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

грева сечений Железобетонных конструкций [2, 11]. График про­ грева плит, выполненных из керамзитобетона и тяжелого бето­ на, при одностороннем огневом воздействии по нормированному температурному режиму приведен на рис. 14-

6.4. СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОГНЕСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИЙ

Огнестойкость конструкций, рассчитываемая по случаю II, утрачивается в результате потери несущей способности (пол­ ностью или частично) за счет снижения прочности и температур­ ной ползучести арматурной стали и бетона при нагреве или пос­ ле' него. Следовательно, статическим расчетом определяют оста­ точную несущую способность конструкции, подверженной огнево­ му воздействию заданной продолжительности.

Предельное состояние нагруженной железобетонной конст­ рукции, подверженной огневому воздействию, характеризуется

критическими температурами арматуры и бетона или предель­ ным сокращением площади поперечного сечения в результате потери прочности бетона, прогретого до критической темпера­ туры.

Для определения критических температур нагрева материа­ лов (арматуры и бетона) или критическихсечений конструкций составляют условия равновесия внешних сил и внутренних уси­ лий, а также условия деформации, т. е. решают обычную стати­ ческую задачу.

§ 7 . ОЦЕНКА ОГНЕСТОЙКОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Пределы огнестойкости некоторых железобетонных конструк­ ций проведены В СНиП П-А. 5-70 (приложение 2) [4].

Фактическая огнестойкость железобетонных элементов зави­ сит от их напряженного состояния в процессе нагрева, измене­ ния прочностных и деформативных свойств бетона и арматуры под воздействием температуры, статической схемы работы кон­ струкций, размеров их сечений и скорости прогрева бетона.

Температуры, при которых напряжения в арматуре или в бе­ тоне снижаются до рабочих (действующих), называют критиче­ скими температурами.

При проектировании новых железобетонных конструкций предел огнестойкости можно определить инженерным расчетом. При этом теплотехническая часть расчета может быть выпол­ нена с помощью формул, предложенных докт. техн. наук А. И. Яковлевым, или определена по экспериментальным кривым про­ грева бетона.

В статической части расчета огнестойкости вычисляют оста­ точную несущую способность нагретой конструкции Np.t во вре-

30

мени т. По графику Np.t—т находят предел огнестойкости — от­ резок времени, по истечении которого несущая способность на­ гретой конструкции уменьшится до величины рабочей нагрузки,

т. е. Np. i = N U.

где ya — коэффициент изменения прочности арматурной стали с повышением температуры нагрева (рис. 2).

В случае армирования растянутой зоны элемента сталью од­ ного класса предел огнестойкости статически определимых изги­ баемых элементов наступает в результате нагрева растянутой арматуры до критической температуры. Величину критической температуры определяют по графику уа—t в зависимости от ви­ да арматурной стали. Коэффициент снижения нормативного со­ противления стали при нагреве определяют по формуле

M„ —. изгибающий момент от действующей нагрузки.

Если условия (27) и (29) не выполняются, то площадь сжа­ той арматуры в расчетные формулы (26) и (28) не вводят.

Затем при помощи теплотехнического расчета определяют продолжительность нагревания арматурной стали до величины критической температуры. Для плоских элементов теплотехни­ ческий расчет производят по формуле (14). Для балок (конст­ рукций с двумерным температурным полем по сечению) расчет температур арматуры производят для заданных отрезков вре­ мени огневого воздействия, затем строят кривую увеличения средней температуры арматуры во времени. На пересечении

31

полученной кривой с величиной критической температуры нахо­ дят предел огнестойкости.

2. Статически неопределимые железобетонные элементы. Ог­ нестойкость элементов утрачивается в результате снижения проч­ ности опорных и пролетных сечений.

Предел огнестойкости находят путем построения кривой сни­ жения несущей способности во времени нагрева Mp. t —т.

Несущая способность элемента в нагретом состоянии Мр. t и

Размеры опорных сечений сжатого бетона в результате нагрева до высоких температур уменьшают на толщину слоев, прогретых

7.2. СЖАТЫЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Предел огнестойкости центрально сжатых колонн наступает при достижении критической температуры в бетоне ядра сечения колонны. Огнестойкость определяют по графику снижения не-'

бетона и арматурной стали с повышением температу­ ры нагрева;

32

Fa — площадь ядра сечения колонны из бетона на извест­ няковом щебне, ограниченного изотермой с критиче­ ской температурой, которую можно определить по формуле '

уменьшают на 20%.

