Способ оценки пожароустойчивости деревянного сжатого элемента
METHOD FOR EVALUATING FIRE RESISTANCE OF A WOODEN COMPRESSED ELEMENT

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий. В частности, оно может быть использовано для классификации деревянных конструкций зданий по показателю сопротивления их воздействию пожара. Это дает возможность обоснованного использования существующих или проектируемых конструкций с фактическим временным показателем пожароустойчивости и огнестойкости в зданиях различных классов по функциональной пожарной опасности.
Известен способ оценки пожароустойчивости деревянного сжатого элемента путем огневого испытания, включающего проведение технического осмотра, определение породы и сорта древесины, установление фактических и проектных размеров сжатого элемента, выявление условий опирания сжатого элемента и его крепления, 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. - М.: Изд-во стандартов, 1995. - 7 с./ [1].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе испытания проводят на образце конструкции, на который воздействуют только постоянные и длительные нагрузки в их расчетных значениях с коэффициентом надежности, равным единице, то есть проектные нормативные нагрузки. Испытания проводят на специальном стендовом оборудовании в огневых печах до разрушения образцов конструкции. 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 конструкций, не дают необходимой информации о влиянии единичных показателей качества деревянного сжатого элемента на временной показатель пожароустойчивости. По малому числу испытуемых образцов (2-3 шт.) невозможно судить о действительном состоянии несущих конструкций здания. Результаты огневого испытания единичны и не учитывают разнообразия в закреплении концов сжатого элемента, его фактических размеров и схемы обогрева опасного сечения испытуемой конструкции в условиях пожара. Экономические затраты на проведение испытаний возрастают за счет расходов на демонтаж сжатого элемента, транспортирование к месту установки нагревательных печей и на создание в них стандартного теплового режима.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ оценки пожароустойчивости деревянного сжатого элемента, включающего проведение технического осмотра, выявление условий опирания сжатого элемента и его крепления его концов, измерение геометрических размеров сжатого элемента, определение породы и сорта древесины, неразрушающими испытаниями с применением существующих приборов проводят поверку единичных показателей качества сжатого элемента: геометрические размеры сжатого элемента, плотность и влажность древесины, нормативное сопротивление древесины на сжатие, модуль упругости древесины вдоль волокон, предельную толщину слоя обугливания сечения сжатого элемента, затем измеряют опасное сечение, выявляют форму сжатого элемента, после этого получают такие показатели качества деревянного сжатого элемента как: момент инерции поперечного сечения сжатого элемента, расчетную длину сжатого элемента, скорость обугливания сечения сжатого элемента, и предел воспламенения его, используя которые, а также геометрические размеры сжатого элемента по номограмме находят величину временного показателя пожароустойчивости деревянного сжатого элемента. /Патент RU 2275622 МПК G01N 25/50 (2006.01) Способ определения пожарной устойчивости сжатых элементов деревянных конструкций здания/ Ильин Н.А., Комов Е.М., Ильина В.Н. и др., заяв. СГАСУ: 06.09.2004, опубл. 27.04.2006. Бюл. №12 [2], - принят за прототип.
К недостаткам известного способа, принятого за прототип, относится то, что использование громоздкой номограммы для оценки временного показателя пожароустойчивости деревянного сжатого элемента дает результаты расчета с большой погрешностью, в ряде случаев требуется дополнительное построение графиков номограмм; кроме этого при построении номограммы не учитываются показатели надежности деревянного сжатого элемента по назначению (уровню ответственности), особенности условий обогрева опасного сечения сжатого элемента и коэффициента продольного изгиба.
Сущность изобретения заключается в усовершенствовании оценки временного показателя пожароустойчивости сжатого элемента; в снижении экономических затрат при оценочном испытании деревянного сжатого элемента на пожароустойчивость.
Технический результат - исключение огневого испытания деревянного сжатого элемента в здании; снижение трудоемкости в оценке пожароустойчивости элементов деревянных конструкций; расширение технологических возможностей оценки фактической пожароустойчивости различно нагруженных деревянных элементов конструкций любых размеров и возможность сопоставления полученных результатов с испытаниями аналогичных сжатых элементов; возможность проведения испытания деревянного сжатого элемента на пожароустойчивость без нарушения функционального процесса в здании; снижение экономических затрат на испытание; сохранение эксплуатационной пригодности здания при обследовании и неразрушающих испытаниях сжатых элементов; упрощение условий и сокращение сроков испытания сжатых элементов на пожароустойчивость; повышение точности и оперативности испытания; учет реального ресурса деревянного сжатого элемента по устойчивости в условиях пожара использованием комплекса единичных показателей качеств; упрощение учета влияния на временной показатель пожароустойчивости деревянного сжатого элемента при различной статической схеме его работы; возможность оценки временного показателя пожароустойчивости деревянного сжатого элемента по их конструктивным параметрам.
