Способ оценки огнестойкости железобетонной колонны с высоким процентом армирования Российский патент 2024 года по МПК G01N25/50 

Область техники, к которой относится изобретение

Предлагаемое изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и сооружений, в частности оно может быть использовано для пожарно-технической классификации железобетонных колонн с высоким процентом армирования (более 3%) по показателям сопротивления их в условиях пожара или технологической аварии. Это даёт возможность экономически обоснованного использования проектируемых железобетонных колонн с фактическими пределами огнестойкости в зданиях различной степенью огнестойкости.

Уровень техники

Известен способ оценки огнестойкости железобетонной колонны здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление вида бетона и арматуры железобетонной колонны, выявление условий закрепления её концов, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности железобетонной колонны под испытательной нагрузкой в условиях стандартного огневого воздействия / Патент № 2281482 RU, МПК G 01 N 25/50. Способ определения огнестойкости сжатых элементов железобетонных конструкций здания / Ильин Н.А., Бутенко С.А., Эсмонт С.В., заяв. СГАСУ: 06.09.04; опубл. 10.08.06. Бюл. №22 [1].

К недостаткам известного способа относятся то, что использование построенной номограммы для оценки фактической огнестойкости железобетонной колонны даёт результаты расчёта с большей погрешностью, не учитываются особенности условия нагрева стержней продольной арматуры.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному техническому решению по совокупности признаков является способ оценки огнестойкости железобетонной колонны здания, включающим проведение технического осмотра конструкций, установление класса бетона и арматуры железобетонной колонны, выявление условий её опирания, проведение оценочного испытания без разрушения по комплексу единичных показателей качества колонны, при котором технический осмотр сопровождают инструментальными измерениями геометрических размеров железобетонной колонны и его основного опасного сечения, устанавливают площади бетона и арматуры в основном сечении, определяют коэффициенты термодиффузии бетона, выявляют степень армирования основного сечения и величину интенсивности силовых напряжений в основном сечении железобетонной колонны / Патент №2615047, RU, МПК G 01N 25/50. Способ оценки огнестойкости железобетонной колонны здания / Ильин Н.А., Панфилов Д.А., Потапова Ю.С., заяв. СамГТУ (АСиА): 02.10.15, опубл. 03.04.17. Бюл. №10 [2] / - прототип.

К причинам, препятствующим достижению технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что невозможно использование его для достоверной оценки фактической огнестойкости железобетонных колонн с высоким процентом армирования (свыше 3%).

Раскрытие сущности изобретения

Сущность изобретения заключается в установлении показателей пожаробезопасности зданий и сооружений в части гарантированного времени сопротивления железобетонной колонны с высоким процентом армирования в условиях пожара; в оценке фактических пределов огнестойкости железобетонных колонн с высоким пределом армирования при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений, в снижении экономических затрат при испытании железобетонных колонн на огнестойкость.

Технический результат изобретения - повышение точности оценки конструктивных параметров, влияющих на величину предела огнестойкости железобетонной колонны с высоким процентом армирования, снижение трудоёмкости и экономических затрат для оценки огнестойкости железобетонной колонны с высоким процентом армирования; упрощение условий и сокращение сроков испытания железобетонной колонны на огнестойкость; исключение натурного огневого испытания железобетонной колонны с высоким процентом армирования (свыше 3%) в здании, сооружении; выявление предельной температуры нагрева продольной арматуры в зависимости от интенсивности силовых напряжений в основном сечении колонны; выявление приведенного показателя условий нагрева угловых и средних стержней продольной арматуры в основном сечении колонны; нахождение величины предельной температуры нагрева продольной арматуры в зависимости от интенсивности силовых напряжений в основном сечении колонны здания до пожара; исключение необходимости выявления расчётной и испытательной нагрузки на железобетонную колонну, принимая нормативную нагрузку, равной 70% от расчётной.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе оценки огнестойкости железобетонной колонны здания, включающем освидетельствование железобетонной колонны, установление вида бетона и арматуры колонны, выявление условий её опирания, проведение оценочного испытания без разрушения по комплексу единичных показателей качества колонны, при котором освидетельствование сопровождают инструментальными измерениями геометрических размеров железобетонной колонны и её основного сечения, устанавливают площади бетона и арматуры в основном сечении, определяют коэффициент термодиффузии бетона, находят степень армирования основного сечения, выявляют величину интенсивности силовых напряжений в основном сечении железобетонной колонны, особенность заключается в том, что проводят оценку огнестойкости железобетонной колонны с высоким процентом армирования и при освидетельствовании железобетонной колонны дополнительно определяют схему армирования и показатель глубины залегания стержней продольной арматуры, выявляют условия обогрева основного сечения колонны и величину приведенного показателя условий нагрева средних и угловых стержней, устанавливают предельную температуру нагрева продольной арматуры, а проектный предел огнестойкости колонны с высоким процентом армирования от начала стандартного огневого воздействия до потери несущей способности () определяют, используя аналитическое уравнение:

