Способ определения огнестойкости облицованных металлических колонн здания

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий. Сущность изобретения: испытание облицованных металлических колонн здания проводят без разрушения по комплексу единичных показателей качества, оценивая их величину с помощью статистического контроля. Для этого определяют геометрические размеры металлических колонн, схему обогрева опасных сечений колонн в условиях пожара, условия закрепления их концов; плотность, влажность и показатели тепловой диффузии материалов облицовки; величину нормативных нагрузок и интенсивность напряжения в опасных сечениях несущих стержней металлических колонн. Предел огнестойкости облицованных металлических колонн определяют по номограмме. Технический результат - повышение достоверности статистического контроля качества и неразрушающих испытаний, снижение экономических затрат. 14 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

 

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

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

Известен способ определения огнестойкости металлических колонн 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 строительной стали, определение времени наступления предельного состояния по потере несущей способности конструкции, то есть обрушения в условиях действия внешней нагрузки и теплового воздействия натурного пожара (Ильин Н.А. Последствия огневого воздействия на железобетонные конструкции. - М.: Стройиздат, 1979. - 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 металлических колонн по результатам натурных огневых испытаний фрагмента здания, в котором производят осмотр конструкций, определяют марку стали, назначают статическую нагрузку на конструкцию соответственно реальным условиям эксплуатации здания, определяют факторы, влияющие на огнестойкость испытуемой конструкции, и величину предела огнестойкости (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, наблюдения 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 металлических колонн фрагмента могут быть не установлены вследствие многообразия одновременно действующих факторов пожара. Предельное состояние по огнестойкости облицованных металлических колонн может быть не достигнуто из-за более раннего разрушения элементов покрытия или стен фрагмента (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 облицованных металлических колонн здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление марки стали и вида материала облицовки, выявление условия опирания и крепления концов колонны, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности конструкции под нормативной нагрузкой в условиях стандартного теплового воздействия. (ГОСТ 30247.1-94. Конструкции строительные. Методы испытания на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции. - М.: Издательство стандартов, 1995. - 7 с.) [4] - принят за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе испытания проводят на образце конструкции, на который воздействуют 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. Определение огнестойкости облицованных металлических колонн по единичному показателю качества, например, по толщине облицовочного покрытия, как правило, недооценивает пригодность эксплуатации конструкции в здании заданной степени огнестойкости. Экономические затраты на проведение испытаний возрастают за счет расходов на демонтаж колонн, транспортирование к месту установки нагревательных печей и на создание в них стандартного теплового режима. По малому числу испытуемых образцов (2-3 шт.) невозможно судить о действительном состоянии колонн здания. Результаты огневого испытания единичны и не учитывают разнообразия в закреплении концов колонн, их фактических размеров, фактической схемы обогрева опасного сечения испытуемой конструкции в условиях пожара.

Сущность изобретения заключается в следующем. Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в установлении показателей пожарной безопасности здания в части гарантированной длительности сопротивления металлических конструкций в условиях пожара; в определении фактических пределов огнестойкости облицованных металлических колонн 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 номограммы для определения огнестойкости конструкций; повышение точности и экспрессивности испытания; получение возможности решения обратных задач огнестойкости конструкций и применения метода 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 толщины облицовочного покрытия и условий обогрева несущего стержня колонны в условиях пожара; 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 сжатого стального элемента по его конструктивным параметрам.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе определения огнестойкости облицованных металлических колонн здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление вида облицовочного материала, марки стали несущего стержня металлических колонн, выявление условий их опирания и крепления, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности колонн под нормативной нагрузкой в условиях стандартного теплового воздействия, особенностью является то, что испытание металлических колонн проводят без разрушения по комплексу единичных показателей качества материалов облицовки и стали несущих стержней металлических колонн, определяют число и места расположения участков, в которых определяют показатели качества, технический осмотр дополняют инструментальными измерениями геометрических размеров облицовки и несущих стержней металлических колонн, устанавливают площадь сечения несущих стержней металлических колонн в опасных сечениях, выявляют схемы обогрева их при пожаре, экспериментально определяют показатели плотности материалов облицовки и их влажности в естественном состоянии и/или величину коэффициента тепловой диффузии материала облицовки, находят предельные сопротивления стали при сжатии, устанавливают величину рабочей нормативной нагрузки на колонны и величину интенсивности силовых напряжений в опасных сечениях и, используя полученные интегральные параметры облицованных металлических колонн - D_ar - коэффициент тепловой диффузии материала изоляционного покрытия, мм²/мин; δ_о - толщину изоляционного покрытия колонны минимальную, мм; m_о - показатель условий нагрева в условиях пожара несущего стержня металлических колонн с изоляционным покрытием; J_σs - интенсивность нормальных напряжений в поперечном сечении несущего стержня металлических колонн от рабочей нормативной нагрузки; τ_us - длительность сопротивления термическому воздействию несущего стержня металлических колонн без учета огнезащиты изоляционного покрытия, мин, по номограмме вычисляют фактический предел огнестойкости Fur, мин.

