащиты металла гофрированной стенки, которую находят из уравнения (15):

;

где m₀ - показатель условий нагрева контрольной точки стальной гофрированной стенки; при симметричном двустороннем подводе тепла m₀=0,5;

δ₀ - толщина термозащитного покрытия металла гофрированной стенки, мм;

- показатель термодиффузии материала покрытия, мм²/мин;

- длительность сопротивления огневому воздействию металлической гофрированной стенки без ее термозащиты, определяемая по аналитическому уравнению (16):

;

где - площадь металла поперечного сечения гофрированной стенки, см²;

Р₀ - периметр обогрева сечения гофрированной стенки, см;

- интенсивность силовых напряжений в сечении гофрированной стенки (0,1±0,05).