Способ обеспечения несущей способности железобетонных ребристых панелей перекрытия здания в условиях затяжного пожара Российский патент 2023 года по МПК G01N25/50 

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и сооружений и может быть использовано для классификации железобетонных ребристых панелей перекрытий по пожаробезопасности, для установления их применения в строениях определенной степени огнестойкости [1].

Необходимость обеспечения несущей способности железобетонных ребристых панелей перекрытия возникает при реконструкции зданий, усилении их несущих конструкций, приведении проектной огнестойкости ребристых панелей в соответствии с требованиями современных норм, при проведении экспертизы и восстановлении железобетонных конструкций здания после пожара.

Увеличение несущей способности железобетонных ребристых панелей в 1,5-2 раза дает рост проектного предела огнестойкости в 4-6 раз.

Известен способ обеспечения несущей способности железобетонной панели перекрытия в условиях стандартного огневого воздействия, включающий проведение технического осмотра, установление вида бетона и арматуры, выявление условия её опирания и крепления, определение времени наступления предельного состояния по потере несущей способности под нормативной нагрузкой в условиях стандартного огневого воздействия /ГОСТ 30247.1-94. Конструкции строительные. Методы испытания на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции [2].

Однако в известном способе натурные огневые испытания проводят на образце конструкции, в огневых печах. Стандартные огневые испытания трудоемки, неэффективны и небезопасны.

Наиболее близким способом того же назначения является способ оценки огнестойкости железобетонной балочной конструкции здания, включающий проведение технического осмотра, установление вида бетона и арматуры железобетонной конструкции, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности // Патент RU №2615048 G01N 25/50. Способ оценки огнестойкости железобетонной балочной конструкций здания /Ильин Н.А., Панфилов Д.А.; заяв. 02.11.15; опубл. 03.04.17. Бюл. №10.

Однако известным способом невозможно учесть особенности дополнительного армирования продольных ребер панели перекрытия, а также увеличение степени огнезащиты условных стержней рабочей арматуры и значительное снижение интенсивности силовых напряжений растяжения в них.

Сущность изобретения состоит в определении огнестойкости железобетонной ребристой панели перекрытия по критерию потери несущей способности при пожаре, в определении показателя пожарной безопасности здания в части гарантированной длительности термо-силовому сопротивлению железобетонных ребристых панелей, в определении проектного предела огнестойкости усиленных ребристых панелей по признаку потери несущей способности.

Технический результат - обеспечение несущей способности железобетонной ребристой панели перекрытия здания в условиях пожара, исключение натурных огневых испытаний при оценке несущей способности усиленной железобетонной ребристой панели в условиях пожара, а также повышение достоверности результатов и сокращение времени и трудоемкости получения результатов оценки несущей способности усиленной железобетонной ребристой панели в условиях пожара.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе определения огнестойкости железобетонной ребристой панели перекрытия, включающем проведение технического осмотра, установление вида бетона и арматуры железобетонных ребристых панелей перекрытия, выявление условий опирания и крепления, определение времени наступления предельного состояния по огнестойкости, контрольное испытание железобетонных ребристых панелей перекрытия без разрушения по комплексу единичных показателей качества, геометрическое измерение размеров железобетонных ребристых панелей и их основных расчетных сечений, взаимного расположения стержней продольной арматуры и толщину защитного слоя бетона, выявление формы железобетонных ребристых панелей перекрытия, схемы обогрева основного рабочего сечения при пожаре и условий нагревания продольной арматуры, установление глубины заложения арматуры и степени её огнезащиты, выявление величины коэффициента термодиффузии бетона, характеристик бетона сопротивлению на сжатие и продольной арматуры сопротивлению на растяжение, а также интенсивности силовых напряжений в ней, отличительная особенность заключается в том, что в качестве железобетонных ребристых панелей используют усиленные железобетонные ребристые панели, а предел огнестойкости усиленной железобетонной ребристой панели перекрытия по критерию потери несущей способности при пожаре (Fu_(R), мин) выявляют, решая уравнение:

где - интенсивность силовых напряжений в условном стержне рабочей арматуры усиленной железобетонной ребристой панели;

С - степень огнезащиты условного стержня продольной арматуры бетоном, см;

- критическая температура нагрева основной продольной арматуры (°С);

n - эмпирический показатель класса арматуры;

e=2,72 - натуральное число.

