Способ определения огнестойкости бетонных и железобетонных стен здания

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий. Сущность изобретения: испытание бетонных и железобетонных стен здания проводят без разрушения по комплексу единичных показателей качества, оценивая их величину с помощью статистического контроля. Для этого определяют геометрические размеры бетонных и железобетонных стен, схему обогрева опасных сечений в условиях пожара, степень армирования бетона стен и условий их крепления; плотность, влажность, теплопроводность и теплоемкость бетона в естественном состоянии и показатель тепловой диффузии бетона в условиях пожара; величину нормативных нагрузок на бетонные и железобетонные стены при огневом испытании; степень напряжения их опасных сечений. Предел огнестойкости бетонных и железобетонных стен определяют по полипараметрической зависимости. Технический результат - повышение достоверности определения и снижение экономических затрат. 15 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

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

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

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

Известен способ определения огнестойкости бетонных и железобетонных стен здания по результатам изучения последствий натурного пожара. Этот способ включает определение положения стен в здании, оценку состояния стен путем осмотра и измерения, изготовление контрольных образцов бетона и арматуры, определение времени наступления предельного состояния по потере несущей способности стены, 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 бетонных и железобетонных стен, 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 бетонных и железобетонных стен зданий по результатам натурных огневых испытаний фрагмента зданий, в котором производят осмотр стен, определяют влажность бетона, назначают статическую нагрузку на стены соответственно реальным условиям эксплуатации здания, определяют факторы, влияющие на огнестойкость испытуемых стен, 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 стен в условиях экспериментального пожара затруднено и небезопасно вследствие различий теплового режима опытного и стандартного пожаров затруднено определение истинных значений пределов огнестойкости стен, причины разрушения стен фрагмента могут быть не установлены вследствие многообразия одновременно действующих факторов пожара. Предельное состояние по огнестойкости бетонных и железобетонных стен может быть не достигнуто из-за более раннего разрушения перекрытия 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 бетонных и железобетонных стен здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление вида бетона и арматуры стен, выявление условия их опирания и крепления, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности стен 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 образцах стен, на которые 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 стен. 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 стен, не дают необходимой информации о влиянии единичных показателей качества бетонных и железобетонных стен на их огнестойкость. Определение огнестойкости железобетонных стен по единичному показателю качества, например, по толщине защитного слоя бетона, как правило, недооценивает пригодность к эксплуатации стен в здании заданной степени огнестойкости. Экономические затраты на проведение испытаний возрастают за счет расходов на демонтаж стен, 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 стен здания. Результаты огневого испытания единичны и не учитывают разнообразия в закреплении концов стен, их фактических размеров, фактического армирования и схемы обогрева опасного сечения испытуемой стены 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 бетонных и железобетонных стен в условиях пожара; в определении фактических пределов огнестойкости несущих и ненесущих стен при проектировании, строительстве и/или эксплуатации здания; в снижении экономических затрат при испытании стен на огнестойкость.

