Способ оценки пожароустойчивости деревянного изгибаемого элемента
Владельцы патента RU 2698572:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий. Предложен способ определения временного показателя пожароустойчивости изгибаемого элемента под испытательной нагрузкой в условиях стандартного теплового воздействия. Для этого неразрушающими испытаниями производят поверку единичных показателей качества изгибаемого элемента, затем измеряют опасное сечение, выявляют форму изгибаемого элемента, породу и сорт древесины, схему обогрева опасного сечения при пожаре. Устанавливают предельную глубину обгорания поперечного сечения изгибаемого элемента и, используя полученные показатели качества элемента, вычисляют величину временного показателя пожароустойчивости изгибаемого элемента. Описание процесса сопротивления изгибаемого элемента представлено аналитической зависимостью, которая учитывает размеры и геометрические характеристики поперечного сечения, величины погонной испытательной нагрузки на изгибаемый элемент, расчетную длину пролета изгибаемого элемента, нормативное сопротивление древесины на изгибаемый уровень ответственности конструкции здания; предельную глубину обгорания сечения элемента. Технический результат - исключение огневых испытаний деревянных изгибаемых элементов в здании, расширение технологических возможностей оценки пожароустойчивости различно нагруженных изгибаемых элементов любых размеров, возможность проведения испытания деревянных конструкций на пожароустойчивость без их разрушения и без нарушения функционального процесса в здании. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий. В частности, оно может быть использовано для классификации деревянных конструкций зданий по показателю сопротивления их воздействию пожара. Это дает возможность обоснованного использования существующих или проектируемых изгибаемых конструкций с временным показателем пожароустойчивости в зданиях различных классов функциональной пожароопасности по назначению.
Известен способ оценки пожароустойчивости деревянного изгибаемого элемента по результатам обобщения экспериментальных огневых испытаний. Этот способ включает определение положения изгибаемого элемента в здании и оценку предела пожароустойчивости некоторых видов балок в зависимости от размеров поперечного сечения и нанесенного слоя штукатурки /Пособие по определению пределов огнестойкости конструкций, пределов распространения огня по конструкциям и группы возгораемости материалов/ ЦНИИСК им. Кучеренко. - М: Стройиздат, 1985. - С. 28-31 (Несущие деревянные конструкции) / [1].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе не указано место разрушения изгибаемого элемента (опасные сечения) в условиях пожара, не учтены вид напряженного состояния, уровень нагружения и их влияние на величину временного показателя пожароустойчивости изгибаемых элементов.
Кроме этого в алгоритм расчета показателя пожароустойчивости деревянной конструкции заложена весьма приближенная величина средней скорости обгорания элементов деревянных конструкций, которая не учитывает показатели качества древесины (см. п. 2.37 [1]).
Известен способ оценки пожароустойчивости деревянного изгибаемого элемента путем усовершенствованного расчета его фактической огнестойкости методом последовательных приближений.
