Способ исключения возможности обрушения металлических конструкций каркаса от пожара
Владельцы патента RU 2411330:
Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования Пензенский государственный университет архитектуры и строительства (RU)
Изобретение относится к области строительства, в частности к способу исключения возможности обрушения металлических конструкций каркаса от пожара. Технический результат заключается в исключении возможности обрушения металлических конструкций каркаса от пожара, повышении их огнестойкости и прочности. Способ заключается в том, что монтируют колонны и соединяют их ригелем покрытия. Располагают фонарь над центральной колонной и перекрывают его двухконсольной балкой. Колонны, ригель и балку выполняют из овальных в сечении труб. Устанавливают подкрановые балки из овальных профилей. В овальные трубчатые профили вводят пустотообразователи и напрягают их изнутри. Присоединяют к патрубкам профилей шланги бетононасосов и закачивают в профили самонапрягающийся при расширении бетон. После схватывания и самонапряжения элементов каркаса понижают до нуля внутреннее давление в пустотообразователях и извлекают их. Оснащают сооружение температурными датчиками и системой труб для подачи воды и разбрызгивания ее внутри профилей. В случае возникновения пожара по сигналу от датчиков температуры автоматически включают разбрызгивание воды внутри профилей и сток ее вниз по профилям. Охлаждают изнутри трубчатые профили испарением воды, исключают этим повышение температуры металла каркаса выше 12…130° по Цельсию. 4 ил.
Предлагаемое изобретение относится к повышению огнестойкости металлических конструкций каркаса зданий.
Известны многопролетные каркасы со ступенчатыми колоннами и фонарями, предназначенные для аэрации и освещения [1, с.13, рис.1.14].
Недостатки известного решения следующие:
- Низкая огнестойкость каркасов зданий, так как ригели каркаса чаще всего выполняют решетчатыми в виде ферм.
- Обрушение каркаса здания происходит в 45…50% случаев из-за обрушения решетчатых ферм покрытия [2, с.198], [3, с.5, рис.1], [4, с.113, рис.58], поэтому надежность каркасов зданий с решетчатыми ригелями низкая.
- Сложность узлов сопряжения конструкций, вызывающая избыточную трудоемкость, и исключающая безвыверочный монтаж конструкций с первой попытки.
Известны также технические решения управления осадкой и креном фундаментов, являющихся макрорегуляторами [5], [6], [7], [8], [9], обеспечивающие восстановление проектного положения фундаментов и сооружений после неравномерных осадок и ликвидации крена.
В качестве наиболее близкого прототипа примем «Способ управления напряженным состоянием рамы двухпролетного здания фундаментами с реактивными двигателями», предложенный Неждановым К.К. и разработанный с аспирантами [9, патент №2319811].
Известно также, что при нагревании сталь теряет свою прочность. При повышении температуры до ≈600°С [1, с.22] сталь переходит в пластичное состояние, и происходит обрушение стальных конструкций. Однако сталь начинает терять прочность только при температуре ≈200°С. Алюминиевые сплавы полностью переходят в пластичное состояние при температуре 200°С, поэтому их огнестойкость значительно ниже, чем у стальных конструкций.
Ужасное обрушение стальных конструкций произошло при террористическом акте в США 11 сентября 2001 г. Высотные здания обрушились в результате сильнейшего нагрева стальных колонн и потери ими несущей способности. Если бы была запроектирована система охлаждения колонн, автоматически включающаяся при пожаре, то обрушения не возникло бы, и не погибли бы люди!
В Пензе в январе 2008 возник пожар в Пензенском драматическом театре. Из-за низкой огнестойкости стальных ферм произошло очень быстро обрушение покрытия, и пожарники не смогли его предотвратить!
