Способ испытаний конструктивных систем и элементов железобетонного здания на надежность под действием пожарных и силовых нагрузок
METHOD OF TESTING STRUCTURAL SYSTEMS AND REINFORCED CONCRETE BUILDING ELEMENTS FOR RELIABILITY UNDER FIRE AND FORCE LOADS

Изобретение относится к области испытательной техники и обеспечения безопасности зданий в условиях аварийных воздействий. Данный способ может быть использован для определения отказов конструктивных систем железобетонного здания в условиях пожара и выявления наиболее слабых элементов железобетонных конструкций здания под действием силовых нагрузок и высоких температур.
Известен способ испытания каркасной ячейки[Патент RU №2331858, заявл. 07.02.2007]. Данный способ заключается в статическом нагружении равномерно распределенной нагрузкой плит перекрытия. Определяют величины прогиба при различных нагрузках с помощью нивелирования и измерительной стойки. Определяют несущую способность ячейки. Выявляют характер деформации контактных швов в зоне стыка граней колонн с пазами плит перекрытия. Измеряют величины растяжения в середине плит перекрытия и сжатия колонн механическим тензометром. Определяют остаточные деформации элементов конструкций после снятия нагрузки. Ячейку испытывают после бетонирования контактных швов, натяжения и оттяжки канатной арматуры, до замоноличивания каналов с канатной арматурой. Нагружение каркасной ячейки выполняют штучными грузами в 6 этапов с выдержкой нагрузки в течение 3-х суток, доводя нагрузку до разрушающей. Для более равномерного распределения нагрузки на поверхность ячейки насыпают слой песка толщиной 30 мм. Оставляют расстояния между штучными грузами не менее 20 мм и выполняют одновременную раскладку этих грузов с двух сторон от колонн, заканчивая в центре ячейки. Вертикальное перемещение плит около колонн измеряют индикаторами часового типа, при этом все деформации измеряют в наиболее опасных зонах согласно схеме измерений.
Недостатками известного способа являются:
- отсутствие возможности применения известного способа для испытания конструкции огневой нагрузкой;
- отсутствие возможности контроля и изменения параметров силового нагруженияво время проведения испытания;
- высокая стоимость и большие трудозатраты серии испытаний для уменьшения вероятности выпадения случайного значения отказа.
Наиболее близким к заявленному способу относится способ натурных огневых испытаний [ГОСТ Р 533309-2009. Здания и фрагменты зданий. Метод натурных огневых испытаний. Общие требования]. Данный способ предполагает испытание отдельного фрагмента здания. Испытываемый фрагмент должен соответствовать технической документации на его изготовление, должен конструктивно соответствовать фрагменту реального здания. Способ закрепления, нагрузки, влажность фрагмента должны соответствовать реальным условиям эксплуатации здания.
Недостатками метода натурных огневых испытаний являются:
- отсутствие возможности проведенияиспытаний полноразмерных ячеек (пролетов) конструктивной системы здания в огневой печи с учетом работы пролетом смежных ячеек и выщележащих этажей здания;
- отсутствие возможности контроля и измерения параметров температурного распределения по сечениям конструкций ячеек зданияво время проведения испытания;
- отсутствие возможности контроля и измеренияотносительных деформацийсечений конструкций ячеек здания от силового и пожарного нагружения во время проведения испытания;
- отсутствие возможности контроля и измерения параметров прогибов конструкций ячеек здания от силового нагруженияво время проведения испытания;
- отсутствие возможности контроля и измерения параметров прогибов конструкций ячеек здания от пожарного нагружения во время проведения испытания;
- отсутствие возможности проведения полного анализа работы конструктивной схемы здания в условиях случайных пожарных воздействий;
- отсутствие достоверной оценки напряженно-деформированного состояния элементов и всей конструктивной системы железобетонного здания на различных ступенях нагружения в условиях случайных пожарных воздействий;
- отсутствие достоверной оценки надежности отдельных элементов и всей конструктивной системы железобетонного здания в условиях пожарных воздействий;
- высокая погрешность вероятности получения случайного завышенного или заниженного отказа железобетонного здания;
- необходимость проведения сериииспытанийв огневой печи;
- высокая стоимость и большие трудозатраты серии испытаний.
