СПОСОБ ОГНЕЗАЩИТЫ ДВУТАВРОВОЙ БАЛКИ ЗДАНИЯ
METHOD OF BUILDING I-BEAM FIRE PROTECTION

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и сооружений (далее по тексту - зданий) и касается способа конструктивной огнезащиты стального несущего стержня балки, выполненного в виде балочного двутавра, при использовании крупноразмерной листовой, плитной и рулонной облицовки.
Незащищенные стальные конструкции здания при действии огня в условиях пожара быстро (спустя 15÷20 мин) утрачивают свою несущую способность, обрушаются сами и способствуют обрушению других конструкций здания, что приводит к значительным материальным убыткам.
Известен способ огнезащиты двутавровой балки здания, облицовку которой представляют в виде двух скорлуп из пустотелого керамического камня, вплотную уложенных к стенке и нижней полке двутавра /Ройтман М.Я. Пожарная профилактика в строительном деле / ВИПТШ, РИО. - М., 1975, - 525 с.; (гл.5 Огнезащита металлических конструкций; §5.2. Повышение огнестойкости стальных конструкций; рис.5.2, с.116-117)/.
3
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа огнезащиты двутавровой балки относится то, что в известном способе элементы облицовки выполняют из тяжелого материала - керамического камня плотностью 1200÷1400 кг/м, это значительно увеличивает массу огнезащитной облицовки, наличие внутренних пустот (25÷30%) в керамическом камне благоприятствует быстрому прогреву облицовки до критических температур нагрева стального балочного двутавра и снижению предела огнестойкости на 20÷25%; изделие облицовки в виде скорлуп из керамического камня строительная промышленность не выпускает, следовательно, оно не индустриально и не экономично.
Известен способ огнезащиты двутавровой балки здания, в котором огнезащитную облицовку из крупноразмерных листов и плит устанавливают на относе в виде зазора не менее 25 мм между огнезащитной облицовкой и гранями защищаемого стального несущего стержня; каркас огнезащитной облицовки выполняют в виде рамы, состоящей из стальных продольных и поперечных элементов, высотой 40÷75 мм; крепление стальных элементов каркаса между собой осуществляют самонарезающими винтами 5×25÷5×45 /Романенков И.Г., Левитас Ф.А. Огнезащита строительных конструкций. - М.: Стройиздат, 1991. - 320 с.; (гл.4 Конструктивные способы огнезащиты; п.4.2 Крупноразмерные листовые, плитные и рулонные облицовки; рис.8, с.131-133)/.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа огнезащиты двутавровой балки здания, относится то, что в известном способе применяют значительное число элементов каркаса и вследствие этого повышают расход металла на изготовление каркаса для огнезащитной облицовки; при проектировании пустот и зазоров между стенкой и полками двутавра и плитами защитной облицовки принимают увеличенные размеры поперечного сечения облицованной балки (площадь сечения возрастает на 40÷45%; расход материалов облицовки - на 30÷35%); снижается проектный предел огнестойкости огнезащищенной колонны на 25÷30%; снижается надежность крепления элементов крупноразмерной листовой и плитной облицовки; снижаются коррозионная стойкость стального несущего стержня и ремонтопригодность огнезащитной облицовки (при возможности получения сквозных отколов).
