способ определения огнестойкости стальных огнезащищенных балок здания

Формула изобретения

1. Способ определения огнестойкости стальных огнезащищенных балок здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, инструментальное измерение геометрических характеристик балок при изгибе в их опасных сечениях; выявление условий опирания и крепления балок, схем обогрева их поперечных сечений; установление вида огнезащитного материала и марки стали балок, характеристик металла сопротивлению на изгиб и растяжение; определение величины рабочей нормативной нагрузки на балки, схем ее приложения, интенсивности силовых напряжений в металле в опасных сечениях балок; определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности балок под рабочей нормативной нагрузкой в условиях стандартного теплового воздействия, отличающийся тем, что определение огнестойкости стальных огнезащищенных балок здания проводят без огневого воздействия неразрушающими методами испытаний, используя комплекс единичных показателей качества стальных конструкций, определяют число и место расположения участков, в которых определяют единичные показатели качества, при этом технический осмотр дополняют определением группы однотипных стальных балок, инструментальным определением геометрических размеров толщины огнезащитного покрытия и несущих стержней стальных балок, экспериментально определяют показатели плотности материалов огнезащиты, их влажности в естественном состоянии и/или величину коэффициента тепловой диффузии материала огнезащиты, за единичные показатели качества принимают геометрические характеристики балок, критическую температуру нагрева стали в условиях пожара; степень напряжения и предел текучести металла; вычисляют интегральные конструктивные

параметры D _ar, ₀, m₀; J _s, _us,

где D_ar - коэффициент тепловой диффузии материала огнезащиты, мм ²/мин;

₀ - толщина огнезащитного покрытия стальных балок, мм;

m₀ - показатель условий нагрева несущего стержня стальных балок с огнезащитным покрытием при пожаре;

J _s - интенсивность нормальных силовых напряжений в поперечном сечении стальных балок от рабочей нормативной нагрузки;

_us - длительность сопротивления термическому воздействию несущего стержня стальных балок без учета огнезащитного покрытия, мин;

и, используя полученные параметры стальных огнезащищенных балок, по номограмме вычисляют фактический предел огнестойкости F_u(R), мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что интенсивность нормальных силовых напряжений в поперечном сечении несущего стержня стальных огнезащищенных балок от рабочей нормативной нагрузки, действующей в условиях стандартных огневых испытаний, вычисляют по формуле (1)

J _s=M /(W_n·R _yn),

где М - изгибающий момент в опасном сечении от рабочей нормативной нагрузки, действующей на балки в условиях испытаний, кН·м;

W_n - момент сопротивления поперечного сечения относительно горизонтальной оси балки, см ³;

R_yn - нормативное сопротивление растяжению, сжатию и изгибу по пределу текучести стали по ТУ или ГОСТу, МПа.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при различных значениях предельной температуры нагрева стали несущего стержня металлических балок t_u , °C, отличающихся от величины критической температуры стали t_cr, °C, фактическую интенсивность нормальных силовых напряжений в поперечном сечении стальных балок вычисляют по формуле (2)

где J _s - интенсивность нормальных силовых напряжений в поперечном сечении стальных огнезащищенных балок;

t _u - предельная температура нагрева стали (°С), при которой различно нагруженные стальные огнезащищенные балки теряют несущую способность;

t_cr - критическая температура нагрева стали (°С) металлических балок (при нормативной интенсивности силовых напряжений J _н=0,625 для строительной малоуглеродистой стали марки Ст.3 t_cr=510°C);

n - эмпирические показатели в зависимости от марок сталей (n=2,8 для строительной стали марки Ст.3).

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при t_u=t_cr±50°C интенсивность нормальных силовых напряжений в поперечном сечении стальных балок вычисляют по формуле (3)

J _s=J_н·t _cr/t_u=0,625·t _cr/t_u

где J _н=0,625 - нормативная интенсивность силовых напряжений в поперечном сечении стальных балок в условиях огневых испытаний;

t_cr и t_u - соответственно критическая и предельная температура нагрева стали, °С.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что показатель условий нагрева несущего стержня стальных балок с конструктивным огнезащитным покрытием в условиях стандартного огневого испытания (при _{x y1}) вычисляют по формуле (4)

m₀=( _y1/ _x)^0,5/(1,5+( _y1/ _y2)⁴),

где _х - толщина огнезащитного покрытия полки (стенки) несущего стержня стальных балок по оси х, мм;

