СПОСОБ ОЦЕНКИ ОГНЕСТОЙКОСТИ СТАЛЬНОЙ БАЛКИ С ГОФРОСТЕНКОЙ
METHOD FOR ESTIMATING FIRE RESISTANCE OF STEEL BEAM WITH CORRUGATED WALL

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и сооружений, (далее - «зданий»). В частности, оно может быть использовано для классификации стальных балок здания по показателям сопротивления их воздействию пожара. Это дает возможность обоснованного использования стальных балок с гофрированной стенкой (далее - «гофростенка») с фактическим пределом огнестойкости в зданиях различных классов пожароопасности.
Необходимость определения показателей огнестойкости стальных балок с гофростенкой возникает при проектировании, строительстве и 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 балок здания после пожара.
Известен способ оценки огнестойкости стальной балки по результатам натурных огневых испытаний фрагмента здания, в котором производят осмотр стальной балки, определяют марку стали, назначают испытательную нагрузку на стальную балку соответственно реальным условиям эксплуатации здания, определяют факторы, влияющие на огнестойкость испытуемой стальной балки, и величину фактического предела огнестойкости (ГОСТ P 53 309-2011. 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 стальной балки в условиях экспериментального пожара затруднено и небезопасно, вследствие различий теплового режима натурного и стандартного пожаров затруднено определение истинных значений пределов огнестойкости стальной балки, причины разрушения стальной балки фрагмента могут быть не установлены вследствие многообразия одновременно действующих факторов пожара. Предельное состояние по огнестойкости стальной балки может быть не достигнуто из-за более раннего разрушения элементов покрытия или стен фрагмента.
Известен способ оценки огнестойкости стальной балки здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление сортамента и марки стали, выявление условия опирания и крепления концов балки, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности конструкции под испытательной 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 балки, на который воздействуют 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 образца стальной балки. Размеры образца 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 стальных балок, не дают необходимой информации о влиянии единичных показателей качества стальной балки на ее огнестойкость. Определение огнестойкости стальной балки по единичному показателю качества, например по толщине металла, как правило, недооценивает пригодность эксплуатации стальной балки в здании заданной степени огнестойкости. Экономические затраты на проведение испытаний возрастают за счет расходов на демонтаж балок, транспортирование к месту установки нагревательных печей и на создание в них стандартного температурного режима. По малому числу испытуемых образцов (2-3 шт) невозможно судить о действительном состоянии стальных балок здания. Результаты огневого испытания единичны и не учитывают разнообразия в закреплении концов стальной балки, ее фактических размеров, фактической схемы обогрева опасного сечения испытуемой стальной балки.
uR
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ оценки огнестойкости стальной балки путем неразрушающего испытания, включающего проведение технического осмотра, инструментальное измерение геометрических характеристик при изгибе стальной балки в ее опасном сечении; выявление условий опирания и крепления стальной балки, схемы обогрева поперечного сечения; определение величины испытательной нагрузки на стальную балку, схемы ее приложения, интенсивности силовых напряжений в металле в опасном сечении стальной балки; при этом определение огнестойкости стальной балки проводят без огневого воздействия неразрушающими методами испытаний, используя комплекс единичных показателей качества стальной балки, за единичные показатели качества принимают геометрические характеристики стальной балки, вычисляют интенсивность нормальных силовых напряжений в поперечном сечении стальной балки от испытательной нагрузки и, используя их, определяют по номограмме фактический предел огнестойкости стальной балки - F, мин. /Патент RU 2322663; МПК G01N 25/50. Способ определения огнестойкости металлических балок здания/ Ильин Н.А., Ведерников С.С., заяв. СГАСУ 04.07.2006, опубл. 20.04.2008, Бюл. №11. [3], - взято за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что использование номограммы для определения огнестойкости стальной балки с гофростенкой дает результаты расчета с большей погрешностью, в ряде случаев требуется дополнительное построение графиков номограммы; кроме этого при построении номограммы не учитывают показатели надежности стальной балки с гофростенкой по назначению (уровню ответственности), коэффициенты надежности по нагрузке, степени использования предела текучести стали, особенности условий обогрева опасного сечения стальной балки.
Сущность изобретения заключается в установлении показателей пожарной безопасности здания в части гарантированной длительности сопротивления стальных балок с гофростенкой в условиях пожара; в определении фактических пределов огнестойкости стальных балок с гофростенкой при проектировании, строительстве и/или эксплуатации здания; в снижении экономических затрат при испытании стальных конструкций на огнестойкость.
