способ определения огнестойкости растянутых элементов железобетонных конструкций здания

Формула изобретения

1. Способ определения огнестойкости растянутых элементов железобетонных конструкций здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, инструментальное измерение геометрических размеров конструкций и их опасных сечений, определение числа и диаметров рабочих стержней арматуры, их взаимного расположения и толщины защитного слоя бетона, выявление формы конструкций, схем обогрева, их опасных сечений при пожаре и условий нагревания рабочей арматуры, установление глубины залегания стержней рабочей арматуры и степени ее огнезащиты, экспериментальное определение показателей плотности бетона и его влажности в естественном состоянии, величины коэффициента температуропроводности бетона, характеристики рабочей арматуры сопротивлению на растяжение, определение величины приложенной рабочей нормативной нагрузки на конструкции и интенсивности силовых напряжений в рабочей арматуре, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности конструкции под нормативной нагрузкой в условиях стандартного теплового воздействия, отличающийся тем, что определение огнестойкости растянутых элементов железобетонных конструкций зданий проводят без огневого воздействия неразрушающими методами испытаний, используя комплекс единичных показателей качества растянутых элементов железобетонных конструкций, вычисляют число испытаний для каждого единичного показателя качества, определяют число и место расположения участков, в которых определяют показатели качества, при этом технический осмотр дополняют определением группы однотипных растянутых элементов железобетонных конструкций, за единичные показатели качества принимают геометрические размеры опасного сечения, глубину залегания, диаметр, степень напряжения и предел текучести арматуры, влажность и плотность бетона, толщину защитного слоя и показатель тепловой диффузии (коэффициент температуропроводности) бетона, вычисляют интегральные теплотехнические и конструктивные параметры J _s, С, t_cr, где J _s - интенсивность силовых напряжений в продольной рабочей арматуре в опасном сечении конструкций; С - приведенная толщина защитного слоя бетона для растянутой рабочей арматуры (мера огнезащиты), мм; t_cr - критическая температура для арматурной стали, °С, и, используя их, определяют по номограмме фактические пределы огнестойкости растянутых элементов железобетонных конструкций F_ur, мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что интенсивность силовых напряжений в продольной рабочей арматуре растянутых элементов железобетонных конструкций от рабочей нормативной нагрузки определяют из условия

где A_s и A_s,mp - соответственно площади арматуры фактически (по проекту) установленной в опасных сечениях элемента и требуемая по расчету на прочность, мм ²;

R_s и R_su - расчетные и предельные сопротивления арматуры растяжению, МПа;

N и N - расчетная продольная сила и усилие от рабочей нормативной нагрузки, кН.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что предельное сопротивление арматуры растяжению для определения огнестойкости растянутых элементов железобетонных конструкций определяют по формуле R_su=R_sn/0,9,

где R_su и R_sn - соответственно нормативное и предельное сопротивление арматуры растяжению, МПа.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что усилие от рабочей нормативной нагрузки в растянутых элементах железобетонной конструкции вычисляют по формуле

где N_дл - длительная часть расчетной нагрузки, кН;

_pm - коэффициент надежности по нагрузке для веса строительных конструкций и оборудования.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что приведенную толщину защитного слоя бетона для продольной рабочей арматуры (меру огнезащиты) растянутого элемента железобетонной конструкции определяют по формуле

С=12·m₀·a_min/D^0,8 _вm,

где m₀ - показатель условий нагрева арматуры в опасных сечениях элементов (0,25-1,0);

a_min - минимальная глубина залегания арматуры, мм;

D_вm - показатель тепловой диффузии бетона, мм²/мин.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что величины показателей условий нагрева стержней рабочей арматуры растянутых железобетонных элементов при симметричном их расположении относительно биссектрисы углов прямоугольных поперечных сечений и 1-, 2-, 3-, 4-стороннем обогреве принимают соответственно равным m₀=1; 0,5; 0,33 и 0,25.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что при несимметричном расположении арматурных стержней относительно биссектрис углов прямоугольных поперечных сечений железобетонных элементов показатели условий нагрева арматуры при 2-, 3-стороннем обогреве (при a_x1 a_x2; a_у a_x1) вычисляют по формуле

где a_x1, a_x2, a_у - соответственно глубины залегания арматурных стержней от обогреваемых граней элемента по осям координат поперечных сечений, мм; при a_у<a_x1 - в числителе формулы принимают обратное соотношение величины осевых расстояний, т.е. a_x1 /a_у.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что глубины залегания стержней рабочей арматуры по осям координат (осевые расстояния a_х,у) определяют по формуле

где u_х,у - толщины защитных слоев соответственно по осям х или у, мм;

d_s - номинальный диаметр арматурных стержней, мм.