_y1, _y2 - ординаты расчетной точки сечения, направленно-перемещенной по оси у, мм, при условии _х> _y1, в формуле (4) эти сомножители меняют местами; при перемене осей координат ширину сечения b, мм, несущего стержня металлических колонн заменяют на высоту h, мм, где b - ширина сечения несущего стержня балок, мм.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что ординаты расчетных точек сечения М, направленно перемещенных по оси у, определяющих место расположения средней температуры по ширине полки или высоте стенки неравномерно прогретого несущего стержня стальной балки в условиях пожара, вычисляют по формулам (5а) и (5б):

_y2=H- _y1,

где _y1 и _y2 - ординаты расчетных точек неравномерно прогретого поперечного сечения стальных балок, мм;

_у - толщина огнезащитного покрытия полки или стенки несущего стержня стальной балки по оси у, мм;

b и H - соответственно ширина сечения несущего стержня и высота стальной огнезащищенной балки, мм.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что коэффициент тепловой диффузии материала огнезащитного покрытия стальных балок, D_ar, мм ²/мин, определяют экспериментально или рассчитывают при осредненной температуре t_m=450°C по формуле (6)

где ₀ и b - эмпирические числа для расчета коэффициента теплопроводности материала огнезащиты;

t _m - средняя температура нагрева (450°С) огнезащитного материала;

С₀ и d - эмпирические числа для расчета удельной теплоемкости материала огнезащиты;

- влажность материала огнезащиты массовая, %;

_с - плотность сухого материала огнезащиты, кг/м³;

k =0,75 при _с более 1000 кг/м ³; k =1 при _с менее 1000 кг/м ³.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность сопротивления термическому воздействию несущего стержня стальных балок без учета огнезащитного покрытия _us, мин, определяют по формуле (7):

где J _s - интенсивность нормальных напряжений в поперечном сечении несущего стержня стальных балок от действия рабочей нормативной нагрузки при пожаре;

T_sr - приведенная толщина металла несущего стержня стальных балок, см, рассчитываемая по формуле (8)

T_sr=A _s/P₀,

где A _s - площадь металла поперечного сечения несущего стержня, см²;

P₀ - периметр обогрева поперечного сечения стальных балок, см.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что за единичные показатели качества стальных балок, влияющих на их предел огнестойкости, принимают геометрические характеристики при изгибе поперечного сечения, условия закрепления концов балок, длину периметра обогрева поперечного сечения, нормативное сопротивление стали при изгибе, сжатии и растяжении по пределу текучести, величину рабочей нормативной нагрузки и схему ее приложения; величину изгибающего момента и поперечной силы, интенсивность нормативных силовых напряжений в металле в опасных сечениях стальных балок, критическую температуру нагрева строительной стали в условиях огневого воздействия, влажность и плотность огнезащитного материала в естественном состоянии, толщину огнезащитного покрытия, показатели тепловой диффузии огнезащитного материала.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что неразрушающие испытания проводят для группы однотипных стальных балок, различия между геометрическими размерами сечений и текучестью стали которых обусловлены главным образом случайными факторами.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что число испытаний n_uc единичного показателя качества стальных огнезащищенных балок, при вероятности результата 0,95 и точности 5%, определяют по формуле (9)

n _uc=0,15· ² 6,

где - выборочный коэффициент вариации результатов испытания, %.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что схему обогрева поперечных сечений в условиях пожара испытуемых стальных балок определяют в зависимости от фактического расположения частей здания.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае, когда все единичные показатели качества стальных балок (при М более 9 шт.), находятся в контрольных пределах, минимальное целое число металлических конструкций в выборке по плану сокращенных испытаний М_мин, шт., назначают из условия (10)

M_мин=0,3·(15+М ^0,5) 5,

где М - число однотипных металлических балок в здании, шт.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества стальных балок выходит за границы контрольных пределов, минимальное число конструкций в выборке по норме определяют по формуле (11)

М_н=5+М^0,5 8.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества стальных балок выходит за границы допустимых пределов или М 5 шт., не разрушающему испытанию подвергают все однотипные конструкции здания поштучно.

16. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно вычисляют гарантированный предел огнестойкости стальных огнезащищенных балок по номограмме путем решения обратной задачи огнестойкости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и сооружений, далее - зданий. В частности оно может быть использовано для классификации металлических конструкций зданий по показателям сопротивления их воздействию пожара. Это дает возможность обоснованного использования балок с фактическим пределом огнестойкости в зданиях различных классов конструктивной и функциональной пожарной опасности.