Наиболее близким техническим решением к изобретению по совокупности признаков является способ огнезащиты двутавровой балки здания, в котором используют стальной несущий стержень с анкерами на его боковых гранях, каркас из профилей С-образного сечения, состоящего из продольных элементов с отгибами по краям полок и поперечных элементов, облицовку из листовых материалов, которую прикрепляют на относе 40÷50 мм с образованием зазоров между полками двутавра (площадь пустого пространства между полками и стенкой двутавра №20 и элементами облицовки в поперечном сечении огнезащищенной колонны от общей площади составляет 80÷85%) /а.с. SU 887755, МКИ-3 E04B 1/94, Строительный узел здания / Ю.В.Покровский, В.В.Федоров, М.М.Карбачинский и другие; заявл. 21.02.80; опубл. 07.12.81; Бюл. №45/, и который принят за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа огнезащиты двутавровой балки здания, принятого за прототип, относится то, что в известном способе используют значительное число элементов каркаса и вследствие этого повышают расход металла на изготовление каркаса для огнезащитной облицовки; при проектировании пустот и зазоров между стенкой и полками двутавра и плитами защитной облицовки увеличивают размеры поперечного сечения облицованной балки (площадь сечения возрастает на 75÷90%; расход материалов облицовки - на 65÷70%); снижается проектный предел огнестойкости огнезащищенной балки на 30÷35%; снижается надежность крепления элементов крупноразмерной листовой и плитной облицовки; снижаются коррозионная стойкость стального несущего стержня и ремонтопригодность огнезащитной облицовки (при возможности получения механических повреждений и сквозных отколов); не обосновано определение проектной толщины элементов листовой огнезащитной облицовки стального несущего стержня балки в зависимости от степени огнестойкости здания, условий нагрева двутавра и показателя термодиффузии материалов облицовки.
Сущность изобретения заключается в следующем. Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в повышении огнестойкости и эксплуатационной надежности огнезащищенной двутавровой балки здания, а также в улучшении пожарно-технических и экономических показателей стальных конструкций зданий.
Технический результат - повышение надежности крепления элементов крупноразмерной листовой и плитной огнезащитной облицовки двутавровой балки и элементов каркаса для нее; сокращение числа элементов каркаса для огнезащитной облицовки; снижение массы металла и материалов облицовки; уменьшение площади поперечного сечения огнезащищенной двутавровой балки на 30÷55%; повышение предела огнестойкости стальной балки с несущим стержнем в виде балочного двутавра на 25÷30%; повышение безопасности при тушении пожара и проведении аварийно-спасательных и восстановительных работ; снижение возможных потерь от пожара; повышение надежности работы огнезащищенной балки в процессе нормальной эксплуатации здания и в условиях пожара; упрощение монтажа элементов каркаса и огнезащитой облицовки двутавровой балки; повышение жесткости соединения балочного двутавра с листами и плитами облицовки и сопротивляемости огнезащитной облицовки механическим воздействиям; повышение коррозионной стойкости стального балочного двутавра и ремонтопригодности огнезащитной облицовки в случае получения местных механических повреждений; снижение трудоемкости монтажа элементов каркаса и элементов огнезащитной облицовки; сокращение сварочных работ и мокрых строительных процессов.
Указанный технический результат при использовании изобретения достигается тем, что в известном способе огнезащиты двутавровой балки здания, в котором на стальной несущий стержень с помощью элементов усиления балочного двутавра, к каркасу прикрепляют листовую облицовку, особенностью является то, что стальной несущий стержень выполняют в виде балочного двутавра, к которому прикрепляют элементы усиления из стальных прокатных профилей с отверстиями с нарезанной внутренней резьбой, в которых размещают установочные винты с потайной головкой и ввинчиваемым заостренным концом, элементы усиления балочного двутавра прикрепляют снизу сжатой и растянутой полок балочного двутавра, к которым установочными винтами прикрепляют вплотную элементы листовой и плитной огнезащитной облицовки; толщину элементов облицовки определяют с учетом показателей термодиффузии ее материалов, условий нагрева балочного двутавра и нормативного предела огнестойкости несущей балки здания.
ш
1
min
2
min
min
Элементы усиления балочного двутавра, расположенные снизу сжатой и растянутой полок двутавра, выполняют в виде двух пар стальных уголков. Элемент усиления, расположенный снизу растянутой полки балочного двутавра, выполняют в виде стального швеллера. Облицовку балочного двутавра выполняют в виде комплексной облицовки, включающей листовую и плитную огнезащитную облицовку. Элементы усиления балочного двутавра используют в качестве каркаса для крепления элементов огнезащитной облицовки. Толщину плитной огнезащитной облицовки принимают не менее высоты полок стального швеллера. Элементы усиления соединяют с полками балочного двутавра прерывистыми шпоночными сварными швами длиной l≥50 мм с шагом шпонок U≤80·r в растянутой полке и U≤40·r в сжатой полке; здесь r - радиус инерции уголка и швеллера усиления, мм. Отверстия с резьбой в элементах каркаса для установочных винтов выполняют ⌀6÷20 мм с шагом 500÷1000 мм.
