СПОСОБ ОЦЕНКИ ОГНЕСТОЙКОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ БАЛОЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЯ
EVALUATION METHOD FOR FIRE-RESISTANCE OF REINFORCED CONCRETE GIRDER STRUCTURE OF BUILDING

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и сооружений (далее - зданий). В частности, оно может быть использовано для классификации железобетонных балочных конструкций (плит, ригелей) зданий по показателям сопротивления их воздействию высоких температур пожара. Это дает возможность обоснованного использования существующих конструкций с фактическим пределом огнестойкости в зданиях, различных по их функциональной пожарной опасности.
Необходимость оценки показателей огнестойкости железобетонных конструкций возникает при реконструкции здания, усилении его конструкций, приведении фактической огнестойкости конструкций здания в соответствие с требованиями современных норм, при проведении экспертизы и восстановлении железобетонных конструкций после пожара.
При реконструкции здания возможно переустройство и перепланировка помещений, изменение их назначения, замена балочных конструкций и оборудования. Это влияет на изменение требуемой степени огнестойкости здания и его несущих конструкций.
Известен способ оценки огнестойкости железобетонной балочной конструкции здания по результатам изучения натурного пожара. Этот способ включает определение положения балочной конструкции в здании, оценку состояния конструкции путем осмотра и измерения, изготовление контрольных образцов бетона и арматуры, определение времени наступления предельного состояния балочной конструкции по потере несущей способности конструкции, то есть обрушения в условиях действия силовой нагрузки и высокотемпературного воздействия натурного пожара / Ильин Н.А. Последствия огневого воздействия на железобетонные конструкции. – М.: Стройиздат, 1979 (см. с. 34-35; 90)/ [1].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе пределы огнестойкости балочной конструкции определяют приближенно по результатам исследования прошедшего пожара. Детальное исследование пожара предопределяет длительную работу эксперта. При этом невозможно оценить огнестойкость натурных балочных конструкций, имеющих другие размеры и другую силовую нагрузку. Обременительно сопоставление полученных результатов со стандартными огневыми испытаниями аналогичных балочных конструкций. Поэтому этот способ дорог, трудоемок и опасен для испытателей.
Известен способ оценки огнестойкости железобетонной балочной конструкции здания по результатам натурного огневого испытания фрагмента здания. В этом случае производят осмотр балочной конструкции, определяют влажность бетона, назначают испытательную нагрузку на бетонную конструкцию соответственно реальным условиям эксплуатации здания, определяют факторы, влияющие на огнестойкость испытуемой балочной конструкции и величину предела огнестойкости/ ГОСТ Р 53309-2009. Здания и фрагменты зданий. Метод натурных огневых испытаний. Общие требования (см. с. 6-12)/ [2].
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 конструкции в условиях экспериментального пожара обременительно и опасно вследствие различий огневого режима опытного и стандартного пожаров, затруднена оценка фактических пределов огнестойкости балочной конструкции, причины разрушения балочной конструкции фрагмента здания могут быть не установлены вследствие многообразия действующих факторов пожара. Предельное состояние по огнестойкости балочной конструкции может быть не достигнуто вследствие более раннего разрушения стен фрагмента/ Огнестойкость зданий. // В.П. Бушев, В.А. Пчелинцев, В.С. Федоренко, А.И. Яковлев. - М.: Стройиздат, 1970 (см. с. 252- 256)/ [3].
Известен способ оценки огнестойкости железобетонной балочной конструкции здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление вида бетона и арматуры конструкции, выявление условия ее опирания и крепления, определение времени наступления предельного состояния балочной конструкции под нормативной нагрузкой в условиях стандартного огневого воздействия/ ГОСТ 30247.1-94. Конструкции строительные. Методы испытания на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции [4].