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

Известен способ определения огнестойкости стальных балок здания по результатам изучения последствий натурного пожара. Этот способ включает определение положения конструкции в здании, оценку состояния конструкции путем осмотра и измерения, изготовление контрольных образцов строительной стали, определение времени наступления предельного состояния по потере несущей способности конструкции, то есть обрушения в условиях действия внешней нагрузки и теплового воздействия натурного пожара. /Ильин Н.А. Техническая экспертиза зданий, поврежденных пожаром. - М.: Стройиздат, 1983. - С.90-91/ [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 конструкций, имеющих другие размеры и другую внешнюю нагрузку. Затруднительно сопоставление полученных результатов со стандартными огневыми испытаниями аналогичных конструкций. Следовательно, этот способ дорог, имеет малую технологическую возможность к повторным испытаниям, трудоемок и опасен для испытателей.

Известен способ оценки огнестойкости стальных балок по результатам натурных огневых испытаний фрагмента здания, в котором производят осмотр конструкций, определяют марку стали, назначают статическую нагрузку на конструкцию соответственно реальным условиям эксплуатации здания, определяют факторы, влияющие на огнестойкость испытуемой 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 стальных балок фрагмента могут быть не установлены вследствие многообразия одновременно действующих факторов пожара. Предельное состояние по огнестойкости стальных балок может быть не достигнуто из-за более раннего разрушения элементов покрытия или 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 стальных огнезащищенных балок здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление марки стали и вида материала, выявление условия опирания и крепления концов балок, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности конструкции под нормативной нагрузкой в условиях стандартного теплового воздействия /ГОСТ 30247.1-94. Конструкции строительные. Методы испытания на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции. - М.: Издательство стандартов, 1995. - 7 с./ [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 конструкции, на который воздействуют постоянные и длительные нагрузки в их расчетных значениях с коэффициентом надежности, равным единице, то есть проектные нормативные нагрузки. Испытания проводят на специальном стендовом оборудовании в огневых печах до разрушения образцов конструкций. Размеры образцов ограничивают в зависимости от проемов стационарных печей. Следовательно, стандартные огневые испытания трудоемки, неэффективны, небезопасны, 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. Определение огнестойкости стальных огнезащищенных балок по единичному показателю качества, например по толщине огнезащитного покрытия, как правило, недооценивает пригодность эксплуатации конструкции в здании заданной степени огнестойкости. Экономические затраты на проведение испытаний возрастают за счет расходов на демонтаж стальных балок, транспортирование к месту установки нагревательных печей и на создание в них стандартного теплового режима. По малому числу испытуемых образцов (2-3 шт.) невозможно судить о действительном состоянии балок здания. Результаты огневого испытания единичны и не учитывают разнообразия в закреплении концов балок, их фактических размеров, фактической схемы обогрева опасного сечения испытуемой конструкции в условиях пожара.

Сущность изобретения заключается в следующем. Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в установлении показателей пожарной безопасности здания в части гарантированной длительности сопротивления металлических конструкций в условиях пожара; в определении фактических пределов огнестойкости стальных огнезащищенных балок при проектировании, строительстве и/или эксплуатации здания; в снижении экономических затрат при испытании конструкций на огнестойкость.

Технический результат - устранение огневых испытаний конструкции в здании или его фрагменте; снижение трудоемкости определения огнестойкости конструкций; расширение технологических возможностей определения фактической огнестойкости различно нагруженных конструкций любых размеров и возможность сопоставления полученных результатов с испытаниями аналогичных конструкций здания; возможность проведения испытания конструкций на огнестойкость без нарушения функционального процесса в здании; снижение экономических затрат на испытание; сохранение эксплуатационной пригодности здания при обследовании и неразрушающих испытаниях конструкций; упрощение условий и сокращение сроков испытания конструкций на огнестойкость; использование номограммы для определения огнестойкости конструкций; повышение точности и экспрессивности испытания; получение возможности решения обратных задач огнестойкости конструкций и применения метода подбора переменных значений ее конструктивных параметров; использование интегральных конструктивных параметров для определения огнестойкости конструкций и упрощение математического описания процесса термического сопротивления нагруженных конструкций; повышение достоверности результатов испытаний группы однотипных конструкций; учет реального ресурса конструкции по огнестойкости использованием комплекса единичных показателей их качеств; увеличение достоверности определения толщины огнезащитного покрытия и условий обогрева стальной балки в условиях пожара; уточнение единичных показателей качества конструкций, влияющих на их огнестойкость, и определение минимального числа испытаний; сокращение выборки испытуемых конструкций до минимального, обеспечивающей достаточную достоверность результатов испытаний; возможность определения гарантированного предела огнестойкости стальной балки по ее конструктивным параметрам.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе определения огнестойкости стальных огнезащищенных балок здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, инструментальное измерение геометрических характеристик балок при изгибе в их опасных сечениях; выявление условий опирания и крепления балок, схем обогрева их поперечных сечений; установление вида огнезащитного материала и марки стали балок, характеристик металла сопротивлению на изгиб и растяжение; определение величины рабочей нормативной нагрузки на балки, схем ее приложения, интенсивности силовых напряжений в металле в опасных сечениях балок; определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности балок под рабочей нормативной нагрузкой в условиях стандартного теплового воздействия, особенность заключается в том, что определение огнестойкости стальных огнезащищенных балок здания проводят без огневого воздействия неразрушающими методами испытаний, используя комплекс единичных показателей качества стальных конструкций, определяют число и место расположения участков, в которых определяют единичные показатели качества, при этом технический осмотр дополняют определением группы однотипных стальных балок, инструментальным определением геометрических размеров толщины огнезащитного покрытия и несущих стержней стальных балок, экспериментально определяют показатели плотности материалов огнезащиты, их влажности в естественном состоянии и/или величину коэффициента тепловой диффузии материала огнезащиты, за единичные показатели качества принимают геометрические характеристики балок, критическую температуру нагрева стали в условиях пожара; степень напряжения и предел текучести металла; вычисляют интегральные конструктивные параметры D_ar, ₀, m₀, J _s, _us;