сж
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе оценки пожароустойчивости деревянного сжатого элемента, включающем проведение технического осмотра, выявление условий опирания сжатого элемента и крепления его концов, измерение геометрических размеров сжатого элемента, определение породы и сорта древесины, выявление расположения граней сечения сжатого элемента в пространстве здания; проведение неразрушающего испытания с применением существующих приборов, поверку единичных показателей качества сжатого элемента: плотности и влажности древесины в естественном состоянии, нормативного сопротивления древесины на сжатие, модуля упругости древесины вдоль волокон; выявление усилия на сжатие от испытательной нагрузки; определение интегрального показателя обгорания сечения сжатого элемента; выявление предельной глубины обгорания его сечения и времени начала воспламенения деревянного сжатого элемента в зависимости от ее огнезащиты, особенность заключается в том, что величину временного показателя пожароустойчивости деревянного сжатого элемента (D, мин) определяют, используя аналитическое уравнение (1):
ив
где τ - время воспламенения деревянного сжатого элемента, мин;
oc
0
в
0
3
Н - высота сечения сжатого элемента, см; N - усилие на сжатие от испытательной нагрузки, кН; λ - расчетная длина сжатого элемента, см; Е - модуль упругости древесины вдоль волокон, МПа; С - интегральный показатель обгорания сечения элемента; ψ - показатель расположения граней сжатого элемента в пространстве здания; ρ - плотность сухой древесины, г/см; е=2,72 - натуральное число;
r
ив
при этом, предел огнестойкости огнезащищенного деревянного сжатого элемента (F мин) принимают равным длительности испытания от начала огневого воздействия до воспламенения (r, мин):
τ
ив
r
Предел огнестойкости деревянного сжатого элемента (F, мин) с конструктивной огнезащитой, при условии τ ≥15 мин, принимают не менее F ≥15 мин.
r
r
Предел огнестойкости деревянного сжатого элемента, пропитанного антипиреном, (F, мин) принимают равным нулю (F=0 мин).
Деревянный сжатый элемент с конструктивной огнезащитой относится к классу - К1 (малопожароопасному).
Деревянный сжатый элемент, имеющую химическую огнезащиту, относят к классу - К2 (умереннопожароопасному).
Деревянный сжатый элемент без огнезащиты относят к классу - К3 (пожароопасному).
Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом заключена в следующем.
Исключение огневых испытаний деревянного сжатого элемента здания и замена их на неразрушающие испытания снижает трудоемкость оценки пожароустойчивости, расширяет технологические возможности выявления фактического временного показателя пожароустойчивости различно нагруженных деревянных сжатых элементов любых размеров, дает возможность проведения испытания сжатого элемента на пожароопасность без нарушения функционального процесса обследуемого здания, а также сопоставления полученных результатов со стандартными испытаниями аналогичных сжатых элементов и сохранения эксплуатационной пригодности обследуемого здания без нарушения несущей способности его сжатых элементов в процессе испытания. Следовательно, условия испытания деревянного сжатого элемента на пожароустойчивость значительно упрощены.
Применение математического описания процесса сопротивления деревянного сжатого элемента стандартному тепловому воздействию и использование предлагаемой параметрической аналитической функции повышает точность и экспрессивность оценки его пожароустойчивости.
В предложенном техническом решении предусматривают проведение испытаний не одного, а группы однотипных деревянных сжатых элементов. Это позволяет в 5-15 раз увеличить число испытуемых сжатых элементов и повысить достоверность результатов неразрушающих испытаний и технического осмотра здания.
Оценка пожароустойчивости сжатого элемента только по одному показателю качества, например, по величине нормативного сопротивлению древесины на сжатие, приводит, как правило, к недооценке его временного показателя пожароустойчивости, поскольку влияние на него вариаций единичных показателей качества сжатого элемента имеют различные знаки, и снижение временного показателя пожароустойчивости за счет одного показателя может быть компенсировано другими.
Вследствие этого в предложенном способе оценку временного показателя пожароустойчивости сжатого элемента предусматривают не по одному показателю, а по комплексу единичных показателей качества. Это позволяет более точно учесть реальный ресурс пожароустойчивости деревянного сжатого элемента.
В предложенном техническом решении учтен комплекс единичных показателей качества сжатого элемента, влияющих на пожароустойчивость деревянной конструкций, определяемой неразрушающими испытаниями.
ст
На фиг. 1 изображена расчетная схема деревянного сжатого элемента (стойки): 1 - сжатый элемент, 2 - опора защемленная, 3 - опора шарнирная, 4 - центрально приложенная нагрузка, кН; 5 - температура испытания - t,°С;  - расчетная длина сжатого элемента, см.
0
На фиг. 2 изображено сечение А-А деревянного сжатого элемента с размерами сечения В×Н в условиях четырехстороннего огневого воздействия: δ - предельная толщина обугливания, см.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного выше технического результата.
