Способ оценки огнестойкости ограждающей конструкции здания по критерию теплоизолирующей способности

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и может быть использовано для классификации ограждающих конструкций зданий по их показателям сопротивления воздействию высоких температур при пожаре. Оценку огнестойкости ограждающей конструкции здания проводят без разрушения, по комплексу единичных показателей качества строительного элемента. Для этого определяют геометрические размеры ограждающей конструкции (плиты, стены), схему обогрева расчетного сечения в условиях пожара, показатель термодиффузии строительного материала конструкции, выявляют начальную температуру тела ограждающей конструкции, предельно допустимую температуру и критическую температуру нагрева необогреваемой поверхности ограждающей конструкции и по ним, используя соответствующее аналитическое уравнение, находят предел огнестойкости ограждающей конструкции по признаку потери теплоизолирующей способности - F_uτ, мин. Технический результат - повышение достоверности статистического контроля качества и неразрушающих испытаний ограждающей конструкции без натурного огневого воздействия, уменьшение требуемого объема оперативной памяти ЭВМ для расчета огнестойкости, снижение экономических затрат. 8 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и сооружений, (далее - зданий). В частности, оно может быть использовано для классификации ограждающих конструкций (плит, стен) зданий по их показателям сопротивления воздействию высоких температур при пожаре. Это дает возможность обоснованного использования существующих конструкций с фактическим пределом огнестойкости в зданиях, различных по их функциональной пожароопасности.

Необходимость оценки показателей огнестойкости ограждающих конструкций возникает при реконструкции здания, усилении его конструкций, приведении фактической огнестойкости конструкций здания в соответствие с требованиями современных норм.

При реконструкции здания возможны переустройство и перепланировка помещений, изменение их назначения, замена ограждающих конструкций и оборудования. Это влияет на изменение требуемой степени огнестойкости здания и его несущих конструкций.

Известен способ оценки огнестойкости ограждающей конструкции по результатам теплотехнического расчета. Этот способ включает определение положения балочной конструкции в здании, оценку состояния конструкции путем осмотра и измерения, выявление теплотехнических характеристик материала конструкции, определение времени наступления предельного состояния ограждающей конструкции по потере теплоизолирующей способности / Ройтман М.Я. Противопожарное нормирование в строительстве. – М.: Стройиздат, 1985, - 590 с. (см. г. 4; §3. Определение фактических пределов огнестойкости ограждающих конструкций по потере теплоизолирующей способности; с. 113÷120) [1].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе пределы огнестойкости ограждающей конструкции определяют приближенно, при сложенном алгоритме теплотехнического расчета. Это предопределяет длительность работы ЭВМ, увеличивая требуемый объем оперативной памяти компьютера.

Известен способ оценки огнестойкости ограждающей конструкции по результатам натурного огневого испытания малого габаритного фрагмента плиты. В этом случае производят осмотр ограждающей конструкции, определяют влажность бетона, определяют факторы, влияющие на огнестойкость испытуемого фрагмента конструкции, и величину предела огнестойкости по критерию теплоизолирующей способности / Милованов А.Ф. Огнестойкость железобетонных конструкций. - М.: Стройиздат, 1986, - 224 с. (см. гл. 6: Методика испытаний: Определение теплоизолирующих свойств бетона, с. 38-99, рис. 5) [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 конструкции в условиях экспериментального огневого испытания обременительно и опасно вследствие различий огневого режима опытного и стандартного пожаров, затруднена оценка фактических пределов огнестойкости ограждающей конструкции, причины наступления предельного состояния по огнестойкости фрагмента конструкции могут быть не установлены вследствие многообразия действующих факторов пожара.

