СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ОГНЕЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ
METHOD FOR MAKING FLAME-RETARDANT FINISH SPECIMEN

Изобретение относится к технике огнезащитных материалов и конструкций и предназначено для оценки действенности (эффективности) огнезащитных покрытий строительных конструкций.
Известен способ изготовления лабораторного образца установки для определения эффективности огнезащитных покрытий стальных конструкций. / Романенков И.Г. Огнезащита строительных конструкций./ И.Г.Романенков, Ф.А.Левитес. - М.: Стройиздат, 1991, с.112-113/ [1].
Установку ЦНИИСК изготовляют в виде малой огневой камеры, в верхней части которой устанавливают обогреваемый стальной сердечник - образец - пластину. Испытуемый образец размером 200×200 мм в плане изготовлен в виде образца - пластины, с одной стороны которой наносят огнезащитный материал. На другую сторону образца - пластины уложен теплозащитный экран. Температурный режим в нагревательной камере создают системой стержневых электрических нагревателей. Термопары, измеряющие температуру, устанавливают на обогреваемой и необогреваемой поверхности образца-пластины.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа изготовления образца для испытания огнезащитных покрытий стальных конструкций, относится то, что при нагреве испытательного образца -пластины только с одной стороны происходит расхождение с результатами испытаний элементов стальных конструкций, обогрев сечения которых, как правило, двусторонний; выполнение произвольного теплозащитного экрана необогреваемой поверхности образца - пластины нарушает баланс образца при его нагреве; погрешность измерения температуры на поверхности образца - пластины высока (до 60°С) вследствие устанавливания незащищенных электродов термопары перпендикулярно ее поверхности.
Известен способ изготовления лабораторного образца для оценки действенности огнезащитных покрытий стальных конструкций./ А.с. 332356 SU, МПК G01N 3/08, Установка для испытания огнестойких покрытий./ С.И.Таубкин, М.Н.Колганова, Г.Ф.Агеев и др., заявка от 19.03.1970. Опубл. 14.03.1972, Бюл.№10/ [2].
В известном способе изготовления установки ВНИИПО используют принцип разъемности огневой камеры с удалением образца от источника теплового излучения. В известном способе изготовления установки оценивают поведение огнезащитных составов и материалов в вертикальном положении образца - пластины. Стальной образец - пластину изготавливают размером 140×88×1 мм. На одной стороне образца - пластины нанесена огнезащитная краска. Неокрашенной стороной образец - пластину закрепляют на держатель с подогревающим устройством. Источник излучения - муфельная печь, нагретая до 950°С. К ней придвигают испытательную камеру с перемещающимся держателем на винтовом стержне.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа изготовления образца для испытания огнезащитных покрытий стальных конструкций, относится то, что односторонний нагрев образца - пластины приводит к расхождениям с результатами огневых испытаний стальных конструкций, имеющих двусторонний обогрев поперечного сечения, при имитации двустороннего нагрева требуется дополнительное нагревающее устройство; электроды термопары, прикрепленной к пластине, в огневой камере открыты и требуются дополнительная изоляция от их перегорания; изготовляемая лабораторная установка с образцом - пластиной в целом громоздка, сложена в использовании и имеет большие погрешности в измерении температуры.
Известен способ изготовления лабораторного образца для испытания огнезащитных покрытий стальных конструкций, включающий испытуемый стальной сердечник, выполненный сборным из двух стальных пластин, и датчики температуры, рабочие спаи контрольных термопар которых располагают внутри составного образца - пластины; /Пат. 2092821 RU, МПК-6 G01N 25/50. Устройство для испытаний огнезащитных покрытий./ Н.А.Ильин; заявка от 18.09.95; опубл. 10.10.97; Бюл.№28/ [3].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа изготовления образца для испытания огнезащитных покрытий стальных конструкций, относится то, что испытание образца - пластины возможно только при расположении стального сердечника в горизонтальном положении; размеры образца - пластины малы по величине и не соответствует размерам обогреваемых стальных конструкций, например, колонн; усложнено определение степени нагрева обогреваемой поверхности образца - пластины; малое приближение испытаний образца - пластины к натурным стальным конструкциям; степень нагрева образца - пластины определяют в центре его, а не в контрольных (расчетных) точках поперечного сечения образца конструкции; конструкция известного способа изготовления образца для испытаний огнезащитных покрытий сложна в изготовлении и малотехнологична; при проведении испытаний огнезащитных покрытий нужны определенные навыки для создания стандартного теплового режима в муфельной печи.
