ЗиС_Учебник / Glava7_2

539

Главный корпус завода представляет собой бесфонарное здание,

выполненное из сборного железобетона (рис. 7.67).

Рис.7.67.Фрагментглавногокорпусазаводапластмасс.Разрезы1:1(восяхМ:С)

и2:2(врядах25:37):

1 :противопожарныестеныизсиликатногокирпича; 2 :колоннысредниетипаК:2 двухветвевыежелезобетонныенесущегокаркаса;3 :стропильныебалкижелезобетонныетипа БПС:18;4 :подстропильныебалкижелезобетонныетипаББС:5П:2; 5 :плитыперекрытиятипа ПНСиЛКЖ;6 :ригелиэтажерки;7 :колонныпервогоэтажа(шаг6м);8 :колонныкрайние

типаК:1(шаг6м);9 :навесныекерамзитобетонныепанели

Отсек склада, где произошел пожар, расположен в осях Н*С и осях

25:35 (размером в плане 60 × 54 м).

Зоны интенсивности огневого воздействия у низа конструкций покрытия показаны на рис. 7.68:

I : зона горения сырья – температура 1200:2000оС, длительность

4:6 час;

540

Рис.7.68. Расположениезонинтенсивностиогневоговоздействияприпожаревскладесырьяи готовойпродукцииглавногокорпусазавода:

I : зона горения сырья и готовых изделий из пластмасс;II, III, IV :соответственнозоны высокой,среднейислабойинтенсивностиогневоговоздействия(стрелкойобозначено направлениеветра)

II : зона высокой интенсивности огневого воздействия –

температура 1000оС:1200оС, длительность – 2,5:3,5 часа;

III : зона средней интенсивности – температура – 800:1000оС, длительность 1,5:2 часа;

IV : зона слабой интенсивности – температура 600:800оС, длительность 1,5:2 часа.

Фактические пределы огнестойкости основных несущих

конструкций составляли 3 часа. Влияние линейных температурных деформаций и прогибов элементов оказало существенное влияние на

совместную работу конструкций, связанных между собой. В результате

обрушения двух несущих колонн основного каркаса (П:33 и Р:41) произошло разрушение элементов покрытия склада сырья завода

пластмасс.

Таблица 7.4

Сравнительные данные по обрушению конструкций

При этом возникает еще одна проблема – проблема эвакуации,

например, для высотных жилых и административных зданий. Она

заключается в том, что нельзя воспользоваться допущением о выходе из строя отдельных несущих конструкций по истечении их предела

огнестойкости. Для высотных зданий, очевидно, необходимо исходить из

более глубокой предпосылки, т.е. нужно рассматривать недопустимость обрушения всего сооружения в целом. Это означает, что даже при самой

неблагоприятной величине пожарной нагрузки на любом этаже

огнестойкость несущих конструкций должна быть настолько высокой, чтобы полностью исключалась возможность катастрофы. При этом особо

следовало бы учитывать взаимовлияние горизонтальных и вертикальных

несущих конструкций. Таким образом, пределы огнестойкости строительных конструкций зданий и сооружений могут значительно

отличаться при их совместной работе (с учетом взаимного влияния

конструкций друг на друга) от пределов огнестойкости, полученных при испытаниях на огнестойкость в лабораторных условиях [7]. Результаты

обследования конструкций зданий, поврежденных пожаром, показывают,

что влияние совместной работы конструкций может как положительно, так и отрицательно сказываться на работе здания в условиях пожара.

Поэтому актуальность этой проблемы очевидна.

7.4.2. Испытания на огнестойкость натурных фрагментов зданий (методика и некоторые результаты)

Невозможность оценки огнестойкости зданий и сооружений, а

также конструкций больших размеров в лабораторных условиях, а также

необходимость проверки работы конструкций зданий и сооружений в

сочетании с другими элементами явились причиной проведения в нашей стране и за рубежом огневых испытаний натурных фрагментов зданий.

Целью таких испытаний, как правило, было определение общей

устойчивости зданий в процессе пожара и после него, а также определение остаточной несущей способности после пожара.