При известном способе оценки огнестойкости изгибаемого элемента его нагрев производят по режиму стандартного огневого испытания, упругие и теплофизические характеристики древесины во всех точках не обугленной части сечения принимают одинаковыми. Предел огнестойкости изгибаемого элемента из условия потери несущей способности при пожаре определяют, как сумму времени воспламенения древесины и времени обугливания поперечного сечения до наступления предельного состояния элемента. Изменение геометрических характеристик обгорающих сечений изгибаемых элементов учитывают поправочными коэффициентами в зависимости от отношения глубины обугливания древесины и ширины сечения деревянного элемента. Скорость обугливания древесины принимают постоянной, равной от 0,6 до 1 мм/мин. Время от начала огневого воздействия до воспламенения деревянного элемента принято в зависимости от способов огнезащиты древесины. /Мосалков И.Л., Плюсина Г.Ф., Фролов А.Ю. Огнестойкость строительных конструкций. - М.: Спецтехника, 2001. - С. 201-236 (Расчет предела огнестойкости элементов деревянных конструкций)/ [2].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, является то, что в известном способе оценки пожароустойчивости деревянного изгибаемого элемента используют весьма громоздкий алгоритм расчета геометрических характеристик их поперечных сечений. Скорость обугливания изгибаемого элемента принимают приближенно, без учета влияния на величину показателей качеств древесины, т.е. ее прочности, плотности и влажности.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ оценки пожароустойчивости деревянного элемента без его разрушения, включающего проведение технического осмотра, выявление условий опирания элементов, их крепления и величины внешней нагрузки, измерение геометрических характеристик деревянного элемента, определение породы и сорта древесины, проведение испытания с применением существующих приборов, включающего поверку единичных показателей качества элемента деревянной конструкции: геометрические размеры сечения элемента, плотность и влажность древесины, нормативное сопротивление древесины по прочности, интегральный показатель обгорания сечения элемента, предельную глубину обугливания древесины, время воспламенения древесины испытываемой конструкции /Патент №2 275 622 RU, МПК G01N 25/00 Способ определения пожарной устойчивости сжатых элементов деревянных конструкций здания / Ильин Н.А., Комов Е.М., Ильина В.Н. и др., заяв., СГАСУ: 06.09.04, опубл. 27.04.06. Бюл. №12 [3] - 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 не на изгибаемом, а на сжатом элементе деревянной конструкции, на который воздействуют только постоянные и длительные нагрузки в их расчетных значениях с коэффициентом надежности равным единице, то есть проектные нормативные нагрузки.
Результаты испытания приведены в виде громоздкой номограммы, которая не учитывают разнообразие закрепления концов конструкций, их фактических размеров и схемы обогрева опасного сечения испытуемой конструкции в условиях пожара. Экономические затраты на проведение испытаний возрастают за счет большой работы для определения временного показателя пожароустойчивости элемента деревянной конструкции.
Сущность изобретения состоит в усовершенствовании способа определения показателей пожарной безопасности здания вследствие более достоверного выявления величины временного показателя пожароустойчивости деревянного изгибаемого элемента; в снижении экономических затрат при испытании деревянных конструкций на пожароустойчивость.
Технический результат - снижение трудоемкости при оценке пожароустойчивости деревянного изгибаемого элемента; расширение технологических возможностей оценки фактической пожароустойчивости различно нагруженных деревянных изгибаемых элементов любых размеров и возможность сопоставления полученных результатов с испытаниями аналогичных деревянных изгибаемых элементов; испытание деревянного изгибаемого элемента на пожароустойчивость без нарушения функционального процесса в здании; снижение экономических затрат на испытание; сохранение эксплуатационной пригодности здания при обследовании и испытании изгибаемого элемента; упрощение условий и сокращение сроков испытания изгибаемого элемента на пожароустойчивость; повышение точности и оперативности испытания.
Указанный технический результат при использовании изобретения достигается тем, что в известном способе оценки пожароустойчивости деревянного элемента конструкции здания, включающем проведение технического осмотра, выявление условий опирания элемента, его крепления и величины внешней нагрузки, измерение геометрических характеристик элемента, определение породы и сорта древесины, проведение испытания элемента не нарушающего его эксплуатационной пригодности, с применением существующих приборов, поверку единичных показателей качества элемента: геометрические размеры сечения элемента, плотность и влажность древесины, нормативное сопротивление древесины по прочности, интегральный показатель обгорания сечения элемента, предельную глубину обгорания древесины, время воспламенения древесины испытываемого элемента, особенностью является то, что проводят оценку пожароустойчивости деревянного изгибаемого элемента, а при техническом осмотре дополнительно устанавливают: показатель положения обогреваемой грани изгибаемого элемента в пространстве здания, протяженность расчетного пролета изгибаемого элемента, фактические размеры ширины и высоты сечения изгибаемого элемента, величину погонной испытательной нагрузки, величину условного сопротивления древесины на изгиб, предельную глубину обгорания сечения изгибаемого элемента и предел его огнестойкости; затем определяют величину временного показателя пожароустойчивости изгибаемого элемента (Dиз мин), используя аналитическое уравнение (1):
где В и Н - ширина и высота сечения изгибаемого элемента, см; g0 - погонная испытательная нагрузка на изгибаемый элемент, кН/пог.м; L0 - расчетный пролет изгибаемого элемента, см; Rус - условное сопротивление древесины на изгиб, МПа; С - интегральный показатель обгорания сечения изгибаемого элемента; ψ0 - показатель положения обогреваемой грани изгибаемого элемента в пространстве здания - (1÷1,33); ρ - плотность сухой древесины, г/см3; τив - время воспламенения древесины изгибаемого элемента, мин.; е=2,72 - основание натурального логарифма.
