ОГНЕЗАЩИЩЕННАЯ ДВУТАВРОВАЯ БАЛКА ЗДАНИЯ

Полезная модель относится к области пожарной безопасности зданий и сооружений (далее по тексту - зданий). В частности, она может быть использована при проектировании и изготовлении 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.
Известна конструкция огнезащищенной двутавровой балки здания, облицовка которой представлена в виде двух скорлуп из пустотелого керамического камня, вплотную уложенная к стенке и нижней полке двутавра /Ройтман М.Я. Пожарная профилактика в строительном деле / ВИПТШ, Редакционно-издательский отдел. - М., 1975., - 525 с; (гл.5 Огнезащита металлический конструкций; §5.2. Повышение огнестойкости стальных конструкций; рис.5.2, с.116-117)/ [1].
3
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции огнезащищенной двутавровой балки относится то, что в известной конструкции элементы облицовки выполнены 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%; изделия облицовки в виде скорлуп из керамического камня строительная промышленность не выпускает, следовательно оно не индустриально и не экономично.
Известна конструкция огнезащищенной двутавровой балки здания, содержащая стальной двутавр и огнезащитную облицовку из крупноразмерных листов и плит, установленных на относе, - зазор между огнезащитной облицовкой и гранями защищаемого стального несущего стержня принят не менее 25 мм; каркас огнезащитной облицовки выполнен в виде рамы, состоящей из стальных продольных и поперечных элементов, высотой 40÷75 мм; крепление стальных элементов каркаса между собой осуществлено самонарезающими винтами 5×25÷5×45 /Романенков И.Г., Левитес Ф.А. Огнезащита строительных конструкций. - М.: Стройиздат, 1991. - 320 с.; (гл.4 Конструктивные способы огнезащиты; п.4.2 - Крупно-размерные листовые, плитные и рулонные облицовки; рис.8, с.131-133)/ [2].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции огнезащищенной балки здания, относится то, что в известной конструкции применено значительное число элементов каркаса и, вследствие этого, повышен расход металла на изготовление каркаса для огнезащитной облицовки; при проектировании пустот и зазоров между стенкой и полками двутавра и плитами защитной облицовки увеличиваются 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 механических повреждений и сквозных отколов).
пуст
2
Наиболее близким техническим решением к полезной модели по совокупности признаков является конструкция огнезащищенной двутавровой балки здания, содержащая стальной несущий стержень с анкерами на его боковых гранях, каркас из профилей С-образного сечения, состоящий из продольных элементов с отгибами по краям полок и поперечных элементов, облицовки из листовых материалов, которая прикреплена 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 составляет А=650 см) /А.с. SU 887755 МКИ-3 E04B 1/94 Строительный узел здания / Ю.В.Покровский, В.В.Федоров, М.М.Карабочинский и другие; заяв. 21.02.80; опубл. 07.12.81; Бюлл. №45/ [3], - принято за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции огнезащищенной двутавровой балки здания, относится то, что в известной конструкции применено значительное число элементов каркаса и, вследствие этого, повышен расход металла на изготовление каркаса для огнезащитной облицовки; при проектировании пустот и зазоров между стенкой и полками двутавра и плитами защитной облицовки увеличиваются размеры поперечного сечения облицованной балки (площадь сечения возрастает на 30÷40%; расход материалов облицовки - на 30÷35%); снижается проектный предел огнестойкости огнезащищенной балки 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 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 полезной модели заключается в следующем. Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, состоит в повышении огнестойкости и эксплуатационной надежности огнезащищенной двутавровой балки здания, а также на улучшение 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 полезной модели достигается тем, что в известной конструкции огнезащищенной двутавровой балки здания, содержащей несущий стержень, элементы усиления балочного двутавра и листовую облицовку, прикрепленную к балочному каркасу, особенностью является то, что стальной несущий стержень выполнен в виде балочного двутавра, к которому прикреплены элементы усиления из стальных прокатных профилей с отверстиями с нарезанной внутренней резьбой, в которых размещены установочные винты с потайной головкой и ввинчиваемым заостренным концом, элементы усиления прикреплены снизу сжатой и растянутой полок балочного двутавра, к которым установочными винтами прикреплены в плотную элементы листовой и плитной огнезащитной облицовки; толщина элементов облицовки определена с учетом показателей термодиффузии ее материалов, условий нагрева балочного двутавра и нормативного предела огнестойкости несущей двутавровой балки здания.
