DEFINING FIRE AND TECHNICAL CHARACTERISTICS OF A STEEL BEAM WITH CORRUGATED WEB AND ITS COMPLEX LINING

Full Text

Массивные стальные конструкции здания при высокотемпературном воздействии в условиях пожара быстро (спустя 5 - 20 мин) утрачивают свою несущую способность, обрушаются сами и способствуют обрушению других конструкций здания. В технической литературе [1] описывается приближенный метод оценки пожарно-технических характеристик комплексной облицовки стальной двутавровой балки здания, облицовку которой представляют в виде двух керамических скорлуп 5 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 3 Н.А. Ильин, Д.А. Панфилов, Е.В. Ильдияров, А.О. Лукин толщиной 60 - 65 мм, вплотную уложенных к стенке и нижней полке двутавра. Недостатком этого метода является то, что элементы облицовки выполняют из тяжелого материала - керамического камня толщиной 60 - 65 мм плотностью 1200 - 1400 кг/м3; это значительно увеличивает массу огнезащитной облицовки; наличие внутренних пустот (25 - 30 %) в керамическом камне благоприятствует быстрому прогреву облицовки до критических температур нагрева сварного двутавра и снижению предела огнестойкости на 20 - 25 %; изделия облицовки в виде скорлуп из керамического камня строительная промышленность в настоящее время не выпускает. Кроме того, в научно-технической литературе [2] известен метод определения пожарно-технических характеристик стальной двутавровой балки здания, в котором огнезащитную облицовку из крупноразмерных листов и плит устанавливают на относе в виде зазора не менее 25 мм между огнезащитной облицовкой и гранями защищаемого сварного двутавра; каркас огнезащитной облицовки выполняют в виде рамы, состоящей из стальных продольных и поперечных элементов высотой 40-75 мм; крепление стальных элементов каркаса между собой осуществляют самонарезающими винтами 5×25 и 5×45. Однако в этом методе применяется значительное число элементов каркаса и вследствие этого повышается расход металла на изготовление каркаса для огнезащитной облицовки; при проектировании пустот и зазоров между стенкой и полками сварного двутавра и плитами защитной облицовки принимаются увеличенные размеры сечения облицованной балки (площадь сечения возрастает на 40-45 %; расход материалов облицовки - на 30-35 %); сокращается проектный предел огнестойкости огнезащищенной стальной балки на 25-30 %; снижается надежность крепления элементов крупноразмерной листовой и плитной облицовки; уменьшается коррозионная стойкость стального двутавра; увеличивается погрешность в назначении геометрических размеров стальных элементов каркаса облицовки, а также размеров и теплотехнических характеристик листовой и плитной облицовки. Наиболее близким к предлагаемому авторскому решению является метод определения пожарно-технических характеристик комплексной облицовки стальной балки здания, включающий определение вида стального проката и геометрических характеристик стального несущего стержня стальной балки, вид стального профиля для каркаса комплексной облицовки; нахождение интенсивности силовых напряжений в металле; выявление видов материалов, составляющих комплексную облицовку, установление показателей термодиффузии материалов облицовки; определение степени огнезащиты стального несущего стержня стальной балки комплексной облицовкой; нахождение требуемого нормами предела огнестойкости стальной балки здания [3]. Недостатками этого метода является большая погрешность в назначении геометрических размеров стальных элементов каркаса комплексной облицовки, а также геометрических и теплофизических характеристик листовой и плитной облицовки, повышенный расход металла при выполнении стальных элементов каркаса облицовки балки в виде прокатных уголков и швеллеров, размеры прокатных профилей принимаются по конструктивным соображениям, а не по расчету; не предусматривается возможность демонтажа и выполнения работ по ремонту или усилению элементов конструкции, повторного нанесения антикоррозионных составов на стальные конструкции. Задачами (целями) предлагаемого метода являются: повышение действенности и экономичности огнезащиты стальной балки здания, снижение погрешности при назначении геометрических размеров стальных элементов каркаса комплексной облицовки, а также геометрических и теплофизических характеристик элементов листовой и плитной облицовки стальной балки; снижение расхода стали и материалов листовой и плитной облицовки, повышение ресурсоэнергосбережения в процессе проведения огнезащиты стальной балки здания. Технологический эффект1 заключается в следующем: 1) повышение надежности крепления крупноразмерной листовой и плитной огнезащитной облицовки балки с гофрированной стенкой и элементов каркаса для нее; 2) сокращение числа элементов каркаса для огнезащитной облицовки (пожарного пояса); снижение массы металла и материалов облицовки; 3) снижение погрешности при проектировании