Способ определения огнестойкости изгибаемых железобетонных конструкций здания

 

Изобретение относится к области пожарной безопасности. Сущность изобретения: испытание изгибаемых железобетонных конструкций (ЖБК) здания проводят без разрушения по комплексу единичных показателей качества, оценивая их величину с помощью статического контроля. Для этого определяют геометрические размеры ЖБК, схему обогрева опасных сечений в условиях пожара, размещение арматуры в сечениях, глубину заложения и меру огнезащиты ее, плотность, влажность и теплопроводность бетона, величину нормативных нагрузок на ЖБК и степень напряжения рабочей арматуры. Предел огнестойкости изгибаемых ЖБК определяют по номограмме. Описание процесса сопротивления ЖБК тепловому воздействию стандартного пожара представляют математической зависимостью, которая учитывает меру огнезащиты арматуры, степень ее напряжения и коэффициент температуропроводности бетона, а также особенности армирования ЖБК и величину физического износа ее. Технический результат - возможность определять огнестойкость изгибаемых ЖБК без натурного теплового воздействия, повышение достоверности статического контроля качества и неразрушающих испытаний, снижение экономических затрат. 22 з.п. ф-лы, 19 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и сооружений, далее - зданий. В частности оно может быть использовано для классификации железобетонных конструкций (ЖБК) зданий по показателям сопротивления их воздействию пожара. Это дает возможность обоснованного использования существующих конструкций с фактическим пределом огнестойкости в зданиях различных категорий по их пожарной и взрывной опасности.

Необходимость определения показателей огнестойкости строительных конструкций возникает при реконструкции здания, усилении его конструкций, приведении огнестойкости конструкций здания в соответствие с требованиями современных норм, при проведении экспертизы и восстановлении конструкций после пожара.

При реконструкции здания возможно переустройство и перепланировка помещений, изменение их функционального назначения, замена строительных конструкций и оборудования. Это влияет на изменение требуемой огнестойкости здания и его конструкций.

Известен способ определения огнестойкости изгибаемых железобетонных конструкций здания по результатам изучения последствий натурного пожара. Этот способ включает определение положения конструкции в здании, оценку состояния конструкции путем осмотра и измерения, изготовление контрольных образцов бетона и арматуры, определение времени наступления предельного состояния по потере несущей способности конструкции, то есть обрушения в условиях действия внешней нагрузки и теплового воздействия натурного пожара; см. Ильин Н.А. Последствия огневого воздействия на железобетонные конструкции. - М., Стройиздат, 1979, см. с. 34-35; 90 [1].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе пределы огнестойкости определяют приближенно по результатам исследования последствий прошедшего пожара. Детальное исследование предопределяет длительную работу эксперта. При этом невозможно определить огнестойкость натурных конструкций, имеющих другие размеры и другую внешнюю нагрузку. Затруднительно сопоставление полученных результатов со стандартными огневыми испытаниями аналогичных конструкций. Следовательно, этот способ дорог, имеет малую технологическую возможность к повторным испытаниям, трудоемок и опасен для испытателей.

Известен способ оценки огнестойкости изгибаемых железобетонных конструкций зданий по результатам натурных огневых испытаний фрагмента здания, в котором производят осмотр конструкций, определяют влажность бетона, назначают статическую нагрузку на конструкцию соответственно реальным условиям эксплуатации здания, определяют факторы, влияющие на огнестойкость испытуемой конструкции, и величину предела огнестойкости; см. НПБ 233-97. Здания и фрагменты зданий. Метод натурных огневых испытаний. Общие требования. - М., ВНИИПО, 1997, с. 6-12 [2].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе велики экономические затраты на проведение огневых испытаний, наблюдение за состоянием конструкций в условиях экспериментального пожара затруднено и небезопасно, вследствие различий теплового режима опытного и стандартного пожаров затруднено определение истинных значений пределов огнестойкости конструкций, причины разрушения изгибаемых конструкций фрагмента могут быть не установлены вследствие многообразия одновременно действующих факторов пожара. Предельное состояние по огнестойкости изгибаемых конструкций может быть не достигнуто из-за более раннего разрушения сжатых стен фрагмента; см. Огнестойкость зданий. // В.П. Бушев, В.А. Пчелинцев, B.C. Федоренко, А.И. Яковлев. - М., Стройиздат, 1970, с. 252- 256. [3].

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ определения огнестойкости изгибаемых железобетонных конструкций здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление вида бетона и арматуры конструкции, выявление условия ее опирания и крепления, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности конструкции под нормативной нагрузкой в условиях стандартного теплового воздействия; см. ГОСТ 30247.1-94.

Конструкции строительные. Методы испытания на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции. - М., Издательство стандартов, 1995. - 7 c. [4]; - принят за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результаты при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе испытания проводят на образце конструкции, на который воздействуют только постоянные и длительные нагрузки в их расчетных значениях с коэффициентом надежности, равным единице, то есть проектные нормативные нагрузки. Испытания проводят на специальном стендовом оборудовании в огневых печах до разрушения образцов конструкций. Размеры образцов ограничивают в зависимости от проемов стационарных печей. Следовательно, стандартные огневые испытания трудоемки, не эффективны, не безопасны, имеют малые технологические возможности для проверки на опыте различных по размерам и различно нагруженных конструкций, не дают необходимой информации о влиянии единичных показателей качества конструкции на ее огнестойкость. По малому числу испытуемых образцов (2-3 шт) невозможно судить о действительном состоянии конструкций, перекрытия здания. Результаты огневого испытания единичны и не учитывают разнообразия в закреплении концов конструкций, их фактических размеров, физического износа, фактического армирования и схемы обогрева опасного сечения испытуемой конструкции в условиях пожара. Определение огнестойкости железобетонных конструкций по единичному показателю качества, например, по толщине защитного слоя бетона, как правило, недооценивает пригодность эксплуатации конструкции в здании заданной степени огнестойкости. Экономические затраты на проведение испытаний возрастают за счет расходов на демонтаж конструкции, транспортирование к месту установки нагревательных печей и на создание в них стандартного теплового режима.