Технический результат - устранение огневых испытаний стен в здании или его фрагменте; снижение трудоемкости определения огнестойкости стен; расширение технологических возможностей определения фактической огнестойкости различно нагруженных стен любых размеров и возможность сопоставления полученных результатов с испытаниями аналогичных стен здания; возможность проведения испытания стен на огнестойкость без нарушения функционального процесса в здании; снижение экономических затрат на испытание; сохранение эксплуатационной пригодности здания при обследовании и неразрушающих испытаниях стен; упрощение условий и сокращение сроков испытания конструкций на огнестойкость; использование полипараметрической зависимости для определения огнестойкости стен; повышение точности и экспрессивности испытания; использование интегральных конструктивных параметров для определения огнестойкости стен и упрощение математического описания процесса термического сопротивления нагруженных стен; повышение достоверности результатов испытаний группы однотипных стен; учет реального ресурса стены по огнестойкости использованием комплекса единичных показателей их качеств; уточнение единичных показателей качества бетонных и железобетонных стен, влияющих на их огнестойкость и определение минимального числа испытаний; сокращение выборки испытуемых стен до минимального, обеспечивающей достаточную достоверность результатов испытаний; возможность определения гарантированного предела огнестойкости бетонных и железобетонных стен по конструктивным параметрам.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе определения огнестойкости бетонных и железобетонных стен здания путем испытания, включающем проведение технического осмотра, установление вида бетона и класса арматуры стен, выявление условий их опирания и крепления, определение времени наступления предельного состояния по потери целостности несущей и теплоизолирующей способности бетонных и железобетонных стен под нормативной нагрузкой в условиях стандартного теплового воздействия, особенность заключается в том, что испытание бетонных и железобетонных стен проводят без разрушения, используя комплекс единичных показателей качества бетонных и железобетонных стен, определяют число и места расположения участков, в которых определяют показатели качества, технический осмотр дополняют инструментальными измерениями геометрических размеров бетонных и железобетонных стен и их опасных сечений, устанавливают площади бетона и рабочей арматуры в опасных сечениях, выявляют условия обогрева их при пожаре, экспериментально определяют показатели теплопроводности, теплоемкости, плотности бетона и его влажности в естественном состоянии; определяют величину показателя тепловой диффузии бетона в условиях пожара, находят предельные сопротивления бетона и арматуры сжатию, степень армирования опасных сечений стен, устанавливают величину нормативной нагрузки на бетонные и железобетонные стены, а также величину интенсивности силовых напряжений в опасных сечениях, и, используя полученные интегральные теплофизические параметры стен:

m_о - коэффициент условий обогрева поперечного сечения стен (1-5);

k_o - коэффициент условий опирания стен (0,75÷1);

ϕ_b или ϕ - коэффициент продольного изгиба бетонной или железобетонной стены;

J_σo или J_σk - интенсивность силовых напряжений в опасной зоне бетонных или железобетонных стен (0÷0,95);

h - толщину стен, мм;

α_μs - степень усиления бетонного сечения стен продольной арматурой;

D_bm - показатель тепловой диффузии бетона, мм²/мин;

R_bn - нормативную прочность бетона сопротивлению на осевое сжатие, МПа, - вычисляют предел огнестойкости бетонных (при α_μs=0) и железобетонных стен по потере несущей способности F_u(R), мин по формуле (1):

предел огнестойкости бетонных и железобетонных стен по потере теплоизолирующей способности F_u(J), мин, вычисляют по формуле (2):

предел огнестойкости бетонных и железобетонных стен без проемов по потере целостности f_u(E), мин, в случае отсутствия хрупкого разрушения бетона при пожаре, вычисляют по формуле (3):

фактический предел огнестойкости бетонных и железобетонных стен по трем предельным состояниям f_u(REJ), мин, принимают по наименьшей из величин, вычисленных по формулам (1)÷(3).

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что величину коэффициента условий обогрева поперечного сечения стены (m_о) определяют по формуле (4):

где Р и Р_o - соответственно периметр поперечного сечения стены и часть периметра, обогреваемого при пожаре, мм.

Особенность предложенного способа заключается в том, что величину коэффициента условий платформенного опирания бетонных и железобетонных стен на жесткое основание принимают равным k_o=1; при опирании на упруго-пластическое основание по цементному раствору вычисляют по формуле (5):

где k_o - коэффициент условий опирания стен на упругопластическое основание (0,75÷0,85);

δ_шв - толщина растворного шва на стыке стен и основания (5÷20) мм.

Особенность предложенного способа заключается в том, что величину коэффициента продольного изгиба железобетонных стен определяют по формуле (6):

где ϕ - коэффициент продольного изгиба стен (при λ_h=10÷20);

λ_h - гибкость железобетонных стен, равная: λ_h=l_o/h;

l_о - расчетная высота стены, равная: l_о=μ_к·l;

μ_к - коэффициент закрепления концов стены (0,7÷1,2);

l - высота железобетонных стен, мм.