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 конструкций. 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 конструкции на ее огнестойкость. Результаты огневого испытания единичны и не учитывают разнообразия в закреплении концов конструкций, их натурных размеров, фактического армирования и схемы обогрева опасного сечения испытуемой конструкции в условиях пожара. Экономические затраты на проведение испытаний возрастают за счет расходов на демонтаж конструкции, 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 огнестойкости железобетонной балочной конструкции здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление вида бетона и арматуры балочной конструкции, выявление условий ее опирания и крепления, определение времени наступления предельного состояния по огнестойкости, при этом испытание балочной конструкции проводят без разрушения по комплексу единичных показателей качества, технический осмотр дополняют инструментальными измерениями геометрических размеров конструкций и их опасных сечений, определяют число и номинальный диаметр стержней рабочей арматуры, их взаимное расположение и толщину защитного слоя бетона, выявляют форму конструкций, схемы обогрева расчетного сечения при пожаре и условия нагревания рабочей арматуры, устанавливают глубину залегания стержней рабочей арматуры и степень ее огнезащиты, определяют показатели термодиффузии бетона, оценивают характеристики бетона сопротивлению на сжатие и продольной рабочей арматуры сопротивлению на растяжение, устанавливают величину нормативной нагрузки на балочную конструкцию и по ней находят интенсивность напряжения рабочей арматуры, и, используя полученные интегральные параметры балочной конструкции, по номограмме вычисляют фактический предел огнестойкости ее по признаку потери несущей способности /Патент №2161793 RU, МПК- 7 G 01 №.25/50. Способ определения огнестойкости изгибаемых железобетонных конструкций здания./ Ильин Н.А., Пирогов М.Б., заяв. СГАСУ: 22.02.1999; опубл. 10.01.2001. Бюл. №18 [5].
Сущность изобретения состоит в установлении показателей пожарной безопасности здания в части гарантированной длительности сопротивления железобетонной балочной конструкции в условиях пожара; в определении фактических пределов огнестойкости железобетонной балочной конструкции по признаку потери несущей (R) и теплоизолирующей способности (J).
Технический результат - исключение огневых испытаний конструкций в здании или их фрагментов; снижение трудоемкости оценки огнестойкости балочной конструкции; расширение технологических возможностей определения фактической огнестойкости различно нагруженных балочных конструкций любых размеров и по признакам потери несущей и теплоизолирующей способности; возможность проведения испытания конструкций на огнестойкость без нарушения функционального процесса в здании; снижение экономических затрат на испытание; сохранение эксплуатационной пригодности здания при обследовании и неразрушающих испытаниях конструкций; упрощение условий и сокращение сроков испытания конструкций на огнестойкость; повышение точности и экспрессивности испытания; использование интегральных конструктивных параметров для определения огнестойкости конструкций и упрощение математического описания процесса термического сопротивления нагруженных конструкций; определение реального ресурса балочной конструкции по огнестойкости с использованием комплекса единичных показателей его качества; увеличение достоверности определения меры огнезащиты продольной рабочей арматуры конструкции, глубины залегания и условий ее обогрева в условиях пожара; упрощение учета влияния на предел огнестойкости конструкций особенностей статической схемы работы, уточнение единичных показателей качества конструкций, влияющих на их огнестойкость; определение фактического предела огнестойкости железобетонного балочного элемента здания по конструктивным параметрам, по признакам потери несущей и теплоизолирующей способности.
U(R)
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе оценки огнестойкости железобетонной балочной конструкции здания, включающем проведение технического осмотра, установление вида бетона и арматуры железобетонной балочной конструкции, выявление условий ее опирания и крепления, определение времени наступления предельного состояния по огнестойкости, испытание железобетонной балочной конструкций без разрушения по комплексу единичных показателей качества, при этом технический осмотр дополняют инструментальными измерениями геометрических размеров железобетонной балочной конструкции и ее расчетного сечения, определяют число и диаметр стержней продольной рабочей арматуры, их взаимное расположение и толщину защитного слоя бетона, выявляют форму железобетонной балочной конструкции, схему обогрева расчетного сечения при пожаре и условия нагревания продольной рабочей арматуры, устанавливают глубину залегания стержней продольной рабочей арматуры и степень ее огнезащиты, устанавливают величину показателя термодиффузии бетона, определяют характеристики бетона сопротивлению на сжатие и продольной рабочей арматуры сопротивлению на растяжение, устанавливают величину испытательной нагрузки на железобетонную балочную конструкцию, особенностью является то, что фактический предел огнестойкости железобетонной балочной конструкции по признаку потери несущей способности F, мин, определяют, используя аналитическое уравнение (1):
σs
σs
3
3
cr
U(J)
где J - интенсивность напряжения продольной рабочей арматуры в расчетном сечении железобетонной балочной конструкции, J=1/k, здесь k - коэффициент запаса несущей способности железобетонной балочной конструкции; n - эмпирический показатель класса продольной рабочей арматуры; t - критическая температура (°С) продольной рабочей арматуры; С - степень огнезащиты расчетной продольной рабочей арматуры; е - натуральное число; К - интегральный показатель безопасности железобетонной балочной конструкции, предел огнестойкости железобетонной балочной конструкции по признаку потери теплоизолирующей способности F, мин, вычисляют по степенной функции (2):
min
вm
2
где H - минимальная толщина полки железобетонной балочной конструкции, мм; D - показатель термодиффузии бетона, мм/мин.
cr
Показатели огнестойкости (n и t, °С), железобетонной балочной конструкции, армированной различными видами стали, принимают в зависимости от класса арматуры следующими значениями:
Степень огнезащиты продольной рабочей арматуры (С) определяют по степенной функции (3):
0
min
вm
a
2
где m - показатель условий нагрева продольной рабочей арматуры в поперечном сечении железобетонной балочной конструкции в процессе огневого воздействия;  - минимальная глубина залегания продольной рабочей арматуры по одной из осей координат поперечного сечения, мм; D - показатель термодиффузии бетона, мм/мин.