При проведении экспериментальных пожаров исходили из условия

обеспечения максимальной натурности опыта. Опытный объект обычно представлял собой двухэтажный фрагмент здания, включающий 4

помещения, а также лестничную клетку (для обеспечения простран:

ственной жесткости фрагмента и удобства работы). При испытании домов из объемных элементов использовали фрагменты меньших размеров

(рис.7.69).

Конструкции фрагментов загружались статической нагрузкой:

междуэтажные перекрытия – равномерно распределенной интенсив: ностью 1,5 кПа (150 кг.с/м2); несущие стены – с учетом веса недостающих

верхних этажей. В помещении квартир фрагментов размещали сгораемый

материал (деревянная мебель, бумага, ткани и древесина). Пожарная

нагрузка составляла 50 кг/м2.

542

Пожар воспроизводи:

ли в одном из средних поме:

щений первого этажа. Для исключения начальной стадии

пожара, хотя и ее надо учи:

тывать при оценке огне: стойкости конструкций, часть

экспериментов проводили при

открытых оконных проемах. В процессе испытаний визуально

наблюдали за состоянием

конструкций опытного объек: та, проводилась кино и фото

съемка, измеряли температуру

в объеме помещений и толще

лась также остаточная несу:

щая способность всего фрагмента здания или отдельных конструктивных элементов после их остывания.

Некоторые результаты натурных испытаний фрагментов зданий

приведены в таблице 7.5.

Анализируя данные, приведенные в табл. 7.5, можно сделать вывод,

что пожарная нагрузка 50 кг/м2, характерная для современной квартиры,

при пожаре на развитых стадиях пожара или стадиях затухания может вызвать местное, а иногда и общее разрушение конструкций здания.

Местные разрушения в большинстве случаев вызывались повышенной

влажностью бетона. Нарушение общей устойчивости здания происходило вследствие потери несущей способности внутренних стен, а также

обрушения наружных стен и перекрытий, являющихся горизонтальными

связями.

На огнестойкость несущих стен влияли их толщина, состав и

влажность бетона, величина нагрузки, степень сохранности

горизонтальных связей. Охлаждение водой из пожарных стволов раскаленных железобетонных тонкостенных панелей не вызывало их

обрушения.

Проведенные эксперименты позволили выявить недостаточно огнестойкие конструктивные схемы и разработать практические

рекомендации по улучшению проектных решений. Кроме того, выявлена

положительная особенность крупнопанельных зданий – общая повышенная прочность и устойчивость в результате не учитываемой

расчетом пространственной работы крупноразмерных элементов,

связанных в общую систему с часто расположенными узлами пересечений. Свойства этой системы – локальная реакция на воздействие

местных перегрузок или увеличение деформаций. Например,

крупнопанельные дома не разрушались, несмотря на иногда значительные нарушения правил монтажа. Не вызывали крупных аварий здания и

разрушения взрывом бытового газа панелей перекрытий или стен в

пределах одной квартиры. Причина такой особенности этих зданий

заключается в достаточной прочности узловых или стыковых соединений и перераспределении усилий от эксплуатационной нагрузки на соседние

неповрежденные элементы. Как подтвердили огневые испытания натурных

фрагментов зданий, несущие крупнопанельные элементы разрушаются в пролете, а не по узловым и стыковым сопряжениям.

Об испытаниях натурных фрагментов зданий наглядное

представление дает краткое описание огневых испытаний фрагментов здания из объемных блоков.

В 1967 году в городе Киеве были проведены огневые испытания

(3 опыта) на фрагментах зданий из объемных блоков.

Железобетонные блок:комнаты типа «колпак» имели 4 стенки толщиной 4 см и плиту потолка толщиной 3 см. Вертикальные и

горизонтальные углы усилены вутами 8 × 8 см.

Конструкция блок:комнаты разработана для условий поярусного опирания в четырех углах, причем плита потолка рассчитана только на сосредоточенный груз в 2000 Н.

544

Фрагмент здания при первом и третьем экспериментах состоял из 5

объемных блоков, причем 4 блока составляли первый этаж и один блок –

второй этаж (рис.7.69.).

Фрагмент здания при втором эксперименте состоял из 7 блоков,

причем 4 блока составляли первый этаж, а три блока – второй.

Измерение температур в объемах испытываемых блоков осуществлялось хромель:алюмелевыми термопарами, спаи которых

размещались в 0,5 м от потолка.

