Способ определения огнестойкости сжатого трубобетонного элемента здания Российский патент 2023 года по МПК G01N33/38 

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий, в частности, оно может быть использовано для классификации сжатых трубобетонных элементов, например, колонн и стоек по показателям сопротивления их воздействию пожара или аварии. Это дает возможность обоснованного использования сжатых трубобетонных элементов с проектным пределом огнестойкости в зданиях различных классов пожароопасности.

Известен способ определения огнестойкости железобетонной колонны здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление вида бетона и арматуры железобетонной колонны, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности железобетонной колонны под испытательной нагрузкой в условиях стандартного огневого воздействия. Используя полученные интегральные параметры железобетонной колонны по номограмме вычисляют фактический предел огнестойкости / Патент RU2 281 482 G01N 25/50. Способ определения огнестойкости сжатых элементов железобетонных конструкций / Ильин Н.А., Бутенко С.А., Эсмонт С.В.; заяв. СГАСУ: 06.09.04; опубл. 13.02.06. Бюл. №22 [1].

К недостаткам известного способа относится то, что использование номограмм для определения фактической огнестойкости сжатого железобетонного элемента дает результаты расчета с большой погрешностью.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ определения огнестойкости трубобетонной колонны здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление вида бетона колонны, выявление условий ее опирания и крепления, единичных показателей качества колонны, по которым определяют предел огнестойкости колонны / Патент RU 2 695 344 G01N 33/38. Способ определения огнестойкости трубобетонных колонн здания. / Ильин Н.А., Кондратьева Н.В., Таланова В. Н., Трошкина И. С.; заяв. СамГТУ: 12.03.18; опубл. 23.07.19. Бюл. №21 [2] - прототип.

Недостаток прототипа заключается в неточности результатов проведения термопрочностного расчета по признаку потери несущей способности трубобетонной колонны в условиях пожара; сложен расчет интенсивности силовых напряжений в основном сечении трубобетонной колонны, а также расчет показателей жесткости колонны и величины критической силы, воспринимаемой колонной; не учтено влияние гибкости колонны и показателя замедления нагрева поверхности бетона сжатого элемента вследствие огнезащиты бетона металлом трубы.

Сущность изобретения заключается в установлении показателей пожаробезопасности здания в части гарантированной длительности сопротивления сжатого трубобетонного элемента в условиях пожара; в оценке проектного предела огнестойкости сжатого трубобетонного элемента при проектировании, строительстве и эксплуатации здания; в снижении сроков проектирования и экономических затрат при испытании сжатого трубобетонного элемента на огнестойкость.

Технический результат - исключение натурного огневого испытания при оценке проектной огнестойкости сжатого трубобетонного элемента здания, упрощение условий и сокращение сроков испытания сжатого элемента на огнестойкость; повышение точности и оперативности оценки проектного предела огнестойкости сжатого трубобетонного элемента здания.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе определения огнестойкости сжатого трубобетонного элемента здания, включающем проведение технического осмотра, установления марки стали трубы, вида конструктивного бетона, его класса по прочности на сжатие, выявление условий опирания и закрепления элемента, выявление площади бетона и металла трубы, коэффициента термодиффузии бетона, степени армирования основного сечения сжатого трубобетонного элемента, определение приведенной толщины металла трубы, длительность огневого воздействия стандартного пожара до начала термотекучести металла стальной трубы и времени сопротивления термосиловому воздействию металлической трубы, проведение оценочных тепловых испытаний без разрушения по комплексу единичных показателей качества сжатого трубобетонного элемента здания, отличительными особенностями которого является то, что в начале выявляют приведенные нормативные сопротивления конструктивного бетона и металла трубы при совместной их работе в составе трубобетона, затем определяют интенсивность силовых напряжений в основном сечении сжатого трубобетонного элемента и в конструктивном бетоне без учета металла трубы, находят приведенные нормативные сопротивления конструктивного бетона и металла трубы на сжатие в составе трубобетона, выявляют коэффициент продольного прогиба сжатого трубобетонного элемента здания, при этом проектный предел огнестойкости сжатого трубобетонного элемента по признаку потери несущей способности , мин вычисляют по аналитическому уравнению (1):

где - диаметр трубобетонного элемента, мм

- интенсивность силовых напряжений в бетоне;

- коэффициент замедления нагрева поверхности бетона сжатого трубобетонного элемента;

- коэффициент продольного прогиба бетона элемента;

- коэффициент термодиффузии бетона элемента, мм²/мин;

- приведенное нормативное сопротивление бетона на сжатие, МПа;

- время огнезащиты тепловому воздействию металла трубы, мин;

- иррациональное число.