0
х
у
Величину показателя условия нагрева (m) продольной рабочей арматуры при двухстороннем подводе тепла к ней, при а≤а, определяют по степенному уравнению (4):
а
а
х
y
где  и  - соответственно глубина залегания продольной рабочей арматуры от обогреваемой грани железобетонной балочной конструкции по осям координат поперечного сечения, мм.
вm
2
Величину показателя термодиффузии бетона D, мм/мин определяют экспериментально или принимают в зависимости от вида бетона следующими значениями:
х
у
Глубины залегания продольной рабочей арматуры а и а, мм, от обогреваемых в условиях огневого воздействия граней испытуемой балочной конструкции определяют соответственно по алгебраическим зависимостям (5 и 6):
a
a
xi
yi
где  и  - осевое расстояние i-го стержня продольной рабочей арматуры по осям координат, мм;
i
2
A - площадь i-го стержня продольной рабочей арматуры, мм.
а
х
Глубину залегания продольной рабочей арматуры (, мм) испытуемой железобетонной балочной конструкции по нормали от обогреваемой грани, расположенной под углом α, град, к оси ординат, определяют по тригонометрической функции (7):
1
у
а
где b - часть ширины поперечного сечения по низу железобетонной балочной конструкции, измеренная от обогреваемой грани до оси продольной рабочей арматуры, мм;  - глубина залегания продольной рабочей арматуры по оси ординат, мм.
Интегральный показатель безопасности железобетонной балочной конструкций (К) определяют по алгебраическому выражению (8):
a
где k - показатель, учитывающий номинальный диаметр стержня продольной рабочей арматуры (d, мм):
m
k - показатель неразрезности железобетонной балочной конструкции здания:
on
0
0
0
2
где А и А - соответственно площади сечения продольной рабочей арматуры над опорой и в пролете железобетонной балочной конструкции, мм; k - показатель сплошности расчетного сечения железобетонной балочной конструкции: для сплошного сечения k=1; для пустотелого k=0,8.
Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом заключена в следующем. Исключение огневых испытаний железобетонной балочной конструкции существующего здания и замена их на неразрушающие испытания снижает трудоемкость оценки их огнестойкости, расширяет технологические возможности выявления фактической огнестойкости различно нагруженных конструкций любых размеров, дает возможность проведения испытания балочных конструкций на огнестойкость без нарушения функционального процесса обследуемого здания, а также сопоставления полученных результатов со стандартными испытаниями аналогичных конструкций и сохранения эксплуатационной пригодности обследуемого здания без нарушения несущей способности его балочных конструкций в процессе испытания. Следовательно, условия испытания железобетонной балочной конструкций на огнестойкость значительно упрощены.
Снижение экономических затрат на проведение испытания предусматривают за счет уменьшения расходов на демонтаж, транспортирование и огневые испытания образца железобетонной балочной конструкции.
Применение математического описания процесса сопротивления железобетонных балочных конструкций высокотемпературному воздействию и использование построенных аналитических выражений (1) и (2) повышает точность и экспрессивность оценки их огнестойкости по признакам потери несущей и теплоизолирующей способности.
Использование интегральных конструктивных параметров, как-то: степени огнезащиты продольной рабочей арматуры, интенсивности ее напряжения и показателя термодиффузии бетона, - упрощает математическое описание процесса сопротивления нагруженной балочной конструкции высокотемпературному воздействию.
Оценка огнестойкости балочной конструкции только по одному показателю качества, например, по толщине защитного слоя бетона, приводит, как правило, к недооценке их фактического предела огнестойкости, поскольку влияние на него вариаций единичных показателей качества имеют различные знаки, и снижение предела огнестойкости за счет одного показателя может быть компенсировано другими. Вследствие этого в предложенном способе оценку огнестойкости балочной конструкции по потере несущей способности предусматривают не по одному показателю, а по комплексу единичных показателей их качества. Это позволяет более точно учесть реальный ресурс фактической огнестойкости балочной конструкции.