Площадь ядра прямоугольного сечения колонны определяют

определяют в зависимости от отношения площади сечения пусто­ ты F пуст к площади всего сечения Д пл. Для этого вначале вы­ числяют огнестойкость сплошной колонны, а затем результат ум­ ножают на коэффициент, полученный по графику (рис. 15).

Предел огнестойкости внецентрешо сжатых колонн зависит от случая сжатия (в зависимости от эксцентриситета) и вида обогрева колонн (3- или четырехсторонний обогрев). При расче­ те усилий в сечениях колонн действие ветровой и крановых на­ грузок не учитывают-

Внецентренно сжатые колонны работают в стадии разру­ шения по первому случаю (у которых первопричиной исчерпа­ ния несущей способности является достижение напряжений в растянутой арматуре предельных значений), если справедливо условие

где bt — расчетная ширина прогретого сечения; Л0. t— полезная высота расчетного сечения.

Несущую способность нагретых колонн определяют по фор­ муле

33

f лист.

Рис. 15. График зависимости огнестойкости железобетонных пустотелых колонн от соотношения ГПуст : Г'спл.

Несущую способность нагретых колонн, работающих в ста­ дии разрушения по второму случаю (первопричиной разрушения которых является достижение напряжений в сжатом бетоне пре­ дельных значений), определяют по формуле

где xt — высота сжатой зоны нагретого сечения;

К

где e' — расстояние от точки приложения усилия Ыя до центра сжатой арматуры.

В последней формуле под корнем принимают знак ( + ) при e ^ .h 0—а', а знак (—) при е>Л 0—а', где h0 — полезная высота сечения конструкции до нагрева.

34

ности огневого сопротивления при нагревании наиболее нагру­ женного в статическом и тепловом отношении элемента. Если такой элемент фермы заранее неизвестен, то огнестойкость оп­ ределяют для всех несущих элементов фермы.

Огнестойкость сжатых элементов фермы определяют по фор­ муле (35).

Расчет огнестойкости растянутых элементов начинают с оп­ ределения критической температуры арматуры tKp (рис. 2) при уа, равном

где Nn — усилие в растянутом элементе от рабочей нагрузки, кг. Построеяием графика изменения средней температуры стерж­ ней арматуры во времени Таср—т определяют предел огнестой­ кости элемента при критической температуре iHр, т. е. при

/с? - t

la —*кр*

§ 8. ОЦЕНКА ОГНЕСТОЙКОСТИ КАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Пределы огнестойкости некоторых каменных конструкций приведены в СНиП П-А. 5-70 (приложение 2) [4].

Огнестойкость каменных конструкций зависит от их напря­ женного состояния в процессе нагрева, изменения прочностных и деформативных свойств кирпича и раствора, ра'змеров сечения конструкций и скорости прогрева каменной кладки.

Стены и перегородки из обыкновенного глиняного и силикат­ ного кирпича имеют достаточно высокую огнестойкость при тол­ щине сечения не менее' 12 см. Лучше сопротивляются огню ка­ менные конструкции стен и перегородок, выполненные из бетон­ ных панелей и блоков, а также панели сплошного сечения из легких или ячеистых бетонов. Несколько хуже огневому воздей­ ствию сопротивляются конструкции стен из естественных и гип­ совых камней, облегченных кирпичных кладок с заполнением

легким бетономОгнестойкость каменных конструкций сплошного сечения

всегда выше, чем пустотелых (облегченные кладки) или выпол­ ненных из пустотелых изделий.

Виброкирпичные панели из обыкновенного глиняного и сили­ катного кирпича при толщине не менее 15 см имеют огнестой­ кость не меньшую, чем панели из бетонных панелей или блоков.

35

Незначительное изменение прочностных свойств кирпича при действии высоких температур позволяет оценивать огнестой­ кость тонкостенных виброкирничных панелей по прогреву необогреваемой поверхности (случай I).

Огнестойкость стен и перегородок зависит от их конструк­ тивной схемы. Пределы огнестойкости несущих стен в зависи­ мости от величины нормальных напряжений в сечении могут быть повышены на 30% и более.

