Методическое пособие 679

4.2.2.Расчет предела огнестойкости железобетонной плиты

сприменением огнезащитного покрытия повышенной термостойкости

сразличной толщиной слоя

Расчет предела огнестойкости железобетонной плиты с применением огнезащитного покрытия повышенной термостойкости

толщиной слоя 0,01 м

Исходные данные см. п. 4.2.1.

Характеристики огнезащитного покрытия: толщина наносимого слоя δ1 = 0,01 м; коэффициент теплопроводности λ = 0,22 Вт/м·ºС.

1.Расчетным методом определяли предел огнестойкости железобетонной плиты перекрытия по признаку R – потере несущей способности, а также эффективность огнезащитного композиционного бетона повышенной термостойкости при толщине наносимого слоя 0,01 м.

2.Коэффициент условий работы при пожаре γ s .T , растянутой арматуры

железобетонной плиты равен γ s .T = 0,7.

3.Критическая температура прогрева растянутой арматуры tscr = 483 oC.

4.Предел огнестойкости железобетонной плиты по признаку «R» с учетом огнезащитного покрытия повышенной термостойкости рассчитывался с

учетом теплофизических характеристик огнезащитного покрытия ρ = 1200 кг/м3, λ = 0,22 Вт/м·ºС, приведенный коэффициент температуропроводности прогреваемого покрытия, поправочные коэффициенты при плотности бетона повышенной термостойкости φ1 = 0,55; φ2 = 0,85.

Предел огнестойкости железобетонной плиты по потере несущей способности с применением огнезащитного покрытия толщиной δ1 = 0,01м равен

81

Расчет предела огнестойкости железобетонной плиты с применением огнезащитного покрытия повышенной термостойкости

толщиной слоя 0,015 м

Исходные данные см. п. 4.2.1.

Характеристики огнезащитного покрытия: толщина наносимого слоя δ2 = 0,015 м; коэффициент теплопроводности λ = 0,22 Вт/м·ºС.

1.Расчетным методом определялся предел огнестойкости железобетонной плиты перекрытия по признаку R – потере несущей способности, а также эффективность огнезащитного композиционного бетона повышенной термостойкости при толщине наносимого огнезащитного слоя 0,015 м.

2.Коэффициент условий работы при пожаре γ s .T растянутой арматуры

железобетонной плиты равен γ s .T =0,7.

3.Критическая температура прогрева растянутой арматуры tscr = 483 oC.

4.Предел огнестойкости железобетонной плиты по признаку «R» с учетом огнезащитного покрытия повышенной термостойкости рассчитывался с

учетом теплофизических характеристик огнезащитного покрытия ρ = 1200 кг/м3, λ = 0,22 Вт/м·ºС, приведенный коэффициент температуропроводности прогреваемого покрытия, поправочные коэффициенты при плотности бетона повышенной термостойкости φ1 = 0,55; φ2 = 0,85.

Тогда предел огнестойкости железобетонной плиты по потере несущей способности с учетом огнезащитного покрытия равен

Расчет предела огнестойкости железобетонной плиты с применением огнезащитного покрытия повышенной термостойкости

толщиной слоя 0,02 м

Исходные данные см. п. 4.2.1 Характеристики огнезащитного покрытия: толщина наносимого слоя

δ3 = 0,02 м; коэффициент теплопроводности λ = 0,22 Вт/м·ºС.

Расчетным методом определялся предел огнестойкости железобетонной плиты перекрытия по признаку R – потере несущей способности, а также эффективность огнезащитного композиционного бетона повышенной термостойкости при толщине наносимого огнезащитного слоя 0,02 м.

1. Расчетная схема определения предела огнестойкости, на которой обозначены план-схема воздействия пожара на плиту, ее геометрические характеристики, кривая изменения температуры в толще плиты и толщина наносимого огнезащитного покрытия, приведены на рис. 4.10.

82

Рис. 4.10. Расчетная схема для определения предела огнестойкости вариатропной конструкции железобетонной плиты перекрытия с огнезащитным покрытием повышенной термостойкости толщиной 0,02 м

2.Коэффициент условий работы при пожаре γ sT растянутой арматуры железобетонной плиты равен γ sT = 0,7.

3.Критическая температура прогрева растянутой арматуры tscr = 483 oC.

4.Предел огнестойкости железобетонной плиты по признаку «R» с учетом огнезащитного покрытия повышенной термостойкости рассчитывался сучетом теплофизических характеристик огнезащитного покрытия ρ = 1200 кг/м3,

λ= 0,22 Вт/м·ºС, приведенный коэффициент температуропроводности прогреваемого покрытия, поправочные коэффициенты при плотности бетона повы-

шенной термостойкости φ1 = 0,55; φ2 = 0,85.