В предложенном техническом решении снижают погрешность при определении степени огнезащиты продольной рабочей арматуры, оценивая ее величину в зависимости от глубины залегания и условий ее нагрева в условиях высокотемпературного воздействия при пожаре.
Показатель условия нагрева продольной рабочей арматуры определяют по математической зависимости, учитывающей число направлений подвода тепла к ней и расположение ее стержней по отношению к биссектрисе угла обогреваемого сечения. Это позволяет более точно определить условия нагрева рабочей арматуры в поперечном сечении балочной конструкции при симметричном и несимметричном его обогреве.
Упрощен учет особенностей статической схемы работы балочной конструкции, армирования расчетного сечения, размера номинального диаметра продольной рабочей арматуры и неразрезности балочной конструкции на величину предела огнестойкости.
На фиг. 1 изображено поперечное сечение железобетонной балочной конструкции ребристой плиты здания (основные размеры), где показано, направление воздействия тепла на продольную рабочую арматуру в условиях пожара.
p
0
х
у
1
а
а
Здесь 1 - продольные ребра железобетонной балочной конструкции (плиты); 2 - продольная рабочая арматура; b - ширина главного ребра по низу сечения плиты; b' - то же, по верху сечения,  и  - ширина и высота полки сечения в сжатой зоне; h, h - высота и рабочая высота сечения;  и  - глубина залегания продольной рабочей арматуры по осям координат; b - часть ширины сечения по низу железобетонной балочной конструкции, измеренная от обогреваемой грани до оси продольной рабочей арматуры; α - угол наклона обогреваемой грани сечения от оси координат, град.
На фиг. 2 изображено эквивалентное поперечное сечение железобетонной балочной конструкции - ребристой плиты для оценки ее огнестойкости. Сечение с одиночным армированием представлено с симметричным обогревом трапецеидального ребра с отклонением его граней от вертикали на угол α, град (условные обозначения приведены на фиг. 1).
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного выше технического результата. Способ оценки огнестойкости железобетонной балочной конструкции здания осуществляют в следующей последовательности.
Сначала проводят визуальный осмотр здания. Назначают комплекс единичных показателей качества железобетонной балочной конструкции, влияющих на ее фактическую огнестойкость. Выявляют условия опирания, закрепления концов железобетонной балочной конструкции и ее расчетные сечения. Затем оценивают единичные показатели качества железобетонной балочной конструкции и ее интегральные параметры, и по ним оценивают предел огнестойкости испытуемой железобетонной балочной конструкции.
Под визуальным осмотром понимают проверку состояния железобетонной балочной конструкции, включающую выявление условий опирания железобетонной балочной конструкции, определение вида и класса прочности бетона, толщины его защитного слоя, наличие трещин и отколов, нарушение сцепления продольной рабочей арматуры с бетоном, наличие коррозии арматурной стали.
Схему обогрева поперечного сечения балочной конструкции в условиях пожара определяют в зависимости от фактического расположения частей здания, устройства подвесных потолков, расположения смежных конструкций, уменьшающих число сторон обогрева железобетонной балочной конструкции.
Число и место расположения контрольных участков, в которых определяют показатели качества железобетонной балочной конструкции, определяют так. В железобетонной балочной конструкции, имеющей одно расчетное сечение, контрольные участки располагают только в этом сечении. В балочной конструкции, имеющей несколько расчетных сечений, контрольные участки располагают равномерно по поверхности с обязательным расположением части контрольных участков в расчетном сечении.
К основным единичным показателям качества железобетонной балочной конструкции, обеспечивающим проектную огнестойкость, относят: геометрические размеры железобетонной балочной конструкции и высоту расчетного сечения; глубину залегания, класс по прочности, номинальный диаметр, интенсивность напряжения и предел текучести продольной рабочей арматуры; прочность бетона на сжатие, влажность и плотность его в естественных условиях; толщину защитного слоя и показатель термодиффузии бетона.
К проверяемым геометрическим размерам относят: для конструкций железобетонных плит сплошного сечения - его высоту; для многопустотных плит - высоту сечения, размеры и положение пустот, толщину полок; для ребристых плит - общую высоту поперечного сечения ребер и толщину полки; для балок - ширину и высоту расчетного сечения.
Расчетное сечение у балочной конструкции назначают в местах наибольших моментов от действия нормативной нагрузки или в точках максимального сближения огибающей эпюры моментов и эпюры материалов конструкций. Например, в двускатной железобетонной балке расчетное сечение назначают не в середине пролета, а на расстоянии от опоры, равном 0,4 пролета.
