СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОГНЕСТОЙКОСТИ ТРУБОБЕТОННОЙ КОЛОННЫ ЗДАНИЯ
METHOD OF DETERMINING FIRE RESISTANCE OF PIPE CONCRETE COLUMN OF BUILDING

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий. В частности, оно может быть использовано для классификации трубобетонных колонн по показателям сопротивления их воздействию пожара. Это дает возможность обоснованного использования существующих железобетонных конструкций с фактическим пределом огнестойкости в зданиях различных классов пожароопасности.
Известен способ оценки огнестойкости колонны здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление вида бетона и арматуры конструкции, выявление условия их опирания и крепления, 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 / [1].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе испытания проводят на образце железобетонной колонны, на который воздействуют только постоянные и длительные нагрузки в их расчетных значениях с коэффициентом надежности равным единице.
Испытания проводят на специальном стендовом оборудовании в огневых печах до разрушения образцов конструкций. Размеры образцов ограничивают в зависимости от проемов стационарных огневых печей. Следовательно, стандартные огневые испытания трудоемки, не эффективны, не безопасны, 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. Оценка огнестойкости железобетонной колонны по единичному показателю качества, например, по толщине защитного слоя бетона, как правило, недооценивает пригодность эксплуатации колонны в здании заданной степени огнестойкости. По малому числу испытуемых образцов (2-3 шт.) невозможно судить о действительном состоянии колонн здания. Результаты огневого испытания единичны и не учитывают разнообразия в закреплении концов железобетонной колонны, их фактических размеров, фактического армирования и схемы обогрева опасного сечения испытуемой конструкции в условиях пожара.
Известен способ определения огнестойкости трубобетонной колонны путем выявления распределения температур по ее сечению и определения в величины предельной несущей способности колонны в процессе пожара, сравнивая ее с испытательной нагрузкой / Бартелеми Б., Крюппа Ж. Огнестойкость строительных конструкций / перевод с фран. - М., Стройиздат, 1985. - 216 с. (см. гл. 5 п. 5.2 Колонны замкнутого сечения, заполненные бетоном, с. 169-175) [2]
Недостаток известного способа заключается в сложности и неточности результатов проведения теплотехнического и прочностного расчетов потери несущей способности трубобетонной колонны в условиях пожара.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ оценки огнестойкости железобетонной колонны здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление вида бетона и арматуры железобетонной колонны, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности железобетонной колонны под испытательной нагрузкой в условиях стандартного огневого воздействия. Испытание железобетонной колонны проводят без разрушения по комплексу единичных показателей качества, технический осмотр дополняют инструментальными измерениями геометрических размеров железобетонной колонны и ее опасного сечения, устанавливают площади бетона и рабочей арматуры в опасном сечении, определяют показатели плотности бетона и его влажности в естественном состоянии и величину показателя термодиффузии бетона, находят предельные сопротивления бетона и арматуры на сжатие, степень армирования расчетного сечения колонны, устанавливают величину испытательной нагрузки на железобетонную колонну и величину интенсивности силовых напряжений в расчетном сечении, и, используя полученные интегральные параметры железобетонной колонны по номограмме вычисляют фактический предел огнестойкости , мин / Патент №2281482 RU МПК G01N 25/50. Способ определения огнестойкости сжатых элементов железобетонных конструкций здания / Ильин Н.А., Бутенко С.А., Эсмонт С.В.; заяв. СГАСУ: 06.09.04; опубл. 18.02.06. Бюл. №22 /[3].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что использование номограммы для определения фактической огнестойкости железобетонной колонны дает результаты расчета с большей погрешностью, в ряде случаев требуется дополнительное построение графиков номограммы; кроме этого при построении номограммы не учитываются показатели надежности железобетонной колонны по назначению (уровню ответственности), не учтено влияние прогиба внецентренно сжатого сечения колонны на несущую способность.