o,mp
Толщину элементов огнезащитной облицовки - δ, мм, определяют по показательной функции (1):
<mrow><msub><mi>δ</mi><mrow><mi>o</mi><mo>,</mo><mi>m</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>0,7</mn><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>D</mi><mrow><mn>0,8</mn></mrow></msup><msub><mtext> </mtext><mrow><mi>a</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>m</mi><mi>o</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где С - степень огнезащиты балочного двутавра, см;
ar
2
D - показатель термодиффузии материала облицовки, мм/мин;
o
m - показатель условий нагрева балочного двутавра (0,5÷1).
u,со
Величину предела огнезащиты отдельного слоя облицовки - τ, мин, вычисляют по показательной функции (2):
<mrow><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>u</mi><mo>,</mo><mi>c</mi><mi>o</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>65</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>m</mi><mrow><mi>o</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>δ</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>D</mi><mrow><mi>c</mi><mi>o</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1,41</mn></mrow></msup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
o1
где m - показатель условий нагрева слоя облицовки (0,5÷1);
co
δ - толщина отдельного слоя огнезащитной облицовки, мм;
co
2
D - показатель термодиффузии слоя облицовки, мм/мин.
Огнезащиту двутавровой балки здания ведут при положительной и отрицательной температуре воздуха.
Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом изобретения заключена в следующем: использование предлагаемого способа огнезащиты двутавровой балки здания обеспечивает простоту и надежность крепления элементов крупноразмерной облицовки и элементов каркаса для нее за счет использования установочных винтов с потайной головкой с длинным ввинчиваемым заостренным концом и жесткого соединения (сварки) крепежной гайки к полкам балочного двутавра; снижение массы металла на изготовление элементов каркаса огнезащитной облицовки производят за счет снижения числа элементов каркаса; уменьшение площади поперечного сечения огнезащищенной двутавровой балки на 75÷95% вследствие отсутствия пустотного пространства между стальным несущим стержнем и облицовкой; повышение предела огнестойкости стальной балки с несущим стержнем в виде балочного двутавра на 25÷35% вследствие заполнения пустотного пространства внутри поперечного сечения колонны; повышение безопасности при тушении, при проведении аварийно-спасательных и восстановительных работ, а также снижение потерь от пожара возможно вследствие повышения пределов огнестойкости несущих конструкций здания; повышение надежности работы огнезащищеной балки при нормальной эксплуатации здания и в условиях пожара возможно вследствие повышения жесткости при контактном соединении балочного двутавра с листами и плитами облицовки, а также проектирование толщины элементов облицовки по предлагаемой методике расчета в зависимости от степени огнестойкости здания, показателей термодиффузии материалов облицовки и условий нагрева балочного двутавра при пожаре.
На фиг.1 изображено поперечное сечение огнезащищенной двутавровой балки с контактным присоединением элементов листовой и плитной облицовки к стальному несущему стержню:
1 - балочный двутавр; 2 - антикоррозионный слой; 3 - листовая огнезащитная облицовка; 4 - плитная огнезащитная облицовка (для стенки двутавра); 5 - плитная огнезащитная облицовка (для нижней полки двутавра); 6 - равнополочный уголок (на верхней полке двутавра, с отверстием в полке уголка для винта); 7 - неравнополочный уголок (на нижней полке двутавра, с отверстием в полке уголка для винта); 8 - сварной шов (шпоночный, прерывистый); 9 - установочные винты (с потайной головкой с ввинчиваемым заостренным концом и прямым шлицем); 10 - стеклоткань (штукатурка); 11 - клеевой слой (строительный раствор); 12 - плита перекрытия.
На фиг.2 изображена схема поперечного сечения балочного двутавра, усиленного равнополочными уголками, прикрепленными к верхней и нижней полкам двутавра.
