СПОСОБ ОЦЕНКИ ОГНЕСТОЙКОСТИ СТАЛЬНОЙ ТЕРМОЗАЩИЩЁННОЙ ГОФРОБАЛКИ ЗДАНИЯ
METHOD FOR ESTIMATING FIRE RESISTANCE OF STEEL THERMALLY PROTECTED SIN BEAM OF BUILDING

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и сооружений, далее - «зданий». В частности, оно может быть использовано для классификации стальных термозащищенных гофробалок зданий по показателям сопротивления их воздействию пожара. Это дает возможность обоснованного использования балок с фактическим пределом огнестойкости в зданиях различных классов конструктивной и функциональной пожароопасности.
Необходимость определения показателей огнестойкости стальных термозащищенных гофробалок возникает при реконструкции здания, усилении его частей и элементов, приведении огнестойкости стальных балок в соответствие с требованиями современных строительных норм, при проведении экспертизы и/или восстановлении стальных конструкций здания после пожара.
Известен способ оценки огнестойкости стальных балок по результатам натурных огневых испытаний фрагмента здания, в котором производят осмотр конструкций, определяют марку стали, назначают статическую нагрузку на конструкцию соответственно реальным условиям эксплуатации здания, определяют факторы, влияющие на огнестойкость испытуемой конструкции, и величину предела огнестойкости / ГОСТ P 53309-2009. Здания и фрагменты зданий. Метод натурных огневых испытаний. Общие требования [1]/.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе велики экономические затраты на проведение огневых испытаний, наблюдение за состоянием стальных конструкций в условиях экспериментального пожара затруднено и небезопасно и вследствие различий теплового режима опытного и стандартного пожаров затруднено. Оценка истинных значений пределов огнестойкости стальных конструкций, причины разрушения стальных балок фрагмента могут быть не установлены вследствие многообразия одновременно действующих факторов пожара. Предельное состояние по огнестойкости стальных термозащищенных гофробалок может быть не достигнуто из-за более раннего разрушения элементов покрытия или стен фрагмента.
Известен способ оценки огнестойкости стальных термозащищенных балок здания путем испытания, включающий проведение технического осмотра, установление марки стали и вида материала, выявление условия опирания и крепления концов стальных балок, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности конструкции под нормативной нагрузкой в условиях стандартного теплового воздействия / ГОСТ 30247.1-94. Конструкции строительные. Методы испытания на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции [2]/.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе испытания проводят на образце стальной конструкции, на который воздействуют постоянные и длительные нормативные нагрузки. Испытания проводят на специальном стендовом оборудовании в огневых печах до разрушения образцов стальных конструкций. Размеры образцов ограничивают в зависимости от проемов стационарных печей. Следовательно, стандартные огневые испытания трудоемки, неэффективны, небезопасны, имеют малые технологические возможности для проверки на опыте различных по размерам и различно нагруженных стальных конструкций, не дают необходимой информации о влиянии единичных показателей качества стальной конструкции на ее огнестойкость. Оценка огнестойкости стальных термозащищенных гофробалок по единичному показателю качества, например по толщине, термозащитного покрытия, как правило, недооценивает пригодность эксплуатации стальной конструкции в здании заданной степени огнестойкости. Экономические затраты на проведение испытаний возрастают за счет расходов на демонтаж стальных балок, транспортирование к месту установки нагревательных печей и на создание в них стандартного теплового режима. Результаты огневого испытания единичны и не учитывают разнообразия в закреплении концов стальных балок, их фактических размеров, фактической схемы обогрева опасного сечения испытуемой стальной конструкции в условиях пожара.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ оценки огнестойкости стальных термозащищенных гофробалок здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, инструментальное измерение геометрических характеристик балок при изгибе; выявление условий опирания и крепление балки, схемы обогрева поперечного сечения; установление вида термозащитного материала и марки стали балки, характеристик металла сопротивлению на изгиб и растяжение; определение величины испытательной нагрузки на стальную балку, схему ее приложения, интенсивности силовых напряжений в металле в опасном сечении стальной балки, при этом оценку огнестойкости стальной термозащищенной гофробалки здания проводят по номограмме неразрущающими методами испытаний / См. Патент №2320982 RU, МПК G01N 25/50. Способ определения огнестойкости стальных огнезащищенных балок здания / Ильин Н.А., Ведерников С.С., заяв. СГАСУ 04.07.2006; опубл. 27.03.2008. Бюл. №9 [3], принят за прототип/.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что использование номограммы для оценки огнестойкости стальной термозащищенной гофробалки здания дает результаты расчета с большой погрешностью, в ряде случаев требуется дополнительное построение графиков номограммы; кроме того, при построении номограммы не учитывают показатели надежности стальной балки по назначению (уровню ответственности), а также затруднено составление программы для расчета огнестойкости термозащищенной гофробалки на ЭВМ.
