CONSTRUCTIONAL FIRE PROTECTION OF STEEL SIN BEAMS OF BUILDINGS AND STRUCTURES

Full Text

Стальную балку с гибкой стенкой, в которой используют закритическую работу гофрированной стенки, относят к новым видам конструкций благодаря ее эффективной конструктивной форме. Стальная балка с гофрированной стенкой имеет повышенную устойчивость, и вследствие значительного уменьшения толщины стенки достигается экономия стали на балку. Однако проблема конструктивной огнезащиты таких балок в наше время не решена [1-3]. В результате научных исследований существующих методов огнезащиты и оценки огнестойкости эффективных стальных балочных конструкций в АСИ СамГТУ проведен тематический патентный поиск, показаны уровень развития техники, область применения и новизна объекта исследований, установлены аналоги и прототип [1] нового технического решения [4]. Потребность оценки показателей огнестойкости стальных огнезащищённых гофробалок возникает при реконструкции здания или сооружения (далее - здания), усилении его частей, приведении фактической огнестойкости стальных балок в соответствие с современными требованиями федерального закона: ФЗ №123-08 «Технический регламент требования пожарной безопасности» (с изм. 2012) при проведении экспертизы и/или восстановлении стальных конструкций здания после пожара. В качестве аналога предполагаемого метода действий по оценке огнестойкости стальной огнезащищённой гофробалоки здания путём испытания принят метод, включающий проведение технического осмотра, инструментальное измерение геометрических характеристик стальной балки при изгибе; выявление условий опирания и крепления балки, схемы обогрева поперечного сечения; установление вида огнезащитного материала и марки стали балки, характеристик металла сопротивлению на изгиб и растяжение; определение величины испытательной нагрузки DOI: 1017673/Vestnik.2017.01.2 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 1 10 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ на стальную балку, схему её приложения, интенсивности силовых напряжений в металле в опасном сечении стальной балки. При этом оценку огнестойкости стальной огнезащищённой гофробалки здания проводят по разработанной программе [5]. Однако использование номограммы для оценки огнестойкости стальной огнезащищённой гофробалки здания даёт результаты расчёта с большой погрешностью, в ряде случаев требуется дополнительное построение графиков номограммы; кроме того, при построении номограммы не учитывают показатели надёжности стальной балки по назначению и уровню ответственности, а также затруднено составление программы для расчёта проектного предела огнестойкости гофробалки на ЭВМ. Творческий результат включает в себя следующее: исключение натурных огневых испытаний стальных конструкции в здании или его фрагменте; снижение трудоёмкости определения огнестойкости стальных конструкций; расширение технологических возможностей оценки проектной огнестойкости различно нагруженных стальных гофробалок любых размеров и возможность сопоставления полученных результатов с испытаниями аналогичных стальных конструкций здания; снижение экономических затрат на испытание; упрощение условий и сокращение сроков испытания стальных конструкций на огнестойкость; повышение точности и экспрессивности испытания; использование конструктивных параметров для оценки огнестойкости стальных термозащищённых гофробалок и упрощение математического описания процесса сопротивления нагруженных стальных конструкций; учёт реального ресурса огнезащищённой гофробалки по огнестойкости путем использования комплекса единичных показателей их качеств; увеличение достоверности определения толщины огнезащиты и условий обогрева стальной гофробалки в условиях пожара; уточнение единичных показателей качества конструкций, влияющих на их огнестойкость [4]. Технический эффект достигается тем, что в предложенном методе оценки огнестойкости стальных огнеозащищённых балок здания получают вследствие неразрушающего испытания, включающего проведение технического осмотра, инструментальное измерение геометрических характеристик гофробалки; выявление схемы обогрева сечения; установление вида материала огнезащиты и марки стали гофробалки, характеристик металла сопротивлению на изгиб и растяжение; определение величины испытательной нагрузки на