Температура на рабочей арматуре вертикальных угловых каркасов измерялась хромель:алюмелевыми термопарами, прикрепленными попарно

к 3 стержням на высоте 1,35 м от пола.

Измерение температуры на поверхности стен смежных комнат 1:го этажа и на поверхности перекрытий со стороны второго этажа

производилось при помощи хромель:копелевых термопар, размещаемых в

трех точках по диагонали поверхности.

В ходе экспериментов производились измерения следующих

деформаций:

прогиб середины плиты потолка; горизонтальные деформации середин продольных стенок из их

плоскости в трех точках по высоте;

вертикальные деформации наружных углов испытываемого объемного элемента;

прогиб середины панели пола в блоке второго этажа.

Для установления характера поведения конструктивных элементов объемного блока при охлаждении их водой в условиях пожара во втором

опыте при максимальном прогреве конструкций была подана вода от

автоцистерны по рукавной линии длиной 40 м и напоре на насосе 35 м

водяного столба. Продолжительность подачи воды составляла 3 минуты. При проведении экспериментов была зарегистрирована серия

хлопков с отколами бетона и образованием сквозных отверстий. Площадь

отколов колебалась от 0,5− 0,6 м2 до 4 м2 (первый эксперимент), но блоки несущей способности не утратили. Характер изменения температур и

деформаций представлены на рис. 7.70.:7.73.

После остывания в течение нескольких суток под нагрузкой испытываемые объемные блоки разгружались, а затем на гидравлическом

прессе нагрузку доводили до разрушения блоков. Характерным признаком

разрушения явилось образование наклонной трещины у опоры. Аналогично этому происходило и разрушение объемных блоков при их статических испытаниях. В результате проведенных экспериментов установлено, что

остаточная несущая способность блок:комнат после пожара превышает расчетную нагрузку в 1,5:2 раза, а ограждающие конструкции имели некоторые повреждения, не оказывающие существенного влияния на работу блок:комнат; деформации ненесущих элементов достаточно велики, а несущих угловых вутов не превышает 2 мм; фрагменты зданий во время

пожара и после него устойчивости не потеряли.

545

Преимуществом этих экспериментов является их натурность и

возможность проверить сохранность конструкций во время и после

пожара. Но эти эксперименты имеют недостатки. Действительно, наблюдение за состоянием здания затруднено, конструкции не всегда

достигают предельного состояния. В тех случаях, когда происходит их

разрушение, трудно установить фактическую причину разрушения из:за многочисленности действующих факторов. Кроме того, трудно вести

замеры деформаций и температур, эксперимент является единственным, т.е.

нет нужной повторяемости опытов, сложно выявить закономерности в изменении состояния конструкций. Следует также указать, что

организация таких экспериментов сложная и дорогостоящая. Методика

проведения таких опытов самая разнообразная. Основной же недостаток этих испытаний заключается в том, что в результате их проведения не

определяются пределы огнестойкости основных конструктивных элементов

зданий и, следовательно, невозможно определить фактическую степень огнестойкости здания.

7.4.3. Основные направления в оценке огнестойкости зданий с учетом совместной работы строительных конструкций

Изучение этой проблемы было начато в 50:х годах в нашей стране и США. Начиная с 1954 года, во ВНИИПО МВД РФ были проведены

несколько серий испытаний с ограничением температурных деформаций

изгибаемых элементов, моделирующих условия совместной работы конструкций при пожаре. Первоначально были испытаны железобетонные балки сечением 180 × 360 и 220 × 240 , длиной 6 м. При этом применялось

два вида упругой заделки на опорах – с защемлением и распором. Балки

были армированы в предположении упругой стадии работы, когда под

действием равномерно распределенной нагрузки опорные моменты превышали пролетные в два раза.

В последующем были проведены опыты с балочными плитами

пролетом 2,74 м, шириной 1 м, которые испытывались при двух схемах опирания: с упругой заделкой (распор и защемление) и с упругим

защемлением. Первый тип опирания соответствовал реальным условиям

работы балочных плит в монолитном ребристом перекрытии. Второй тип опирания имел важное теоретическое значение, т.к. позволял определить

теоретически величины максимальных усилий, возникающих в элементах при огневом воздействии.