Особенность предложенного способа заключается в том, что величину коэффициента продольного изгиба бетонной стены определяют по формуле (7):

где ϕ_b - коэффициент продольного изгиба бетонных стен (при λ_b=10÷20);

λ_h - гибкость стены, равная: λ_h=(l_o/h).

Особенность предложенного способа заключается в том, что интенсивность силовых напряжений в бетоне в опасных сечениях стен (J_σo) от действия нормативной нагрузки при испытании на огнестойкость определяют из условия (8):

где N_ρн - нормативная нагрузка на стены при испытании, кН;

h и b - толщина и ширина опасного сечения стен, мм;

R_bn - нормативное сопротивление бетона осевому сжатию, МПа.

Особенность предложенного способа заключается в том, что степень усиления поперечного сечения железобетонных стен продольной арматурой (λ_μs) вычисляют по формуле (9):

где λ_μs - степень усиления сечения стены продольной арматурой;

μ - процент армирования сечения стены (μ=100·A_s/A), %;

R_sc - сопротивление продольной арматуры сжатию, МПа;

R_bn - нормативное сопротивление бетона сжатию, МПа.

Особенность предложенного способа заключается в том, что показатель тепловой диффузии бетона D_bm, мм²/мин, определяют экспериментально при средней температуре t_bm=450°С или находят из выражения (10):

где λ₀ и С_о - показатели теплопроводности (Вт/(м·°С)) и удельной теплоемкости бетона (кДж/(кг·°С)) при t_н=20°С;

ρ_c и ω - плотность бетона в сухом состоянии, кг/м³, и его влажность, % по массе.

Особенность предложенного способа заключается в том, что неразрушающие испытания проводят для группы однотипных бетонных и железобетонных стен, различия между прочностью бетона и текучестью рабочей арматуры которых обусловлены главным образом случайным фактором.

Особенность предложенного способа заключается в том, что за единичные показатели качества железобетонных стен, влияющих на предел огнестойкости, принимают: геометрические размеры опасного сечения, условия закрепления стен, прочность бетона на осевое сжатие, сопротивление арматуры сжатию, нормативную нагрузку при испытании на огнестойкость, коэффициент продольного изгиба стен, интенсивность силовых напряжений в опасных сечениях, теплопроводность и теплоемкость, влажность и плотность бетона в естественном состоянии, толщину защитного слоя, показатель тепловой диффузии бетона в условиях пожара.

Особенность предложенного способа заключается в том, что за единичные показатели качества бетонных стен, влияющих на предел огнестойкости, принимают: геометрические размеры опасного сечения, условия закрепления стен, прочность бетона на осевое сжатие, нормативную нагрузку при испытании на огнестойкость, коэффициент продольного изгиба стен, интенсивность силовых напряжений в опасных сечениях, теплопроводность и теплоемкость, влажность и плотность бетона в естественном состоянии, показатель тепловой диффузии бетона в условиях пожара.

Особенность предложенного способа заключается в том, что число испытаний n_ис единичного показателя качества бетонных и железобетонных стен, при вероятности результата 0,95 и точности 5%, принимают по формуле (11);

n_uc=0,15·υ²≥6,

где υ - выборочный коэффициент вариации результатов испытаний, %.

Особенность предложенного способа заключается в том, что условия обогрева поперечных сечений испытуемых бетонных и железобетонных стен при пожаре определяют в зависимости от фактического расположения частей здания.

Особенность предложенного способа заключается в том, что в случае, когда все единичные показатели качества бетонных и железобетонных стен, при М более 9 шт, находятся в контрольных пределах, минимальное целое число стен в выборке по плану сокращенных испытаний М_мин, шт, назначают из условия (12):

где М - число однотипных стен в здании, шт.

Особенность предложенного способа заключается в том, что в случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества бетонных и железобетонных стен выходит за границы контрольных пределов, минимальное число стен в выборке по норме вычисляют по формуле (13):

М_н=5+М^0,5≥8.