Сущность изобретения заключается в установлении показателей пожарной безопасности здания в части гарантированной длительности сопротивления стальных термозащищенных гофробалок в условиях пожара; в определении фактических пределов огнестойкости стальных термозащищенных гофробалок при проектировании, строительстве и/или эксплуатации здания; в снижении экономических затрат при испытании стальных конструкций на огнестойкость.
Технический результат - снижение трудоемкости оценки огнестойкости стальных конструкций; расширение технологических возможностей определения фактической огнестойкости различно нагруженных стальных гофробалок любых размеров; снижение экономических затрат и сокращение сроков испытания стальных конструкций на огнестойкость; снижение требуемого объема оперативной памяти ЭВМ при расчете огнестойкости стальных термозащищенных гофробалок; повышение достоверности показателей толщины термозащиты и условий обогрева стальной гофробалки при стандартном тепловом воздействии.
ur
us,min
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе оценки огнестойкости стальной термозащищенной гофробалки здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, инструментальное измерение геометрических характеристик составных элементов сварного двутавра гофробалки; выявление условий опирания и крепления гофробалки, схемы обогрева поперечного сечения элементов сварного двутавра; установление вида термозащитного материала и марки стали гофробалки, характеристик металла сопротивлению на изгиб и растяжение; определение величины испытательной нагрузки на гофробалку, схемы ее приложения, интенсивности силовых напряжений в металле в опасном сечении составных элементов сварного двутавра гофробалки; при этом определение оценки огнестойкости стальной термозащищенной гофробалки здания проводят неразрушающими методами испытаний, используя комплекс единичных показателей качества стальных конструкций, особенностью является то, что вначале выявляют геометрические характеристики отдельных элементов сварного двутавра гофробалки: гофрированной стенки, нижней и верхней полок, а также стальных элементов усиления; устанавливают длину периметра обогрева сечения каждого составного элемента сварного двутавра; устанавливают глубину залегания направленно перемещенной контрольной точки нахождения средней температуры неравномерно прогретого по сечению элемента сварного двутавра; вычисляют показатели условий нагрева контрольных точек полки и гофрированной стенки сварного двутавра с термозащитным покрытием, соответствующие стандартным испытаниям; находят степень термозащиты каждого составного элемента сварного двутавра: гофрированной стенки, нижней и верхней полок; проектный предел огнестойкости, F, мин, стальной термозащищенной гофробалки по признаку потери несущей способности определяют по длительности сопротивления термосиловому воздействию составного элемента сварного двутавра наименее слабого в статическом и тепловом отношении - r, мин.
us,i
Определяют длительность сопротивления термосиловому воздействию составного элемента сварного двутавра гофробалки без учета его термозащиты - r, мин, - по аналитическому уравнению (1):
s,i
o,i
σs,i
2
где A - площадь металла сечения составного элемента сварного двутавра, см; P - периметр обогрева сечения составного элемента сварного двутавра, см; J - интенсивность силовых напряжений в сечении составного элемента сварного двутавра (0,1÷1,0).