,

где - предельная температура нагрева продольной арматуры, °С;

- глубина заложения стержней продольной арматуры, мм;

- показатель глубины залегания продольной арматуры;

- коэффициент термодиффузии бетона, мм²/мин;

- приведенный показатель условий нагрева стержней продольной арматуры.

Предельную температуру нагрева стержней продольной арматуры (, °С) выявляют, используя аналитическое уравнение:

,

где - интенсивность силовых напряжений от нормативной испытательной нагрузки в основном сечении железобетонной колонны.

Интенсивность силовых напряжений от нормативной испытательной нагрузки () в основном сечении железобетонной колонны вычисляют по уравнению:

,

где - коэффициент надёжности по назначению;

- нормативная интенсивность силовых напряжений, нормативную нагрузку принимают равной 70% от расчётной;

- коэффициент условий закрепления колонны.

Показатель глубины залегания стержней продольной арматуры () железобетонной колонны определяют по уравнению:

где - глубина заложения стержней продольной арматуры, мм;

- нормативный защитный слой бетона, мм;

- номинальный диаметр стержня продольной арматуры, мм.

Приведенный показатель условий нагрева стержней продольной арматуры () определяют по уравнению:

где и - соответственно показатель условий нагрева стержня продольной арматуры при одно- и двухстороннем подводе тепла к нему;

и - соответственно число средних и угловых стержней продольной арматуры в основном сечении колонны, шт.

За единичные показатели качества железобетонной колонны с высоким процентом армирования, влияющие на величину предела огнестойкости, принимают геометрические размеры основного сечения колонн, условия закрепления колонны, нормативную прочность бетона на осевое сжатие, степень армирования бетона, сопротивление продольной арматуры сжатию, интенсивность силовых напряжений в основном сечении колонны, коэффициент термодиффузии бетона, глубину заложения продольной арматуры, условия нагрева угловых и средних стержней продольной арматуры, предельную температуру нагрева продольной арматуры, коэффициент надёжности по ответственности.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображена расчётная схема монолитной железобетонной колонны здания: - коэффициент условий закрепления колонны; - расчётная длина колонны; - испытательная нагрузка на огнестойкость, кН; - температура стандартного огневого испытания, °С;

,

здесь - длительность огневого испытания, мин.

На фиг. 2 изображена схема продольного армирования монолитной железобетонной колонны здания: 1 и 2 - соответственно средние и угловые стержни продольной арматуры; 3 - замкнутые хомуты; - глубина заложения стержней продольной арматуры (мм); - испытательная нагрузка на огнестойкость, кН.

На фиг. 3 изображено основное поперечное сечение 1-1 железобетонной колонны: 1 и 2 - соответственно средние и угловые стержни продольной арматуры; - глубина заложения стержней продольной арматуры; b и h - соответственно ширина и высота основного сечения 1-1.

На фиг. 4 изображена схема четырёхстороннего обогрева сечения железобетонной колонны и схема подвода тепла к оси стержней продольной арматуры: 1 и 2 - соответственно средние и угловые стержни продольной арматуры (одно- и двухсторонний подвод тепла); и - соответственно глубина заложения стержней продольной арматуры по осям x и y; b и h - соответственно ширина и высота основного сечения железобетонной колонны; - температура стандартного огневого испытания, °С.

На фиг. 5 изображён график изменения предельной температуры нагрева (, °С) для арматуры класса А400 и А500 от величины интенсивности силовых напряжений в основном сечении железобетонной колонны в условиях огневого испытания: 1 - опытные значения; 2 - расчётные значения; - предельная температура нагрева продольной арматуры, °С;

- интенсивность силовых напряжений в сечении колонны; и - участок прямой линии при , предельная температура нагрева .

