книги из ГПНТБ / Ильин, Н. А. Огнестойкость железобетонных и каменных конструкций лекции для студентов специальностей ПГС и СХС

тайных панелей критическая температура арматурной стали равна 450° С ).

При одинаковой толщине защитного слоя бетона огнестой­ кость плит выше, чем тонкостенных балок, так как прогрев ар­ матуры балок происходит с трех сторон, а плит — только с од­

ной.

2. Статически неопределимые железобетонные конструкции.

При огневом воздействии на статически неопределимую жёлезо-

В растянутом бетоне опор­ ных сечений образование и раскрытие трещин происходит после­ довательно сначала по концам участка текучести арматуры, а за­ тем — в середине его длины.

В результате прогрева бетона до высоких температур его пластичность в сжатой зоне у опор возрастает.

Полное разрушение балки происходит в момент образования

20

третьего пластического шарнира в середине пролета■ В этом месте предел текучести арматуры вследствие нагрева снижается до действующих напряжений. Из-за перераспределения усилий в рабочей арматуре в середине пролета напряжения существенно уменьшаются, что приводит к повышению критической темпера­ туры арматуры (до 600° С).

Такой характер разрушения статически неопределимого же­ лезобетонного элемента увеличивает длительность его сопротив­ ления рабочей нагрузке при огневом воздействии.

Прогибы статически неопределимых железобетонных конст­ рукций являются необратимыми, так как возникают в резуль­

В процессе огневого воздействия и после него по сечению ко­ лонн с размерами bX h не менее 200X200 мм наблюдается зна­ чительный (800—-1000° С) перепад температур (рис. 13, а). Вслед­ ствие этого фактическая остаточная прочность бетона по сече­ нию колонн изменяется от первоначальной величины непрогретого бетона при 20—40° С до нуля — при 700—1000°С. Характер изменения прочностных и деформативных свойств бетона пока­ зан на рис. 13, б, в и г.

Неравномерность прогрева вызывает перераспределение напряжений по сечению. Наиболее прогретые части сечения бе­ тона и рабочая арматура у поверхности колонны разгружаются за счет развития температурной ползучести усадки и снижения прочности. Это вызывает увеличение напряжений в центре сече­ ния колонны, так как слабо нагретые слои бетона сохраняют прочность и упругость.

Полное разрушение колонны наступает при достижении в средней части колонны напряжения, равного величине временно­ го сопротивления сжатию бетона при деформациях, близких к предельной сжимаемости слабо прогретого бетона по сечению-

Внецентренно сжатые колонны могут обогреваться как со стороны сжатой зоны, так и со всех сторон. Огнестойкость ко­ лонн в каждом из этих случаев различна. При нагреве колонн до критической температуры со стороны растянутой зоны обра­ зуется пластический шарнир. На огнестойкость внецентренно сжатых колонн оказывают также влияние величина эксцентри-

21

ситета приложения нагрузки и величина горизонтального усилия от продольного температурного удлинения опирающихся эле­ ментов перекрытий.

4. Железобетонные фермы. Огнестойкость ферм определяет­ ся продолжительностью сопротивления наиболее слабого, с точ­ ки зрения огнестойкости, элемента в статическом и тепловом от­ ношениях. У железобетонных ферм такими элементами являют­ ся растянутые или сжатые стержни. Поведение сжатых элемен­ тов ферм при огневом воздействии аналогично поведению сжа­ тых колонн. Огнестойкость растянутых элементов ферм характе­ ризуется нагревом рабочей арматуры до критической темпера­ туры.

Во время пожаров в менее благоприятных условиях находит­ ся верхний сжатый пояс и элементы решетки, примыкающие к нему, вследствие концентрации тепла вверху у перекрытия.

Изложенная выше работа элементов справедлива для ферм из бетона марки не менее 300, работающих как шарнирные в уз­ лах. При меньшей прочности бетона разрушение узлов фермы происходит через 10—15 мин. после начала огневого воздействия в результате действия температурных напряжений.

Результаты испытаний моделей ферм показали, что предел огнестойкости ферм равен 40—60 мин. Необратимая потеря прочности при этом не превышала 5%, необратимые прогибы ферм с ненапрягаемой арматурой — 1/150 пролета. Огнестой­ кость определялась текучестью арматуры нижнего пояса (наибо­ лее слабого в статическом и тепловом отношениях).

