СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОГНЕСТОЙКОСТИ ДЕРЕВЯННОГО ПЕРЕКРЫТИЯ ЗДАНИЯ
METHOD OF DETERMINING FIRE-RESISTANCE OF WOOD COVERING OF BUILDING

Изобретение относится к области пожарной безопасности конструкций здания. В частности, оно может быть использовано для классификации деревянных перекрытий с конструктивной огнезащитой по показателям сопротивления их воздействию пожара. Это дает возможность обоснованного использования существующих деревянных конструкций с фактическим пределом огнестойкости и классом пожароопасности в зданиях различного функционального назначения.
Конструктивная огнезащита деревянного перекрытия включает оштукатуривание, облицовку огнезащитными крупноразмерными листами и плитами, устройство огнезащитных подвесных потолков.
Необходимость определения показателей огнестойкости и пожаробезопасности деревянных огнезащищенных конструкций возникает при проектировании, эксплуатации и реконструировании здания, необходимости усиления его конструкций, приведения огнестойкости и пожароопасности конструкций здания в соответствие с требованиями технического регламента, при проведении экспертизы и восстановлении конструкций после пожара.
Известен способ определения огнестойкости деревянного перекрытия здания по результатам обобщения экспериментальных огневых испытаний. Этот способ включает определение положения элементов деревянных конструкций в здании и оценку предела огнестойкости некоторых видов деревянных перекрытий в зависимости от конструктивного исполнения составных частей перекрытия и нанесенного слоя штукатурки / Пособие по определению пределов огнестойкости конструкций, пределов распространения огня по конструкциям и группы возгораемости материалов. / ЦНИИСК им. Кучеренко. - М.: Стройиздат, 1985. - С.28-30 (Несущие деревянные конструкции) / [1].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе не указано место разрушения изгибаемых элементов деревянных конструкций (опасные сечения) в условиях пожара, не учтены вид напряженного состояния, уровень нагружения и их влияние на величину предела огнестойкости деревянного перекрытия здания.
Известен способ определения огнестойкости деревянного перекрытия здания путем усовершенствованного расчета его фактической огнестойкости методом последовательных приближений. При известном способе определения огнестойкости элементов деревянного перекрытия их нагрев производят по режиму стандартного огневого испытания, упругие и теплофизические характеристики древесины во всех точках необугленной части сечения принимают одинаковыми. Предел пожароустойчивости деревянного перекрытия из условия потери его несущей способности при пожаре определяют как сумму времени воспламенения древесины и времени обугливания поперечного сечения до наступления предельного состояния элемента / Мосалков, И.Л. Огнестойкость строительных конструкций. / И.Л.Мосалков, Г.Ф.Плюсина, А.Ю.Фролов. - М.: Спецтехника, 2001. - С.201-236 (Расчет предела огнестойкости деревянных конструкций) / [2].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа является то, что в известном способе определения огнестойкости деревянного перекрытия используют весьма громоздкий алгоритм расчета геометрических характеристик его поперечного сечения, определяя при этом только показатели пожароустойчивости конструкций.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ определения огнестойкости деревянного перекрытия, имеющего конструктивную огнезащиту, путем огневого испытания, включающего проведение технического осмотра (в том числе определение породы и сорта древесины, установление фактических и проектных размеров), выявление условий опирания деревянного перекрытия, определение времени наступления предельного состояния по признакам потери несущей и теплоизолирующей способности конструкций под нормативной нагрузкой в условиях стандартного теплового воздействия / ГОСТ 30247.1-94. Конструкции строительные. Методы испытания на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции. - М.; 1995. - 7 с. / [3] - принят за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе испытания проводят на образце конструкции, на который воздействуют только проектные нормативные нагрузки. Испытания проводят на специальном стендовом оборудовании в огневых печах до разрушения образцов конструкций. Размеры образцов ограничивают в зависимости от проемов стационарных печей. Следовательно, стандартные огневые испытания трудоемки, не эффективны, не безопасны, имеют малые технологические возможности для проверки на опыте различных по размерам и различно нагруженных конструкций, не дают необходимой информации о влиянии единичных показателей качества конструкций на их огнестойкость. 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 конструкций, их фактических размеров и схемы обогрева опасного сечения испытуемой конструкции в условиях пожара.
