ON THE EFFICIENT AND ENERGY-SAVING METHOD OF FLAME PROOFING FOR STEEL I-SHAPED COLUMNS

Full Text

Ресурсоэнергосберегающее решение относится к области пожарной безопасности зданий и касается метода действенной огнезащиты стального несуще- го стержня колонны, выполненного в виде двутавра, при использовании крупноразмерной листовой и плитной облицовки1. Незащищённые стальные конструкции здания при действии высокой температуры (950 ± 50 оС) в условиях пожара быстро (спустя 5 ÷ 20 мин) утрачи- вают свою несущую способность, обрушаются сами и способствуют обрушению других конструкций здания, что приводит к значительным материаль- ным убыткам после пожара (аварии). Известна зарубежная система действий по ог- незащите стальной колонны здания, которая вклю- чает в себя огнезащитную облицовку стального двутавра железобетонными плитами из ячеистых бетонов, многопустотными гипсовыми плитами или пластинами, вермикулитовыми плитами и асбесто- цементными листами [1]. 1 Облицовка крупноразмерная огнезащитная - конструктивный способ огнезащиты гипсокартонными листами, гипсоволокни- стыми листами, цементно-стружечными листами; гипсовыми плитами, блоками, скорлупами; асбестоперлитовыми плитами, асбестовым картоном, минераловатными матами повышенной жесткости, матами из базальтового волокна, стекловолокна и т.п. Однако при использовании зарубежной систе- мы действий по огнезащите стальной колонны зда- ния применяют значительное число элементов кар- каса и вследствие этого повышают расход материала огнезащиты и металла на изготовление каркаса для огнезащитной облицовки; при проектировании пу- стот и зазоров между стенкой и полками двутавра и плитами защитной облицовки увеличивают раз- меры поперечного сечения облицованной колонны (площадь сечения возрастает на 75-85 %). При этом снижается проектный предел огнестойкости огне- защищённой колонны на 25-30%; уменьшается на- дёжность крепления элементов крупноразмерной листовой и плитной облицовки; снижается корро- зионная стойкость стального несущего стержня и ре- монтопригодность огнезащитной облицовки сталь- ной колонны. Известна общепризнанная российская система действий по огнезащите двутавровой колонны зда- ния, которая содержит стальной двутавр и огнеза- щитную облицовку из крупноразмерных листов и плит, установленных на относе. Зазор между огнеза- щитной облицовкой и гранями защищаемого сталь- ного несущего стержня принят не менее 25 мм; кар-кас огнезащитной облицовки выполнен в виде рамы, состоящей из стальных продольных и поперечных элементов высотой 40 ÷ 75 мм. Крепление стальных элементов каркаса между собой осуществляют само- нарезающими винтами 5 × 25 ÷ 5 × 45 [2]. Однако при использовании общепризнанной российской системы действий по огнезащите сталь- ной колонны здания применяют большое число элементов каркаса. Вследствие этого повышается расход металла на изготовление каркаса для огнеза- щитной облицовки. При проектировании пустот и зазоров между стенкой и полками двутавра и плита- ми защитной облицовки увеличивают размеры по- перечного сечения облицованной колонны (площадь сечения возрастает на 80 ÷ 95 %). Расход материалов облицовки увеличивается на 45 ÷ 50 %, уменьшается проектный предел огнестойкости стальной огнеза- щищённой колонны на 25 ÷ 30 %; снижается надёж- ность крепления элементов крупноразмерной листо- вой и плитной облицовки; снижаются коррозионная стойкость стального несущего стержня и ремонто- пригодность огнезащитной облицовки колонны. Известна современная система действий по ог- незащите двутавровой стальной колонны здания, в котором стальной несущий стержень с анкерами на его боковых гранях оборудуют каркасом из профи- лей С-образного сечения, состоящего из продольных элементов с отгибами по краям полок и поперечных элементов. Облицовку из листовых материалов при- крепляют на относе 40 ÷ 50 мм с образованием за- зоров между полками двутавра (площадь пустого пространства между полками и стенкой двутавра № 20 и элементами облицовки в поперечном сече- нии огнезащищённой стальной колонны составляет Апуст = 650 см2) [3]. Однако при использовании современной систе- мы действий по огнезащите двутавровой стальной ко- лонны здания применяют большое число элементов каркаса. В результате повышается расход металла на изготовление каркаса для огнезащитной облицовки; при проектировании пустот и зазоров между стен- кой и полками стального двутавра и плитами защит- ной облицовки увеличиваются размеры поперечно- го сечения облицованной колонны (площадь сечения возрастает на 60÷70 %; расход материалов облицовки - на 30-50 %), снижая фактический предел огнестой- кости огнезащищённой стальной колонны на 20-25 %; уменьшается надёжность крепления элементов крупноразмерной листовой и плитной облицовки; снижаются