9. Способ по п.5, отличающийся тем, что величину показателя тепловой диффузии бетона D_вm , мм²/мин, определяют экспериментально или находят из выражения

где ₀ и С₀ - показатели теплопроводности бетона, Вт/(м·°С), и удельной теплоемкости, кДж/(кг·°С), при нормальной температуре (20±5°С);

b и d - термические коэффициенты теплопроводности и теплоемкости бетона при осредненной температуре 450°С;

_с и - плотность бетона в сухом состоянии, кг/м³ , и его влажность, мас.%.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что неразрушающие испытания проводят для группы однотипных элементов конструкций, различия между прочностью бетона и текучестью арматуры которых обусловлены главным образом случайным фактором.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что схемы обогрева поперечных сечений испытуемых элементов железобетонных конструкций в условиях пожара определяют в зависимости от фактического расположения частей здания.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что для элементов железобетонных конструкций с симметричным поперечным сечением и с симметричным обогревом в условиях теплового воздействия глубину залегания группы стержней рабочей арматуры от обогреваемой поверхности по нормали к ней определяют осредненно путем нахождения геометрического центра площадей соответствующих стержней для каждой армированной зоны сечения, разделенного осью симметрии.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что в случае расположения группы стержней рабочей арматуры только по оси симметрии поперечного сечения элемента конструкции глубину ее залегания определяют осредненно путем нахождения геометрического центра площадей всех стержней армированной зоны сечения.

14. Способ по п.12, отличающийся тем, что глубина залегания рабочей арматуры (осевые расстояния a_х и a_у, мм) от обогреваемых в условиях теплового воздействия граней испытуемого элемента конструкции определяют по формулам

где x_i и у_i - осевое расстояние i-го стержня по осям координат, мм;

n и А_i - число стержней арматуры и площадь i-го стержня, мм² .

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что число испытаний n_ис единичного показателя качества элементов конструкций при вероятности результата 0,95 и точности 5% принимают по формуле

где - выборочный коэффициент вариации результатов испытаний, %.

16. Способ по п.12, отличающийся тем, что в случае, когда все единичные показатели качества элементов конструкций (при М более 9) находятся в контрольных пределах, минимальное целое число элементов конструкций в выборке по плану сокращенных испытаний М_min, шт, назначают из условия

где М - число однотипных конструкций в здании, шт.

17. Способ по п.15, отличающийся тем, что в случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества элементов конструкций выходит за границы контрольных пределов, минимальное количество элементов конструкций в выборке по норме

18. Способ по п.15, отличающийся тем, что в случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества элементов конструкций выходит за границы допустимых пределов или М 5 шт., испытанию подвергают все однотипные конструкции здания поштучно.

19. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно вычисляют гарантированный предел огнестойкости растянутого элемента конструкции по номограмме путем решения обратной задачи огнестойкости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и сооружений (далее по тексту - зданий). В частности, оно может быть использовано для классификации железобетонных конструкций зданий по показателям сопротивления их воздействию пожара. Это дает возможность обоснованного использования существующих конструкций с фактическим пределом огнестойкости в зданиях различных категорий по их пожарной опасности.

Необходимость определения показателей огнестойкости железобетонных конструкций возникает при реконструкции здания, усилении его частей и элементов, приведении огнестойкости здания в соответствие с пожарными требованиями современных строительных норм, при проведении экспертизы и восстановлении железобетонных конструкций после пожара.

При реконструкции здания возможно переустройство и перепланировка помещений, изменение их функционального назначения, замена строительных конструкций и оборудования. Это влияет на изменение требуемой огнестойкости здания, его конструкций, частей и элементов.

Известен способ определения огнестойкости растянутых элементов железобетонных конструкций здания по результатам изучения последствий натурного пожара. Этот способ включает определение положения элементов конструкции в здании, оценку состояния железобетонных конструкций путем осмотра и измерения, изготовление контрольных образцов бетона и арматуры, определение времени наступления предельного состояния по потере несущей способности элемента конструкции, то есть обрушения в условиях действия внешней нагрузки и теплового воздействия натурного пожара (Ильин Н.А. Последствия огневого воздействия на железобетонные конструкции. - М.: Стройиздат, 1979, 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 определяют приближенно по результатам исследования последствий прошедшего пожара. Детальное исследование предопределяет длительную работу эксперта. При этом невозможно определить огнестойкость натурных элементов железобетонных конструкций, имеющих другие размеры и другую внешнюю нагрузку. Затруднительно сопоставление полученных результатов со стандартными огневыми испытаниями аналогичных элементов железобетонных конструкций. Следовательно, этот способ дорог, имеет малую технологическую возможность к повторным испытаниям, трудоемок и опасен для испытателей.