x
y
Показатель условий нагрева контрольной точки полки сварного двутавра гофробалки с термозащитным покрытием, соответствующий стандартным испытаниям (при δ≤a), вычисляют по степенной функции (2):
y
y
x
где a=δ - толщина термозащитного покрытия полки сварного двутавра по оси YУ, перпендикулярной поперечному сечению двутавра, мм; a - глубина залегания направленно-перемещенной контрольной точки нахождения средней температуры неравномерно нагретой по сечению полки сварного двутавра, которую вычисляют, используя степенную функцию (3):
x
где δ - толщина термозащитного покрытия полки сварного двутавра по горизонтальной оси, перпендикулярной поперечному сечению мм; n - показатель степени, вычисляемый по степенной функции (4):
где b и В - соответственно ширина полки сварного двутавра и ширина стальной термозащищенной гофробалки, мм;
Степень термозащиты составного элемента сварного двутавра - С, см, - находят из аналитического выражения (5):
oi
o,min
bm
2
где m - показатель условий нагрева контрольной точки составного элемента сварного двутавра (0,5÷1,0); δ - минимальная толщина термозащитной облицовки по одной из осей координат, мм; D - показатель термодиффузии материала облицовки, мм/мин.
ur,i
Определяют длительность сопротивления термосиловому воздействию - ƒ, мин, гофрированной стенки, нижней и верхней полок сварного двутавра с учетом термозащиты по аналитическому уравнению (6):
σs,i
us,i
где J - интенсивность силовых напряжений в металле составного элемента сварного двутавра (0,1÷1,0); С - степень термозащиты составного элемента сварного двутавра, см; r - длительность сопротивления термосиловому воздействию составного элемента сварного двутавра гофробалки без учета его термозащиты, мин; е=2,718 - натуральное число.
ur
Проектный предел огнестойкости - F, мин - стальной термозащищенной гофробалки здания по признаку потери несущей способности выявляют, используя условие (7):
ur,min
где ƒ - длительность сопротивления термосиловому воздействию составного элемента сварного двутавра наименее слабого в статическом и тепловом отношении.
Схемы обогрева сечений испытуемых стальных термозащищенных гофробалок в условиях пожара определяют в зависимости от фактического расположения частей здания.
Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом заключена в следующем. Исключение термосиловых испытаний стальных термозащищенных гофробалок существующего здания и замена их на неразрушающие испытания снижает трудоемкость определения их огнестойкости, расширяет технологические возможности выявления фактической огнестойкости различно нагруженных стальных гофробалок любых размеров, дает возможность проведения испытания конструкций на огнестойкость без нарушения функционального процесса обследуемого здания, а также сопоставления полученных результатов со стандартными испытаниями аналогичных стальных гофробалок и сохранения эксплуатационной пригодности обследуемого здания без нарушения несущей способности его балок в процессе испытания. Следовательно, условия испытания стальных гофробалок на огнестойкость значительно упрощены.
Снижение экономических затрат на проведение испытания предусматривают за счет уменьшения расходов на демонтаж, транспортирование и огневые испытания образцов стальных балок.
Применение математического описания процесса сопротивления стальной термозащищенной гофробалки стандартному тепловому испытанию и использование аналитического уравнения (1) повышает точность и скорость оценки их пределов огнестойкости.
При использовании предложенного алгоритма расчета проектной огнестойкости стальных гофробалок уменьшается требуемый объем оперативной памяти компьютера в 15÷20 раз по сравнению с теплотехническими расчетами огнестойкости конструкции классическим способом с использованием номограмм прогрева материалов огнезащиты.
s
На фиг. 1 изображена схема стальной гофробалки: сечение А-А - продольный разрез; сечение Б-Б - поперечный разрез; сечение В-В - план гофробалки: 1 - нижняя полка; 2 - верхняя полка; 3 - гофрированная стенка; h и b - высота и ширина сварного двутавра, мм; d и δ - толщина гофрированной стенки и толщина полки, мм.
