Нововведение в способе оценки огнестойкости железобетонного безбалочного бескапительного перекрытия здания

Полный текст

Обеспечение огнестойкости железобетонной конструкции междуэтажных перекрытий (в том числе чердачных и над подвалами) обязательно для выполнения строительных работ при проектировании, строительстве, капитальном ремонте, реконструкции, изменении назначения и эксплуатации строительных объектов, а также при разработке технической документации на объекты защиты от пожаров [1, 2].

При разработке нововведения в способ оценки фактической огнестойкости железобетонных монолитных безбалочных баскапительных перекрытий, наряду с методами теоретического исследования и научного эксперимента, авторами данной статьи использован метод математического моделирования [3, 4].

Новизну предлагаемой работы определяют результаты тематического поиска по выявлению изобретательного уровня техники и аналогов технического решения теплотехнической и термопрочностной задачи для оценки фактического (проектного) предела огнестойкости железобетонных балочных бескапительных плит перекрытий [3‒6].

Соответствие степени огнестойкости и предела огнестойкости конструкции перекрытий зданий, сооружений и пожарных отсеков, как несущих элементов, приводят в соответствие с ФЗ № 123 [2, табл. 21] (см. таблицу).

Необходимость оценки фактического (проектного) предела огнестойкости плит перекрытия многоэтажных зданий возникает при реконструкции здания, усилении ее части и элементов; приведении огнестойкости строительного объекта в соответствие с требованиями современных строительных норм (регламентов); при проведении технической экспертизы и восстановлении железобетонных плит перекрытий после пожара [2, 7].

Из научного сообщения института строительной техники Академии Архитектуры известна работа, содержащая результаты исследований по разработке конструктивных решений для многоэтажных зданий безбалочных бескапительных перекрытий [8]. Безбалочные перекрытия являются рациональным типом для применения в строительстве вследствие наличия гладкой поверхности потолка, это позволяет лучше производить планировку помещений, упростить и удешевить отделочные работы [8].

 

Соответствие степени огнестойкости и предела огнестойкости строительных конструкций зданий, сооружений и пожарных отсеков

Compliance of fire resistance degree and fire resistance rating of building structures of buildings, structures and fire compartments

Степень огнестойкости объекта	Особая (прим.1)	I (первая)	II (вторая)	III (третья)
Предел огнестойкости перекрытия REJ, мин (прим.2)	180	60	45	45

Примечания: 1. По СТО 36 544 503-006-2006, НИИЖБ [11]. 2. REJ – признаки предельных состояний: потеря несущей способности (R); потеря целостности (Е); потеря изолирующей способности (J).

 

В [9] рассмотрены общие вопросы проектирования безбалочного перекрытия с железобетонными плитами, опертыми по контуру; показаны особенности монолитных железобетонных конструкций и их отличие от сборных, рассмотрена работа безбалочных монолитных перекрытий, конструирование и армирование безбалочных плит, примеры расчета на прочность.

Однако в рассмотренных работах нет указаний по способу расчета монолитных плит безбалочного бескапительного перекрытия на огнестойкость.

Из научно-технической литературы известен способ оценки огнестойкости железобетонных плит перекрытия зданий по результатам изучения последствий натурного пожара. Этот способ включает в себя выявление положения плиты перекрытия в сооружении, оценку состояния железобетонной плиты путем осмотра и измерения конструктивных параметров, изготовление конструктивных образцов конструктивного бетона и рабочей арматуры, выявление времени наступления представленных состояний по признакам потери целостности, несущей и огнепреграждающей способности [2, 10‒12].

Из патентных документов известен способ оценки огнестойкости железобетонной монолитной плиты перекрытия здания, который включает тепловое испытание без разрушения, по комплексу единичных показателей качества рабочей арматуры и конструктивного бетона монолитной плиты. Для этого определяют геометрические размеры железобетонной плиты, схему обогрева расчетного сечения в условиях пожара, размещение рабочей арматуры в сечении, глубину заложения и степень ее огнезащиты, коэффициент термодиффузии бетона, величину испытательной нагрузки на монолитное перекрытие и интенсивность силовых напряжений в рабочей арматуре [4].