Известен способ оценки огнестойкости растянутых элементов железобетонных конструкций зданий по результатам натурных огневых испытаний фрагмента зданий, в котором производят осмотр конструкций, определяют влажность бетона, назначают статическую нагрузку на конструкцию соответственно реальным условиям эксплуатации здания, определяют факторы, влияющие на огнестойкость испытуемого элемента конструкции и величину предела огнестойкости (НПБ 233-97. Здания и фрагменты зданий. Метод натурных огневых испытаний. Общие требования. - М.: ВНИИПО, 1997, 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, наблюдения за состоянием конструкций в условиях экспериментального пожара затруднено и небезопасно, вследствие различий теплового режима опытного и стандартного пожаров затруднено определение истинных значений пределов огнестойкости конструкций, причины разрушения растянутых элементов железобетонных конструкций фрагмента могут быть не установлены вследствие многообразия одновременно действующих факторов пожара. Предельное состояние по огнестойкости испытуемых конструкций может быть не достигнуто из-за более раннего разрушения сжатых стен фрагмента (Огнестойкость зданий/ В.П.Бушев, В.А.Пчелинцев, B.C.Федоренко, А.И.Яковлев. - М.: Стройиздат, 1970, с.252-256) [3].

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ определения огнестойкости изгибаемых элементов железобетонных конструкций здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление вида бетона и арматуры конструкции, выявление условия ее опирания и крепления, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности элемента конструкции под нормативной нагрузкой в условиях стандартного теплового воздействия (Пат. 2161793 РФ, МПК 7 G 01 N 25/50. Способ определения огнестойкости изгибаемых железобетонных конструкций здания/ Ильин Н.А., Пирогов М.Б. Опубл. 10.01.2001 г. Бюл. №1) [4] - принят за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе испытания проводят на образце изгибаемой конструкции, на который воздействуют только изгибающие моменты. Следовательно, оценка огнестойкости растянутых элементов железобетонных конструкций может быть определена весьма приближенно, без статистического обоснования. При назначении комплекса единичных показателей качества и интегральных параметров огнестойкости железобетонных конструкций не включены показатели, характерные для растянутых элементов. Следовательно, не расширен диапазон применения известного способа для оценки их огнестойкости. Математическое описание процесса сопротивления растянутых элементов железобетонных конструкций тепловому воздействию при пожаре не соответствует реальным (проектным) условиям их работы. Следовательно, использование номограммы известного способа дает неточную и недостоверную оценку пределов огнестойкости растянутых элементов железобетонных конструкций.

Сущность изобретения заключается в следующем. Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в установлении показателей пожарной безопасности здания в части гарантированной длительности сопротивления растянутых элементов железобетонных конструкций в условиях пожара; в определении фактических пределов огнестойкости растянутых элементов железобетонных конструкций при проектировании, строительстве и/или эксплуатации здания; в повышении точности и достоверности статистических и неразрушающих испытаний конструкций на огнестойкость.

Технический результат - расширение диапазона применения способа оценки огнестойкости железобетонных конструкций, имеющих другой вид напряженного состояния (растяжение) элементов железобетонных конструкций здания; приближение условий испытаний растянутых элементов железобетонных конструкций к реальным (проектным) условиям их эксплуатации; повышение точности и достоверности результатов неразрушающих испытаний при использовании статистического метода оценки единичных показателей качества растянутых элементов железобетонных конструкций; установление необходимого объема выборки однотипных элементов железобетонных конструкций при техническом осмотре здания; определение требуемого, статистически обоснованного числа неразрушающих испытаний элементов железобетонных конструкций для оценки единичных показателей качества; назначение комплекса основных параметров, влияющих на огнестойкость растянутых элементов железобетонных конструкций; вычисление интегральных параметров теплофизических и конструктивных характеристик растянутых элементов железобетонных конструкций; построение параметрической номограммы для вычисления фактических пределов огнестойкости растянутых элементов железобетонных конструкций.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе определения огнестойкости растянутых элементов железобетонных конструкций здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, инструментальное измерение геометрических размеров конструкций и их опасных сечений, определение числа и диаметров рабочих стержней арматуры, их взаимное расположение и толщины защитного слоя бетона, выявление формы конструкций, схем обогрева их опасных сечений при пожаре и условий нагревания рабочей арматуры, установление глубины залегания стержней рабочей арматуры и степени ее огнезащиты, экспериментальное определение показателей плотности бетона и его влажности в естественном состоянии, величину коэффициента температуропроводности бетона, характеристики рабочей арматуры сопротивлению на растяжение, определение величины приложенной рабочей нормативной нагрузки на конструкции и интенсивности силовых напряжений в рабочей арматуре, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности конструкции под нормативной нагрузкой в условиях стандартного теплового воздействия, особенность заключается в том, что определение огнестойкости растянутых элементов железобетонных конструкций зданий проводят без огневого воздействия неразрушающими методами испытаний, используя комплекс единичных показателей качества растянутых элементов железобетонных конструкций, вычисляют число испытаний для каждого единичного показателя качества, определяют число и место расположения участков, в которых определяют показатели качества, при этом технический осмотр дополняют определением группы однотипных растянутых элементов железобетонных конструкций, за единичные показатели качества принимают геометрические размеры опасного сечения; глубину залегания, диаметр, степень напряжения и предел текучести арматуры, влажность и плотность бетона, толщину защитного слоя и показатель тепловой диффузии (коэффициент температуропроводности) бетона, вычисляют интегральные теплотехнические и конструктивные параметры J _s, С, t_cr, где J _s - интенсивность силовых напряжений в продольной рабочей арматуре в опасном сечении конструкций; С - приведенная толщина защитного слоя бетона для растянутой рабочей арматуры (мера огнезащиты), мм; t_cr - критическая температура для арматурной стали, °С; и, используя их, определяют по номограмме фактические пределы огнестойкости растянутых элементов железобетонных конструкций F_ur, мин.