Тогда предел огнестойкости железобетонной плиты по потере несущей способности с учетом огнезащитного покрытия равен

Расчет предела огнестойкости железобетонной плиты с применением огнезащитного покрытия повышенной термостойкости

толщиной слоя 0,04 м

Исходные данные см. п. 4.2.1.

Характеристики огнезащитного покрытия: толщина наносимого слоя δ4 = 0,04 м; коэффициент теплопроводности λ = 0,22 Вт/м·ºС.

Расчетным методом определяли предел огнестойкости железобетонной плиты перекрытия по признаку R – потере несущей способности, а также эф-

83

фективность огнезащитного композиционного бетона повышенной термостойкости при толщине наносимого огнезащитного слоя 0,04 м.

1. Расчетная схема определения предела огнестойкости, на которой обозначены план-схема воздействия пожара на плиту, ее геометрические характеристики, кривая изменения температуры в толще плиты и толщина наносимого огнезащитного покрытия, приведены на рис. 4.11.

Рис. 4.11. Расчетная схема для определения предела огнестойкости вариатропной конструкции железобетонной плиты перекрытия

согнезащитным покрытием повышенной термостойкости толщиной 0,04 м

2.Коэффициент условий работы при пожаре γ sT растянутой арматуры железобетонной плиты равен γ sT = 0,7.

3.Критическая температура прогрева растянутой арматуры tscr = 483 oC.

4.Предел огнестойкости железобетонной плиты по признаку «R» с уче-

том огнезащитного покрытия повышенной термостойкости рассчитывался с учетом теплофизических характеристик огнезащитного покрытия ρ = 1200 кг/м3, λ=0,22 Вт/м·ºС, приведенный коэффициент температуропроводности прогреваемого покрытия, поправочные коэффициенты при плотности термостойкого бетона примем φ1 = 0,55; φ2 = 0,85.

Тогда предел огнестойкости железобетонной плиты по потере несущей способности с учетом огнезащитного покрытия равен

Результаты расчетов предела огнестойкости вариатропной плиты со слоем бетона повышенной термостойкости приведены в табл. 4.7.

84

Таблица 4.7

3ависимость фактического предела огнестойкости вариатропной конструкции по результатам расчетов от толщины защитного слоя

бетона повышенной термостойкости

Установлено, что предел огнестойкости железобетонной плиты по потере несущей способности без огнезащиты составил 64 мин; с применением слоя бетона повышенной термостойкости толщиной 0,01 м увеличился в 2,2 раза и составил 145 мин, с увеличением слоя бетона до 0,015 м – в 2,6 раза и составил 170 мин; при толщине слоя бетона 0,02 м отмечено увеличение предела огнестойкости более чем в 3 раза, и он составил 194 мин; а при толщине 0,04 м – более чем в 5 раз и предел огнестойкости составил 342 мин.

Полученные расчетным методом результаты показали возможность обеспечения требуемых пределов огнестойкости железобетонных конструкций за счет применения вариатропных изделий, в которых слой из бетона повышенной термостойкости выполняет огнезащитную функцию, и соблюдения требований пожарной безопасности по огнестойкости для зданий, имеющих разные функциональные зоны. Например, согласно СП 4.13130.2013 [8] встраиваемые подземные автостоянки должны отделяться от этажей жилых и общественных зданий противопожарными стенами и перекрытиями 1-го типа, требуемый предел огнестойкости которых согласно ФЗ № 123 [7] должен составлять REI 150. Кроме того, согласно ФЗ № 123, ст. 35 [7] предел огнестойкости строительных конструкций нормируется до 360 мин.

Применение таких конструкций целесообразно в зданиях повышенной этажности, на специальных объектах, таких как атомные электростанции и т.п.

Таким образом, расчетным методом подтверждено, что применение разработанного состава бетона и технология его использования в вариатропных изделиях позволили повысить пределы огнестойкости несущих конструкций зданий до требуемых нормируемых значений. В случае возникновения пожара это существенно повышает безопасность эвакуации людей и работы пожарных расчетов под воздействием открытого пламени и высоких температур.

Данные расчеты с достаточной высокой достоверностью могут быть реализованы и для других конструкций, таких как элементы тоннелей, кабельных каналов и т.п.