К недостаткам известного способа оценки огнестойкости железобетонной плиты перекрытия относится то, что этот способ не учитывает:

а) отличительные особенности конструктивно-планировочных решений монолитных безбалочных бескапительных плит перекрытия;
б) особенности сопротивления безбалочных бескапительных перекрытий термосиловому воздействию в условиях пожара;
в) влияние неразрезности плит безбалочного перекрытия на расчетные теплофизические характеристики нагретого бетона и рабочей арматуры;
г) особенности принципиальной схемы расчета безбалочного бескапительного перекрытия на огнестойкость по методу предельного равновесия. Указанные недостатки известного способа снижают расчетные величины проектных пределов огнестойкости монолитных безбалочных бескапительных перекрытий в 4‒5 раз.

Суть нововведения состоит: в установлении показателей пожарной безопасности здания в части гарантированной длительности сопротивления железобетонных монолитных безбалочных бескапительных плит перекрытия здания в условиях пожара; в определении проектных пределов огнестойкости безбалочных бескапительных плит перекрытия здания по признакам потери несущей F_U(R) и теплоизолирующей способности F_U(J), мин.

Научно-технический результат при осуществлении нововведения достигается тем, что в известном способе оценки огнестойкости железобетонного монолитного перекрытия здания, включающем: проведение технического осмотра, установление вида бетона и рабочей арматуры монолитного перекрытия, условий ее опирания, определение фактического предела огнестойкости железобетонного монолитного перекрытия по признакам потери несущей и теплоизолирующей способности, проведение теплового (огневого) испытания монолитного перекрытия без разрушения по комплексу единичных показателей качества, дополняя осмотр измерениями геометрических размеров монолитного перекрытия, определение диаметров стержней рабочей арматуры, их взаимного расположения и толщину защитного слоя бетона, установление схемы обогрева основного сечения перекрытия, условий нагрева рабочей арматуры, теплофизических характеристик бетона, коэффициента термодиффузии бетона, степени огнезащиты арматуры бетоном и величины испытательной нагрузки на монолитное перекрытие, ‒ отличительными особенностями предлагаемого нововведения является то, что в качестве железобетонной конструкции принимают монолитное безбалочное бескапительное перекрытие, конструктивно-планировочное решение которого представляют в виде неразрезной в двух направлениях плоскостей плиты, опирающейся на колонны зданий надколонными и пролетными полосами, которые в опасных сечениях армируют рулонными или плоскими сетками по верху и по низу плиты в один или в два ряда по данным расчета на прочность при полосовой нагрузке из условия предельного равновесия. При этом фактический предел огнестойкости железобетонного безбалочного бескапительного перекрытия по признаку потери несущей способности (F_U(R), мин) определяют, используя аналитическое уравнение

$F_{U\left(R\right)}={(\mathrm{2,2}\cdot \left|\mathcal{l}n{J}_{\sigma s}\right|)}^{\mathrm{6,6}/n}\cdot {(T_{s,и}/425)}^{\mathrm{6,6}}\cdot e^c\cdot k_m;$                                                                                 (1)

где J_σs ‒ интенсивность силовых напряжений в рабочей арматуре железобетонной плиты (0,1 ‒ 1,0); n – показатель термотекучести рабочей арматуры; Т_s,u – предельная температура (°C) нагрева рабочей арматуры в условиях предельного равновесия плиты; С – степень огнезащиты рабочей арматуры бетоном, см; k_m – показатель неразрезности железобетонной плиты; е – натуральное число (е = 2,718); ℓn – натуральный логарифм.

Интенсивность силовых напряжений в рабочей арматуре железобетонной плиты перекрытия (J_σs ≤ 1) вычисляют по уравнению

$J_{\sigma s}=(g_{н.дл}/g)\cdot ({А}_{s,mp}/A_{s,cf})\cdot (R_s/R_{sn});$                                                                                                 (2)

где g_н.дл и g ‒ соответственно нормативная длительная нагрузка и полная расчетная нагрузка на плиту, кН/м²; A_s.mp и A_s.cf ‒ соответственно требуемая по расчету и принятая в проекте площадь сечения рабочей арматуры, мм²; R_s и R_sn ‒ соответственно расчетное и нормативное сопротивление рабочей арматуры на растяжение, МПа.