Сущность изобретения заключается в следующем. Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в установлении показателей пожарной безопасности здания в части гарантированной длительности сопротивления огнезащищенного деревянного перекрытия в условиях пожара; в определении фактических пределов огнестойкости деревянного перекрытия при проектировании, строительстве и/или эксплуатации здания; в снижении экономических затрат при испытании деревянного перекрытия на огнестойкость.
Технический результат - устранение огневых испытаний деревянного перекрытия в здании; снижение трудоемкости в определении показателей огнестойкости деревянных конструкций; расширение технологических возможностей определения фактического предела огнестойкости различно сконструированного деревянного перекрытия любых размеров и возможность сопоставления полученных результатов с испытаниями аналогичных элементов деревянных конструкций здания; возможность проведения испытания деревянного перекрытия на огнестойкость без нарушения функционального процесса в здании; снижение экономических затрат на испытание; сохранение эксплуатационной пригодности здания при обследовании и неразрушающих испытаниях деревянного перекрытия; упрощение условий и сокращение сроков испытания деревянного перекрытия на огнестойкость; повышение точности и экспрессивности испытания; получение возможности решения обратных задач огнестойкости деревянного перекрытия и применение метода подбора переменных значений ее конструктивных параметров; использование интегральных конструктивных параметров для определения огнестойкости деревянного перекрытия и упрощение математического описания процесса термического сопротивления элементов деревянных конструкций; учет реального ресурса деревянного перекрытия по устойчивости в условиях пожара с использованием комплекса единичных показателей их качеств; увеличение достоверности определения меры огнезащиты деревянного перекрытия; упрощение учета влияния на предел огнестойкости деревянного перекрытия особенностей статической схемы работы; уточнение единичных показателей качества элементов деревянной конструкции, влияющих на ее фактическую огнестойкость; возможность определения гарантированного предела огнестойкости деревянного перекрытия по его конструктивным параметрам.
u
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе определения огнестойкости деревянного перекрытия здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, выявление вида и эффективности конструктивной огнезащиты, определение времени наступления предельного состояния деревянного перекрытия по признакам огнестойкости в условиях стандартного теплового воздействия, особенность заключается в том, что испытание проводят без разрушения по комплексу единичных показателей качества конструктивной огнезащиты деревянной подшивки несущих балок перекрытия, технический осмотр дополняют инструментальными измерениями геометрических размеров составных частей деревянного перекрытия, выявляют породу, сорт строительной древесины и величину температуры ее самовоспламенения; выявляют вид наката деревянного перекрытия и показатели возгораемости его элементов; выявляют теплофизические свойства огнезащитного слоя, его толщину и показатели термодиффузии материалов для его изготовления; выявляют условия крепления деревянной подшивки перекрытия и слоя огнезащиты; затем, используя полученные показатели качеств составных частей перекрытия здания, определяют величину его предела огнестойкости - F, мин.
u(J)
Предел огнестойкости деревянного перекрытия с конструктивной огнезащитой по потере ею теплоизолирующей способности F, мин, определяют по алгебраическому выражению (1):
u(J)
где F - предел огнестойкости деревянного перекрытия, с конструктивной огнезащитой, по потере ею теплоизолирующей способности, мин;
o
k - параметр возгораемости составных частей деревянного перекрытия;
озс
δ - толщина огнезащитного слоя для деревянной подшивки, мм;
озс
2
D - показатель термодиффузии огнезащитного слоя, мм/мин.