Приведенное нормативное сопротивление бетона на сжатие , МПа в стальной трубе вычисляют по уравнению (2):

где - коэффициент условий работы бетона в трубе;

- приведенное нормативное сопротивление бетона на сжатие, МПа.

Приведенное нормативное сопротивление металла трубы на сжатие , МПа в составе трубобетоного элемента, вычисляют по уравнению (3):

где - предельное сопротивление металла трубы, МПа;

- эксцентриситет приложения продольной силы, мм;

- наружный диаметр стальной трубы, мм.

Интенсивность силовых напряжений в основном сечении сжатого трубобетонного элемента вычисляют по уравнению (4):

где - продольная сила, кН;

- площадь сечения металла трубы и бетона, мм²;

- приведенные нормативные сопротивления металла трубы и соответственно бетона на сжатие, МПа.

Интенсивность силовых напряжений собственно в конструктивном бетоне основного сечения сжатого элемента вычисляют по уравнению (5):

где - продольная сила, кН;

- площадь сечения бетона, мм²;

- приведенное нормативное сопротивление бетона на сжатие, МПа.

Приведенную толщину металла трубы вычисляют по уравнению (6):

где - толщина металла трубы и соответственно наружный диаметр стальной трубы, мм.

Длительность огневого воздействия стандартного пожара до начала термотекучести металла стальной трубы и время сопротивления металла сжатого трубобетонного элемента вычисляют соответственно по уравнениям (7) и (8):

где - интенсивность силовых напряжений в основном сечении сжатого трубобетонного элемента;

- приведенная толщина металла трубы, мм;

- коэффициент условий обогрева поперечного сечения сжатого элемента.

Коэффициент замедления нагрева поверхности бетона сжатого трубобетонного элемента вследствие огнезащиты бетона металлом трубы вычисляют по уравнению (9):

где - критическая температура нагрева металла трубы, °С;

- длительность огневого воздействия стандартного пожара до наступления термотекучести металла, мин.

Коэффициент продольного прогиба сжатого трубобетонного элемента вычисляют по уравнениям (10) и (11):

где - гибкость сжатого трубобетонного элемента:

- расчетная длина сжатого трубобетонного элемента и соответственно диаметр трубобетонного элемента, мм.

За единичные показатели качества сжатого трубобетонного элемента, влияющие на проектный предел огнестойкости, принимают: геометрические размеры металлической трубы и бетонного сечения, прочность бетона на осевое сжатие, степень армирования основного сечения сжатого трубобетонного элемента металлом трубы, сопротивление металла трубы сжатию, интенсивность силовых напряжений в основном сечении сжатого трубобетонного элемента и в конструктивном бетоне, коэффициент термодиффузии бетона, длительность огнезащиты металлом трубы конструктивного бетона.

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

Исключение натурных огневых испытаний сжатого трубобетонного элемента здания и замена их на неразрушающие испытания снижает сроки и трудоемкость оценки его проектной огнестойкости. Следовательно, условия испытания трубобетонного элемента на огнестойкость значительно упрощены.

Применение математического описания процесса сопротивления сжатого трубобетонного элемента здания стандартному огневому испытанию и использование построенных аналитических уравнений (2), (6), (9) и (11) повышает точность и оперативность оценки проектного предела огнестойкости.

Уточнен комплекс единичных показателей качества сжатого трубобетонного элемента здания, влияющих на проектный предел огнестойкости, определяемых неразрушающими испытаниями.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного выше технического результата. Способ оценки проектной огнестойкости сжатого трубобетонного элемента здания проводят в следующей последовательности. Сначала проводят визуальный осмотр строительных конструкций здания. Назначают комплекс единичных показателей качества сжатых трубобетонных элементов, влияющих на величину предела огнестойкости. Выявляют условия закрепления концов и основные (опасные) сечения сжатых трубобетонных элементов. Затем оценивают единичные показатели качества трубобетонного элемента и по ним находят величину его проектного предела огнестойкости.