Сущность изобретения заключается в следующем. Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в установлении показателей пожарной безопасности здания в части гарантированной длительности сопротивления железобетонных конструкций в условиях пожара; в определении фактических пределов огнестойкости изгибаемых железобетонных конструкций при проектировании, строительстве и/или эксплуатации здания; в снижении экономических затрат при испытании конструкций на огнестойкость.

Технический результат - устранение огневых испытаний конструкции в здании или его фрагменте; снижение трудоемкости определения огнестойкости конструкций; расширение технологических возможностей определения фактической огнестойкости различно нагруженных конструкций любых размеров и возможность сопоставления полученных результатов с испытаниями аналогичных конструкций здания; возможность проведения испытания конструкций на огнестойкость без нарушения функционального процесса в здании; снижение экономических затрат на испытание; сохранение эксплуатационной пригодности здания при обследовании и неразрушающих испытаниях конструкций; упрощение условий и сокращение сроков испытания конструкций на огнестойкость; использование полипараметрической номограммы для определения огнестойкости конструкций; повышение точности и экспрессивности испытания; получение возможности решения обратных задач огнестойкости конструкций и применения способа подбора переменных значений ее конструктивных параметров; использование интегральных конструктивных параметров для определения огнестойкости конструкций и упрощение математического описания процесса термического сопротивления нагруженных конструкций; повышение достоверности результатов испытаний группы однотипных конструкций; учет реального ресурса конструкции по огнестойкости использованием комплекса единичных показателей их качеств; увеличение достоверности определения меры огнезащиты рабочей арматуры конструкции, глубины залегания и условий ее обогрева в условиях пожара; упрощение учета влияния на предел огнестойкости конструкций особенностей статической схемы работы, изготовления и физического износа; уточнение единичных показателей качества конструкций, влияющих на их огнестойкость и определение минимального числа испытаний; сокращение выборки испытуемых конструкций до минимального, обеспечивающей достаточную достоверность результатов испытаний; возможность определения гарантированного предела огнестойкости изгибаемого железобетонного элемента по его конструктивным параметрам.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе определения огнестойкости изгибаемых железобетонных конструкций здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление вида бетона и арматуры конструкций, выявление условий их опирания и крепления, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности конструкций под нормативной нагрузкой в условиях стандартного теплового воздействия, особенность заключается в том, что испытание конструкций проводят без разрушения по комплексу единичных показателей качества, технический осмотр дополняют инструментальными измерениями геометрических размеров конструкций и их опасных сечений, определяют число и диаметр рабочих стержней арматуры, их взаимное расположение и толщину защитного слоя бетона, выявляют форму конструкции, схемы их обогрева при пожаре и условия нагревания рабочей арматуры в опасных сечениях, устанавливают глубину залегания стержней рабочей арматуры и меру ее огнезащиты, экспериментально определяют показатели плотности бетона и его влажности в естественном состоянии и/или величину осредненного коэффициента температуропроводности бетона, оценивают характеристики бетона сопротивлению сжатия и рабочей арматуры сопротивлению растяжения, устанавливают величину приложенной нормативной нагрузки на конструкции и по ней определяют степень напряжения рабочей арматуры и, используя полученные интегральные параметры конструкции, по приведенной номограмме вычисляют фактический предел огнестойкости ее.

Кроме того, особенность способа заключается в том, что длительность сопротивления - F_(R), мин, от начала стандартного теплового воздействия до потери несущей способности определяют по формуле (1): (1) где J_σc - степень напряжения продольной рабочей арматуры в опасном сечении конструкции; n и D_c - параметры вида и класса арматуры; C_a - мера огнезащиты рабочей арматуры, см; L_br - осредненный коэффициент температуропроводности защитного слоя бетона, см²/ч; К_i - поправочные коэффициенты, которыми учитывают статическую схему работы конструкций; особенности армирования их опасных сечений, размеры диаметров стержней рабочей арматуры; физический износ конструкции, особенности изготовления конструкций; например, для сплошной плиты K₁ = 1, для многопустотной панели K₁= 0,8.

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что степень напряжения - J_σc продольной рабочей арматуры конструкции от действующей нормативной нагрузки определяют из условия (2): J_σc= σ_n/R_sn≅ 1, (2) где σ_n - напряжения в рабочей арматуре от изгибающего момента, МПа; R_sn - нормативное сопротивление арматуры растяжению, МПа.

Особенностью способа является то, что величины параметров огнестойкости n и D_c изгибаемых конструкций, армированных различных видами стали, принимают в зависимости от класса арматуры (см. таблицу).

Меру огнезащиты продольной рабочей арматуры - C_a определяют по формуле (3):
C_a = m · a_min, (3)
где m - показатель условий нагрева рабочей арматуры в поперечном сечении конструкции при тепловом воздействии;
a_min - минимальная глубина залегания рабочей арматуры по одной из осей координат поперечного сечения, см.

Величину показателя условия нагрева - m продольной арматуры при 2- или 3-стороннем обогреве ее, при a_x1 ≅ a_x2 и a_y ≥ a_x1, определяют по формуле (4):

где a_x1, a_x2 и a_y - соответственно глубина залегания арматуры от обогреваемой грани конструкции по осям координат поперечного сечения, см, при a_y < a_x1 - под корнем принимают обратное соотношение, то есть a_x1/a_y.