Особенность предложенного способа заключается в том, что в случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества бетонных и железобетонных стен выходит за границы допустимых пределов или М≤5 шт., неразрушающему испытанию подвергают все однотипные стены здания поштучно.

Условия обогрева сечений испытуемых бетонных и железобетонных стен при пожаре определяют в зависимости от фактического расположения частей здания.

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

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

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

Применение математического описания процесса сопротивления бетонных и железобетонных стен стандартному тепловому воздействию и использование полипараметрической зависимости повышает точность и экспрессивность оценки их огнестойкости.

Использование интегральных конструктивных параметров, как-то: степени напряжения арматуры и показателя тепловой диффузии бетона, - упрощает математическое описание процесса сопротивления нагруженных бетонных и железобетонных стен тепловому воздействию.

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

Уточнен комплекс единичных показателей качества бетонных и железобетонных стен, влияющих на их огнестойкость, определяемых неразрушающими испытаниями. Уточнено минимальное число неразрушающих испытаний единичного показателя качества стен.

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

На фиг.1 приведена условная полоса бетонной стены длиной l, мм, шириной b=1000 мм, нагруженной равномерно-распределенной нормативной нагрузкой N_н, кН/пог.м.

На фиг.2 приведено поперечное сечение 1-1 фиг.1 бетонной стены толщиной h, мм, схема обогрева поперечного сечения стены.

На фиг.3 приведено продольное сечение 2-2 фиг.1 бетонной стены толщиной h, мм, нагруженной нормативной нагрузкой N_н, кН/пог.м; схема обогрева продольного сечения бетонной стены.

На фиг.4 приведена условная полоса железобетонной стены длиной l, мм, шириной b=1000 мм, нагруженной равномерно-распределенной нормативной нагрузкой N_н, кН/пог.м.

На фиг.5 приведены поперечное сечение 1-1 фиг.4 железобетонной стены толщиной h, мм; схема обогрева сечения стены; армирование сечения железобетонной стены.

На фиг.6 приведены продольное сечение 2-2 фиг.4, схема обогрева сечения стены; армирование сечения железобетонной стены:

1 - стена здания;

2 - условная полоса b×l для оценки пределов огнестойкости стены здания (здесь b=1000 мм - расчетная ширина, l - высота стены, мм);

3 - поперечное сечение стены b×h (здесь b=1000 мм - расчетная ширина, h - толщина стены, мм);

4 - шов в месте опирания стены, δ_шв, мм;

5 - нормативная нагрузка по длине стены, N_н, кН/пог.м;

6 - обогреваемая поверхность стены в условиях пожара, t_ст, °С;

7 - необогреваемая поверхность стены, прогреваемая в условиях пожара до предельной температуры t_u=140°C;

8 - продольная арматура S_a в стене у необогреваемой поверхности;

9 - продольная арматура S_a ¹ в стене у обогреваемой поверхности;

10 - защитный слой бетона для продольной арматуры, мм.

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

Последовательность действия способа определения огнестойкости бетонных и железобетонных стен зданий состоит в следующем.

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

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

В процессе осмотра определяют группы однотипных стен. Под группой стен в здании понимают однотипные бетонные и железобетонные стены, изготовленные и возведенные в сходных технологических условиях и находящихся в подобных условиях эксплуатации.

Условия обогрева поперечных сечений бетонных и железобетонных стен в условиях пожара определяют в зависимости от фактического расположения элементов частей здания, устройства облицовок, укладки смежных конструкций, уменьшающих число сторон и периметра обогрева.

Минимальное целое число стен в выборке по плану нормальных или сокращенных испытаний назначают из условий (12 и 13).

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

М_н=5+М^0,5=5+120^0,5=16 шт,

по сокращенному плану М_мин=0,3·(15+М^0,5)=0,3·(15+120^0,5)=7,78≈8 шт.