Впервые проведенные в нашей стране опыты показали влияние ограничения предельных температурных деформаций на предел

огнестойкости конструкций, выявили схему разрушения элементов при

нагреве, определили величину температурных усилий (распор) и круг параметров, влияющих на предел огнестойкости[83].

548

На последствия пожаров в зданиях оказывают влияние планировка

помещения, наличие противопожарных стен, а также распределение

пожарной нагрузки при огневом воздействии, которая зачастую локально ограничена. Вследствие этого, подверженные огневому воздействию

конструктивные элементы, как правило, окружены более холодными, не

подверженными воздействию пожара, несущими конструкциями. В результате взаимодействия между нагревающимися и холодными частями

элементов в последних возникают усилия распора. Во время пожаров такое

«защемление» может оказать в ряде случаев благоприятное воздействие на поведение конструктивных элементов (балок, плит и др.), на которые

действуют изгибающие моменты. Это действительно так, потому что в этом

случае моменты в пролете уменьшаются в результате наложения моментов связи. Однако это происходит не всегда, т.к. имеют место отслоение бетона

и появление горизонтальных трещин. Необходимо выделить по данному

вопросу ряд важных положений, изложенных А.Ф.Миловановым в работе [77]. Им отмечается, что «совместная работа покрытий и перекрытий со

стенами, статическая схема здания, монолитность конструкции, стыки и

армирование элементов с учетом заделки на опорах влияют на предел огнестойкости отдельных железобетонных конструкций».

Полученные экспериментальные данные позволяют установить

следующее:

моделирование совместной работы несущих строительных

конструкций в условиях пожара принципиально возможно в лабораторных

условиях при наличии оборудования, позволяющего ограничить температурные деформации элементов, измерять возникающие усилия от

ограничения этих деформаций, ограничивать и измерять углы поворота

опорных частей элементов;

ограничение температурных деформаций элементов, возникающих при их совместной работе, может повышать или понижать пределы

огнестойкости сопряженных элементов и конструктивных систем,

изменять их схему работы и схему разрушения в условиях пожара, при этом благоприятное влияние ограничения деформаций (защемления) на

огнестойкость изгибаемых элементов достигается, если под действием

защемления возникает напряжение, противоположное по направлению напряжению, вызывающему изгиб;

проведенный анализ работ отечественных и зарубежных авторов

показывает, что до настоящего времени не создано надежных методов расчета, пригодных для оценки огнестойкости зданий и сооружений с учетом совместной работы конструкций во время пожара.

Как вывод, можно отметить, что изучение проблемы совместной работы конструкций зданий в условиях пожара ведется более трех десятилетий. К настоящему времени накоплен значительный опыт экспериментального изучения данной проблемы путем моделирования в лабораторных условиях совместной работы конструкций в зданиях при

пожаре. Проведен ряд крупномасштабных опытов на натурных фрагмен:

549

тах, давших ценную научную информацию. Вместе с тем, проведенные

исследования подтвердили настоятельную необходимость дальнейшего

изучения данной проблемы, т.к. многие важные вопросы, особенно аналитической оценки огнестойкости зданий, еще не решены. К

дальнейшим направлениям изучения этой проблемы относятся:

экспериментальное моделирование условий совместной работы конструкций зданий при пожаре;

дальнейшее развитие аналитического метода расчета

температурных усилий и деформаций в условиях совместной работы конструкций зданий при пожаре;

изучение влияния высокой температуры на упруго:пластические

свойства бетона с целью получения данных для аналитической оценки огнестойкости конструктивных систем с учетом совместной работы

элементов зданий при пожаре;

разработка научно:обоснованного метода оценки огнестойкости зданий и сооружений в целом при воздействии реальных пожаров;

экспериментальная проверка метода на натурных фрагментах и

внедрение полученных результатов в практику и нормативные документы.

7.4.4. Особенности поведения рамных конструкций

вусловиях пожара

Внастоящее время все большее распространение получает практика

строительства многоэтажных зданий из монолитного железобетона. В

монолитных многоэтажных зданиях рамной конструкции балки, плиты и

колонны имеют большую огнестойкость, чем в сборном железобетоне.

