Расчет пределов огнестойкости железобетонных конструкций

Различают фактический  и требуемый предел огнестойкости. Требуемая огнестойкость — тот  минимальный предел огнестойкости Лтр, которым должна обладать соответствующая строительная конструкция, чтобы удовлетворить требованиям пожарной безопасности. Значения требуемых пределов огнестойкости определяют опытным путем. Фактический предел огнестойкости Пф запроектированных или уже функционирующих конструкций определяют расчетным путем. Расчет зависит от того, по какому из названных выше признаков определяют предел огнестойкости.

По признаку прогрева конструкции предел огнестойкости  находят путем теплотехнического расчета. При этом определяют изменение температуры по сечению конструкции в процессе ее нагревания по стандартному температурному режиму. В этом случае изменение температуры строительной конструкции , где t — средняя температура нагревания, °С; τ — время нагрева. 

По признаку потери несущей  способности расчет предела огнестойкости состоит из двух частей: теплотехнической и статической. Теплотехническим расчетом определяют изменение температуры конструкции, а статическим несущую способность (прочность) нагретой конструкции. После выполнения статического расчета строят график снижения несущей способности во времени. По этому графику определяют предел огнестойкости. Он наступит, когда несущая способность уменьшится до значения рабочей нагрузки:

,

где Mp,t(Np,t) — несущая  способность конструкции; Мн(Nн) —  изгибающий момент или предельное усилие от рабочей нагрузки. 

Теплотехнический расчет конструкций проводится на основе уравнения  теплопроводности Фурье, которое характеризует изменение температуры в твердом теле во времени и пространстве. Для потока теплоты, вызывающей изменение температуры только в одном направлении по сечению конструкции (у), это уравнение имеет вид

,

где а — коэффициент  температуропроводности; τ — время. 

Для плоских и изгибаемых железобетонных конструкций, обогреваемых с одной стороны, это уравнение имеет вид

а для конструкций, обогреваемых по всей боковой поверхности колонны, 

,

где tн — начальная температура; erfx — функция ошибок Гаусса; θ — относительная избыточная температура. 

Обе эти формулы для  определения ty справедливы при времени  горения τ≤4, т. е. пригодны для расчета  пределов огнестойкости любой величины, требуемой нормами. 

При статическом расчете  определяют величину критической температуры  арматуры или предельного сокращения сечения бетона, при которых возникает предельное состояние конструкции. 

Условия пожарной безопасности будут соблюдены, если , где Птр — требуемый предел огнестойкости;

, где К — коэффициент огнестойкости, зависящий от типа конструкции и степени огнестойкости; Т — продолжительность пожара, ч;

, где Qн —теплота сгорания; S — удельная загрузка пола помещения; q — удельная теплота пожара, которая зависит от скорости выгорания и полноты сгорания;

, где z — коэффициент неполноты сгорания (для твердых горючих веществ z=0,95...0,99); n — скорость горения вещества, представляющая собой потерю массы горючего вещества в единицу времени с единицы площади, кг/(м2·ч). 

Продолжительность пожара .

Следовательно, продолжительность  пожара зависит от загрузки цола помещения, скорости выгорания горючих веществ и полноты их сгорания. Кроме того, на продолжительность пожара в помещении влияют условия поступления воздуха в зону горения. Это влияние учитывает коэффициент , где Ап — площадь пола в помещении, м²; Аок — площадь оконных проемов, м2. 

Коэффициент β вводят в расчет в случае, когда он находится в пределах 4... 12. При меньшем значении р в помещении недостаточно воздуха и время горения увеличивается. 

Если в помещении  находятся разные горючие вещества, то продолжительность пожара определяют по веществу с большей нагрузкой пола. Пределы огнестойкости строительных конструкций не всегда удовлетворяют требованиям безопасности, вследствие чего предел огнестойкости стремятся повышать. 

Поведение железобетонных конструкций при действии высоких  температур различно для разных типов конструкций. Предел огнестойкости центрально сжатых железобетонных колонн с гибкой арматурой зависит отсечения колонн, теплотехнических показателей материала колонн, коэффициента изменения прочности бетона при действии высоких температур. Поэтому при необходимости увеличения пределов огнестойкости колонн рекомендуют увеличение сечения, выбор бетона с меньшим коэффициентом температуропроводности, снижение нагрузки на колонну, выбор бетона с более высокой критической температурой, что достигается подбором вяжущих веществ и соответствующих заполнителей для бетонов или применением жаростойких бетонов. 

Повышение пределов огнестойкости  свободно опертых плит и балок  может быть достигнуто путем увеличе пия толщины защитного слоя бетона, снижения его температуропроводности, нанесения штукатурок или облицовок из малотеплопроводных материалов, уменьшения нагрузки и выбора арматуры с более высокой критической температурой. 

Опыты и наблюдения на пожарах показали, что огнестойкость  стальных несущих конструкций незначительна, они в основном под действием высоких температур теряют устойчивость. Предел огнестойкости металлических конструкций ограничивается несколькими минутами и зависит от их сечения и температуры пожара. Особенно неблагоприятные условия работы для металлических конструкций при пожаре создаются в тех случаях, когда они находятся в сочетании с горючими материалами, например деревянные прогоны и обрешетки, горючая кровля, заполнение перекрытий горючими материалами. Такое сочетание вызывает быстрое распространение пожара на значительной площади. 