3
Наиболее близким техническим решением к изобретению по совокупности признаков является способ изготовления образца - изделия стержневой конструкции для испытания огнезащитных покрытий строительных конструкций, включающий изготовление опытного образца, на который наносят огнезащитный состав в виде отрезка стальной колонны двутаврового сечения прокатного профиля №20 по ГОСТ 8239 или профиля №20 Б1 по ГОСТ 26202; длина образца l=(1700±10) мм. Подготовка к проведению испытаний включает расстановку термоэлектропреобразователей (термопар) на стальном опытном образце - изделии стержневой конструкции, размещение опытного образца - изделия (отрезка колонны) в печи; размеры печи а×b x l=1500×1500×1700 мм; объем печи W=3,825 м
э
Температура образца - изделия стержневой конструкции измеряется с помощью термопар из провода диаметром d≤0,75 мм. Термопары на образце - изделии установлены в количестве 3 шт. методом зачеканивания: в среднем сечении образца - изделия на стенку двутавра и на внутреннюю поверхность полок двутавра.
1
1
1
5
Испытание проводится в печи на установке для испытания образцов стержневых конструкций без статической нагрузки при четырехстороннем стандартном тепловом воздействии до достижения предельной температуры стали, равной 500°С (средняя по трем термопарам). Для проведения испытаний изготавливают два одинаковых образца-изделия длиной l=(1700±10)мм каждый. При производстве огнезащитных составов используются дополнительно контрольный метод их испытания; в качестве стального сердечника используют образец-пластину размером 600×600×5 мм с нанесенным на нее огнезащитным составом; испытания проводят в печи установки для теплофических исследований; внутренние размеры печи а×b×l=1000×1000×850 мм; объем печи w=0,85 м./ГОСТ Р 532 95-2009. Средства огнезащиты для стальных конструкций. Методы определения огнезащитной эффективности - М., 2009/[4], - принято за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа изготовления образца для испытания огнезащитных покрытий стальных конструкций, принятого за прототип, относится то, что для проведения испытаний требуется, как правило, два огневых устройства: во-первых, установка для испытаний образцов стержневых конструкций, и, во-вторых, установка для теплофизических исследований - контрольный метод;
использование двух огневых установок не экономично; электроды термопар, прикрепленные к стенке и полкам двутавра опытного образца стержневых конструкций, в огневой камере открыты и требуется дополнительная изоляция от перегорания и повреждения; погрешность измерения температуры на поверхностях стенки и полок двутаврового опытного образца высока (до 60°С) вследствие установки незащищенных электродов термопар перпендикулярно поверхностям стенок и полок; значителен расход стали для изготовления двух опытных образцов длиной l=1700 мм каждый; использование открытых термопар в условиях огневых испытаний приводит к пережегу электродов и механическим повреждениям, - следовательно, к частой их замене; установка на каждую последующую пару опытных образцов не менее 6 шт. новых термопар повышает расходы на приобретение термопар и трудоемкость испытаний; степень нагрева опытного образца определяют в центре пластины, а не в контрольных (расчетных) точках поперечного сечения образца конструкции; при использовании известного образца - пластины для контрольного метода испытаний огнезащитных покрытий по металлу, осуществляют односторонний нагрев образца - пластины, который приводит к расхождению с результатами огневых испытаний стальных конструкций, имеющих двусторонний обогрев его деталей (полок, стенки); выполнение произвольного теплозащитного экрана на необогреваемой поверхности стального сердечника нарушает баланс образца - пластины при его нагреве; погрешность измерения температуры на поверхности образца - пластины высока (до 60°С) вследствие выполнения незащищенной термопары перпендикулярно его поверхности.
