Способ определения огнестойкости монолитной сталежелезобетонной плиты перекрытия здания
METHOD FOR DETERMINING THE FIRE RESISTANCE OF A MONOLITHIC STEEL-REINFORCED CONCRETE FLOOR SLAB OF A BUILDING

Изобретение относится к области оценки и обеспечения пожарной безопасности сталежелезобетонных элементов и строительных конструкций зданий и сооружений, а именно, к оценке и защищенности по огнестойкости и сохранности от огневых воздействий, и может быть использовано для анализа методов и средств неразрушающего контроля элементов строительных конструкций по комплексу единичных показателей состояния и соответствия по пожарно-технической классификации сталежелезобетонных конструкций перекрытий и покрытий, а также по показателям огнестойкости и огнезащиты.
Известен способ определения показателей пожароопасности материалов и устройство для его осуществления по патенту Российской Федерации №2035728, кл. G01N 25/50, 1995 г., заключающийся в нагревании и зажигании образца материала и измерении температурных и временных характеристик его зажигания. Нагревание и зажигание образца осуществляется с помощью одновременного воздействия потоком нагретого газа и лазерного излучения.
Основным недостатком данного способа является непосредственное высокотемпературное, разрушающее воздействие на испытуемый образец, что влечет за собой затраты на изготовление испытуемого образца, затраты на создание дополнительного приспособленного здания и/или помещения и испытательного оборудования, подведение инженерных и энергетических коммуникаций, в т.ч.: электропечи, лазерного блока, блока управления нагревом печи и поддержания заданного теплового режима в течении длительного промежутка времени.
Известен способ оценки огнестойкости монолитной железобетонной балочной плиты перекрытия здания по патенту Российской Федерации №2674418, кл. G01N 25/50, 2018 г., принятый заявителем за прототип. Согласно данному способу оценки огнестойкости проводят технический осмотр и инструментальные измерения геометрических размеров железобетонной балочной конструкции здания, устанавливают класс бетона, толщину защитного слоя и армирования, условия опирания, крепления конструкции, выявляют показатели огнестойкости, определяют интенсивность силовых напряжений в растянутой арматуре в расчетном сечении монолитной железобетонной балочной плиты перекрытия, при этом фактический предел огнестойкости по признакам:
потери несущей способности, потери теплоизолирующей способности, по показателям: огнестойкости, степени огнезащиты, по интенсивности силовых напряжений в растянутой арматуре, неразрезности монолитной железобетонной балочной плиты перекрытия определяют огнестойкость, используя аналитические уравнения.
К недостаткам данного способа оценки огнестойкости перекрытия здания относят то, что в нем не учитывают отличительные особенности конструктивного решения монолитных сталежелезобетонных перекрытий здания, не учитывают особенности сопротивления сталежелезобетонных перекрытий термосиловому воздействию в условиях огневого испытания, не учитывают влияние конструктивной огнезащиты армирующего настила в виде стального профиля перекрытия на величину фактического предела огнестойкости монолитного железобетонного перекрытия здания по методу предельного равновесия и не учитывают величину проектного предела огнестойкости сталежелезобетонного перекрытия здания.
Технической проблемой обеспечения огнестойкости монолитного сталежелезобетонного перекрытия здания является установление контролируемых показателей по пожарной безопасности сталежелезобетонной плиты перекрытия здания в части ее гарантированного времени сопротивления в условиях пожара, в определении требуемого для эксплуатационных показателей предела огнестойкости монолитного сталежелезобетонного перекрытия с применением несъемной металлической опалубки.
