Огнезащищенная металлическая чугунная опора здания Российский патент 2019 года по МПК E04B1/94 E04C3/32 

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и сооружений. В частности, оно может быть использовано при проектировании и изготовлении конструктивной огнезащиты чугунной опоры здания, выполненного в виде цилиндрической колонны, при использовании конструктивной огнезащиты из легкого бетона и огнезащитной штукатурки.

Незащищенные чугунные опоры здания при действии огня в условиях пожара быстро (спустя 1,5÷2 мин) утрачивают свою несущую способность, обрушаются сами и способствуют обрушению других конструкций здания, что приводит к значительным материальным убыткам.

Известна конструкция огнезащиты колонны здания, содержащая стальной несущий стержень и огнезащитную облицовку в виде железобетонных плит из ячеистых бетонов, гипсовых плит или пластин, вермикулитных плит и асбестоцементных листов / Бартеллеми Б., Крюппа Ж. Огнестойкость строительных конструкций / пер. с франц. - М.: Стройиздат, 1985, - 216 с. (гл. 4; п. 4.2 Материалы и способы защиты, рис. 4.2; 4.4÷4.6; с. 94÷98) / [1].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции огнезащиты двутавровой колонны здания, относится то, что в известной конструкции применено значительное число элементов каркаса и вследствие этого повышен расход огнезащитного материала и металла на изготовление каркаса для огнезащитной облицовки; при проектировании пустот и зазоров между стенкой и полками двутавра и плитами защитной облицовки увеличиваются размеры поперечного сечения облицованной колонны (площадь сечения возрастает на 75÷85%); снижается проектный предел огнестойкости огнезащищенной колонны на 25÷30%; снижается надежность крепления элементов крупноразмерной листовой и плитной облицовки.

Известна конструкция огнезащиты металлической колонны здания, содержащая стальной двутавр и огнезащитную облицовку; каркас огнезащитной облицовки выполнен в виде рамы, состоящей из стальных продольных и поперечных элементов, высотой 40÷75 мм; крепление стальных элементов каркаса между собой осуществлено самонарезающими винтами 5×25÷5×45 / Романенков И.Г., Левитес Ф.А. Огнезащита строительных конструкций. - М.: Стройиздат, 1991. - 320 с. (гл. 4 Конструктивные способы огнезащиты; рис. 6, с. 118-121) / [2].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции огнезащиты колонны здания, относится то, что в известной конструкции применено значительное число элементов каркаса и вследствие этого повышен расход металла на изготовление каркаса для огнезащитной облицовки; при проектировании пустот и зазоров между стенкой и полками двутавра и плитами защитной облицовки увеличиваются размеры поперечного сечения облицованной колонны (площадь сечения возрастает на 80÷95%; расход материалов облицовки - на 45÷50%); снижается проектный предел огнестойкости огнезащищенной колонны на 25÷30%.

Наиболее близким техническим решением к изобретению по совокупности признаков является конструкция огнезащиты металлической колонны здания, содержащая несущий стержень, элементы каркаса и листовую облицовку, при этом несущий стержень выполнен в виде стального колонного двутавра и каждый торец стального несущего стержня снабжен крепежными гайками и установочными винтами; установочными винтами к полкам колонного двутавра прикреплены контактно, вплотную элементы листовой огнезащитной облицовки, к стенке двутавра прикреплены контактно, вплотную элементы плитной огнезащитной облицовки; толщина элементов облицовки определена с учетом показателей термодиффузии ее материалов, условий нагрева и степени огнестойкости здания. Патент 2517292 МПК Е04В 1/94, Е04С 3/32 Огнезащищенная двутавровая балка / Н.А. Ильин, П.Н. Славкин, А.П. Шепелев, заяв. СГАСУ 25.10.2012, опубл. 22.05.2014. Бюл. №15 / [3] - принято за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции огнезащиты металлической колонны здания, принятой за прототип, относится то, что в известной конструкции применено значительное число элементов каркаса и вследствие этого повышен расход металла на изготовление каркаса для огнезащитной облицовки; снижается надежность крепления элементов облицовки; не обосновано определение толщины элементов листовой огнезащитной облицовки стального несущего стержня колонны в зависимости от степени огнестойкости здания и теплофизических свойств материалов огнезащиты.

Сущность изобретения заключается в повышении огнестойкости и эксплуатационной надежности огнезащищенной чугунной опоры здания, а также в улучшении пожарно-технических и экономических показателей металлических конструкций зданий.