где D_ar - коэффициент тепловой диффузии материала огнезащиты, мм ²/мин;

₀ - толщина огнезащитного покрытия стальных балок, мм;

m₀ - показатель условий нагрева несущего стержня стальных балок с огнезащитным покрытием при пожаре;

J _s - интенсивность нормальных силовых напряжений в поперечном сечении стальных балок от рабочей нормативной нагрузки (0 J _s 1);

_us - длительность сопротивления термическому воздействию несущего стержня стальных балок без учета огнезащитного покрытия, мин;

и, используя полученные параметры стальных огнезащищенных балок, по номограмме вычисляют фактический предел огнестойкости F_u(R), мин.

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что интенсивность нормальных силовых напряжений в поперечном сечении несущего стержня стальных огнезащищенных балок от рабочей нормативной нагрузки, действующей в условиях стандартных огневых испытаний, вычисляют по формуле (1):

где М - изгибающий момент в опасном сечении от рабочей нормативной нагрузки, действующей на балки в условиях испытаний, кН·м;

W_n - момент сопротивления поперечного сечения относительно горизонтальной оси балки, см ³;

R_yn- нормативное сопротивление растяжению, сжатию и изгибу по пределу текучести стали по ТУ или ГОСТу, МПа; (см. приложение 1 СНиП II-23-81*. «Стальные конструкции» - М., 1990, - с.63-66 [5]).

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что при различных значениях предельной температуры нагрева стали несущего стержня металлических балок t_u, °С, отличающихся от величины критической температуры стали t_cr, °С, фактическую интенсивность нормальных силовых напряжений в поперечном сечении стальных балок вычисляют по формуле (2):

где J _s - интенсивность нормальных силовых напряжений в поперечном сечении стальных огнезащищенных балок (0÷1);

t_u - предельная температура нагрева стали (°С), при которой различно нагруженные стальные огнезащищенные балки теряют несущую способность;

t_cr - критическая температура нагрева стали (°С) металлических балок (при нормативной интенсивности силовых напряжений J _н=0,625 для строительной малоуглеродистой стали марки Ст.3 t_cr=510°С);

n - эмпирические показатели в зависимости от марок сталей (n=2,8 для строительной стали марки Ст.3).

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что при t_u=t _cr±50°С интенсивность нормальных силовых напряжений в поперечном сечении стальных балок вычисляют по формуле (3)

где J_н=0,625 - нормативная интенсивность силовых напряжений в поперечном сечении стальных балок в условиях огневых испытаний;

t_cr и t_u - соответственно критическая и предельная температура нагрева стали, °С.

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что показатель условий нагрева несущего стержня стальных балок с конструктивным огнезащитным покрытием в условиях стандартного огневого испытания (при _{х y1}) вычисляют по формуле (4)

где _х - толщина огнезащитного покрытия полки (стенки) несущего стержня стальных балок по оси х, мм;

_y1, _y2 - ординаты расчетной точки сечения, направленно-перемещенной по оси y, мм.

При условии _x> _y, в формуле (4) эти сомножители меняют местами;

при перемене осей координат ширину сечения b, мм, несущего стержня металлических колонн заменяют на высоту h, мм, здесь b - ширина сечения несущего стержня балок, мм.