Технический результат - снижение трудоемкости оценки предела огнестойкости конструкций; расширение технологических возможностей оценки проектной огнестойкости различно нагруженных стальных балок с гофростенкой любых размеров и возможность сопоставления полученных результатов с испытаниями аналогичных стальных балок здания; возможность проведения испытания конструкций на огнестойкость без нарушения функционального процесса в здании; снижение экономических затрат на испытание; упрощение условий и сокращение сроков испытания стальной балки с гофростенкой на огнестойкость; повышение точности и экспрессивности испытания; упрощение математического описания процесса термического сопротивления нагруженной стальной балки; уменьшение требуемого объема оперативной памяти компьютера при использовании алгоритма расчета огнестойкости стальной балки с гофростенкой на ЭВМ; выявление реального ресурса стальной балки с гофрированной стенкой по огнестойкости с использованием комплекса единичных показателей ее качеств; повышение точности при определении единичных показателей качества стальных конструкций, влияющих на их огнестойкость, определение гарантированного предела огнестойкости стальной балки с гофростенкой здания по ее конструктивным параметрам.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе оценки огнестойкости стальной балки с гофростенкой путем испытания, включающего проведение технического осмотра, инструментальное измерение геометрических характеристик элементов сварного двутавра стальной балки с гофростенкой в опасном сечении; выявление условий опирания и крепления стальной балки, схемы обогрева поперечного сечения элементов сварного двутавра; определение величины испытательной нагрузки на стальную балку, схем ее приложения, интенсивности силовых напряжений в металле в опасном сечении элемента сварного двутавра балки с гофростенкой; при этом определение огнестойкости стальной балки с гофростенкой проводят неразрушающими методами испытаний, используя комплекс единичных показателей качества элементов сварного двутавра стальной балки, за единичные показатели качества принимают геометрические характеристики элементов сварного двутавра стальной балки, вычисляют интенсивность силовых напряжений в поперечном сечении элементов сварного двутавра стальной балки с гофростенкой от испытательной нагрузки, особенность заключается в том, что вначале определяют площади сечений элементов сварного двутавра, - гофрированной стенки, нижней и верхней полки, - находят интенсивность силовых напряжений в сечении каждого элемента сварного двутавра; затем выявляют длительность сопротивления огневому воздействию каждого элемента сварного двутавра по аналитическому уравнению (1):
si
oi
σs,i
us,min
2
где A - площадь сечения элемента сварного двутавра, см; P - периметр обогрева сечения элемента сварного двутавра, см; J - интенсивность силовых напряжений в сечении элемента сварного двутавра (0,1÷1,0); затем выявляют наиболее слабый в статическом и тепловом отношении элемент сварного двутавра r, мин, и по нему определяют величину проектного предела огнестойкости стальной балки с гофростенкой по признаку потери несущей способности по условию (2):
периметр обогрева сечения элемента сварного двутавра стальной балки с гофростенкой в условиях испытания на огнестойкость определяют на основании геометрических характеристик элементов сварного двутавра.
Интенсивность силовых напряжений в сечении элементов сварного двутавра стальной балки от испытательной нагрузки, действующей в условиях стандартных испытаний на огнестойкость, вычисляют по условию (3):
o
o
н
σн
где n - интегральный коэффициент запаса несущей способности элементов сварного двутавра стальной балки (при n=n=1,6 J=0,625).
Интегральный коэффициент запаса несущей способности по огнестойкости стальной балки определяют по алгебраическому уравнению (4):
n
ƒ
c
γ
R
где γ - коэффициент надежности по уровню ответственности здания; γ - коэффициент надежности по нагрузке; k - показатель запаса несущей способности по снеговой нагрузке; k - коэффициент надежности по степени использования предела текучести стали; k- коэффициент запаса несущей способности по нормативному сопротивлению стали.
n
Коэффициент надежности по уровню ответственности здания (γ) определяют: при
пониженном, нормальном и повышенном уровне ответственности:  и 1,1.
ƒ
Коэффициент надежности по нагрузке (γ) определяют по алгебраическому уравнению (5):
2
где ρ и q - общая расчетная и нормативная нагрузка на стальную балку, Н/м.
Коэффициент надежности по степени использования предела текучести стали определяют по алгебраическому уравнению (6):
y
где R и σ - предел текучести стали и проектное напряжение от силовых нагрузок на стальную балку, МПа.
