Огнезащищенная двутавровая колонна здания

Огнезащищенная двутавровая колонна здания

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий и сооружений; далее по тексту - зданий. В частности, оно может быть использовано при проектировании и изготовлении конструктивной огнезащиты стального несущего стержня колонны, выполненного в виде колонного двутавра, при использовании крупноразмерной листовой, плитной и рулонной облицовки.

Незащищенные стальные конструкции здания при действии огня в условиях пожара быстро (спустя 15÷18 мин) утрачивают свою несущую способность, обрушаются сами и способствуют обрушению других конструкций здания, что приводит к значительным материальным убыткам.

Известна конструкция огнезащищенной двутавровой колонны здания, содержащая стальной двутавр и огнезащитную облицовку в виде железобетонных плит из ячеистых бетонов, многопустотных гипсовых плит или пластин, вермикулитных плит и асбестоцементных листов /Бартеллеми Б., Крюппа Ж. Огнестойкость строительных конструкций/ пер. с франц. - М.: Стройиздат, 1985, - 216 с. (гл. 4; п.4.2 Материалы и способы защиты, рис.4.2; 4.4÷4.6; с.94÷98)/ [1].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции огнезащищенной двутавровой колонны здания, относится то, что в известной конструкции применено значительное число элементов каркаса и вследствие этого повышен расход огнезащитного материала и металла на изготовление каркаса для огнезащитной облицовки; при проектировании пустот и зазоров между стенкой и полками двутавра и плитами защитной облицовки увеличиваются размеры поперечного сечения облицованной колонны (площадь сечения возрастает на 75÷85%); снижается проектный предел огнестойкости огнезащищенной колонны на 25÷30%; снижается надежность крепления элементов крупноразмерной листовой и плитной облицовки; снижаются коррозионная стойкость стального несущего стержня и ремонтопригодность огнезащитной облицовки (при возможности получения механических повреждений и сквозных отколов).

Известна конструкция огнезащищенной двутавровой колонны здания, содержащая стальной двутавр и огнезащитную облицовку из крупноразмерных листов и плит, установленных на относе, - зазор между огнезащитной облицовкой и гранями защищаемого стального несущего стержня принят не менее 25 мм; каркас огнезащитной облицовки выполнен в виде рамы, состоящей из стальных продольных и поперечных элементов, высотой 40÷75 мм; крепление стальных элементов каркаса между собой осуществлено самонарезающими винтами 5×25÷5×45 / Романенков И.Г., Левитес Ф.А. Огнезащита строительных конструкций. - М.: Стройиздат, 1991. - 320 с. (гл.4 Конструктивные способы огнезащиты; п.4.2 - Крупно-размерные листовые, плитные и рулонные облицовки; рис.8, с.131-133) / [2].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции огнезащищенной колонны здания, относится то, что в известной конструкции применено значительное число элементов каркаса и вследствие этого повышен расход металла на изготовление каркаса для огнезащитной облицовки; при проектировании пустот и зазоров между стенкой и полками двутавра и плитами защитной облицовки увеличиваются размеры поперечного сечения облицованной колонны (площадь сечения возрастает на 80÷95%; расход материалов облицовки - на 45÷50%); снижается проектный предел огнестойкости огнезащищенной колонны на 25÷30%; снижается надежность крепления элементов крупноразмерной листовой и плитной облицовки; снижаются коррозионная стойкость стального несущего стержня и ремонтопригодность огнезащитной облицовки (при возможности получения механических повреждений и сквозных отколов).