Огнестойкость каркасных стен, где кирпич используют как заполнитель, зависит от материала каркаса п йго конструкции (защита штукатуркой, облицовка кирпичом и т. п. для стального каркаса). Огнестойкость железобетонных каркасных стен с кирпичным заполнителем оценивают по пределу огнестойкости железобетонных элементов каркаса с учетом их жесткой связи.

Расчет предела огнестойкости каменных конструкций произ­ водят, как правило, по признаку повышения температуры на необогреваемой стороне на 140° С (для стен и перегородок) и ре­ же — по признаку потери несущей способности.

При оценке огнестойкости каменных конструкций по призна­ ку прогрева используют только теплотехническую часть расчета. Определение температуры в сечениях конструкций производят с учетом теплофизических характеристик для каменных материа­ лов, используя расчетные формулы (11) —(22).

§ 9. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ДАЛЬНЕЙШЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОНСТРУКЦИИ ПОСЛЕ ПОЖАРА

9.1. ОСОБЕННОСТИ РЕШЕНИЯ ВОПРОСА ПОВТОРНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОНСТРУКЦИЙ

Для решения вопроса о возможности дальнейшей эксплуата­ ции здания, поврежденного в результате пожара, необходимо определение, фактической величины остаточной несущей способ­ ности строительных конструкций.

Поверочный расчет поврежденных конструкций следует про­ изводить в соответствии с нормами и правилами строительного проектирования с учетом изменения прочностных и деформативных свойств материалов конструкций-

Материалами для оценки пригодности каменных и железобе­ тонных конструкций являются данные натурного освидетельство­ вания конструкций.

Определение возможности повторной эксплуатации строи­ тельных конструкций, поврежденных огнем, сводят к сопоставле­ нию данных, полученных при натурном освидетельствовании и поверочных расчетах.

36

Возможность дальнейшей эксплуатации каменных и железббетонных конструкций после огневого воздействия должна быть исследована для каждого конкретного случая.

9.2. ПРИЧИНЫ НЕОБРАТИМОЙ ПОТЕРИ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ

Потеря несущей способности конструкции может произойти вследствие действия ряда факторов:

—изменения прочностных и деформативных свойств арма­ турных сталей и бетона;

—нарушения совместной работы арматуры с бетоном;

_— возникновения температурных напряжений в сечениях конструкций в результате неравномерного нагрева.

Эти причины приводят к увеличению прогибов и перемеще­ ний, к изменению напряженно-деформированного состояния, к частичному снижению несущей способности пли обрушению конструкций.

' Результаты исследования железобетонных конструкций после реальных пожаров показывают, что поведение и состояние неко­ торых конструкций (первый случай сжатия) определяются главным образом изменениями физико-механических свойств арматурных сталей.

9.3 ПОВЕДЕНИЕ И СОСТОЯНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ПОСЛЕ ПОЖАРА

ВСЛЕДСТВИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ

1. Поведение конструкций вследствие изменения свойств ста­ лей. После огневого воздействия железобетонные конструкции снижают несущую способность, жесткость и трещиностойкость.

Механические характеристики обычной горячекатаной стали (ст. 3, ст. 5) не изменяются после нагрева до 8'00° С.

Арматурные стали, подвергнутые холодной обработке, после нагрева выше определенных температур снижают прочность (те­ ряют наклеп). Критическая температура, выше которой происхо­ дит необратимая потеря наклепа, зависит от начального упроч­ нения. Величина необратимой потери прочности холоднотянутых сталей после нагрева зависит от степени наклепа и температуры нагрева. Так, для стали с временным сопротивлением разрыву 5500 кг/см2 величина необратимого снижения наклепа составля­ ет 400° С; для стали с временным сопротивлением разрыву

18000 кгс/см2 — 200° С.

. Наиболее благоприятные результаты после огневого воздей­ ствия дают конструкции, армированные горячекатаными сталя­ ми, у которых необратимое снижение прочности после нагрева незначительно; несколько хуже — армированные холоднотяну­

37

той и холодносплющенной стержневой арматурой; наихудшие результаты— конструкции, армированные высокопрочной хо­ лоднотянутой проволокой.

У горячекатаной низколегированной стали марки 25Г2С после нагрева до 200—500° С отмечено увеличение предела текучести; необратимое снижение предела текучести происходит при темпе­ ратуре свыше 600° С. После нагрева до 800° С величина необра­ тимого снижения предела текучести равна 12%.