о
Параметр возгораемости (k) составных частей деревянного перекрытия, учитывающий породу древесины подшивки перекрытия и возгораемость материалов наката по ним, вычисляют по алгебраическому выражению (2):
o
где k - параметр возгораемости составных частей деревянного перекрытия;
m
k - температурный показатель породы древесины подшивки;
гор
k - показатель горючести материалов наката перекрытия;
i
k - коэффициенты, учитывающие особенности конструктивного исполнения деревянного перекрытия, например наличие пустот и другое.
Показатель, учитывающий влияние величины температуры самовоспламенения породы древесины подшивки на предел огнестойкости деревянного перекрытия с конструктивной огнезащитой, находят по алгебраическому выражению (3):
m
где k - температурный показатель породы древесины подшивки;
cвп
t - температура самовоспламенения древесины подшивки, °С.
гор
Показатель горючести материалов (k) наката перекрытия принимают в зависимости от группы горючести материалов:
Группа горючести материала
НГ (негорючий)
Г1 (слабо горючий)
Г2 (умеренно горючий)
Г3 (нормально горючий)
Г4 (сильно горючий)
k<sub>гор</sub>
1,00
0,95
0,85
0,75
0,65
озс,
m
2
Показатель термодиффузии материалов огнезащитного слоя D мм/мин, деревянного перекрытия определяют опытным путем или находят в зависимости от теплофизических свойств при осредненной температуре t=450°C по алгебраическому выражению (4):
озс
2
где D - показатель термодиффузии материала огнезащитного слоя, мм/мин;
0
о
λ и С - соответственно коэффициент теплопроводности (Вт/(м·°С)) и удельная теплоемкость (кДж/(кг·°С)) материала огнезащиты;
m
t=450°C - осредненная температура нагрева материала по сечению огнезащитного слоя;
b и d - термические показатели теплопроводности и удельной теплоемкости материала огнезащиты;
с
3
ω и γ - соответственно влажность материала, %, по массе, и средняя плотность сухого материала огнезащитного слоя, кг/м.
За характерный признак предела огнестойкости деревянного перекрытия принят нагрев необогреваемой поверхности огнезащитного слоя до температуры самовоспламенения древесины.
За единичные показатели качества деревянного перекрытия приняты: геометрические размеры составных частей перекрытия, породы древесины и величина температуры ее самовоспламенения, группа горючести материала наката перекрытия; плотность, влажность и термические показатели теплопроводности и удельной теплоемкости и/или показатель термодиффузии материала огнезащитного слоя.
Для повышения сопротивляемости огневому воздействию огнезащитный слой деревянного перекрытия наносят по драни или металлической сетке, прикрепленной к деревянной подшивке.
Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом заключена в следующем.
Устранение огневого испытания деревянного перекрытия существующего здания и замена его на неразрушающее испытание снижает трудоемкость определения пожароустойчивости перекрытия, расширяет технологические возможности выявления фактической огнестойкости различно сконструированного деревянного перекрытия любых размеров, дает возможность проведения испытания деревянного перекрытия на огнестойкость без нарушения функционального процесса обследуемого здания, а также сопоставления полученных результатов со стандартными испытаниями аналогичных деревянных перекрытий и сохранения эксплуатационной пригодности обследуемого здания без нарушения несущей способности его деревянных конструкций в процессе испытания. Следовательно, условия испытания элементов деревянных перекрытий на огнестойкость значительно упрощены.
Снижение экономических затрат на проведение испытания предусматривают за счет уменьшения расходов на демонтаж, транспортирование и огневые испытания деревянных перекрытий здания.
Применение математического описания процесса сопротивления элементов деревянного перекрытия стандартному тепловому воздействию и использование простых алгебраических выражений повышает точность выявления их пределов огнестойкости.
Определение огнестойкости деревянного перекрытия только по одному показателю качества, например по толщине слоя огнезащитного покрытия, приводит, как правило, к недооценке их огнестойкости, поскольку влияние на него вариаций единичных показателей качества изгибаемых элементов деревянных конструкций имеют различные знаки, и снижение предела огнестойкости за счет одного показателя может быть компенсировано другими.