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что интенсивность силовых напряжений в продольной рабочей арматуре растянутых элементов железобетонных конструкций от рабочей нормативной нагрузки определяют из условия (1)

где A_s и А_s,mp - соответственно площади арматуры фактически (по проекту), установленной в опасных сечениях элемента, и требуемая по расчету на прочность, мм ²;

R_s и R_su - расчетные и предельные сопротивления арматуры растяжению, МПа;

N и N - расчетная продольная сила и усилие от рабочей нормативной нагрузки, кН.

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что предельное сопротивление арматуры растяжению для определения огнестойкости растянутых элементов железобетонных конструкций определяют по формуле (2)

где R_su и R_sn - соответственно нормативное и предельное сопротивление арматуры растяжению, МПа.

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что усилие в растянутых элементах железобетонной конструкции вычисляют по формуле (3)

где N_дл - длительная часть расчетной нагрузки, кН;

_fm - коэффициент надежности по нагрузке для веса строительных и оборудования (см. СНиП 2.01.07-85 . Нагрузки и воздействия. - М., 1999).

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что приведенную толщину защитного слоя бетона для продольной рабочей арматуры (меру огнезащиты) растянутого элемента железобетонной конструкции определяют по формуле (4)

где m₀ - показатель условий нагрева арматуры в опасных сечениях элементов (0,25-1,0);

a _min - минимальная глубина залегания арматуры, мм;

D_вm - показатель тепловой диффузии бетона, мм ²/мин.

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что величины показателей условий нагрева стержней рабочей арматуры растянутых железобетонных элементов при симметричном их расположении относительно биссектрисы углов прямоугольных поперечных сечений и 1-, 2-, 3-, 4-стороннем обогреве принимают соответственно равным m₀=1; 0,5; 0,33 и 0,25.

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что при несимметричном расположении арматурных стержней относительно биссектрис углов прямоугольных поперечных сечений железобетонных элементов показатели условий нагрева арматуры при 2-, 3-стороннем обогреве (при a_x1 a_x2; a_у a_x1) вычисляют по формуле (5)

где a_x1, a_x2, a_у - соответственно глубины залегания арматурных стержней от обогреваемой грани элемента по осям координат поперечных сечений, мм; (при a_у<a_x1 - в числителе формулы (5) принимают обратное соотношение величины осевых расстояний, то есть a _x1/a_у).

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что глубины залегания стержней рабочей арматуры по осям координат (осевые расстояния a_x,у ) определяют по формуле (6)

где u_х,у - толщины защитных слоев соответственно по осям х или у, мм;

d_s - номинальный диаметр арматурных стержней, мм.

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что величину показателя тепловой диффузии бетона D_вm, мм²/мин, определяют экспериментально или находят из выражения (7)

где ₀ и С₀ - показатели теплопроводности бетона, Вт/(м·°С), и удельной теплоемкости, кДж/(кг·°С), при нормальной температуре (20±5°С);

b и d - данные опытов для определения теплопроводности и теплоемкости бетона при осредненной температуре 450°С;

_с и - плотность бетона в сухом состоянии, кг/м³ ; и его влажность, % по массе; см. табл.1.

Таблица 1
Теплофизические характеристики строительных материалов.
Материал	Плот-ность с, кг/м3	Влаж-ность , %	Параметры теплопроводности, Вт/м·°С, и теплоемкости материала, Дж/кг·°С				Коэф-т диффузии тепла D вm, мм2/мин
			0	b	С0	d
1. Керамзитобетон	750	6	0,18	0,8	0,92	4,8	12,1
2. То же	950	6	0,23	1,3	0,85	5,8	13,0
3. Перлитобетон	1090	3	0,3	0,11	0,85	6	13,2
4. То же	1250	6	0,4	0,5	0,85	3,8	15,4
5. Тяжелый бетон на известковом заполнителе	2250	3	1,15	-5,5	0,71	8,4	19,4
6. То же, на гранитном заполнителе	2400	3	1,2	-3	0,72	2	22,2
7. Песчаный бетон	1930	2,5	1,03	4,4	0,75	6,5	32,7
8. То же	2000	3	1,16	6,2	0,75	7	35,6

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что неразрушающие испытания проводят для группы однотипных элементов конструкций, различия между прочностью бетона и текучестью арматуры которых обусловлены главным образом случайным фактором.