Известна конструкция огнезащищенной двутавровой колонны здания, содержащая стальной несущий стержень с анкерами на его боковых гранях, каркаса из профилей С-образного сечения, состоящего из продольных элементов с отгибами по краям полок и поперечных элементов, облицовки из листовых материалов, которая прикреплена на относе 40÷50 мм с образованием зазоров между полками двутавра (площадь пустого пространства между полками и стенкой двутавра №20 и элементами облицовки в поперечном сечении огнезащищенной колонны составляет А_пуст=650 см²) / А.с.SU 887755 МКИ-3 Е 04 В 1/94 Строительный узел здания/ Ю.В. Покровский, В.В. Федоров, М.М. Карбачинский и другие; заяв. 21.02.80; опубл. 07.12.81; Бюлл. №45/ [3].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции огнезащищенной двутавровой колонны здания, относится то, что в известной конструкции применено значительное число элементов каркаса и вследствие этого повышен расход металла на изготовление каркаса для огнезащитной облицовки; при проектировании пустот и зазоров между стенкой и полками двутавра и плитами защитной облицовки увеличиваются размеры поперечного сечения облицованной колонны (площадь сечения возрастает на 60÷70%; расход материалов облицовки - на 40÷45%); снижается проектный предел огнестойкости огнезащищенной колонны на 25÷30%; снижается надежность крепления элементов крупноразмерной листовой и плитной облицовки; снижаются коррозионная стойкость стального несущего стержня и ремонтопригодность огнезащитной облицовки (при возможности получения механических повреждений и сквозных отколов).

Наиболее близким техническим решением к изобретению по совокупности признаков является конструкция огнезащищенной двутавровой колонны здания, содержащая несущий стержень, элементы каркаса и листовую облицовку, прикрепленную к каркасу на относе; элементы каркаса выполнены из стальных профилей с отгибами, а несущий стержень снабжен анкерами, обеспечивая зазор 60÷80 мм между несущим стержнем и облицовкой. Элементы облицовки из листового материала закреплены к элементам каркаса самонарезающими винтами / А.с. SU №773 218 МКИ-3 E04B 1/94 Строительный элемент/ Ю.В. Покровский, В.В. Федоров и др.; заявл. 13.04.79; опубл. 23.10.80, Бюл. №39/ [4] принято за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известной конструкции огнезащищенной двутавровой колонны здания, принятой за прототип, относится то, что в известной конструкции применено значительное число элементов каркаса и вследствие этого повышен расход металла на изготовление каркаса для огнезащитной облицовки; при проектировании пустот и зазоров между стенкой и полками двутавра и плитами защитной облицовки увеличиваются размеры поперечного сечения облицованной колонны (площадь сечения возрастает на 75÷85%); снижается проектный предел огнестойкости огнезащищенной колонны на 25÷30%; снижается надежность крепления элементов крупноразмерной листовой и плитной облицовки; снижаются коррозионная стойкость стального несущего стержня и ремонтопригодность огнезащитной облицовки (при возможности получения механических повреждений и сквозных отколов); не обосновано определение толщины элементов листовой огнезащитной облицовки стального несущего стержня колонны в зависимости от степени огнестойкости здания и теплофизических свойств материалов облицовки.

Сущность изобретения заключается в следующем. Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в повышении огнестойкости и эксплуатационной надежности огнезащищенной двутавровой колонны здания, а также в улучшении пожарно-технических и экономических показателей стальных конструкций зданий.

Технический результат - повышение надежности крепления элементов крупноразмерной листовой и плитной огнезащитной облицовки двутавровой колонны и элементов каркаса для нее; сокращение числа элементов каркаса для огнезащитной облицовки; снижение массы металла и материалов облицовки; упрощение изготовления элементов каркаса огнезащитной облицовки; уменьшение площади поперечного сечения огнезащищенной двутавровой колонны на 75÷95%; повышение предела огнестойкости стальной колонны с несущим стержнем в виде колонного двутавра на 25÷30%; повышение безопасности при тушении пожара и проведении аварийно-спасательных и восстановительных работ; снижение возможных потерь от пожара; повышение надежности работы огнезащищенной колонны в процессе нормальной эксплуатации здания и в условиях пожара; упрощение монтажа элементов каркаса и огнезащитой облицовки; повышение жесткости соединения колонного двутавра с листами и плитами облицовки и сопротивляемости огнезащитной облицовки механическим воздействиям; повышение эффективности огнезащиты стального несущего стержня крупноразмерной облицовкой; повышение коррозионной стойкости стального колонного двутавра и ремонтопригодности огнезащитной облицовки в случае получения местных механических повреждений; снижение трудоемкости монтажа элементов каркаса и элементов огнезащитной облицовки; сокращение сварочных работ и мокрых строительных процессов; обоснование инженерным расчетом толщины элементов листовой и плитной огнезащитной облицовки стального колонного двутавра в зависимости от степени огнестойкости здания, показателей термодиффузии материалов облицовки и условий нагрева полок и стенки двутавра при пожаре.