Сущность изобретения заключается в следующем. Задача, на решение которой направлена заявленное изобретение, состоит в приближении способа испытаний огнезащитных покрытий образца - изделия стержневой конструкции к натурным для строительных конструкций; в снижении погрешности измерения температуры в контрольных (расчетных) точках поперечного сечения стальных конструкций; в упрощении способа изготовления опытного образца - изделия стержневой конструкции и снижении металлоемкости; в повышении экономичности и технологичности способа его изготовления и испытания огнезащитных покрытий.
Технический результат - приближение испытания стального образца к натурным для строительных конструкций; упрощение изготовления опытного образца - изделия стержневой конструкции вследствие применения простых по форме сборных деталей (пластин и уголков); возможность многократного использования опытного образца - изделия для повторных огневых испытаний; снижение погрешности измерений предельной температуры в контрольных, направленно перемещенных расчетных точках образца - изделия; повышение воспроизводимости огневых испытаний; более точное определение контрольных, направленно перемещенных расчетных точек сечения опытного образца - изделия для измерения предельной температуры нагрева металла неравномерно прогреваемой стальной конструкции; исключение пережогов тонких электродов термопар вследствие их размещения внутри полок и ребра составного двутаврового сечения опытного образца - изделия; обеспечение защиты тонких электродов термопар от механических повреждений и обрывов; снижение металлоемкости при изготовлении опытного образца - изделия и затрат на проведение огневых испытаний огнезащитных покрытий; использование более простой огневой установки, например, установки для теплофизических испытаний; упрощение установления опытного образца - изделия стержневой конструкции в пространство нагревательной печи.
Указанный технический результат при использовании изобретения достигается тем, что в известном способе изготовления опытного образца для испытания огнезащитных покрытий стальных конструкций, включающем изготовление стального двутаврового сердечника, нанесение огнезащитного покрытия и размещение термоэлектрических преобразователей, особенностью является то, что стальной сердечник выполняют малогабаритным в виде составных сочлененных деталей полок и ребра стального двутавра из двух соприкасающихся толстолистовых пластин, оборудованного рукоятями для переноса; термоэлектрические преобразователи выполняют в виде защищенных термопар многократного использования, устанавливают между соприкасающимися толстолистовыми пластинами стального двутавра в контрольных, направленно перемещенных расчетных точках полок образца - изделия стержневой конструкции.
Длину образца - изделия стержневой конструкции принимают равной l=850 мм.
1
1
Сердечник образца - изделия стержневой конструкции выполняют в виде стального двутавра №20 размером b×h×s=105×200×10 мм с составным ребром из двух толстолистовых пластин δ=4÷10 мм каждая и составными полками из двух толстолистовых пластин, s=4÷10 мм каждая, сочленяя их с наружными поверхностями полок спаренных отрезков стальных уголков размерами b×h×δ×s=50×50×5×5 мм.
1
1
1
Сердечник образца - изделия стержневой конструкции выполняют в виде стального двутавра с составным ребром из швеллера №20 размером b×h×s=76×200×5,2 мм, примыкающих к нему двух стальных уголков размером b×h×δ=75×50×8 мм и толстолистовой пластины - накладки δ=4÷10 мм; составные полки двутавра выполняют из толстолистовых пластин полки двутавра толщиной s=4÷10 мм каждая, сочленяя их с полками швеллера и стальных уголков, при этом ширину полки стального уголка принимают равной ширине полки швеллера b=76 мм.
1
Сердечник образца - изделия стержневой конструкции выполняют в виде стального двутавра с составными полками и ребром, которые включают два спаренных, соприкасающихся по стенкам, стального швеллера №20 размером h×b×δ×s=76×200×5,2×9 мм и две толстолистовые пластины - накладки толщиною s=4÷10 мм каждая, сочлененные с наружними сторонами полок швеллеров, при этом ширину каждой накладной толстолистовой пластины полки стального двутавра принимают удвоенной ширине полки швеллера, то есть b=2·76=152 мм.