На фиг.3 изображено поперечное сечение балочного двутавра, усиленного равнополочными уголками и стальным швеллером, прикрепленным к нижней полке двутавра: 13 - швеллер усиления (с отверстиями в полках для винтов), условные обозначения поз.1, 6÷9 и 12 приведены в описании к фиг.1).
Сведения, подтверждающие возможность применения изобретения с получением указанного выше технического результата
u.н
s
2
При реконструкции учебного корпуса университета проектом предусмотрены огнезащищенные стальные балки из прокатного профиля. Пожарно-техническая характеристика здания и его несущих балок: класс функциональной пожароопасности - Ф 4.2; степень огнестойкости - I (первая); класс конструктивной пожароопасности - СО (не пожароопасное); число этажей - 6; нормативный предел огнестойкости несущей балки F=120 мин (табл.21, ФЗ РФ №123-2009); стальной несущий стержень - балочный двутавр №20 Б-1, высота двутавра h=200 мм; ширина полки b=200 мм, толщина стенки d=6,5 мм; толщина полки δ=10 мм; площадь сечения двутавра A=28,5 см.
o
1
Огнезащита нижней полки двутавра - минватные изделия «Rockwool» маты М-50; огнезащита стенки двутавра - маты М-50 толщиной δ, мм=b/2=200/2=100 мм; плюс листовая огнезащитная облицовка - огнеупорный гипсокартонный лист (ГКЛО) толщиной δ=12,5 мм.
o,
mp
Требуемую толщину элементов огнезащитной облицовки - δ, мм, стального балочного двутавра определяют по показательному уравнению (1):
<mrow><msub><mi>δ</mi><mrow><mi>o</mi><mo>.</mo><mi>m</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>0,7</mn><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>D</mi><mrow><mn>0,8</mn></mrow></msup><msub><mtext> </mtext><mrow><mi>a</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>m</mi><mi>o</mi></msub><mo>,</mo></mrow>
где С - степень огнезащиты балочного двутавра, см;
ar
2
D - показатель термодиффузии материала облицовки, мм/мин;
o
m - показатель условий нагрева балочного двутавра (0,5÷1).
Степень огнезащиты стального балочного двутавра вычисляют по логарифмическому уравнению (3):
<mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><mi>I</mi><mi>n</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>u</mi><mi>o</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mn>48</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>J</mi><mrow><mi>σ</mi><mi>s</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>3</mn></msup><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
σs
H
при интенсивности силовых напряжений J=J=0,625,
<mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><mi>I</mi><mi>n</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>0,4</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>u</mi><mi>o</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где С - степень огнезащиты балочного двутавра, см;
uo
τ - предел огнезащиты элементов облицовки, мин;
In - натуральный логарифм.
Величину предела огнезащиты облицовки вычисляют по алгебраической формуле (5):
<mrow><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>u</mi><mi>o</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>F</mi><mrow><mi>u</mi><mo>,</mo><mi>н</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>u</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
u,н
где F - нормативный предел огнестойкости несущей балки, мин;
us
τ - предел огнестойкости двутавра без огнезащиты, мин.
u,н
us
Roc
02
ГКЛО
01
o
2
2
Пример. Дано: стальной несущий стержень - балочный двутавр из прокатного профиля №20 Б-1; нормативный предел огнестойкости несущих балок для здания I (первой) степени огнестойкости F=120 мин (табл.21 ФЗ №123-2009 г.); предел огнестойкости балочного двутавра без огнезащиты τz=20 мин; облицовка нижней полки двутавра - минватные маты М-50 изделия «Rockwool»; показатель термодиффузии - D=68,8 мм/мин; показатель условий нагрева стенки двутавра m=0,5; огнезащитная облицовка стенки балочного двутавра - огнеупорные гипсокартонные листы (ГКЛО), показатель термодиффузии - D=20 мм/мин; показатель условий нагрева полок двутавра m=0,75; плюс маты из минваты М-50 толщиной δ, мм=b/2=200/2=100 мм.
Определить толщину элементов листовой и плитной облицовки.
