КОНСТРУКЦИЯ ОГНЕЗАЩИЩЁННОЙ СТАЛЬНОЙ БАЛКИ
DESIGN OF FIRE-PROOF STEEL BEAM

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и сооружений, далее по тексту - "зданий". В частности, оно может быть использовано при проектировании и изготовлении конструктивной огнезащиты стального несущего стержня гофробалки, выполненного в виде сварного двутавра, с использованием крупноразмерной листовой и плитной облицовки.
Незащищенные от огня стальные конструкции здания в условиях пожара быстро (спустя 5÷20 мин) утрачивают свою несущую способность, обрушаются сами и способствуют обрушению других конструкций здания, что приводит к значительным материальным убыткам.
Известна конструкция стальной огнезащищенной двутавровой балки здания, облицовка которой представлена в виде двух скорлуп из пустотелого керамического камня, вплотную уложенная к стенке и нижней полке двутавра /Ройтман М.Я. Пожарная профилактика в строительном деле / ВИПТШ, Редакционно-издательский отдел. - М., 1975, - 525 с. (гл. 5 Огнезащита металлических конструкций; §5.2. Повышение огнестойкости стальных конструкций; рис. 5.2, с. 116-117) / [1].
3
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции огнезащищенной двутавровой балки, относится то, что в известной конструкции элементы облицовки выполнены из тяжелого материала - керамического камня плотностью 1200÷1400 кг/м, это значительно увеличивает массу огнезащитной облицовки, наличие внутренних пустот (25÷30%) в керамическом камне благоприятствует быстрому прогреву облицовки до критических температур нагрева стального балочного двутавра и снижению предела огнестойкости на 20÷25%; изделия облицовки в виде скорлуп из керамического камня строительная промышленность не выпускает, следовательно, оно не индустриально и не экономично.
Известна конструкция стальной огнезащищенной двутавровой балки здания, содержащая стальной двутавр и огнезащитную облицовку из крупноразмерных листов и плит, установленных на относе, - зазор между огнезащитной облицовкой и гранями защищаемого стального несущего стержня балки принят не менее 25 мм; 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; п.4.2 - Крупноразмерные листовые, плитные и рулонные облицовки; рис. 8, с. 131-133) / [2].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции стальной огнезащищенной балки 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 стальной облицованной балки (площадь сечения возрастает на 40÷45%; расход материалов облицовки - на 30÷35%); снижается предел огнестойкости стальной огнезащищенной балки на 25÷30%; снижается надежность крепления элементов крупноразмерной листовой и плитной облицовки; снижаются коррозионная стойкость двутавровой балки и ремонтопригодность огнезащитной облицовки.
Наиболее близким техническим решением к изобретению по совокупности признаков является конструкция стальной огнезащищенной двутавровой балки здания, содержащая стальной несущий стержень, элементы усиления балочного двутавра и листовую облицовку, при этом стальной несущий стержень выполнен в виде балочного двутавра, к которому прикреплены элементы усиления из стальных прокатных профилей с отверстиями с нарезанной внутренней резьбой, в которых размещены установочные винты с потайной головкой и ввинчиваемым заостренным концом, элементы усиления прикреплены снизу сжатых и растянутых полок балочного двутавра, к которым установочными винтами прикреплены в плотную элементы листовой и плитной огнезащитной облицовки; толщина элементов облицовки определена с учетом показателей термодиффузии ее материалов, условий нагрева балочного двутавра и нормативного предела огнестойкости несущей балки здания; элементы усиления балочного двутавра, расположенные снизу сжатых и растянутых полок балочного двутавра, выполнены в виде двух пар стальных уголков или в виде стального швеллера; толщина плитной огнезащитной облицовки принята не менее высоты полок стального швеллера / Патент №2517313 (2006.01), МПК Е04В 1/94. Огнезащищенная двутавровая балка здания / Н.А. Ильин, А.П. Шепелев, П.Н. Славкин, заявл. СГАСУ 25.10.2012, опубл. 27.05.2014. Бюл. №15 / [3] - принято за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции стальной огнезащищенной двутавровой балки здания, относится то, что в известной конструкции применено значительное число элементов каркаса в виде стальных прокатных профилей и, вследствие этого, повышен расход металла на изготовление каркаса для огнезащитной облицовки; применение прокатных профилей приводит к перерасходу стали до 10%; толщина огнезащитной облицовки двутавровой балки принята из условия требуемой огнезащиты контрольной точки нижней полки двутавра, это решение требует большого расхода эффективных материалов облицовки, вследствие этого верхняя полка и стенка двутавровой балки имеют избыточный запас по огнезащите, следовательно, данная конструкция огнезащиты мало прогрессивна и неэкономична, т.к. увеличивается расход стали и материалов облицовки, увеличивается стоимость работ по огнезащите двутавровой балки здания.