На фиг. 1 и 2 изображена схема расчета проектной огнестойкости сжатого трубобетонного элемента здания: продольное сечение (фиг. 1) и поперечное сечение (фиг. 2):

1 - стальная труба, 2 - бетон

- продольная сила, кН;

- эксцентриситет продольной силы относительно центра тяжести, мм;

- температура стандартного пожара, °C:

Пример. Дано: сжатый трубобетонный элемент (колонна) нижнего этажа рамного каркаса длиной ; сечение трубобетонного элемента диаметром мм; бетон класса B25: МПа; коэффициент термодиффузии бетона элемента мм²/мин; толщина металла трубы мм; марка стали трубы ВСт3КП; Н/мм²; площадь сечения металла трубы мм²; наружный диаметр стальной трубы мм; продольная сила и изгибающий момент в основном сечении кН; кН∙м; ветровую и кратковременные нагрузки в расчете огнестойкости не принимают. Требуется вычислить величину проектного предела огнестойкости сжатого трубобетонного элемента.

Решение: 1) Расчетная длина сжатого элемента при равна: мм; эксцентриситет ; эксцентриситет продольной силы с учетом случайного равен:

где - изгибающий момент, кН∙м

- продольная сила, кН.

2) Приведенное нормативное сопротивление бетона на сжатие в стальной трубе (, МПа) вычисляют, решая уравнение (2):

где - коэффициент условий работы бетона;

- приведенное нормативное сопротивление бетона на сжатие.

3) Приведенное нормативное сопротивление металла трубы на сжатие (, МПа) в составе трубобетонного элемента вычисляют, решая уравнение (3):

где - предельное сопротивление металла трубы, МПа;

- эксцентриситет приложения продольной силы, мм;

- наружный диаметр стальной трубы, мм;

- толщина металла трубы, мм.

4) Интенсивность силовых напряжений в основном сечении сжатого трубобетонного элемента () определяют, решая уравнение (4):

где - продольная сила, кН;

- площадь сечения металла трубы и соответственно бетонного элемента, мм²;

- приведенное нормативное сопротивление металла трубы и соответственно бетона на сжатие, МПа.

5) Интенсивность силовых напряжений собственно в бетоне () основного сечения сжатого элемента определяют, решая уравнение (5):

где - продольная сила, кН;

- площадь сечения бетона, мм²;

- приведенное нормативное сопротивление бетона на сжатие, МПа.

6) Приведенную толщину металла трубы () выявляют, решая уравнение (6):

где - толщина металла трубы, мм;

- наружный диаметр стальной трубы, мм.

7) Длительность огневого воздействия стандартного пожара до начала термотекучести металла стальной трубы () и время сопротивления металла сжатого трубобетонного элемента () выявляют, решая уравнения (7) и (8):

где - интенсивность силовых напряжений в основном сечении сжатого трубобетонного элемента;

- приведенная толщина металла трубы, мм;

- коэффициент условий обогрева поперечного сечения сжатого трубобетонного элемента.

8) Коэффициент замедления нагрева поверхности бетона сжатого трубобетонного элемента ( вследствие огнезащиты металлом трубы определяют, решая уравнение (9):

где - критическая температура нагрева металла трубы, °С;

- длительность огневого воздействия стандартного пожара до наступления термотекучести металла, мин.

9) Коэффициент продольного прогиба сжатого трубобетонного элемента (определяют, решая уравнения (10) и (11):

- гибкость сжатого трубобетонного элемента

- расчетная длина сжатого трубобетонного элемента, мм

- диаметр трубобетонного элемента, мм

с - коэффициент, равный 6,5

10) Проектный предел огнестойкости (, мин) сжатого трубобетонного элемента по потере несущей способности вычисляют, решая аналитическое уравнение (1):

где - диаметр конструктивного бетона, мм;

- интенсивность силовых напряжений в бетоне;

- коэффициент замедления нагрева поверхности бетона сжатого трубобетонного элемента;

- коэффициент продольного прогиба бетона элемента;

- коэффициент термодиффузии бетона элемента, мм²/мин;

- приведенное нормативное сопротивление бетона на сжатие, МПа;

- время огнезащиты тепловому воздействию металла трубы, мин;

- иррациональное число.