Погонную испытательную нагрузку на изгибаемый элемент (g0, KH/пог.м.) определяют по уравнению (2):
где ρсв и ρдл.н - соответственно нормативная нагрузка от собственного веса конструкций и временная длительная нагрузка на перекрытие, кН/пог.м.
Условное сопротивление древесины на изгиб при оценке временного показателя пожароустойчивости изгибаемого элемента (Rус, МПа) определяют по уравнению (3):
где γн - коэффициент надежности конструкции здания соответствующего уровня ответственности: повышенный - γн=1,1; нормальный - γн=1,0; пониженный - γн=0,8; 
- нормативное сопротивление древесины на изгиб, МПа.
Предельную глубину обгорания сечения изгибаемого элемента Scτ, см, вычисляют, используя аналитическое уравнение (4):
где В и Н - ширина и высота сечения изгибаемого элемента, см; g0 - погонная испытательная нагрузка на изгибаемый элемент, кН/пог.м; L0 - расчетный пролет изгибаемого элемента, см; Ryc - условное сопротивление древесины на изгиб, МПа.
Интегральный показатель обгорания сечения изгибаемого элемента (С) вычисляют, используя аналитическое уравнение (5):
где Ryc - условное сопротивление древесины на изгиб, МПа; ω - влажность древесины, %; Scτ - предельная глубина обгорания сечения изгибаемого элемента, см; В - ширина сечения изгибаемого элемента, см.
Расчетный пролет изгибаемого элемента (L0, м) определяют по уравнению (6)
где L - длина изгибаемого элемента, м; 
- длина опорной части элемента, м.
Предел огнестойкости изгибаемого элемента без огнезащиты (Fτ, мин) принимают равным длительности испытания от начала огневого воздействия до времени начала воспламенения древесины изгибаемого элемента, (τив, мин), то есть:
Fτ=τив
где τив - время начала воспламенения древесины элемента, мин.
Предел огнестойкости изгибаемого элемента (Fτ, мин) с конструктивной огнезащитой, при условии τив≥15 мин, - принимают не менее Fτ≥15 мин. и относят к мало пожароопасному классу - К2.
Предел огнестойкости изгибаемого элемента с химической огнезащитой, пропитанного антипиреном, (Fτ, мин) принимают равным нулю, т.е. Fτ=0 и относят к умеренно пожароопасному классу - К2.
Изгибаемый элемент без огнезащиты относят к пожароопасному классу - К3.
Особенностью предложенного способа является то, что за единичные показатели качества изгибаемого элемента, которые влияют на временной показатель пожароустойчивости, принимают геометрические размеры изгибаемого элемента; плотность и влажность древесины в естественном состоянии, нормативное сопротивление древесины на изгиб, предельную глубину обгорания сечения сжатого элемента.
Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом заключена в следующем.
Исключение огневого испытания изгибаемого элемента здания и замена его на неразрушающие испытания снижает трудоемкость оценки временного показателя его пожароустойчивости, расширяет технологические возможности выявления временного показателя пожароустойчивости различно нагруженных изгибаемых элементов любых размеров, дает возможность проведения испытания изгибаемых элементов на пожароустойчивость без его разрушения и без нарушения функционального процесса обследуемого здания, а также возможность сопоставления полученных результатов со стандартными испытаниями аналогичных изгибаемых элементов деревянных конструкций и сохранения эксплуатационной пригодности обследуемого здания без нарушения несущей способности его изгибаемых элементов в процессе испытания. Следовательно, условия неразрушающего испытания изгибаемых элементов на пожароустойчивость значительно упрощены. Снижение экономических затрат на проведение испытания предусматривают за счет уменьшения расходов на демонтаж, транспортирование и огневые испытания изгибаемых элементов.