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что ординаты расчетных точек сечения М, направленно-перемещенных по оси y, определяющие место расположения средней температуры по ширине полки или высоте стенки неравномерно прогретого несущего стержня стальной балки в условиях пожара, вычисляют по формулам (5а) и (5б):

где _y1 и _y2 - ординаты расчетных точек неравномерно прогретого поперечного сечения стальных балок, мм;

_y - толщина огнезащитного покрытия полки или стенки несущего стержня стальной балки по оси y, мм;

b и Н - соответственно ширина сечения несущего стержня и высота стальной огнезащищенной балки, мм.

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что коэффициент тепловой диффузии материала огнезащитного покрытия стальных балок, D _ar, мм²/мин, определяют экспериментально или рассчитывают при осредненной температуре t _m=450°С по формуле (6)

где ₀ и b - эмпирические числа для расчета коэффициента теплопроводности материала огнезащиты;

t _m - средняя температура нагрева (450°С) материала огнезащиты;

С₀ и d - эмпирические числа для расчета удельной теплоемкости материала огнезащиты;

w - влажность материала огнезащиты массовая, %;

_с - плотность сухого материала огнезащиты, кг/м³;

k_p=0,75 при _с более 1000 кг/м ³; k_p=1 при _с менее 1000 кг/м ³.

Осредненные значения коэффициентов диффузии тепла для материалов огнезащиты при их естественной влажности (1 см ²/ч=1,67 мм²/мин) приведены в таблице.

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что длительность сопротивления термическому воздействию несущего стержня стальных балок без учета огнезащитного покрытия _us, мин, определяют по формуле (7):

где J _s - интенсивность нормальных напряжений в поперечном сечении несущего стержня стальных балок от действия рабочей нормативной нагрузки при пожаре (0 J _s 1);

T_sr - приведенная толщина металла несущего стержня стальных балок, см, рассчитываемая по формуле (8)

где A_s - площадь металла поперечного сечения несущего стержня, см²;

P ₀ - периметр обогрева поперечного сечения стальных балок, см.

Таблица
Теплофизические характеристики огнезащитных материалов стальных балок
Материал огнезащиты	Плотность с, кг/м3	Влажность , %	Параметры теплопроводности, Вт/м·°C, и теплоемкости материала, Дж/кг·°С				Коэф-т диффузии тепла D ar, мм2/мин
			0	b	C0	d
1. Асбоцементные плиты	1800	9	0,31	0,08	0,84	0,63	9,0
2. Асбестоперлитоцементные плиты	960	6	0,087	0,23	0,84	0,63	6,0
3. Гипсобетонные плиты	1300	20	0,4	0,08	0,84	0,6	12,0
4. Гипсовая штукатурка	900	20	0,2	0,35	1	0,6	9,0
5. Гипсоволкнистые плиты	1000	-	-	-	-	-	12,0
6. Гипсовые плиты, армированные древесной стружкой	700	-	-	-	-	-	18,0
7. Гипсошлаковые плиты	1400	-	-	-	-	-	18,0
8. Гипсоопилочные плиты	800	-	-	-	-	-	19,0
9. Керамзитобетон	750	6	0,18	0,08	0,32	0,48	12,0
10. Керамзитобетон	950	6	0,23	0,13	0,85	0,58	13,0
11. Керамзитобетон	1400	6	-	-	-	-	14,0
12. Перлитобетон	1250	6	0,4	0,05	0,85	0,38	19,0
13. Перлитовая штукатурка на цементе	500	8					17,0
14. Цементо - известково-песчаная штукатурка	1700	-	-	-	-	-	20,0
15. Тяжелый бетон на известняковом щебне	2250	3	1,15	-0,55	0,71	0,84	24,0
16. Тяжелый бетон на гранитном заполнителе	2400	3	1,2	-0,3	0,72	0,2	28,0
17. Огнезащитное покрытие ОФП-ПМ	250	16,5	0,046	0,35	0,92	0,63	24,2
18. Цементно-песчаная штукатурка	1930	2	-	-	-	-	24,0
19. Песчаный бетон	2000	3	1,16	0,62	0,75	0,77	35,6
20. Маты из стекловаты	100	5	-	-	-	-	80,0

Особенность предложенного способа заключается в том, что за единичные показатели качества стальных балок, влияющих на их предел огнестойкости, принимают: геометрические характеристики при изгибе поперечного сечения, условия закрепления концов балок, длину периметра обогрева поперечного сечения, нормативное сопротивление стали при изгибе, сжатии и растяжении по пределу текучести, величину рабочей нормативной нагрузки и схему ее приложения; величину изгибающего момента и поперечной силы, интенсивность нормативных силовых напряжений в металле в опасных сечениях стальных балок, критическую температуру нагрева строительной стали в условиях огневого воздействия, влажность и плотность огнезащитного материала в естественном состоянии, толщину огнезащитного покрытия, показатели тепловой диффузии огнезащитного материала.