Сущность изобретения заключается в совершенствовании конструкции огнезащиты стальной балки с гофрированной стенкой, в повышении долговечности и эксплуатационной надежности огнезащищенной стальной балки с гофрированной стенкой, а также в улучшении пожарно-технических и экономических показателей конструкции и в ресурсосбережении при производстве огнезащиты стальной балки с гофрированной стенкой.
Технический результат - совершенствование конструкции огнезащиты стальной балки с гофрированной стенкой; повышение индустриальности изготовления огнезащитного покрытия и его крепления; повышение предела огнестойкости стальной балки, снижение риска обрушения балки в начальной стадии пожара, повышение несущей способности гофробалки; снижение массы материалов термозащитной облицовки и металла; повышение ресурсоэнергосбережения и производительности труда при ведении строительных работ по огнезащите стальной балки с гофрированной стенкой; повышение устойчивости стальной балки с гофрированной стенкой; повышение надежности и коррозионной стойкости сварного двутавра; повышение ремонтопригодности огнезащитной облицовки; снижение трудоемкости монтажа элементов усиления составного двутавра и элементов огнезащитной облицовки; расширение возможности применения в строительстве зданий новых прогрессивных проектных решений стальной балки с гофрированной стенкой; снижение стоимости конструктивной огнезащиты стальной балки с гофрированной стенкой; сохранение несущей способности огнезащищенной стальной балки с гофрированной стенкой на время эвакуации людей из здания при пожаре; повышение фактического предела огнестойкости стальной балки; повышение действенности термозащитных поясов стальной балки с гофрированной стенкой,
us
Указанный технический результат при использовании изобретения достигается тем, что в известной конструкции огнезащищенной стальной балки, содержащей стальной несущий стержень с элементами усиления в виде стальных уголков или швеллеров, прикрепленных снизу сжатой и растянутой полок несущего стержня, элементов листовой и плитной огнезащитной облицовки, особенностью является то, что стальной несущий стержень выполнен в виде сварного двутавра с гофрированной стенкой, а элементы огнезащитной облицовки изготовлены из гипсовых листов и минераловатных плит, при этом полки сварного двутавра по их торцам оборудованы термозащитными поясами из минераловатной плиты; растянутая полка сварного двутавра со стороны нижней грани защищена комплексной облицовкой, состоящей из крупноразмерных гипсокартонных листов и минераловатной плиты; гофрированная стенка сварного двутавра с боковых сторон оборудована составной облицовкой из минераловатной плиты с заданной толщиной и слоем цементно-перлитового раствора; при этом длительность сопротивления каждого составного элемента сварного двутавра - r, мин, - высокотемпературному воздействию без учета огнезащиты определена по аналитическому уравнению (1):
σs
s
0
2
где J - интенсивность силовых напряжений в составном элементе сварного двутавра (0,1÷1,0); A - площадь поверхности металла поперечного сечения элемента сварного двутавра, мм; Р - периметр обогрева составного элемента сварного двутавра, мм;
mp
требуемая степень огнезащиты составного элемента сварного двутавра - C, см, - определена по логарифмическому уравнению (2):
uн
us
где R - требуемый предел огнестойкости балки здания, мин; r - длительность сопротивления составного элемента сварного двутавра высокотемпературному воздействию без его огнезащиты, мин;
оn