Последовательность действий способа оценки пожароустойчивости деревянного сжатого элемента зданий. Сначала проводят технический осмотр здания. Затем определяют группу однотипных деревянных сжатых элементов и их общее число в ней. Вычисляют величину выборки однотипных конструкций. Назначают комплекс единичных показателей качества сжатого элемента, влияющих на пожароустойчивость. Выявляют условия опирания, закрепления концов и опасное сечение сжатого элемента. Вычисляют число испытаний единичного показателя качества сжатых элементов в зависимости от его статистической изменчивости. Затем оценивают единичные показатели качества сжатых элементов и их интегральные параметры, и, по ним находят величину временного показателя пожароустойчивости деревянного сжатого элемента.
Под техническим осмотром понимают поверку состояния сжатых элементов, включающей выявление условий опирания элементов, определение породы и сорта древесины.
В процессе осмотра определяют группы однотипных сжатых элементов. Под группой сжатых элементов в здании понимают однотипные элементы, изготовленные и возведенные в сходных технологических условиях и находящихся в подобных условиях эксплуатации.
Схему обогрева сечения сжатого элемента в условиях пожара определяют в зависимости от фактического расположения сжатого элемента здания, укладки смежных конструкций, уменьшающих число сторон обогрева, устройства конструктивной огнезащиты.
К основным единичным показателям качества деревянного сжатого элемента, обеспечивающим пожароустойчивость, относятся: геометрические размеры элемента, плотность и влажность древесины в естественном состоянии, нормативное сопротивление древесины на сжатие, модуль упругости древесины вдоль волокон, и предельная глубина обугливания сечения сжатого элемента.
Поверку единичных показателей качества сжатых элементов, включенных в выборку или проверяемых поштучно, производят неразрушающими испытаниями с применением существующих приборов.
сж
Используя полученные показатели качества сжатого элемента, по приведенной аналитической функции (1) находят величину временного показателя предела пожароустойчивости деревянного сжатого элемента - D, мин.
н
0
H
в
озс
ив
озс
озс
3
Пример: Дано: физические характеристики деревянного сжатого элемента (центрально - сжатая стойка): уровень ответственности конструкции здания - нормальный (γ=1); расчетная длина (высота) стойки λ=390 см; усилие на сжатие от испытательной нагрузки  древесина хвойной породы ель средней плотности ρ=0,43 г/см; естественная влажность ω=8,8%; нормативное сопротивление древесины сжатию R=25МПа; сечение сжатого элемента В×Н=20×20 см; модуль упругости Е=10000 МПа; обогрев сечения - четырехсторонний; огнезащитная обработка сжатого элемента - огнезащитное фосфатное покрытие (обмазка) толщиной δ=25 мм; время воспламенения древесины τ=1⋅δ=1⋅25=25 мин, где δ - толщина огнезащитной обработки сжатого элемента, мм.
oc
Решение: 1. Расчетное усилие на сжатие (N), приложенное по центру сечения на гибкой стойке, вычисляют по уравнению (2):
н
где γ - уровень ответственности конструкции здания;  - усилие на сжатие от испытательной нагрузки, кН.
2. Приведенную глубину обгорания сечения сжатого элемента вычисляют, используя аналитическое уравнение (3):
oc
0
в
где Н - высота сечения сжатого элемента, см; N - усилие на сжатие от испытательной нагрузки, кН; λ - расчетная длина сжатого элемента, см; Е - модуль упругости древесины вдоль волокон, Мпа.
3. Интегральный показатель обгорания сечения элемента (С) вычисляют, используя аналитическое уравнение (4):
н
сч
где R - нормативное сопротивление древесины сжатого элемента, МПа; ω - влажность древесины, %; S - критическая глубина обгорания сечения изгибаемого элемента, см; В - ширина сечения изгибаемого элемента, см.
сж
4. Временный показатель пожароустойчивости деревянного сжатого элемента (D, мин) определяют, используя аналитическое уравнение (1):
ив
oc
0
в
0
3
где τ - время воспламенения деревянного сжатого элемента, мин; Н - высота сечения сжатого элемента, см; N - усилие на сжатие от испытательной нагрузки, кН; λ - расчетная длина сжатого элемента, см; Е - модуль упругости древесины вдоль волокон, МПа; С - интегральный показатель обгорания сечения элемента; ψ - показатель расположения граней сжатого элемента в пространстве здания; ρ - плотность сухой древесины, г/см; е=2,72 - натуральное число.
сж
Ответ: Пожароустойчивость сжатого деревянного элемента D=50 мин. (0,9 ч.).
Источники информации
1. ГОСТ 30247.1-94. Конструкции строительные. Методы испытания на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 1995. - 7 с.
2. Патент RU 2275622 МПК G01N 25/50 (2006.01) Способ определения пожарной устойчивости сжатия элементов деревянных конструкций здания/ Ильин Н.А, Комов Е.М., Ильина В.Н. и др., заяв. СГАСУ: 06.09.2004, опубл. 27.04.2006. Бюл. №12.