СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЖАРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ И МАТЕРИАЛОВ КОМПЛЕКСНОЙ ОБЛИЦОВКИ СТАЛЬНОЙ БАЛКИ С ГОФРИРОВАННОЙ СТЕНКОЙ
METHOD OF DETERMINING FIRE SAFETY CHARACTERISTICS OF ELEMENTS AND MATERIALS OF COMPLEX FACING OF STEEL BEAM WITH CORRUGATED WALL

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и сооружений (далее по тексту - зданий) и касается способа определения конструктивной огнезащиты стального несущего стержня балки с гофрированной стенкой, выполненного в виде составного сварного двутавра, при использовании крупноразмерной листовой, плитной и рулонной облицовки (покрытия).
Незащищенные стальные балки с гофрированной стенкой при действии огня в условиях пожара в здании быстро (спустя 5÷20 мин) утрачивают свою несущую способность, обрушаются сами и способствуют обрушению других конструкций здания, что приводит к значительным материальным убыткам.
Наиболее близким техническим решением к изобретению по совокупности признаков является способ определения пожарно-технических характеристик элементов и материалов комплексной облицовки стальной балки здания, включающий определение вида стального проката и геометрических характеристик стального несущего стержня стальной балки, вида стального профиля для каркаса комплексной облицовки; нахождение интенсивности силовых напряжений в металле; выявление видов материалов, составляющих комплексную облицовку, установление показателей термодиффузии материалов облицовки; определение степени огнезащиты стального несущего стержня стальной балки с комплексной облицовкой; нахождение требуемого нормами предела огнестойкости стальной балки здания / Патент №2522110 (2006.1), МПК Е04В 1/94. Способ огнезащиты двутавровой балки здания / Н.А. Ильин, А.П. Шепелев, П.Н. Славкин, P.P. Ибатуллин. Заяв. СГАСУ 25.10.2012; опубл. 27.04.2014 г. Бюл №12 /[1] - принято за прототип/.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа определения пожарно-технических характеристик комплексной облицовки стальной балки здания, принятого за прототип, относится то, что в известном способе велика погрешность в определении геометрических размеров стальных элементов каркаса комплексной облицовки, а также геометрических и теплофизических характеристик листовой и плитной облицовки.
Сущность изобретения - снижение расхода стали и крупноразмерных листовых и плитных материалов облицовки, повышение ресурсосбережения в процессе проведения огнезащитной облицовки сварного двутавра стальной балки с гофрированной стенкой.
Технический результат - повышение точности выбора оптимальных по огнестойкости и достаточных для пожарной безопасности геометрических размеров элементов сварного двутавра стальной балки с гофрированной стенкой и материалов его комплексной облицовки.
sr
Указанный технический результат при использовании изобретения достигается тем, что в известном способе определения пожарно-технических характеристик элементов и материалов комплексной облицовки стальной балки с гофрированной стенкой, включающем определение вида стального проката, марки стали и геометрических характеристик сварного двутавра стальной балки, выявление числа сторон поперечного сечения стальной балки, подвергаемых тепловому воздействию в условиях пожара; нахождение приведенной толщины металла элементов сварного двутавра стальной балки и интенсивности силовых напряжений в металле; установление показателей термодиффузии изоляционного покрытия материалов облицовки; определение требуемой степени огнезащиты элементов сварного двутавра стальной балки; нахождение требуемого предела огнестойкости стальной балки здания, особенностью является то, что вначале выявляют наиболее слабый в статическом и тепловом отношении элемент сварного двутавра: гофрированную стенку, нижнюю и верхнюю полки, находят контрольную точку в сечении элемента сварного двутавра, выявляют вид эталонного материала и соответствующие ему материалы, составляющие комплексную облицовку; выявляют показатель условий нагрева контрольной точки, выбирают размеры гнутого профиля для полок сварного двутавра в виде швеллера и уголка стальной балки, затем вычисляют приведенную толщину металла - T, мм - элемента сварного двутавра с усилением, используя уравнение (1)