На фиг. 2 изображено сечение сварного двутавра стальной гофробалки, оборудованной элементами каркаса термозащитных поясов полок: 1 - нижняя полка; 2 - верхняя полка; 3 - гофрированная стенка; 4 - швеллер, приваренный к нижней полке; 5 - швеллер, приваренный к верхней полке; 6 - сварной шов; 7 - антикоррозионное покрытие.
cm
x
y
На фиг. 3 изображено сечение гофробалки с заполнением термозащитных поясов при 4-гранном обогреве сечения балки в условиях стандартного испытания: 8 - плита термозащитная; 9 - гипсокартонные листы ГКЛ; 10 - укрывный материал по сетке; 11 - контрольная точка гофрированной стенки; 12 - контрольные точки нижней полки; t, °С - направление высокой температуры; a и a - глубина заложения контрольной точки по осям координат, мм.
На фиг. 4 изображено сечение сварного двутавра гофробалки, оборудованной элементами каркаса термозащитных поясов: 1 - нижняя полка; 2 - верхняя полка; 3 - гофрированная стенка; 4 - швеллер, приваренный к нижней полке; 5 - швеллер, приваренный к верхней полке; 6 - сварной шов; 7 - антикоррозионное покрытие.
cm
x
y
На фиг. 5 изображено сечение гофробалки с заполнением защитных поясов при 3-гранном обогреве термозащищенной балки в условиях стандартного испытания: 11 - контрольная точка гофрированной стенки; 12 - контрольные точки нижней полки; t, °С - направление действия высокой температуры; a и a - глубина заложения контрольной точки по осям координат, мм.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного выше технического результата. Последовательность действий способа оценки огнестойкости стальной термозащищенной гофробалки здания состоит в следующем.
Сначала проводят визуальный осмотр здания. Затем определяют группу однотипных стальных гофробалок и их общее число в ней. Вычисляют величину выборки однотипных стальных гофробалок. Назначают комплекс единичных показателей качества стальной конструкции, влияющих на огнестойкость. Выявляют условия закрепления концов и опасные сечения стальных гофробалок. Затем оценивают единичные показатели качества стальных термозащищенных гофробалок и их интегральные параметры и, наконец, по ним находят проектный предел огнестойкости испытуемых конструкций.
Под визуальным осмотром понимают проверку состояния стальных термозащищенных гофробалок, включающую выявление условий закрепления и обогрева стальных гофробалок, определение материала конструктивной защиты стальных гофробалок от нагрева при пожаре (бетон, гипсокартонные листы, гипсовые плиты, вермикулитовые плиты, минеральная вата, штукатурка и т.п.), вид проката, форму поперечного сечения несущего стержня стальной гофробалки, его геометрические размеры, марку стали, испытательную нагрузку.
Схемы обогрева поперечных сечений стальных термозащищенных гофробалок в условиях пожара определяют в зависимости от их фактического расположения в частях здания, устройства термозащиты, укладки смежных конструкций, уменьшающих число сторон обогрева гофробалки.
К основным единичным показателям качества стальных термозащищенных гофробалок, обеспечивающих огнестойкость, относятся: показатель термодиффузии и плотность материала термозащитного покрытия, показатель условий нагрева составного элемента сварного двутавра - стержня стальной термозащищенной гофробалки, толщина термозащитного покрытия; марка стали, предел текучести ее, критическая температура, приведенная толщина металла составного элемента сварного двутавра, интенсивность напряжений в сечении составного элемента сварного двутавра, время сопротивления термосиловому воздействию составного элемента сварного двутавра стальной гофробалки без огнезащиты.
Проверяемыми геометрическими размерами являются: толщина термозащитного покрытия, ширина и высота поперечного сечения составного элемента сварного двутавра стальной гофробалки. Опасные сечения стальных гофробалок назначают в местах наибольших моментов и поперечных сил от действия испытательной нагрузки. Размеры элементов стальной конструкции проверяют с точностью ± 1 мм.