Величину осредненного коэффициента температуропроводности бетона - L_br, см²/ч, определяют экспериментально или находят из выражения (5):
L_br= 36·10³·λ_br·(1+0,01·β)/(c_br+0,05·β)·ρ,(5)
где λ_br и с_br - соответственно показатели теплопроводности, Вт/м · ^oC) и удельной теплоемкости бетона - кДж/(кг · ^oC), при температуре 450^oC;
β и ρ - плотность бетона в естественном состоянии, кг/м³, и его влажность, % по массе.

Особенностью предложенного способа определения огнестойкости железобетонных конструкций здания является то, что неразрушающие испытания проводят для группы однотипных конструкций, различия между прочностью бетона и текучестью арматуры которых обусловлены главным образом случайными факторами.

Схемы обогрева сечений испытуемых балочных конструкций в условиях пожара определяют в зависимости от фактического расположения частей здания.

Следующей особенностью способа является то, что для балочных конструкций с симметричным поперечным сечением и с симметричным обогревом в условиях теплового воздействия, глубину залегания группы стержней рабочей арматуры от обогреваемой поверхности определяют осредненно путем нахождения геометрического центра площадей соответствующих стержней для каждой армированной зоны сечения, разделенного осью симметрии.

В случае расположения группы стержней рабочей арматуры только по оси симметрии сечения конструкции, глубину ее залегания определяют осредненно путем нахождения геометрического центра площадей всех стержней армированной зоны сечения.

Величины глубины залегания рабочей арматуры a_x, и a_y, см, от обогреваемых в условиях теплового воздействия граней испытуемой конструкции определяют по формулам (6 и 7):
a_x= ΣA_i·x_i/ΣA_i, (6)
a_y= ΣA_i·y_i/ΣA_i (7)
где x_i и y_i - осевое расстояние i-го стержня по осям координат, см;
n и A_i - число стержней арматуры и площадь i-го стержня, см².

Глубину залегания арматуры - a_x, см, испытуемой конструкции по нормали от обогреваемой грани, расположенной под углом α, град, к оси ординат, определяют по формуле (8):
a_x= b₁·cosα+a_y·sinα, (8)
где b₁ - часть ширины поперечного сечения по низу конструкции, измеренная от обогреваемой грани до оси арматуры, см;
a_y - глубина залегания арматуры по оси ординат, см.

Особенностью способа является то, что поправку к величине предела огнестойкости конструкций, имеющих рабочую арматуру различных диаметров, учитывают коэффициентом K_⊘, равным:
K_⊘ = d⁰_c^,05, (9)
где d_c - номинальный диаметр рабочей арматуры, см.

При групповом расположении стержней рабочей арматуры в поперечном сечении конструкции спаренные стержни заменяют одним условным стержнем с приведенным диаметром d_c, см, равным:

где d₁ и d₂ - номинальный диаметр первого и второго спаренных стержней, см.

Поправку к величине предела огнестойкости конструкций перекрытия, имеющего определенный физический износ, учитывают коэффициентом К_ф, равным:
К_ф = 0,1 · (100-Ф_и), (11)
где Ф_и - величина физического износа конструкций, %.

Увеличение предела огнестойкости статически неопределимых изгибаемых конструкций учитывают коэффициентом K_m, равным:
K_m = 0,9 · (1+A_on/A), (12)
где A_on и A - соответственно площади сечения продольной рабочей арматуры над опорой и в пролете конструкции, см².

Особенностью предложенного способа является то, что за единичные показатели качества конструкции, влияющие на предел огнестойкости, принимают геометрические размеры конструкций и высоту опасного сечения; глубину залегания, класс, диаметр, степень напряжения и предел текучести арматуры; прочность бетона на сжатие, влажность и плотность его, толщину защитного слоя и коэффициент температуропроводности бетона.

Число испытаний n_и единичного показателя качества конструкций, при вероятности результата 0,95 и точности 5%, определяют по формуле (13):
n_и= 0,15·ν²≥ 6, (13)
где ν - выборочный коэффициент вариации, %.

В случае, когда все единичные показатели качества конструкции при H более 9 находятся в контрольных пределах, минимальное целое число конструкций в выборке по плану сокращенных испытаний H_c, шт, назначают из условия (14):

где H - число однотипных конструкций в здании, шт.

В случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества конструкций выходит за границы контрольных пределов, минимальное число конструкций в выборке по норме испытаний H_н, шт, назначают из условия (15):

В случае, когда хота бы один из единичных показателей качества конструкций выходит за границы допустимых пределов или H ≅ 5 шт, испытанию подвергают все однотипные конструкции здания поштучно.

Особенностью предложенного способа является то, что гарантированный предел огнестойкости конструкций вычисляют по приведенной номограмме путем решения обратной задачи огнестойкости.

Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом заключена в следующем.

Устранение огневых испытаний конструкций существующего здания и замена их на неразрушающие испытания снижает трудоемкость определения их огнестойкости, расширяет технологические возможности выявления фактический огнестойкости различно нагруженных конструкций любых размеров, дает возможность проведения испытания конструкций на огнестойкость без нарушения функционального процесса обследуемого здания, а также сопоставления полученных результатов со стандартными испытаниями аналогичных конструкций и сохранения эксплуатационной пригодности обследуемого здания без нарушения несущей способности его конструкций в процессе испытания. Следовательно, условия испытания конструкций на огнестойкость значительно упрощены.

Снижение экономических затрат на проведение испытания предусматривают за счет уменьшения расходов на демонтаж, транспортирование и огневые испытания образцов конструкций.

Применение математического описания процесса сопротивления изгибаемых железобетонных конструкций стандартному тепловому испытанию и использование построенной параметрической номограммы повышает точность и экспрессивность оценки их огнестойкости.

Применение номограммы удобно вследствие ее простоты, наглядности, возможности решения обратных задач огнестойкости конструкций и применения метода подбора переменных значений ее конструктивных параметров.