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

Число и место расположения участков, в которых определяют показатели качества бетонных и железобетонных стен, определяют так. В несущих стенах, имеющих одно опасное сечение, участки располагают только в этом сечении. В стенах, имеющих несколько опасных сечений, испытуемые участки располагают равномерно по поверхности с обязательным расположением части участков в опасных сечениях.

К основным единичным показателям качества бетонных и железобетонных стен, обеспечивающих огнестойкость, относятся: геометрические размеры стен и минимальная толщина опасного сечения; глубина залегания, класс, диаметр и предел текучести арматуры; прочность бетона на сжатие, теплопроводность и теплоемкость, влажность и плотность его в естественных условиях; толщина защитного слоя и показатель тепловой диффузии бетона при пожаре.

Число испытаний единичного показателя качества бетонных и железобетонных стен, при вероятности результата, равном 0,95, и показателе точности 5%, определяют по формуле (11); при этом коэффициент вариации выборки υ=±100·σ/А; среднее арифметическое А=(l/n)·Σm_i, среднее квадратическое отклонение от среднего σ=±[(1/(n-1))·Σ(х_i)²]^0,5 средняя ошибка ΔА=±σ/(2·n)^0,5 (здесь m_i - результат i-го испытания; Σ(х_i)² - сумма квадратов всех отклонений от среднего).

Проверяемыми геометрическими размерами являются толщина стен и их высота в пределах этажа.

Опасные сечения бетонных и железобетонных стен назначают в местах наибольших моментов от действия нормативной нагрузки при испытании несущих конструкций на огнестойкость. Размеры бетонных и железобетонных стен проверяют с точностью ±1 мм; ширину трещин - с точностью до 0,05 мм.

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

Показатель тепловой диффузии бетона D_bm, мм²/мин, в условиях теплового воздействия определяют при средней температуре t_bm=450°C. Для расчета интегрального его параметра по формуле (10) определяют плотность и влажность бетона в естественном состоянии, а также показатели теплопроводности и теплоемкости бетона при 450°С (см. табл.1).

Таблица 1
Теплофизические характеристики строительных материалов
Материал	Плотность ρс, кг/м3	Влажность ω (%)	Параметры теплопроводности (Вт/м·°С) и теплоемкости материала (кДж/кг·°С)	Коэф-т диффузии тепла Dкm (мм2/мин)
λ0	b	C0	d
1	2	3	4	5	6	7	8
1 Гипсовая штукатурка	900	20	0,2	0,35	1	0,6	10,5
2 Керамзитобетон	750	6	0,18	0,08	0,92	0,48	12,1
3 Керамзитобетон	950	6	0,23	0,13	0,85	0,58	13,0
4 Перлитобетон	1090	3	0,3	0,011	0,85	0,6	13,2
5 Перлитобетон	1250	6	0,4	0,05	0,85	0,38	15,4
6 Тяжелый бетон на известняковом заполнителе	2250	3	1,15	-0,55	0,71	0,84	19,4
7 Тяжелый бетон на гранитном заполнителе	2400	3	1,2	-0,3	0,72	0,2	22,2
8 Мелкозернистый бетон	2000	3	1,16	0,62	0,75	0,7	35,6
9 Огнезащитное покрытие ОФП-ПМ	250	16,5	0,046	0,35	0,92	0,63	24,2
10 Сталь строительная	7800	-	65	-48	0,44	0,63	462,4

Здесь λ₀ и С₀ - соответственно значения теплопроводности, Вт/м·°С, и теплоемкости, кДж/кг·°С, строительных материалов при t_н=20°С;

b и d - соответственно термические коэффициенты теплопроводности и теплоемкости материалов, умноженные на 1000.

Используя полученные интегральные параметры m_о; k_o; ϕ; h, мм; α_μs; J_σo; D_bm, мм²/мин; R_bn, МПа, находят предел огнестойкости бетонных (при α_μs=0) и железобетонных стен здания f_u(R), мин, по полипараметрической зависимости (1).