Сжатый трубобетонный элемент здания типа колонны, имеющий расчетный предел огнестойкости , соответствует зданию I (первой) степени огнестойкости с требуемым пределом огнестойкости (ФЗ №123-2022*, табл. 21).

Предложенный способ позволяет учитывать реальный ресурс сжатого трубобетонного элемента здания по огнестойкости благодаря использованию комплекса единичных показателей его качества, а также вследствие учета показателя продольного изгиба элемента, приведения сопротивлений бетона и металла трубы, величины интенсивности силовых напряжений в основном (опасном) сечении трубобетонного элемента в целом и собственно в конструктивном бетоне, показателя термодиффузии и огнезащиты бетона металлом трубы.

Источники информации

1. Патент RU 2 281 482 G01N 25/50. Способ определения огнестойкости сжатых элементов железобетонных конструкций / Ильин Н.А., Бутенко С.А., Эсмонт С.В., заяв. СГАСУ: 06.09.04; опубл. 13.02.06. Бюл. №22.

2. Патент RU 2 695 344 G01N 33/38. Способ определения огнестойкости трубобетонных колонн здания. / Ильин Н.А., Кондратьева Н.В., Таланова В. Н., Трошкина И. С.; заяв. СамГТУ: 12.03.18; опубл. 23.07.19. Бюл. №21 - прототип.

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий применительно к классификации сжатых трубобетонных элементов по показателям сопротивления их воздействию пожара. Предложен способ определения огнестойкости сжатого трубобетонного элемента здания, включающий проведение технического осмотра, установление марки стали трубы, вида конструктивного бетона, его класса по прочности на сжатие, выявление условий опирания и закрепления элемента, выявление площади бетона и металла трубы, коэффициента термодиффузии бетона, степени армирования основного сечения сжатого трубобетонного элемента, определение приведенной толщины металла трубы, длительность огневого воздействия стандартного пожара до начала термотекучести металла стальной трубы и времени сопротивления термосиловому воздействию металлической трубы, проведение оценочных тепловых испытаний без разрушений по комплексу единичных показателей сжатого трубобетонного элемента здания, отличающийся тем, что в начале выявляют приведенные нормативные сопротивления конструктивного бетона и металла трубы при совместной их работе в составе трубобетона, затем определяют интенсивность силовых напряжений в основном сечении сжатого трубобетонного элемента и в конструктивном бетоне без учета металла трубы, находят приведенные нормативные сопротивления конструктивного бетона и металла трубы на сжатие в составе трубобетона, выявляют коэффициент продольного прогиба сжатого трубобетонного элемента здания, при этом проектный предел огнестойкости сжатого трубобетонного элемента по признаку потери несущей способности , мин вычисляют по аналитическому уравнению 1, где - диаметр трубобетонного элемента, мм, - интенсивность силовых напряжений в бетоне; - коэффициент замедления нагрева поверхности бетона сжатого трубобетонного элемента; - коэффициент продольного прогиба бетона элемента; - коэффициент термодиффузии бетона элемента, мм²/мин; - приведенное нормативное сопротивление бетона на сжатие, МПа; - время огнезащиты тепловому воздействию металла трубы, мин; - иррациональное число. Технический результат - исключение натурного огневого испытания при оценке проектной огнестойкости сжатого трубобетонного элемента здания, упрощение условий и сокращение сроков испытания сжатого элемента на огнестойкость; повышение точности и оперативности оценки проектного предела огнестойкости сжатого трубобетонного элемента здания. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1