Указанный технический результат при использовании изобретения достигается тем, что в известной конструкции огнезащищенной двутавровой колонны здания, содержащей несущий стержень и листовую облицовку, особенностью является то, что несущий стержень выполнен в виде стального колонного двутавра и каждый торец стального несущего стержня снабжен крепежными гайками и установочными винтами с потайными головками и ввинчиваемыми заостренными концами и прямым шлицем; установочными винтами к полкам колонного двутавра прикреплены контактно, вплотную элементы листовой огнезащитной облицовки, к стенке двутавра прикреплены контактно, вплотную элементы плитной огнезащитной облицовки; толщина элементов облицовки определена с учетом показателей термодиффузии ее материалов, условий нагрева и степени огнестойкости здания.

Другими особенностями является то, что на поверхность стального несущего стержня нанесен антикоррозионный слой; элементы листовой огнезащитной облицовки выполнены из огнеупорных гипсокартонных листов; элементы плитной огнезащитной облицовки выполнены в виде прошивных матов из минеральной ваты; элементы плитной огнезащитной облицовки выполнены в виде минераловатных плитных изделий «Rockwool»; длина ввинчиваемого конца установочного винта в элементы плитной огнезащитной облицовки принята не менее l_min≥0,2·h, здесь h - высота стального колонного двутавра; на наружные поверхности элементов огнезащитной облицовки нанесен слой стеклоткани; на наружные поверхности элементов огнезащитной облицовки нанесена штукатурка; толщина элементов огнезащитной облицовки δ_o.mp, мм, определена по показательному уравнению (1):

δ о . m p = 0,7 ⋅ C ⋅ D a r 0,8 / m o ,   ( 1 )

где C - степень огнезащиты стального колонного двутавра, см;

D_ar - показатель термодиффузии материала облицовки, мм²/мин;

m_o - показатель условий нагрева колонного двутавра (0,5÷1).

Величина предела огнезащиты отдельного слоя огнезащитной облицовки τ_u,co, мин, вычислена по показательному уравнению (2):

τ u , c o = 65 ⋅ m o 1 ⋅ ( δ c o / D c o ) 1,41   ,   ( 2 )

где m_o1- показатель условий нагрева слоя облицовки, (0,5÷1);

δ_co - толщина отдельного слоя огнезащитной облицовки, мм;

D_co - показатель термодиффузии материала облицовки, мм²/мин.

Показатель условий нагрева полки коронного двутавра вычислен по степенному уравнению (3):

m 0 = 0,7 δ x / δ y   ​ ,   ( 3 )

где δ_x и δ_y - толщина огнезащиты полки колонного двутавра по осям X и У, мм.

Торцы полок колонного двутавра защищены от огня асбестовым шнуром. На поверхности стенок и полок колонного двутавра нанесен клеевой слой для дополнительного крепления облицовки.

Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом изобретения заключена в следующем: использование предлагаемой конструкции огнезащищенной двутавровой колонны здания обеспечивает простоту и надежность крепления элементов крупноразмерной облицовки и элементов каркаса для нее за счет использования установочных винтов с потайной головкой с длинным ввинчиваемым заостренным концом и жесткого соединения (сварки) крепежной гайки к полкам колонного двутавра; снижение массы металла на изготовление элементов каркаса огнезащитной облицовки производят за счет снижения числа элементов каркаса; уменьшение площади поперечного сечения огнезащищенной двутавровой колонны на 75÷95%, вследствие отсутствия пустотного пространства между стальным несущим стержнем и облицовкой; повышение предела огнестойкости стальной колонны с несущим стержнем в виде колонного двутавра на 25÷35% вследствие заполнения пустотного пространства внутри поперечного сечения колонны; повышение безопасности при тушении, при проведении аварийно-спасательных и восстановительных работ, а также снижение потерь от пожара, вследствие повышения пределов огнестойкости несущих конструкций здания; повышение надежности работы огнезащищеной колонны при нормальной эксплуатации здания и в условиях пожара возможно вследствие повышения жесткости при контактном соединении колонного двутавра с листами и плитами облицовки, а также проектирование толщины элементов облицовки по предлагаемой методике расчета в зависимости от степени огнестойкости здания, показателей термодиффузии материалов облицовки и условий нагрева при пожаре.