Сущность изобретения заключается в установлении показателей пожарной безопасности здания в части гарантированной длительности сопротивления трубобетонной колонны в условиях пожара; в определении фактических пределов огнестойкости трубобетонной колонны при проектировании, строительстве и эксплуатации здания; в снижении экономических затрат при испытании трубобетонной колонны на огнестойкость.
Технический результат - исключение огневых испытаний при определении огнестойкости трубобетонной колонны здания; снижение трудоемкости оценки огнестойкости трубобетонной колонны, расширение технологических возможностей определения фактической огнестойкости различно нагруженных трубобетонных колонн любых размеров и возможность сопоставления полученных результатов с результатами испытаний аналогичных колонн здания; возможность проведения испытания конструкций на огнестойкость без нарушения функционального процесса в здании; снижение экономических затрат; сохранение эксплуатационной пригодности здания при обследовании и неразрушающих испытаниях трубобетонной колонны; упрощение условий и сокращение сроков испытания колонн на огнестойкость; повышение точности и оперативности определения огнестойкости трубобетонной колонны.
ur
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе определения огнестойкости колонны здания, включающем проведение технического осмотра, установление вида бетона колонны, выявление условий ее опирания и крепления, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности колонны под испытательной нагрузкой в условиях стандартного огневого воздействия, проведение оценочных испытаний без разрушения по комплексу единичных показателей качества колонны, при котором технический осмотр сопровождают инструментальными измерениями геометрических размеров колонны и ее опасного сечения, устанавливают площади бетона и стали в опасном сечении, влажность и плотность бетона в естественном состоянии, определяют показатели термодиффузии бетона, находят предельные сопротивления бетона на сжатие и величину интенсивности силовых напряжений в опасном сечении, особенностью является то, что определяют огнестойкость трубобетонной колонны, выполненной из металлической трубы, заполненной бетоном, при этом дополнительно выявляют уровень ответственности колонны по назначению, определяют критическую силу, жесткость трубобетонной колонны и влияние ее прогиба на изгибающий момент продольной силы, степень армирования сечения колонны металлом трубы, выявляют предел сопротивления сжатию металла трубы, определяют приведенную толщину металла трубы и время сопротивления огневому воздействию металлической трубы, незаполненной бетоном, вычисляют длительность огнезащиты бетона металлом трубы и предел огнестойкости трубобетонной колонны от начала стандартного огневого воздействия до потери несущей способности (F, мин), который определяют, используя аналитическое уравнение (1):
b
σo
σo
мт
мт
n
n
n
n
вт
и.озс
вп
2
где d - диаметр бетонного сечения колонны, мм; J - интенсивность силовых напряжений в опасном сечении колонны, J≤1; α - степень армирования сечения колонны металлом трубы, α≤1,66; γ- коэффициент уровня ответственности по назначению: пониженный - γ=0,8; нормальный - γ=1,0; повышенный - γ=1,2; D - показатель термодиффузии бетона, мм/мин; τ - длительность огнезащиты бетона металлом трубы, мин; R - нормативное сопротивление бетона осевому сжатию, МПа.
σо
Интенсивность силовых напряжений в опасном сечении трубобетонной колонны I находят, используя уравнение (2):
ξ
сс
где М и М - изгибающий момент от расчетной продольной силы с учетом прогиба колонны и соответственно изгибающий момент, характеризующий предельную несущую способность колонны, кН⋅м.
р
2
Площадь сечения металла трубы А, мм вычисляют по уравнению (3):
мт
b
где d и d - наружный диаметр металлической трубы и соответственно диаметр бетонного сечения колонны, мм.
мт
Степень армирования сечения колонны металлом трубы α вычисляют по уравнению (4):
р
b
ип
вп
2
где А и А - площадь сечения металлической трубы и соответственно площадь сечения бетона колонны, мм; R и R - предельное сопротивление металла трубы и соответственно нормативное сопротивление бетона осевому сжатию, МПа.
sr
Приведенную толщину металла трубы (θ, мм) определяют по уравнению (5):
мт
мт
где δ - толщина металла трубы, мм; d - наружный диаметр металлической трубы, мм.