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что интенсивность нормальных напряжений в поперечном сечении несущего стержня металлических колонн от рабочей нормативной нагрузки, действующей в условиях огневых испытаний, вычисляют по формуле (1)

где N_ρ - продольная сила от рабочей нормативной нагрузки, действующая на колонны в условиях стандартных огневых испытаний, кН;

А_s - площадь сжатого сечения несущего стержня колонны нетто, см²;

R_уn - предел текучести стали по ГОСТу, МПа (см. прил. 1 СНиП II- 23-81* «Стальные конструкции». - М., 1990. - С.63-66);

е - основание натуральных логарифмов (е=2,72);

k - интегральный показатель гибкости несущего стержня металлических колонн, вычисляемый по формуле (2)

где λ=μ·l/i - гибкость несущего стержня;

μ - коэффициент расчетной длины металлических колонн; см. прил. 6, табл.71, а, СНиП II-23-81* (0,5≤μ≤2);

l - длина несущего стержня металлических колонн, см;

i - радиус поперечного сечения несущего стержня металлических колонн, см.

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что при различных значениях предельной температуры нагрева стали несущего стержня металлических колонн t_u, °С, отличающихся от величины критической температуры стали t_cr, °С, фактическую (проектную) интенсивность нормальных напряжений (J_σs) в поперечном сечении металлических колонн вычисляют по формуле (3)

где J_σs - интенсивность нормальных напряжений в поперечном сечении несущего стержня металлических колонн (0÷1);

t_u - предельная температура нагрева стали (°С), при которой различно нагруженные несущие стержни металлических колонн теряют несущую способность;

t_cr - критическая температура нагрева стали (°С) несущего стержня металлических колонн (при нормативной интенсивности напряжений J_н=0,625 для Ст.3 t_cr=510°С);

n - эмпирические показатели степени в зависимости от марок сталей (n=2,8 для Ст.3).

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что при t_u=t_cr±50°С интенсивность нормальных напряжений в поперечном сечении несущего стержня металлических колонн вычисляют приближенно по формуле (4)

где J_н - нормативная интенсивность напряжений в поперечном сечении несущего стержня металлических колонн (0÷1).

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что показатель условий нагрева несущего стержня металлических колонн с конструктивным изоляционным покрытием в условиях стандартного огневого испытания (при а_x>a_у) вычисляют по формуле (5)

где а_x; a_у - соответственно толщина изоляционного покрытия полки (стенки) несущего стержня металлических колонн по оси х и у, мм;

В - ширина сечения несущего стержня металлических колонн, мм.

При условии а_x>a_у в формуле (5) эти сомножители меняют местами; при перемене осей координат ширину сечения В, мм, несущего стержня металлических колонн заменяют на высоту Н, мм.

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что коэффициент тепловой диффузии материала изоляционного покрытия металлических колонн D_ar, мм²/мин, определяют экспериментально или рассчитывают при осредненной температуре t_m=450°С по формуле (6)

где λ₀ и b - эмпирические числа для расчета коэффициента теплопроводности облицовочного материала;

t_m - осредненная температура нагрева (450°С) облицовочного материала по сечению колонны;

С₀ и d - эмпирические числа для расчета удельной теплоемкости облицовочного материала;

ω - влажность облицовочного материала массовая, %;

ρ_с - плотность сухого материала, кг/м³;

k_ρ=0,75 при ρ_с более 1000 кг; k_ρ=1 при ρ_с менее 1000 кг/м³.