ст
s
s.n
ст
1
1
1
s1
s
s.n
s1
σs1
uн
2
2
2
2
Пример. Дано: стальная гофробалка здания с комплексной облицовкой стального несущего стержня - сварного двутавра: высота гофрированной стенки h=1000 мм, толщиной d=2 мм; размеры полки b×δ=300×20 мм, A=60 см; A=20 см; высота двутавра h=1040 мм; обогрев сечения гофробалки - с трех граней, тепловой режим стандартного огневого испытания, подвод тепла к контрольной точке сечения нижней полки 2-сторонний; к верхней полке - односторонний; к гофростенке - двухсторонний, стальные элементы каркаса термозащиты для полок сварного двутавра - четыре гнутых швеллера: h×b×s=120×60×4 мм (A=4⋅9=36 см), площадь сечения стали полок сварного двутавра A=A+A=60+36/2=78 см; расчетная интенсивность силовых напряжений в металле полок сварного двутавра J=0,625; требуемый предел огнестойкости несущей балки I (первой) степени огнестойкости здания равен R=120 мин.
Термозащитная облицовка нижней полки сварного двутавра:
гкл
эт
гкл
эт
2
а) три гипсокартонных листа (материал принят за эталон) толщиной 12,5 мм каждый: δ=δ=37,5 мм; показатель термодиффузии D=D=19 мм/мин;
пл
bm
пл
1
3
2
б) миниральная вата - плита П100: плотность γ=100 кг/м; D=33,53 мм/мин, толщина δ=h/2=120/2=60 мм; толщина минваты, приведенная к эталонному материалу (ГКЛ):
пл,r
пл
эт
bm
δ=δ⋅D/D=60⋅19/33,53=34 мм;
расчетная толщина термозащитной облицовки по оси ординат равна:
y
эт
пл,r
a=δ+δ=37,5+34=71,5 мм;
расчетная ширина стальной гофробалки с термозащитной облицовкой равна:
пл,r
В=в+2⋅δ=300+2⋅34=370 мм;
толщина термозащитного слоя (для торцов нижней полки сварного двутавра по горизонтальной оси), приведенного к эталонному материалу - ГКЛ,  равна
x,r
пл,r
1
эт
bm
δ=δ=b⋅D/D=60⋅19/33,53=34 мм;
3
2
bm
o,min
термозащита гофрированной стенки - легкий строительный цементно-перлитовый раствор толщиной 44 мм (γ=800 кг/м; D=15,52 мм/мин; среднее значение толщины защитного слоя δ=18 мм).
ur
Определить проектный предел огнестойкости стальной гофробалки с комплексной термозащитной облицовкой - F, мин, по признаку потери несущей способности в условиях стандартного испытания.
Решение:
1) Периметр обогрева нижней полки сварного двутавра вычисляют по линейному уравнению (обогрев с 4-граней):
o1
s
Р=2⋅(b+δ)-d=2⋅(30+2)-0,2=63,8 см;
то же, верхней полки (обогрев с 3-граней):
о2
s
Р=2⋅δ+b-d=2⋅2+30-0,2=33,8 см;
то же, гофрированной стенки (обогрев с 2-граней):
o3
ст
Р=2⋅h=2⋅100=200 см.
2) Длительность сопротивления термосиловому воздействию нижней полки сварного двутавра гофробалки без учета термозащиты определяют по уравнению (1):
us,1
s1
o1
σs1
1/2
1/2
r=6⋅{(A/P)+18,33⋅[(1-J)-0,5]}=6⋅{(78/63,6)+18,33⋅[(1-0,625)-0,5]}=6⋅(1,23+2,06)=13,1 мин;
σs2
то же, верхней полки (J=0,625):
us,2
s1
о2
r=6⋅[(A/Р)+2,06]=6⋅[(78/33,8)+2,06]=6⋅(2,31+2,06)=14 мин;
σs3
то же, гофрированной стенки (J=0,1):
us,3
s1
o3
σs3
1/2
1/2
r=6⋅{(A/Р)+18,33⋅[(1-J)-0,5]}=6⋅{(20/200)+18,33⋅[(1-0,1)-0,5]}=6⋅(0,1+8,2)=49,4 мин.