§ 6. ОСНОВЫ РАСЧЕТА ОГНЕСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИЙ

Расчет огнестойкости строительных конструкций основан на исследовании интенсивности огневого воздействия, процесса теп­ лопередачи и оценке статических схем работы конструкций.

Интенсивность огневого воздействия характеризуется его про­ должительностью и температурой. В жилых и административных зданиях, школах и больницах, гостиницах и сельскохозяйствен­ ных зданиях продолжительность огневого воздействия не превы­ шает 1—2 часов, температура при этом достигает 1000—1100°С. В торговых и театральных зданиях, библиотеках и архивах про­ должительность огневого воздействия с температурой до 1200° С может быть равна 2—3 часам. В производственных и складских зданиях с большим количеством сгораемых веществ и материалов огневое воздействие с температурой 1200—1300° С может превы­ шать 4—6 часов.

Условие огнестойкости конструкций пожароопасных зданий и сооружений проф. В. И. Мурашевым выражено зависимостью

23

циент безопасности, который гарантирует определенную надеж­ ность конструкции при огневом воздействии и после него. Коэф­ фициент огнестойкости &0> 1 принимают для конструкций, к ко­ торым предъявляются требования сохранности после огневого воздействия; k0^L 1 принимают для конструкций, к которым та­ кие требования не предъявляются (табл. 1).

Для конструкций, проектируемых с k0^ . \ , за критерий насту­ плений предела огнестойкости принимают время до полного раз­ рушения (обрушения) конструкции (случай 1).

Для конструкций с &0> 1 предел огнестойкости но потере не­ сущей способности определяют временем огневого воздействия до наступления безвозвратной потери прочности, жесткости и деформативности больше допустимых величий (случай II).

6.1. РАСЧЕТ ТРЕБУЕМОЙ ОГНЕСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИЙ

Несмотря на кажущуюся простоту, определение продолжи­ тельности огневого воздействия по формуле (6) для расчета тре­ буемой огнестойкости конструкций представляет значительную сложность. Это объясняется тем, что скорость выгорания матери­ ала не является величиной постоянной и зависит от условия воз­ духообмена. Кроме того, при определении продолжительности огневого воздействия не учитывается такой важный фактор, как величина температуры огневого воздействия. Поэтому при расче­ тах требуемой огнестойкости конструкций важно знать не абсо­ лютную, а относительную к нормированному режиму продолжи­ тельность огневого воздействия (формула 1).

На основании результатов отечественных и зарубежных иссле­ дований разработана методика определения требуемой огне­ стойкости конструкций, введено понятие огневой нагрузки и при­ нято, что величина ее в основном влияет на расчетную продол­ жительность огневого воздействия.

Общее количество сгораемых материалов, приведенное к ус­ ловному виду топлива (древесине), представляет собою сгорае­ мую нагрузку, которую определяют по формуле

24

Величину сгораемой нагрузки на 1 м2 этажа здания прини­ мают по табл. 2.

Огневую нагрузку получают умножением величины сгорае­ мой нагрузки на коэффициенты, учитывающие специфику про­ цесса сгорания а, р, f и продолжительность температурного воз­ действия на конструкции здания у.

Коэффициентом этажности и условий дымоудаления а (табл. 3) учитывается рост огневой нагрузки при увеличении количест­ ва этажей, а также при уменьшении s — отношения площади дымоудаляющих проемов f0 к площади пола помещения F0.

Скорость горения материалов учитывают при помощи коэф­ фициента возгорания р (табл. 4); повышенную пожарную опас­ ность от изменения глубины отсека или же от затрудненного доступа в него — при помощи коэффициента площади f (табл.

5)- ,

Результирующий коэффициент пожароопасности здания оп­

Коэффициентом защиты здания у (табл. 6) определяется сте­ пень использования объектовой профессиональной пожарной.ох­ раны при тушении пожара и результирующий коэффициент по­ жароопасности здания Ко-

Расчетную огневую нагрузку определяют 'по формуле

где р0 — сгораемая нагрузка, кг/м2; Ь = у- К0 — коэффициент огневого воздействия.

Расчетную продолжительность огневого воздействия т рас, при­ веденного к нормированному температурному режиму tc—т, оп­

где р — расчетная величина огневой нагрузки, кг/м1. '* Используя формулы (5) и (10), можно определить величину

требуемого предела огнестойкости конструкций.