Осредненные величины коэффициентов температуропроводности (тепловой диффузии) для ряда облицовочных материалов при их естественной влажности (1 см²/ч=1,67 мм²/мин) приведены в табл.1.

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что длительность сопротивления термическому воздействию несущего стержня металлических колонн без учета огнезащиты изоляционного покрытия τ_us, мин, определяют по формуле (7)

где J_σs - интенсивность нормальных напряжений в поперечном сечении несущего стержня металлических колонн от действия рабочей нормативной нагрузки при пожаре (0≤J_σs≤1);

T_sr - приведенная толщина металла несущего стержня металлических колонн, см, рассчитываемая по формуле (8)

где А_s - площадь поперечного сечения несущего стержня, см²;

Р_o - периметр обогрева поперечного сечения при пожаре, см.

Таблица 1. Теплофизические характеристики облицовочных материалов металлических колонн
Материал облицовки	Плот-ность ρс, кг/м3	Влаж-ность ω, %	Параметры теплопроводности, Вт/м·°С, и теплоемкости материала, Дж/кг·°С	Коэф-т диффузии тепла Dar, мм2/мин
λ0	b	С0	d
1. Асбоцементные плиты	1800	9	0,31	0,08	0,84	0,63	9,0
2. Асбестоперлитоцементные плиты	960	6	0,087	0,23	0,84	0,63	6,0
3. Гипсобетонные плиты	1300	20	0,4	0,08	0,84	0,6	12,0
4. Гипсовая штукатурка	900	20	0,2	0,35	1	0,6	9,0
5. Керамзитобетон	750	6	0,18	0,08	0,32	0,48	12,0
6. То же	950	6	0.23	0,13	0,85	0,58	13,0
7. То же	1400	6	-	-	-	-	14,0
8. Перлитобетон	1250	6	0,4	0,05	0,85	0,38	19,0
9. Перлитовая штукатурка на цементе	500	8	-	-	-	-	17,0
10. Кладка из силикатного кирпича	1730	1	0,79	-0,35	0,84	0,61	24,0
11. Кладка из керамического кирпича обыкновенного	1580	2	0,46	0,23	0,72	0,42	21,3
12. Тяжелый бетон на известняковом щебне	2250	3	1,15	-0,55	0,71	0,84	24,0
13. То же
14. Тяжелый бетон на гранитном заполнителе	2400	3	1,2	-0,3	0,72	0,2	28,0
15. То же
16. Огнезащитное покрытие ОФП-ПМ	250	16,5	0,046	0,35	0,92	0,63	24,2
17. Цементно-песчаная штукатурка	1930	2	-	-	-	-	24,0
18. Песчаный бетон	2000	3	1,16	0,62	0,75	0,77	35,6
19. Маты из стекловаты	100	5	-	-	-	-	80,0

Особенность предложенного способа заключается в том, что за единичные показатели качества облицованных металлических колонн, влияющих на предел огнестойкости, принимают: геометрические размеры опасного сечения, условия закрепления концов колонн, сопротивление стали при сжатии, рабочую нормативную нагрузку, интенсивность силовых напряжений в опасных сечениях, влажность и плотность материала облицовки в естественном состоянии, толщину изоляционного покрытия, показатели тепловой диффузии материалов облицовки.

Особенность предложенного способа заключается в том, что число испытаний n_ис единичного показателя качества металлических колонн, при вероятности результата 0,95 и точности 5%, принимают по формуле (9)

где υ - выборочный коэффициент вариации результатов испытаний, %.

Особенность предложенного способа заключается в том, что схему обогрева поперечных сечений в условиях пожара испытуемых металлических колонн определяют в зависимости от фактического расположения частей здания.

Особенность предложенного способа заключается в том, что в случае, когда все единичные показатели качества обетонированных металлических колонн (при М более 9 шт.), находятся в контрольных пределах, минимальное целое число металлических колонн в выборке по плану сокращенных испытаний М_мин, шт, назначают из условия (10)

где М - число однотипных колонн в здании, шт.

В случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества металлических колонн выходит за границы контрольных пределов, минимальное число колонн в выборке по норме определяют по формуле (11)

В случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества металлических колонн выходит за границы допустимых пределов или М≤5 шт., не разрушающему испытанию подвергают все однотипные колонны здания поштучно.

Особенность предложенного способа заключается в том, что дополнительно вычисляют гарантированный предел огнестойкости обетонированных металлических колонн по номограмме путем решения обратной задачи огнестойкости.

Особенностью предложенного способа определения огнестойкости металлических колонн здания является то, что неразрушающие испытания проводят для группы однотипных колонн, различия между толщиной изоляционного покрытия и текучестью стали которых обусловлены главным образом случайными факторами.

Схемы обогрева сечений испытуемых металлических колонн в условиях пожара определяют в зависимости от фактического расположения частей здания.

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

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

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

Применение математического описания процесса сопротивления облицованных металлических колонн 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 колонн и применения метода подбора переменных значений ее конструктивных параметров.

Использование интегральных конструктивных параметров, как-то: интенсивности напряжения стали и коэффициента тепловой диффузии материалов облицовки, - упрощает математическое описание процесса сопротивления нагруженных колонн тепловому воздействию.

В предложенном техническом решении предусматривают проведение испытаний не одной, а группы однотипных колонн. Это позволяет в 5-15 раз увеличить число испытуемых колонн и повысить достоверность результатов испытаний и технического осмотра здания. Определение огнестойкости конструкций только по одному показателю качества, например, по толщине изоляционного покрытия, 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 колонн предусматривают не по одному показателю, а по комплексу единичных показателей их качества. Это позволяет более точно учесть реальный ресурс огнестойкости металлических колонн.

Уточнен комплекс единичных показателей качества облицованных металлических колонн, влияющих на их огнестойкость, определяемых неразрушающими испытаниями.

Уточнено минимальное число неразрушающих испытаний единичного показателя качества металлических колонн.

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

На фиг.1 приведена номограмма для оценки предела огнестойкости облицованных металлических колонн, обогрев с 4-х сторон. Приведена 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.

Порядок производства отсчетов или "ключ":

D_ar(мм²/мин)-δ₀(мм)-m₀-J_σs-τ_us(мин)-F_ur(мин).

На фиг.2 приведена схема центрально нагруженной металлической колонны с изоляционным покрытием, длина колонны 280 см; закрепление концов шарнирное, обогрев 4-сторонний, тепловой режим стандартного пожара; размеры поперечного сечения колонны В×Н=270×160 мм;

l - несущий стержень - стальной двутавр №22, b×h×d=11×22×0,54 см; приведенная толщина металла Т_sr=0,35 см; площадь сечения 30,6 см²; марка стали Ст.3, предельная температура t_u=500°C; критическая температура t_cr=510°С; осевые расстояния до расчетной точки полки двутавра a_x1=δ₀=35 мм; a_у1=53 мм < Н/2=80 мм; а_у2=Н-a_y1=160-53=107 мм; показатель нагрева полки двутавра m₀=0,79; интенсивность силовых напряжений в металле J_σs=0,64; длительность сопротивления термосиловому воздействию незащищенного несущего стержня τ_us=13 мин; предел огнестойкости колонны по признаку потери несущей способности F_ur=97 мин (1,62 ч; опыт - 1,6 ч);

2 - заполнение внутренней полости: бетон состава 1: 3: 3 (цемент: песок: кирпичный щебень); плотность 1990 кг/м³; влажность 4,7%;

3 - штукатурка - состав 1: 0,2: 2,5 ( цемент: известь: песок), влажность 3%; толщина 25 мм; коэффициент тепловой диффузии D_ar=24,2 мм²/мин.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного выше технического результата. Последовательность действия способа определения огнестойкости облицованных металлических колонн здания состоит в следующем.

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

Под визуальным осмотром понимают проверку состояния колонн, включающую выявление условий закрепления и обогрева металлических колонн, определение материала конструктивной защиты металлических колонн от нагрева при пожаре (обычный бетон, керамзитобетон, кирпич, пустотелые блоки, гипсовые плиты, вермикулитовые плиты, штукатурка, перлитоасбестовая облицовка и т.п.), вид проката (двутавр, швеллер, уголок), форму поперечного сечения несущего стержня металлической колонны, его геометрические размеры, марку (класс) стали, рабочую нормативную нагрузку.