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

Несущая способность железобетонной колонны с высоким процентом армирования (свыше 3%) при высокотемпературном воздействии (950±50°С) в условиях пожара обеспечивается более точной оценкой конструктивных параметров, влияющих на величину предела огнестойкости колонны.

Исключение натурных огневых испытаний железобетонных колонн и замена их на неразрушающие испытания снижает трудоёмкость оценки их фактической огнестойкости, значительно упрощает контрольные испытания, снижает экономические затраты на проведение огневых испытаний.

Применение математического описания позволяет оценить сопротивление нагруженной железобетонной колонны стандартному огневому испытанию, а использование построенного аналитического уравнения (1) повышает точность, снижая время оценки фактической огнестойкости.

Обосновано влияние на величину предела огнестойкости железобетонной колонны с высоким процентом армирования условий нагрева угловых и средних стержней продольной арматуры.

Приведен алгоритм выявления величины предельной температуры нагрева стержней продольной арматуры в зависимости от интенсивности силовых напряжений в основном сечении колонны и условий закрепления колонны.

Математическое описание условий нагрева угловых и средних стержней продольной арматуры в нормальном сечении колонны упрощает инженерные расчёты огнестойкости колонн.

Осуществление изобретения

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

Способ оценки огнестойкости железобетонной колонны с высоким процентом армирования проводят в следующей последовательности.

Сначала проводят визуальный осмотр здания и освидетельствование железобетонной колонны. Назначают комплекс единичных показателей качества железобетонной колонны, влияющих на фактический предел огнестойкости. Выявляют условия закрепления концов и основное сечение железобетонной колонны.

Затем оценивают единичные показатели качества железобетонной колонны и её материалов - бетона и арматуры. Находят интегральные параметры и по ним выявляют инженерным расчётом фактический предел огнестойкости железобетонной колонны.

В освидетельствование испытуемых железобетонных колонн включают выявление особенности обогрева сечения в условиях пожара, закрепления концов колонны, определение вида бетона, его класс по прочности на сжатие, толщину защитного слоя, диаметр и класс арматуры, коэффициент термодиффузии бетона, процент армирования бетона.

Пример.

Дано: монолитная железобетонная колонна многоэтажного здания (), коэффициент условий закрепления колонны , сечение колонны b x h = 400 x 400 мм, продольная арматура представлена в виде , площадь сечения арматуры , процент армирования сечения , следовательно, сечение колонны с высоким процентом армирования; бетон тяжёлый класса В25 (), коэффициент термодиффузии бетона , глубина заложения стержней продольной арматуры , нормативный защитный слой бетона . Требуется определить фактический предел огнестойкости железобетонной колонны с высоким процентом армирования.

Решение: 1) Интенсивность силовых напряжений () в основном сечении колонны вычисляют по уравнению (3):

,

где - коэффициент надёжности по назначению;

- нормативная интенсивность силовых напряжений;

- коэффициент условий закрепления колонны.

2) Предельную температуру нагрева стержней продольной арматуры () вычисляют по уравнению (2):

,

где - интенсивность силовых напряжений в основном сечении колонны.

3) Показатель глубины залегания стержней продольной арматуры () железобетонной колонны определяют по уравнению (4):

где - глубина заложения стержней продольной арматуры, мм;

- нормативный защитный слой бетона, мм;

- номинальный диаметр стержня продольной арматуры, мм.

4) Приведенный показатель условий нагрева стержней продольной арматуры () определяют по уравнению (5):

где и - соответственно показатель условий нагрева стержня продольной арматуры при одно- и двухстороннем подводе тепла к нему;

и - соответственно число средних и угловых стержней продольной арматуры в основном сечении колонны, шт.

5) Проектный предел огнестойкости колонны с высоким процентом армирования от начала стандартного огневого воздействия до потери несущей способности () определяют уравнением (1):

где - предельная температура нагрева продольной арматуры, °С;

- глубина заложения продольной арматуры, мм;

- показатель глубины залегания стержней продольной арматуры;

- коэффициент термодиффузии бетона, мм²/мин;

- приведенный показатель условий нагрева стержней продольной арматуры.

Предложенное техническое решения для оценки фактической огнестойкости железобетонных колонн с высоким процентом армирования используют в работе Отраслевой научно-исследовательской лаборатории кафедры «Железобетонные конструкции», в «Центре научно-технических разработок», в НТЦ «Пожарная безопасность» Академии строительства и архитектуры СамГТУ (г. Самара).