Показатель неразрезности (k_m) железобетонной плиты монолитного безбалочного бескапительного перекрытия вычисляют по уравнению

$k_m=1+\mathrm{0,5}\cdot {({А}_{s,on}/A_{s,np})}^{\mathrm{1,5}};$                                                                                                                    (3)

где A_s.on и A_s.np ‒ соответственно площадь рабочей арматуры на опоре и в пролете железобетонной плиты, мм².

Предельную температуру нагрева (T_s,u, °C) рабочей арматуры железобетонной безбалочной бескапительной плиты вычисляют по аналитическому уравнению

$T_{sи}=k_m^{\mathrm{0,1}}\cdot t_{s,cr};$                                                                                                                                           (4)

где t_s,cr ‒ критическая температура нагрева растянутой арматуры простой железобетонной безбалочной плиты, °C; k_m ‒ показатель неразрезности железобетонной плиты монолитного безбалочного бескапительного перекрытия.

Коэффициент термодиффузии нагретого тяжелого бетона (D_вт, мм²/мин) вычисляют по аналитическому уравнению

$D_{вт}=\frac{60\cdot {10}^3\cdot ({\lambda }_0-{в}_{\lambda }\cdot t_{в,сr}\cdot {10}^{-3})}{{\rho }_e\cdot (c_0+d_{с}\cdot t_{в,cr}\cdot {10}^{-3}+\omega /50)};$                                                                                                   (5)

где λ₀ и в_λ – эмпирический показатель теплопроводности бетона, Вт/(м·°С); С₀ и d_с – эмпирические показатели теплоемкости бетона, кДж/(кг·°С); t_в,cr – критическая температура нагрева бетона в зоне залегания арматуры, °С; ρ_с – плотность сухого бетона, кг/м³; ω – влажность бетона массовая, %.

Степень огнезащиты бетоном рабочей арматуры (С, см) железобетонной плиты вычисляют по аналитическому уравнению

$С=(\mathrm{14,4}/10)\cdot ({а}_{\min }/D_{вт}^{\mathrm{0,8}})$                                                                                                                   (6)

где a_min ‒ глубина залегания рабочей арматуры, мм; D_вт ‒ коэффициент термодиффузии нагретого бетона, мм²/мин.

Предел огнестойкости монолитной безбалочный бескапительной плиты перекрытия по признаку потери теплоизолирующей способности (F_U(J), мин) вычисляют по аналитическому уравнению

$F_{U\left(J\right)}={(t_{in}/70)}^{\mathrm{1,85}}\cdot {(h_{\min }/D_{вт})}^2;$                                                                                                         (7)

где t_in ‒ температура нагрева (°C) необогреваемой поверхности плиты перекрытия, равная (v_u,in + t_l); здесь v_u,in ‒ предельная температура нагрева (140‒220 °C); t_l ‒ начальная температура тела плиты (20±5 °C); h_min – минимальная толщина плиты, мм; D_вт ‒ коэффициент термодиффузии нагретого бетона плиты (20±5 °C) вычисляют по уравнению (5).

Исключение натурных огневых испытаний железобетонной монолитной безбалочной бескапительной плиты перекрытия существующего здания и замена их на неразрушающие тепловые (огневые) испытания снижают трудоемкость оценки их огнестойкости, дают возможность проведения тепловых (огневых) испытаний безбалочного бескапительного перекрытия на огнестойкость без нарушения функционального процесса обследуемого здания; следовательно, условия испытания железобетонного монолитного безбалочного бескапительного перекрытия на огнестойкость значительно упрощены.

Снижение экономических затрат на проведение неразрушающего испытания достигается за счет исключения расходов на демонтаж, транспортирование и натурные огневые испытания образца железобетонной плиты перекрытия.