коррозионная стойкость стального несу- щего стержня и ремонтопригодность крупноразмер- ной огнезащитной облицовки стальной колонны. Наиболее близким конструктивным решением к разработанному в СГАСУ методу относится обще- признанная система действий по огнезащите двутав- ровой колонны здания, в которой стальной несущий стержень образован элементами каркаса и листовой облицовкой, прикреплённой к каркасу на относе. Элементы каркаса выполняют из стальных профи- лей с отгибами, а несущий стержень снабжают анке- рами, обеспечивая зазор 60 ÷ 80 мм между несущим стержнем и облицовкой. Элементы облицовки из листового и плитного материала закрепляют к эле- ментам каркаса самонарезающими винтами [4]. Тем не менее при использовании общепри- знанной системы действий по огнезащите стальной колонны здания применяют значительное число элементов каркаса. В результате повышается расход металла на изготовление каркаса для огнезащитной облицовки; при проектировании пустот и зазоров между стенкой и полками двутавра и плитами за- щитной облицовки увеличиваются размеры попе- речного сечения облицованной колонны (площадь сечения возрастает на 75÷85 %; уменьшается фак- тический предел огнестойкости огнезащищённой стальной колонны на 25-30 %); снижается надёжность крепления элементов крупноразмерной листовой и плитной облицовки; уменьшаются коррозионная стойкость стального стержня и ремонтопригодность огнезащитной облицовки. При этом обосновано определение толщины элементов листовой и плит- ной огнезащитной облицовки стального несущего стержня колонны в зависимости от степени огне- стойкости здания и теплофизических свойств мате- риалов крупноразмерной облицовки. Суть предлагаемой системы действий по ог- незащите стального несущего стержня заключается в разработке рационального метода повышения ог- нестойкости и эксплуатационной надёжности огне- защищённой колонны здания, а также в улучшении пожарно-технических и ресурсоэнергосберегающих показателей действенной огнезащиты стальной ко- лонны здания [1-3, 5]. Положительный технологический эффект по- лучен вследствие: 1) повышения надёжности крепле- ния крупноразмерной листовой и плитной огнеза- щитной облицовки стальной колонны и элементов каркаса для неё; 2) сокращения числа элементов каркаса для огнезащитной облицовки; 3) снижения массы металла и материалов облицовки; 4) упро-щения изготовления каркаса крупноразмерной ог- незащитной облицовки; 5) уменьшения площади поперечного сечения огнезащищённой колонны на 75-95 %; 6) повышения предела огнестойкости ко- лонны с несущим стержнем в виде стального двутав- ра на 25-30 %; 7) повышения безопасности труда при тушении пожара и проведении восстановительных работ; 8) снижения возможных потерь от пожара; 9) повышения надёжности работы огнезащищён- ной колонны в процессе нормальной эксплуатации здания и в условиях пожара; упрощения монтажа каркаса и огнезащитной облицовки; 10) повышения жёсткости соединения колонного двутавра с листа- ми и плитами крупноразмерной облицовки и со- противляемости огнезащитной облицовки механи- ческим воздействиям; 11) повышения действенной эффективности огнезащиты стального несущего стержня крупноразмерными листами и плитами; 12) повышения коррозионной стойкости стальной колонны и ремонтопригодности крупноразмерной огнезащитной облицовки; 13) снижения трудоёмко- сти монтажа элементов каркаса и огнезащитной об- лицовки; 14) сокращения сварочных работ и мокрых строительных процессов; 15) повышения ресурсоэ- нергосбережения; 16) обоснования инженерным рас- чётом толщины листовой и плитной огнезащитной облицовки стального несущего стержня колонны в зависимости от требуемой степени огнестойкости здания, показателей термодиффузии материалов облицовки и условий нагрева элементов стального двутавра при пожаре [5-7]. Положительный технологический эффект до- стигается тем, что в известной системе действий по огнезащите двутавровой стальной колонны здания, в котором несущий стержень оборудуют крупнораз- мерной листовой и плитной облицовкой, особенно- стью является то, что несущий стержень выполняют в виде стального двутавра и каждый торец стального несущего стержня снабжают крепёжными гайками и установочными винтами с потайными головками и ввинчиваемыми заострёнными концами и прямым шлицем. Установочными винтами к полкам дву- тавра прикрепляют контактно, вплотную элементы крупноразмерной листовой огнезащитной облицов- ки. К стенке двутавра прикрепляют контактно вплот- ную элементы плитной огнезащитной облицовки. Толщину элементов листовой и плитной облицовки определяют с учётом показателей термодиффузии её материалов, условий нагрева полок и стенки дву- тавра и требуемой степени огнестойкости здания. Другими особенностями предложенной систе- мы