На фиг.1 изображено поперечное сечение огнезащищенной двутавровой колонны с контактным присоединением элементов листовой и плитной облицовки к стальному несущему стержню, где приняты следующие обозначения: 1 - колонный двутавр; 2 - антикоррозионный слой; 3 - листовая огнезащитная облицовка; 4 - плитная огнезащитная облицовка; 5 - установочные винты (с потайной головкой с ввинчиваемым заостренным концом и прямым шлицем); 6 - крепежная гайка (для установочного винта); 7 - потайная головка установочного винта; 8 - асбестовый шнур; 9 - стеклоткань (штукатурка); 10 - клеевой слой (строительный раствор); (b и h- ширина полки и высота двутавра; В и Н - ширина и высота сечения огнезащищенной колонны; d и δ_s - толщина стенки и полки двутавра; δ_x и δ_y- толщина огнезащиты двутавра по осям X и Y).

На фиг.2 изображено поперечное сечение огнезащищенной колонны со стальным несущим стержнем в виде колонного двутавра №20 К-2 (условные обозначения поз.1-10 приведены на фиг.1; здесьδ_ГКЛО и δ_Roc - соответственно толщина листовой и плитной огнезащитной облицовки); к примеру расчета.

Сведения, подтверждающие возможность применения изобретения с получением указанного выше технического результата.

При реконструкции учебного корпуса университета проектом предусмотрены огнезащищенные стальные колонны из прокатного профиля. Характеристика здания и его несущих колонн: класс функциональной пожароопасности - Ф 4.2; степень огнестойкости - I (первая); класс конструктивной пожароопасности - СО (не пожароопасное); число этажей - 6; нормативный предел огнестойкости несущей колонны F_u,н=120 мин (табл.21, ФЗ РФ №123-2009); стальной несущий стержень - колонный двутавр №20К-2, высота двутавра h=198 мм; ширина полки b=200 мм, толщина стенки d=7 мм; толщина полки δ_s=11,5 мм; площадь сечения двутавра А=53 см².

Огнезащита полки двутавра - листовая огнезащитная облицовка - огнеупорный гипсокартонный лист (ГКЛО) толщиной δ₁=12,5 мм; огнезащита стенки двутавра - плитная огнезащитная облицовка - маты из минваты М-50 изделия «Rockwool».

Показатель условий нагрева полки колонного двутавра вычислен по степенному уравнению (3):

m 0 = 0,7 δ x / δ y ,   ( 3 )

где δ_x и δ_y- толщина огнезащиты полки колонного двутавра по осям X и У.

Степень огнезащиты колонного двутавра вычислена по логарифмическому уравнению (4):

C = I n ( τ u o / 48 ⋅ ( 1 − J σ s ) 3 ) ,   ( 4 )

при интенсивности силовых напряжений J_σs=0,5,

C = I n ( 0,2 ⋅ τ u o ) ,   ( 5 )

где C - степень огнезащиты колонного двутавра, см;

τ_uo - предел огнезащиты элементов облицовки, мин;

In - натуральный логарифм. Предел огнезащиты облицовки вычислен по алгебраической формуле (6):

τ u o = F u , н − τ u s ,   ( 6 )

где F_u,н - нормативный предел огнестойкости несущей колонны, мин;

τ_us - предел огнестойкости колонного двутавра без огнезащиты, мин.