Пример 2. Требуется вычислить предел огнестойкости железобетонной стены по потери целостности, несущей и теплоизолирующей способности F_u(REJ), мин, при одностороннем обогреве поперечного сечения.

Исходные данные:

толщина стены h=140 мм;

расчетная ширина стены b=1000 мм;

периметр поперечного сечения стены P=2·(h+b)=2·(140+1000)=2280 мм;

обогреваемая часть периметра сечения стены Р_о=b=1000 мм;

высота стены l=l_о=2700 мм;

платформенное опирание стены жесткое: k_o=1.

Нормативная нагрузка N_н=900 кН/пог.м (90 тс/пог.м).

Бетон тяжелый на гранитном заполнителе:

нормативная прочность бетона сжатию R_bn=17,5 МПа;

влажность бетона ω=3%;

плотность бетона γ_b=2400 кг/м³;

показатель тепловой диффузии бетона D_bm=21,54 мм²/мин (опыт).

Продольная арматура S_a-5⊘10 А300 (A-II, Ст.5):

площадь сечения S_a=S_a'=393 мм²≅4 см²;

расстояние между стержнями 240 мм;

защитной слой бетона 15 мм;

сопротивление арматуры сжатию R_sc,n=R_sc·γ_c=270·1,1=300 МПа.

Решение: 1) Усилие, воспринимаемое продольной арматурой, расположенной со стороны необогреваемой поверхности стены при пожаре N_s,in=S_a'·R_sc,n=4·300=1200 МПа·см²/пог.м=120 кН/пог.м (12 тс/пог.м).

2) Нормативная нагрузка на бетон в опасном сечении стены:

N_ρn=N_н-N_s,in=900-120=780 кН/пог.м (78 тс/пог.м).

3) Интенсивность силовых напряжений в бетоне стены вычислим по формуле (8):

J_σк=N_ρn/(b·h·R_bn)=780/(1·0,14·17,8)·1000=0,3.

4) При гибкости стены λ_h=l_o/h=2700/140=19,3 коэффициент продольного изгиба железобетонной стены вычислим по формуле (6):

ϕ=0,9-0,07·(1-(20-λ_h)/10)=0,9-0,07·(1-(20-19,3)/10)=0,84.

5) При (S_a+S_a'=8 см²; b×h=100·14 см) процент армирования поперечного сечения стены, μ=100·(S_a+S_a')/(b·h)=800/1400=0,57%, степень усиления бетонного сечения продольной арматурой вычислим по формуле (9):

a_μs=μ·R_sc/R_bn=0,57·300/17,5=9,8.

6) Коэффициент условий обогрева поперечного сечения стены при пожаре вычислим по формуле (4):

m_o=(P/P_o)^1,2=(2280/1000)^1,2=2,7.

7) Предел огнестойкости железобетонной стены толщиной 140 мм по потере несущей способности f_u(R), мин, вычислим по формуле (1):

8) Погрешность расчета ξ=100·(175-176)/175=0,6%.

9) Предел огнестойкости железобетонной стены по потере теплоизолирующей способности f_u(J), мин, при h=140 мм и D_bm=21,51 мм²/мин, вычислим по формуле (2):

F_u(J)=4,5·(h/D_bm)²=4,5·(140/21,51)²=190 мин.

10) Предел огнестойкости железобетонной стены по потере целостности F_u(E), мин, вычислим по формуле (3):

F_u(E)≅0,99·F_u(R)=0,99·176≅175 мин.

11) Фактический предел огнестойкости железобетонной стены по трем предельным состояниям (R;E;J) принимаем F_u(REJ)=175 мин (2,9 час).

Предложенный способ применен при натурном осмотре железобетонных стен складского блока площадью 2160 м² промышленного здания в г.Самаре. Результаты неразрушающих испытаний железобетонных стен: толщина 140 мм, высота 2,7 м, бетон тяжелый класса В 30, арматура 4⊘10 A300 (А-II) на 1 пог.м ширины стены, показали предел огнестойкости, равный 180 мин (3 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. 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.