и,мт
Время сопротивления огневому воздействию металлической трубы, незаполненной бетоном (τ) определяют по уравнению (6):
σо
σo
sr
где J - интенсивность начальных напряжений от испытательной нагрузки в опасном сечении колонны, J≤1; θ - приведенная толщина металла трубы, мм.
cr
Критическую силу N, кН, воспринимаемую трубобетонной колонной вычисляют по уравнению (7):
0
где Ж - жесткость трубобетонной колонны;  - расчетная длина колонны, м; π=3,14.
0
Жесткость трубобетонной колонны (Ж) вычисляют по уравнению (8):
р
b1
р
pc
р
b
s
s
4
где Е и Е - модуль упругости арматуры и соответственно модуль деформации сжатого бетона при продолжительном действии нагрузки, МПа; I и I - момент инерции арматуры и соответственно бетонного сечения относительно центра тяжести бетонного сечения, мм;  - расчетная длина колонны, м; π=3,14; R - нормативное сопротивление металла трубы при сжатии в составе трубобетонной колонны, МПа; А - площадь сечения металла трубы; k, k - коэффициенты для расчета жесткости бетона и стали соответственно: k=0,7;
е
где  - коэффициент, учитывающий влияние длительности действия нагрузки; δ - относительное значение эксцентриситета продольной силы, определяемое из соотношения (10):
мт
где d - наружный диаметр металлической трубы, мм;
0
е - эксцентриситет продольной силы, мм;
pc
R - нормативное сопротивление металла трубы, вычисляемое по уравнению (11):
ип
где R - предельное сопротивление металла трубы, МПа;
мт
мт
е - эксцентриситет приложенной силы с учетом случайного эксцентриситета, мм; δ - толщина металла трубы, мм; d - наружный диаметр металлической трубы, мм.
За единичные показатели качества трубобетонной колонны, влияющие на предел огнестойкости, принимают: геометрические размеры металлической трубы и ее бетонного сечения, жесткость трубобетонной колонны, прочность бетона на осевое сжатие, степень армирования сечения колонны металлом трубы, сопротивление металла трубы при сжатии, модуль упругости металла трубы и модуль деформации сжатого бетона при продолжительном действии нагрузки, интенсивность силовых напряжений в опасном сечении, влажность и плотность бетона в естественном состоянии, показатель термодиффузии бетона, длительность огнезащиты бетона металлом трубы.
Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом заключена в следующем.
Исключение огневых испытаний трубобетонной колонны существующего здания и замена их на неразрушающие испытания снижает трудоемкость оценки ее огнестойкости, расширяет технологические возможности выявления фактического предела огнестойкости различно нагруженных колонн любых размеров, дает возможность проведения испытания трубобетонных колонн на огнестойкость без нарушения функционального процесса обследуемого здания, а также сопоставления полученных результатов с результатами стандартных испытаний аналогичных трубобетонных колонн, сохраняя эксплуатационную пригодность обследуемого здания без нарушения несущей способности его конструкций в процессе испытания. Следовательно, условия испытания трубобетонной колонны здания на огнестойкость значительно упрощены. Снижение экономических затрат на проведение испытания достигается за счет исключения расходов на демонтаж, транспортирование и огневые испытания образца трубобетонной колонны.
Применение математического описания процесса сопротивления нагруженной трубобетонной колонны стандартному огневому испытанию и использование построенного полипараметрического уравнения (1) повышает точность и оперативность оценки проектной огнестойкости.
Использование интегральных конструктивных параметров, как то: степени армирования сечения колонны металлом трубы и показателя термодиффузии бетона упрощает математическое описание процесса сопротивления нагруженной трубобетонной колонны огневому воздействию.