Известно также, что при нагреве до температуры 100°С начинается кипение воды и интенсивное испарение, сопровождающееся значительным забором тепла! Используем это замечательное свойство для исключения возможности обрушения металлических конструкций. Для использования этого свойства удобно применять замкнутые трубчатые конструкции, как в прототипе, и охлаждать их изнутри испарением воды при нагреве их снаружи открытым огнем. Используем эти известные технические решения и свойства кипящей воды.
Технические задачи изобретения - исключение возможности обрушения трубчатых металлических конструкций каркаса от пожара охлаждением их изнутри испарением воды, которое останавливает повышение температуры на отметке кипения воды 100°С.
Способ исключения возможности обрушения металлических конструкций от пожара, повышения несущей способности металлического каркаса сооружения заключается в следующем.
Безвыверочным способом монтируют центральную и крайние ступенчатые колонны, соединяют их друг с другом ригелем покрытия, с образованием трехпролетной конструкции. Располагают фонарь над центральной колонной, перекрывают его двухконсольной балкой, соединяют консоли двухконсольной балки с нижележащим ригелем вертикальными подвесками и наклонными растянутыми раскосами.
Колонны, ригель и балку фонаря выполняют из овальных в сечении труб с отношением большего габарита к меньшему габариту, равным трем, подкрановые балки, также из овальных профилей, устанавливают на консоли центральной колонны с минимальным эксцентриситетом, а на крайних колоннах - по центру тяжести сечения колонн. Фундаменты колонн каркаса выполняют с реактивными соплами и заполняют их сыпучим рабочим телом.
Отличие заключается в том, что в овальные трубчатые профили вводят пустотообразователи, фиксируют их по центру овального профиля, напрягают пустотообразователи изнутри, например, гидравлическим или пневматическим способом.
Присоединяют к патрубкам овальных профилей шланги бетононасосов, закачивают в овальные профили способом «снизу вверх» пластичный мелкозернистый самонапрягающийся при расширении бетон, и повышают этим огнестойкость и прочность каркаса.
После схватывания и самонапряжения трубобетонных элементов каркаса снимают внутреннее давление в пустотообразователях, извлекают их, оснащают сооружение температурными датчиками и системой труб для подачи воды и разбрызгивания ее внутри овальных трубчатых профилей каркаса.
В случае возникновения пожара по сигналу от датчиков температуры автоматически включают разбрызгивание воды внутри овальных трубчатых профилей каркаса и сток ее вниз по трубчатым профилям, охлаждают изнутри трубчатые профили каркаса испарением воды, исключают этим повышение температуры металла каркаса выше 120…130° по Цельсию и исключают этим возможность обрушения металлических конструкций сооружения от пожара.
На фиг.1 показана рама сооружения; на фиг.2 - узел А; на фиг.3 - узел Б; на фиг.4 - узел В.
Рама здания содержит две ступенчатые крайние колонны 1 и ступенчатую центральную колонну 2. Колонны выполнены из овальных в сечении труб. Ригель 3 соединен со всеми колоннами. Над центральной колонной 2 помещен фонарь 4, выполняющий светоаэрационные функции.
Нижняя часть крайних колонн 1 наклонена под расчетным углом α к вертикали.
Верхняя часть крайней колонны 1 смещена наружу для обеспечения зазора между ее гранью и боковой поверхностью мостового крана. Подкрановые балки 5 установлены над центром тяжести нижней части крайней колонны 1, то есть без эксцентриситета.
Центральная колонна 2 доведена до двухконсольной балки фонаря. Оголовки ветвей центральной колонны 2 из овальных профилей соединены с ригелем 3 также из овального профиля. Концы двухконсольной балки фонаря 4 соединены с нижележащим ригелем 3 вертикальными подвесками 7 и наклонными растянутыми раскосами 8.
Подкрановые балки 6 из овальных профилей установлены на консолях центральной колонны 2 с минимальным эксцентриситетом, то есть так, чтобы между выступающей в сторону центральной колонны боковой гранью крана и этой колонной был обеспечен минимально допустимый зазор.