Применение математического описания процесса сопротивления изгибаемого элемента стандартному тепловому воздействию и использование построенного аналитического уравнения повышает точность и оперативность оценки его пожароустойчивости. Применение аналитического уравнения удобно вследствие ее простоты, наглядности, возможности составления программ расчета пожароустойчивости изгибаемого элемента на ЭВМ.
Оценка пожароустойчивости изгибаемого элемента только по одному показателю качества, например, по толщине слоя огнезащитного покрытия, приводит, как правило, к недооценке его показателя пожароустойчивости, поскольку влияние на него вариаций единичных показателей качества изгибаемого элемента имеют различные знаки, и снижение показателя пожароустойчивости за счет одного показателя может быть компенсировано другими. Вследствие этого в предложенном способе оценку пожароустойчивости изгибаемого элемента проводят не по одному показателю, а по комплексу единичных показателей качества. Это позволяет более точно учесть реальный ресурс пожароустойчивости изгибаемого элемента.
В предложенном техническом решении учтен комплекс единичных показателей качества изгибаемого элемента, влияющих на его пожароустойчивость, определяемых без нарушения его эксплуатационной пригодности.
На фиг. 1 изображена расчетная схема деревянного изгибаемого элемента: 1 - продольный разрез изгибаемого элемента; 2 - опорная часть изгибаемого элемента; 3 - эпюра изгибаемого момента: L0 - расчетный пролет изгибаемого элемента, м; L0n - длина опорной части конструкции, м; g0 - погонная испытательная нагрузка, кН/пог.м.; tст - температура стандартного испытания, °С.
На фиг. 2 изображен поперечный разрез изгибаемого элемента; сечение А-А, обогрев сечения четырехсторонний: В и Н - ширина и высота сечения изгибаемого элемента, см; Scτ - критическая глубина обгорания сечения изгибаемого элемента, см.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного выше технического результата.
Последовательность действий способа оценки временного показателя пожароустойчивости изгибаемого элемента деревянной конструкции зданий состоит в следующем. Сначала проводят технический осмотр здания. Затем определяют группу однотипных изгибаемых элементов и их общее число в ней. Вычисляют величину выборки однотипных сжатых элементов. Назначают комплекс единичных показателей качества изгибаемого элемента, влияющих на показатель пожароустойчивости. Выявляют условия опирания, закрепления концов и опасное сечение изгибаемого элемента. Вычисляют число испытаний единичного показателя качества изгибаемого элемента в зависимости от его статистической изменчивости. Затем оценивают единичные показатели качества изгибаемого элемента и его физические параметры, и, наконец, по ним находят временной показатель пожароустойчивости испытуемого изгибаемого элемента.
Под техническим осмотром понимают проверку состояния изгибаемого элемента, включающей выявление условий опирания изгибаемого элемента, определение породы и сорта древесины. В процессе осмотра определяют группы однотипных изгибаемых элементов. Под группой изгибаемых элементов в здании понимают однотипные элементы, изготовленные и возведенные в сходных технологических условиях и находящихся в подобных условиях эксплуатации.
Схему обогрева сечения изгибаемого элемента в условиях пожара определяют в зависимости от фактического расположения изгибаемого элемента в здании, укладки смежных конструкций, уменьшающих число сторон обогрева, устройства конструктивной огнезащиты.
К основным единичным показателям качества изгибаемого элемента, обеспечивающим пожароустойчивость, относятся: геометрические размеры элемента, плотность и влажность древесины в естественном состоянии, нормативное сопротивление древесины на изгиб и критическая глубина обгорания сечения изгибаемого элемента.
Проверку единичных показателей качества изгибаемого элемента, включенных в выборку или проверяемых поштучно, производят без его разрушения с применением существующих приборов.