s
0
2
где A- площадь металла сечения элемента сварного двутавра, мм; P - периметр обогрева элемента сварного двутавра, мм;
us
время сопротивления - r, мин - элемента сварного двутавра без огнезащиты термосиловому воздействию вычисляют по аналитическому выражению (2)
sr
σs
где T - приведенная толщина металла элемента сварного двутавра, см; J - интенсивность силовых напряжений в элементе сварного двутавра (0,1÷1,0);
требуемую степень огнезащиты элемента сварного двутавра - С, см - с комплексной облицовкой вычисляют по логарифмическому уравнению (3)
ин
us
где R - требуемый предел огнестойкости стальной балки здания, мин, r - время сопротивления термосиловому воздействию элемента сварного двутавра без учета его огнезащиты, мин;
тр
требуемую толщину материала облицовки - δ, мм - элемента сварного двутавра определяют по показательному уравнению (4)
вт
0
2
где С - требуемая степень огнезащиты элемента сварного двутавра; D - показатель термодиффузии материала огнезащитной облицовки, мм/мин; m - показатель условий нагрева контрольной точки элемента сварного двутавра (0,5÷1,0);
r
приведенную толщину - b, мм - комплексной облицовки элемента сварного двутавра вычисляют, используя уравнение (5)
эт
r,тр
эт
вт
2
где δ и δ - толщина слоя эталонного материала и требуемая толщина приведенной комплексной облицовки, мм; D и D - показатель термодиффузии эталонного и сравниваемого с ним материала облицовки, мм/мин;
пл
толщину материала облицовки элемента сварного двутавра, сравниваемого с эталонным материалом - δ, мм - вычисляют по алгебраическому уравнению (6)
r,тр
эт
вт
эт
2
где δ и δ - толщина требуемого приведенного слоя и эталонного слоя покрытия, мм; D и D - показатель термодиффузии сравниваемого слоя и эталонного слоя комплексной облицовки, мм/мин;
кп
конструктивную толщину комплексной облицовки элемента сварного двутавра - b, мм - определяют по выражению (7)
эт
пл
где δ и δ - толщина слоя эталонного материала облицовки и материала, сравниваемого с ним, мм.
us,min
В качестве наименее слабого в статическом и тепловом отношении элемента сварного двутавра принимают элемент сварного двутавра: гофрированную стенку, нижнюю и верхнюю полки, имеющий наименьшую длительность сопротивления термосиловому воздействию без учета его огнезащиты - r, мин.
Контрольную точку в сечении полки сварного двутавра определяют как направленно-перемещенную точку размещения средней температуры неравномерно прогретого по сечению элемента сварного двутавра.
а
а
х
y
При расположении полки сварного двутавра параллельно оси x абсциссу () и ординату () определяют соответственно по уравнениям (8) и (9)
x
y
x
y
а
а
где δ и δ - толщина комплексной облицовки изоляционного покрытия полки сварного двутавра соответственно по оси x и y, мм;  и  - глубина заложения контрольной точки сечения полки сварного двутавра по оси x и y, мм; b - ширина полки сварного двутавра, мм; В - ширина сечения облицованной стальной балки с гофрированной стенкой, мм.
а
а
x
х
Контрольную точку в поперечном сечении гофрированной стенки сварного двутавра при симметричном двухстороннем нагреве назначают в середине поперечного сечения ее: (=d/2, мм, здесь  - глубина заложения контрольной точки по оси x; d - толщина гофрированной стенки, мм).
0
Показатель условий нагрева (m) элемента сварного двутавра при трехстороннем подводе тепла к контрольной точке сечения элемента сварного двутавра определяют по аналитическому уравнению (10)
а
а
а
y
y1
y2
x
где ;  и  - ординаты контрольной точки сечения элемента сварного двутавра, мм; δ - толщина изоляционного покрытия по оси x, мм.
0
Показатель условий нагрева (m) элемента сварного двутавра при двухстороннем несимметричном подводе тепла к контрольной точке сечения элемента сварного двутавра определяют по степенному уравнению (11)
a
y
x
где - ордината контрольной точки сечения сварного двутавра, мм; δ - толщина изоляционного покрытия элемента сварного двутавра по оси x, мм.
Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом изобретения заключена в следующем:
использование предлагаемого логарифмического уравнения для нахождения требуемой степени огнезащиты гофрированной стенки, нижней и верхней полок сварного двутавра позволяет с меньшей погрешностью определить требуемую толщину материалов комплексной облицовки элементов стальной балки;
использование предлагаемого аналитического уравнения для нахождения направленно-перемещенной (контрольной) точки размещения средней температуры неравномерно прогретого сечения гофрированной стенки, нижней и верхней полок сварного двутавра снижает погрешность определения пожарно-технических характеристик комплексной облицовки элементов сварного двутавра на 15÷20%;
определение времени сопротивления термосиловому воздействию гофрированной стенки, нижней и верхней полок сварного двутавра по предлагаемому аналитическому уравнению позволяет с меньшей погрешностью выявить наименее слабый элемент стальной балки в условиях стандартного испытания на огнестойкость;
использование показателей термодиффузии эталонного и сравниваемого с ним материала комплексной облицовки элементов сварного двутавра позволяет более точно и экспрессивно определить конструктивную толщину материалов облицовки гофрированной стенки, нижней и верхней полок стальной балки;
экспресс-вычисление величины показателя условий нагрева контрольной точки гофрированной стенки, нижней и верхней полок сварного двутавра выполняют по предлагаемым аналитическим уравнениям для случая двух - и трехстороннего подвода тепла к контрольной точке;
уменьшение расхода материалов комплексной облицовки вследствие более точного определения, полностью соответствующего требуемой толщине, на 20÷30%;
уменьшение требуемого объема оперативной памяти ЭВМ при использовании предлагаемого алгоритма расчета пожарно-технических характеристик комплексной облицовки стальной балки в 15÷20 раз, по сравнению с существующим способом теплотехнического расчета по номограммам прогрева материалов облицовки.
На фиг. 1, 2, 3 изображена схема стальной балки с гофрированной стенкой: сечение А-А - продольный разрез (фиг. 1); сечение Б-Б - поперечный разрез (фиг. 2); сечение В-В - план балки с гофрированной стенкой (фиг. 3), где приняты следующие обозначения: 1 - нижняя полка, 2 - верхняя полка; 3 - гофрированная стенка; h и b - высота и ширина сварного двутавра; d - толщина гофрированной стенки, мм; δ - толщина полки сварного двутавра, мм.
1
1
1
2
2
2
На фиг. 4 изображен сварной двутавр, полки которого оборудованы гнутыми стальными швеллерами - элементы каркаса защитного пояса (обогрев поперечного сечения балки - с трех сторон): 1 - нижняя полка; 2 - верхняя полка; 3 - гофрированная стенка; 4 - швеллер нижней полки; 5 - швеллер верхней полки; 6 - сварной шов; h×b×s - высота, ширина и толщина гнутого швеллера, прикрепленного к растянутой полке сварного двутавра стальной балки; h×b×s - высота, ширина и толщина гнутого швеллера, прикрепленного к сжатой полке сварного двутавра стальной балки.
ст
0
x
y
x
a
a
На фиг. 5 изображен огнезащищенный сварной двутавр стальной балки (полки которого оборудованы гнутыми стальными швеллерами: 4 - швеллер нижней полки; 5 - швеллер верхней полки; 7 - гипсокартонные листы; 8 - минватная плита полки сварного двутавра; 9 - минватная плита гофрированной стенки (обогрев - двухсторонний); 10 - контрольные точки нижней полки сварного двутавра (обогрев трехсторонний); t °С - направление подвода тепла в условиях стандартного испытания; g - линейная испытательная нагрузка на несущую гофробалку, кН; H×B - общая высота и ширина стальной балки с огнезащитной облицовкой, мм;  и  - глубина заложения контрольной точки поперечного сечения сварного двутавра стальной балки по осям x и y, мм; δ - толщина облицовки полки сварного двутавра стальной балки по оси x y, мм).
Сведения, подтверждающие возможность применения изобретения с получением указанного технического результата.
ин
Проведена реконструкция здания учреждения высшего образования, где проектом предусмотрены стальные балки с комплексной облицовкой. Пожарно-техническая характеристика здания и его несущих балок: класс функциональной пожароопасности - Ф 4.2; степень огнестойкости - 1 (первая); класс конструктивной пожароопасности - СО (не пожароопасное); число этажей - 6; нормативный предел огнестойкости несущей балки R=120 мин (табл. 21, ФЗ РФ №123-2012).
ст
sm
1
1
1
s1
s
sm
s1
σs
он
σs
ин
вт
ГКЛ
ГКЛ
эт
0
0
о,г/с
2
2
2
3
2
2
Пример 1. Огнезащищенная стальная балка с гофрированной стенкой высотой h=1000 мм содержит стальной несущий стержень в виде составного сварного двутавра: h×b×δ×d=1060×450×30×2 мм; A=270 см; обогрев поперечного сечения балки с трех сторон; температурный режим стандартного испытания; подвод тепла к контрольной точке сечения полки сварного двутавра двусторонний; стальные элементы каркаса защитного пояса для полок сварного двутавра - 2 гнутых швеллера на каждую полку: h×b×s=120×60×4 мм; A=2×9=18 см, площадь сечения полок сварного двутавра A=A+A=135+18=153 см; интенсивность силовых напряжений в металле нижней полки равна J=J=0,625; в гофрированной стенке - J=0,1; требуемый нормами предел огнестойкости несущей балки равен R=120 мин для здания I (первой) степени огнестойкости; комплексная облицовка снизу нижней полки сварного двутавра стальной балки: минераловатная плита П-100; γ=100 кг/м - показатель термодиффузии D=33,53 мм/мин; два гипсокартонных листа (эталонный материал) толщиной δ=2⋅12,5=25 мм; D=D=19 мм/мин, материал покрытия с боков нижней полки - минераловатная плита П-100; показатель условий нагрева контрольной точки нижней полки m=0,5; тоже, сжатой полки - m=1; материал облицовки гофрированной стенки - минераловатная плита П-100, показатель условий двухстороннего обогрева m=0,5.