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что схемы обогрева поперечных сечений испытуемых элементов железобетонных конструкций в условиях пожара определяют в зависимости от фактического расположения частей здания.

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что для элементов железобетонных конструкций с симметричным поперечным сечением и с симметричным обогревом в условиях теплового воздействия глубину залегания группы стержней рабочей арматуры от обогреваемой поверхности по нормали к ней определяют осредненно путем нахождения геометрического центра площадей соответствующих стержней для каждой армированной зоны сечения, разделенного осью симметрии.

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что в случае расположения группы стержней рабочей арматуры только по оси симметрии поперечного сечения элемента конструкции глубину ее залегания определяют осредненно путем нахождения геометрического центра площадей всех стержней армированной зоны сечения.

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что глубину залегания рабочей арматуры (осевые расстояния a_x и a_у, мм) от обогреваемых в условиях теплового воздействия граней испытуемого элемента конструкции определяют по формулам (8 и 9)

где x_i и у_i - осевое расстояние i-го стержня по осям координат, мм;

n и А_i - число стержней арматуры и площадь i-го стержня, мм² .

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что за единичные показатели качества элементов железобетонных конструкций, влияющие на предел огнестойкости, принимают геометрические размеры опасного сечения; глубину залегания, класс, диаметр, степень напряжения и предел текучести арматуры; влажность и плотность бетона, толщину защитного слоя и показатель тепловой диффузии (коэффициент температуропроводности) бетона.

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что число испытаний n_ис единичного показателя качества элементов конструкций при вероятности результата 0,95 и точности 5% принимают по формуле (10)

где - выборочный коэффициент вариации результатов испытаний, %.

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что в случае, когда все единичные показатели качества элементов конструкций (при М более 9) находятся в контрольных пределах, минимальное целое число элементов конструкций в выборке по плану сокращенных испытаний M_min, шт, назначают из условия (11)

где М - число однотипных конструкций в здании, шт.

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что в случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества элементов конструкций выходит за границы контрольных пределов, минимальное количество элементов конструкций в выборке по норме

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что в случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества элементов конструкций выходит за границы допустимых пределов или М 5 шт., испытанию подвергают все однотипные конструкции здания поштучно.

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что дополнительно вычисляют гарантированный предел огнестойкости растянутого элемента конструкций по номограмме путем решения обратной задачи огнестойкости.

Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом заключена в следующем.

Устранение огневых испытаний элементов конструкций существующего здания и замена их на неразрушающие испытания снижает трудоемкость определения их огнестойкости, расширяет диапазон применения способа оценки огнестойкости железобетонных конструкций, имеющих другой вид напряженного состояния (растяжение) элементов железобетонных конструкций здания; приближает условия испытаний растянутых элементов к реальным (проектным) условиям их эксплуатации. Использование статистического метода оценки единичных показателей качества растянутых элементов повышает точность и достоверность результатов неразрушающих испытаний; позволяет установить необходимый объем выборки однотипных растянутых элементов железобетонных конструкций при техническом осмотре здания; позволяет определить требуемое, статистически обоснованное, число неразрушающих испытаний элементов для оценки единичных показателей качества. Применение предложенного способа оценки предела огнестойкости растянутых элементов железобетонных конструкций позволяет назначить комплекс теплофизических и конструктивных параметров, влияющих на его величину. Составление математической модели процесса сопротивления растянутых элементов железобетонных конструкций стандартному огневому испытанию позволяет построить номограмму для вычисления их фактических пределов огнестойкости.

Применение математического описания процесса сопротивления растянутых элементов железобетонных конструкций стандартному тепловому испытанию и использование построенной номограммы повышает точность и экспрессивность оценки их огнестойкости.

Применение номограммы удобно вследствие ее простоты, наглядности, возможности решения обратных задач огнестойкости элементов растянутых элементов конструкций и применения метода подбора переменных значений ее конструктивных параметров.

Использование интегральных конструктивных параметров, как то: меры огнезащиты арматуры, степени ее напряжения и показателя тепловой диффузии (коэффициента температуропроводности) бетона, упрощает математическое описание сопротивления растянутых элементов железобетонных конструкций тепловому воздействию.

В предложенном техническом решении предусматривают проведение испытаний не одной, а группы однотипных элементов конструкций. Это позволяет в 5-15 раз увеличить число испытуемых конструкций и повысить достоверность результатов испытаний и технического осмотра здания.