R
Коэффициент запаса несущей способности по нормативному сопротивлению стали (k) определяют по алгебраическому уравнению (7):
u
s
где R и R - временное и расчетное сопротивление стали, МПа.
Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом заключена в следующем.
Исключение огневого испытания стальной балки здания и замена его на неразрушающие испытания снижает трудоемкость определения ее огнестойкости, расширяет технологические возможности выявления фактической огнестойкости различно нагруженных стальных балок любых размеров, дает возможность проведения испытания стальной балки с гофростенкой на огнестойкость без нарушения функционального процесса обследуемого здания. Следовательно, условия испытания стальной балки с гофростенкой на огнестойкость значительно упрощены.
Снижение экономических затрат на проведение испытания предусматривается за счет уменьшения расходов на демонтаж, транспортирование и огневые испытания образца стальной балки.
Применение математического описания процесса сопротивления элементов сварного двутавра стальной балки стандартному испытанию и использование построенного аналитического уравнения (1) повышает точность и экспрессивность оценки проектной огнестойкости.
Использование предложенного алгоритма расчета проектной огнестойкости стальной балки с гофростенкой дает уменьшение требуемого объема оперативной памяти ЭВМ в 5-10 раз по сравнению с теплотехническими расчетами огнестойкости конструкций классическим способом, с использованием номограмм прогрева материалов.
Определение огнестойкости стальной балки с гофрированной стенкой только по одному показателю качества, например, по толщине прокатного профиля стальной балки с гофростенкой, приводит, как правило, к недооценке ее предела огнестойкости, поскольку влияние на него вариаций единичных показателей качества имеют различные знаки, и снижение огнестойкости за счет одного показателя может быть компенсировано другими. Вследствие этого в предложенном способе оценку огнестойкости стальной балки с гофростенкой предусматривают не по одному показателю, а по комплексу единичных показателей качества. Это позволяет более точно учесть реальный ресурс огнестойкости стальной балки с гофростенкой.
На фиг. 1 изображен схематический чертеж стальной балки с гофростенкой (фасад, план, разрез): 1 - нижняя полка; 2 - верхняя полка; 3 - гофростенка; h и b - высота сварного двутавра балки, ширина полки; δ и d - толщина полки, толщина гофростенки, мм.
ст
ст
На фиг. 2 изображено расчетное сечение стальной балки с гофростенкой при четырехстороннем подводе тепла в условиях огневого испытания (к расчету огнестойкости): 1 - нижняя полка; 2 - верхняя полка; 3 - гофрированная стенка; 4 - направление высокотемпературного воздействия стандартного испытания (t, °C): h - высота сварного двутавра балки; h - высота гофростенки; в - ширина полки; d - толщина гофростенки; δ - толщина полки, мм.
На фиг. 3 изображено расчетное сечение стальной балки с гофростенкой при трехстороннем подводе тепла (к расчету огнестойкости): 5 - перекрытие здания (другие условные обозначения см. описание к фиг. 2).
На фиг. 4 изображено расчетное сечение стальной балки с гофростенкой при одностороннем подводе тепла (к расчету огнестойкости); 6 - подвесной потолок; h и b - высота сварного двутавра стальной балки, ширина полки; δ и d - толщина полки, толщина гофростенки, мм (другие условные обозначения см. описание к фиг. 2).
Пример 1
ст
пол
ст
σs
o
г/с
2
2
Дано: Сварной двутавр стальной балки: высота гофростенки h = 333 мм; полная высота h = 34,5 см; размеры полки b×δ = 16,0×0,6 см; А = 9,6 см; толщина гофростенки d = 0,2 см; А = 5,66 см; обогрев балки четырехсторонний; интенсивность силовых напряжений в металле полки J = 0,625 (n = 1,6); в металле гофростенки J = 0,2;
01
периметр обогрева: а) полки Р=2⋅(в+δ)-d=2⋅(16+0,6)-0,2=33 см;
02
cт
б) гофростенки Р=2⋅h=2⋅33,3=66,6 см.
ur
Вычислить проектный предел огнестойкости балки с гофростенкой F, мин.