Ввиду перечисленных недостатков способ натурных огневых испытаний не выполняет свои функции в полном объеме, что исключает возможность достоверного прогнозирования отказа конструктивных систем здания при огневых воздействиях. В связи с этим способ натурных огневых испытаний малоэффективен и затратен при определении надежности конструктивных систем и элементов здания.
Технический результат заявленного способа:
- обеспечение возможности проведенияиспытаний полноразмерных ячеек (пролетов) конструктивной системы здания в огневой печи с учетом работы пролетов смежных ячеек и вышележащих этажей здания;
- обеспечение контроля и измерения параметров температурного распределения по сечениям конструкций ячеек здания во время проведения испытания;
- обеспечение контроля и измерения относительных деформаций сечений конструкций ячеек здания от силового и пожарного нагружения во время проведения испытания;
- обеспечение контроля и измерения параметров прогибов конструкций ячеек здания от силового нагружения во время проведения испытания;
- обеспечение контроля и измерения параметров прогибов конструкций ячеек здания от пожарного нагружения во время проведения испытания;
- обеспечениевозможности проведения полного анализа работы конструктивной схемы здания в условиях случайных пожарных воздействий;
- обеспечение достоверной оценки напряженно-деформированного состояния элементов и всей конструктивной системы железобетонного здания на различных ступенях нагружения в условиях случайных пожарных воздействий;
- обеспечение достоверной оценки надежности отдельных элементов и всей конструктивной системы железобетонного здания в условиях пожарных воздействий;
- уменьшение погрешности вероятности получения случайного завышенного или заниженного отказа железобетонного здания.
Экономический эффект заявленного способа:
- отсутствие необходимости проведения серии испытаний;
- значительное уменьшение трудозатрат, материалоемкости и ресурсозатрат испытаний на надежность, т.е. удешевление испытаний на надежность без искажения получаемых результатов.
На фиг. 1 представлена схема расположения образцов и силовое загружение образцов при испытаниях конструктивных систем и элементов железобетонного здания на надежность под действием пожарных и силовых нагрузок.
На фиг. 2 представлен общий вид расположения образцов и конструктивных систем при проведении испытаний (часть стены печи и один из образцов условно не показаны).
На фиг. 3 представлена конструкция соединения смежных элементов, фрагмент А.
Указанный результат достигается одновременнымиспытаниемот одного до трех железобетонных образцов 1 и одного железобетонного образца 2 в горизонтальной огневой испытательной печи. Образец 2 служит для определения напряженно-деформированного состояния и деформаций образца только от температурного воздействия.
Образцы 1 и 2 устанавливаются таким образом, что полностью перекрывают огневое пространство (пролет) печи. При этом образцы 1 и 2 устанавливаются впритык друг к другу, но никак не связываются между собой.
Образцы 1 и 2 состоят из плитной части 3 и обвязочной балки 4. Образцы 1 и 2 моделируют работу жестко защемленного с четырех сторон рабочего пролета плиты перекрытия (плита перекрытия работает по четырем сторонам), т.е. позволяет моделировать работу полноразмерного перекрытия. Влияние пролетов смежных ячеек учитывается посредством обвязочной балки 4.
Образцы 1 и 2 опираются на стены печи 5 двумя сторонами обвязочной балки 4 и на оголовок6железобетонной колонны 7 углом обвязочной балки 4. Из оголовка б колонны 7 выходят четыре высокопрочных шпильки 8 минимальным диаметром ∅22 мм. В углу обвязочной балки 4 образцов 1 и 2 имеется одно отверстие 9, которым образцы 1 и 2 надеваются на шпильку 8. После монтажа всех образцов 1 и 2 на шпильки 8 надевается металлическая пластина 10 большой жесткости. Шпильки 8 затягиваются с контролем натяжения.
Колонна 7 жестко защемлена в стакане железобетонного фундамента 11. При монтаже колонны контролируется ее вертикальность в двух плоскостях. При этом отметки оголовка 6 колонны 7 и верха стены 5 огневой печи должны быть равны. Фундамент 11 устанавливается на футерованный пол 12 огневой камеры печи. Фундамент 11 футеруется (покрывается огнезащитой) перед испытаниями, что позволяет избежать в нем дополнительных температурных усилий.
Образец 1 подвергается силовой нагрузке. Возможны различные варианты силовой нагрузки образца 1.
Силовая нагрузка на образец 2 не передается, что позволяет получить напряженно-деформированное состояние, относительные деформации сечения и прогибы пролета плиты только от температурных воздействий без учета внешней силовой нагрузки.