требуемая толщина термозащитного пояса полок сварного двутавра - δ, мм, - определена по показательному уравнению (3):
mp
вm
0
2
где C - требуемая степень огнезащиты полок сварного двутавра, см; D - показатель термодиффузии термозащитного пояса, мм/мин; m - показатель условий нагрева контрольной точки любой полки сварного двутавра (0,5÷1,0);
требуемая толщина составной облицовки гофрированной стенки сварного двутавра - , мм, - определена по уравнению (4):
mp
вm
2
где C - требуемая степень огнезащиты гофрированной стенки сварного двутавра, см; D - показатель термодиффузии составной облицовки гофрированной стенки, мм/мин;
0
показатель условия нагрева - m, - контрольной точки любой полки сварного двутавра при двустороннем подводе тепла определен по степенному уравнению (5):
а
а
х
у
где  и  - глубина заложения контрольной точки полки любого пояса по оси х и y, мм, определена соответственно по аналитическим уравнениям (6) и (7):
х
y
где δ и δ - толщина комплексной облицовки растянутой полки сварного двутавра по осям координат х и y, мм; b - ширина полки сварного двутавра, мм; Н - высота поперечного сечения стальной балки с огнезащитной облицовкой, мм; показатель условия нагрева контрольной точки гофрированной стенки сварного двутавра при симметричном двустороннем подводе тепла =0,5;
3
высота термозащитного пояса полок сварного двутавра - h, мм, -принята из условия (8):
s
где δ - толщина полки сварного двутавра, мм;
проектная степень огнезащиты полок сварного двутавра - С, см, - определена по аналитическому уравнению (9):
0
оn
вm
2
где m - показатель условия нагрева контрольной точки (0,5÷1,0); δ - проектная толщина термозащитного пояса полок, мм; D - показатель термодиффузии материала комплексной облицовки растянутой полки, мм/мин;
ur
проектный предел огнестойкости составного элемента сварного двутавра - F, мин, - по потери несущей способности в условиях пожара определен по аналитическому уравнению (10):
σs
us
где J - интенсивность силовых напряжений в поперечном сечении составного элемента сварного двутавра (0,1÷4,0); С - проектная степень огнезащиты сварного двутавра, см; r - длительность сопротивления составного элемента сварного двутавра термическому воздействию без учета его огнезащиты, мин.
Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом изобретения заключена в проектировании толщины элементов огнезащитной облицовки стальной балки с гофрированной стенкой в зависимости от требуемой степени огнестойкости здания, а также проектировании толщины элементов облицовки термозащитных поясов по предлагаемому способу расчета в зависимости от требуемой степени огнестойкости здания, фактических показателей термодиффузии материалов комплексной облицовки и условий нагрева составных элементов сварного двутавра при пожаре.
cm
s
0
На фиг. 1, 2 и 3 изображена конструкция огнезащищенной стальной балки с гофрированной стенкой: продольный разрез А-А (фиг. 1), вид сверху Б-Б (фиг. 2), поперечный разрез В-В (фиг. 3), где показаны: 1 - растянутая полка; 2 - сжатая полка; 3 - гофрированная стенка; 4 - термозащитный пояс полки; 5 - составная облицовка гофрированной стенки; 6 - комплексная облицовка растянутой полки; 7 - контрольные точки растянутой полки; 8 - контрольная точка гофрированной стенки; 9 - перекрытие здания; b и h - ширина и высота сечения сварного двутавра, мм; d и h - толщина и высота гофрированной стенки, мм; d - толщина полки сварного двутавра, мм; g - нагрузка силовая, кН/пог.м.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного выше технического результата.