геометрических размеров стальных элементов каркаса для облицовки, а также размеров листовой и плитной облицовки для оптимальной огнезащиты; 4) повышение ресурсоэнергосбережения материалов комплексной облицовки стальной балки в зависимости от требуемой степени огнестойкости здания; применение тонкостенных гнутых швеллеров для каркаса облицовки (взамен прокатных) приводит к экономии металла до 10 %; 5) проектирование геометрических размеров гнутых швеллеров принято по результатам теплотехнического расчета; 6) появление возможности демонтажа облицовки и выполнения работ по ремонту или усилению элементов конструкции, повторного нанесения антикоррозионных составов на стальные конструкции; 1 Технологический эффект - результат решения поставленных задач (целей), на достижение которых направлена совокупность действий способа конструктивной огнезащиты. Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 3 6 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ 7) производство работ с применением современных материалов облицовки стальной балки возможно как при положительных, так и при отрицательных температурах окружающей среды; 8) повышение надежности работы огнезащищенной стальной балки в процессе нормальной эксплуатации здания и в условиях пожара; 9) упрощение монтажа элементов каркаса пожарного пояса и огнезащитой облицовки стальной балки; 10) повышение жесткости соединения сварного двутавра с листами и плитами облицовки и сопротивляемости огнезащитной облицовки механическим воздействиям; 11) повышение коррозионной стойкости стального несущего стержня балки с гофрированной стенкой и ремонтопригодности огнезащитной облицовки; 12) снижение трудоемкости монтажа элементов каркаса и элементов огнезащитной облицовки; 13) сокращение сварочных работ и мокрых строительных процессов. Особенностью предлагаемого метода является то, что вначале выявляют наиболее слабый в статическом и тепловом отношении стальной элемент сварного двутавра, находят контрольные точки в сечении стального элемента сварного двутавра, назначают элементы усилений полок сварного двутавра в виде гнутых профилей - швеллеров, уголков - каркаса термозащитных поясов стальной балки, затем вычисляют приведенную толщину металла Тsr , мм, - стального элемента сварного двутавра с усилением, используя уравнение Тsr= As/P0 , (1) где As - площадь поверхности металла сечения стального элемента сварного двутавра, мм2; P0 - периметр обогрева стального элемента сварного двутавра, мм. Время сопротивления rus , мин, тепловому воздействию стального элемента сварного двутавра без огнезащиты вычисляют по аналитическому выражению rus= 6×{Тsr+ 18,33×[(1-Jσx)1/2- 0,5]}, (2) где Тsr- приведенная толщина металла элемента сварного двутавра, см; Jσx- интенсивность силовых напряжений в стальном элементе сварного двутавра (0,1 - 1,0). Требуемую степень огнезащиты стальной балки сварного двутавра С, см, с комплекcной облицовкой вычисляют по логарифмическому уравнению С = ln[0,4×(Ruн-rus)]n, (3) где Ruн- требуемый предел огнестойкости несущей балки здания, мм; rus- время сопротивления тепловому воздействию стального элемента сварного двутавра без его огнезащиты, мин; n = 1 - для полок, n = rus,min/ rus, 3 - для гофрированной стенки. Требуемую толщину материала облицовки δтp , мм, стального элемента сварного двутавра определяют по показательному уравнению δтp= 0,7×С×Dвт 0,8/т0 , (4) где С - требуемая степень огнезащиты стального элемента сварного двутавра; Dвт- показатель термодиффузии материала огнезащитной облицовки, мм2/ мин; т0 - показатель условий нагрева контрольной точки стального элемента сварного двутавра (0,5 - 1,0). Приведенную толщину br , мм, комплексной облицовки стального элемента сварного двутавра вычисляют, используя уравнение br = δэт+ (δr,тр- δст)×Dэт/Dвт , (5) где δэт и δr,тр - толщина слоя эталонного материала и требуемая толщина приведенной комплексной облицовки, мм; Dэт и Dвт - показатель термодиффузии эталонного и сравниваемого с ним материала облицовки, мм2/мин. Толщину материала облицовки стального элемента сварного двутавра, сравниваемого с эталонным материалом, δпл, мм, вычисляют по алгебраическому уравнению δпл= (δr,тр- δэт)×Dвт/Dэт , (6) где δr,тр и δэт - толщина требуемого приведенного слоя и эталонного слоя покрытия, мм; Dвт и Dэт - показатель термодиффузии сравниваемого слоя и эталонного слоя комплексной облицовки, мм2/мин. Конструктивную толщину комплексной облицовки стального элемента сварного двутавра, bкп, мм, определяют по выражению bкп= δэт+ δпл , (7) где δэт и δпл - толщина слоя эталонного материала и материала, сравниваемого с ним, мм. В качестве наиболее слабого в статическом и тепловом отношении стального элемента сварного двутавра принимают элемент, имеющий наименьшую длительность сопротивления тепловому воздействию без его огнезащиты rus,min, мин. Контрольную точку в поперечном сечении полки сварного двутавра определяют как направленно перемещенную точку размещения средней температуры неравномерно прогретого по сечению стального элемента сварного двутавра. При расположении полки сварного двутавра параллельно оси х абсциссу (ах) и ординату (ау) определяют соответственно по уравнениям 7 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 3 Н.