85

4.3. Технологический регламент изготовления вариатропных изделий со слоем бетона повышенной термостойкости

Полученные результаты, определяющие требования к бетонной смеси и бетону повышенной термостойкости, предопределили технологию получения изделий вариатропной конструкции, которая нашла свое отражение в разработанном технологическом регламенте с применением предлагаемых бетонов повышенной термостойкости.

Реализуется послойное формование конструкций, осуществляемое по следующей схеме (рис. 4.12). Перед началом работы заполняются расходные бункеры цемента, песка, щебеня, воды. Из склада 1 материалы: цемент, песок, щебень, вода подаются в дозаторы 2. Отдозированные компоненты попадают в смеситель принудительного действия 3. После перемешивания готовая бетонная смесь подается в бетоноукладчик 5, который перемещается к посту формования 4, оснащенному виброплощадкой. Бетонную смесь укладывают в подготовленную форму с заранее установленной арматурой. Затем отформованное изделие транспортируется на пост нанесения слоя бетона повышенной термостойкости 6. Из предварительно заполненных сырьевых бункеров склада 1 навески цемента, гранулированного шлака, шунгита, волокна хризатил-асбеста и воды подаются в смеситель принудительного действия 3. Приготовленная смесь подается в бетоноукладчик 5, с помощью которого наносится слой бетонной смеси повышенной термостойкости толщиной до 20 – 40 мм. Нанесенный слой уплотняется вибробрусом 7. После предварительной выдержки изделия вариатропной конструкции поступают в ямную пропарочную камеру 8, где подвергаются тепловлажностной обработке. После обработки и остывания плиты перекрытия вариатропного строения распалубливаются и отправляются на склад. Очищенные формы собираются, смазываются и используются в следующем цикле.

4.4. Технико-экономическая эффективность предложенных решений по огнезащите вариатропных железобетонных изделий

Бетонные и железобетонные конструкции благодаря сравнительно небольшой теплопроводности бетона достаточно хорошо сопротивляются воздействию пожара, что в работе подтверждено расчетом предела огнестойкости железобетонной плиты по потере несущей способности без огнезащиты, который составил 64 мин.

Однако ввиду того, что современные железобетонные конструкции, как правило, выполняются тонкостенными и пустотными без монолитной связи с другими элементами здания, их способность выполнять свои функции по огнестойкости ограничена 1 ч, а иногда и менее того. В случае подземных сооружений, в которых бетон, как правило, имеет повышенную влажность, увеличение

86

87

Рис. 4.12. Схема получения вариатропных конструкций плит перекрытия

сприменением слоя бетона повышенной термостойкости:

1– склад сырьевых материалов; 2 – дозаторы; 3 – смесители принудительного действия; 4 – пост формования оснащенный виброплощадкой; 5 – бетоноукладчик; 6 – пост нанесение слоя повышенной термостойкости;

7 – вибробрус; 8- ямная пропарочная камера

толщины защитного слоя бетона может не обеспечить желаемых результатов или даже привести к обратным результатам ввиду высокой вероятности взрывного разрушения бетона во время пожара. Повышения огнестойкости требуют и другие конструкции, например, кабельные каналы, элементы тоннелей и т.д.

Оценка экономической эффективности от использованного разработанного бетона повышенной термостойкости проводилась путем расчета стоимости данного материала для обеспечения требуемого предела огнестойкости железобетонной плиты перекрытия REI 150. Постановка задачи диктуется необходимостью соблюдения требований пожарной безопасности для зданий, имеющих разные функциональные зоны, т.е. помещения различной функциональной пожарной опасности. Например, согласно СП 4.13130.2013 п. 6.11.7 автостоянки легковых автомобилей допускается встраивать в здания других классов функциональной пожарной опасности I и II степеней огнестойкости класса С0 и С1, за исключением зданий классов Ф1.1 зданий дошкольных образовательных организаций, Ф 4.1 зданий образовательных организаций, а также Ф5 зданий производственного и складского назначения категорий А и Б. При этом, автостоянки (включая механизированные) должны иметь степень огнестойкости не менее степени огнестойкости здания, в которое они встраиваются, и отделяться от помещений (этажей) этих зданий противопожарными стенами и перекрытиями 1-го типа. Согласно ФЗ № 123, табл. 23 перекрытия 1-го типа должны иметь предел огнестойкости REI 150.

Критерием эффективности являлась не только стоимость материала на 1 м2 поверхности плиты без учета работы по монтажу огнезащиты, но также срок службы огнезащиты, обеспечивающий технический эффект, в качестве которого выступал требуемый предел огнестойкости для противопожарных перекрытий 1-го типа – REI 150.

В ходе расчетов установлено, что при толщине слоя 15 мм себестоимость разработанного термостойкого бетона при расходе на 1 м2 плиты составляет

37,1 руб. (в ценах 2013 г.).