Определение огнестойкости конструкций только по одному показателю качества, например по толщине защитного слоя бетона, приводит, как правило, к недооценке их предела огнестойкости, поскольку влияние на него 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 элементов конструкций предусматривают не по одному показателю, а по комплексу единичных показателей их качества. Это позволяет более точно учесть реальный ресурс огнестойкости конструкций.

В предложенном техническом решении снижают погрешность определения меры огнезащиты рабочей арматуры, оценивая ее величину в зависимости от глубины залегания и условий ее нагрева при пожаре.

Показатель условия нагрева 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 поперечных сечений элементов конструкции при симметричном его обогреве.

Для элементов конструкций, имеющих симметричное поперечное сечение и симметричный обогрев в условиях пожара, определение глубины залегания арматуры от обогреваемой поверхности посредством геометрических центров стержней арматуры, выявляемых для каждой армированной зоны поперечного сечения, разделенного осью симметрии, позволяет более точно описать условия нагрева арматуры и упрощает схему сечения конструкции.

Упрощен учет особенностей: армирования опасных сечений, размера диаметров стержней арматуры, изготовления конструкций и физического износа на величину их пределов огнестойкости.

Уточнен комплекс единичных показателей качества растянутых элементов железобетонных конструкций, влияющих на их огнестойкость, определяемых неразрушающими испытаниями.

На фиг.1 приведена параметрическая номограмма для оценки пределов огнестойкости растянутых элементов железобетонных конструкций, обогрев с 4 сторон. Приведенная номограмма сетчатого типа. Внутри сеток нанесены наклонные линии. На каждом пучке линий или лучах нанесена стрелка, которая показывает направление возрастания переменного параметра. Наименование параметра в буквенном выражении и в единицах измерения поставлены на стрелке. Слева и справа от стрелки на лучах поставлены значения переменного параметра. Порядок производства отсчетов или "ключ": С (мм) t_cr (°C) J _s F_ur (мин).

На фиг.2 для оценки глубины залегания рабочей арматуры и условий ее нагрева при пожаре приведен участок поперечного сечения растянутого элемента, армированной отдельными стержнями. Здесь а - глубина залегания арматуры; d - диаметр стержня; u - толщина защитного слоя бетона; t - температура среды пожара; х, у - оси координат; 1 - рабочие стержни арматуры.

На фиг.3 для оценки глубины залегания арматуры и условий ее нагрева приведена зона армирования одним стержнем участка поперечного сечения растянутого элемента железобетонной конструкции, обогреваемого с двух сторон. Здесь а_x и a_у - глубина залегания арматуры, u_x и u_у - толщина защитного слоя бетона по осям координат.

На фиг.4 и 5 для определения глубины залегания арматуры и условий ее нагрева приведена растянутая зона поперечного сечения элемента железобетонных конструкций, армированной асимметрично двумя стержнями, обогрев с двух сторон (фиг.4) и с трех сторон (фиг.5). Здесь 1 и 2 - стержни с размерами диаметров d₁, d₂; x_i и у _i - глубина залегания арматуры по осям координат.

На фиг.6 и 7 для оценки глубины залегания арматуры в виде группового стержня и условий его нагрева приведен участок растянутой зоны поперечного сечения железобетонных конструкций. Групповой стержень образован сближением двух стержней 1 и 2 диаметрами d₁ и d₂ по вертикали (фиг.6) и по горизонтали (фиг.7). Диаметр условного стержня (при d₁=d₂ принимают равным d_r=1,41·d₁) показан пунктиром. Обогрев условного стержня с двух сторон (фиг.6) и с трех сторон (фиг.7).

На фиг.8-11 для определения глубины залегания рабочей арматуры и условий ее нагрева показано армирование поперечного сечения растянутого элемента конструкции: прямоугольного (фиг.8 и 10) и двутаврового (фиг.11), имеющих ось симметрии (сокращенно - о.с.) и симметричный обогрев в условиях пожара. Сечение разделено осью симметрии на две части.

Глубина залегания арматуры в виде их геометрических центров (условно - m.А) показана для каждой зоны густого армирования сечения, на фиг.9 и 10 - пунктирные окружности.

На фиг.12 и 13 для оценки глубины залегания рабочей арматуры и условий ее нагрева показано армирование поперечного сечения растянутого элемента железобетонных конструкций со стержневой (фиг.11) и проволочной арматурой (фиг.12). Каждое сечение разделено на две зоны осью симметрии. Здесь m.А - геометрический центр площадей всех стержней зоны густого армирования сечения; b _f - ширина полки таврового сечения в растянутой зоне; е и e₁ - расстояния между центрами проволочной арматуры; 1-8 - стержни арматуры.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного выше технического результата.