Оценка огнестойкости трубобетонной колонны только по одному показателю качества, например, по толщине металла трубы, приводит, как правило, к недооценке ее фактической огнестойкости, поскольку влияние на нее 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 трубобетонной колонны проводят не по одному показателю, а по комплексу единичных показателей ее качества. Это позволяет более точно учесть реальный ресурс огнестойкости трубобетонной колонны.
Уточнен комплекс единичных показателей качества трубобетонной колонны, влияющих на огнестойкость, определяемых неразрушающими испытаниями.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения, с получением указанного выше технического результата.
Способ оценки фактической огнестойкости трубобетонной колонны здания проводят в следующей последовательности. Сначала проводят визуальный осмотр конструкций здания. Затем определяют группу однотипных трубобетонных колонн и их общее число в нем. Вычисляют величину выборки однотипных колонн. Назначают комплекс единичных показателей качества трубобетонных колонн, влияющих на огнестойкость. Выявляют условия закрепления концов и опасные сечения трубобетонных колонн. Вычисляют число испытаний единичного показателя качества трубобетонной колонны в зависимости от его статистической изменчивости. Затем оценивают единичные показатели качества трубобетонной колонны и ее интегральные параметры, и по ним находят проектный предел огнестойкости испытуемой колонны.
Изобретение поясняется чертежом, где стрелками показано направление действия высокой температуры стандартного пожара , °С.
0
cir
b
s
На чертеже изображена схема расчета на огнестойкость трубобетонной колонны: продольное сечение (фиг. 1) и поперечное сечение (фиг. 2), где приняты следующие обозначения: 1 - металлическая труба, 2 - бетон; N - продольная сила, кН; е - эксцентриситет продольной силы относительно центра тяжести приведенного сечения, мм; D - диаметр трубобетонной колонны, мм; r, r - радиусы бетонного сечения и металлической трубы, мм; , - температура стандартного пожара, °С.
К основным единичным показателям качества трубобетонной колонны, обеспечивающих огнестойкость, относятся: геометрические размеры металлической трубы и ее бетонного сечения, жесткость трубобетонной колонны, прочность бетона на осевое сжатие, степень армирования сечения колонны металлом трубы, сопротивление металла трубы сжатию, интенсивность силовых напряжений в опасном сечении, влажность и плотность бетона в естественном состоянии, показатель термодиффузии бетона, модуль упругости металла трубы и модуль деформации сжатого бетона при продолжительном действии нагрузки, длительность огнезащиты бетона металлом трубы.
Проверяемыми геометрическими размерами являются: диаметр опасного сечения трубобетонной колонны. Размеры конструкции проверяют с точностью ±1 мм; ширину трещин с точностью до 0,05 мм.
Предложенный способ позволяет учитывать реальный ресурс трубобетонной колонны по огнестойкости благодаря использованию комплекса единичных показателей ее качества, а также благодаря учету показателей надежности трубобетонной колонны по назначению и показателей ее продольного прогиба.
Пример.
b
b
b
р
ν
ν
4
2
2
2
Дано: трубобетонная колонна нижнего этажа рамного каркаса длиной 4,8 м; бетонного сечения диаметром d=400 мм; бетон класса В25 (E=3⋅10 МПа, R=14,5 МПа; =18,5 МПа; =25,3 мм/мин); толщина трубы =3,5 мм; марка стали трубы ВСт3КП (=370 Н/мм); площадь сечения металлической трубы А=4437 мм (=407 мм); продольные силы и моменты в верхнем опорном сечении: от вертикальных нагрузок N=1500 кН; M=30 кН⋅м; ветровая и кратковременные вертикальные нагрузки отсутствуют.
Требуется выявить интенсивность силовых напряжений верхнего опорного сечения и вычислить проектный предел огнестойкости трубобетонной колонны.
Расчет.
ν
h
1) Рассматриваемое сечение расположено у податливой заделки, следовательно η=1,0. Определяем коэффициент η. При этом расчетную длину принимаем равной . Усилия от нагрузок равны:
ν
ν
M=M=30 кН⋅м; N=N=1500 кН;
0
е=M/N=30/1500=0.02=20 мм;
ν
ν
0
где М, M - приложенный момент кН⋅м; N, N - приложенная сила кН⋅м; е - эксцентриситет продольной силы, мм.