Пример: Дано: Стальной несущий стержень - колонный двутавр из прокатного профиля №20 К-2; нормативный предел огнестойкости несущих колонн для здания I (первой) степени огнестойкости F_u,н =120 мин (табл.21 ФЗ №123-2009 г); предел огнестойкости колонного двутавра без огнезащиты τ_us=20 мин; огнезащитная облицовка полок колонного двутавра - огнеупорные гипсокартонные листы (ГКЛО), показатель термодиффузии - D_ГКЛО=20 мм²/мин; показатель условий нагрева полок двутавра m₀=0,75; δ_x=30 мм; облицовка стенки двутавра - минватные маты М-50 изделия «Rockwool»; показатель термодиффузии - D_Roc=68,8 мм²/мин; показатель условий нагрева стенки двутавра m₀₂=0,5.

Определить толщину элементов листовой и плитной облицовки.

Решение. 1) Предел огнезащиты, облицовки вычислен по алгебраической формуле (5):

τ_uo=F_u,mp-τ_us=120-20=100 мин.

2) Степень огнезащиты колонного двутавра комплексной облицовкой (при J_σs=0,5) вычислена по логарифмическому уравнению (4):

C=In(0,2·τ_uo)=In(0,2·100)=In20=3.

3) Требуемая толщина листовой огнезащитной облицовки для полок колонного двутавра огнеупорными гипсокартонными листами (при m₀₁=0,75), вычислена по показательному уравнению (1):

δ m p ,   Г К Л О = 0,7 ⋅ C ⋅ D Г К Л О 0,8 / m 01 = 0,7 ⋅ 3 ⋅ 20 0,8 / 0,75 − 31   м м .

4) Число слоев облицовки полок колонного двутавра из огнеупорных гипсокартонных листов толщиной δ₁=12,5 мм каждый лист:

n_ГКЛО=δ_{mp, ГКЛО}/δ₁=31/12,5=2,5; принято n_ГКЛО=3 листа, δ_y=40 мм;

5) Требуемая толщина плитной огнезащитной облицовки для стенки колонного двутавра минераловатными изделиями «Rockwool» в виде матов М-50 (при двухсторонней подводке тепла в условиях пожара m₀₂=0,5) определена по показательному уравнению (1):

δ m p ,   R o c = 0,7 ⋅ C ⋅ D R o c 0,8 / m 0,2 = 0,7 ⋅ 3 ⋅ 68,8 0,8 / 0,5 = 120   м м > b / 2 = 200 / 2 = 100   м м ;

принято δ _Roc=126 мм.

В состав работ по устройству огнезащищенной стальной колонны входят: подготовка поверхности стального колонного двутавра - 1 и нанесение антикоррозионного слоя - 2; выбор материалов для огнезащитной облицовки; расчет толщины элементов облицовки; изготовление элементов листовой огнезащитной облицовки - 3 и плитной огнезащитной облицовки - 4; установка крепежных гаек - 6 на торцы полок колонного двутавра - 1 с шагом 500÷100 мм по длине (высоте) колонны; сборка элементов листовой огнезащитной облицовки - 3 и крепление их установочными винтами - 5 на полках колонного двутавра - 1; нанесение клеящего слоя - 10 на поверхность стенки и полок колонного двутавра - 1 и приклеивание к ним элементов плитной огнезащитной облицовки - 4; ввинчивание каждого установочного винта - 5 с потайной головкой - 7 и с заостренным концом в элементы плитной огнезащитной облицовки - 4 на глубину l_K≥0,2·h (здесь h - высота колонного двутавра - 1); установка в пазы (в местах расположения крепежных гаек) асбестового шнура - 8; покрытие поверхности элементов плитной огнезащитной облицовки - 4 стеклотканью - 9 (по необходимости).

Предложенное изобретение для устройства огнезащищенной двутавровой колонны здания применено при реконструкции учебного корпуса №2 СГАСУ (г.Самара, 2011/12 г).

Источники информации

1. Бартеллеми Б., Крюппа Ж. Огнестойкость строительных конструкций / Пер. с франц. - М.: Стройиздат, 1985.-216 с.(гл.4, п.4.2 Материалы и способы защиты; рис.4.2; 4.4÷4.6; с.94-98).