Техническая проблема решается тем, что в предлагаемом решении способ определения огнестойкости монолитной сталежелезобетонной плиты перекрытия здания, по которому проводят предварительный технический осмотр, а именно, освидетельствование, и инструментальное измерение геометрических размеров существующей исследуемой плиты перекрытия, как строительного элемента, устанавливают класс бетона и арматурной стали, толщину защитного слоя армирования, условия опирания и крепления плиты и выявляют несущую и теплоизолирующую способности, огнестойкость, степень огнезащиты монолитной сталежелезобетонной плиты перекрытия, огнестойкость строительного элемента определяют предварительно на этапе его проектирования, поэтому на этом этапе проектирования задают необходимые параметры и требования к проектируемой монолитной сталежелезобетонной плите перекрытия, и/или огнестойкость строительного элемента определяют в процессе освидетельствования существующей исследуемой сталежелезобетонной плиты перекрытия, изготавливают которую в несъемной стальной опалубке, а в качестве несъемной стальной опалубки используют настил силовой, причем на этапе проектирования рассчитывают возможные эксплуатационные нагрузки, которые воздействуют на проектируемую плиту перекрытия, одновременно рассматривают  возможные действия теплового удара и схемы нагрева проектируемой плиты перекрытия в условиях пожара, а также расчетным путем устанавливают термическую прочность стального настила силового, максимальную температуру нагрева и время нагрева поверхности проектируемой плиты перекрытия и стального настила силового, а в процессе освидетельствования существующей исследуемой сталежелезобетонной плиты перекрытия используют неразрушающие методы контроля, для чего используют аналитические уравнения, с помощью которых выявляют несущую и теплотехническую способности, огнестойкость и, в конечном итоге, степень огнезащиты существующей исследуемой монолитной сталежелезобетонной плиты перекрытия, а после сравнения результатов степени огнестойкости, полученных при проектировании и в процессе освидетельствования, устанавливают фактическое соответствие степени огнестойкости и предела огнестойкости монолитного сталежелезобетонного перекрытия нормативным требованиям для конкретного здания и сооружения.
Технический результат, достигаемый от использования предлагаемого решения, заключается в том, что оно предполагает исключение натурного огневого испытания существующей исследуемой монолитной сталежелезобетонной плиты перекрытия здания, установления контролируемых показателей по пределу огнестойкости перекрытия, сокращение сроков и упрощение условий испытаний монолитного сталежелезобетонного перекрытия на огнестойкость за счет использования аналитических расчетов, повышение точности и достоверности неразрушающего теплового испытания, упрощение учета влияния на величину предела огнестойкости перекрытия, особенностей огнезащиты сталежелезобетонных элементов перекрытия и покрытия с использованием в качестве несъемной опалубки стального настила силового, определение фактического предела огнестойкости монолитного сталежелезобетонного перекрытия здания в зависимости от конструктивных параметров составных частей перекрытия по признаку потери несущей способности неразрушающим аналитическим способом.
На фиг.1 изображен настил силовой в сечении в виде незамкнутой трапеции:
1 - верхнее малое основание трапеции;
2 - нижнее большое основание трапеции;
3 - отбортовка;
4 - выступы;
5 - боковая стенка профиля настила силового;
7 - поперечные ребра жесткости;
8 - продольные канавки жесткости;
9 - кессонообразователь;
ос
С - ширина полки гофрированного профиля, мм;
п
b - ширина основания гофрированного профиля, мм;
cп
h - высота гофрированного профиля, мм;
спм
h - высота гофрированного профиля, мм;
cт
t - толщина листа стального профиля, мм.;
на фиг.2 изображен фрагмент сталежелезобетонного перекрытия здания:
6 - верхняя арматурная сетка;
7 - поперечные ребра жесткости;
9 - кессонообразователь;
10 - несущий арматурный каркас из стержневой арматуры;
11 - монолитный сталежелезобетонный строительный элемент;
ст
t - толщина листа стального профиля, мм;
cп
h - высота гофрированного профиля, мм;
на фиг.3 изображена схема основного поперечного сечения перекрытия к расчету огнестойкости монолитного сталежелезобетонного перекрытия:
6 - верхняя арматурная сетка,
7 - поперечные ребра жесткости;
9 - кессонообразователь;
10 - несущий каркас из стержневой арматуры;
11 - монолитный сталежелезобетонный строительный элемент;
х
у
а и а - глубина залегания стержня арматуры, мм;
- соответственно площадь сечения стального профиля на опоре и в пролете перекрытия, мм.
ст
cт
t - толщина листа стального профиля, t, мм.;
п
х
b=2 х а - ширина основания гофрированного профиля по оси х, мм;
у
а - толщина защитного слоя по оси у, мм;
кр
пр
2
А, А - соответственно площадь сечения конструктивной и проектной арматуры в пролете перекрытия, мм.
Для осуществления заявляемого способа, первоначально выполняют проектную документацию в соответствии с техническим заданием, технологическим и эксплуатационным назначением конструкции монолитной сталежелезобетонной плиты перекрытия объекта, изготовленной в несъемной опалубке, в том числе по огнестойкости, в качестве которой используют настил силовой.
Настил силовой выполнен из оцинкованной или нержавеющей стали способом холодной штамповки или проката. Несъемная опалубка, собранная из настила силового в конструкцию, составляющую заданную опалубочную систему для возведения проектного монолитного сталежелезобетонного перекрытия здания, образует в собранном виде кессонообразователи, предназначенные для размещения в них, например, технологических трубопроводов, другого инженерного оборудования, и/или для размещения в них арматурных каркасов и заливки бетоном.