гофробалку. При этом оценку огнестойкости стальных огнезащищённых гофробалок здания проводят без высокотемпературного воздействия неразрушающими методами испытаний, используя комплекс единичных показателей качества стальных конструкций. Особенностью метода является то, что вначале выявляют геометрические характеристики составных элементов сварного двутавра: гофрированной стенки, нижней и верхней полки, а также стальных элементов усиления; устанавливают периметр обогрева сечения каждого составного элемента сварного двутавра; вычисляют интенсивность силовых напряжений в сечении гофрированной стенки, нижней и верхней полки сварного двутавра; определяют длительность сопротивления огневому воздействию каждого составного элемента сварного двутавра без учёта огнезащиты; устанавливают глубину залегания направленно перемещённой контрольной точки нахождения средней температуры неравномерно прогретой по сечению полки сварного двутавра; вычисляют показатели условий нагрева контрольных точек полки и гофрированной стенки сварного двутавра гофробалки с защитным покрытием в условиях стандартного огневого испытания; находят степень огнезащиты составного элемента сварного двутавра; затем, принимая составные элементы сварного двутавра гофробалки в качестве составных элементов раскосной фермы с параллельными поясами, определяют длительности сопротивления огневому воздействию гофрированной стенки, нижней и верхней полки сварного двутавра с учётом их огнезащиты; выявляют наименее слабый в статическом и тепловом отношении составной элемент сварного двутавра по минимальной длительности сопротивления огневому воздействию гофрированной стенки, нижней или верхней полки сварного двутавра с учётом огнезащиты; проектный предел огнестойкости Fur, мин, стальной огнезащищённой гофробалки по признаку потери несущей способности определяют по длительности сопротивления огневому воздействию составного элемента сварного двутавра наиболее слабого в статическом и тепловом отношении rus,min, мин; то есть Fur = rus,min. (1) В сечении полки сварного двутавра интенсивность силовых напряжений от испытательной нагрузки в условиях огневого испытания Jσs вычисляют по уравнению Jσs = Мρ / (Wn · Rун), (2) где Мρ - изгибающий момент в опасном сечении от испытательной нагрузки на огнестойкость, кН·м; Wn - момент сопротивления поперечного сечения полки сварного двутавра относительно его горизонтальной оси, см3; Rун - нормативное сопротивление растяжению и сжатию по пределу текучести стали, МПа [2, 6]. В сечении полки сварного двутавра интенсивность силовых напряжений вычисляют, используя условие 11 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 1 Н.А. Ильин, Д.А. Панфилов, Е.В. Ильдияров, А.О. Лукин Jσs = 1 / nо , (3) где nо - интегральный коэффициент запаса несущей способности по огнестойкости стальной огнезащищённой гофробалки здания. В сечении гофрированной стенки сварного двутавра интенсивность силовых напряжений принимают равной Jσs,3 = 0,07 + 0,03. (4) Гофрированная стенка эффективно защищена от огня, поэтому не рассматривается критерий разрушения стенки при воздействии огня в приопорной зоне балки. Длительность сопротивления огневому воздействию составного элемента сварного двутавра гофробалки без учёта его термозащиты rus,i, мин, определяют по аналитическому уравнению rus,i = 6 · {(Аs,i / Ро,i) + 18,33 · [(1 - Jσs,i)1/2 - 0,5]}, (5) где Аs,i - площадь сечения составного стального элемента сварного двутавра, см2; Ро,i - периметр обогрева сечения составного элемента, см; Jσs,i - интенсивность силовых напряжений в сечении составного элемента (0,1-1,0). Показатель условий нагрева контрольной точки полки сварного двутавра гофробалки с огнезащитным покрытием в условиях огневого испытания (при ах ≤ ау) вычисляют по степенной функции mо = 0,5 · (ау / ах)0,5, (6) где ау - толщина огнезащитного покрытия полки сварного двутавра по оси у, мм; ах - глубина залегания направленно-перемещённой контрольной точки нахождения средней температуры неравномерно нагретой по сечению полки сварного двутавра, которую вычисляют используя степенную функцию ах = δх + (δх · b / 2)n, (7) где δх - толщина огнезащитного покрытия полки сварного двутавра по горизонтальной оси, мм; n - показатель степени, вычисляемый по степенной функции n = 0,5 · (b / Н)0,25, (8) где b и Н - соответственно