Для статически неопределимой балочной конструкции расчетные сечения назначают в пролетах и на опорах. Расчетное сечение при этом находят по наибольшей ординате огибающей эпюры моментов.
Размеры железобетонной балочной конструкции проверяют с точностью до 1 мм; ширину трещин - с точностью до 0,05 мм.
Проверку прочности бетона железобетонной балочной конструкции производят неразрушающими испытаниями с применением механических и ультразвуковых приборов [1, с. 31-38].
Минимальную глубину залегания стержня продольной рабочей арматуры принимают по одной из осей координат поперечного сечения железобетонной балочной конструкции.
Под глубиной залегания продольной рабочей арматуры понимают расстояние по нормам между поверхностью бетона железобетонной балочной конструкции и продольной осью продольной рабочей арматуры.
0
у
а
Для сплошной плиты, армированной сетками или отделанными стержнями, при одностороннем их обогреве (m=1), глубину залегания продольной рабочей арматуры (, мм), в поперечном сечении определяют по алгебраическому выражению (11):
где u - толщина защитного слоя бетона, мм; d - номинальный диаметр стержня, мм.
а
а
х
у
Для железобетонной балочной конструкции с продольной рабочей арматурой из двух асимметрично расположенных стержней по горизонтали поперечного сечения и двусторонним обогревом каждого стержня, глубину залегания продольной рабочей арматуры ( и , мм,) определяют по алгебраическим зависимостям (12 и 13):
а
а
х
у
условия нагрева продольной рабочей арматуры, при ≤, определяют по степенному уравнению (5):
а
а
х
у
где  и  - осевые расстояния (глубина залегания), мм.
min
0
0
min
a
По результатам измерений определяют минимальную глубину залегания продольной рабочей арматуры по одной из осей координат поперечного сечения конструкции (a, мм), и величину показателя условий нагрева (m) продольной рабочей арматуры при огневом воздействии. Затем, используя величины m и , устанавливают интегральный параметр - степень огнезащиты продольной рабочей арматуры, используя степенную функцию (3).
cr
3
a
вm
х
0,05
0,05
2
Пример. Даны характеристики железобетонной балочной ребристой плиты: размеры в плане 1,4×6,0 м; высота 350 мм; продольная рабочая арматура главных ребер плиты: ; t=505°C; n=3,6; k=1,6; k=(0,1⋅d)=(0,1⋅20)=1,04; защитный слой бетона: U=25 мм; D=19,5 мм/мин; α=8,5 град; H==50 мм; в=37,5 мм;
Решение: 1) Вычисляем осевые расстояния по осям координат X и У:
2) Показатель условий нагрева продольной рабочей арматуры при двустороннем подводе тепла определим по степенному уравнению (4):
3) Степень огнезащиты продольной рабочей арматуры бетоном определяют по степенной функции (3):
4) Интенсивность силовых напряжений в продольной рабочей арматуре:
5) Предел огнестойкости железобетонной ребристой плиты по потере несущей способности (R) вычисляем по аналитическому уравнению (1):
6) Предел огнестойкости железобетонной ребристой плиты по потере теплоизолирующей способности (J) вычислен по степенной функции (2):
2
U(R)
Предложенный способ применен при натурном осмотре железобетонных балочных конструкций покрытия складского блока площадью 2160 м промышленного здания в г. Самаре. Результаты неразрушающих испытаний ребристых плит размером 6×3×0,3 м, бетон тяжелый класса В 35, арматура  А 800, показали предел огнестойкости, F=55 мин; для двускатных решетчатых балок пролетом 18 м, продольная рабочая арматура класса А1000, предел огнестойкости - 70 мин.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".
Источники информации
1. Ильин Н. А. Последствия огневого воздействия на железобетонные конструкции. - М.: Стройиздат, 1979, - 128 с. (см. с. 16; 34-35).
2. ГОСТ Р 53309-2009. Здания и фрагменты зданий. Метод натурных огневых испытаний. Общие требования.
3. Огнестойкость зданий // В.П. Бушев, В.А. Пчелинцев, B.C. Федоренко, А.И. Яковлев. -М.: Стройиздат, 1970, - 261 с. (см. с. 252-256).
4. ГОСТ 30247.1-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции.
5. Патент №2161793 RU, МПК- 7 G 01 №25/50. Способ определения огнестойкости изгибаемых железобетонных конструкций здания. /Ильин Н.А., Пирогов М.Б., заяв. СГАСУ: 22.02.1999, опубл. 10.01.2001. Бюл. №18.