1
Сердечник образца - изделия стержневой конструкции выполняют в виде отрезка стального колонного двутавра №20 К1, размером b×h×s=200×200×6,5 мм, и оборудуют обе полки толстолистовыми пластинами полок двутавра толщиной s=4÷10 мм каждая.
Составные детали образца-изделия стержневой конструкции сочленяют между собою стяжными болтами или винтами диаметром резьбы 8÷10 мм, длиной 14÷20 мм, с уменьшенной потайной головкой, которые оборудуют колпачковыми гайками.
Образец - изделие стержневой конструкции оборудуют двумя рукоятями в виде винтов длиной 60÷80 мм с плоским концом, крепежной резьбой и колпачковыми гайками.
Термопары многократного использования располагают внутри образца -изделия стержневой конструкции, между составными деталями полок и ребра стального двутавра.
Рабочие спаи термопар располагают в контрольных точках М(х,у) неравномерно прогретых полок стального двутавра с глубиной их заложения по оси ординат y=s/5; по оси абсцисс х, - начиная от конца полки стального двутавра, - вычисляют по уравнению (1):
где а - глубина заложения контрольной точки М по оси абсцисс, мм;
о
δ - толщина огнезащитного покрытия, мм;
b - ширина полки стального двутавра, мм;
m - показатель степени, вычисляемый по формуле (2):
В - ширина полки двутавра с учетом огнезащитного покрытия, мм. Термопары в полках образца - изделия стержневой конструкции располагают, занимая центральное положение в прямоугольных горизонтальных пазах, вырезаемых на поверхности толстолистовых пластин - накладок, сочленяемых со стальными уголками.
Термопары в ребре образца - изделия стержневой конструкции располагают, занимая центральное положение в прямоугольном вертикальном пазу, вырезаемом на внутренней стороне толстолистовой пластины - накладки ребра стального двутавра.
Вертикальный паз для термопар, располагаемых в полках, образуют конструктивно в местах соединения стальных уголков, - деталей полок, и толстолистовой пластины сердечника ребра стального двутавра.
Термопары устанавливают в количестве (5÷6) шт.: (1÷2) шт. в среднем сечении внутри на стенку составного стального двутавра и по 2 шт. в контрольных точках М(х,у) на внутренние поверхности каждой полки стального двутавра по диагонали на расстоянии (200±15) мм от центра толстолистовой пластины полки.
Заделку рабочего спая термопары со стороны обогреваемой поверхности образца - изделия стержневой конструкции производят путем припайки рабочего спая термопары в конце паза ⌀2÷5 мм глубиной 3÷9 мм, который высверливают в накладываемой толстолистовой пластине толщиной s=4÷10 мм.
Заделку рабочего спая термопары со стороны обогреваемой поверхности образца - изделия стержневой конструкции производят путем припайки термопары заподлицо в высверливаемом насквозь отверстии ⌀2÷5 мм в накладываемой толстолистовой пластине.
Заделку рабочего спая термопары со стороны обогреваемой поверхности образца - изделия стержневой конструкции производят путем припайки к рабочему спаю наконечника - диска.
Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом изобретения заключена в следующем.
1
1
2
2
Проектирование и изготовление опытного образца - изделия стержневой конструкций при использовании составных толстолистовых пластин и стальных уголков различной толщины (в пределах 3÷16 мм) позволяет конструировать любые размеры поперечного сечения стальных конструкций в соответствии с действующим сортаментом металлопроката; упрощение деталей двутавровой конструкции опытного образца - изделия стержневой конструкции вследствие применения сочленения пластин из толстолистовой стали и уголков стальных прокатных профилей; сокращение расхода стали на изготовление опытного образца - изделия стержневой конструкции по причине применения стального проката длиной, уменьшенной в 2 раза, так при использовании стального двутавра с параллельными гранями полок №20 Б1 масса стали образца M=g·L=22,4·1,7=38 кг, масса стали предлагаемого образца - изделия M=g·L=22,4·0,85=19 кг; возможно многократное использование образца - изделия для последующих огневых испытаний новых огнезащитных покрытий по металлу вследствие использования постоянных термопар, проведенных между составными толстолистовыми пластинами опытного образца - изделия (обеспечивая защиту тонких электродов термопар от механических повреждений и пережогов); оценка с меньшей погрешностью предельной температуры нагрева стального стержня опытного образца по причине назначения контрольных, направленно перемещенных расчетных точек в неравномерно прогретой строительной конструкции.