5. СП 52-101-2003. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры. - М.: ГУП НИИЖБ ЦПП, 2004. - 53 с. (см. с.16).

1. Способ определения огнестойкости бетонных и железобетонных стен здания путем испытания, включающий проведение технического осмотра, установление вида бетона и класса арматуры стен, выявление условий их опирания и крепления, определение времени наступления предельного состояния по потери целостности, несущей и теплоизолирующей способности бетонных и железобетонных стен под нормативной нагрузкой в условиях стандартного теплового воздействия, отличающийся тем, что испытание бетонных и железобетонных стен проводят без разрушения, используя комплекс единичных показателей качества бетонных и железобетонных стен, определяют число и места расположения участков, в которых определяют показатели качества, технический осмотр дополняют инструментальными измерениями геометрических размеров бетонных и железобетонных стен и их опасных сечений, устанавливают площади бетона и рабочей арматуры в опасных сечениях, выявляют условия обогрева их при пожаре, экспериментально определяют показатели теплопроводности, теплоемкости, плотности бетона и его влажности в естественном состоянии; определяют величину показателя тепловой диффузии бетона в условиях пожара, находят предельные сопротивления бетона и арматуры сжатию, степень армирования опасных сечений стен, устанавливают величину нормативной нагрузки на бетонные и железобетонные стены, а также величину интенсивности силовых напряжений в опасных сечениях, и используя полученные интегральные теплофизические параметры стен:

m_о - коэффициент условий обогрева поперечного сечения стен (1÷5);

k_o - коэффициент условий опирания стен (0,75÷1);

ϕ_b или ϕ - коэффициент продольного изгиба бетонной или железобетонной стены;

J_σo или J_σk - интенсивность силовых напряжений в опасной зоне бетонных или железобетонных стен (0÷0,95);

h - толщину стен, мм;

α_μs - степень усиления бетонного сечения стен продольной арматурой;

D_bm - показатель тепловой диффузии бетона, мм²/мин;

R_bn - нормативную прочность бетона сопротивлению на осевое сжатие,

МПа - вычисляют предел огнестойкости бетонных (при α_μs=О) и железобетонных стен по потере несущей способности F_u(R), мин, по формуле (I)

;

предел огнестойкости бетонных и железобетонных стен по потере теплоизолирующей способности f_u(J), мин, вычисляют по формуле (2)

F_u(J)=4,5·(h/D_bm)²;

предел огнестойкости бетонных и железобетонных стен без проемов по потере целостности f_u(E), мин, в случае отсутствия хрупкого разрушения бетона при пожаре, вычисляют по формуле (3)

фактический предел огнестойкости бетонных и железобетонных стен по трем предельным состояниям f_u(REJ), мин, принимают по наименьшей из величин, вычисленных по формулам (1)÷(3).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину коэффициента условий обогрева поперечного сечения стены (m_о) определяют по формуле (4)

m_o=(Р/Р_о)^1,2,

где Р и Р_o - соответственно периметр поперечного сечения стены и часть периметра, обогреваемого при пожаре, мм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину коэффициента условий платформенного опирания бетонных и железобетонных стен на жесткое основание принимают равным k_o=1; при опирании на упругопластическое основание по цементному раствору вычисляют по формуле (5)

k_o=0,85-(δ_шв-5)/150,

где k_o - коэффициент условий опирания стен на упругопластическое основание (0,75÷0,85);

δ_шв - толщина растворного шва на стыке стен и основания (5÷20) мм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину коэффициента продольного изгиба железобетонных стен определяют по формуле (6).