ширина полки сварного двутавра и высота стальной огнезащищённой гофробалки, мм [3, 7]. Степень огнезащиты составного элемента сварного двутавра С, см, находят из аналитического выражения С = 1,45 · mоi · δо,min / Dbт 0,8, (9) где mоi - показатель условий нагрева контрольной точки составного элемента сварного двутавра (0,5÷1,0); δо,min - минимальная толщина защитной облицовки по одной из осей координат, мм; Dbm - показатель термодиффузии материала облицовки, мм2/мин [8, 9]. Длительность сопротивления огневому воздействию fur,i, мин, гофрированной стенки, нижней и верхней полки сварного двутавра с учётом огнезащиты определяют по аналитическому уравнению fur,i = 48 · (1 - Jσs,i)3 · еС + rus,i , (10) где Jσs,i - интенсивность силовых напряжений в металле составного элемента сварного двутавра (0,1-1,0); С - степень огнезащиты составного элемента сварного двутавра, см; rus,i - длительность сопротивления огневому воздействию составного элемента сварного двутавра гофробалки без учёта его огнезащиты, мин; е = 2,718 - натуральное число. Проектный предел огнестойкости Fur, мин, стальной огнезащищённой гофробалки здания по признаку потери несущей способности выявляют используя условие Fur = f ur,min, (11) где f ur,min - длительность сопротивления огневому воздействию составного элемента сварного двутавра, наименее слабого в статическом и тепловом отношении, мин. Схемы обогрева сечений испытуемых стальных огнезащищённых гофробалок в условиях пожара определяют в зависимости от фактического расположения частей здания [10-12]. Схема стальной гофробалки изображена на рис. 1: сечение А - А - продольный разрез; сечение Б - Б - поперечный разрез; сечение В - В - план гофробалки: 1 - нижняя полка; 2 - верхняя полка; 3 - гофрированная стенки; h и b - высота и ширина сварного двутавра, мм; d и δs - толщина гофрированной стенки и толщина полки, мм. Сечение сварного двутавра стальной гофробалки, оборудованной элементами каркаса термозащитных поясов полок при четырехгранном обогреве сечения балки в условиях пожара, изображено на рис. 2. Сечение гофробалки с заполнением термозащитных поясов при обогреве сечения балки с четырех граней в условиях пожара изображено на рис. 3: здесь 1 - нижняя полка; 2 - верхняя полка; 3 - гофрированная стенка; 4 - швеллер, приваренный к нижней полке; 5 - швеллер, приваренный к верхней полке; 6 - сварной шов; 7 - антикоррозионное покрытие; 8 - термозащитная плита; 9 - гипсокартонные листы ГКЛ; 10 - укрывный материал по сетке; 11 - контрольная точка полки; 12 - контрольная точка гофрированной стенки; tcm, °С - направление высокой температуры. Сечение сварного двутавра гофробалки, оборудованной элементами каркаса огнезащитных поясов при обогреве сечения балки с трех граней в условиях пожара изображено на рис. 4. Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 1 12 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ Рис. 1. Схема составной стальной балки с гофрированной стенкой: вид сверху, продольный и поперечный разрезы Рис. 2. Сечение сварного двутавра стальной балки с гофростенкой и элементами каркаса огнезащитных поясов Рис. 3. Сечение стальной балки с гофрированной стенкой с заполнением термозащитных поясов; обогрев балки с четырех граней 13 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 1 Н.А. Ильин, Д.А. Панфилов, Е.В. Ильдияров, А.О. Лукин Сечение гофробалки с заполнением защитных поясов при обогреве огнезащищённой балки с трех граней в условиях пожара изображено на рис. 5. Последовательность системы действий при оценке огнестойкости стальной огнезащищённой гофробалки здания состоит в следующем. Сначала назначают комплекс единичных показателей качества каждого элемента (гофростенки стенки, нижней и верхней полок), влияющих на огнестойкость. Выявляют условия закрепления концов и опасные сечения элементов сварного двутавра гофробалки. Затем оценивают единичные показатели качества стальной огнезащищённой гофробалки и их интегральные параметры и, наконец, по ним находят проектный предел огнестойкости испытуемой гофробалки. Под визуальным осмотром понимают проверку состояния стальной огнезащищённой гофробалки, включающей выявление условий закрепления и обогрева элемента сварного двутавра гофробалки, определение материала конструктивной защиты стальных гофробалок от нагрева при пожаре (бетон, гипсокартонные листы, гипсовые плиты, вермикулитовые плиты, минеральная вата, штукатурка и т.