В сечении настил силовой представляет незамкнутую трапецию, верхнее малое основание которой представляет собой основание-полку 1, а нижнее, большее основание 2, выполнено незамкнутым и включает отбортовки 3. На плоскости основания-полки 1 выполнены выступы 4. Основания 1 и 2 незамкнутой трапеции профиля настила силового соединяют боковые стенки 5, причем ширина выступа 4 равна наименьшей ширине отбортовки 3, а высота выступа 4 равна не менее величины защитного слоя бетона арматурной сетки 6, уложенной на дистанцеры и собранной несъемной универсальной модульной опалубочной системы.
На поверхности настила силового, а именно, на основании-полке 1 и боковых стенках 5 незамкнутой трапеции профиля элемента, выполнены поперечные ребра жесткости 7. Причем выполнены они выпуклыми или вогнутыми в виде зигов, которые придают большую жесткость настилу силовому.
Для придания дополнительной жесткости настилу силовому и всей собранной опалубочной системе в выступах 4 и отбортовках 3 выполнены продольные канавки жесткости 8, упрощающие, кроме того, ориентацию и стыковку элементов настила силового при сборке опалубочной системы, при этом внутренний объем, ограниченный профилем, а также несъемная универсальная модульная опалубочная система в собранном виде, представляет собой кессонообразователь 9, в котором размещают рабочие несущие арматурные каркасы 10 и заливают бетоном, получая в результате монолитный сталежелезобетонный элемент 11.
Теоретические (аналитические) тепловые испытания монолитного сталежелезобетонного перекрытия здания проводят на стадии подготовки проектной документации, без проведения натурного испытания по комплексу единичных показателей составных элементов перекрытия, выполненного в несъемной универсальной модульной опалубочной системе с использованием настила силового, затем выявляют степень огнестойкости стержневой арматуры перекрытия бетоном, используя уравнение (1):
0
здесь m - показатель условий нагрева стержневой арматуры в основном сечении перекрытия;
х
у
- минимальное расстояние от центра тяжести стержневой арматуры до ближайшей грани перекрытия, по осям а или а мм;
2
- к-т термодиффузии бетона, мм/мин.
max
Затем выявляют максимальную температуру по термопрочности металла стального гофрированного профиля (T) монолитного перекрытия, используя уравнение (2):
crc
здесь θ - критическая температура нагрева металла стального профиля перекрытия в условиях стандартных испытаний, °С;
оп
пр
А и А - соответственно площадь сечения стального профиля на опоре и в пролете перекрытия, мм.
ПГС
Затем выявляют длительность сопротивления стального гофрированного профиля термосиловому воздействию (τ, мин), используя уравнение (3):
max
здесь T - максимальная температура нагрева металла по термопрочности стального профиля, °С;
c
δ - толщина листа металла стального профиля НС, мм;
2
- к-т. термодиффузии стали, мм/мин;
озс
Затем вычисляют к-т огнезащиты бетона железобетонного перекрытия стальным профилем (η), используя уравнение (4):
ПГС
Здесь τ - длительность термосопротивления стального профиля, мин.
Показатель неразрезности железобетонного перекрытия вычисляют по уравнению (5):
s1
s2
здесь A и A - соответственно площадь стержневой арматуры на опоре и в пролете железобетонного перекрытия.
UR
Используя полученные показатели, фактический предел огнестойкости монолитного сталежелезобетонного перекрытия по признаку потери несущей способности (F, мин), определяют, используя аналитическое уравнение (6):
озс
Здесь η- мера огнезащиты железобетонного элемента перекрытия стальным профилем,
е=2,718 - натуральное число,
с - степень огнезащиты стержневой арматуры бетоном, см
In - натуральный логарифм | абсолютная величина|
- интенсивность силовых напряжений в стержневой арматуре (0…1)
n - термический коэффициент стержневой арматуры (в пределах 2,8…4,4)
cч
t - критическая температура нагрева стержневой арматуры по термотекучести (в пределах 500-550°С)
m
k - показатель неразрезности железобетонного перекрытия.
Примечание: В окончательном варианте проектной документации, направляемой на государственную экспертизу, учитывается по степени огнестойкости только монолитный железобетон, без настила силового, а огнестойкость настила силового принимается, как дополнительный запас прочности монолитного сталежелезобетонного перекрытия, при этом настил силовой дополнительно защищает поверхность монолитной конструкции от (непосредственного, прямого) огневого воздействия.
Способ определения степени огнестойкости и предела огнестойкости монолитной сталежелезобетонной плиты перекрытия здания осуществляют следующим образом.