В целом предложенный способ изготовления опытного образца - изделия стержневой конструкции прост и при его использовании дает достоверные результаты при оценке действенности огнезащитных покрытий для стальных конструкций.
На фиг.1-3 изображены план - поперечное сечение А-А (фиг.1), разрез Б-Б (фиг.2) и разрез В-В (фиг.3) образца - изделия стержневой конструкции (исполнение 1):
1 - стальной уголок;
2 - толстолистовая пластина полки двутавра;
3 - толстолистовая пластина сердечника ребра двутавра;
4 - толстолистовая пластина - накладка ребра двутавра;
5 - стяжные болты пластин ребра, полок и уголков;
6 - огнезащитное покрытие;
7 - паз горизонтальный (прорезают для электродов термопар на внутренней поверхности толстолистовой пластины полки двутавра, сочлененной со стальными уголками);
8 - термопары внутри полок двутавра;
9 - рукояти;
10 - термопара внутри ребра двутавра.
На фиг.4 изображены сердечник образца - изделия стержневой конструкции и схема расстановки термопар (обозначение позиций 1÷10 см. описание к фиг.1-3):
11 - паз вертикальный (прорезают для электродов термопар на внутренней поверхности пластины - накладки ребра двутавра);
12 - паз вертикальный конструктивный (для электродов термопар составной полки двутавра);
13 - замазка для электродов термопар в пазах;
m.I; m.II; m.III; m.IV и m.V - номера термопар.
На фиг.5÷7 изображены виды заделки рабочих спаев термопар со стороны обогреваемой поверхности образца - изделия стержневой конструкции: припайка рабочего спая термопары в конце паза ⌀2÷5 мм глубиной 3÷9 мм, который высверливается в толстолистовой пластине - накладке δ=4÷10 мм (фиг.5); припайка термопары заподлицо в высверленном насквозь отверстии ⌀2÷5 мм в толстолистовой пластине, припой серебряный ПСр-45 (фиг.6); припайка к рабочему спаю термопары наконечника - диска (фиг.7):
обозначение позиций 1÷13 см.описание к фиг.1-3 и фиг.4;
14 - припаянная термопара в пазу пластины;
15 - изолированные термоэлектроды;
16 - рабочий спай термопары;
17 - припой серебряный ПСр-45;
18 - керамическая соломка;
19 - наконечник - диск.
1
1
На фиг.8 изображен сердечник образца - изделия стержневой конструкции в виде стального двутавра с составным ребром из стального швеллера №20, примыкающих к нему двух стальных уголков - 1 размером 75×50×8 мм и толстолистовой пластины полки двутавра - 2 толщиной δ=4÷10 мм; составные полки стального двутавра выполнены из толстолистовых пластин толщиной s=4÷10 мм каждая, которые сопряжены с полками стального швеллера - 20 и стальных уголков -1 (исполнение 2):
20 - стальной швеллер №20 (позиции 8 и 10 см. фиг.1).
1
На фиг.9 изображен сердечник образца - изделия стержневой конструкции в виде составного стального двутавра с составными полками и ребром, которые включают два сочлененных, соприкасающихся по стенкам, стальных швеллера №20 и две толстолистовые пластины полки двутавра - 2 толщиной s=4÷10 мм каждая, сопряженные с наружными сторонами полок стальных швеллеров - 20 (исполнение 3) (позиции 8 и 10 см. фиг.1).