Особенность предложенного способа заключается в том, что неразрушающие испытания проводят для группы однотипных стальных балок, различия между геометрическими размерами сечений и текучестью стали которых обусловлены главным образом случайными факторами.

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что число испытаний n_uc единичного показателя качества стальных огнезащищенных балок, при вероятности результата 0,95 и точности 5%, принимают по формуле (9)

где - выборочный коэффициент вариации результатов испытания, %.

Особенность предложенного способа заключается в том, что схему обогрева поперечных сечений в условиях пожара испытуемых стальных балок определяют в зависимости от фактического расположения частей здания.

Особенность предложенного способа заключается в том, что в случае, когда все единичные показатели качества стальных балок (при М более 9 шт.), находятся в контрольных пределах, минимальное целое число металлических конструкций в выборке по плану сокращенных испытаний М_мин, шт., назначают из условия (10)

где М - число однотипных стальных балок в здании, шт.

В случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества стальных балок выходит за границы контрольных пределов, минимальное число конструкций в выборке по норме определяют по формуле (11)

В случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества стальных балок выходит за границы допустимых пределов или М 5 шт., не разрушающему испытанию подвергают все однотипные конструкции здания поштучно.

Особенность предложенного способа заключается в том, что дополнительно вычисляют гарантированный предел огнестойкости стальных огнезащищенных балок по номограмме путем решения обратной задачи огнестойкости.

Особенностью предложенного способа определения огнестойкости стальных балок здания является то, что неразрушающие испытания проводят для группы однотипных балок, различия между толщиной огнезащитного покрытия и текучестью стали которых обусловлены главным образом случайными факторами.

Схемы обогрева сечений испытуемых стальных огнезащищенных балок в условиях пожара определяют в зависимости от фактического расположения частей здания.

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

Устранение огневых испытаний стальных балок существующего здания и замена их на неразрушающие испытания снижает трудоемкость определения их огнестойкости, расширяет технологические возможности выявления фактической огнестойкости различно нагруженных стальных балок любых размеров, дает возможность проведения испытания конструкций на огнестойкость без нарушения функционального процесса обследуемого здания, а также сопоставления полученных результатов со стандартными испытаниями аналогичных стальных балок и сохранения эксплуатационной пригодности обследуемого здания без нарушения несущей способности его балок в процессе испытания. Следовательно, условия испытания стальных балок на огнестойкость значительно упрощены.

Снижение экономических затрат на проведение испытания предусматривают за счет уменьшения расходов на демонтаж, транспортирование и огневые испытания образцов стальных балок.

Применение математического описания процесса сопротивления стальных огнезащищенных балок стандартному тепловому испытанию и использование построенной параметрической номограммы повышает точность и экспрессивность оценки их пределов огнестойкости.

Использование интегральных конструктивных параметров, как-то: показателя условий нагрева несущего стержня стальных огнезащищенных балок при пожаре, интенсивности напряжения стали и коэффициента тепловой диффузии материалов огнезащиты, - упрощает математическое описание процесса сопротивления нагруженных стальных огнезащищенных балок тепловому воздействию.

Применение номограммы удобно вследствие ее простоты, наглядности, возможности решения обратных задач огнестойкости стальных огнезащищенных балок и применения метода подбора переменных значений ее конструктивных параметров.

В предложенном техническом решении предусматривают проведение испытаний не одной, а группы однотипных стальных балок. Это позволяет в 5-10 раз увеличить число испытуемых стальных балок и повысить достоверность результатов испытаний и технического осмотра здания. Определение огнестойкости конструкций только по одному показателю качества, например по толщине огнезащитного покрытия, 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 стальных огнезащищенных балок предусматривают не по одному показателю, а по комплексу единичных показателей их качества. Это позволяет более точно учесть реальный ресурс огнестойкости стальных балок.

Уточнен комплекс единичных показателей качества стальных балок, влияющих на их огнестойкость, определяемых неразрушающими испытаниями. Уточнено минимальное число неразрушающих испытаний единичного показателя качества стальных огнезащищенных балок.

Принятая величина выборки из общего числа однотипных стальных балок здания обеспечивает достоверность, снижает сроки и трудоемкость проведения испытаний.