Последовательность действия способа определения огнестойкости растянутых элементов железобетонных конструкций зданий состоит в следующем.

Сначала проводят визуальный осмотр здания. Затем определяют группу однотипных конструкций и их общее число в ней. Вычисляют величину выборки однотипных конструкций. Назначают комплекс единичных показателей качества конструкции, влияющих на огнестойкость. Выявляют условия опирания, закрепления концов и опасные сечения элементов конструкций. Вычисляют число испытаний единичного показателя качества конструкции в зависимости от его статической изменчивости. Затем оценивают единичные показатели качества конструкции и их интегральные параметры, и наконец, по ним находят предел огнестойкости испытуемых элементов конструкций.

Под визуальным осмотром понимают проверку состояния испытуемых элементов конструкций, включающую выявление условий опирания отдельных конструкций, определение вида бетона и толщины его защитного слоя, наличие трещин и отколов, нарушение сцепления арматуры с бетоном, наличие коррозии арматурной стали.

В процессе осмотра определяют группы однотипных конструкций.

Под группой конструкций в здании понимают однотипные конструкции, изготовленные и возведенные в сходных технологических условиях и находящихся в подобных условиях эксплуатации.

Схемы обогрева поперечных сечений элементов конструкций в условиях пожара определяют в зависимости от фактического расположения элементов и частей здания, устройства подвесных потолков, укладки смежных конструкций, уменьшающих число сторон обогрева.

Минимальное целое число конструкций в выборке по плану нормальных или сокращенных испытаний назначают из условий (11 и 12).

Пример 1. При числе однотипных конструкций в группе М=120 шт число испытуемых элементов принимают по норме M_н=5+M^0,5=5+120^0,5=16 шт, по сокращенному плану M_c(min)=0,3·(15+M ^0,5)=0,3·(15+120^0,5) 8 шт.

При числе конструкций в группе М 5 их проверяют поштучно.

Число и место расположения участков, в которых определяют показатели качества конструкций, определяют так. В растянутых элементах конструкций, имеющих одно опасное сечение, участки располагают только в этом сечении. В конструкциях, имеющих несколько опасных сечений, испытуемые участки располагают равномерно по поверхности с обязательным расположением части участков в опасных сечениях.

К основным единичным показателям качества растянутых элементов железобетонных конструкций, обеспечивающих огнестойкость, относятся: геометрические размеры элемента конструкции и их опасных сечений; глубина залегания, класс, диаметр, интенсивность растягивающих напряжений и предел текучести арматуры; прочность бетона, влажность и плотность его в естественных условиях; толщина защитного слоя и показатель тепловой диффузии (коэффициент температуропроводности) бетона.

Число испытаний единичного показателя качества элементов конструкций при вероятности результата, равном 0,95, и показателе точности 5% определяют по формуле (10);

при этом коэффициент вариации выборки =±100· /М;

среднее арифметическое М=(1/n)· m_i,

среднее квадратическое отклонение от среднего =±[(1/(n-1))· (x_i)²]^0,5;

средняя ошибка М=± /(2n)^0,5;

здесь m_i - результат i-го испытания;

(x_i)² - сумма квадратов всех отклонений от среднего.

Опасные сечения у растянутых элементов конструкций назначают в местах наибольшего действия рабочей нормативной нагрузки.

Проверяемыми геометрическими размерами являются ширина и высота опасного сечения элемента.

Размеры конструкции проверяют с точностью ±1 мм; ширину трещин - с точностью до 0,05 мм.

Проверку прочности бетона конструкций, включенных в выборку или проверяемых поштучно, производят неразрушающими испытаниями с применением механических и ультразвуковых приборов [1, с.31-38].

Минимальную глубину залегания стержня рабочей арматуры принимают по одной из осей координат поперечного сечения конструкций.

Под глубиной залегания арматуры понимают расстояние по нормали между поверхностью бетона конструкции и продольной осью арматуры.

Для сплошного элемента, армированного отдельными стержнями, при одностороннем их обогреве (см. фиг.2) глубину залегания арматуры а, мм, в поперечном сечении определяют по формуле (13):

где u - толщина защитного слоя бетона, мм;

d - номинальный диаметр стержня, мм;

показатель условия нагрева арматуры m₀₁=1.