ш
1
min
2
min
min
Элементы усиления балочного двутавра, расположенные снизу сжатой и растянутой полок балочного двутавра, выполнены в виде двух пар стальных уголков. Элемент усиления балочного двутавра, расположенный снизу растянутой полки балочного двутавра, выполнен в виде стального швеллера. Толщина плитной огнезащитной облицовки принята не менее высоты полок стального швеллера. Элементы усиления балочного двутавра соединены с полками балочного двутавра прерывистыми шпоночными сварными швами длиною 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 усиления балочного двутавра для установочных винтов выполнены ⌀ 6÷20 мм с шагом 500÷1000 мм.
o,mp
Толщина элементов огнезащитной облицовки - δ, мм, определена по показательному уравнению (1):
где С - степень огнезащиты балочного двутавра, см;
ar
2
D - показатель термодиффузии материала облицовки, мм/мин;
o
m - показатель условий нагрева балочного двутавра, (0,25÷1).
u,co
Величина предела огнезащиты отдельного слоя облицовки - τ, мин, вычислена по показательному уравнению (2):
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.
Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом полезной модели заключена в следующем: использование предлагаемой конструкции огнезащищенной 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 термо-диффузии 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, прикрепленным 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; (обозначения поз.1, 6÷9 и 12 приведены в описании к фиг.1);
13 - швеллер усиления (с отверстиями в полках для винтов).
Сведения, подтверждающие возможность применения полезной модели с получением указанного выше технического результата.
u,mp
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 №20Б-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 А=28,5 см.
о
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
Требуемая толщина элементов огнезащитной облицовки - δ, мм; стального балочного двутавра определена по показательному уравнению (1):
где С - степень огнезащиты балочного двутавра, см;
ar
2
D - показатель термо-диффузии материала облицовки, мм/мин;
o
m - показатель условий нагрева балочного двутавра (0,5÷1).
Степень огнезащиты стального балочного двутавра вычислена по логарифмической функции (3):
σs
при интенсивности силовых напряжений J=0,625,
где С - степень огнезащиты балочного двутавра;
uo
τ - предел огнезащиты элементов облицовки, мин;
In - натуральный логарифм.
Величина предела огнезащиты облицовки вычислена по алгебраической формуле (5):
u,н
где F - нормативный предел огнестойкости несущей балки, мин;
us
τ - предел огнестойкости балочного 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 τ=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=b/2=200/2=100 мм.
Определить толщину элементов листовой и плитной облицовки.
Решение. 1) Предел огнезащиты облицовки вычислен по алгебраической формуле (5):
uo
u,н
us
τ=F-τ=120-15=105 мин.
σs
2) Степень огнезащиты балочного двутавра комплексной облицовкой (при J=0,625) вычислена по показательному уравнению (4):
uo
С=In(0,4·τ)=In(0,4·105)=In42=3,74.
02
3) Требуемая толщина плитной огнезащитной облицовки для нижней полки балочного двутавра минераловатными изделиями «Rockwool» в виде матов M-50 (при показателе условий нагрева m=0,75) определена по показательному уравнению (1):
о,мм
4) Предел огнезащиты мата М-50 толщиной δ=100 мм для стенки двутавра определен по показательному уравнению (2):
u,мм
02
о,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:
u
u,мм
us
∑τ=τ+τ=55+15=70 мин.
uo,2
u,н
u
6) Требуемый предел огнезащиты листовой облицовки для стенки двутавра равен τ=F-∑τ=120-70=50 мин.
7) Степень огнезащиты стенки двутавра листовой облицовки вычислена по логарифмическому уравнению (4):
uo,2
С=In(0,4·τ)=In(0,4·50)=3.
01
8) Требуемая толщина листовой огнезащитной облицовки для стенки балочного двутавра огнеупорными гипсокартонными листами (при m=1,0), вычислена по показательному уравнению (1):
.
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 устройству 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 облицовки для стенки - 4 и плитной огнезащитной облицовки для нижней полки - 5; установка уголков усиления - 6 и 7 на полоки 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 приклеивания 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 на глубину l≥0,2·h (здесь h - высота колонного двутавра - 1); покрытие поверхности элементов плитной огнезащитной облицовки для стенки - 4 и плитной огнезащитной облицовки для нижней полки - 5 стеклотканью - 10.
Предложенный способ для устройства огнезащиты двутавровой балки здания применен при реконструкции учебного корпуса №2 СГАСУ (г.Самара, 2010/12 гг.).
Источники информации
1. 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(б), с.116÷117).
2. Романенков И.Г., Левитес Ф.А. Огнезащита строительных конструкций. - М.: Стройиздат, 1991. - 320 с. (гл.4 Конструктивные способы огнезащиты; п.4.2. - Крупнозамерные листовые, плитные и рулонные облицовки; рис.8, с.131÷133).
3. А.с. SU №887755 МКИ-3 Е04В 1/94 Строительный узел здания / Ю.В.Покровский, В.В.Федоров, М.М.Карабочинский и др.; заяв. 21.02.80; опубл. 07.12.81, Бюл. №45.