3) Глубину залегания контрольной точки сечения нижней полки сварного двутавра направленно перемещенной по горизонтальной оси вычисляют, используя степенные функции (3) и (4):
x
x
x
n
a=δ+(δ⋅b/2);
0,25
0,25
при n=0,5⋅(b/В)=0,5⋅(300/370)=0,475;
x
y
0,475
a=34+(34⋅300/2)=34+57,42=91,4 мм > a=71,5 мм;
o,min
y
следовательно, δ=a=71,5 мм.
4) Показатель условий нагрева контрольной точки нижней полки сварного двутавра вычисляют по степенной функции (2):
o1
y
x
0,5
0,5
m=0,5⋅(a/a)=0,5⋅(71,5/91,4)=0,44;
o2
то же, верхней полки - m=1,0; (при одностороннем обогреве);
o3
то же, гофрированной стенки - m=0,5 (при симметричном двухстороннем подводе тепла к контрольной точке).
5) Степень термозащиты нижней полки сварного двутавра находят из выражения (5):
1
o1
o,min
эт
0,8
0,8
С=1,4⋅m⋅δ/D=1,4⋅0,44⋅71,5/19=44/10,54=4,18;
o2
o,min
то же, верхней полки (m=1,0; δ=34 мм):
2
о2
o,min
эт
0,8
0,8
С=1,4⋅m⋅d/D=1,4⋅1,0⋅34/19=47,6/10,54=4,52;
o3
o,min
bm
2
то же, гофрированной стенки (m=0,5; δ=18 мм; D=15,52 мм/мин):
1
о1
o,min
эт
0,8
0,8
C=1,4⋅m⋅δ/D=1,4⋅0,5⋅18/15,52=12,6/8,968=1,4.
6) Длительность сопротивления огневому воздействию нижней полки сварного двутавра стальной термозащищенной гофробалки определяют по уравнению (6):
ur,1
σs1
us,1
3
C
3
4,18
ƒ=48⋅(1-J)⋅e+r=48⋅(1-0,625)⋅е+13,1=2,53⋅65,54+13,3=166+13,1=180 мин;
2
то же, верхней полки (С=4,52):
ur,2
σs2
us,2
3
C
3
4,52
ƒ=48⋅(1-J)⋅e+r=48⋅(1-0,625)⋅е+14=2,53⋅92,1+14,1=233+14=250 мин;
3
σs3
то же, гофрированной стенки (С=1,4; J=0,1):
ur,3
σs3
us,3
3
C
3
1,4
ƒ=48⋅(1-J)⋅e+r=48⋅(1-0,1)⋅е+49,4=35⋅4,1+49,4=143+49,4=190 мин;
ur,1
ur,min
ur
наименее слабой в статистическом и тепловом отношении является нижняя полка сварного двутавра f=f=180 мин; следовательно, проектный предел огнестойкости стальной термозащищенной гофробалки здания F, мин, принимают по условию (7):
ur
ur,min
uн
F=f=180 мин>120 мин=R,
uн
здесь R=120 мин - требуемый предел огнестойкости гофробалки здания I (первой) степени огнестойкости.
Предложенный способ применен при оценке огнестойкости стальных термозащищенных гофробалок ООО «Фирма Мета-Ком» (г. Самара, 2015 г.). Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».
Источники информации
1. ГОСТ Р 53309-2009. Здания и фрагменты зданий. Метод натурных огневых испытаний. Общие требования.
2. ГОСТ 30247.1-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции.
3. Патент №2320982 RU, МПК G01N 25/50. Способ определения огнестойкости стальных огнезащищенных балок здания / Ильин Н.А., Ведерников С.С., заяв. СГАСУ 04.07.2006; опубл. 27.03.2008. Бюл. №9.