uн
cm
s
sn
2
При реконструкции здания учреждения высшего образования проектом предусмотрены стальные огнезащищенные балки с гофрированной стенкой. Пожарно-техническая характеристика здания и его несущих балок: класс функциональной пожароопасности - Ф 4.2; степень огнестойкости - I (первая); класс конструктивной пожароопасности - СО (непожароопасное); число этажей - 6; нормативный предел огнестойкости несущей балки R=120 мин (табл. 21, ФЗ РФ №123-2016); стальной несущий стержень - сварной двутавр, высота стенки h=750 мм, высота сварного двутавра h - 790 мм; ширина полки b=300 мм, толщина гофрированной стенки d=2 мм; толщина полки δ=20 мм; площадь сечения одной полки сварного двутавра А=60 см.
1
1
1
2
2
2
Для термозащитного пояса растянутой полки принята пара гнутых швеллеров размерами h×b×δ=120×60×4 мм; для термозащитного пояса сжатой полки принята пара гнутых швеллеров размерами h×b×δ=60×60×4 мм; для термозащитной составной облицовки гофрированной стенки принята минераловатная плита П-100 толщиной 60 мм, плюс легкий строительный цементно-перлитовый раствор толщиной 10 мм.
cm
s.cm
s
s.n
2
2
Пример 1. Дано: Стальная огнезащищенная балка с гофрированной стенкой имеет размеры В×Н=780×872 мм; обогрев поперечного сечения балки происходит с трех сторон; стальной несущий стержень - сварной двутавр, состоящий из трех составных элементов: гофрированной стенки, имеющей высоту h=750 мм, толщиной d=2,5 мм, площадью сечения A=18,75 см; растянутой и сжатой полок: ширина и толщина каждой полки сварного двутавра b×δ=300×20 мм, площадь сечения каждой полки A=60 см; высота сварного двутавра h=790 мм;
з
s
1
1
1
s1.mep
s1
s.n
s1.mep
2
2
2
высота гнутого швеллера для термозащитного пояса растянутой полки h=6⋅δ=6⋅20=120 мм, размеры гнутого швеллера h×b×δ=120×60×4 мм, площадь сечения =9 см; для термозащитного пояса растянутой полки принята пара швеллеров площадью A=2⋅=2⋅9=18 см; площадь поперечного сечения полок сварного двутавра с термозащитными поясами A=A+A=60+18=78 см;
2
2
2
s2.mep
s2
s.n
s2.mep
2
2
2
размеры гнутого швеллера для термозащитного пояса сжатой полки h×b×δ=60×60×4 мм; площадь сечения =7,2 см; для термозащитного пояса сжатой полки принята пара швеллеров площадью A=2⋅=2⋅7,2=14,4 см; площадь поперечного сечения полок сварного двутавра с термозащитными поясами A=A+A=60+14,4=74,4 см;
длина периметра обогрева сечения растянутой полки:
01
s
P=2⋅(b+δ)-d=2⋅(300+20)-2,5=637,5 мм=63,75 см;
то же, сжатой полки:
02
s
P=b+2⋅δ-d=300+2⋅20-2,5=337,5 мм=33,75 см;
то же, гофрированной стенки:
03
сm
Р=2⋅(h+d)=2⋅(750+2,5)=1505 мм=150,5 см;
nn
вm
ГКЛ
ГKЛ
2
2
термозащита контрольной точки растянутой полки сварного двутавра представляет минераловатную плиту П-100 толщиной δ=60 мм; показатель термодиффузии D=33,53 мм/мин, один гипсокартонный лист толщиной δ=12,5 мм; D=19 мм/мин;
;
nn
термозащита растянутой полки с торцов сварного двутавра выполнена из минераловатной плиты П-100 толщиной δ=60 мм;
nn
термозащита сжатой полки с торцов сварного двутавра выполнена из минераловатной плиты П-100 толщиной δ=60 мм;
nn
цn
цп
2
термозащита гофрированной стенки для двустороннего огневого воздействия выполнена из минераловатной плиты П-100 толщиной δ=60 мм с каждой грани, плюс легкий строительный раствор толщиной защитного слоя δ=10 мм; D=15,52 мм/мин;
σs
σн
σs
интенсивность силовых напряжений в полках сварного двутавра J=J=0,625; в металле гофрированной стенки - J=0,2;
ur
uн
Определить требуемую толщину элементов (листов и плит) комплексной облицовки, полок и составной облицовки гофрированной стенки, а также величину проектного предела огнестойкости - F, мин, - огнезащищенной стальной балки здания I (первой) степени огнестойкости (R=120 мин).