Использование интегральных конструктивных параметров, как-то: меры огнезащиты арматуры, степени ее напряжения и коэффициента температуропроводности бетона, - упрощает математическое описание процесса сопротивления нагруженной конструкции тепловому воздействию.

В предложенном техническом решении предусматривают проведение испытаний не одной, а группы однотипных конструкций. Это позволяет в 5-15 раз увеличить число испытуемых конструкций и повысить достоверность результатов испытаний и технического осмотра здания.

Определение огнестойкости конструкций только по одному показателю качества, например, по толщине защитного слоя бетона, приводит, как правило, к недооценке их предела огнестойкости, поскольку влияние на него вариаций единичных показателей качества имеют различные знаки, и снижение огнестойкости за счет одного показателя может быть компенсировано другими. Вследствие этого в предложенном способе оценку огнестойкости конструкций предусматривают не по одному показателю, а по комплексу единичных показателей их качества. Это позволяет более точно учесть реальный ресурс огнестойкости конструкций.

В предложенном техническом решении снижают погрешность определения меры огнезащиты рабочей арматуры, оценивая ее величину в зависимости от глубины залегания и условий ее нагрева при пожаре.

Показатель условия нагрева рабочей арматуры определяют по математической зависимости, учитывающей число направлений подвода тепла к ней и расположение ее стержней по отношению к биссектрисе угла обогреваемого сечения. Это позволяет более точно определить условия нагрева рабочей арматуры в поперечном сечении конструкции при симметричном его обогреве.

Для конструкций, имеющих симметричное поперечное сечение и симметричный обогрев в условиях пожара, определение глубины залегания арматуры от обогреваемой поверхности посредством геометрических центров стержней арматуры, выявляемых для каждой армированной зоны поперечного сечения, разделенного осью симметрии, позволяет более точно описать условия нагрева арматуры и упрощает расчетную схему сечения конструкции.

Упрощен учет особенностей: статической схемы работы конструкций, армирования опасных сечений, размера диаметров стержней арматуры, изготовления конструкций и физического износа на величину их огнестойкости.

Уточнен комплекс единичных показателей качества изгибаемых железобетонных конструкций, влияющих на их огнестойкость, определяемых неразрушающими испытаниями.

Уточнено минимальное число неразрушающих испытаний единичного показателя качества конструкции.

Принятая величина выборки из общего числа однотипных конструкций здания обеспечивает достоверность, снижает сроки и трудоемкость проведения испытаний.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию по новизне.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественных признаков, представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении ее вида. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию изобретательского уровня.

На фиг. 1 приведена полипараметрическая номограмма для оценки предела огнестойкости изгибаемых конструкций, обогрев снизу. Приведенная номограмма сетчатого типа. Внутри сеток нанесены наклонные линии. На каждом пучке линий или лучах нанесена стрелка, которая показывает направление возрастания переменного параметра. Наименование параметра в буквенном выражении и в единицах измерения поставлены на стрелке. Слева и справа от стрелки на лучах поставлены значения переменного параметра. Вверху слева номограммы указан порядок производства отсчетов или "ключ", справа - продольное сечение конструкции и его основные параметры.

На фиг. 2 для оценки глубины залегания рабочей арматуры и условий ее нагрева при пожаре приведен участок поперечного сечения сплошной балочной плиты, армированной сетками или отдельными стержнями. Здесь а - глубина залегания арматуры; d - диаметр стержня; с - толщина защитного слоя бетона; t - температура среды пожара; x, y - оси координат; 1 - рабочие стержни арматуры.

На фиг. 3 для оценки глубины залегания арматуры и условий ее нагрева приведена зона армирования одним стержнем участка поперечного сечения балочной конструкции, обогреваемой с двух сторон. Здесь a_x и a_y - глубина залегания арматуры, c_x и c_y - толщина защитного слоя бетона по осям координат.

На фиг. 4 и 5 для определения глубины залегания арматуры и условий ее нагрева приведена растянутая зона поперечного сечения балочной конструкции, армированной асимметрично двумя стержнями, обогрев с двух сторон (фиг. 4) и с трех сторон (фиг. 5). Здесь 1 и 2 - стержни с размерами диаметров d₁, d₂; x_i и y_i; - глубина залегания арматуры по осям координат.

На фиг. 6 и 7 для оценки глубины залегания арматуры в виде группового стержня и условий его нагрева приведен участок растянутой зоны поперечного сечения балочной конструкции. Групповой стержень образован сближением двух стержней 1 и 2 диаметрами d₁ и d₂ по вертикали (фиг. 6) и по горизонтали (фиг. 7). Диаметр условного стержня при d₁=d₂ принимают равным d_c= 1,41 · d₁; показан пунктиром. Обогрев условного стержня с двух сторон (фиг. 6) и с трех сторон (фиг. 7).

На фиг. 8 приведено поперечное сечение ребристой плиты здания в координатных осях (сокращено - о.к.), ее основные геометрические размеры, расположение стержней 1 и 2 рабочей арматуры в продольных ребрах плиты и направление подвода тепла к арматуре в условиях пожара. Здесь b - ширина главного ребра по низу сечения плиты; b'_p - то же, по верху сечения, b'_f и h'_f - ширина и высота полки сечения в сжатой зоне; h, h_o - высота и рабочая высота сечения; a_xi и a_yi - глубина залегания арматуры по осям координат; b₁ - часть ширины сечения по низу конструкции, измеренная от обогреваемой грани до оси арматуры; α - угол наклона обогреваемой грани сечения от оси координат, град.

На фиг. 9 показано приведенное поперечное сечение ребристой плиты для оценки ее огнестойкости. Сечение с одиночным армированием представлено с симметричным обогревом трапецеидального ребра с отклонением его граней от вертикали на угол α, град.