действий по огнезащите стального колонного двутавра является то, что на поверхность стального несущего стержня колонны предварительно наносят антикоррозионный слой. Элементы листовой огне- защитной облицовки выполняют из огнеупорных гипсовых облицовочных листов. Элементы плитной огнезащитной облицовки выполняют в виде плит из базальтового волокна или в виде минераловатных плитных изделий «Rockwool». Длину ввинчиваемо- го конца установочного винта в элементы плитной огнезащитной облицовки принимают не менее ℓmin ≥ 0,2 · h, здесь h - высота стального двутавра. На- ружные поверхности элементов листовой и плитной огнезащитной облицовки покрывают слоем стеклот- кани. Наружные поверхности элементов огнезащи- щённой стальной колонны штукатурят. Толщину элементов листовой и плитной огне- защитной облицовки δo,mp, мм, стального колонного двутавра определяют из степенного выражения δo,mp = 0,7 · С · D0,8ar / mo , (1) где C - степень огнезащиты стального двутавра, см; Dar - показатель термодиффузии материала обли- цовки, мм2/мин; mo - показатель условий нагрева двутавра (0,5 ÷ 1). Величину предела огнезащиты отдельного слоя комплексной облицовки τu,co, мин, вычисляют из степенного уравнения τu,co = 65 · mo · (δсo / Dсо)1,41 , (2) где mo - показатель условий нагрева слоя облицовки, (0,5 ÷ 1); δсo - толщина отдельного слоя огнезащитной облицовки, мм; Dсо - показатель термодиффузии материала облицовки, мм2/мин, величину которого принимают по табл. 1. Показатель условий нагрева (mo) контрольной точки22 полки колонного двутавра вычисляют по по- казательному уравнению mo = 0,5(δх /δу)², (3) где δх и δу - толщина покрытия полки двутавра по осям X и У, мм, при δх ≤ δу. Использование предлагаемой системы дей- ствий по огнезащите стальной колонны здания обе- спечивает простоту и надёжность крепления эле- ментов крупноразмерной облицовки и элементов каркаса для неё за счёт использования установочныхвинтов с потайной головкой с длинным ввинчивае- мым заострённым концом и жёсткого соединения (сварки) крепёжной гайки к полкам двутавра. Сни- жение массы металла на изготовление каркаса огне- защитной облицовки производят за счёт снижения числа элементов каркаса. В результате уменьшается площадь попереч- ного сечения огнезащищённой колонны на 75-95 %, вследствие отсутствия пустотного пространства между стальным несущим стержнем и облицовкой; повышается предел огнестойкости стальной колон- ны на 25-35 % вследствие заполнения пустотного пространства внутри поперечного сечения колонны; повышается безопасность труда при тушении пожа- ра, при проведении аварийно-спасательных и вос- становительных работ; снижаются потери от пожа- ра вследствие повышения пределов огнестойкости стальных несущих конструкций зданий; повышает- ся надёжность работы огнезащищённой стальной колонны при нормальной эксплуатации здания и в условиях пожара вследствие увеличения жёстко- сти при контактном соединении двутавра с листа- ми и плитами облицовки. Предлагаемая методика позволяет рассчитать толщину крупноразмерной облицовки в зависимости от требуемой степени ог- нестойкости здания, показателя термодиффузии ма- териала облицовки, условий нагрева полок и стенки двутавра при пожаре. На рис. 1 изображено расчётное поперечное сечение огнезащищённой стальной колонны с кон- тактным присоединением элементов листовой и плитной облицовки к несущему стержню. На рис. 2 изображено проектное поперечное сечение огнезащищённой колонны со стальным не- сущим стержнем в виде двутавра № 20 К-2 примеру расчёта. Сведения о применении системы действий по огнезащите. При реконструкции корпуса № 2 уни- верситета проектом предусмотрены огнезащищён- ные стальные колонны из прокатного профиля. Ха- рактеристика здания и его несущих колонн: класс функциональной пожароопасности - Ф 4.2; степень огнестойкости - I (первая); класс конструктивной по- жароопасности - СО (непожароопасное); число эта- жей - 6; требуемый предел огнестойкости несущей колонны Fu,н. = 120 мин (табл. 21 [8]); стальной несу- щий стержень - двутавр № 20 К-2, высота двутавра h = 198 мм, ширина полки b = 200 мм, толщина стен- ки d = 7,0 мм; толщина полки δs = 11,5 мм, площадь сечения двутавра А = 53 см2 (см. рис. 2). Огнезащита полки стального двутавра - листо- вая огнезащитная облицовка - огнеупорный гипсо- картонный лист толщиной δ1 = 12,5 мм; огнезащита стенки двутавра - плитная огнезащитная облицовка - маты из минваты М-50 изделия «Rockwool». Степень огнезащиты стального колонного дву- тавра вычислена из логарифмического выражения С = ln (τuo / 48 · (1 - Jσs )3), (4) при нормативной интенсивности силовых на- пряжений Jσs = 0,5, С = ln (τuo / 6), (5) где C - степень огнезащиты стального двутавра, мм; τuo - предел огнезащиты элементов облицовки ко- лонны, мин; ln - натуральный логарифм. Предел огнезащиты облицовки колонны вы- числен из уравнения τuo = Fu,тр - τus, (6) где Fu,тр - требуемый предел огнестойкости несущей колонны, мин; τus - предел огнестойкости стального ко- лонного двутавра без огнезащитной облицовки, мин. Пример. Дано: Стальной несущий стержень - двутавр из прокатного профиля № 20 К - 2; требуемый предел огнестойкости колонн для здания I (первой) степени огнестойкости Fu,тр = 120 мин (табл. 21 [8]); предел огнестойкости стального двутавра без огнезащиты τus = 20 мин; огнезащитная облицовка полок двутав- ра - огнеупорные гипсокартонные листы, показатель термодиффузии гипсокартона - DГКЛО = 20 мм2/мин; показатель условий нагрева полок двутавра m01 = 0,642; облицовка стенки двутавра - минватные маты М - 50 изделия «Rockwool»; показатель термо- диффузии DRос = 68,8 мм2/мин; показатель условий нагрева стенки двутавра - m02 = 0,5 (при двухсторон- нем подводе тепла в условиях пожара). Требуется определить толщину листовой и плитной облицовки. Решение: 1) Предел огнезащиты облицовки стального двутавра вычислен по формуле (6): τuo = Fu,mр - τus = 120 - 20 = 100 мин. 2) Степень огнезащиты стального двутавра комплексной облицовкой (при Jσs = 0,5) вычислена по логарифмическому уравнению (5): С = ln (τuo / 2,5) = ln (100 / 6) = ln 16,67 = 2,81. 3) Требуемую толщину листовой огнезащит- ной облицовки для полок двутавра огнеупорными гипсокартонными листами (при m01 = 0,642) вычис- ляют по степенному уравнению (1): δmp,ГКЛО = 0,7 · С · D0,8ГКЛО / m01 = 0,7 · 2,81 · 200,8 / 0,642 = 33,76 мм. 4) Число слоёв облицовки полок двутавра из огнеупорных гипсокартонных листов (толщиной δ1 = 12,5 мм каждый лист) равно: nГКЛО = δmp,ГКЛО / δ1 = 33,76 / 12,5 = 2,7; принято nГКЛО = 3 листа. 5) Требуемую толщину плитной огнезащитной облицовки для стенки двутавра минераловатными изделиями «Rockwool» в виде матов марки М-50 (при двухстороннем подводе тепла в условиях пожара m02 = 0,5) определяют по степенному выражению (1): δmp. Rос = 0,7 · С · DRос0,8 / m02 = 0,7 · 2,81 · 68,80,8 / 0,5 = 113 мм > b / 2 = 200 / 2 = 100 мм; принято δRос = 120 мм. В состав работ в предлагаемой системе дей- ствий по огнезащите стальной двутавровой колонны входят: подготовка поверхности стального двутавра и нанесение антикоррозийного слоя; выбор матери- алов для огнезащитной облицовки; расчёт толщины элементов облицовки; изготовление элементов ли- стовой огнезащитной облицовки и плитной огне- защитной облицовки; установка крепёжных гаек на торцы полок стального колонного двутавра с шагом 500÷1000 мм по длине (высоте) колонны; сборка эле- ментов листовой огнезащитной облицовки и кре- пление их установочными винтами на полках сталь- ного колонного двутавра; нанесение клеевого слоя на поверхность стенки и полок стального колонного двутавра и приклеивания к ним элементов плитной огнезащитной облицовки; ввинчивание каждого установочного винта с потайной головкой и с зао- стрённым концом в элементы плитной огнезащит- ной облицовки на глубину ℓк ≥ 0,2 · h (где h - высота двутавра); установка в пазы (в местах расположения крепёжных гаек) асбестового шнура; покрытие по- верхности элементов плитной огнезащитной обли- цовки стеклотканью (по необходимости). Предложенная система действий по устройству огнезащищённой стальной двутавровой колонны здания применено при реконструкции корпуса № 2 Самарского государственного архитектурно-строи- тельного университета (Самара, 2011-2014). Выводы. 1. В результате проведенных исследова- ний разработана ресурсоэнергосберегающая система действий по огнезащите колонного двутавра при вы- полнении конструктивной крупноразмерной листо- вой и плитной огнезащиты стальных колонн здания. 2. Предлагаемое конструктивное решение по- вышает надёжность крепления элементов крупно- размерной облицовки за счёт использования устано- вочных винтов с потайной головкой и ввинчиваемым заострённым концом; снижает массу металла и мате- риалов облицовки; уменьшает площадь поперечного сечения огнезащищённой стальной колонны; повы- шает фактический предел огнестойкости стальной ко- лонны; снижает риск обрушения стальной колонны в начальной стадии пожара и прямые убытки от огня. 3. Положительный технологический эффект достигается тем, что стальной колонный двутавр оборудуют крепёжными гайками и установочными винтами с потайными головками и ввинчиваемым заострённым концом, элементы листовой обли- цовки прикрепляют вплотную к полкам двутавра, элементы плитной облицовки - вплотную к стенке двутавра; толщину элементов огнезащитной листо- вой и плитной облицовки стальной колонны зара- нее определяют с учётом теплофизических свойств материалов облицовки, условий нагрева полок и стенки стального двутавра при пожаре или техноло- гической аварии.