Решение: 1) Длительность сопротивления растянутой полки сварного двутавра термо-силовому воздействию без учета огнезащиты определена по уравнению (1):
то же, для сжатой полки сварного двутавра:
то же, для гофрированной стенки сварного двутавра:
.
Наименее слабым в статическом и тепловом отношении элементом сварного двутавра является растянутая полка, имеющая наименьшую длительность сопротивления термо-силовому воздействию без учета ее огнезащиты.
2) Требуемая степень огнезащиты растянутой полки сварного двутавра определена по логарифмическому уравнению (2):
то же, для сжатой полки сварного двутавра:
то же, для гофрированной стенки сварного двутавра:
01
3) Требуемая толщина плитной огнезащитной комплексной облицовки П-100 для растянутой полки сварного двутавра (при показателе условий нагрева контрольной точки полки m=0,5) определена по уравнению (3):
;
оn1
принято δ=92 мм;
02
то же, для сжатой полки сварного двутавра (m=1):
;
on2
принято δ - 60 мм;
03
то же, для гофрированной стенки сварного двутавра (m=0,5) по уравнению (4):
;
огс
принято δ=60 мм.
4) Глубина заложения контрольной точки растянутой полки по осям координат определена по уравнениям (6) и (7):
;
показатель условий нагрева контрольной точки растянутой полки определен по уравнению (5):
.
01
5) Проектная степень огнезащиты огнезащищенной растянутой полки сварного двутавра (m=0,5) определена по уравнению (9):
;
02
то же, для сжатой полки сварного двутавра (m=1):
;
03
то же, для гофрированной стенки сварного двутавра (m=0,5):
.
1
6) Проектный предел огнестойкости огнезащищенной стальной балки по потере несущей способности растянутой полки сварного двутавра (С=3,88) определен по уравнению (10):
2
то же, для сжатой полки сварного двутавра (С=5,0):
3
то же, для гофрированной стенки сварного двутавра (С=2,53):
.
1
min
2
min
min
В состав работ по устройству термозащиты стальной балки с гофрированной стенкой входят: подготовка поверхности составных элементов сварного двутавра; элементы усиления сварного двутавра соединяются с полками сварного двутавра прерывистыми шпоночными швами длиной ≥50 мм с шагом шпонок S≤80⋅r в растянутой полке и S≤80⋅r в сжатой полке; здесь r - радиус инерции уголка или швеллера, см; нанесение антикоррозионного слоя; выбор материалов для огнезащитной облицовки; расчет толщины элементов комплексной облицовки; изготовление плит составной облицовки гофрированной стенки - 5 и комплексной облицовки растянутой полки - 6; установка швеллеров и/или уголков усиления на торцы полок сварного двутавра; установка элементов комплексной облицовки растянутой плитки - 6 и крепление их установочными винтами; нанесение клеевого слоя на поверхность гофрированной стенки - 3 и полок сварного двутавра и приклеивание к ним минераловатных плит для гофрированной стенки - 3; комплексной облицовки растянутой полки - 6; покрытие поверхности составной облицовки гофрированной стенки - 5 и плитной огнезащитной облицовки - для растянутой и сжатой полки стеклотканью (по необходимости).
Предложенный способ для устройства огнезащиты стальной балки здания применен при реконструкции учебного корпуса СГАСУ (г. Самара, 2010/14 гг.).