Силовая нагрузка 13 может передаваться на образец 1 через траверсу 14 для моделирования равномерно распределенной нагрузки на пролет плиты перекрытия.
Силовая нагрузка 15 может передаваться на образец 1 через металлическую плиту большой жесткости 16 для моделирования сосредоточенной нагрузки.
Силовая нагрузка 17 может передаваться на пластину 10 центрально, либо внецентренно для моделирования действия на колонну 7 вышележащих конструкций здания.
Пожарная нагрузка 18 может воздействовать на нижнюю поверхность плитной части 3, нижнюю и боковую поверхность обвязочной балки 4 для моделирования пожара в нескольких ячейках здания.
Обвязочная балка 4 может футероваться, что позволяет избежать в ней дополнительных температурных усилий для моделирования пожара только в одной ячейке здания.
Пожарная нагрузка 19 может воздействовать на колонну 7 с четырех сторон, с трех сторон (одна сторона колонны 7 футеруется), либо не воздействовать (футеруется все боковые поверхности колонны 7).Что позволяет моделировать различные варианты огневой нагрузки на колонны здания.
Данные признаки в совокупности обеспечивают возможность проведенияиспытаний полноразмерных ячеек (пролетов) конструктивной системы здания в огневой печи с учетом работы пролетов смежных ячеек и выщележащих этажей здания; обеспечивают возможность проведения полного анализа работы конструктивной схемы здания в условиях случайных пожарных воздействий; уменьшают погрешность вероятности получения случайного завышенного или заниженного отказа железобетонного здания.
На поверхности плитной части 3 образцов 1 и 2 может выделяться не менее трех характерных точек 20 (в области теоретически прогнозируемых максимальных изгибающих моментов в пролетной и опорной зонах по двум направлениям (длина и ширина). В данных точках 20 по высоте сечения на разной глубине от поверхности (не менее трех значений глубины) могут устанавливаться термопары для определения прогрева сечения плитной части 3 по высоте. В данных точках 20 на необогреваемой предварительно подготовленной поверхности могут размещаться отдельные тензодатчики, розетки тензодатчиков (группа тензодатчиков) либо тензометры для определения относительных деформаций в наиболее растянутой и наиболее сжатой части сечения плиты 3. В данных точках 20 на необогреваемой поверхности могут устанавливаться механические либо электронные прогибомеры для определения прогибов плитной части 3.
На поверхности балочной части 4 образцов 1 и 2 может выделяться не менее двух характерных точек 21 (в области теоретически прогнозируемых максимальных изгибающих моментов в пролетной и опорной зонах по двум направлениям (длина и ширина). В данных точках 21 по высоте сечения на разной глубине от поверхности (не менее трех значений глубины) устанавливаться термопары для определения прогрева сечения балочной части 4 по высоте. В данных точках 21 на необогреваемой предварительно подготовленной поверхности могут размещаться отдельные тензодатчики, розетки тензодатчиков (группа тензодатчиков) либо тензометры для определения относительных деформаций в наиболее растянутой и наиболее сжатой части сечения балки 4. В данных точках 21 на необогреваемой поверхности могут устанавливаться механические либо электронные прогибомеры для определения прогибов балочной части 4.
На поверхности колонны 7 может выделяться не менее одной характерной точки 22 (в области теоретически прогнозируемых максимальных изгибающих моментов в опорной зоне и по высоте колонны). В данных точках 22 по высоте сечения на разной глубине от поверхности (не менее трех значений глубины) устанавливаться термопары для определения прогрева сечения по высоте колонны 7. В данных точках 22 на обогреваемой предварительно подготовленной поверхности могут размещаться отдельные высокотемпературные тензодатчики, розетки высокотемператных тензодатчиков (группа тензодатчиков) либо высокотепературные тензометры для определения относительных деформаций в наиболее растянутой и наиболее сжатой части сечения колонны7.
Данные признаки в совокупности обеспечивают: контроль и измерения параметров температурного распределения по сечениям конструкций ячеек здания во время проведения испытания; контроль и измерения относительных деформаций сечений конструкций ячеек здания от силового и пожарного нагруженияво время проведения испытания; контроль и измерения параметров прогибов конструкций ячеек здания от силового нагружения во время проведения испытания; контроль и измерения параметров прогибов конструкций ячеек здания от пожарного нагружения во время проведения испытания; возможность проведения полного анализа работы конструктивной схемы здания в условиях случайных пожарных воздействий; достоверную оценку напряженно-деформированного состояния элементов и всей конструктивной системы железобетонного здания на различных ступенях нагружения в условиях случайных пожарных воздействий; достоверную оценку надежности отдельных элементов и всей конструктивной системы железобетонного здания в условиях пожарных воздействий; уменьшение погрешности вероятности получения случайного завышенного или заниженного отказа железобетонного здания.