Следует отметить, что согласно [136] ведомственным строительным нормам ВСН 53-86 (р) «Правила оценки физического износа жилых зданий» продолжительность эксплуатации огнестойкой вариатропной железобетонной плиты перекрытия из элемента слоя бетона повышенной термостойкости в зданиях составляет около 80 лет в отличие от других огнезащитных изделий со сроком службы без ремонта около 10 – 15 лет. Следовательно, несмотря на относительно высокую себестоимость, применение покрытия из бетона повышенной термостойкости позволяет только за счет повышения срока службы вариатропной конструкции повысить экономическую эффективность от 4 до 8 раз.

Таким образом, по результатам данной главы можно сделать следующие обобщения. Показано, что предел огнестойкости железобетонной плиты по потере несущей способности без огнезащиты составил 64 мин; при нанесении слоя бетона повышенной термостойкости толщиной 0,01 м он составил

88

145 мин, т.е. увеличился в 2,2 раза, с увеличением толщины защитного слоя до 0,015 м предел огнестойкости плиты повысился в 2,6 раза и составил 170 мин; при толщине слоя бетона 0,02 м отмечено увеличение предела огнестойкости более чем в 3 раза, что составило 194 мин; а при толщине 0,04 м – более чем в 5 раз и предел огнестойкости составил 342 мин.

Экономическая эффективность вариатропных изделий с применением бетона повышенной термостойкости достигается за счет повышения эксплуатационного срока службы конструкции от 4 до 8 раз смонтированной из указанных изделий. Относительно высокая себестоимость покрытия из бетона повышенной термостойкости оправдывается длительным сроком эксплуатации такой конструкции.

89

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленные исследования, выполненные с термодинамических позиций, доказали эффективность совмещения материалов – шунгита, цемента, граншлака, асбеста в бетоне повышенной термостойкости, что обеспечивает стабильность бетона и его требуемые свойства для огнестойких железобетонных изделий. Показана целесообразность применения частиц шунгита размером от 2,5 до 0,16 мм и менее, обеспечивающих термостойкость образцов бетона и сохранение 64 % от их первоначальной прочности в отличие от образцов бетона эталонного состава при испытаниях в условиях стандартного пожара. Методом планирования эксперимента осуществлен подбор рационального состава бетона повышенной термостойкости по требуемым реологическим параметрам смеси, средней плотности и прочности бетона. Базируясь на основах теории протекания, показано, что для исследуемой системы «цементный ка- мень-шунгит» целесообразно реализовывать «модель протекания по касающимся сферам», согласно которой объем частиц шунгита в составе цементного камня не должен превышать 16 % от общего объема вяжущего вещества.

Исследованиями на нано-, микро и макроуровне при температурных воздействиях от 700 0С до 1100 0С установлены изменения как его структуры, так и элементного состава цементного камня в зоне контакта с зернами шунгита, что обуславливает динамическое изменение теплофизических параметров такого бетона, обеспечивающих повышение огнестойкости железобетонных конструкций на основе вариатропных изделий, в которых слой из бетона повышенной термостойкости выполняет огнезащитную функцию.

Установлено, что разработанный бетон повышенной термостойкости обладает динамическим изменением теплопроводности с 0,26 до 0,19 Вт/м·0С при увеличении температурных воздействий от 20 0С до 1100 0С, что вызвано вспучиванием шунгита и изменением элементного состава цементного камня в зоне контакта с зернами шунгита, что обеспечивает повышение термостойкости до 8 раз (с 0 до 8 циклов) при температурном воздействии 1100 0С.

Показано, что предел огнестойкости железобетонной плиты по потере несущей способности без огнезащиты составил 64 мин; при нанесении слоя бетона повышенной термостойкости толщиной 0,01 м он составил 145 мин, т.е. увеличился в 2,2 раза, с увеличением толщины защитного слоя до 0,015 м предел огнестойкости плиты повысился в 2,6 раза и составил 170 мин; при толщине слоя бетона 0,02 м отмечено увеличение предела огнестойкости более чем в 3 раза, что составило 194 мин; а при толщине 0,04 м – более чем в 5 раз и предел огнестойкости составил 342 мин.

Экономическая эффективность вариатропных изделий с применением бетона повышенной термостойкости достигается за счет повышения эксплуатационного срока службы конструкции от 4 до 8 раз смонтированной из указанных изделий. Относительно высокая себестоимость покрытия из бетона повышенной термостойкости оправдывается длительным сроком эксплуатации.

90