п.), форму сечения составного элемента сварного двутавра гофробалки, их геометрические размеры, марку стали, испытательную нагрузку. К основным единичным показателям качества стальных огнезащищённых гофробалок, обеспечивающих огнестойкость, относятся: показатель термодиффузии и плотность материала огнезащиты, показатель условий нагрева составного элемента сварного двутавра стержня стальной гофробалки, толщина защитного покрытия, марка стали, предел её текучести, критическая температура, приведённая толщина металла составного элемента сварного двутавра, интенсивность напряжений в сечении составного элемента сварного двутавра, время сопротивления термосиловому воздействию составного элемента сварного двутавра стальной гофробалки без огнезащиты [8, 9, 13-16]. Проверяемыми геометрическими размерами являются: толщина защитного покрытия, ширина и высота поперечного сечения составного элемента сварного двутавра стальной гофробалки. Опасные сечения элементов стальной гофробалки назначают в местах наибольших моментов и поперечных сил от действия испытательной нагрузки. Размеры элементов стальной конструкции проверяют с точностью до ± 1 мм [7, 8]. Пример. Дано: стальная гофробалка здания с комплексной облицовкой стального несущего стержня - сварного двутавра: высота гофрированной стенки hrc = 1000 мм, толщиной drc = 2 мм; размеры полки b×δs = 300×20 мм, Аs.n = 60 см2; Аrc = 20 см2; высота двутавра h = 1040 мм; обогрев сечения гофробалки - с трёх сторон; тепловой режим стандартного огневого испытания, подвод тепла к контрольной точке сечения нижней полки - с двух граней; к верхней полке - с одной грани; к гофростенке - с двух сторон; стальные элементы каркаса огнезащиты для полок сварного двутавра - четыре гнутых швеллера: h1 × b1 × s1 = 120 × 60 × 4 мм (Аs1 = 4 · 9 = 36 см2); площадь сечения стали полок сварного двутавра Рис. 4. Сечение составной балки с гофрированной стенкой с элементами каркасов термозащитных поясов; обогрев гофростенки с двух сторон Рис. 5. Сечение составной балки с гофрированной стенкой; обогрев нижней полки контрольных точек с трех граней Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 1 14 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ Аs = Аs.n + Аs1 = 60 + 36/2 = 78 см2; нормативная интенсивность силовых напряжений в металле полок сварного двутавра Jσs1 = Jσн = 0,625; требуемый предел огнестойкости несущей балки I (первой) степени огнестойкости здания Ruн = 120 мин. Защитная облицовка нижней полки сварного двутавра: а) два гипсокартонных листа (материал принят за эталон) толщиной 12,5 мм каждый: δгкл = δэт = 25 мм; показатель термодиффузии Dгкл = Dэт =19 мм2/мин; б) минеральная вата - плита П100 (плотность γпл = 100 кг/м3); Dbm = 33,53 мм2/мин, толщина δпл = h1 / 2 = 120 / 2 = 60 мм; толщина минеральной ваты, приведённая к эталонному материалу (ГКЛ): δпл,r = δпл · Dэт / Dbm = 60 · 19 / 33,53 = 34 мм; расчётная толщина защитной облицовки по оси ординат равна: ау = Dэт + δпл,r = 25 + 34 = 59 мм; расчётная высота стальной гофробалки с защитной облицовкой равна: Нr = h + ау = 1040 + 59 = 1100 мм; толщина защитного слоя (для торцов нижней полки сварного двутавра по горизонтальной оси), приведённого к эталонному материалу, равна: δх, r = δпл,r = b1 · Dэт / Dbm = 60 · 19 / 33,53 = 34 мм; огнезащита гофрированной стенки - лёгкий строительный цементно-перлитовый раствор толщиной 44 мм (γ = 800 кг/м3; Dbm = 15,52 мм2/мин; среднее значение толщины защитного слоя δо,min = 15 мм). Определить проектный предел огнестойкости стальной гофробалки с комплексной защитной облицовкой Fur, мин, по признаку потери несущей способности в условиях стандартного огневого испытания. Решение: 1) Периметр обогрева нижней полки сварного двутавра вычисляют по линейному уравнению (обогрев с четырех граней): Ро1 = 2 · (b + δs) - d = 2 · (30 + 2) - 0,2 = 63,8 см; то же, верхней полки (обогрев с трех граней): Ро2 = 2 · δs + b - d = 2 · 2 + 30 - 0,2 = 33,8 см; то же, гофрированной стенки (обогрев с двух граней): Ро3 = 2 · hст = 2 · 100 = 200 см. 2) Длительность сопротивления огневому воздействию нижней полки сварного двутавра гофробалки без учёта защиты определяют по уравнению (5): rus,1 = 6 · {(Аs1 / Ро1) + 18,33 · [(1 - Jσs1)1/2 - 0,5]} = = 6 · {(78 / 63,6) + 18,33 · [(1 - 0,625)1/2 - 0,5]} = = 6 · (1,23 + 2,06) = 13,1 мин; то же, верхней полки (Jσs2 = 0,625): rus,2 = 6 · [(Аs1 / Ро2) + 20,6] = 0,6 · [(78 / 33,8) + 20,6] = = 6 · (2,31 + 2,06) = 14 мин; то же, гофрированной стенки (Jσs3 = 0,1): rus,3 = 6 · {(Аs1 / Ро3) + 18,33 · [(1 - Jσs3)1/2 - 0,5]} = = 6 · {(20 / 200) + 18,33 · [(1 - 0,1)1/2 - 0,5]} = = 6 · (0,1 + 8,2) = 49,4 мин. 3) Глубину залегания контрольной точки сечения нижней полки сварного двутавра, направленно перемещённой по горизонтальной оси, вычисляют используя степенные функции (7) и (8): ах = δх + (δх · b / 2)n; при n = 0,5 · (b / Н)0,25 = 0,5 · (300 / 1100)0,25 = 0,36; ах = 34 + (34 · 300 / 2)0,36 = 34 + 24,61 = =55,6 мм < ау = 59 мм; следовательно, δо,min = ах = 55,6 мм. 4) Показатель условий нагрева контрольной точки нижней полки сварного двутавра вычисляют по степенной функции (6): mо1 = 0,5 · (ау / ах)0,5 = 0,5 · (59 / 55,6)0,5 = 0,515; то же, верхней полки - mо2 = 1,0; тоже, гофрированной стенки - mо3 = 0,5 (при симметричном двухстороннем подводе тепла к контрольной точке). 5) Степень огнезащиты нижней полки сварного двутавра находят из выражения (9): С1 = 1,45 · mо1 · δо,min / Dэт 0,8 = 1,45 · 0,515 · 55,6 / 190,8 = = 41,53 / 10,54 = 3,94; то же, верхней полки (mо2 = 1,0; δо,min = 34 мм): С2 = 1,45 · mо2 · δо,min / Dэт 0,8 = 1,45 · 1,0 · 34 / 190,8 = = 49,3 / 10,54 = 4,68; то же, гофрированной стенки (mо3 = 0,5; δо,min = 15 мм; Dbm = 15,52 мм2/мин): С1 = 1,45 · mо1 · δо,min / Dэт 0,8 = 1,45 · 0,5 · 15 / 15,520,8 = = 10,875 / 8,968 = 1,2. 6) Длительность сопротивления огневому воздействию нижней полки сварного двутавра стальной огнезащищённой гофробалки определяют по уравнению (10): fur,1 = 48 · (1 - Jσs1)3 · еС + rus,1 = = 48 · (1 - 0,625)3 · е3,94 + 13,1 = = 2,53 · 51,4 + 13,3 = 130 + 13,1 = 143 мин; то же, верхней полки (С2 = 4,68): fur,2 = 48 · (1 - Jσs2)3 · еС + rus,2 = = 48 · (1 - 0,625)3 · е4,68 + 14 = = 2,53 · 108,1 + 14,1 = 273,5 + 14 = 288 мин; тоже, гофрированной стенки (С3 = 1,2; Jσs3 = 0,1): fur,3 = 48 · (1 - Jσs3)3 · еС + rus,3 =48 · (1 - 0,1)3 · е1,2 + 49,4 = = 35 · 33,2 + 49,4 = 116,2 + 49,4 = 165 мин. 15 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 1 Н.А. Ильин, Д.А. Панфилов, Е.В. Ильдияров, А.О. Лукин Наименее слабой в статистическом и тепловом отношении является нижняя полка сварного двутавра fur,1 = f ur,min = 143 мин; следовательно, проектный предел огнестойкости стальной огнезащищённый гофробалки здания Fur, мин, принимают по условию (11): Fur = f ur,min = 143 мин > 120 мин = Ruн, здесь Ruн = 120 мин - требуемый предел огнестойкости гофробалки здания I (первой) степени огнестойкости (табл. 21 ФЗ № 123-08. Технический регламент безопасности (с изм. 2012 г.). Предложенный способ применён при оценке огнестойкости стальных огнезащищённых гофробалок ООО «Фирма Мета-Ком» (Самара). Выводы. 1. Разработанное технологическое решение по огнезащите стальных конструкций относится к области пожаробезопасности зданий и сооружений и может быть использовано для классификации гофробалок по показателям сопротивления их высокотемпературному воздействию стандартного пожара. 2. Получена новая ресурсосберегающая система действий по обеспечению результативной огнезащиты стальных балок с гофрированной стенкой, обладающих повышенными технико-экономическими показателями и необходимой огнестойкостью. 3. Технологический эффект достигается проведением огневых испытаний стальной конструкции неразрушающими методами; оценку огнестойкости огнезащищенных элементов гофробалки (гофрированной стенки, нижней и верхней полки) определяют, выявляя наименее слабый в части огнестойкости элемент сварного двутавра; проектный предел огнестойкости (в мин) стальной гофробалки в целом выявляют по длительности сопротивления высокотемпературному воздействию наименее слабого элемента сварного двутавра. 4. Длительность сопротивления огневому воздействию составных элементов сварного двутавра гофробалки с учетом огнезащиты описана аналитической функцией, в качестве переменных в которой приняты интенсивность силовых напряжений и степень огнезащиты составного элемента (10).

About the authors

Nikolay A. ILYIN

Samara State Technical University

Author for correspondence.
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