е - эксцентриситет приложенной силы с учетом случайного эксцентриситета, мм;
0
а
е=е+е=20+13,5=33,5 мм;
0
а
где е - эксцентриситет приложенной силы, мм; е - случайный эксцентриситет, мм, принимаемый по СП 266.13258000.2016 п. 7.1.1.5, 7.1.1.6/ [5]
0
2) Определяем жесткость Ж колонны.
b
Для этого вычисляем коэффициент для расчета жесткости бетона k:
е
где  - коэффициент, учитывающий влияние длительности действия нагрузки; δ - относительное значение эксцентриситета продольной силы.
В связи с отсутствием вертикальных кратковременных нагрузок , коэффициент, учитывающий влияние длительности действия нагрузки будет равен:
Поскольку
e
0,15≤δ≤1,5;
е
где δ - относительное значение эксцентриситета продольной силы.
e
0
е
δ=e/h=33,5/407=0,08 мм ⇒ принимаем δ=0,15
3) Моменты инерции бетонного сечения и всей арматуры соответственно равны:
p
b
4
где I и I - момент инерции арматуры и соответственно бетонного сечения, мм; π=3,14;  и d - наружный диаметр металлической трубы и соответственно диаметр бетонного сечения колонны, мм;  - толщина металла трубы, мм.
0
2
4) Тогда жесткость трубобетонной колонны (Ж, кН⋅м) принимается из условия:
s
b
р
р
p
2
4
где k=0,7 - коэффициент для расчета жесткости стали; k - коэффициент для расчета жесткости бетона;  - расчетная длина колонны, м; π=3,14; А - площадь сечения металлической трубы, мм; Е - модуль упругости арматуры, МПа; I и I - момент инерции арматуры и соответственно бетонного сечения, мм;
b1
b
b,cr
4
E=E/(1+ϕ)=3⋅10/(1+2,5)=8571,5 МПа - модуль деформации сжатого бетона при продолжительном действии нагрузки;
b,cr
ϕ=2,5 - коэффициент ползучести бетона, принимаемый по таблице 6.12 СП 63.13330.2012/[4];
pc
R - нормативное сопротивление металла трубы при сжатии в составе трубобетонной колонны, МПа;
где ;  - предельное сопротивление металла трубы, МПа; е - эксцентриситет приложенной силы с учетом случайного эксцентриситета, мм;  - толщина металла трубы, мм;  - наружный диаметр металлической трубы, мм.
01
b
b1
s
p
p
6
5
6
3
2
Ж=kEI+kEI=0,167⋅8571,5⋅1256⋅10+0,7⋅2⋅10⋅90,25⋅10=14,44⋅10 кН⋅м;
р
b1
0
pc
р
b
s
где Е и E - модуль упругости арматуры и соответственно модуль деформации сжатого бетона при продолжительном действии нагрузки, МПа; l - расчетная длина колонны, м; π=3,14; R - нормативное сопротивление металла трубы при сжатии в составе трубобетонной колонны, МПа; А - площадь сечения металла трубы; k, k - коэффициенты для расчета жесткости бетона и стали.
0
3
2
Принимаем минимальное значение жесткости Ж=5,27⋅10 кН⋅м
;
cr
0
2
где N - критическая нагрузка, кН; Ж - жесткость трубобетонной колонны, кН⋅м;  - расчетная длина колонны, м; π=3,14.
h
cr
η=1/(1-N/N)=1/(1-1500/2258)=2,979;
cr
где N и N - вертикальная сила и критическая нагрузка, кН.