6.2.РАСЧЕТ ФАКТИЧЕСКОЙ ОГНЕСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИЙ

Расчет огнестойкости железобетонных и каменных конструк­ ций состоит из двух частей; теплотехнической и статической.

Втеплотехнической части расчета определяют распределение температуры по сечению конструкции в процессе ее нагрева по стандартному температурному режиму (1) . В статической части расчета вычисляют несущую способность конструкции, подвер­ женной огневому воздействию заданной продолжительности. Построив график снижения несущей способности во времени, находят предел огнестойкости (в час), по истечении которого не­ сущая способность конструкции снизится до величины рабочей (действующей) нагрузки (см. пример расчета).

Расчет огнестойкости по признакам потери огнепреграждаю­ щей способности производят путем теплотехнического расчета.

Огнестойкость по признакам потери несущей способности оп­ ределяют с использованием теплотехнической и статической ча­ стей расчета.

Вслучае взрывообразного разрушения бетона предел огне­ стойкости конструкций не превышает 10—20 мин, при этом воз­ можно обрушение конструкции или потеря огнепреграждающей способности из-за образования в них сквозных отверстий. Расчет огнестойкости таких конструкций теряет практическое значение.

6.3.ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СЕЧЕНИЙ КОНСТРУКЦИЙ

1. Теплофизические характеристики бетона. С повышением температуры нагрева изменяются коэффициенты теплопроводно­ сти Xt и удельной теплоемкости ct бетонов (табл. 7).

При действии на бетон высоких температур свободная вода, находящаяся в порах, испаряется, замедляя темп прогрева бе­ тона в принципе так же, как это происходит в результате умень­ шения коэффициента температуропроводности.

Докт. техн. наук А. И. Яковлевым [11] введен в расчет при­ веденный коэффициент температуропроводности апр при тем­ пературе 450°С, с помощью которого учитывается влияние испа­ рения воды на скорость прогрева бетона

где kt и ct — значения, найденные по табл. 7 при £=450° С; рш— весовая влажность бетона, %;

Тс — Too-Ьр У,в— объемная масса сухого бетона, кг/ж3-

2. Начальное и граничные условия теплотехнического расче­ та. Расчет температур по сечению конструкции при огневом воз­ действии производят на основе дифференциального уравнения теплопроводности Фурье, которое характеризует температуру внутри конструкции в любой момент времени. Для решения уравнения Фурье нужно знать распределение температуры по сечению в начальный момент времени (начальное условие), гео­ метрическую форму сечений и закономерности теплообмена меж-

26

ду окружающей средой и поверхностями конструкции (гранич­ ные условия).

До начала огневого воздействия температуру в толще конст­ рукции принимают равной температуре внутри здания tu.

Граничные условия — температура окружающей среды tc и коэффициент теплообмена а.

Температуру обогреваемой поверхности железобетонных кон­

Распределение температуры по сечению стенок, обогреваемых

i/2 4* 27

прямоугольных сечений распределение температуры двумерного поля определяют по формуле

где txz и ty- — температуры во времени одномерных полей, оп-

,. ределяемых по формуле (15).

5.Расчет слоев бетона, прогретых до заданных температур.

При оценке огнестойкости колонн и статически неопределимых изгибаемых конструкций необходимо произвести расчет толщины сжатого бетона, прогретого до заданной критической температу­ ры ТКр.

где Сж— определяют по формуле (17) по величинам 0 Хи Fox. Размеры ядра прямоугольных сечений обогреваемых с двух

где ®ях — относительная избыточная температура ядра сечения

где Гкр — критическая температура нагруженного бетона;

tc и ta — температура огневого воздействия и начальная тем­ пература.

б. Определение'температуры слоев бетона по эксперименталь­ ным кривым прогрева. Определение температуры по сечению бе­ тонных и железобетонных конструкций по экспериментальным кривым прогрева особенно удобно для тонкостенных конструк­ ций и для конструкций, огнестойкость которых характеризуется временем прогрева защитного или облицовочного слоя.

В настоящее время разработаны номограммы и графики про-

28

Рис. 14. Графики прогрева плит:

а — керамзитобетон (Vo= 1450 кг/м*, р в= 3,5%); 6 — тяжелый известняковый бетон; в — схема обогрева и расстановки термопар по сечению плиты.

]____________________________________________________________ 1