1. Способ определения огнестойкости сжатого трубобетонного элемента здания, включающий проведение технического осмотра, установление марки стали трубы, вида конструктивного бетона, его класса по прочности на сжатие, выявление условий опирания и закрепления элемента, выявление площади бетона и металла трубы, коэффициента термодиффузии бетона, степени армирования основного сечения сжатого трубобетонного элемента, определение приведенной толщины металла трубы, длительность огневого воздействия стандартного пожара до начала термотекучести металла стальной трубы и времени сопротивления термосиловому воздействию металлической трубы, проведение оценочных тепловых испытаний без разрушений по комплексу единичных показателей сжатого трубобетонного элемента здания, отличающийся тем, что в начале выявляют приведенные нормативные сопротивления конструктивного бетона и металла трубы при совместной их работе в составе трубобетона, затем определяют интенсивность силовых напряжений в основном сечении сжатого трубобетонного элемента и в конструктивном бетоне без учета металла трубы, находят приведенные нормативные сопротивления конструктивного бетона и металла трубы на сжатие в составе трубобетона, выявляют коэффициент продольного прогиба сжатого трубобетонного элемента здания, при этом проектный предел огнестойкости сжатого трубобетонного элемента по признаку потери несущей способности , мин вычисляют по аналитическому уравнению 1:

где - диаметр трубобетонного элемента, мм

- интенсивность силовых напряжений в бетоне;

- коэффициент замедления нагрева поверхности бетона сжатого трубобетонного элемента;

- коэффициент продольного прогиба бетона элемента;

- коэффициент термодиффузии бетона элемента, мм²/мин;

- приведенное нормативное сопротивление бетона на сжатие, МПа;

- время огнезащиты тепловому воздействию металла трубы, мин;

- иррациональное число.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что приведенное нормативное сопротивление бетона на сжатие , МПа в стальной трубе вычисляют по уравнению 2:

где - коэффициент условий работы бетона в трубе;

- нормативное сопротивление бетона на сжатие, МПа.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что приведенное нормативное сопротивление металла трубы на сжатие , МПа в составе трубобетоного элемента, вычисляют по уравнению 3:

где - предельное сопротивление металла трубы, МПа;

- эксцентриситет приложения продольной силы, мм;

- наружный диаметр стальной трубы, мм.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что интенсивность силовых напряжений в основном сечении сжатого трубобетонного элемента вычисляют по уравнению 4:

где - продольная сила, кН;

- площадь сечения металла трубы и бетона, мм²;

- приведенные нормативные сопротивления металла трубы и соответственно бетона на сжатие, МПа.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что интенсивность силовых напряжений собственно в конструктивном бетоне основного сечения сжатого элемента вычисляют по уравнению 5:

где - продольная сила, кН;

- площадь сечения бетона, мм²;

- приведенное нормативное сопротивление бетона на сжатие, МПа.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что приведенную толщину металла трубы вычисляют по уравнению 6:

где - толщина металла трубы и соответственно наружный диаметр стальной трубы, мм.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длительность огневого воздействия стандартного пожара до начала термотекучести металла стальной трубы и время сопротивления металла сжатого трубобетонного элемента вычисляют соответственно по уравнениям 7 и 8:

где - интенсивность силовых напряжений в основном сечении сжатого трубобетонного элемента;

- приведенная толщина металла трубы, мм;

- коэффициент условий обогрева поперечного сечения сжатого элемента.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коэффициент замедления нагрева поверхности бетона сжатого трубобетонного элемента вследствие огнезащиты бетона металлом трубы вычисляют по уравнению 9:

где - критическая температура нагрева металла трубы, °С;

- длительность огневого воздействия стандартного пожара до наступления термотекучести металла, мин.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коэффициент продольного прогиба сжатого трубобетонного элемента вычисляют по уравнениям 10 и 11:

где - гибкость сжатого трубобетонного элемента:

- расчетная длина сжатого трубобетонного элемента и соответственно диаметр трубобетонного элемента, мм.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что за единичные показатели качества сжатого трубобетонного элемента, влияющие на проектный предел огнестойкости, принимают: геометрические размеры металлической трубы и бетонного сечения, прочность бетона на осевое сжатие, степень армирования основного сечения сжатого трубобетонного элемента металлом трубы, сопротивление металла трубы сжатию, интенсивность силовых напряжений в основном сечении сжатого трубобетонного элемента и в конструктивном бетоне, коэффициент термодиффузии бетона, длительность огнезащиты металлом трубы конструктивного бетона.