2. Романенков И.Г., Левитес Ф.А. Огнезащита строительных конструкций. - М.: Стройиздат, 1991. -320 с. (гл.4 Конструктивные способы огнезащиты; п.4.2. - Крупнозамерные листовые, плитные и рулонные облицовки; рис.8, с.131÷133.

3. А.с.SU №887755 МКИ-3 E04B 1/94 Строительный узел здания/ Ю.В. Покровский, В.В. Федоров, М.М. Карабочинский и др.; заяв. 21.02.80; опубл. 07.12.81, Бюл. №45.

4. А.с.SU №773 218 МКИ-3 E04B 1/94 Строительный элемент/ Ю.В. Покровский, В.В. Федоров, В.В. Филиппов; заяв. 13.04.79; опубл. 23.10.80, Бюл. №39.

1. Огнезащищенная двутавровая колонна здания, содержащая несущий стержень и листовую облицовку, отличающаяся тем, что несущий стержень выполнен в виде стального колонного двутавра и каждый торец стального несущего стержня снабжен крепежными гайками и установочными винтами с потайными головками и ввинчиваемыми заостренными концами и прямым шлицем; установочными винтами к полкам колонного двутавра прикреплены контактно, вплотную элементы листовой огнезащитной облицовки, к стенке двутавра прикреплены контактно, вплотную элементы плитной огнезащитной облицовки; толщина элементов облицовки определена с учетом показателей термодиффузии ее материалов, условий нагрева и степени огнестойкости здания.

2. Огнезащищенная колонна по п.1, отличающаяся тем, что на поверхность стального несущего стержня нанесен антикоррозионный слой.

3. Огнезащищенная колонна по п.1, отличающаяся тем, что элементы листовой огнезащитной облицовки выполнены из огнеупорных гипсокартонных листов.

4. Огнезащищенная колонна по п.1, отличающаяся тем, что элементы плитной огнезащитной облицовки выполнены в виде прошивных матов из минеральной ваты.

5. Огнезащищенная колонна по п.1, отличающаяся тем, что элементы плитной огнезащитной облицовки выполнены в виде минераловатных плитных изделий «Rockwool».

6. Огнезащищенная колонна по п.1, отличающаяся тем,1 что длина ввинчиваемого конца установочного винта в элементы плитной огнезащитной облицовки принята не менее l_min≥0,2·h, здесь h - высота стального колонного двутавра.

7. Огнезащищенная колонна по п.1, отличающаяся тем, что на наружные поверхности элементов огнезащитной облицовки нанесен слой стеклоткани.

8. Огнезащищенная колонна по п.1, отличающаяся тем, что на наружные поверхности элементов огнезащитной облицовки нанесена штукатурка.

9. Огнезащищенная колонна по п.1, отличающаяся тем, что толщина элементов огнезащитной облицовки δ_o,mp, мм, определена по показательному уравнению (1): ;где C - степень огнезащиты стального колонного двутавра, см;D_ar - показатель термодиффузии материала облицовки, мм /мин;m_o - показатель условий нагрева колонного двутавра (0,5÷1).

10. Огнезащищенная колонна по пп.1 и 9, отличающаяся тем, что величина предела огнезащиты отдельного слоя огнезащищенной облицовки t_u,co мин, вычислена по показательному уравнению (2):τ_u,co=65·m_o1·(δ_co/D_co)^1,41;где m_o1 - показатель условий нагрева слоя облицовки, (0,5÷1);δ_co - толщина отдельного слоя огнезащитной облицовки, мм;D_co - показатель термодиффузии материала облицовки, мм²/мин.

11. Огнезащищенная колонна по пп.1 и 9, отличающаяся тем, что показатель условий нагрева полки колонного двутавра вычислен по степенному уравнению (3):m₀=0,7^δx/δy;где δ_x и δ_y - толщина огнезащиты полки колонного двутавра по осям X и Y, мм;

12. Огнезащищенная колонна по п.1, отличающаяся тем, что торцы полок колонного двутавра защищены от огня асбестовым шнуром.

13. Огнезащищенная колонна по п.1, отличающаяся тем, что на поверхности стенок и полок колонного двутавра нанесен клеевой слой для дополнительного крепления облицовки.