Технический результат - повышение надежности огнезащиты чугунной опоры здания; снижение массы металла и материалов облицовки; упрощение изготовления покрытия огнезащиты чугунной опоры; повышение предела огнестойкости чугунной опоры как несущего стержня в виде круглого чугунного элемента; повышение безопасности при тушении пожара и проведении аварийно-спасательных и восстановительных работ; снижение возможных потерь от пожара; повышение надежности работы огнезащищенной чугунной опоры в процессе нормальной эксплуатации здания и в условиях развития пожара; повышение эффективности огнезащиты чугунной опоры; снижение трудоемкости монтажа элементов огнезащиты; сокращение сварочных работ и мокрых строительных процессов; обоснование инженерным расчетом толщины огнезащитного слоя в зависимости от степени огнестойкости здания, показателей термодиффузии материалов огнезащиты и условий нагрева оголовка и ствола чугунной опоры при пожаре.

Указанный технический результат при использовании изобретения достигается тем, что в известной конструкции огнезащищенной металлической опоры здания, содержащей металлический несущий стержень и его конструктивное огнезащитное покрытие, особенностью является то, что несущий стержень выполнен в виде круглого чугунного элемента, а огнезащитное покрытие - в виде армированного покрытия: из легкого бетона для оголовка чугунной опоры и огнезащитной штукатурки для ее ствола; при этом толщина огнезащитного покрытия определена с учетом величины показателей термодиффузии материала огнезащиты, требуемого предела огнестойкости несущей чугунной опоры здания и показателей критической температуры нагрева чугуна по признаку хрупкого разрушения для оголовка и, соответственно, по признаку термопрочностного разрушения для ствола чугунной опоры.

Критическую температуру для серого чугуна по признаку хрупкого разрушения вычисляют по аналитическому уравнению (1):

где: k_м - показатель скорости изменения температуры на поверхности оголовка чугунной опоры;

σ_b.cr - предел прочности серого чугуна, Н/мм²;

v _cr - коэффициент Пуассона для серого чугуна (v=0,3).

Критическую температуру для чугуна по признаку термопрочностного разрушения (T_cr, °C) вычисляют по аналитическому уравнению (2):

где: - расчетная величина интенсивности силовых напряжений в сечении ствола чугунной опоры от испытательной нагрузки на огнестойкость:

k_з - коэффициент запаса прочности чугунной опоры по испытательной нагрузке.

Толщину легкого бетона (δ_в, мм) для термозащиты оголовка чугунной опоры вычисляют по аналитическому уравнению (3):

где: D_вт - показатель термодиффузии легкого бетона, мм²/мин;

R_u - требуемый предел огнестойкости опоры здания, мин;

t_cr - критическая температура нагрева поверхности чугуна по признаку хрупкого разрушения, °С.

Толщину огнезащитной штукатурки для ствола чугунной опоры (S_шт, мм) вычисляют по аналитическому уравнению (4):

где: D_шт - показатель термодиффузии огнезащитной штукатурки, мм²/мин;

R_u - требуемый предел огнестойкости опоры здания, мин;

Т_cr - критическая температура нагрева чугуна по признаку термопрочностного разрушения, °С, г

Диаметр оголовка огнезащищенной чугунной опоры (D_or, мм) принят по условию (5):

где: d_cr - диаметр оголовка чугунной опоры, мм;

δ_в - толщина легкого бетона оголовка чугунной опоры, мм.

Диаметр ствола огнезащищенной чугунной опоры (D_ст, мм) принят по условию (6)

где: d_ст - диаметр ствола чугунной опоры, мм;

S_шт - толщина огнезащитной штукатурки ствола чугунной опоры, мм.

Для армирования легкого бетона использована стальная сварная рулонная сетка из арматурной стали класса В500, диаметром 3-5 мм с ячейкой 100×100 мм, которая замыкается в цилиндр, при этом концы поперечных стержней сетки под углом 90 градусов отгибаются в сторону оголовка опоры и от него попеременно.

Отгибы концов поперечных стержней сетки представляют собой защищенные от коррозии стальные фиксаторы, обеспечивающие проектное положение сетки.

Для армирования слоя огнезащитной штукатурки ствола чугунной опоры использована объемная сетка Рабица.

Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом изобретения заключена в следующем: использование предлагаемой конструкции огнезащиты опоры здания обеспечивает простоту и надежность обетонирования оголовка и оштукатуривание ствола чугунной опоры; повышение безопасности при тушении, при проведении аварийно-спасательных и восстановительных работ, а также снижение потерь от пожара, вследствие повышения фактических пределов огнестойкости несущих конструкций здания; повышение надежности работы огнезащищеной чугунной опоры при нормальной эксплуатации здания и в условиях пожара, а также позволяет проектировать толщину слоя огнезащиты в зависимости от степени огнестойкости здания, показателей термодиффузии материалов облицовки и условий нагрева элементов чугунной опоры при пожаре.