В процессе осмотра определяют группы однотипных колонн. Под группой конструкций в здании понимают однотипные металлические колонны, изготовленные и возведенные в сходных технологических условиях и находящиеся в подобных условиях эксплуатации.

Схемы обогрева поперечных сечений облицованных металлических колонн в условиях пожара определяют в зависимости от фактического расположения частей здания, устройства облицовок, укладки смежных конструкций, уменьшающих число сторон обогрева.

Минимальное целое число колонн в выборке по плану нормальных или сокращенных испытаний назначают из условий (13 и 14).

Пример 1. При числе однотипных конструкций в группе М=120 шт число испытуемых металлических колонн принимают по норме

М_н=5+М^0,5=5+120^0,5=16 шт., по сокращенному плану;

M_мин=0,3·(15+M^0,5)=0,3·(15+120^0,5)=7,78≈8 шт.

При числе конструкций в группе М≤5 их проверяют поштучно.

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

К основным единичным показателям качества облицованных металлических колонн, обеспечивающих огнестойкость, относятся: коэффициент тепловой диффузии и плотность материала изоляционного покрытия, показатель условий нагрева несущего стержня металлической колонны с изоляционным покрытием, толщина изоляционного покрытия, марка стали, предел текучести ее, критическая температура, приведенная толщина металла несущего стержня, гибкость его, интенсивность нормальных напряжений в сечении несущего стержня, время сопротивления термосиловому воздействию незащищенного несущего стержня металлической колонны.

Число испытаний единичного показателя качества конструкций, при вероятности результата, равном 0,95, и показателе точности 5%, определяют по формуле (12);

при этом коэффициент вариации выборки υ=±100·σ/А;

среднее арифметическое А=(l/n)·Σm_i,

среднее квадратическое отклонение от среднего σ=±[(l/(n-l))·Σ(x_i)²]^0,5;

средняя ошибка ΔА=±σ/(2·n)^0,5;

здесь m_i - результат i-го испытания;

Σ(x_i)² - сумма квадратов всех отклонений от среднего.

Проверяемыми геометрическими размерами являются: толщина изоляционного покрытия, ширина и высота поперечного сечения несущего стержня металлической колонны.

Опасные сечения металлических колонн назначают в местах наибольших моментов от действия нормативной нагрузки.

Размеры конструкции проверяют с точностью ±1 мм.

Коэффициент тепловой диффузии материала облицовки в условиях теплового воздействия определяют при 450°С. Для расчета интегрального его параметра по формуле (8) определяют плотность материала облицовки в естественном состоянии, его влажность, а также показатели теплопроводности и теплоемкости при 450°С.

Используя полученные интегральные параметры

D_ar(мм²/мин), δ₀(мм), m₀, J_σs, τ_us(мин),

по приведенной номограмме (см. фиг.1) находят предел огнестойкости облицованных металлических колонн здания.

При тех же значениях интегральных параметров предел огнестойкости колонн, имеющих различные статические схемы работы, интенсивности нормальных напряжений в сечении несущего стержня металлической колонны от действия рабочей нормативной нагрузки, различной степени огнезащиты несущего стержня изоляционным покрытием, длительности сопротивления термосиловому воздействию незащищенного несущего стержня, рассчитывают по формуле (1).

Гарантированный предел огнестойкости облицованных металлических колонн, F_ur, мин, вычисляют по приведенной номограмме (см. фиг.1) при соответствующем изменении конструктивных параметров:

J_σs - интенсивности нормальных напряжений в поперечном сечении несущего стержня колонны от нормативной нагрузки;

δ₀ - толщины изоляционного покрытия колонны минимальной, мм;

m₀ - показателя условий обогрева несущего стержня облицованной металлической колонны в условиях пожара;

D_ar(мм²/мин) - показателя тепловой диффузии материала изоляционного покрытия (коэффициента температуропроводности при 450°С);