Степень огнезащиты условных стержней продольной арматуры (С, см) определяют по уравнению:

где - показатель условленного нагрева условного стержня продольной арматуры при двустороннем подходе тепла;

- минимальная глубина залегания условного стержня продольной арматуры панели по одной из осей координат расчетного сечения, мм;

- коэффициент термодиффузии бетона,

Величину показателя условленного нагрева условного стержня продольной арматуры при двустороннем подходе тепла () к ней вычисляют по уравнению:

где - глубина залегания условного стержня продольной арматуры по осям координат основного расчетного сечения сочлененных железобетонных ребристых панелей перекрытия, мм.

Интенсивность силовых напряжений в условном стержне продольной арматуры усиленной железобетонной ребристой панели (1) вычисляют по уравнению:

где - нормативная интенсивность силовых напряжений в основной арматуре до усиления панели (при k_з=1,6);

- нормативное сопротивление растяжению основной и дополнительной арматуры, МПа;

- коэффициент условий работы панели по нагрузке.

Величину коэффициента термодиффузии бетона (, ) определяют экспериментально или принимают в зависимости от вида бетона следующим:

• бетон тяжелый (влажность 3%) на известняковом/на гранитном щебне:

;

• керамзитобетон (влажность 5%) на керамзитовом/перлитовом песке

.

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

Исключение натурных огневых испытаний усиленной железобетонной ребристой панели перекрытия существующего здания и их замена на неразрушающие испытания снижает трудоемкость оценки их проектной огнестойкости. Следовательно, условия испытания усиленной железобетонной ребристой панели на огнестойкость по признаку потери несущей способности значительно упрощены, снижение затрат на испытание существенно.

Применение математического описания процесса сопротивления усиленных железобетонных ребристых панелей термо-силовому воздействию и использование построенного аналитического выражения (1) повышает точность и достоверность обеспечения несущей способности усиленных железобетонных ребристых панелей перекрытия в условиях высокотемпературного воздействия заданной продолжительности.

В предложенном техническом решении снижают погрешность при оценке обеспеченности несущей способности усиленных железобетонных ребристых панелей перекрытия в условиях стандартного пожара.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение сборной железобетонной ребристой панели перекрытия до усиления:

1 - продольное ребро панели;

2 - основная продольная арматура;

b - ширина продольного ребра, мм;

- ширина полки панели, мм;

- толщина полки панели, мм;

- высота продольного ребра, мм;

- рабочая высота сечения, мм;

- глубина залегания продольной арматуры по осям координат, мм;

- температура среды стандартного пожара, °С;

На фиг. 2 изображено поперечное сечение сочлененных железобетонных ребристых панелей перекрытия, усиленного горизонтальными затяжками снизу и монолитной плитой сверху:

1 - продольное ребро панели;

2 - основная продольная арматура;

3 - дополнительная арматура - тяжи затяжки;

4 - анкер из полосовой стали;

5 - стяжной болт, оборудованный шайбой и высокой гайкой;

6 - сквозное отверстие в ребрах сопряжённых панелей;

7 - цементный раствор;

8 - сварные швы;

9 - дополнительная арматурная сетка полки плиты;

10 - дополнительная монолитная плита из легкого бетона.

На фиг. 3 изображено расчетное сечение железобетонных ребристых панелей перекрытия, усиленных горизонтальной затяжкой снизу и монолитной плитой из легкого бетона сверху:

1 - продольное ребро панели;

2 - основная продольная арматура;

3 - дополнительная арматура - тяжи затяжки;

10 - дополнительная монолитная плита из легкого бетона;

11 -условный стержень продольной арматуры;

b - ширина продольного ребра, B - ширина сечения, мм;

h - высота расчетного сечения, мм;

e -величина зазора между продольными ребрами, мм;

- глубина залегания условного стержня продольной арматуры по осям координат основного расчетного сечения сочлененных железобетонных ребристых панелей перекрытия, мм;

- температура среды стандартного пожара, °С:

;

где - длительность огневого воздействия, мин.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением технического результата.

Усиление железобетонных ребристых панелей перекрытия производят следующими способами: полку панели усиливают набетонкой из легкого бетона, армируя её дополнительной арматурной сеткой; продольные ребра панели усиливаются анкером из полосовой стали, зафиксированным стяжным болтом, зазор между анкером и поверхностью ребра панели заполняется цементным раствором, далее на анкер привариваются дополнительные стержни продольной арматуры, которые затем покрывают цементным раствором, предварительно загрунтовав.