Применение математического описания процесса сопротивления железобетонного безбалочного бескапительного перекрытия воздействию высокой температуры (500‒1000 °C) и использование построенных аналитических выражений (1)‒(7) повышает точность и достоверность определения их огнестойкости по признакам несущей (F_U(R), мин) и теплоизолирующей (F_U(J), мин) способности.

В математическом описании учтено:

а) отличительные особенности конструктивно-планировочного решения монолитного безбалочного бескапительного перекрытия;
б) особенности сопротивления безбалочного бескапительного перекрытия термосиловому воздействию в условиях пожара;
в) влияние неразрезности плит безбалочного бескапительного перекрытия на теплофизические характеристики нагретого бетона и арматуры;
г) особенности принципиальной схемы расчета безбалочного бескапительного перекрытия на огнестойкость по методу предельного равновесия.

Учет этих особенностей в расчете повышает проектные пределы огнестойкости монолитного безбалочного бескапительного перекрытия по сравнению со сборными балочными перекрытиями в 4‒5 раз (рис. 1‒4).

 

Рис. 1. Фрагмент плана железобетонного монолитного безбалочного бескапительного перекрытия здания: 1 – колонна; 2 – плита перекрытия; 3 – наружная грань; 4 – стеновое ограждение; ℓ₁ и ℓ₂ – соответственно пролеты плиты в коротком и длинном направлении, мм
Fig. 1. Fragment of the plan of the reinforced concrete monolithic beam-free dripless flooring of the building: 1 – column; 2 – floor slab; 3 – outer face; 4 – wall fence; | 1 and | 2 – respectively plate spans in short and long direction, mm

 

Рис. 2. Разрез А – А по рис. 1 – опирание наружной стены на плиту безбалочного бескапительного перекрытия: 1 – колонна; 2 – плита перекрытия; 3 – наружная грань плиты; 4 – стеновое ограждение; h ‒ толщина монолитной плиты, мм; Нэт – высота этажа здания, мм
Fig. 2. Section A – A according to Fig. 1 – support of the outer wall on the slab of a beam-free dripless floor: 1 – column; 2 – floor slab; 3 – outer face of the plate; 4 – wall fence; h – thickness of cast-in-situ slab, mm; N_et – building floor height, mm

 

Рис. 3. Расположение плоских арматурных каркасов в узле сопряжения монолитной плиты безбалочного бескапительного перекрытия с колонной: план (фиг. 1) и разрез Б – Б (фиг. 2); конструкции плоских арматурных каркасов К1 (фиг. 3) и К2 (фиг. 4): 1 – колонна; 2 – плита перекрытия; 5 – каркас К1; 6 – каркас К2; 7 – продольные стержни диаметром d₁ арматурной сетки каркаса К1; 8 – поперечные стержни диаметром d₃; 9 – продольные стержни диаметром d₃ арматурной сетки каркаса К2; и – шаг поперечных стержней; h = 200 мм – толщина монолитной плиты
Fig. 3. Location of flat reinforcement frames in the junction of the monolithic slab of a beam-free dripless floor with a column: plan (Fig. 1 and section B-B (Fig. 2); the structure of the planar reinforcement frames K1 (Fig. 3 and K2 (Fig. 4): 1 – column; 2 – floor slab; 5 – K1 frame; 6 – K2 frame; 7 – longitudinal rods with diameter d₁ of reinforcement mesh of K1 frame; 8 – transverse rods with diameter d₃; 9 – longitudinal rods with diameter d₃ of reinforcement mesh of K2 frame; and – pitch of transverse rods; h = 200 mm – thickness of cast-in-situ slab

 