Известен способ оценки огнестойкости ограждающей конструкции здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление вида бетона конструкции, выявление условия ее опирания и крепления, определение времени наступления предельного состояния ограждающей конструкции в условиях стандартного огневого воздействия / ГОСТ 30247.1-94. Конструкции строительные. Методы испытания на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции (см. гл. 8: Предельные состояния, с. 5-6) [3].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе испытания проводят на образце конструкции, на который воздействуют постоянные и длительные 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, неэффективны, не безопасны, имеют малые технологические возможности для проверки на опыте различных по размерам конструкций, не дают необходимой информации о влиянии единичных показателей качества конструкции на ее огнестойкость. Результаты огневого испытания единичны и не учитывают разнообразия конструкций, их натурных размеров, схемы обогрева опасного сечения испытуемой конструкции. Экономические затраты на проведение испытаний возрастают за счет расходов на демонтаж конструкции, транспортирование к месту установки нагревательных печей и на создание в них стандартного температурного режима.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ оценки огнестойкости железобетонной конструкции здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление вида бетона ограждающей конструкции, при этом испытание конструкции проводят без разрушения по комплексу единичных показателей качества, технический осмотр дополняют инструментальными измерениями геометрических размеров конструкции и ее опасного сечения, выявляют форму конструкций, схемы обогрева расчетного сечения при пожаре и условия нагревания тяжелого бетона, определяют показатели термодиффузии тяжелого бетона и, используя полученные теплотехнические параметры ограждающей конструкции, по номограмме вычисляют фактический предел огнестойкости ее по признаку потери теплоизолирующей способности / Пособие по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонной конструкции из тяжелого бетона (к СТО 35554501 - 006 - 2006). - М.: НИИЖБ, 2008. - 80 с. (см. гл. 3: Теплотехнический расчет конструкций; гл. 4: Определение предела огнестойкости плит, стен по потере теплоизолирующей способности) [4] - принято за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что решение теплотехнической задачи огнестойкости значительно осложняет алгоритм расчета предела огнестойкости ограждающей конструкции; использование номограмм для расчета ограждающей конструкции из тяжелого бетона по признаку потери теплоизолирующей способности известным способом снижает достоверность расчета; данный способ не позволяет оценить огнестойкость конструкций из других видов бетона, каменной кладки и конструкций из других материалов, для них известная номограмма неприменима; кроме этого в известном способе не учитывают изменение величины начальной температуры тела ограждающей конструкции в широком пределе (15÷30°C).

Сущность изобретения состоит в установлении показателей пожарной безопасности ограждающей конструкции здания из любого негорючего материала в части гарантированной длительности сопротивления ограждающей конструкции в условиях пожара, в определении достоверного фактического предела огнестойкости ограждающей конструкции для проектирования, строительства и эксплуатации здания; в повышении оперативности и снижении экономических затрат при оценке огнестойкости ограждающей конструкции по критерию теплоизолирующей способности.

Технический результат - снижение трудоемкости и упрощение способа оценки огнестойкости ограждающей конструкции по критерию теплоизолирующей способности; расширение технологических возможностей определения фактической огнестойкости ограждающих конструкций любых размеров и из любых негорючих материалов по признаку потери теплоизолирующей способности; возможность определения огнестойкости ограждающих конструкций без нарушения функционального процесса в здании; повышение точности показателей огнестойкости и снижение экономических затрат на испытание; упрощение условии и сокращение сроков оценки ограждающих конструкций на огнестойкость; упрощение математического описания процесса термического сопротивления конструкции; уменьшение требуемого объема оперативной памяти ЭВМ для расчета огнестойкости ограждающей конструкции по потере теплоизолирующей способности.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе оценки огнестойкости ограждающей конструкции здания по критерию теплоизолирующей способности, включающем проведение технического осмотра, установление геометрических размеров ограждающей конструкции в расчетном сечении, установление вида материала ограждающей конструкции и величину его теплотехнических характеристик; выявление схемы обогрева расчетного сечения, определение начальной температуры тела обогреваемой ограждающей конструкции и предельно допустимой температуры ее необогреваемой поверхности; установление критической температуры нагрева необогреваемой поверхности ограждающей конструкции при наступлении предела огнестойкости по признаку потери теплоизолирующей способности, особенность заключается в том, что дополнительно определяют дефекты поверхности ограждающей конструкции, а фактический предел огнестойкости ограждающей конструкции по признаку потери теплоизолирующей способности (F_uτ, мин) определяют, используя аналитическое уравнение (1):

где t_cr - критическая температура нагрева необогреваемой поверхности ограждающей конструкции, °C; h_min - минимальная толщина ограждающей конструкции, мм; D_вт - показатель термодиффузии материала, мм²/мин.