Исследование на стадии подготовки проектной документации.
Степень огнестойкости и предел огнестойкости монолитной сталежелезобетонной плиты перекрытия определяют предварительно на этапе его проектирования, поэтому на этом этапе проектирования задают параметры и требования к проектируемой монолитной сталежелезобетонной плите перекрытия, влияющие на ее степень огнестойкости и предел огнестойкости по критерию потери несущей способности.
А именно, на этапе проектирования рассчитывают возможные эксплуатационные нагрузки, которые воздействуют на проектируемую плиту перекрытия, одновременно рассматривают возможные действия теплового удара и схемы нагрева проектируемой плиты перекрытия в условиях пожара, а также расчетным путем устанавливают термическую прочность стального настила силового, максимальную температуру нагрева и время нагрева поверхности проектируемой плиты перекрытия и стального настила силового.
В соответствии с техническим заданием, технологическим и эксплуатационным назначением конструкции монолитной сталежелезобетонной плиты перекрытия объекта, в том числе по огнестойкости, проводят теоретические (аналитические) тепловые расчеты монолитного сталежелезобетонного перекрытия здания с использованием комплекса единичных показателей составных элементов перекрытия, выполненного в несъемной универсальной модульной опалубке с использованием настила силового, затем устанавливают на соответствие нормативным требованиям степень огнестойкости исследуемого перекрытия для конкретного здания и сооружения посредством защитного слоя бетона и диаметра стержневой рабочей арматуры перекрытия.
Исследование существующей плиты перекрытия.
В основном степень огнестойкости и предел огнестойкости монолитной сталежелезобетонной плиты перекрытия определяют в процессе освидетельствования существующей исследуемой сталежелезобетонной плиты перекрытия, изготавливают которую в несъемной стальной опалубке, а в качестве несъемной стальной опалубки используют настил силовой.
При этом в процессе освидетельствования существующей исследуемой сталежелезобетонной плиты перекрытия используют неразрушающие методы контроля, в том числе аналитические уравнения, по результатам которых определяют несущую и теплотехническую способности, степень огнестойкости и предел огнестойкости исследуемой монолитной сталежелезобетонной плиты перекрытия.
Сначала производят, соблюдая требования безопасности, визуальный осмотр здания и техническое освидетельствование существующих исследуемых плит перекрытий, назначают комплекс единичных показателей качества бетона и арматуры монолитного перекрытия, влияющие на ее собственный предел огнестойкости по критерию потери несущей способности (Fur, мин), затем определяют тип, основные параметры и размер стального настила силового, марку стали по пределу текучести (в пределах 220-550 МПа), высоту настила силового и толщину металла (в пределах 0,8-1,6 мм), ширину основания и полок настила силового, угол а (в пределах 100±10°) между полками и стенками настила силового; размеры стального настила силового проверяют рулеткой, металлической линейкой или другими средствами измерения, обеспечивающими необходимую точность измерения, предельные отклонения при изготовлении стального настила силового по высоте ±2,5 мм, по ширине ±8 мм, по длине ±6 мм.
Далее определяют размеры основного расчетного сечения железобетонного перекрытия, устанавливают схему армирования перекрытия по ее верху и низу; устанавливают вид и класс по прочности бетона и стержней арматуры несущего каркаса и верхней арматурной сетки.
К основным единичным показателям качества монолитного перекрытия, обеспечивающим ее фактический предел огнестойкости, относят геометрические размеры перекрытия, показатель условий нагрева стержневой рабочей арматуры, глубина ее залегания в бетоне (защитный слой), коэффициент термодиффузии стали и бетона, максимальная температура по термопрочности металла стального профиля, площади сечения стального профиля на опоре и в пролете перекрытия, длительность сопротивления стального профиля огневому воздействию в условиях пожара, приведенная толщина металла стального профиля в зависимости от схемы его обогрева, показатель огнезащиты бетона стальным профилем, показатель неразрезности железобетонного перекрытия, класс продольной рабочей арматуры и величина ее критической температуры.
После сравнения результатов степени огнестойкости и предела огнестойкости исследуемой монолитной сталежелезобетонной плиты перекрытия, полученных при проектировании и в процессе освидетельствования, устанавливают фактическое соответствие степени огнестойкости и предела огнестойкости монолитного сталежелезобетонного перекрытия нормативным требованиям для конкретного здания и сооружения.
