Ensuring heat resistance and fire protection of cast-iron building supports

Full Text

В строительстве зданий и сооружений расширяется применение «хрупких» материалов, таких как керамика, стекло, чугун и др. Для таких материалов большое значение имеет в первую очередь их термостойкость, т. е. устойчивость к влиянию неоднородности температурного поля [1‒6].

Анализ последствий пожаров и экспериментально-теоретические исследования показывают, что незащищенные стальные чугунные опоры под воздействием температуры характеризуются хрупким разрушением, что приводит к лавинообразному обрушению других конструкций здания. Поэтому повышение температурной устойчивости (термостойкости и огнестойкости) несущих чугунных опор здания имеет большое социально-экономическое значение, а разработка действенных способов и устройств по обеспечению температурной устойчивости их весьма актуальна [7, 8].

Под термостойкостью материалов понимают способность материалов выдерживать без разрушения термические напряжения при резком изменении температуры. Часто термостойкость характеризуют величиной температуры, нагрев до которой или быстрое охлаждение резко снижают механическую прочность материала.

Термическое напряжение возникает вследствие градиента температуры. Роль термических напряжений существенна для поведения хрупких материалов. Количественной мерой сопротивления термическим напряжениям серого чугуна считают максимальную разность температур между изотермическими поверхностями – критическую температуру (Т_cr, °С). При величине интенсивности силовых напряжений в сечениях несущего стержня чугунной опоры 0,25 ≤ J_σо ≤ 0,85 критическая температура для серого чугуна находится в пределах 270 ≤ Т_cr ≤ 450 °С [8].

Незащищенные от температурных воздействий чугунные колонны теряют несущую способности уже спустя 2-3 мин и разрушаются хрупко (взрывообразно), приводя к обрушению другие конструкции здания.

На фотоснимке приведен обзорный вид участка расположения двух чугунных опор круглого зала Академии строительства и архитектуры в момент разборки пола и подготовки к осмотру реконструируемых чугунных опор, на которые опираются металлические балки в виде двутавра № 18 перекрытия круглого зала: высота опор L = 4 м; размер сечения ствола чугунной опоры L = 200 мм; верхнего оголовка L = 300 мм (рис. 1).

 

Рис. 1. Общий вид чугунных опор

Fig. 1. General view of cast iron supports

 

Положительные технико-экономические показатели достигаются тем, что в предлагаемом методе обеспечения температуроустойчивости опор несущий стержень конструкции оборудуют конструктивной огнезащитой – слоем легкого бетона с элементами армирования, которые прикрепляются по всему периметру боковой поверхности чугунной опоры [9, 10].

Толщина конструктивной огнезащиты чугунной опоры определяется с учетом величины коэффициента термодиффузии легкого бетона и критической температуры нагрева серого чугуна по признаку хрупкого разрушения.

Интенсивность силовых напряжений в расчетном сечении чугунной опоры от нагрузки на огнестойкость определяется выражением

${\mathcal{J}}_{о}=1/{К}_0$, (1)

где К₀ – коэффициент запаса несущей способности чугунной опоры при испытательной нагрузке на огнестойкость.

Критическая температура нагрева для серого чугуна по признаку хрупкого разрушения (Т_cr,°С) рассчитывается по аналитическому уравнению

${Т}_{cr}=300\cdot \left(\mathrm{1,75}-{\mathcal{J}}_{\sigma о}\right)$, (2)

где ${\mathcal{J}}_{\sigma о}$ – интенсивность силовых напряжений в основном сечении чугунной опоры от испытательной нагрузки на огнестойкость (0,25 ≤ ${\mathcal{J}}_{\sigma о}$ ≤ 0,85).

Требуемая толщина легкого бетона для чугунной опоры (Sк, мм) вычисляется уравнением

$S_{к}=40\cdot D_{озс}\cdot R_u^{0.5}/T_{cr}^{0.9}$, (3)

где D_озс – коэффициент термодиффузии огнезащитного слоя, мм²/мин; R_u – требуемый техническим регламентом предел огнестойкости несущей опоры здания, мин; T_cr – величина критической температуры нагрева серого чугуна по признаку хрупкого разрушения, °С.