Способ обеспечения несущей способности усиленных железобетонных ребристых панелей перекрытия зданий в условиях затяжного пожара осуществляют в следующей последовательности. Сначала производят визуальный осмотр панелей перекрытия. Назначают комплекс единичных показателей качества железобетонной ребристой панели, влияющих на обеспечение их несущей способности в условиях стандартного огневого воздействия длительностью 180-200 мин. Выявляют условия опирания, усиливаемых панелей, закрепления концов дополнительной арматуры в основном расчетном сечении сочлененных панелей. Затем оценивают единичные показатели качества усиленных железобетонных ребристых панелей перекрытия, выявляя проектный предел огнестойкости железобетонных ребристых панелей по признаку потери несущей способности.

К основным единичным показателям качества железобетонных ребристых панелей перекрытия, обеспечивающим несущую способность в условиях затяжного пожара, относят: геометрические размеры усиленных железобетонных ребристых панелей и высоту основного сечения, глубину залегания, класс по прочности, приведенный диаметр условного стержня основной продольной и дополнительной арматуры, интенсивность силовых напряжений и критическую температуру нагрева основной арматуры, коэффициент термодиффузии бетона и степень огнезащиты продольной арматуры.

Пример 1. Дана железобетонная ребристая панель размеров в плане 6×1,5 м, толщиной полки ; основная продольная рабочая арматура панели в сочлененных продольных ребрах 2∅20 А600 (°C; ; ) глубина заложения ; интенсивность напряжений ; бетон тяжелый на известняковом щебне: (коэффициент термодиффузии , толщина защитного слоя ), показатель условий двустороннего обогрева рабочего стержня продольной арматуры панели ; степень огнезащиты арматуры бетоном ; Предел огнестойкости ребристой панели без усиления (для панелей перекрытия здания особой степени огнестойкости) [3].

Для повышения огнестойкости существующей железобетонной ребристой панели принято усиление сочлененных продольных ребер в средней части пролета панели в виде затяжки из дополнительной гладкой горячекатаной арматуры 2∅20 А240 (; ; )

Решение:

1) Приведенный диаметр основной и дополнительной арматуры продольных ребер

где - диаметр основной арматуры продольных ребер, мм;

- диаметр дополнительной арматуры продольных ребер, мм.

2) Осевые расстояния

;

где - толщина защитного слоя, мм;

- приведенный диаметр основной и дополнительной арматуры продольных ребер, мм.

;

где b - ширина продольного ребра, мм;

e - величина зазора между продольными ребрами, мм;

- глубина залегания условного стержня продольной арматуры, мм.

.

3) Показатель условий двустороннего нагрева условного стержня арматуры () определяют по уравнению (4):

где - глубина залегания условного стержня продольной арматуры по осям координат основного расчетного сечения сочлененных железобетонных ребристых панелей перекрытия, мм.

4) Степень огнезащиты условного стержня арматуры бетоном (С, см) вычисляют по уравнению (3):

где - показатель условленного нагрева условного стержня продольной арматуры при двустороннем подходе тепла;

- минимальная глубина залегания условного стержня продольной арматуры панели по одной из осей координат расчетного сечения, мм;

- коэффициент термодиффузии бетона,

5) Интенсивность силовых напряжений в условном стержне продольной арматуры усиленной железобетонной ребристой панели () вычисляют по уравнению (2):

где - нормативная интенсивность силовых напряжений в основной арматуре до усиления панели;

- нормативное сопротивление растяжению основной и дополнительной арматуры, МПа;

- коэффициент условий работы панели по нагрузке.

6) Проектный предел огнестойкости усиленной железобетонной ребристой панели по несущей способности (, мин) вычисляют по уравнению (1):

где - интенсивность силовых напряжений в условном стержне продольной арматуры усиленной железобетонной ребристой панели;

С - степень огнезащиты приведенного стержня продольной арматуры бетоном, см;

- критическая температура нагрева основной продольной арматуры (°С);

n - эмпирический показатель класса арматуры;

e=2,72 - натуральное число.

7) Заключение. Так как проектный предел огнестойкости железобетонной ребристой панели по несущей способности , следовательно, несущая способность панелей перекрытия здания в условиях затяжного пожара обеспечивается.

Предложенное техническое решение используется в работе Отраслевой НИЛ ЖБК, в испытательном центре «Самарастройиспытания», в «Центре инженерно-технических разработок», в Научно-техническом центре «Пожарная безопасность» СамГТУ (г. Самара, 2022 г.).

Источники информации

1. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности. ФЗ №123-2008*. -М, 2022. (ст. 35 классификация строительных конструкций по огнестойкости).