Используя полученные показатели качества изгибаемого элемента, по приведенному аналитическому уравнению (1), выявляют величину временного показателя пожароустойчивости изгибаемого элемента деревянной конструкции - Dиз, мин.
Пример. Дано: Расчетный пролет изгибаемого элемента (балки перекрытия) L0=5 м; шаг балок 1 м. Нормативная нагрузка от собственного веса перекрытия на 1 пог.м. балки 
временная длительная нагрузка на перекрытие 
кратковременная нагрузка от веса людей отсутствует вследствие эвакуации их в начальной стадии пожара.
Древесина балки - сосна первого сорта плотность ρ=0,5 г/см3; влажность ω=9%, пропитанная антипиреном (τив=4мин); нормативное сопротивление древесины при изгибе Ruн=30 МПа; обогрев сечения балки четырехсторонний, размеры сечения балки В×Н=15×20 см; для конструкции здания нормального уровня ответственности (γн=1,0);
Решение:
1) Погонную испытательную нагрузку на изгибаемый элемент (g0, кН/пог.м.) вычисляют по уравнению (2):
где 
и 
- соответственно, нормативная нагрузка;
2) Условное сопротивление древесины на изгиб (Rус, МПа) вычисляют по уравнению (3):
где 
- нормативное сопротивление древесины на изгиб, МПа;
γн - коэффициент надежности здания по уровню ответственности его;
3) Критическую глубину обгорания сечения изгибаемого элемента вычисляют по уравнению (4):
где В и Н - ширина и высота сечения изгибаемого элемента, см;
g0 - погонная испытательная нагрузка на изгибаемый элемент, кН/пог.м;
L0 - расчетный пролет изгибаемого элемента, см; Ryc - условное сопротивление древесины на изгиб, МПа.
4) Интегральный показатель обгорания сечения изгибаемого элемента (С) вычисляют, используя уравнение (6):
где Rус - условное сопротивление древесины на изгиб, МПа; ω - влажность древесины, %; Scτ - критическая глубина обгорания сечения изгибаемого элемента, см; В - ширина сечения изгибаемого элемента, см.
5) Временной показатель пожароустойчивости деревянного изгибаемого элемента (Dиз, мин) вычисляют, используя уравнение (1):
где B и H - ширина и высота сечения изгибаемого элемента, см;
g0 - погонная испытательная нагрузка на изгибаемый элемент, кН/пог.м;
L0 - расчетный пролет изгибаемого элемента, см; Rус - условное сопротивление древесины на изгиб, МПа; С - интегральный показатель обгорания сечения изгибаемого элемента; ψ0 - показатель положения обогреваемой грани изгибаемого элемента в пространстве здания (1÷1,33); ρ - плотность сухой древесины, г/см3; τив - время воспламенения древесины изгибаемого элемента, мин.; е=2,72 - основание натурального логарифма.
Предложенный способ применен при натурном осмотре строительных конструкций складского блока площадью 1160 м в г. Самаре.
Источники информации
1. Пособие по определению пределов огнестойкости конструкций, пределов распространения огня по конструкциям и группы возгораемости материалов / ЦНИИСК им. Кучеренко. - М.: Стройиздат, 1985. - С. 28-31 (Несущие деревянные конструкции).
2. Мосалков И.Л., Плюсина Г.Ф., Фролов А.Ю. Огнестойкость строительных конструкций. - М.: Спецтехника, 2001. - С. 201-236 (Расчет предела огнестойкости элементов деревянных конструкций).
3. Патент №2 275 622 RU, МПК G01N 25/00 Способ определения пожарной устойчивости сжатых элементов деревянных конструкций здания/ Ильин Н.А., Комов Е.М., Ильина В.Н. и др., заяв. СГАСУ: 06.09.04, опубл. 27.04.06. Бюл. №12.