Однако при локальном пожаре в одном помещении взаимодействие

отдельных элементов рам приводит к возникновению дополнительных усилий в других пролетах рам, которые не подвержены воздействию

пожара. Это наглядно видно из результатов испытания трехпролетной

четырехэтажной рамной конструкции (рис. 7.74,а) [77].

Ригели рамы имели сечение 30 × 40 см и колонны 30 × 30 см и

30 × 45 см. Плиты (толщиной 16 см), ригели, колонны монолитно соединены

между собой. Пожар воспроизводился на 3:м этаже в среднем пролете

рамы (рис. 7.74,а).

В ходе эксперимента было установлено, что в колонне и ригеле при увеличении температуры в течение 45 мин моменты М1 и М2 возрастали, а

затем стали уменьшаться, но были больше, чем моменты до пожара

(рис. 7.74,1). В ригеле крайнего пролета на 4:м этаже момент М4 у средней

опоры увеличился в 2,5 раза, а момент у крайней опоры М3 изменил свой знак и увеличился в 2,5 раза, (рис. 7.74,2). В крайней колонне 3:го этажа у опоры момент М5 увеличился в 2 раза, а в средней колонне 1:го этажа у опоры момент М6 уменьшился (рис. 7.74,3). Из опыта видно, что пожар даже в одном помещении оказывает влияние на перераспределение усилий в

рамной монолитной конструкции. 550

а

б

Рис. 7.74. Испытания на огнестойкость железобетонных рам:

а:трехпролетнойчетырехэтажной; б:Г:образной.Изменениемоментов: 1 :всреднейколонне

исреднемригелетретьегоэтажа;2:вкрайнемригелечетвертогоэтажа;3:вкрайнейисредней колоннах;4 :вГ:образнойрамепосле30миногневоговоздействия;5 :тожепосле50мин

Обычно площадь пожара ограничена по размеру. Нагретая площадь плиты перекрытия окружена менее нагретыми зонами плиты около опор.

На нагретом снизу участке в середине плиты возникают сжимающие напряжения, которые разгружают нижнюю растянутую арматуру,

повышая критическую температуру нагрева арматуры.

При пожаре на 3:м этаже рамной конструкции колонны,

находящиеся по осям 1и 4 будут нагреваться меньше, чем колонны по осям

551

2 и 3 (рис. 7.74,а). В этих колоннах свободному температурному расшире:

нию будут препятствовать соседние и вышестоящие колонны, и в них

возникнут добавочные сжимающие усилия. А так как они нагреты больше других колонн, то в них будет наибольшее снижение прочности бетона и

арматуры от воздействия температуры. В тоже время при нагреве будут

развиваться быстро натекающие деформации ползучести бетона и арматуры и усилия релаксируются.

Если колонны нагреваются по:разному, то в плитах и ригелях

появляются добавочные прогибы и возникают добавочные моменты, которые могут привести к разрушению плит, ригелей или колонн.

Дополнительные усилия вызывают смещение угла каркаса рамы из:за

температурного расширения ригеля и плиты (рис. 7.74,б). Ось колонны смещается и увеличивается эксцентриситет приложения сжимающей силы.

Если под воздействием огня находятся все помещения 3:го этажа, то

из:за температурного расширения плит и ригелей возникает большое горизонтальное усилие: крайние колонны могут разрушиться от среза.

Монолитные рамные конструкции, как правило, обеспечивают

повышенную огнестойкость в случае пожара, но могут быть местные повреждения конструкции даже за пределами очага пожара.

Всборных рамных конструкциях, имеющих шарнирные соединения

между отдельными элементами, наиболее вероятны разрушения конструк: ций в местах очага пожара.

На примере однопролетной одноэтажной рамы рассмотрим

изменение усилий, возникающих в элементах рамы от равномерного и неравномерного прогрева ригеля. Это позволит в известной мере выявить

наиболее напряженные места рамных конструкций при одновременном

действии эксплуатационных нагрузок и температуры.

Вдвухшарнирной раме с одной подвижной опорой (статически определимой) (рис. 7.75,а) при температурном удлинении ригеля дополни:

тельных усилий в её элементах не возникает.