Рис. 4. Армирование монолитного безбалочного бескапительного перекрытия: 1 – колонна; 2 – плита перекрытия; 3 – наружная грань плиты; 4 – стеновое ограждение; 10 – продольные стержни нижней арматурной сетки; 11 – продольные стержни верхней арматурной сетки; 12 – поперечные стержни нижней арматурной сетки; 13 – поперечные стержни верхней арматурной сетки; 14 – дополнительная арматура в опорной зоне; ℓ₁ и ℓ₂ – шаг колонн в продольном и соответственно в поперечном направлении, мм; ∅12 А 400 – диаметр рабочих стержней арматуры класса А 400
Fig. 4. Reinforcement of cast-in-situ beam-free dripless floor: 1 – column; 2 – floor slab; 3 – outer face of the plate; 4 – wall fence; 10 – longitudinal rods of the lower reinforcement mesh; 11 – longitudinal rods of the upper reinforcement mesh; 12 – transverse rods of the lower reinforcement mesh; 13 – transverse rods of the upper reinforcement mesh; 14 – additional reinforcement in the support zone; | 1 and | 2 – column pitch in longitudinal and, respectively, in transverse direction, mm; ∅12 А 400 – diameter of working reinforcement bars of class А 400 cast-in-situ slab

 

Способ оценки огнестойкости железобетонного монолитного безбалочного бескапительного перекрытия здания осуществляют в следующей последовательности.

Сначала производят визуальный осмотр здания; назначают комплекс единичных показателей качества бетона и арматуры монолитного безалочного бескапительного перекрытия, влияющих на фактические пределы ее огнестойкости F_U(R) и F_U(J), мин.

Далее выявляют размеры сетки колонн здания и толщину наиболее нагруженной плиты безбалочного бескапительного перекрытия; устанавливают схему армирования монолитной плиты по верху и по низу плиты; выявляют разбивку плиты перекрытия на пролетные и надколонные полосы; устанавливают схему образования изломов монолитной плиты перекрытия при полосовой нагрузке по месту расположения линейных шарниров в пролетной полосе; выявляют условия опирания отдельных плит перекрытия в зависимости от расположения в плане; устанавливают наиболее нагруженную плиту перекрытия.

Далее производят сбор нормативных нагрузок на 1 м² перекрытия, устанавливают величины пролетных и опорных моментов, строят эпюры изгибаемых моментов для наиболее нагруженной монолитной плиты в направлении ее коротких сторон.

Затем по величине относительного изгибающего момента находят требуемую площадь рабочей арматуры в коротком направлении в пролете и на опоре плиты и конструируют арматурные сетки; устанавливают вид и класс по прочности бетона и верхних стержней арматурной сетки наиболее нагруженной плиты.

К основным единичным показателям качества железобетонного монолитного безбалочного бескапительного перекрытия, обеспечивающим фактические пределы огнестойкости, относят: геометрические размеры безбалочной плиты перекрытия и высоту основного сечения; глубину залегания, класс по прочности, номинальный диаметр, интенсивность силовых напряжений в рабочей арматуре; прочность бетона на сжатие, его среднюю плотность и массовую влажность; толщину защитного слоя, коэффициент термодиффузии (температуропроводности) бетона и характеристику неразрезной монолитной плиты.

Применение предложенного нововведения в способе оценки огнестойкости железобетонного безбалочного бескапительного перекрытия здания позволяет определить фактический предел огнестойкости железобетонных безбалочных бескапительных перекрытий зданий и сооружений без натурного теплового воздействия в условиях пожара, повышает достоверность неразрушающих испытаний и значительно снижает экономические затраты.

Данный способ был применен при оценке огнестойкости железобетонного монолитного безбалочного перекрытия здания городского склада на 10000 т мяса (распредхолодильник ПКЗ ВАЗ, г. Тольятти).

Выводы. Предложенный способ оценки огнестойкости железобетонного безбалочного бескапительного перекрытия здания включает в себя:

Об авторах

Николай Алексеевич Ильин

Самарский государственный технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: panda-w800i@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0001-3509-2692

кандидат технических наук, профессор кафедры железобетонных конструкций

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Денис Александрович Панфилов

Самарский государственный технический университет

Email: panda-w800i@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-5894-2242

кандидат технических наук, заведующий кафедрой железобетонных конструкций

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Александр Анатолиевич Пищулев

Самарский государственный технический университет

Email: sk@samgtu.ru
ORCID iD: 0000-0002-0778-4683

кандидат технических наук, доцент кафедры железобетонных конструкций

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Герман Романович Васючкин

Самарский государственный технический университет

Email: Plato2008@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0001-0433-7319

младший научный сотрудник кафедры железобетонных конструкций

Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

Дополнительные файлы