А. Ильин, Д.А. Панфилов, Е.В. Ильдияров, А.О. Лукин ах= δх+ (δх×в/2)0,5×(в/H)0,25 ≤B/2; (8) ау= δy , (9) где δх и δy - толщина облицовки покрытия полки сварного двутавра соответственно по оси х и у, мм; ах и ау - глубина заложения контрольной точки сечения сварного двутавра по оси х и у, мм; в - ширина полки сварного двутавра, мм; В и Н - ширина и высота поперечного сечения облицованной балки, мм. Контрольную точку в поперечном сечении гофрированной стенки сварного двутавра при симметричном двухстороннем подводе тепла назначают в середине ее поперечного сечения (x = d/2, мм). Показатель условий нагрева т0 стального элемента сварного двутавра при трехстороннем подводе тепла к контрольной точке поперечного сечения элемента определяют по аналитическому уравнению т0 = (ау1/ δх)0,5/ [1,5+ (ау1/ ау2)4], (10) при двухстороннем несимметричном подводе тепла к контрольной точке - по степенному уравнению т0 = 0,5×(ау/ δх)0,5 , (11) где ау , ау1 и ау2 - ординаты контрольной точки сечения полки, мм; δх - толщина облицовки по оси х, мм. Схема стальной балки с гофрированной стенкой приведена на рис. 1; схема сварного двутавра стальной балки с элементами усиления - на рис. 2; схема огнезащитного сварного двутавра стальной балки с гофрированной стенкой - на рис. 3. Рис. 1. Схема стальной балки с гофрированной стенкой: сечение А-А - продольный разрез; сечение Б-Б - поперечный разрез; сечение В-В - план стальной балки (без огнезащиты): 1 - растянутая полка; 2 - сжатая полка; 3 - гофрированная стенка; h и b - высота и ширина сварного двутавра стальной балки; d - толщина гофрированной стенки, мм; δ - толщина полки стальной балки, мм Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 3 8 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ Рис. 2. Сварной двутавр стальной балки, полки которого оборудованы гнутыми стальными швеллерами - элементы каркаса термоизоляционного пояса (обогрев поперечного сечения стальной балки с трех граней): 1 - растянутая полка; 2 - сжатая полка; 3 - гофрированная стенка; 4 - швеллеры растянутой полки; 5 - швеллеры сжатой полки; 6 - сварной шов; 7 - антикоррозионное покрытие сварного двутавра; h1 × b1 × s1 - высота, ширина и толщина гнутого швеллера, прикрепленного к растянутой полке сварного двутавра стальной балки; h2 × b2 × s2 - высота, ширина и толщина гнутого швеллера, прикрепленного к сжатой полке сварного двутавра стальной балки; d - толщина гофрированной стенки, мм Рис. 3. Огнезащищенный сварной двутавр стальной балки (полки которого оборудованы гнутыми стальными швеллерами - каркас термозащитного пояса): 1 - растянутая полка; 2 - сжатая полка; 3 - гофрированная стенка; 4 - швеллеры растянутой полки; 5 - швеллеры сжатой полки; 6 - сварной шов; 7 - антикоррозионное покрытие сварного двутавра; 8 - гипсокартонные листы; 9 - минватная плита термозащитного пояса полки сварного двутавра; 10 - минватная плита термозащитного пояса гофростенки; 11 - контрольные точки растянутой полки сварного двутавра; t, ст °С - направление подвода тепла в условиях огневого испытания; g0 - линейная испытательная нагрузка на несущую балку с гофрированной стенкой, кН; H × B - общая высота и ширина балки с гофрированной стенкой с огнезащитной облицовкой, мм; ax и ay - глубина заложения контрольной точки поперечного сечения сварного двутавра балки с гофрированной стенкой по осям х и у, мм; δx, r - толщина огнезащитной облицовки сварного двутавра балки с гофрированной стенкой, мм Выводы. Использование предложенной методики оценки пожарно-технических характеристик комплексной облицовки стальных гофробалок существенно повышает действенность (эффективность) и экономичность огнезащиты гофробалок здания, а также ресурсосбережение при производстве строительных работ. Геометрические и теплофизические характеристики комплексной облицовки стальных элементов каркаса пожарного пояса определяют по расчету в зависимости от требуемого предела огнестойкости несущих конструкций здания. Применение тонкостенных гнутых швеллеров и уголков для каркаса пожарного пояса (взамен прокатных) приводит к экономии металла до 10 %. Показаны составляющие технологического эффекта нового технического решения и мероприятия по его достижению.

About the authors

Nikolay A. ILYIN

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Denis A. PANFILOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Evgeny V. ILDIYAROV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Alexey O. LUKIN

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files