Угол α наклона нижней части крайней колонны относительно вертикали определяют расчетом. Угол α назначен таким, чтобы величины изгибающих моментов, возникающих в узлах сопряжения крайних колонн с фундаментами, стали минимальными, а следовательно, и усилия в анкерных болтах стали минимальными.
Монтируют безвыверочным способом [9] центральную колонну 2 и крайние колонны 1 и соединяют их с ригелем 3. Соединяют концы двухконсольной балки фонаря подвесками 7 с нижележащим ригелем каркаса и растянутыми раскосами 8. Соединяют верхнюю часть центральной колонны 2 с этим же ригелем. Этим жесткость и прочность средней части ригеля 3 повышена.
Рассчитывают ригель с малым центральным пролетом, в три-пять раз более жестким, чем жесткость крайнего пролета его.
Всю систему каркаса напрягают реактивной тягой двигателей фундаментов, увеличивают опорные моменты в ригеле над ветвями центральной колонны и уменьшают пролетные моменты в его крайних пролетах. Этим создают благоприятное напряженное состояние, компенсирующее избыточные напряжения от внешней нагрузки, и этим обеспечивают снижение материалоемкости ригеля и каркаса сооружения.
Способ исключения возможности обрушения конструкций каркаса от пожара заключается в следующем.
Оснащают сооружение температурными датчиками и системой труб для подачи воды в полости овальных трубчатых профилей и разбрызгивания ее внутри полости. В случае возникновения пожара, автоматически, посредством датчиков температуры, включают подачу воды в систему труб. Разбрызгивают воду внутри полостей овальных трубчатых профилей ригелей, в наивысшей точке конструкции. Под действием сил гравитации в соответствии с уклонами заставляют воду течь по полостям ригелей, стекать в полости колонн и вытекать из колонн через отверстия вблизи пола сооружения.
Горячие стальные конструкции нагревают воду до 100° по Цельсию. Вода отбирает тепло у стальных конструкций, начинает испаряться и этим охлаждать изнутри овальные трубчатые профили, предотвращая повышение температуры металла выше 120…130° по Цельсию, и этим исключают возможность обрушения металлических конструкций каркаса сооружения.
Сопоставление с аналогом показывает следующие существенные технические отличия:
- Испарением воды охлаждают металлические конструкции изнутри и исключают возможность их обрушения. Испарением воды ограничивают повышение температуры каркаса и не допускают ее повышение выше 100…120°С.
- Реактивные двигатели фундаментов создают реактивную тягу вверх и возвращают каркас в проектное положение.
- Сыпучее рабочее тело внедряют в сопла фундаментов центральных колонн грунтонасосами [8], создают реактивную тягу, выдавливают фундаменты-макрорегуляторы вверх на расчетную величину Δ и поворачивают их в грунте на проектный угол.
- Реактивные двигатели фундаментов осуществляют предварительное напряжение всей системы каркаса.
- Фонари помещены над центральной колонной и усиливают ригель покрытия. Это позволяет включать металл конструкций фонаря в эффективную работу каркаса здания как единого целого.
- Разработанная система каркаса с регулируемыми внутренними усилиями обеспечивает снижение материалоемкости на 10…12%.
Экономический эффект возник из-за следующего:
- Исключена возможность обрушения металлических конструкций каркаса охлаждением их изнутри испарением воды. Повышение температуры каркаса останавливают испарением воды при нагреве до 100…120°С.
- Повышена надежность всего каркаса, так как он выполнен из овальных трубобетонных элементов.
- Реактивные двигатели фундаментов регулируют напряжения в системе каркаса и этим оптимизируют его напряженно-деформированное состояние и обеспечивают выгодную работу каркаса и ригеля, усиленного двухконсольной балкой фонаря.
Литература
1. Металлические конструкции. Общий курс: Учебник для вузов / Е.И.Беленя и др. Ред. Е.И.Беленя. - 6-е изд., переработанное и доп. - М.: «Стройиздат», 1986 г - 560 с.