Состав огнезащитного бетонного слоя: керамзит (0,3) – вермикулит (0,9) – портландцемент (1,0). Нанесение на чугунную опору производят при температуре не ниже +8 °С. Набор прочности бетона производится в течение 15 сут при температуре не ниже +10 °С [9].

Продольное и поперечное сечение огнезащищенной чугунной опоры изображено на рис. 2.

 

Рис. 2. Схема армирования огнезащитного покрытия оголовка (Ø 300 мм) и средней части чугунной опоры (Ø 200 мм): 1 – существующая чугунная опора; 2 – огнезащитное покрытие толщиной 50–100 мм; 3 – продольная арматура 4Ø20 + 3Ø12; 4 – гнутые хомуты Ø4–6 мм; δ_озс – толщина огнезащитного покрытия 50–100, мм; N – нагрузка на реконструируемую чугунную опору

Fig. 2. Reinforcement diagram of the fireproofing coating of the tip (Ø 300 mm) and the middle part of the cast iron support (Ø 200 mm): 1 ‒ the existing cast iron support; 2 ‒ fireproof coating with thickness of 50–100 mm; 3 ‒ longitudinal reinforcement 4Ø20 + 3Ø12; 4 ‒ bent clamps Ø4–6 mm; δ ‒ thickness of fire-proof coating 50–100, mm; N ‒ load on the reconstructed cast-iron support

 

При реконструкции учебного корпуса № 12 Академии строительства и архитектуры СамГТУ проектом была предусмотрена конструктивная огнезащита чугунных опор круглого зала. Требуемые характеристики пожарной защиты здания – Ф4.2, степень огнестойкости – I (первая); предел огнестойкости R_u = 90 мин [11]. Диаметр чугунной опоры d_cr = 200 мм; диаметр оголовка d_ог = 300 мм; площадь основного сечения чугунной опоры А_cr = 15,71 см²; высота опоры H = 4,2 м; число этажей в здании – шесть.

Чугунная опора выполнена из серого чугуна марки СЧ 30 (предел прочности σ_b,cr = 300 Н/мм², коэффициент Пуассона ν = 0,3; модуль упругости E_cr = 98×10³ Н / мм²; коэффициент линейного температурного расширения α_л = 12×10^–6, 1/°С).

Конструктивная огнезащита – бетонная рубашка из перлито-керамзитового бетона на портландцементе плотностью до 800 кг/м³ с коэффициентом термодиффузии легкого бетона D_шт = 15,5 мм²/мин, армированная арматурным каркасом.

Запас прочности чугунной опоры при испытательной нагрузке на огнестойкость К_о= 2∙ ${\mathcal{J}}_0$ = 1 / К_о = 0,5 – интенсивность силовых напряжений в основном сечении чугунной опоры.

Величина критической температуры по термопрочности (T_cr, °С) вычисляется по аналитическому уравнению

$T_{cr}=300\cdot \left(\mathrm{1,75}-{\mathcal{J}}_{\sigma 0}\right)=300\cdot \left(\mathrm{1,75}-\mathrm{0,5}\right)=375{ }^{о}С$.

Толщина огнезащитного бетона (S_в, мм) определяется по уравнению

$S_{в}=\left(40\cdot D_{шт}\cdot R_u^{\mathrm{0,5}}\right)/T_{cr}^{\mathrm{0,9}}=\left(40\cdot \mathrm{15,5}\cdot {90}^{\mathrm{0,5}}\right)/{375}^{\mathrm{0,9}}\approx 28 мм$.

В состав строительно-монтажных работ при устройстве конструктивной огнезащиты чугунной опоры входит:

• ▪ подготовка поверхности чугунной опоры;
• ▪ выбор материалов для конструктивной огнезащиты;
• ▪ расчет толщины огнезащитного перлито-керамзитового бетона;
• ▪ установка объемного арматурного каркаса и маяков;
• ▪ нанесение легкого бетона с тщательным выравниванием поверхности [7, 10].

Фактический предел огнестойкости (Fur, мин) чугунных опор при реконструкции здания должен соответствовать требованиям технических регламентов [11, 12].

В развитие технического решения по огнезащите зданий чугунных опор здания в ОНИЛ ЖБК разрабатывают рекомендации по конструированию огнезащиты чугунных опор. Общие положения рекомендаций относятся к выполнению работ по проектированию и конструированию термостойкости и огнестойкости чугунных опор.