Вследствие этого в предложенном способе выявление предела огнестойкости огнезащищенного деревянного перекрытия предусматривают не по одному показателю, а по комплексу единичных показателей качества. Это позволяет более точно учесть реальный ресурс огнестойкости деревянного перекрытия с конструктивной огнезащитой.
В предложенном техническом решении учтен комплекс единичных показателей качества деревянного перекрытия, влияющих на их огнестойкость, определяемых неразрушающими испытаниями.
u
Для частей деревянного перекрытия с огнезащитным покрытием, испытываемым без силовых нагрузок, за предельное состояние по огнестойкости принято достижение предельной (критической) температуры нагрева (t, °C) нижней поверхности деревянной подшивки, то есть по потери теплоизолирующей способности огнезащитного слоя (J).
u
свп
За предельную температуру нагрева (t, °C) материала подшивки деревянного перекрытия принята температура самовоспламенения (t, °C) строительной древесины, то есть соблюдают условие (5):
Величина температуры самовоспламенения строительной древесины: дубовой - 375°С; еловой - 397°С; сосновой - 400°С.
Пример
гор
свп
озс
озс
2
Дано: огнезащищенное перекрытие с деревянным накатом (группа горючести материала Г3-нормально-горючий; показатель горючести наката k=0,75); древесина подшивки - сосновая (температура самовоспламенения t=400°C); толщина огнезащитного слоя для подшивки перекрытия δ=20 мм (штукатурка известково - песчаная, показатель термодиффузии D=19 мм/мин).
Требуется выявить величину предела огнестойкости деревянного перекрытия с конструктивной огнезащитой.
Решение: 1) Температурный показатель породы древесины для подшивки перекрытия несущих балок вычислим по алгебраическому выражению (3):
m
свп
k=t/500=400/500=0,8.
2) Параметр возгораемости наката перекрытия вычислим по алгебраическому выражению (2):
o
гop
m
k=k·k=0,75·0,8=0,6.
3) Предел огнестойкости деревянного перекрытия по признаку потери теплоизолирующей способности огнезащитного слоя вычислим по алгебраическому выражению (1):
u(J)
o
озс
озс
2
2
F=60·k·(δ/D)=60·0,6·(20/19)=40 мин.
u(R),
u(Е),
u(J),
4) Пределы огнестойкости деревянного перекрытия по признакам потери несущей способности - F мин, и потери целостности - Fмин, по данным опытных испытаний больше предела огнестойкости по потери теплоизолирующей способности конструктивной огнезащиты - Fмин, то есть характерно условие (6):
cт
На фиг.1 изображена часть деревянного перекрытия к расчету предела огнестойкости его по признаку потери теплоизолирующей способности конструктивной огнезащиты для дощатой подшивки в условиях стандартного пожара (t, °С):
1 - огнезащитный слой (штукатурка 20÷30 мм);
2 - дрань (шириной 10÷20 мм через 100 мм) или стальная сетка (проволока ⌀2÷4 мм клеткой 20×20 мм);
3 - нижняя поверхность дощатой подшивки;
4 - дощатая подшивка (20÷25 мм);
5 - черепной брусок (40×40) или (50×50 мм); 6 - накат перекрытия;
7 - несущая балка (брусья В×Н=(110÷225)×(120÷300 мм));
8 - обмазка глино - песчаная (20÷30 мм);
9 - настил пола (40 мм); 10 - войлок с толью;
u
свп,
t=t °С - температура самовоспламенения древесины подшивки;
cт
t, °С - температура стандартного пожара.