Определить толщину слоев комплексной облицовки полок и гофрированной стенки сварного двутавра стальной балки.
Решение
1. Приведенную толщину металла нижней полки сварного двутавра стальной балки при четырехстороннем подводе тепла вычисляют, используя уравнение (1)
sr
s
0
T=A/P=153/[2(b+δ)-d]=153/[2(45+3)-0,2]=16 мм =1,6 см.
2. Время сопротивления термосиловому воздействию стандартного испытания нижней полки стальной балки без огнезащиты - , мин - вычисляют по аналитическому выражению (2)
3. Требуемую степень огнезащиты нижней полки с комплексной облицовкой вычисляют по логарифмическому уравнению (3)
4. Требуемую толщину комплексной облицовки, приведенную к эталонному материалу, определяют по показательному уравнению (4)
5. Приведенную толщину комплексной облицовки нижней полки вычисляют, используя уравнение (5)
r
эт
r,тр
ст
эт
вт
b=δ+(δ-δ)⋅D/D=25+(54-25)⋅19/33,53=25+16,5=41,5 мм.
6. Требуемую толщину минватной плиты П-100 для облицовки нижней полки вычисляют по уравнению (6)
пл
r,тр
эт
вт
эт
δ=(δ-δ)⋅D/D=(57-25)⋅33,53/19=56,5 мм;
пл,r
r,тр
вт
эт
δ=δ⋅D/D=57⋅33,53/19=100,6 мм.
7. Конструктивную толщину комплексной облицовки нижней полки вычисляют из выражения (7)
8. Приведенную толщину металла верхней полки при одностороннем подводе тепла к сварному двутавру стальной балки вычисляют, используя уравнение (1)
9. Время сопротивления огневому воздействию верхней полки без огнезащиты - , мин - вычисляют по выражению (2)
10. Требуемую степень огнезащиты верхней полки вычисляют по логарифмическому уравнению (3)
вт
0
2
11. Требуемую толщину облицовки верхней полки минватной плитой П-100 (показатель термодиффузии D=33,53 мм/мин, m=1) определяют по уравнению (4)
0
12. Приведенную толщину металла гофрированной стенки (при симметричном двухстороннем подводе тепла - m=0,5) вычисляют, используя уравнение (1)
sr,г/с
s,ст
0,ст
ст
ст
T=A/P=dh/2⋅h=d/2=0,212=0,1 см.
rs
13. Время сопротивления огневому воздействию гофрированной стенки без огнезащиты - r, мин - вычисляют по выражению (2)
us,г/с
sr,r/с
σs
1/2
1/2
r=6⋅{T+18,33⋅⎣(1-J)-0,5⎦}=6⋅{0,1+18,33⋅[(1-0,1)-0,5}=6⋅(0,1+8,2)=50 мин.
14. Требуемую степень огнезащиты гофрированной стенки вычисляют по уравнению (3)
0,г/с
вт
2
15. Требуемую толщину облицовки гофрированной стенки минераловатной плитой П-100, при m=0,5; D=33,53 мм/мин, определяют, используя уравнение (4)
пл,cт
г/c
вт
0,8
0,8
δ=07⋅C⋅D/0,5=0,7⋅3,33⋅33,53/0,5=77,5 мм.
Результаты расчета сведены в таблице.
Предложенный способ для определения пожарно-технических характеристик комплексной облицовки стальной балки здания применен при реконструкции учебного корпуса №2 СГАСУ (г. Самара, 2012/15 гг.).
Источники информации
1. Патент №2522110 (2006.1), МПК Е04В 1/94. Способ огнезащиты двутавровой балки здания / Н.А. Ильин, А.П. Шепелев, П.Н. Славкин, P.P. Ибатуллин, заяв. СГАСУ 25.10.2012; опубл. 27.04.2014 г. Бюл. №12.