На фиг. 1 изображена чугунная опора здания (продольный разрез):

1 - ствол чугунной опоры; 2 - сетка огнезащитной штукатурки ствола чугунной опоры; 3 - огнезащитная штукатурка; 4 - оголовок чугунной опоры; 5 - сварная сетка легкого бетона оголовка чугунной опоры; 6 - легкий бетон.

На фиг. 2 изображено поперечное сечение А-А ствола чугунной опоры с конструктивной огнезащитой (поз. 1, 2 и 3 см. фиг. 1):

S_шт - толщина огнезащитной штукатурки для ствола чугунной опоры; d_cr - диаметр ствола чугунной опоры.

На фиг. 3 изображена сварная сетка для оголовка чугунной опоры с ячейкой 50×100 мм; d₁ и d₂ - соответственно диаметр продольных и поперечных стержней; L - длина сетки; В - ширина сетки; с - концевой участок продольного стержня; c1 и с2 - соответственно концевой участок сверху и снизу поперечного стержня.

На фиг. 4 изображена сварная сетка для оголовка чугунной опоры после ее доработки: произведены сгибы под углом 90° концевых участков поперечных стержней (усл. обозначения приведены на фиг. 3)

На фиг. 5 изображено поперечное сечение Б-Б оголовка огнезащищенной чугунной опоры: 4 - оголовок чугунной опоры; 5 - сварная сетка легкого бетона оголовка чугунной опоры; 6 - легкий бетон; 7 - концевой участок поперечного стержня сетки; 8 - участок нахлестки продольных стержней кольцевого очертания; 9 - опалубка; δ_в - толщина легкого бетона оголовка опоры; d_oг - диаметр оголовка чугунной опоры.

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

При реконструкции учебного корпуса АСА СамГТУ проектом предусмотрены огнезащищенные чугунные опоры. Характеристика здания и его несущих колонн: класс функциональной пожароопасности - Ф 4.2; требуемая степень огнестойкости - I (первая); класс конструктивной пожароопасности - СО (не пожароопасное); число этажей - 6; нормативный предел огнестойкости несущих колонн F_u,н=120 мин (табл. 21, ФЗ РФ №123-2009); чугунная опора диаметром оголовка 300 мм и диаметром ствола d=200 мм.

Огнезащитой оголовка чугунной опоры (поз. 4) является легкий бетон (поз. 6) в виде керамзитобетона.

В состав работ по выполнению огнезащиты оголовка чугунной опоры входят:

- подготовка поверхности оголовка чугунной опоры (поз. 4) к бетонированию; - устройство опалубки (поз. 9); - установка сварной сетки легкого бетона оголовка чугунной опоры (поз. 5) с обеспечением нахлестки продольных стержней кольцевого очертания (поз. 8); - концевые участки поперечных стержней сетки (поз. 7) отгибаются под углом 90° попеременно к оголовку чугунной опоры (поз. 4) и к опалубке (поз. 9); - укладка легкого бетона (поз. 6).

В состав работ по выполнению огнезащиты ствола чугунной опоры входят:

- подготовка поверхности ствола чугунной опоры (поз. 1) под штукатурку; - нанесение первого слоя огнезащитной штукатурки толщиной 20±5 мм; - разравнивание намета; - установка арматурной сетки огнезащитной штукатурки ствола чугунной опоры (поз. 2) и маяков; - объемную сетку (сетку Рабица) накладывают непосредственно на защищаемую поверхность ствола чугунной опоры (поз. 1); - нанесение второго лицевого защитного слоя огнезащитной штукатурки (поз. 3) толщиной 20±5 мм; - затирка поверхности защитного слоя; - огнезащитную штукатурку (поз. 3) на основе портландцемента после нанесения предохраняют от высыхания в течение не менее 7 суток (закрывают полиэтиленовой пленкой).

Предложенное изобретение для устройства огнезащиты чугунной опоры здания применено при реконструкции учебного корпуса №1 Академии строительства и архитектуры СамГТУ (г. Самара, 2017/18 г).

Источники информации

1. Бартеллеми Б., Крюппа Ж. Огнестойкость строительных конструкций / Пер. с франц. - М.: Стройиздат, 1985. - 216 с. (гл. 4, п. 4.2 Материалы и способы защиты; рис. 4.2; 4.4÷4.6; с. 94-98).

2. Романенков И.Г., Левитес Ф.А. Огнезащита строительных конструкций. - М.: Стройиздат, 1991. - 320 с. (гл. 4 Конструктивные способы огнезащиты; с. 131÷133).