При сохранении неизменной первоначальной статической схемы работы чугунных опор здания реконструкцию производят посредством устройства железобетонных обойм. Огнезащиту несущей чугунной опоры от непосредственного температурного воздействия в случае пожара выполняют путем покрытия легким бетоном.

При повышении температурной устойчивости чугуна и чугунной опоры применяют легкий бетон класса B10–B15 по прочности на сжатие, арматуру класса А400, в сварных работах ‒ электроды типа Э42.

Конструкцию теплоизоляционной обоймы применяют в целях повышения термостойкости чугуна и повышения огнестойкости чугунной опоры. Арматурный каркас образуют из гнутых хомутов и арматурных стержней с вязкой пересечений диаметром 3–5 мм. Толщину теплоизоляционной обоймы принимают не менее 50 мм при бетонировании. Продольную дополнительную арматуру в теплоизоляционной обойме принимают диаметром 12 мм (промежуточные стержни) и 22 мм класса А400 (угловые стержни). Поперечную арматуру объемного каркаса теплоизоляционной обоймы принимают диаметром 4–12 мм.

Консистенцию легкого бетона теплоизоляционной обоймы чугунной опоры принимают с осадкой конуса 50–100 мм (6–10 см) при укладке ручным способом; легкий бетон применяют на портландцементе, крупный заполнитель – керамзит или вермикулит.

Теплоизоляционную обойму чугунной опоры устраивают замкнутой, плотно охватывающей чугунную опору со всех сторон. Усадка бетона обоймы бетона способствует надежной связи легкого бетона с поверхностью чугунной опоры, и усиливаемую опору рассматривают как единое целое.

Для нанесения свежего легкого бетона используют насосы и передвижные воздушные компрессоры.

Подлежащую покрытию поверхность чугунной опоры очищают от грязи, ржавчины, жировых пятен и покрывают грунтом толщиной 50 мк. Нанесение свежего бетона осуществляют при температуре не ниже +5 °С и влажности воздуха не более 70 %.

Общую толщину огнезащитного слоя (δ_озс, мм) определяют расчетом в зависимости от требуемого предела огнестойкости (R_u,тр,мм), коэффициента термодиффузии легкого бетона в сухом состоянии (D_вт, мм²/мин), критической температуры нагрева серого чугуна несущей опоры здания (Т_сч, °С).

Конструкцию пространственного каркаса образовывают привязкой гнутых хомутов к стержням продольной арматуры теплоизоляционной обоймы. Продольные и поперечные стержни арматуры теплоизоляционной обоймы представляют собой объемный арматурный каркас достаточной жесткости.

Минимальные расстояния между стержнями продольной арматуры принимают не менее 50 мм. При этом диаметры угловых продольных стержней принимают не более 20 мм, средних стержней – не более 12 мм; гнутых хомутов – 3-6 мм, шаг гнутых хомутов – 200 мм (100 мм на концевых участках опоры).

Предложенный метод расчета применен на практике при оценке проектных пределов огнестойкости реконструируемых чугунных опор корпуса № 12 Академии строительства и архитектуры СамГТУ.

Выводы

Технико-экономический эффект предлагаемого инновационного решения представляет собой:

• ▪ возможность математического моделирования термостойкости и огнестойкости чугунных опор;
• ▪ снижение трудоемкости работ по оценке термостойкости и огнестойкости чугунных опор;
• ▪ уточнение единичных показателей качества чугунных опор, влияющих на их фактическую термостойкость и проектную огнестойкость.

About the authors

Denis Аl. Panfilov

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: sk@samgtu.ru
ORCID iD: 0000-0001-5894-2242

PhD in Engineering Sciences, Associate Professor, Head of the Reinforced Concrete Structures Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

Nikolay Al. Ilyin

Samara State Technical University

Email: sk@samgtu.ru

PhD in Engineering Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Reinforced Concrete Structures Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

Olga N. Panfilova

Samara State Technical University

Email: sk@samgtu.ru
ORCID iD: 0000-0002-1383-1271

PhD in Engineering Sciences, Dean of the Faculty of Construction and Technology

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

Yana Al. Buzovskaya

Samara State Technical University

Email: sk@samgtu.ru
ORCID iD: 0009-0000-0834-659X

Senior Lecturer of the Reinforced Concrete Structures Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

References

Supplementary files