На фиг.1 приведена номограмма для оценки предела огнестойкости стальных огнезащищенных балок, обогрев с 4-х 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":

На фиг.2 приведена схема стальной балки с огнезащитным покрытием, обогрев сечения четырехсторонний, тепловой режим стандартного пожара; размеры поперечного сечения балки В×Н=150×250 мм;

1 - несущий стержень - стальной двутавр №20, b×h×d=10×2×0,52 см; приведенная толщина металла Т_sr=0,34 см; площадь сечения A_s=26,8 см ²; марка строительной стали Ст.3, предельная температура t_u=505°С; критическая температура t_cr=510°С;

2 - заполнение внутренней полости - бетон тяжелый на известняковом щебне, плотность 2200 кг/м³; (k₀=1,33);

3 - штукатурка - состав 1:1:0,5 (цемент: известь: песок), влажность 1,3%; толщина 25 мм; коэффициент тепловой диффузии D_ar=20,0 мм²/мин.

На фиг.3 приведена расчетная схема поперечного сечения стальной огнезащищенной балки при трехсторонней подводке тепла к направленно перемещенным по оси обсцисс контрольным точкам М:

1 - несущий стержень стальной балки - двутавр №20;

2 - заполнение тяжелым бетоном;

3 - цементо-известково-песчаная штукатурка, _х= _y=25 мм;

4 - точки М, определяющие места расположения средней температуры неравномерно прогретых полок двутавра.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного выше технического результата. Последовательность действия способа определения огнестойкости стальных огнезащищенных балок здания состоит в следующем.

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

Под визуальным осмотром понимают проверку состояния стальных огнезащищенных балок, включающей выявление условий закрепления и обогрева стальных балок, определение материала конструктивной защиты стальных балок от нагрева при пожаре (обычный бетон, керамзитобетон, пустотелые блоки, гипсовые плиты, вермикулитовые плиты, штукатурка, перлито-асбестовая облицовка и т.п.), вид проката (двутавр, швеллер, уголок), форму поперечного сечения несущего стержня стальной балки, его геометрические размеры, марку стали, рабочую нормативную нагрузку.

В процессе осмотра определяют группы однотипных стальных балок. Под группой конструкций в здании понимают однотипные стальные балки, изготовленные и возведенные в сходных технологических условиях и находящихся в подобных условиях эксплуатации.

Схемы обогрева поперечных сечений стальных огнезащищенных балок в условиях пожара определяют в зависимости от фактического расположения частей здания, устройства огнезащиты, укладки смежных конструкций, уменьшающих число сторон обогрева.

Минимальное целое число стальных балок в выборке по плану нормальных или сокращенных испытаний назначают из условий (10 и 11).

Пример 1. При числе однотипных конструкций в группе М=100 шт., число испытуемых стальных балок принимают по норме

М_н =5+М^0,5=5+100^0,5=15 шт., по сокращенному плану

М_мин=0,3·(15+М ^0,5)=0,3·(15+100^0,5)=7,5 8 шт.

При числе конструкций в группе М 5 их проверяют поштучно.

Число и место расположения участков, в которых определяют показатели качества стальных балок, определяют так. В стальной балке, имеющей одно опасное сечение, участки располагают только в этом сечении. В стальной балке, имеющей несколько опасных сечений, испытуемые участки располагают равномерно по поверхности с обязательным расположением части участков в опасных сечениях.

К основным единичным показателям качества стальных огнезащищенных балок, обеспечивающих огнестойкость, относятся: коэффициент тепловой диффузии и плотность материала огнезащитного покрытия, показатель условий нагрева несущего стержня стальной огнезащищенной балки, толщина огнезащитного покрытия, марка стали, предел текучести ее, критическая температура, приведенная толщина металла несущего стержня, интенсивность нормальных напряжений в сечении несущего стержня, время сопротивления термосиловому воздействию несущего стержня стальной балки без огнезащиты.

Число испытаний единичного показателя качества конструкций, при вероятности результата, равном 0,95, и показателе точности 5%, определяют по формуле (9); при этом коэффициент вариации выборки =±100· /А;

среднее арифметическое А=(1/n)· m_i,

средняя ошибка А=± /(2·n)^0,5;

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

здесь n - число испытаний; m _i - результат i-го испытания;

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

Проверяемыми геометрическими размерами являются: толщина огнезащитного покрытия, ширина и высота поперечного сечения несущего стержня стальной балки. Опасные сечения стальных балок назначают в местах наибольших моментов и поперечных сил от действия рабочей нормативной нагрузки. Размеры конструкции проверяют с точностью ±1 мм.

Коэффициент тепловой диффузии материала огнезащиты в условиях теплового воздействия определяют при 450°С. Для расчета интегрального его параметра по формуле (6) определяют плотность материала огнезащиты в естественном состоянии, влажность, а также показатели теплопроводности и теплоемкости его при 450°С.