Решение.
1) Предел огнезащиты облицовки вычисляют по алгебраической формуле (5):
<mrow><msub><mi>τ</mi><mtext>u</mtext></msub><msub><mrow /><mrow><mtext>î </mtext></mrow></msub><mtext>-</mtext><mo>=</mo><msub><mtext>F</mtext><mrow><mtext>u</mtext><mtext>,н</mtext></mrow></msub><mtext>-</mtext><msub><mi>τ</mi><mrow><mtext>us</mtext></mrow></msub><mtext> </mtext><mo>=</mo><mtext> 120-15</mtext><mo>=</mo><mtext>105 мин</mtext></mrow>
.
σ
2) Степень огнезащиты балочного двутавра комплексной облицовкой (при J=0,625) вычисляют по логарифмической функции (4):
uo
С=In(0,4·τ)=In(0,4·105)=In42=3,74 см.
01
3) Требуемую толщину плитной огнезащитной облицовки для нижней полки балочного двутавра минераловатными изделиями «Rockwool» в виде матов М-50 (при показателе условий нагрева m=0,75) определяют по показательному уравнению (1):
mp
мм
мм
02
0,8
0,8
δ, =0,7·С· /m=0,7·3,74·68,8/0,75=103 мм>b/2=200/2=
Roc
=100 мм; принято δ=100 мм.
0
мм
4) Предел огнезащиты мата М-50 толщиной δ,=100 мм для стенки двутавра определяют по показательному уравнению (2):
u, мм
02
0
мм
мм
1,41
1,41
τ=65·m·(δ, /D)=65·0,5·(100/68,82)=55 мм.
5) Суммарный предел огнезащиты для стенки двутавра равен:
uo
u
мм
us
Στ=τ,+τ=55+15=70 мин.
uo,2
u,н
u
6) Требуемый предел огнезащиты листовой облицовки для стенки двутавра равен τ=F-Στ=120-70=50 мин.
7) Степень огнезащиты стенки двутавра листовой облицовки вычисляют по логарифмической функции (4):
uo,2
С=In(0,4·τ)=In(0,4·0)=3.
01
8) Требуемую толщину листовой огнезащитной облицовки для стенки балочного двутавра огнеупорными гипсокартонными листами (при m=1,0) вычисляют по показательному уравнению (1):
mp,ГКЛО
ГКЛО
01
0,8
0,8
δ=0,7·С·D /m=0,7·3·20/1=23 мм.
1
9) Число слоев облицовки стенки балочного двутавра из огнеупорных гипсокартонных листов (толщиной δ=12,5 мм каждый лист) равно:
ГКЛО
mp,ГКЛО
1
ГКЛО
n=δ/δ=23/12,5=1,84; принято n=2 листа с каждой стороны стенки двутавра.
к
В состав работ по способу огнезащиты двутавровой балки здания входит: подготовка поверхности балочного двутавра 1 и нанесение антикоррозионного слоя 2; выбор материалов для огнезащитной облицовки; расчет толщины элементов облицовки; изготовление элементов листовой огнезащитной облицовки 3, плитной огнезащитной облицовки для стенки 4 и плитной огнезащитной облицовки для нижней полки 5; установка уголков усиления 6, 7 на полки балочного двутавра 1; установка элементов листовой огнезащитной облицовки 3 и крепление их установочными винтами 9; нанесение клеевого слоя 11 на поверхность стенки и полок балочного двутавра 1 и приклеивание к ним элементов плитной огнезащитной облицовки для стенки 4 и плитной огнезащитной облицовки для нижней полки 5; ввинчивание каждого установочного винта 9 с потайной головкой и с заостренным концом в элементы плитной облицовки 4 и 5 на глубину l>0,2·h (здесь h - высота колонного двутавра 1); покрытие поверхности элементов огнезащитной облицовки стеклотканью 10 (по необходимости).
Предложенный способ для устройства огнезащиты двутавровой балки здания применен при реконструкции учебного корпуса №2 СГАСУ (г.Самара, 2010/12 гг.).