2. Беляев Б.И., B.C.Корниенко «Причины аварий стальных конструкций и способы их устранениям. - М.: «Издательство литературы по строительству», 1968 г.
3. М.М.Сахновский, A.M.Титов «Уроки аварий стальных конструкций». - Киев: «Издательство Будивельник, 1969 г.
4. А.Н.Шкинев «Аварии на строительных объектах, их причины и способы предупреждения и ликвидации».
5. Нежданов К.К. и др. Патент России №2230157 «Способ управления осадкой осевшего фундамента», Бюл. №16, 10.06.2004.
6. Нежданов К.К. и др. Патент России №2211288 «Способ управления креном и осадкой массивного сооружения», Бюл. №24, 27.08.2003.
7. Нежданов К.К. и др. Патент России №2225480 «Фундамент для внецентренно нагруженной колонны», Бюл. №7, 10.03.2004.
8. Нежданов К.К. и др. Патент России №2228408 «Грунтонасос», Бюл. №13, 10.05.2004.
9. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Либаров А.В. «Способ управления напряженным состоянием рамы двухпролетного здания фундаментами с реактивными двигателями», патент России №2319811, 2008-03-20. Бюл. №8 (прототип).
10. Нежданов К.К., Туманов В.А., Нежданов А.К., Рубликов С.Г. Способ повышения несущей способности цилиндрической трубы на изгиб. Патент №2304479. М.Кл. B21D 9/00 (2006.01), В66С 7/00. Опубликовано 20.08.2007.
11. Нежданов К.К. и др. Патент России №2192381 «Рельсобалочная конструкция, Бюл. №31, 10.11.2002.
12. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Бороздин А.Ю. «Способ управления движением фундамента реактивными двигателями». Патент России №2319812. EC2D 35/00 (2006.01). Заявка №2005 116385/03 (018711).
13. «Большой энциклопедический словарь». Главный редактор A.M.Прохоров, изд. переработанное и доп. - М.: Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 1998 г.
Способ исключения возможности обрушения металлических конструкций от пожара, заключающийся в том, что безвыверочным способом монтируют центральную и крайние ступенчатые колонны, соединяют их друг с другом ригелем покрытия с образованием трехпролетной конструкции, располагают фонарь над центральной колонной, перекрывают его двухконсольной балкой, соединяют консоли двухконсольной балки с нижележащим ригелем вертикальными подвесками и наклонными растянутыми раскосами, причем колонны, ригель и балку фонаря выполняют из овальных в сечении труб с отношением большего габарита к меньшему габариту равном трем, подкрановые балки, также из овальных профилей, устанавливают на консоли центральной колонны с минимальным эксцентриситетом, а на крайних колоннах - по центру тяжести сечения колонн, фундаменты колонн каркаса выполняют с реактивными соплами и заполняют их сыпучим рабочим телом, отличающийся тем, что в овальные трубчатые профили вводят пустотообразователи, фиксируют их по центру овального профиля, напрягают пустотообразователи изнутри, например, гидравлическим или пневматическим способом, присоединяют к патрубкам овальных профилей шланги бетононасосов, закачивают в овальные профили способом «снизу вверх» пластичный мелкозернистый самонапрягающийся при расширении бетон и повышают этим огнестойкость и прочность каркаса, а после схватывания и самонапряжения трубобетонных элементов каркаса понижают до нуля внутреннее давление в пустотообразователях, извлекают их, оснащают сооружение температурными датчиками и системой труб для подачи воды и разбрызгивания ее внутри овальных трубчатых профилей каркаса, и в случае возникновения пожара по сигналу от датчиков температуры автоматически включают разбрызгивание воды внутри овальных трубчатых профилей каркаса и сток ее вниз по трубчатым профилям, охлаждают изнутри трубчатые профили каркаса испарением воды, исключают этим повышение температуры металла каркаса выше 120…130°С и исключают этим возможность обрушения металлических конструкций сооружения от пожара.