Критическую температуру нагрева необогреваемой поверхности ограждающей конструкции (t_cr,°C) вычисляют по условию (2):

где t_u,in - предельно-допустимая температура необогреваемой поверхности ограждающей конструкции до испытания, °C; t_e - начальная температура тела ограждающей конструкции, °C.

Повышение предельно допустимой температуры необогреваемой поверхности ограждающей конструкции (t_u,in, °C) принимают в среднем более чем на 140°C; или в любой точке необогреваемой поверхности принимают в среднем более чем на 180°C по сравнению с начальной температурой тела ограждающей конструкции до испытания(t_е °C); или в любой точке необогреваемой поверхности принимают в среднем более чем на 220°C независимо от степени нагрева температуры ограждающей конструкции до испытания (t_е °C).

Показатель термодиффузии материала (D_вт, мм²/мин) ограждающей конструкции при осредненной температуре 450°C определяют по аналитическому уравнению (3):

где λ₀ и b эмпирические числа для расчета коэффициента теплопроводности нагретого материала, (Вт/(м⋅°C); С₀ и d - эмпирические числа для расчета удельной теплоемкости нагретого материала, кДж/(кг⋅°C); ρ_с - плотность сухого материала, кг/м³; ω - влажность материала массовая, %.

Для оценки огнестойкости используют фрагмент поверхности ограждающей конструкции с размерами 1000×1000×h; здесь h - толщина ограждающей конструкции, мм.

Минимальную толщину (h_min, мм) ограждающей конструкции вычисляют (при δ_g≥δ_z) по условию (4):

при δ_z>δ_g, - по условию (5):

где h - проектная толщина ограждающей конструкции, мм; δ_g - допустимое отклонение от проектного размера (±5 мм); δ_z - отклонение от непрямолинейности поверхности ограждающей конструкции, мм.

Определяют контрольные точки на необогреваемой поверхности, число контрольных точек принимают от 3 до 5, которые располагают: одну - в центре поверхности фрагмента конструкции, а другие - по диагонали квадрата на расстоянии (200÷250) мм от его центра.

Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом заключена в следующем. Исключение огневых испытаний ограждающей конструкции существующего здания и замена их на неразрушающий способ оценки огнестойкости снижает трудоемкость оценки их огнестойкости, расширяет технологические возможности выявления фактический огнестойкости различно расположенных ограждающих конструкций любых размеров и из любых негорючих материалов, дает возможность проведения оценки 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 его ограждающих конструкций в процессе испытания. Следовательно, условия испытания ограждающей конструкций на огнестойкость значительно упрощены. Снижение экономических затрат на проведение испытания предусматривают за счет уменьшения расходов на демонтаж, транспортирование и огневые испытания образца ограждающей конструкции. Применение математического описания процесса сопротивления ограждающих конструкций высокотемпературному воздействию и использование построенного аналитического выражения (1) повышает точность и экспрессивность оценки их огнестойкости по признакам потери теплоизолирующей способности. Использование интегральных конструктивных параметров, как-то: показателя термодиффузии бетона, упрощает математическое описание процесса сопротивления ограждающей конструкции высокотемпературному воздействию по критерию теплоизолирующей способности. Оценка огнестойкости только по одному показателю начальной температуры тела ограждающей конструкции приводит к недооценке их фактического предела огнестойкости по критерию теплоизолирующей способности. Вследствие этого в предложенном способе оценку огнестойкости ограждающей конструкции по потере теплоизолирующей способности предусматривают изменение начальной температуры тела конструкции в широких пределах (5÷30°C). Это позволяет более точно учесть реальный ресурс фактической огнестойкости ограждающей конструкции.