6) Расчетный момент с учетом прогиба колонны равен:
ν
h
М=M⋅η=30⋅2,979=89,37 кНм
сс
Изгибающий момент, характеризующий предельную несущую способность колонны (М, кН⋅м) находится по формуле:
b
p
р
pc
2
где r - радиус бетонного сечения, мм; r - радиус срединной поверхности трубы, мм;  - нормативное сопротивление бетона при сжатии в составе трубобетонной колонны, МПа; π=3,14; А - площадь сечения металлической трубы, мм;  - предельное сопротивление металла трубы, МПа; R - нормативное сопротивление металла трубы при сжатии в составе трубобетонного элемента, МПа;
где  - наружный диаметр металлической трубы, мм;  - толщина металла трубы, мм.
- нормативное сопротивление бетона при сжатии в составе трубобетонной колонны;
а
где  - площадь сечения бетона колонны; е - эксцентриситет приложенной силы с учетом случайного эксцентриситета, мм; , b, с - постоянные определяемые по СП 266.13258000.2016/ [5];  - нормативное сопротивление бетона осевому сжатию, МПа;  - толщина металла трубы, мм;  - наружный диаметр металлической трубы, мм.
Угол α находится в соответствии с СП 266.13258000.2016/ [5].
σo
7) Величину интенсивности силовых напряжений (J) в сечении трубобетонной колонны вычисляют по уравнению (2):
σo
ξ
cc
J=M/M=89,37/179,73=0,5;
ξ
сс
где M и М - изгибающий момент от расчетной продольной силы с учетом прогиба колонны и соответственно изгибающий момент, характеризующий прочность круглого сечения, кН⋅м.
8) Степень армирования сечения колонны металлом трубы () трубобетонной колонны вычисляют по уравнению (4):
р
b
2
где А и A - площадь сечения металла трубы и соответственно площадь сечения бетона колонны, мм;  и  - предельное сопротивление металла трубы сжатию и соответственно нормативное сопротивление бетона осевому сжатию, МПа.
9) Время сопротивления огневому воздействию металла трубы, незаполненной бетоном, вычисляют по уравнению (6):
σo
σo
где J - интенсивность начальных напряжений от испытательной нагрузки в опасном сечении колонны (J≤1);  - приведенная толщина металла трубы, мм.
10) Длительность огнезащиты бетона металлом трубы вычисляют по уравнению (7):
где  - показатель условий нагрева металла трубы (=1/3);  - время сопротивления огневому воздействию металла трубы, незаполненной бетоном, мин.
ur
11) Проектный предел огнестойкости трубобетонной колонны по потере несущей способности (F, мин) вычисляют по уравнению (1):
b
σo
σо
2
где d - диаметр бетонного сечения колонны, мм; J - интенсивность силовых напряжений в опасном сечении колонны (J≤1);  - степень армирования сечения колонны металлом трубы (≤1,66);  - коэффициент уровня ответственности по назначению (пониженный - =0,8; нормальный - =1,0; повышенный - =1,2);  - показатель термодиффузии бетона, мм/мин;  - нормативное сопротивление бетона осевому сжатию, МПа;  - длительность огнезащиты бетона металлом трубы, мин.
Исследуемой колонне можно присвоить III степень огнестойкости, что соответствует 45 мин [6].
Источники информации
1. ГОСТ 30247.1-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции.
2. Бартелеми Б., Крюппа Ж. Огнестойкость строительных конструкций/перев. с франц. - М., Стройиздат, 1985. - 216 с. (гл. 5, п. 5.2 Колонны замкнутого сечения, заполненные бетоном, с. 169-175).
3. Патент №2281482 RU МПК G01N 25/50. Способ определения огнестойкости сжатых элементов железобетонных конструкций здания / Ильин Н.А., Бутенко С.А., Эсмонт С.В.; заяв. СГАСУ: 06.09.04; опубл. 18.02.06. Бюл. №22.
4. СП 63.13330.2012 «СНиП 52-01-2003. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения».
5. СП 266.1325800.2016 Конструкции сталежелезобетонные. Правила проектирования.
6. «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности». ФЗ №123 - 2008 г., с испр. 2012, 2013 гг.