Для растянутого элемента конструкции с рабочей арматурой из двух асимметрично расположенных стержней по горизонтали поперечного сечения и двусторонним обогревом каждого стержня (см. фиг.4) глубину залегания арматуры а _x и а_у, мм, определяют по формулам (14 и 15)

условия нагрева арматуры при a_x a_у определяют по формуле (16) показателем

где x_i и у_i - осевые расстояния для 1 и 2 стержня, мм;

при асимметричном расположении арматурного стержня в сечении, но симметричном двухстороннем обогреве его, условия нагрева арматуры при x₁ х₂ определяют по формуле (17) показателем

для растянутого элемента конструкции, армированной стержнями, распложенными раздельно по высоте, при трехстороннем обогреве (см. фиг.5) глубину залегания арматуры по осям координат поперечного сечения a_x и a_у, мм, определяют по формулам (18 и 19)

условия нагрева арматуры (при a_x a_у и x₁ x₂) оценивают показателем по формуле (20)

где A₁ и А₂ - площади сечения, мм², стержней арматуры диаметром d₁ , d₂, мм;

х_i и у_i - осевые расстояния для 1 и 2 стержня, мм;

при а_у<а _x1 под корнем в формуле (20) принимают обратное соотношение, то есть: а_x1/а_у.

Для растянутых элементов конструкций с симметричным поперечным сечением и симметричным обогревом в условиях теплового испытания глубину залегания группы стержней рабочей арматуры от обогреваемой поверхности определяют осредненно в виде геометрического центра площадей всех стержней для каждой армированной зоны сечения, разделенного осью симметрии (см. фиг.8-9, 10-12).

Величину глубин залегания продольной рабочей арматуры a_x и a_у, мм, от обогреваемой в условиях теплового воздействия грани конструкции определяют по формулам (8 и 9).

По результатам измерений определяют минимальную глубину залегания рабочей арматуры по одной из осей координат поперечного сечения конструкции - a_min, мм, и величину показателя условий нагрева m₀ рабочей арматуры при тепловом воздействии. Затем, используя величины m₀ и a_min, устанавливают интегральный параметр - степень огнезащиты рабочей арматуры по формуле (4).

Интегральный параметр интенсивности напряжения продольной рабочей арматуры растянутых элементов железобетонной конструкции определяют из условия (1).

Показатель тепловой диффузии (коэффициент температуропроводности) бетона защитного слоя в условиях теплового воздействия определяют при 450°С. Для расчета интегрального его параметра по формуле (7) определяют плотность бетона в естественном состоянии, его влажность, а также показатели теплопроводности и теплоемкости бетона при 450°С.

Используя полученные интегральные параметры С, (мм); J _s; t_cr (°C), D_вm, (мм ²/мин), по приведенной номограмме (см. фиг.1) находят предел огнестойкости растянутых элементов конструкций здания.

Гарантированный предел огнестойкости растянутых элементов железобетонных конструкций, F_ur, мин, вычисляют по приведенной номограмме (см. фиг.1) при соответствующем изменении конструктивных параметров: меры огнезащиты рабочей арматуры С, см, показателя тепловой диффузии (коэффициента температуропроводности) бетона D_вm, мм²/мин, интенсивности напряжения арматуры J _s и критической температуры нагрева арматурной стали t_cr (°C).

Пример 2. Растянутый раскос фермы выполнен из тяжелого бетона D_вm=22,2 мм² /мин, рабочая арматура класса по прочности А 400 (A-III), t _cr=550°С, степень огнезащиты рабочей арматуры - С=16 мм, интенсивность силовых напряжений арматуры - J _s=0,44.

Ответ: предел огнестойкости растянутого элемента железобетонной фермы F_ur=82 мин (см. фиг.1 - пунктирная рабочая линия номограммы).

Пример 3. Обратная задача: гарантированный предел огнестойкости F_ur=60 мин для растянутого элемента железобетонной фермы примера 2 обеспечивается глубиной заложения рабочей арматуры С=20 мм (см. фиг.1).

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного способа следующей совокупности условий:

а) средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использования в строительной промышленности, а именно в классификации железобетонных конструкций зданий по показателям сопротивления их воздействию пожара;

б) для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов;

в) предложенный способ применен при натурном осмотре железобетонных ферм покрытия цеха экспедиции площадью 2160 м² промышленного здания Волжского автозавода в г. Тольятти.

Результаты неразрушающих испытаний стропильных ферм пролетом 24 м, бетон тяжелый класса В 35, арматура 2 16 А 800 (A-V), показали предел огнестойкости равным 90 мин (1,5 ч); для растянутого раскоса, арматура класса по прочности Ат 800 (Ат-V), предел огнестойкости - 70 мин (1,15 ч).

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленно применимо".

Источники информации

1. Ильин Н.А. Последствия огневого воздействия на железобетонные конструкции. - М.: Стройиздат, 1979. - 128 с. (см. с.16; 34-35).

2. Здания и фрагменты зданий. Метод натурных огневых испытаний. Общие требования. Нормы пожарной безопасности. НПБ 233-97. - М.: ВНИИПО, 1997 - 14 с.

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. Пат. 2161793 РФ, МПК 7 G 01 N 25/50. Способ определения огнестойкости изгибаемых железобетонных конструкций здания / Ильин Н.А., Пирогов М.Б. Опубл. 10.01.2001 г. Бюл. №1.