На фиг. 1 изображена схема к расчету критической температуры на необогреваемой поверхности ограждающей конструкции проектной толщиной h=60 мм из тяжелого бетона на известковом щебне ρ_с=2250 кг/м³; (ω=2%; D_bm=19,5 мм²/мин) для оценки огнестойкости ограждающей конструкции по критерию теплоизолирующей способности (J), где: h_min - минимальная толщина ограждающей конструкции, мм; t_cr - критическая температура нагрева необогреваемой поверхности ограждающей конструкции, °C; t_e - начальная температура тела плиты, °C; 1 - ограждающая конструкция; 2 - кривая распределения температуры по сечению плиты; t_in, °C - температура на необогреваемой поверхности; t_ex, °C - температура на обогреваемой поверхности; ν_ст, °C - температура среды стандартного пожара во времени (τ_ст, мин):

На фиг. 2 изображена расчетная схема прогрева ограждающей конструкции, где: h_min - минимальная толщина ограждающей конструкции, мм; ν_ст - температура среды стандартного пожара (°C) во времени, τ_ст, мин; t_ех и t_in - соответственно температура нагрева обогреваемой и необогреваемой поверхности ограждающей способности, °C; t_cr - критическая температура нагрева необогреваемой поверхности ограждающей конструкции, °C; t_e - начальная температура тела ограждающей конструкции, °C; 1 - ограждающая конструкция; 2 - кривая распределения температуры плиты.

На фиг. 3 показано измерение непрямолинейности поверхности ограждающей конструкции: а) волнистость; б) выпуклость; 3 - поверхность ограждающей конструкции; 4 - контрольная рейка; δ_z - наибольшее отклонение от прямолинейности конструкции, мм; h_min - минимальная толщина ограждающей конструкции, мм.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного выше технического результата. При осуществлении способа оценки огнестойкости ограждающей конструкции здания сначала проводят технический осмотр ограждающей конструкции. Назначают комплекс единичных показателей качества ограждающей конструкции, влияющих на ее фактическую огнестойкость. Выявляют расчетные сечения ограждающей конструкции. Затем оценивают единичные показатели качества материала конструкции, выявляют начальную температуру тела ограждающей конструкции, предельно допустимую степень нагрева необогреваемой поверхности, критическую температуру нагрева ее и по ним оценивают предел огнестойкости испытуемой конструкции по потере теплоизолирующей способности.

Под техническим осмотром понимают проверку состояния ограждающей конструкции, включающую выявление вида строительного материала, толщины расчетного сечения конструкции и определение дефектов поверхности ограждающей конструкции.

Схему обогрева поперечного сечения ограждающей конструкции в условиях пожара определяют в зависимости от фактического расположения частей здания, устройства подвесных потолков и укладки смежных конструкций.

К основным единичным показателям качества ограждающей конструкции, обеспечивающим проектную огнестойкость, относят: геометрические размеры балочной конструкции - высоту расчетного сечения; влажность и плотность строительного материала в естественных условиях и показатель термодиффузии.

Все отобранные для оценки огнестойкости ограждающие конструкции подвергают техническому осмотру, который состоит в проверке размеров конструкций и их сечений. После этого проводят тщательный осмотр поверхности конструкции для обнаружения трещин, раковин, отколов бетона и непрямолинейности поверхности.

Величину непрямолинейности (волнистости) поверхности ограждающей конструкции определяют измерением наибольшего зазора (δ_z, мм) между ребром металлической контрольной рейки длиной 1÷1,5 м и проверяемой поверхностью ограждающей конструкции (см. фиг 3, а), или измерением расстояний δ₁ и δ₂ от концов контрольной рейки, расположенной на вершине выпуклости до проверяемой поверхности ограждающей конструкции, которые будут равными (см. фиг. 3, б).

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

Показатель термодиффузии строительного материала ограждающей конструкции принимают по таблице 1.

Пример. Даны характеристики железобетонной балочной ребристой плиты: размеры в плане 1,4×6,0 м.; толщина h=60 мм.; тяжелый бетон D_bm=19,5 мм²/мин; начальная температура тела плиты: t_e=20°C; предельно допустимая (нормативная) степень нагрева необогреваемой поверхности t_u,in=140°C [4]. Требуется определить предел огнестойкости плиты.