На фиг. 10 и 11 для определения глубины залегания рабочей арматуры и условия ее нагрева показаны зоны густого армирования продольных ребер плиты, армированной стержнями (фиг. 10) и высокопрочной проволокой (фиг. 11). Здесь т. A - геометрический центр площадей всех стержней соответствующей зоны густого армирования сечения, разделенного осью симметрий.

На фиг. 12-15 для определения глубины залегания рабочей арматуры и условий ее нагрева показано армирование поперечного сечения балочных конструкций: прямоугольного (фиг. 12 и 13), таврового (фиг. 14) и двутаврового (фиг. 15), имеющих ось симметрии (сокращенно - о.с.) и симметричный обогрев в условиях пожара. Сечение разделено осью симметрии на две части.

Глубина залегания арматуры в виде их геометрических центров (условно - т. A) показана для каждой зоны густого армирования сечения, на фиг. 13 и 15 - пунктирные окружности.

На фиг. 16 и 17 для оценки глубины залегания рабочей арматуры и условий ее нагрева показано армирование поперечного сечения балочной конструкции со стержневой (фиг. 16) и проволочной арматурой (фиг. 17). Каждое сечение разделено на две зоны осью симметрии. Здесь т. A - геометрический центр площадей всех стержней зоны густого армирования сечения; b_f - ширина полки таврового сечения в растянутой зоне; e и e₁ - расстояния между центрами проволочной арматуры; 1-8 - стержни арматуры.

На фиг. 18 и 19 для выявления глубины залегания рабочей арматуры по оси абсцисс и условий ее нагрева показаны армирование балочных конструкций таврового (фиг. 18) и трапецеидального (фиг. 19) поперечного сечений при известном угле наклона боковой грани - α, град. Случай расположения рабочей арматуры только по оси симметрии поперечного сечения конструкции показан на фиг. 18. Вариант вхождения стержней в обе зоны густого армирования симметричного сечения показан на фиг. 19; 1, 2 и 3 - стержни рабочей арматуры.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного выше технического результата.

Последовательность действия способа определения огнестойкости изгибаемых железобетонных конструкций зданий состоит в следующем.

Сначала проводят визуальный осмотр здания. Затем определяют группу однотипных конструкций и их общее число в ней. Вычисляют величину выборки однотипных конструкций. Назначают комплекс единичных показателей качества конструкции, влияющих на огнестойкость. Выявляют условия опирания, закрепления концов и опасные сечения конструкций. Вычисляют число испытаний единичного показателя качества конструкции в зависимости от его статистической изменчивости. Затем оценивают единичные показатели качества конструкции и их интегральные параметры, и наконец, по ним находят предел огнестойкости испытуемых конструкций.

Под визуальным осмотром понимают проверку состояния конструкций, включающую выявление условий опирания отдельных конструкций, определение вида бетона и толщины его защитного слоя, наличие трещин и отколов, нарушение сцепления арматуры с бетоном, наличие коррозии арматурной стали.

В процессе осмотра определяют группы однотипных конструкций.

Под группой конструкций в здании понимают однотипные конструкции, изготовленные и возведенные в сходных технологических условиях и находящихся в подобных условиях эксплуатации.

Схемы обогрева поперечных сечений балочных конструкций в условиях пожара определяют в зависимости от фактического расположения элементов частей здания, устройства подвесных потолков, укладки смежных конструкций, уменьшающих число сторон обогрева.

Минимальное целое число конструкций в выборке по плану нормальных или сокращенных испытаний назначают из условий (14 или 15).

Пример 1. При числе однотипных конструкций в группе H = 120 шт, число испытуемых плит принимают по норме по сокращенному плану
При числе конструкций в группе H ≅ 5, их проверяют поштучно.

Число и место расположения участков, в которых определяют показатели качества конструкций, определяют так. В изгибаемых конструкциях, имеющих одно опасное сечение, участки располагают только в этом сечении. В конструкциях, имеющих несколько опасных сечений, участки располагают равномерно по поверхности с обязательным расположением части участков в опасных сечениях.

К основным единичным показателям качества изгибаемых железобетонных конструкций, обеспечивающих огнестойкость, относятся: геометрические размеры конструкции и высота опасного сечения; глубина залегания, класс, диаметр, степень напряжения и предел текучести арматуры; прочность бетона на сжатие, влажность и плотность его в естественных условиях; толщина защитного слоя и коэффициент температуропроводности бетона.

Число испытаний единичного показателя качества конструкций, при вероятности результата, равной 0,5, показателе точности 5%, определяют по формуле (13); при этом коэффициент вариации выборки ν = ±100·σ/M, среднее арифметическое M = (1/n)·Σm_i, среднее квадратическое отклонение от среднего средняя ошибка здесь m_i - результат i-го испытания; Σ(x_i)² - сумма квадратов всех отклонений от среднего.

Проверяемыми геометрическими размерами являются: для конструкций плит сплошного сечения - высота его; для многопустотных плит - высота сечения, размеры и положение пустот, толщина полок; для ребристых плит - общая высота поперечного сечения ребер и толщина полки; для балок - ширина и высота сечения.

Опасные сечения у балочных конструкций назначают в местах наибольших моментов от действия нормативной нагрузки или в точках максимального сближения огибающей эпюры моментов и эпюры материалов конструкций. Так, в двускатных балках наиболее опасное сечение назначают не в середине пролета, а на расстоянии от опоры, равном 0,4 пролета.

Для статически неопределимых конструкций опасные сечения назначают в пролетах и на опорах. Опасные сечения при этом находят по наибольшим ординатам огибающей эпюры моментов.

Размеры конструкции проверяют с точностью ± 1 мм; ширину трещин - с точностью до 0,05 мм.