ϕ=0,9-0,07·(1-(20-λ_h)/10),

где ϕ - коэффициент продольного изгиба стены (при λ_h=10÷20);

λ_h - гибкость железобетонных стен, равная: λ_h=l_o/h;

l_о - расчетная высота стен, равная: l_о=μ_к·1;

μ_к - коэффициент закрепления концов стен (0,7÷1,2);

l - высота железобетонных стен, мм.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину коэффициента продольного изгиба бетонных стен определяют по формуле (7)

ϕ_b=0,9-0,05·(1-(20-λ_h)/10),

где ϕ_b - коэффициент продольного изгиба бетонных стен (при λ_h= 10÷20);

λ_h - гибкость стены, равная λ_h=(l_o/h).

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что интенсивность силовых напряжений в бетоне в опасных сечениях стен (J_σo) от действия нормативной нагрузки при испытании на огнестойкость определяют из условия (8)

J_σo=N_ρн/(b·h·R_bn),

где N_ρн - нормативная нагрузка на стены при испытании, кН;

h и b - толщина и ширина опасного сечения стен, мм;

R_bn - нормативное сопротивление бетона осевому сжатию, МПа.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что степень усиления поперечного сечения железобетонных стен продольной арматуры (λ_μs) вычисляют по формуле (9)

λ_μs=μ·R_sc/R_bn,

λ_μs - степень усиления сечения стены продольной арматурой;

μ - процент армирования сечения стены (μ=100·A_s/A), %;

R_sc - сопротивление продольной арматуры сжатию, МПа;

R_bn - нормативное сопротивление бетона сжатию, МПа.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что показатель тепловой диффузии бетона D_bm, мм²/мин, определяют экспериментально при средней температуре t_bm=450°C или находят из выражения (10)

где λ₀ и С_о - показатели теплопроводности (Вт/(м·°С)) и удельной теплоемкости бетона (кДж/(кг·°С)) при t_н=20°C;

ρ_c и ω - плотность бетона в сухом состоянии, кг/м³, и его влажность, % по массе.

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

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что за единичные показатели качества железобетонных стен, влияющих на предел огнестойкости, принимают геометрические размеры опасного сечения, условия закрепления стен, прочность бетона на осевое сжатие, сопротивление арматуры сжатию, нормативную нагрузку при испытании на огнестойкость, коэффициент продольного изгиба стен, интенсивность силовых напряжений в опасных сечениях, теплопроводность и теплоемкость, влажность и плотность бетона в естественном состоянии, толщину защитного слоя, показатель тепловой диффузии бетона в условиях пожара.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что за единичные показатели качества бетонных стен, влияющих на предел огнестойкости принимают геометрические размеры опасного сечения, условия закрепления стен, прочность бетона на осевое сжатие, нормативную нагрузку при испытании на огнестойкость, коэффициент продольного изгиба стен, интенсивность силовых напряжений в опасных сечениях, теплопроводность и теплоемкость, влажность и плотность бетона в естественном состоянии, показатель тепловой диффузии бетона в условиях пожара.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что число испытаний n_ис единичного показателя качества бетонных и железобетонных стен, при вероятности результата 0,95 и точности 5%, принимают по формуле (11)

n_ис=0,15·υ²≥6,

где υ - выборочный коэффициент вариации результатов испытаний, %.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что условия обогрева поперечных сечений испытуемых бетонных и железобетонных стен в условиях пожара определяют в зависимости от фактического расположения частей здания.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае, когда все единичные показатели качества бетонных и железобетонных стен при М более 9 шт находятся в контрольных пределах, минимальное целое число стен в выборке по плану сокращенных испытаний М_мин, шт, назначают из условия (12)

М_мин=0,3·(15+М^0,5)≥5,

где М - число однотипных стен в здании, шт.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества бетонных и железобетонных стен выходит за границы контрольных пределов, минимальное число стен в выборке по норме вычисляют по формуле (13)

М_н=5+М^0,5≥8.

16. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества бетонных и железобетонных стен выходит за границы допустимых пределов или М≤5 шт., неразрушающему испытанию подвергают все однотипные стены здания поштучно.