Решение:
1) Длительность сопротивления огневому воздействию полок стальной балки определяют по уравнению (1):
2) Длительность сопротивления огневому воздействию гофростенки стальной балки определяют по уравнению (1):
us,пол
us,ст
ст
ur(I)
us
пол
3) Наиболее слабый в тепловом и статическом отношении является полка стальной балки, так как r = 14,1 мин меньше r = 44 мин; следовательно, проектный предел огнестойкости стальной балки с гофростенкой (h = 333 мм) равен F = r, = 14,1 мин.
Пример 2
ст
пол
ст
0
σs,пол
2
2
Дано: Сварной двутавр стальной балки: высота гофростенки h = 1000 мм, полная высота h = 106,0 см; размеры полки b×δ=45×3,0 см; А = 135 см; толщина гофростенки d = 0,3 см; площадь гофростенки А = 30 см; обогрев балки трехсторонний; коэффициент запаса несущей способности полки стальной балки n=1,695, - J=1/1,695=0,59;
σs,ст
интенсивность силовых напряжений в гофростенке J = 0,2;
периметр обогрева сечения элемента сварного двутавра стальной балки:
о1
а) для нижней полки Р=2⋅(в+δ)-d=2⋅(45+3)-0,3=96,7 см;
о2
б) для верхней полки Р=2⋅δ+в-d=2⋅3+45-0,3=50,7 см;
o3
ст
2
в) для гофростенки P=2⋅h=2⋅100=200 см.
ur
Вычислить проектный предел огнестойкости стальной балки с гофростенкой - F, мин.
Решение:
1) Длительность сопротивления огневому воздействию нижней полки сварного двутавра стальной балки определяют по уравнению (1):
σs
2) то же, верхней полки сварного двутавра (J = 0,59);
ст
σs,гс
3) то же, гофростенки (h = 1000 мм; J = 0,2):
ст
4) Наиболее слабой в тепловом и статическом отношении является нижняя полка сварного двутавра; следовательно, проектный предел огнестойкости стальной балки с гофростенкой (h = 1000 мм) равен .
Пример 3
ст
пол
rs
01
2
Дано: стальная балка в здании с подвесным потолком на уровне нижней полки сварного двутавра: высота гофростенки h = 1000 мм; размеры сечения полки в×δ=45×3 см; А = 135 см; J = 0.59; обогрев полки с одной грани, периметр обогрева сечения полки Р=в=45 см.
ur
Вычислить предел огнестойкости стальной балки с гофростенкой, F, мин.
Решение. Проектный предел огнестойкости стальной балки с гофростенкой определяют по уравнению (1):
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного выше технического результата. Последовательность действий способа оценки огнестойкости стальной балки с гофростенкой состоит в следующем. Сначала проводят визуальный осмотр конструкций здания. Выявляют условия закрепления концов и опасное сечение стальной балки. Затем оценивают единичные показатели качества элементов сварного двутавра стальной балки и их интегральные параметры, по которым находят проектный предел огнестойкости испытуемой стальной балки с гофростенкой.
Под визуальным осмотром понимают проверку состояния стальной балки с гофростенкой, включающую выявление условий закрепления и обогрева стальной балки, вид проката (двутавр, швеллер, уголок), форму поперечного сечения элементов сварного двутавра стальной балки, его геометрические размеры, марку (класс) стали, испытательную нагрузку.
Схему обогрева сечения стальной балки с гофростенкой в условиях пожара определяют в зависимости от фактического расположения частей здания, устройства облицовок, укладки смежных конструкций, уменьшающих число сторон обогрева.
К основным единичным показателям качества элементов сварного двутавра стальной балки, обеспечивающих огнестойкость, относятся: приведенная толщина металла поперечного сечения и интенсивность нормальных напряжений в опасном сечении.
s
2
Предложенный способ применен при поверочном расчете фактических пределов огнестойкости стальных балок, испытанных в огневой печи ВНИИПО. Сплошное сечение стальной балки представляет несущий стержень в виде двутавра №22, с размерами b×h×d=11×22×0,54 см, площадь металла A = 30,6 см; предел огнестойкости, определенный при огневых испытаниях, равен 0,55 ч (33 мин). Предел огнестойкости металлических балок, вычисленный по результатам неразрушающих испытаний, равен 34 мин (0,56 ч); погрешность расчета равна 3%, что меньше 5%. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».
Источники информации
1. ГОСТ P 53309-2011. 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 RU 2322663, МПК G01N 25/50. Способ определения огнестойкости металлических балок здания. / Ильин Н.А., Ведерников С.С., заяв. СГАСУ 04.07.2006, опубл. 20.04.2008, бюл. №11.