1. Способ оценки пожароустойчивости деревянного элемента конструкции здания, включающий проведение технического осмотра, выявление условий опирания элемента, его крепления и величины внешней нагрузки, измерение геометрических характеристик элемента, определение породы и сорта древесины, проведение испытания элемента, не нарушающего его эксплуатационной пригодности, с применением существующих приборов, поверку единичных показателей качества элемента: геометрические размеры сечения элемента, плотность и влажность древесины, нормативное сопротивление древесины по прочности, интегральный показатель обгорания сечения элемента, предельную глубину обгорания древесины, время воспламенения древесины испытываемого элемента, отличающийся тем, что проводят оценку пожароустойчивости деревянного изгибаемого элемента, а при техническом осмотре дополнительно устанавливают: показатель положения обогреваемой грани изгибаемого элемента в пространстве здания, протяженность расчетного пролета изгибаемого элемента, фактические размеры ширины и высоты сечения изгибаемого элемента, величину погонной испытательной нагрузки, величину условного сопротивления древесины на изгиб, предельную глубину обгорания сечения изгибаемого элемента и предел его огнестойкости; затем определяют величину временного показателя пожароустойчивости изгибаемого элемента (Dиз мин), используя аналитическое уравнение (1):
где В и Н - ширина и высота сечения изгибаемого элемента, см; g0 - погонная испытательная нагрузка на изгибаемый элемент, кН/пог.м; L0 - расчетный пролет изгибаемого элемента, см; Ryc - условное сопротивление древесины на изгиб, МПа; С - интегральный показатель обгорания сечения изгибаемого элемента; ψ0 - показатель положения обогреваемой грани изгибаемого элемента в пространстве здания - (1÷1,33); ρ - плотность сухой древесины, г/см3; τив - время воспламенения древесины изгибаемого элемента, мин; е=2,72 - основание натурального логарифма.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что погонную испытательную нагрузку на изгибаемый элемент (g0, кН/пог.м) определяют по уравнению (2):
где ρсв и ρдл.н - соответственно нормативная нагрузка от собственного веса конструкций и временная длительная нагрузка на перекрытие, кН/пог.м.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что условное сопротивление древесины на изгиб при оценке временного показателя пожароустойчивости изгибаемого элемента (Ryc, МПа) определяют по уравнению (3):
где γн - коэффициент надежности конструкции здания соответствующего уровня ответственности: повышенный - γн=1,1; нормальный - γн=1,0; пониженный - γн=0,8; RНи - нормативное сопротивление древесины на изгиб, МПа.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предельную глубину обгорания сечения изгибаемого элемента Scτ, см, вычисляют, используя аналитическое уравнение (4):
где В и Н - ширина и высота сечения изгибаемого элемента, см; g0 - погонная испытательная нагрузка на изгибаемый элемент, кН/пог.м; L0 - расчетный пролет изгибаемого элемента, см; Ryc - условное сопротивление древесины на изгиб, МПа.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что интегральный показатель обгорания сечения изгибаемого элемента (С) вычисляют, используя аналитическое уравнение (5):
где Rус - условное сопротивление древесины на изгиб, МПа; ω - влажность древесины, %; Sсτ - предельная глубина обгорания сечения изгибаемого элемента, см; В - ширина сечения изгибаемого элемента, см.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расчетный пролет изгибаемого элемента (L0, м) определяют по уравнению (6):
где L - длина изгибаемого элемента, м; λon - длина опорной части элемента, м.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предел огнестойкости изгибаемого элемента без огнезащиты (Fτ, мин) принимают равным длительности испытания от начала огневого воздействия до времени начала воспламенения древесины изгибаемого элемента (τив, мин), то есть:
,
где τив - время начала воспламенения древесины элемента, мин.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предел огнестойкости изгибаемого элемента (Fτ, мин) с конструктивной огнезащитой при условии τив≥15 мин принимают не менее Fτ≥15 мин и относят к малопожароопасному классу К1.
9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предел огнестойкости изгибаемого элемента с химической огнезащитой, пропитанного антипиреном, (Fτ, мин) принимают равным нулю, т.е. Fτ=0, и относят к умеренно пожароопасному классу К2.
10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изгибаемый элемент без огнезащиты относят к пожароопасному классу К3.