3. Патент 2517292 МПК Е04В 1/94, Е04С 3/32 Огнезащищенная двутавровая балка / Н.А. Ильин, П.Н. Славкин, А.П. Шепелев, заяв. СГАСУ 25.10.2012, опубл. 22.05.2014. Бюл. №15

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий, в частности может быть использовано при изготовлении конструктивной огнезащиты чугунной опоры здания. Техническим результатом изобретения является повышение надежности крепления элементов опоры и конструктивной огнезащиты, повышение предела огнестойкости чугунной опоры, снижение риска взрывоопасного разрушения чугунной опоры в начальной стадии пожара. Толщина слоя огнезащиты заранее определена с учетом теплофизических свойств ее материалов, условий нагрева элементов чугунной опоры при пожаре и нормативного предела огнестойкости опоры здания. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Огнезащищенная металлическая опора здания, содержащая металлический несущий стержень и его конструктивное огнезащитное покрытие, отличающаяся тем, что несущий стержень выполнен в виде круглого чугунного элемента, а огнезащитное покрытие - в виде армированного покрытия: из легкого бетона для оголовка чугунной опоры и огнезащитной штукатурки для ее ствола; при этом толщина огнезащитного покрытия определена с учетом величины показателей термодиффузии материала огнезащиты, требуемого предела огнестойкости несущей чугунной опоры здания и показателей критической температуры нагрева чугуна по признаку хрупкого разрушения для оголовка и, соответственно, по признаку термопрочностного разрушения для ствола чугунной опоры.

2. Опора по п. 1, отличающаяся тем, что критическую температуру для серого чугуна по признаку хрупкого разрушения вычисляют по аналитическому уравнению (1):

где: k_м - показатель скорости изменения температуры на поверхности оголовка чугунной опоры;

σ_b.cr - предел прочности серого чугуна, Н/мм²;

v _cr - коэффициент Пуассона для серого чугуна (v=0,3).

3. Опора по п. 1, отличающаяся тем, что критическую температуру для чугуна по признаку термопрочностного разрушения (Т_cr, °С) вычисляют по аналитическому уравнению (2):

где: - расчетная величина интенсивности силовых напряжений в сечении ствола чугунной опоры от испытательной нагрузки на огнестойкость:

k_з - коэффициент запаса прочности чугунной опоры по испытательной нагрузке.

4. Опора по п. 1, отличающаяся тем, что толщину легкого бетона (δ_в, мм) для термозащиты оголовка чугунной опоры вычисляют по аналитическому уравнению (3):

где: D_вт - показатель термодиффузии легкого бетона, мм²/мин;

R_u - требуемый предел огнестойкости опоры здания, мин;

t_cr - критическая температура нагрева поверхности чугуна по признаку хрупкого разрушения, °С.

5. Опора по п. 1, отличающаяся тем, что толщину огнезащитной штукатурки для ствола чугунной опоры (S_шт, мм) вычисляют по аналитическому уравнению (4):

где: D_шт - показатель термодиффузии огнезащитной штукатурки, мм²/мин;

R_u - требуемый предел огнестойкости опоры здания, мин;

Т_cr - критическая температура нагрева чугуна по признаку термопрочностного разрушения, °С.

6. Опора по п. 1, отличающаяся тем, что диаметр оголовка с огнезащитным покрытием (D_or, мм) принят по условию (5):

где: d_cr - диаметр оголовка чугунной опоры, мм;

δ_в - толщина легкого бетона оголовка чугунной опоры, мм.

7. Опора по п. 1, отличающаяся тем, что диаметр ствола огнезащищенной чугунной опоры (D_ст, мм) принят по условию (6):

где: d_ст - диаметр ствола чугунной опоры, мм;

S_шт - толщина огнезащитной штукатурки ствола чугунной опоры, мм.

8. Опора по п. 1, отличающаяся тем, что для армирования легкого бетона использована стальная сварная рулонная сетка из арматурной стали класса В500, диаметром 3-5 мм с ячейкой 100×100 мм, которая замыкается в цилиндр, при этом концы поперечных стержней сетки под углом 90 градусов отгибаются в сторону оголовка опоры и от него попеременно.

9. Опора по п. 1 и 8, отличающаяся тем, что отгибы концов поперечных стержней сетки представляют собой защищенные от коррозии стальные фиксаторы, обеспечивающие проектное положение сетки.

10. Опора по п. 1, отличающаяся тем, что для армирования слоя огнезащитной штукатурки ствола чугунной опоры использована объемная сетка Рабица.