Однако на поведение конструкций после огневого воздейст­ вия, кроме изменения прочности арматурных сталей, неменьшее влияние оказывает развитие деформаций ползучести арматур­ ных сталей при нагреве-

В преднапряженных конструкциях температурная ползучесть- стали вызывает потери преднапряжения, что приводит к обра­ зованию необратимого прогиба и снижения жесткости. Для не­ напряженных конструкций температурная ползучесть арматур­ ных сталей, приводит также к необратимым прогибам и искрив­ лениям конструкции после огневого воздействия.

Ползучесть обычной горячекатаной стали (ст. 3 и ст. 5) за­ метно проявляется при температурах выше 350° С. В интервале температур от 400 до 550° С происходит значительное увеличение деформаций температурной ползучести.

У низколегированной горячекатаной стали марок 25ГС и 35ГС, нагруженной до рабочих напряжений (0,4^ан) в процессе нагрева, деформации температурной ползучести при температу­ ре до 400—450° С увеличиваются до величины еп=0,02, затем скорость ползучести увеличивается и при еп=0,02 составляет 0,002 в минуту. За пределами еп=0,02 деформации температур­ ной ползучести при температуре 500—550° С резко возрастают и арматура разрывается [13].

2. Поведение конструкций вследствие изменения свойств бе­ тона. Поведение и состояние некоторых железобетонных конст­ рукций, первопричиной исчерпания несущей способности кото­ рых является разрушение бетона в наиболее напряженной зоне, после огневого воздействия определяются изменениями прочно­ стных и деформативных свойств бетона в охлажденном состоя­ нии.

Железобетонные конструкции снижают несущую способность (за счет уменьшения предела прочности бетона), жесткость и трещиностойкость (в результате необратимой деформации от температурной ползучести и релаксации нагруженного бетона, уменьшения модуля упругости и образования температурно-уса­ дочных трещин) .

Изменение прочностных и деформативных свойств бетона приведено на рис. 6—7. Из графиков видно, что призменная прочность керамзитобетона, нагретого до 400° С, после охлажде­ ния изменяетсяшезначительно. При дальнейшем повышении тем-

38

пературы нагрева прочность и деформативность керамзитобетона резко снижаются.

9.4. ПОВЕДЕНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ВСЛЕДСТВИЕ НАРУШЕНИЯ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ АРМАТУРЫ С БЕТОНОМ

Совместная работа арматурных сталей с бетоном после огне­ вого воздействия может нарушиться в следующих случаях:

—при уменьшении прочности сцепления арматуры с бето­ ном, достигающей действующих напряжений в контактном слое бетона;

—при взрывообразном разрушении бетона;

—при отколах и растрескивании защитного слоя бетона;

—при сдвиге частей конструкции относительно друг друга вследствие их неравномерного прогрева;

—вследствие плавления керамзита керамзитожелезобетон­

ной конструкции при пожаре большой интенсивности (в складах каучука, резино-технических изделий, горючих жидкостей, сма­ зочных материалов и т. п.)-

На величину прочности сцепления арматурной стали с бето­ ном основное влияние оказывают профиль арматурной стали, температурные деформации материалов (бетона и стали) и клеющие способности цементного камня.

Сцепление гладкой арматуры е керамзитобетоном при повы­ шении температуры нагрева резко уменьшается и после нагре­ ва выше 400° С полностью нарушается; сцепление арматуры периодического профиля с керамзитобетоном после нагрева до 600° С не снижается, однако при 700° С составляет только 60% первоначальной величины.

Это объясняется тем, что при нагревании от разности коэф­ фициентов температурного расширения стали и бетона и темпе­ ратурной усадки бетона в сечениях конструкции создается слож­ ное напряженное состояние. Возникают температурные контакт­ ные напряжения. Одновременно с этим происходят пластические деформации, которые приводят к перераспределению напряже­ ний между бетоном и арматурой и к увеличению контактных напряжений. При остывании конструкций сцепление арматурной стали с бетоном нарушается еще в большей степени, это проис­ ходит вследствие расклинивания стали из бетона и изменения склеивающих и прочностных свойств цементного камня и бетона.

Опасным, с точки зренияобрушения конструкции после огне­ вого воздействия, является нагрев концов (зоны анкеровки) же­ лезобетонных конструкций. Потеря сцепления арматуры с бето­ ном в середине пролета конструкции приводит к снижению жест­ костиПоврежденный защитный слой бетона, потерявший сцеп­ ление с арматурой, заменяют вновь нанесенным.

39