Проверку прочности бетона конструкций, включенных в выборку или проверяемых поштучно, производят неразрушающими испытаниями с применением механических и ультразвуковых приборов [1, с. 31-38].

Минимальную глубину залегания стержня рабочей арматуры принимают по одной из осей координат поперечного сечения конструкций.

Под глубиной залегания арматуры понимают расстояние по нормам между поверхностью бетона конструкции и продольной осью арматуры.

Для сплошной плиты, армированной сетками или отделанными стержнями, при одностороннем их обогреве (см. фиг. 2), глубину залегания арматуры a, см, в поперечном сечении определяют по формуле (19):
a = c + (d/2), (19)
где c - толщина защитного слоя бетона, см;
d - номинальный диаметр стержня, см;
показатель условия нагрева арматуры m₁ = 1.

Для балочной конструкции с рабочей арматурой из двух асимметрично расположенных стержней по горизонтали поперечного сечения и двусторонним обогревом каждого стержня (см. фиг. 4), глубину залегания арматуры a_x и a_y, см, определяют по формулам (20 и 21):
a_x = (x₁ + x₂)/2, (20)
a_y = (y₁ + y₂)/2; (21)
условия нагрева арматуры, при a_x ≅ a_y, определяют по формуле (22) показателем

где x_i и y_i - осевые расстояния для 1 и 2 стержня, см;
при асимметричном расположении арматурного стержня в сечении, но симметричном двухстороннем обогреве его, условия нагрева арматуры, при x₁ ≅ x₂, определяют по формуле (23) показателем
m₂ = 1/[1 + (x₁/x₂)²] ≅1, (23)
для балочной конструкции, армированной стержнями, распложенными раздельно по высоте, при трехстороннем обогреве (см. фиг. 5), глубину залегания арматуры по осям координат поперечного сечения a_x и a_y, см, определяют по формулам (24 и 25):
a_x = (x₁ + x₂)/2, (24)
a_y = (A₁ · y₁ + A₂ · y₂)/(A₁ + A₂), (25)
условия нагрева арматуры, при a_x ≅ a_y и x₁ ≅ x₂, оценивают по формуле (26) показателем

где A₁ и A₂ - площади сечения, см², стержней арматуры диаметром d₁, d₂;
x_i и y_i - осевые расстояния для 1 и 2 стержня, см;
при a_y < a_x1 - под корнем в формуле (26) принимают обратное соотношение, то есть: a_x1/a_y.

Для балочных конструкций с симметричным поперечным сечением и симметричным обогревом в условиях теплового испытания глубину залегания группы стержней рабочей арматуры от обогреваемой поверхности определяют осредненно в виде геометрического центра площадей всех стержней для каждой армированной зоны сечения, разделенного осью симметрии (см. фиг. 12-13, 15-17 и 19).

В случае расположения группы стержней рабочей арматуры только по оси симметрии сечения конструкции, глубину ее залегания определяют осредненно в виде геометрического центра площадей всех стержней армированной зоны сечения (см. фиг. 14 и 18).

Величину глубин залегания продольной рабочей арматуры a_x и a_y, см, от обогреваемой в условиях теплового воздействия грани конструкции определяют по формулам (6 и 7).

Глубину залегания арматуры испытуемой конструкции по нормали от обогреваемой грани, расположенной под углом к оси ординат, например, в случае трапецеидального поперечного сечения, определяют по формуле (8).

По результатам измерений определяют минимальную глубину залегания рабочей арматуры по одной из осей координат поперечного сечения конструкции - a_min, см, и величину показателя условий нагрева m рабочей арматуры при тепловом воздействии. Затем, используя величины m и a_min, устанавливают интегральный параметр - меру огнезащиты рабочей арматуры по формуле (3).

Пример 2. Даны показатели проверки состояния железобетонной ребристой плиты: арматура на плиту 2⊘20 A_т-IV; d_c = 2 см; c = 2,5 см;
a_y = 2,5 + 2/2 = 3,5 см = a_min; b₁ = 3,75 см; α = 8,5 град.;
a_x1 =b₁ · cos α +a_y · sin α = 3,75 · 0,989 + 3,5 · 0,148 = 4,23 cм;
e = 2 · (b-b₁) + 1,5 = 2 · (7,5-3,75) + 1,5 = 8 cм;
e = 8 < 2 · a_x1 = 2 · 4,23 = 8,46 см, следовательно учитывают подвод тепла к стержню с третьей стороны поперечного сечения; a_x2 = e + a_x1 = 8 + 4,23 = 12,23 см, при a_y < a_x1, показатель условий нагрева стержней определяют по формуле (26):

следовательно мера огнезащиты арматуры бетоном C_a = m₃ · a_min = 0,52 · 3,5 = 1,82 см.

Интегральный параметр степени напряжения продольной рабочей арматуры изгибаемой железобетонной конструкции определяют из условия (2).

Для прямоугольного сечения с арматурой, сосредоточенной у растянутой и сжатой граней конструкции, в зависимости от высоты сжатой зоны
x = (A_s · R_sn - A'_s - R_scn)/(b · R_bn),
степень напряжения арматуры определяют по формуле (28):

Для прямоугольного сечения конструкций с одиночной арматурой, в зависимости от высоты сжатой зоны
x = (A_s · R_sn)/(b · R_bn); (29)
степень напряжения арматуры определяют по формуле (30):
J_σc= M_н/[A_s·R_sn·(h₀-0,5·x)] ≅ 1; (30)
где M_н - изгибающий момент от действия нормативных нагрузок, кН · м;
A_s и A_s1 - площади сечения арматуры в растянутой и сжатой зоне сечения, см²;
R_sn и R_scn - нормативные сопротивления арматуры на растяжение и на сжатие, МПа;
h₀ и b - полезная высота и ширина сечения элемента, см;
a' - глубина заложения сжатой арматуры, см;
R_sn - нормативные сопротивления бетона сжатию, МПа.