На фиг.2-7 изображены конструктивные решения оштукатуренных деревянных перекрытий (со звукоизоляцией):
перекрытие на дощатой подшивке 25 мм (фиг.2);
то же, на накате с дощатой подшивкой 19-25 мм (фиг.3);
то же, на деревянном накате из пластин (фиг.4);
то же, на щитовых накатах (фиг.5);
покрытие с накатом из шлакобетонных пустотелых камней (фиг.6);
тоже, с гипсовым накатом (фиг.7):
Обозначение элементов 1-10 см. описание к фиг.1.
11 - штукатурка (20 мм)
12 - засыпка звукоизоляционная (песок 50 мм); 13 - толь;
14 - паркет 20 мм; 15 - засыпка;
16 - картон; 17 - лаги 150/2 мм; 18 - пластина (180/2 мм);
19 - щитовой накат; 20 - плиты звукоизоляционные (70 мм фибролиту);
21 - шлакобетонный блок; 22 - сухая штукатурка;
23 - шлакобетонная плита (30 мм); 24 - алебастовый раствор;
25 - гипсовый блок; 26 - песок (20 мм); 27 - линолеум;
28 - битум (толь); 29 - промазка битумом или толь;
30 - гипсовая плита с деревянными рейками(60 мм);
31 - металлическая сетка; 32 - треугольный брусок 50 мм;
33 - песок (60 мм).
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного выше технического результата.
Последовательность действий способа определения огнестойкости деревянного перекрытия зданий с конструктивной огнезащитой состоит в следующем.
Сначала проводят технический осмотр здания. Затем определяют группу однотипных огнезащищенных деревянных перекрытий и их общее число в ней. Вычисляют величину выборки однотипных перекрытий. Назначают комплекс единичных показателей качества элементов деревянных конструкций, влияющих на огнестойкость. Выявляют условия опирания, закрепления концов и опасные сечения деревянного перекрытия. Вычисляют число испытаний единичного показателя качества деревянного перекрытия в зависимости от его статистической изменчивости. Затем оценивают единичные показатели качества составных частей деревянного перекрытия, и, наконец, по ним находят фактический предел огнестойкости испытуемого деревянного перекрытия с конструктивной огнезащитой.
Под техническим осмотром понимают проверку состояния составных частей деревянного перекрытия, включающую выявление условий опирания деревянного перекрытия, определение породы и сорта древесины, теплофизических характеристик огнезащитного слоя.
Схемы обогрева поперечных сечений составных частей деревянного перекрытия в условиях пожара определяют в зависимости от их фактического расположения, укладки смежных конструкций, уменьшающих число сторон обогрева, устройство конструктивной огнезащиты.
К основным единичным показателям качества составных частей деревянного перекрытия, обеспечивающих огнестойкость, относятся: геометрические размеры элемента, плотность и влажность древесины в естественном состоянии, величина температуры ее самовоспламенения, нормативное сопротивление древесины на сжатие и изгиб, интенсивность напряжений в опасном сечении, вид, толщина и теплоизолирующие свойства материала огнезащитного покрытия составных частей деревянного перекрытия здания.
Проверку единичных показателей качества составных частей деревянного перекрытия, включенных в выборку или проверяемых поштучно, производят неразрушающими испытаниями с применением существующих приборов.
u(J),
Используя полученные показатели качества составных частей деревянного перекрытия, находят величину предела огнестойкости F мин.
Предложенный способ применен при натурном осмотре деревянных конструкций перекрытия нежилого помещения (ООО «Каскад», г.Самара, 2010 г.).
Источники информации
1. Пособие по определению пределов огнестойкости конструкций, пределов распространения огня по конструкциям и группы возгораемости материалов. / ЦНИИСК им. Кучеренко. - М.: Стройиздат, 1985. - С.28-31 (Несущие деревянные конструкции).
2. Мосалков, И.Л. Огнестойкость строительных конструкций. / И.Л.Мосалков, Г.Ф.Плюсина, А.Ю.Фролов - М.: Спецтехника, 2001. - С.201-236 (Расчет предела огнестойкости деревянных конструкций).
3. ГОСТ 30247.1-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 1995. - 7 с.