Используя полученные интегральные параметры

D_ar (мм²/мин), ₀ (мм), m₀, J _s, _us (мин),

по номограмме (см. фиг.1) находят пределы огнестойкости стальных огнезащищенных балок здания.

Пример 2. Дано: Глубина заложения полки двутавра (см. фиг.2)

_x= _y=25 мм; ₀=k₀· _х=1,33·25=33,3 мм; показатель нагрева полки двутавра m₀=0,87; интенсивность силовых напряжений в металле J _s=0,63; степень огнезащиты точки М полки двутавра С=33,3 мм; длительность сопротивления термосиловому воздействию незащищенного несущего стержня _us=14 мин. Предел огнестойкости стальной огнезащищенной балки по номограмме (см. фиг.1) при D _ar=20 мм²/мин; ₀=33,3 мм; m₀ =0,87; J _s=0,63; _us=14 мин равен F _ur=110 мин (1,83 ч; опыт - 1,9 ч).

Проверку результата определения огнестойкости стальных балок с огнезащитным покрытием по номограмме проводят расчетом по формуле (12):

где J _s - интенсивность нормальных напряжений в поперечном сечении несущего стержня стальных балок от рабочей нормативной нагрузки, действующей в условиях стандартного огневого испытания (0 J _s 1);

_us - длительность сопротивления термическому воздействию несущего стержня стальных балок без учета огнезащиты, мин;

С - степень (мера) огнезащиты несущего стержня стальных балок огнезащитным покрытием, мм, вычисляемая по формуле (13)

где m₀ - показатель условий нагрева в условиях пожара несущего стержня стальных балок с огнезащиным покрытием (0,25 m₀ 1);

D_ar - коэффициент тепловой диффузии материала огнезащиты, мм²/мин;

k₀ - коэффициент, учитывающий пустотность поперечного сечения на огнестойкость балок;

₀ - толщина материала огнезащиты стальной балки, мм.

Гарантированный предел огнестойкости стальных огнезащищенных балок, F_ur, мин, вычисляют по номограмме (см. фиг.1) при соответствующем изменении конструктивных параметров:

J _s - интенсивности нормальных напряжений в поперечном сечении несущего стержня стальной балки от нормативной нагрузки (0÷1);

₀ - минимальной толщины огнезащиты стальной балки, мм;

m₀ - показателя условий нагрева несущего стержня стальной огнезащищенной балки в условиях пожара (0,25÷1,0);

D_ar (мм²/мин) - показателя тепловой диффузии материала огнезащитного покрытия (коэффициента температуропроводности) при 450°С;

_us(мин) - длительности сопротивления термосиловому воздействию несущего стержня стальной балки без огнезащиты;

T_sr(см) - приведенной толщины металла поперечного сечения балок.

Пример 3. Исходные данные опытной стальной огнезащищенной балки приведены на фиг.2 (опытный предел огнестойкости - 1,9 ч), расчетная схема - на фиг.3.

Алгоритм решения задачи.

1) Глубины залегания расчетных точек М по оси y двутавра вычисляем по формулам (5а) и (5б):

2) Показатель условий нагрева полки двутавра вычислим по формуле (4)

3) Приведенную толщину металла (см) вычислим по формуле (8)

4) Интенсивность силовых напряжений в металле вычислим по формуле (3)

J _s=J_н·t _cr/t_u=0,625·510/505=0,63.

5) Длительность сопротивления огню несущего стержня стальной балки без учета огнезащитного покрытия вычислим по формуле (7)

_us=110·[(1-J _s)^0,5]+6·T _sr=110·[(1-0,63)^0,5-0,5]+6·0,34=14 мин.

6) Степень огнезащиты несущего стержня стальной балки вычислим по формуле (13)

0,1·C=3,7.

7) Предел огнестойкости стальной огнезащищенной балки вычислим по формуле (12)

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

а) средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использовании в строительной промышленности, а именно в классификации металлических колонн 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 оценке пределов огнестойкости стальных облицованных балок, испытанных в огневой печи ВНИИПО.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость». Погрешность значений расчета по сравнению с опытом:

=100·(F_u,on - F _u,pac)/F_u,on=100·(1,9-1,87)/1,9=1,6%<5%.

Источники информации

1. Ильин Н.А. Техническая экспертиза зданий, поврежденных пожаром. - М.: Стройиздат, 1983. - 128 с. (см. с.90-91, 131, 134).

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. ГОСТ 30247.1-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 1995. - 7 с.

5. СНиП II-23-81*. Стальные конструкции. Нормы проектирования. - М.: ГУП ЦПП, 1990. - 95 с. (см. с.63-66).