Коэффициент температуропроводности бетона огнезащитного слоя в условиях теплового воздействия определяют осредненно при 450^oC. Для расчета интегрального его параметра по формуле (5), определяют плотность бетона в естественном состоянии, его влажность, а также показатели теплопроводности и теплоемкости бетона при 450^oC.

Используя полученные интегральные параметры C_a, см; Jσ_c; L_br, см²/ч, по приведенной номограмме (см. фиг. 1) находят предел огнестойкости балочных конструкций здания.

При тех же значениях интегральных параметров предел огнестойкости конструкций, имеющих различные статические схемы работы, физический износ, формы поперечного сечения и особенности его армирования, рассчитывают по формуле (I).

Гарантированный предел огнестойкости изгибаемых железобетонных конструкций, F_(R), мин, вычисляют по приведенной номограмме (см. фиг. 1) при соответствующем изменении конструктивных параметров: меры огнезащиты рабочей арматуры C_a, см, осредненного коэффициента температуропроводности бетона L_br, см²/ч, и степени напряжения арматуры Jσ_c.
Пример 3. Сборная плоская плита выполнена из тяжелого бетона L_br = 13 см²/ч, рабочая арматура класса A-III, глубина заложения арматуры - мера огнезащиты рабочей арматуры - C_a = 2,5 см, степень напряжения арматуры - Jσ_c = 0,66.

Ответ: предел огнестойкости железобетонной плиты F_(R) = 115 мин (см. фиг. 1 - сплошная рабочая линия номограммы).

Пример 4. Обратная задача: гарантированный предел огнестойкости F_(R) = 60 мин для плоской железобетонной плиты примера 1 обеспечивается глубиной заложения рабочей арматуры C_a = 2 см (см. фиг. 1 - пунктирная рабочая линия номограммы).

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного способа следующей совокупности условий:
а) средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использования в строительной промышленности, а именно в классификации железобетонных конструкций зданий по показателям сопротивления их воздействию пожара;
б) для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов;
в) предложенный способ применен при натурном осмотре железобетонных конструкций покрытия складского блока площадью 2160 м² промышленного здания в г. Самаре. Результаты неразрушающих испытаний ребристых плит размером 6х3х0,3 м, бетон тяжелый класса В 35, арматура 2⊘16 A-V, показали предел огнестойкости, равный 90 мин (1,5 ч); для двускатных решетчатых балок пролетом 18 м, арматура класса Aт-V, предел огнестойкости - 70 мин (1,15 ч).

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Источники информации
1. Ильин Н. А. Последствия огневого воздействия на железобетонные конструкции. - М., Стройиздат, 1979, - 128 с. (см. с. 16; 34-35).

2. Здания и фрагменты зданий. Метод натурных огневых испытаний. Общие требования. Нормы пожарной безопасности. НПБ 233- 97. - М., ВНИИПО, 1997-14 с.

3. Огнестойкость зданий // В.П. Бушев, В.А. Пчелинцев, В.С. Федоренко, А.И. Яковлев. - М., Стройиздат, 1970, - 261 с. (см. с. 252-256).

4. ГОСТ 30247.1-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции. - М., ИПК Изд-во стандартов, 1995. - 7 с.

Формула изобретения

1. Способ определения огнестойкости изгибаемых железобетонных конструкций здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление вида бетона и арматуры конструкций, выявление условий их опирания и крепления, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности конструкции под нормативной нагрузкой в условиях стандартного теплового воздействия, отличающийся тем, что испытание конструкций проводят без разрушения по комплексу единичных показателей качества, технический осмотр дополняют инструментальными измерениями геометрических размеров конструкций и их опасных сечений, определяют число и диаметр рабочих стержней арматуры, их взаимное расположение и толщину защитного слоя бетона, выявляют форму конструкций, схемы их обогрева опасных сечений при пожаре и условия нагревания рабочей арматуры, устанавливают глубину залегания стержней рабочей арматуры и меру ее огнезащиты, экспериментально определяют показатели плотности бетона и его влажности в естественном состоянии и/или величину осредненного коэффициента температуропроводности бетона, оценивают характеристики бетона сопротивлению сжатия и рабочей арматуры сопротивлению растяжения, устанавливают величину приложенной нормативной нагрузки на конструкции и по ней находят степень напряжения рабочей арматуры, и, используя полученные интегральные параметры конструкции, по приведенной номограмме вычисляют фактический предел огнестойкости ее.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длительность сопротивления, F_(R), мин изгибаемых железобетонных конструкций от начала стандартного теплового воздействия до потери несущей способности определяют по формуле

где J_σc - степень напряжения продольной рабочей арматуры в опасном сечении конструкций;
n и D_с - параметры вида и класса арматуры;
С_а - мера огнезащиты арматуры, см;
L_br - осредненный коэффициент температуропроводности бетона защитного слоя, см²/ч;
K_i - поправочные коэффициенты, которыми учитывают статическую схему работы конструкций, особенности армирования их опасных сечений, размеры диаметров стержней рабочей арматуры, физический износ конструкций, например, для сплошной плиты K₁ = 1, для многопустотной панели K₁ = 0,8.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что степень напряжения - J_σc продольной рабочей арматуры конструкции от действующей нормативной нагрузки определяют из условия
J_σc= σ_n/R_sn≅ 1,
где σ_n - напряжения в рабочей арматуре от изгибающего момента, МПа;
R_sn - нормативное сопротивление арматуры растяжению, МПа.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что величины параметров огнестойкости n и D_c изгибаемых конструкций, армированных различными видами стали, принимают в зависимости от класса арматуры следующими: (см. графическую часть).