При опирании стоек рамы на неподвижные шарниры(статически неопределимой) в ригеле возникает изгибающий момент (рис. 7.75,б)

где α – коэффициент линейного расширения ригеля; t– температура нагрева ригеля;

I1 – момент инерции сечения стоек;

I2 – момент инерции сечения ригеля.

552

Из этих отношений видно, что с увеличением жесткости креплений

стоек рамы изгибающий момент в ригеле возрастает на 60%, а в стойках –

примерно в 5 раз.

При неравномерном по высоте нагреве ригеля так, что температура

нижней грани tн больше температуры верхней грани tВ на ∆ t = tн − tВ

(рис. 7.75,г), помимо удлинения в ригеле возникнет температурный момент:

где hp – высота сечения ригеля.

Из эпюр (рис. 7.75) наглядно видно, что при воздействии температур

пролетные моменты уменьшаются, а опорные – увеличиваются. Это

обстоятельство следует учитывать при определении несущей способности

рамных конструкций, подвергающихся, кроме эксплуатационной нагрузки,

воздействию температуры.

Некоторые простые конструктивные мероприятия позволяют

повысить предел огнестойкости отдельных элементов в здании.

В зданиях и сооружениях лучше применять балки широкие, а не

тонкие и высокие, т.к. отношение между площадью поперечного сечения

балки и общей площадью нагреваемой поверхности оказывает

значительное влияние на прогреваемость бетона. В качестве основной

(рабочей) арматуры рекомендуется использовать более двух арматурных

стержней. Еще лучше часть основной арматуры разместить во втором ряду.

Если балка во время пожара не имеет возможности свободно удлиняться из:

за отсутствия температурных швов на концевых опорах или они

недостаточны, то в балке будут возникать продольные сжимающие усилия,

которые в общем повышают предел огнестойкости балки, но могут оказать и отрицательное влияние на опорные стены или колонны, вызывая их изгиб.

В условиях пожара на внутренних опорах неразрезных балок и плит при их

пределе огнестойкости 1,5 ч и более возрастают поперечные силы и при

отношении 2,5MlQho ≤ 3 снижается предел огнестойкости изгибаемого

элемента.

При одностороннем нагреве плит и балок развивается больший прогиб, смещающий опорную реакцию на крайних опорах к внутреннему краю. Это может вызвать разрушение опор. Кроме того, во избежание

снижения уровня опоры при воздействии огня из:за развития деформаций

усадки бетона и увеличения деформаций от нагрузки рекомендуется для

опорных частей применять достаточно огнестойкий материал или опорные части теплоизолировать.

В предварительно напряженных балках, армированных пучками,

концы балок необходимо делать более толстыми так, чтобы расстояние от

арматурного пучка до нагреваемой поверхности бетона было не менее 75

мм или устроить теплоизоляцию. На расстоянии от торца балки не менее 1м

или не менее 1,5l ан поперечную арматуру (хомуты) рекомендуется ставить

чаще – на 0,25 пролета от опор с шагом – S ≤ 100 мм).

Всвободно опертых, предварительно напряженных балках и плитах

сарматурой из канатов, не имеющих сцепления с бетоном, анкерные устройства должны иметь защитный слой бетона в зависимости от

требуемого предела огнестойкости.

Для предотвращения разрушения плит, опертых на колонны, от действия поперечных сил в условиях пожара рекомендуется производить

расчет на продавливание с учетом изменения свойств бетона и арматуры от

нагрева.

Колонны большого поперечного сечения с меньшим процентом

армирования лучше сопротивляются пожару, чем колонны меньшего

поперечного сечения, имеющие большой процент армирования.

Как известно, стыки и швы между сборными элементами заполняют

раствором или бетоном. Швы и стыки между элементами, которые

отделяют одно помещение от другого, должны быть цельными и достаточно теплоизолирующими, чтобы они могли воспрепятствовать быстрому

нагреву с другой стороны и не способствовали распространению пламени в

другие помещения.

г

д

е

Рис.7.76.Стыкисборныхэлементов,препятствующиепроникновениюогня:

а, б :безпередачиусилий; в,г :спередачейусилий; д :ребристойпанели;е :температурный; 1 :шнуровойасбест;2:невоспламеняющийсядеформируемыйматериал;3 :изоляционный материал;4 :герметик