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

3. Патент RU №2615048 G01N 25/50. Способ оценки огнестойкости железобетонной балочной конструкций здания /Ильин Н.А., Панфилов Д.А.; заяв. 02.11.15; опубл. 03.04.17. Бюл. №10 - прототип.

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и сооружений и может быть использовано для классификации железобетонных ребристых панелей перекрытий по пожаробезопасности, для установления их применения в строениях определенной степени огнестойкости. Сущность изобретения заключается в том, что огневое испытание железобетонных ребристых панелей перекрытия здания проводят без разрушения, по комплексу единичных показателей качества. Для этого определяют геометрические размеры усиленных ребристых панелей; схему обогрева расчетного сечения в условиях пожара, размещение основной и дополнительной арматуры, приведенной к условным стержням арматуры в расчетном сечении, глубину заложения и степень огнезащиты условных стержней арматуры, в продольных ребрах панелей, коэффициент термодиффузии бетона, интенсивность силового напряжения в условных стержнях продольной арматуры. Обеспеченность несущей способности железобетонных ребристых панелей перекрытия определяют по величине проектного предела огнестойкости перекрытия (Fu_(R), мин). В описании процесса сопротивления железобетонной ребристой панели огневому воздействию стандартного пожара предложенный способ учитывает степень огнезащиты арматуры, интенсивность силовых напряжений, коэффициент термодиффузии бетона, а также особенности дополнительного армирования ребристой плиты. Технический результат – обеспечение несущей способности железобетонной ребристой панели перекрытия здания в условиях затяжного пожара, исключение натурных огневых испытаний при оценке несущей способности усиленной железобетонной ребристой панели в условиях затяжного пожара, а также повышение достоверности результатов и сокращение времени и трудоемкости получения результатов оценки несущей способности усиленной железобетонной ребристой панели в условиях пожара. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения огнестойкости железобетонной ребристой панели перекрытия, включающий проведение технического осмотра, установление вида бетона и арматуры железобетонных ребристых панелей перекрытия, выявление условий опирания и крепления, определение времени наступления предельного состояния по огнестойкости, контрольное испытание железобетонных ребристых панелей перекрытия без разрушения по комплексу единичных показателей качества, геометрическое измерение размеров железобетонных ребристых панелей и их основных расчетных сечений, взаимного расположения стержней продольной арматуры и толщину защитного слоя бетона, выявление формы железобетонных ребристых панелей перекрытия, схемы обогрева основного рабочего сечения при пожаре и условий нагревания продольной арматуры, установление глубины заложения арматуры и степени её огнезащиты, выявление величины коэффициента термодиффузии бетона, характеристик бетона сопротивлению на сжатие и продольной арматуры сопротивлению на растяжение, а также интенсивности силовых напряжений в ней, причем в качестве железобетонных ребристых панелей используют усиленные железобетонные ребристые панели, а предел огнестойкости усиленной железобетонной ребристой панели перекрытия по критерию потери несущей способности при пожаре (Fu_(R), мин) выявляют, решая уравнение:

где - интенсивность силовых напряжений в условном стержне рабочей арматуры усиленной железобетонной ребристой панели;

С - степень огнезащиты условного стержня продольной арматуры бетоном, см;

- критическая температура нагрева основной продольной арматуры (°С);

n - эмпирический показатель класса арматуры;

e = 2,72 - натуральное число,

при этом степень огнезащиты условного стержня продольной арматуры (С, см) определяют по уравнению:

где - показатель условленного нагрева условного стержня продольной арматуры при двустороннем подходе тепла;

- минимальная глубина залегания условного стержня продольной арматуры панели по одной из осей координат расчетного сечения, мм;

- коэффициент термодиффузии бетона,

а величину показателя условленного нагрева условного стержня продольной арматуры при двустороннем подходе тепла () к ней определяют по уравнению:

где - глубина залегания условного стержня продольной арматуры по осям координат основного расчетного сечения сочлененных железобетонных ребристых панелей перекрытия, мм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что интенсивность силовых напряжений в условном стержне продольной арматуры усиленной железобетонной ребристой панели (1) вычисляют по уравнению:

где - нормативная интенсивность силовых напряжений в основной арматуре до усиления панели (при k_з=1,6);

- нормативное сопротивление растяжению основной и дополнительной арматуры, МПа;

- коэффициент условий работы панели по нагрузке.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величину коэффициента термодиффузии бетона (, ) определяют экспериментально или принимают в зависимости от вида бетона следующим:

• бетон тяжелый (влажность 3%) на известняковом/на гранитном щебне:

;

• керамзитобетон (влажность 5%) на керамзитовом/перлитовом песке:

.