τ_us(мин) - длительности сопротивления термосиловому воздействию незащищенного несущего стержня металлической колонны.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного способа следующей совокупности условий:

а) средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использовании в строительной промышленности, а именно в классификации металлических колонн 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 оценке фактических пределов огнестойкости металлических колонн, испытанных в огневой печи ВНИИПО. Сплошное поперечное сечение колонны, облицованной штукатуркой толщиной δ₀=35 мм, представляет несущий стержень в виде двутавра №22, с размерами b×h×d=11×22×0,54 см, площадь металла А_s=30,6 см²; предельная и критическая температура для стали марки Ст.3 соответственно равны 500 и 510°С; коэффициент тепловой диффузии изоляционного покрытия D_ar=24,2 мм²/мин, (см. фиг.2) предел огнестойкости, определенный при огневых испытаниях, равен 1,6 ч (96 мин}. Предел огнестойкости металлической колонны, вычисленный по результатам неразрушающих испытаний, равен 97 мин (1,62 ч); погрешность расчета равна 1,25%, что меньше 5%.

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, B.C.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.

5. СНиП II - 23-81*. Стальные конструкции. Нормы проектирования. - М.: ГУП ЦПП, 1990. - 95 с. (см. с.63-66).

1. Способ определения огнестойкости облицованных металлических колонн здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление вида облицовочного материала, марки стали несущего стержня металлических колонн, выявление условий их опирания и крепления, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности колонн под нормативной нагрузкой в условиях стандартного теплового воздействия, отличающийся тем, что испытание металлических колонн проводят без разрушения, используя комплекс единичных показателей качества материалов облицовки и стали несущих стержней металлических колонн, определяют число и места расположения участков, в которых определяют показатели качества, технический осмотр дополняют инструментальными измерениями геометрических размеров облицовки и несущих стержней металлических колонн, устанавливают площадь сечения несущих стержней металлических колонн в опасных сечениях, выявляют схемы обогрева их при пожаре, экспериментально определяют показатели плотности материалов облицовки и их влажности в естественном состоянии и/или величину коэффициента тепловой диффузии материала облицовки, находят предельные сопротивления стали при сжатии, устанавливают величину рабочей нормативной нагрузки на колонны и величину интенсивности силовых напряжений в опасных сечениях и, используя полученные интегральные параметры облицованных металлических колонн - D_ar - коэффициент тепловой диффузии материала изоляционного покрытия, мм²/мин; δ₀ - толщину изоляционного покрытия минимальную, мм; m₀ - показатель условий нагрева в условиях пожара несущего стержня металлических колонн с изоляционным покрытием; J_σs - интенсивность нормальных напряжений в поперечном сечении несущего стержня металлических колонн от рабочей нормативной нагрузки; τ_us - длительность сопротивления термическому воздействию несущего стержня металлических колонн без учета огнезащиты изоляционным покрытием, мин, по номограмме вычисляют фактический предел огнестойкости Fur, мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что интенсивность нормальных напряжений в поперечном сечении несущего стержня металлических колонн от рабочей нормативной нагрузки, действующей в условиях огневых испытаний, вычисляют по формуле (1)

где N_ρ - продольная сила от рабочей нормативной нагрузки, действующая на колонны в условиях стандартных огневых испытаний, кН;

A_s - площадь сжатого сечения несущего стержня нетто, см²;

R_yn - предел текучести стали по ГОСТу, МПа;

е - основание натуральных логарифмов (е=2,72);

k - интегральный показатель гибкости несущего стержня металлических колонн, вычисляемый по формуле (3)

где λ=μ·l/i - гибкость несущего стержня;

μ - коэффициент расчетной длины металлических колонн (0,5≤μ≤2);

l - длина несущего стержня металлических колонн, см;

i - радиус поперечного сечения несущего стержня металлических колонн, см.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при различных значениях предельной температуры нагрева стали несущего стержня металлических колонн t_u, °C, отличающихся от величины критической температуры стали t_cr, °C, фактическую (проектную) интенсивность нормальных напряжений (J_σs) в поперечном сечении металлических конструкций вычисляют по формуле (3)