Источники информации

1. Патент № 2281482 RU, МПК G 01 N 25/50. Способ определения огнестойкости сжатых элементов железобетонных конструкций здания / Ильин Н.А., Бутенко С.А., Эсмонт С.В., заяв. СГАСУ: 06.09.04; опубл. 10.08.06. Бюл. №22.

2. Патент № 2615047 RU, МПК G 01 N 25/50. Способ оценки огнестойкости железобетонной колонны здания / Ильин Н.А., Панфилов Д.А., Потапова Ю.С., заяв. СамГТУ (АСиА): 02.10.15; опубл. 03.04.17. Бюл. №10.

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и сооружений. Сущность технического решения выражается в тепловом испытании железобетонных колонн с высоким процентом армирования (более 3%) без разрушения по комплексу единичных показателей качества колонн. Для этого определяют геометрические размеры основного сечения колонны, теплофизические и пожарно-технические характеристики бетона и продольной арматуры, условия крепления колонны, схему нагрева угловых и средних стержней продольной арматуры, предельную температуру их нагрева. Описание процесса сопротивления железобетонной колонны огневому воздействию представляют аналитической зависимостью, которая учитывает глубину залегания стержней продольной арматуры, приведенный показатель условий их нагрева, предельную температуру нагрева арматуры, коэффициент термодиффузии защитного слоя бетона. Используя данную аналитическую зависимость, определяют фактический предел огнестойкости железобетонной колонны с высоким (более 3%) процентом армирования. Технический результат - применение предлагаемого технического решения позволяет оценить огнестойкость железобетонной колонны без натурного огневого испытания, повышает достоверность неразрушающих испытаний, снижает экономические затраты в 10 и более раз. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ оценки огнестойкости железобетонной колонны здания, включающий освидетельствование железобетонной колонны, установление вида бетона и арматуры колонны, выявление условий её опирания, проведение оценочного испытания без разрушения по комплексу единичных показателей качества колонны, при котором освидетельствование сопровождают инструментальными измерениями геометрических размеров железобетонной колонны и её основного сечения, устанавливают площади бетона и арматуры в основном сечении, определяют коэффициент термодиффузии бетона, находят степень армирования основного сечения, выявляют величину интенсивности силовых напряжений в основном сечении железобетонной колонны, отличающийся тем, что проводят оценку огнестойкости железобетонной колонны с высоким процентом армирования и при освидетельствовании железобетонной колонны дополнительно определяют схему армирования и показатель глубины залегания стержней продольной арматуры, выявляют условия обогрева основного сечения колонны и величину приведенного показателя условий нагрева средних и угловых стержней, устанавливают предельную температуру нагрева продольной арматуры, а проектный предел огнестойкости колонны с высоким процентом армирования от начала стандартного огневого воздействия до потери несущей способности () определяют, используя аналитическое уравнение:

,

где - предельная температура нагрева продольной арматуры, °С;

- глубина заложения стержней продольной арматуры, мм;

- показатель глубины залегания продольной арматуры;

- коэффициент термодиффузии бетона, мм²/мин;

- приведенный показатель условий нагрева стержней продольной арматуры.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предельную температуру нагрева стержней продольной арматуры (, °С) выявляют, используя аналитическое уравнение:

,

где - интенсивность силовых напряжений от нормативной испытательной нагрузки в основном сечении железобетонной колонны.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что интенсивность силовых напряжений от нормативной испытательной нагрузки () в основном сечении железобетонной колонны вычисляют по уравнению:

,

где - коэффициент надёжности по назначению;

- нормативная интенсивность силовых напряжений, нормативную нагрузку принимают равной 70% от расчётной;

- коэффициент условий закрепления колонны.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что показатель глубины залегания стержней продольной арматуры () железобетонной колонны определяют по уравнению:

где - глубина заложения стержней продольной арматуры, мм;

- нормативный защитный слой бетона, мм;

- номинальный диаметр стержня продольной арматуры, мм.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что приведенный показатель условий нагрева стержней продольной арматуры () определяют по уравнению:

где и - соответственно показатель условий нагрева стержня продольной арматуры при одно- и двухстороннем подводе тепла к нему;

и - соответственно число средних и угловых стержней продольной арматуры в основном сечении колонны, шт.