Алгоритм определения фактического предела огнестойкости монолитного сталежелезобетонного перекрытия здания по критерию потери несущей способности приведен в примере.
c
n
ос
ПГС
2
Пример 1. Дано монолитное сталежелезобетонное перекрытие со стальным гофрированным профилем из листа толщиной δ=1,6 мм, сталь класса 350; ширина полок b=88 мм, ширина основания стального профиля С=438 мм, критическая температура θ=525°С, коэффициент термодиффузии стали 461 мм/мин, площадь сечения стального профиля на опоре:
в пролете
глубина заложения стержней рабочей арматуры:
Показатель условий трехстороннего обогрева стержневой арматуры несущего каркаса  бетон тяжелый класса В25, коэффициент термодиффузии
продольная стержневая арматура класса А400,
сч
t=550°С (n=4,4), интенсивность силовых напряжений
Решение:
1) Вычисляют степень огнезащиты (с) стержневой арматуры железобетонного элемента по уравнению (1)
0
где, m - показатель условий нагрева стержневой арматуры;
min
α - минимальное расстояние от центра тяжести стержневой арматуры до ближайшей грани перекрытия, мм;
2
- к-т. термодиффузии бетона, мм/мин.
max
2) Вычисляют максимальную температуру металла по термопрочности (T, °С) стального профиля перекрытия НС по уравнению (2):
ПГС
здесь θ - критическая температура нагрева металла стального профиля перекрытия в условиях стандартных испытаний, °С;
оп
пр
А и А - соответственно площадь сечения стального профиля на опоре и в пролете перекрытия, мм.
ГПС
3) Вычисляют время термического сопротивления (τ, мин) стального профиля перекрытия по уравнению (3):
max
здесь T - максимальная температура нагрева металла по термопрочности стального профиля, °С;
- толщина листа металла стального профиля, мм;
2
- к-т. термодиффузии стали, мм/мин.
4) Вычисляют меру огнезащиты железобетонного перекрытия () стальным профилем по уравнению (4):
ГПС
где τ - длительность термосопротивления стального профиля, мин.
5) Вычисляют показатель неразрезности монолитного железобетонного элемента перекрытия () по уравнению (5):
s1
s2
2
здесь A и A - соответственно площадь стержневой арматуры на опоре и в пролете железобетонного перекрытия, мм.
UR
6) Определяют фактический предел огнестойкости сталежелезобетонного перекрытия по признаку потери несущей способности (F , мин), используя аналитическое уравнение (6):
где  - мера огнезащиты железобетонного элемента перекрытия стальным профилем,
е=2,718 - натуральное число,
с - степень огнезащиты стержневой арматуры бетоном, см
ln - натуральный логарифм |абсолютная величина|
- интенсивность силовых напряжений в стержневой арматуре (0…1)
n - термический коэффициент стержневой арматуры (в пределах 2,8…4,4)
cч
t - критическая температура нагрева стержневой арматуры по термотекучести (в пределах 500-550°С)
m
k - показатель неразрезности железобетонного перекрытия.
Применение математического описания процесса сопротивления монолитного сталежелезобетонного перекрытия здания воздействию высокой температуры (400-1200°С) и использование построения аналитических выражений (1)-(6) повышает точность и достоверность определения предела огнестойкости по признаку потери несущей способности (, мин).
В математическом описании процесса сопротивления сталежелезобетонного перекрытия термосиловому воздействию учтены отличительные особенности конструктивного решения: учтены особенности сопротивления монолитного сталежелезобетонного перекрытия термическому и силовому воздействию в условиях пожара, учтено наличие стального настила силового в качестве дополнительной огнезащиты монолитного железобетонного перекрытия; учтено влияние неразрезности перекрытия на несущую способность его в условиях пожара; учтены особенности принципиальной схемы расчета монолитного сталежелезобетонного перекрытия на огнестойкость по методу предельного равновесия; учет конструктивных особенностей повышает расчетные пределы огнестойкости монолитного сталежелезобетонного перекрытия по сравнению с балочными перекрытиями в 1,5-2,5 раза.
Использование предлагаемого технического решения позволяет определить фактический предел огнестойкости монолитного сталежелезобетонного перекрытия здания без натурного теплового воздействия в условиях пожара, повышает достоверность неразрушающих испытаний и значительно снижает экономические затраты.
Исключение натурных огневых испытаний существующего монолитного сталежелезобетонного перекрытия здания (или образца, или фрагмента) и установление фактического соответствия несущей способности, степени огнестойкости и предела огнестойкости монолитного сталежелезобетонного перекрытия нормативным требованиям для конкретного здания и сооружения неразрушающими методами контроля с использованием аналитических уравнений. Неразрушающие испытания снижают финансовые затраты и трудоемкость