About the authors

Nikolay Alekseevich ILYIN

Samara State University of Architecture and Civil Engineering

Email: vestniksgasu@yandex.ru
PhD in Engineering Science, professor of the Water Supply and Drainage Department 443001, Russia, Samara, Molodogvardeyskaya St, 194, tel. (846)339-14-71

Denis Aleksandrovich PANFILOV

Samara State University of Architecture and Civil Engineering

Email: vestniksgasu@yandex.ru
PhD in Engineering Science, Associate Professor of the Engineering Structures Department 443001, Russia, Samara, Molodogvardeyskaya St, 194, tel. (846)339-14-78

Denis Vladimirovich LITVINOV

Samara State University of Architecture and Civil Engineering

Email: litvinov-dv@mail.ru
PhD in Architecture e, Associate Professor of the Restoration and Reconstruction of Architectural Heritage Department 443001, Russia, Samara, Molodogvardeyskaya St, 194, tel. (846) 340-02-39

Nikolay Vladimirovich TRETYAKOV

Samara State University of Architecture and Civil Engineering

Email: vestniksgasu@yandex.ru
PhD in Engineering Science, Associate Professor of the Steel and Timber Structures Department 443001, Russia, Samara, Molodogvardeyskaya St, 194, tel. (846) 339-14-65

References

Supplementary files