Решение: 1) Критическую температуру нагрева необогреваемой поверхности определяют по условию (2):

t_cr=t_u,in+t_e=140+20=160°C

2) Предел огнестойкости железобетонной ребристой плиты по потере теплоизолирующей способности (J) вычисляют по уравнению (1):

Предложенный способ применен при натурном осмотре железобетонных конструкций покрытия складского блока площадью 2160 м² промышленного здания в г. Самаре.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

1. Способ оценки огнестойкости ограждающей конструкции здания по критерию теплоизолирующей способности, включающий проведение технического осмотра, установление геометрических размеров ограждающей конструкции в расчетном сечении, установление вида материала ограждающей конструкции и величину его теплотехнических характеристик; выявление схемы обогрева расчетного сечения, определение начальной температуры тела обогреваемой ограждающей конструкции и предельно допустимой температуры ее необогреваемой поверхности; установление критической температуры нагрева необогреваемой поверхности ограждающей конструкции при наступлении предела огнестойкости по признаку потери теплоизолирующей способности, отличающийся тем, что дополнительно определяют дефекты поверхности ограждающей конструкции, а фактический предел огнестойкости ограждающей конструкции по признаку потери теплоизолирующей способности (F_uτ, мин) определяют, используя аналитическое уравнение (1):

F_uτ=(t_cr/70)^1,85⋅(h_min/D_bm)²;

где t_cr - критическая температура нагрева необогреваемой поверхности ограждающей конструкции, °C; h_min - минимальная толщина ограждающей конструкции, мм; D_bm - показатель термодиффузии материала, мм²/мин.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что критическую температуру нагрева необогреваемой поверхности ограждающей конструкции (t_cr, °C) вычисляют по условию (2):

t_cr=t_u,in+t_e;

где t_u,in - предельно допустимая температура необогреваемой поверхности ограждающей конструкции до испытания, °C; t_e - начальная температура тела ограждающей конструкции, °C.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что повышение предельно допустимой температуры необогреваемой поверхности ограждающей конструкции (t_u,in, °C) принимают в среднем более чем на 140°C.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что повышение предельно допустимой температуры на необогреваемой поверхности ограждающей конструкции (t_u,in, °C) в любой точке необогреваемой поверхности принимают в среднем более чем на 180°C по сравнению с начальной температурой тела ограждающей конструкции до испытания (t_e, °C).

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что повышение предельно допустимой температуры на необогреваемой поверхности ограждающей конструкции (t_u,in, °C) в любой точке необогреваемой поверхности принимают в среднем более чем на 220°C независимо от степени нагрева температуры ограждающей конструкции до испытания (t_e °C).

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что показатель термодиффузии материала (D_вт, мм²/мин) ограждающей конструкции при осредненной температуре 450°C определяют по аналитическому уравнению (3):

где λ₀ и b - эмпирические числа для расчета коэффициента теплопроводности нагретого материала, Вт/(м⋅°C; C₀ и d - эмпирические числа для расчета удельной теплоемкости нагретого материала, кДж/(кг⋅°C); ρ_с - плотность сухого материала, кг/м³; ω - влажность материала массовая, %.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для оценки огнестойкости используют фрагмент поверхности ограждающей конструкции с размерами 1000×1000×h; здесь h - толщина ограждающей конструкции, мм.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что минимальную толщину (h_min, мм) ограждающей конструкции вычисляют (при δ_g≥δ_z) по условию (4):

h_min=h-δ_g;

при δ_z>δ_g, - по условию (5):

h_min=h-δ_z;

где h - проектная толщина ограждающей конструкции, мм; δ_g - допустимое отклонение от проектного размера (±5 мм); δ_z - отклонение от непрямолинейности поверхности ограждающей конструкции, мм.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определяют контрольные точки на необогреваемой поверхности, число контрольных точек принимают от 3 до 5, которые располагают: одну - в центре поверхности фрагмента конструкции, а другие - по диагонали квадрата на расстоянии (200÷250) мм от его центра.