где J_σs - интенсивность нормальных напряжений в поперечном сечении несущего стержня металлических колонн;

t_u - предельная температура нагрева стали (°С), при которой различно нагруженные несущие стержни металлических колонн теряют несущую способность;

t_cr - критическая температура нагрева стали (°С) несущего стержня металлических колонн (при нормативной интенсивности напряжений J_н=0,625 для Ст.3 t_cr=510°C);

n - эмпирические показатели в зависимости от марок сталей (n=2,8 для Ст.3);

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при t_u=t_cr±50°C интенсивность нормальных напряжений в поперечном сечении несущего стержня металлических колонн вычисляют приближенно по формуле (4)

где J_н - нормативная интенсивность напряжений в поперечном сечении несущего стержня металлических колонн.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что показатель условий нагрева несущего стержня металлических колонн с конструктивным изоляционным покрытием в условиях стандартного огневого испытания (при а_х>а_у) вычисляют по формуле (5)

где a_x, a_у - толщина изоляционного покрытия полки (стенки) несущего стержня металлических колонн соответственно по осям х и у, мм;

В - ширина сечения несущего стержня металлических колонн, мм,

при условии a_x>а_у в формуле (5) эти сомножители меняют местами, при перемене осей координат ширину сечения В, мм, несущего стержня металлических колонн заменяют на высоту Н, мм.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что коэффициент тепловой диффузии материала изоляционного покрытия металлических колонн D_ar, мм²/мин, определяют экспериментально или рассчитывают при осредненной температуре t_m=450°C по формуле (8)

где λ₀ и B - эмпирические числа для расчета коэффициента теплопроводности облицовочного материала;

t_m - осредненная температура нагрева (450°С) облицовочного материала по сечению колонны;

С₀ и d - эмпирические числа для расчета удельной теплоемкости облицовочного материала;

ω - влажность облицовочного материала массовая, %;

ρ_с - плотность сухого материала, кг/м³;

k_ρ=0,75 при ρ_с более 1000 кг/м³; k_ρ=1 при ρ_с менее 1000 кг/м³.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность сопротивления термическому воздействию несущего стержня металлических колонн без учета огнезащиты изоляционного покрытия τ_us, мин, определяют по формуле (7)

где J_σs - интенсивность нормальных напряжений в поперечном сечении несущего стержня металлических колонн от действия рабочей нормативной нагрузки при пожаре (0≤J_σs≤1);

T_sr - приведенная толщина металла несущего стержня металлических колонн, см, рассчитываемая по формуле

где A_s - площадь поперечного сечения несущего стержня, см²;

P_о - периметр обогрева поперечного сечения колонн при пожаре, см.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что за единичные показатели качества облицованных металлических колонн, влияющих на предел огнестойкости, принимают геометрические размеры опасного сечения, условия закрепления концов колонн, сопротивление стали при сжатии, рабочую нормативную нагрузку, интенсивность силовых напряжений в опасных сечениях, влажность и плотность материала облицовки в естественном состоянии, толщину изоляционного покрытия, показатели тепловой диффузии материалов облицовки.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что число испытаний n_uc единичного показателя качества металлических колонн при вероятности результата 0,95 и точности 5% принимают по формуле (9)

где υ - выборочный коэффициент вариации результатов испытаний, %.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что схему обогрева поперечных сечений в условиях пожара испытуемых металлических колонн определяют в зависимости от фактического расположения частей здания.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае, когда все единичные показатели качества обетонированных металлических колонн (при М более 9 шт.) находятся в контрольных пределах, минимальное целое число металлических колонн в выборке по плану сокращенных испытаний М_мин, шт, назначают из условия (10)

где М - число однотипных колонн в здании, шт.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества металлических колонн выходит за границы контрольных пределов, минимальное число колонн в выборке по норме определяют по формуле (11)

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества металлических колонн выходит за границы допустимых пределов или М≤5 шт., не разрушающему испытанию подвергают все однотипные колонны здания поштучно.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно вычисляют гарантированный предел огнестойкости обетонированных металлических колонн по номограмме путем решения обратной задачи огнестойкости.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что неразрушающие испытания проводят для группы однотипных колонн, различия между толщиной изоляционного покрытия и текучестью стали которых обусловлены главным образом случайными факторами.