1
На фиг.10 изображен сердечник образца - изделия стержневой конструкции в виде отрезка колонного стального двутавра №20 К1, оборудованного толстолистовыми пластинами для обеих полок толщиной s=4÷10 мм каждая (исполнение 4) (позиции 2 и 8 см. фиг.1);
21 - двутавр стальной колонный №20 К1 с параллельными гранями полок.
На фиг.11÷12 изображены детали составного ребра стального двутавра: толстолистовая пластина сердечника ребра двутавра - 3 (фиг.11) и толстолистовая пластина-накладка ребра стального двутавра - 4 (фиг.12).
На фиг.13÷14 изображены детали составных полок стального двутавра: толстолистовая пластина полки двутавра - 2 для нижней полки (фиг.13) и толстолистовая пластина полки двутавра - 2а для верхней полки (фиг.14).
На фиг.15 изображена деталь составной полки стального двутавра в виде стального уголка - 1.
1
1
1
1
s.y
s
2
2
Выполнен проект образца - изделия стержневой конструкции для испытания огнезащиты стальных конструкций (СГАСУ г.Самара, МЧС СЭУ ФПС ИПЛ С/о, 2009 г.). Высота стального образца - изделия принята l=850 мм. Сердечник образца-изделия стержневой конструкции выполнен в виде стального двутавра №20. Размеры поперечного сечения h×b×δ×s=200×105×10×10 мм. Составное ребро стального двутавра представлено в виде двух сочлененных толстолистовых пластин толщиной δ=5 мм каждая. Размеры толстолистовой пластины сердечника ребра двутавра - 3, закрепленной в стальных уголках - 1, l×b×s=850×105×5 мм. Поперечное сечение стального уголка - 1 размером h×b×δ×s=50×50×5×5 мм; (A=4,8 см). Площадь металла поперечного сечения образца - изделия A=49,7 см. Приведенная толщина металла образца - изделия стержневой конструкции в условиях четырехстороннего стандартного огневого воздействия:
- при периметре обогрева поперечного сечения
- вычислена по формуле (4):
Термопары располагают внутри сечения образца - изделия стержневой конструкции между сочлененными деталями полок и ребра составного двутавра.
о
o
При толщине огнезащитного покрытия δ=6 мм и ширине полки стального двутавра b=105 мм получают для огнезащищенного образца ширину B=b+2·δ=105+2·8=121 мм;
0,25
0,25
показатель степени m=0,5·(b/B)=0,5·(105/121)=0,483;
(х,у)
абсциссы контрольных точек М для установления рабочего спая термопары в полке двутавра вычисляют по формуле (1):
o
m
0,483
x=a=(δ·b/2)=(6·105/2)=16,4 мм.
Рукоять - 9 образца - изделия стержневой конструкции изготовляют в виде винта ⌀12 мм, длиной l=60 мм с нанесенной на одном конце винта резьбой ⌀8 мм, при этом винт оборудуют колпачковыми гайками.
Проведенные предварительные испытания показали надежность использования изобретения для оценки действенности (эффективности) огнезащитных покрытий стальных конструкций: прогонов, балок и колонн.
Источники информации
1. Романенков И.Г. Огнезащита строительных конструкций. / И.Г.Романенков, Ф.А.Левитес. - М.: Стройиздат, 1991, с.112-113.
2. А.С 332356 SU, МПК G01N 3/08, Установка для испытания огнестойких покрытий. / С.И.Таубкин, М.Н.Колганова, Г.Ф.Агеев и др., заявка от 19.03.1970; опубл. 14.03.1972, Бюл. №10.
3. Пат.2092821 RU, МПК-6 G01N 25/50, Устройство для испытаний огнезащитных покрытий. / Н.А.Ильин; заявка от 18.09.95; опубл. 10.10.97, Бюл. №28.
4. ГОСТ Р 53295-2009. Средства огнезащиты для стальных конструкций. Методы определения огнезащитной эффективности. - М.: Стандартинформ, 2009. - 8 с.