Последовательность проведения испытаний на надежность.
После выполнения монтажа конструкций (фундамента, колонны, образцов 1 и 2), футеровки требуемых частей конструкций, подается нагрузка 17. Нагрузка 17 прикладывается шагами не менее 10% от полной проектной с выдержкой во времени после каждого шага.
После приложения нагрузки 17 прикладывается нагрузка 13 либо 15. Нагрузка 13 и 15 прикладывается шагами не менее 10% от полной проектной с выдержкой во времени после каждого шага. После каждого шага нагрузки 13 и 15 в точках 20, 21 фиксируются прогибы, относительные деформации (показания тензометрии) для плитной части 3 и балочной части 4 каждого из образцов 1 и 2. После каждого шага нагрузки 13 и 15 в точках 22 фиксируются относительные деформации (показания тензометрии) для колонны 7. Фиксируется нагрузка образования трещин, ширина и глубина раскрытия трещин в элементах при каждом шаге нагрузки.
После приложения силовых нагрузок в пространство печи подают огневую нагрузку 18 и 19. Нагрузка 18 и 19 подчиняется стандартному температурному режиму, либо режиму реального пожара. Фиксируется время в минутах огнестойкости каждого из элементов (время от начала подачи огневой нагрузки 18 и 19 до момента достижения образцом 1 и колонной 7 предельного состояния (разрушения).
После завершения испытания выполняется обработка результатов испытаний. Соотносится время отказа конструкции, прогибы, относительные деформации и распределение температуры в сечении. На основании данных параметров устанавливается экспериментальное значение надежности конструкций и конструктивной системы (определяются параметры системы (прогибы, относительные деформации, температура) в момент отказа).
Заявленный способ испытаний найдет широкое применение при натурной оценке надежности.
Практическая применимость изобретения показана на следующем примере конкретного использования.
Пример. Оценка надежности каркасного административного многоэтажного здания в г. Москва при действии стандартного пожара.
Испытания проводились в НИУ МГСУ с использованием горизонтальной огневой печи.
Для испытания в горизонтальной огневой печи были изготовлены образцы плит здания. Класс бетона В25, класс арматуры А500С, армирование отдельными стержнями ∅12 с шагом 200 мм по верхней и нижней грани, защитные слои 25 мм. Смежные пролеты были заменены обвязочной балкой сечением 400×600(h) мм с верхним и нижним армированием ∅16 мм класса А500С.
Для моделирования колон был изготовлен образец сечением 400×400 мм. Класс бетона В25, класс арматуры А500С, армирование отдельными стержнями ∅25 мм с шагом 150 мм, защитные слои 40 мм.
2
Силовое нагружение моделировало нагрузку от конструкции полов и полезную нагрузку в помещениях. Нагружение выполнялось через траверсу - нагрузка распределенная 400 кг/м. Нагрузка прикладывалась только к трем образцам из четырех.
Силовое нагружение на колонну составило 150 т. Моделировался пожар на одном из средних этажей здания. Нагрузка прикладывалась с малым эксцентриситетом.
Пожарная нагрузка прикладывалась к плитам снизу, а к колонне с четырех сторон.
Температурный режим - стандартный.
Прогибы конструкции определялись механическими прогибомерами. Относительные деформации образцов определялись тензодатчиками, установленными как по поверхности образцов, так и на арматуре. Температура контролировалась термопарами.
Процессе испытаний фиксировались: время и нагрузка появления трещин, ширина раскрытия трещин.
В результате испытаний установлено, что огнестойкость плит перекрытий по несущей способности составила 170 мин. Огнестойкость колонны 200 мин. Отказ конструктивной системы случился из-за разрушения плит - превращения ее в механизм. Но надежность конструктивной системы в целом оказалась обеспечена, т.к. время огнестойкости превысило прогнозируемый теоретически результат. По результатам испытаний установлено, что вклад температурного момента обратного знака в повышение несущей способности плит перекрытия составляет до 30%.