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что меру огнезащиты продольной рабочей арматуры - Са, см, определяют по зависимости
С_а = m · a_min,
где m - показатель условий нагрева рабочей арматуры в поперечном сечении конструкции при тепловом воздействии;
a_min - минимальная глубина залегания рабочей арматуры по одной из осей координат поперечного сечения, см.

6. Способ по любому из пп.2 и 5, отличающийся тем, что величину показателя условия нагрева - m продольной рабочей арматуры при 2- или 3-стороннем обогреве ее, при a_x1≅ a_x2 и a_y ≥ a_x1, определяют по формуле

где a_x1, a_x2 и a_y - соответственно глубина залегания арматуры от обогреваемой грани конструкции по осям координат поперечного сечения, см, при a_y < a_x1 - под корнем принимают обратное соотношение, то есть a_x1/a_y.

7. Способ по п.2, отличающийся тем, что величину осредненного коэффициента температуропроводности бетона L_br, см²/ч, определяют экспериментально или находят из выражения
L_br= 36·10³·λ_br·(1+0,01·β)/(c_br+0,05·β)·ρ,
где λ_br и С_br - соответственно показатели теплопроводности, Вт/(м · ^oC), и удельной теплоемкости бетона, кДж/(кг · ^oC), при температуре 450^oC;
β и ρ - плотность бетона в естественном состоянии, кг/м³, и его влажность, % по массе.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что неразрушающие испытания проводят для группы однотипных конструкций, различия между прочностью бетона и текучестью арматуры которых обусловлены главным образом случайным фактором.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что схемы обогрева поперечных сечений испытуемых балочных конструкций в условиях пожара определяют в зависимости от фактического расположения частей здания.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что для балочных конструкций с симметричным поперечным сечением и с симметричным обогревом в условиях теплового воздействия, глубину залегания группы стержней рабочей арматуры от обогреваемой поверхности по нормали к ней определяют осредненно путем нахождения геометрического центра площадей соответствующих стержней для каждой армированной зоны сечения, разделенного осью симметрии.

11. Способ по любому из пп.1 и 10, отличающийся тем, что в случае расположения группы стержней рабочей арматуры только по оси симметрии поперечного сечения конструкции, глубину ее залегания определяют осредненно путем нахождения геометрического центра площадей всех стержней армированной зоны сечения.

12. Способ по любому из пп.1, 10 и 11, отличающийся тем, что глубины залегания рабочей арматуры а_х и а_y, см, от обогреваемых в условиях теплового воздействия граней испытуемой конструкции определяют по формулам
a_x= ΣA_i·x_i/ΣA_i; a_y= ΣA_i·y_i/ΣA_i,
где x₁ и y_i - осевое расстояние i-го стержня по осям координат, см;
n и A_i - число стержней арматуры и площадь i-го стержня, см².

13. Способ по любому из пп.1 и 12, отличающийся тем, что глубину залегания арматуры - а_х, см, испытуемой конструкции по нормали от обогреваемой грани, расположенной под углом α, град, к оси ординат, определяют по формуле
a_x= b₁·cosα+a_y·sinα,
где b₁ - часть ширины поперечного сечения по низу конструкции измеренная от обогреваемой грани до оси арматуры, см;
а_y - глубина залегания арматуры по оси ординат, см.

14. Способ по п.2, отличающийся тем, что поправку к величине предела огнестойкости конструкций, имеющих рабочую арматуру различных диаметров, учитывают коэффициентом K_⊘ = d_c^0,05, где d_c - номинальный диаметр рабочей арматуры, см.

15. Способ по любому из пп. 2 и 14, отличающийся тем, что при групповом расположении стержней рабочей арматуры в поперечном сечении конструкции, спаренные стержни заменяют одним условным стержнем с приведенным диаметром где d₁ и d₂ - номинальный диаметр первого и второго спаренных стержней, см.

16. Способ по п.2, отличающийся тем, что поправку к величине предела огнестойкости конструкций перекрытия, имеющего определенный физический износ, учитывают коэффициентом К_ф = 0,1(100 - Ф_и), где Ф_и - величина физического износа конструкций, %.

17. Способ по п.2, отличающийся тем, что увеличение предела огнестойкости статически неопределимых изгибаемых конструкций учитывают коэффициентом
K_m = 0.9 · (1 + A_on/A);
где A_on и А - соответственно площади сечения продольной рабочей арматуры над опорой и в пролете конструкции, см².

18. Способ по п.1, отличающийся тем, что за единичные показатели качества конструкций, влияющие на предел огнестойкости, принимают геометрические размеры конструкций и высоту опасного сечения, глубину залегания, класс, диаметр, степень напряжения и предел текучести арматуры, прочность бетона на сжатие, влажность и плотность его, толщину защитного слоя и коэффициент температуропроводности бетона.

19. Способ по любому из пп.1 и 18, отличающийся тем, что число испытаний n_и единичного показателя качества конструкций, при вероятности результата 0,95 и точности 5%, принимают n_и= 0,15ν²≥ 6.

20. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае, когда все единичные показатели качества конструкций, при Н более 9, находятся в контрольных пределах, минимальное целое число конструкций в выборке по плану сокращенных испытаний _с, шт, назначают из условия где Н - число однотипных конструкций в здании, шт.

21. Способ по каждому из пп.1 и 20, отличающийся тем, что в случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества конструкций выходит за границы контрольных пределов, минимальное количество конструкций в выборке по норме
22. Способ по каждому из пп.1, 20 и 21, отличающийся тем, что в случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества конструкций выходит за границы допустимых пределов или Н ≅ 5 шт., испытанию подвергают все однотипные конструкции здания поштучно.

23. Способ по п.1, отличающийся тем, что гарантированный предел огнестойкости конструкций вычисляют по приведенной номограмме путем решения обратной задачи огнестойкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20