Увеличение огнестойкости  металлических конструкций осуществляют с помощью технических и проектных  решений. К техническим решениям, замедляющим нагрев конструкций до критических температур, относят применение штукатурки, облицовки вспучивающихся красок. Использование вспучивающихся красок очень выгодно. Окраска слоем 2,5...3 мм по огнезащитному эффекту равноценна штукатурке или облицовочным плитам толщиной 2,5...3 см. 

В качестве строительного  материала широко применяется древесина. Чтобы предотвратить ее воспламенение, необходимы защитные меры. Древесина, предварительно обработанная защитными средствами, подвергаясь действию огня, будет разлагаться, но ие воспламеняется. Вследствие этого горение открытым пламенем не будет возникать и распространяться от действия внешнего источника огня. Кроме общеизвестной и широко применяемой для строительных деревянных конструкций облицовки (штукатурки) обработка древесины может осуществляться с помощью обмазки, окраски, пропитки и минерализации. 

Обработка древесины  окраской состоит в том, что на поверхность древесины наносят плотный слой обмазки или краски, приготовленной из таких веществ, которые сами по себе не горят, достаточно долго не разрушаются в огне и малотеплопроводны. 

Обработка древесины  пропитыванием огнезащитными веществами — антипиренами более эффективно защищает от загорания, чем окраска. Но этот способ огнезащитной обработки более дорог и трудоемок. 

Пластмассы и полимерные материалы, применяемые в строительстве, имеют очень малую огнестойкость. Уже при температуре 300°С они размягчаются и разлагаются. 

Продукты разложения и горения обладают токсическими свойствами. 

Наибольшее внимание уделяется огнезащите ненесущих (навесных) панелей с заполнителями из полимерных материалов.

4. Расчёт предела огнестойкости железобетонной плиты

 

Дано: Многопустотная плита перекрытия свободно опирается по двум стронам. Размеры сечения: b=1490 мм; h=220 мм; длина рабочего пролета lp=3580 мм; растянутая арматура класса AIII – 2 стержня диаметром 10 мм; 6 стержней диаметром 8 мм. Тяжелый мелкозернистый бетон класса В30, весовая влажность бетона =2 % на гранитном щебне; средняя плотность бетона  в сухом состоянии кг/м³; 7 пустот диаметра 160 мм; расчетная нагрузка кН/м²; толщина защитного слоя до края арматуры а=20 мм.

Решение:

Определяем нормативную  нагрузку:

Определяем максимальный изгибающий момент от действия нормативной нагрузки:

Определяем толщину  защитного слоя бетона до центра арматуры:

Определяем среднее  расстояние до оси арматуры:

,

где А1=157 мм², А2=302 мм² (значение из приложения 9)

Определяем высоту рабочей  зоны бетона:

Определяем рабочую (полезную)  высоту сечения:

Определяем расчетное сопротивление сжатого бетона: для бетона класса В30 нормативная прочность бетона (приложение 12).

МПа,

где коэффициент надежности по бетону.

По приложению 13 для арматуры класса A-III определяем нормативное сопротивление растяжению МПа.

Определяем расчетное  сопротивление:

МПа,

 где  - коэффициент надежности по арматуре.

Определяем площадь  сечения арматуры:

;

Находим :

                                                       

- выбираем следующую расчетную  схему

Определяем напряжение в сечении растянутой арматуры:

Определяем коэффициент  снижения прочности стали:

Из приложения 8 при для арматуры класс A-III определяем ºС.

Определяем значение функции Гаусса:

Находим значение Гауссового интеграла ошибок (из приложения 1) x=0,54.

Определяем теплофизические  характеристики бетона:

Средний коэффициент  теплопроводности при t=450ºC.

 Вт/(м º С).

Средний коэффициент  теплоемкости при t=450 ºC

Дж/(кг º С)

Определяем приведенный  коэффициент температуропроводности:

  

где 50,4 – влияние испарения  воды в бетоне при нагреве; - влажность бетона и - плотность бетона.

,

где y – расстояние от нормали обогреваемой поверхности до расчетной точки

К= , К1- коэффициент, зависящий от плотности сухого бетона.

С учетом пустотности  плиты ее фактический предел огнестойкости  находится путем умножения найденного значения на коэффициент 0,9. Тогда

 

 

 

5. Расчет предела огнестойкости железобетонной колонны

 

Дано: железобетонная колонна крайнего ряда, расчетная длина l0=5,7 м; размер сечения 500х500 мм; бетон тяжелый мелкозернистый класса В15, средняя плотность бетона в сухом состоянии на гранитном щебне 2330 кг/м³, весовая влажность бетона %. Арматура класса A-III, 4 стержня диаметром 20 мм. Толщина защитного слоя бетона до края арматуры a1=40 мм. Расчетная нагрузка 3800 кН. Вид крупного заполнителя – гранит.

Решение:

Определяем нормативную  нагрузку:

,

где - 1,2 – усредненный коэффициент надежности по нагрузке.

По приложению 13 для  арматуры класса A-III .

Расчетное сопротивление:

,

Определяем суммарную  площадь арматуры (приложение 9)

As`tot=1256 мм=12,56см²

Бетон класса, по приложению 12 для бетона В15 определяем нормативное сопротивление сжатию бетона:

,

где - коэффициент надежности по бетону.

Определяем теплофизические  характеристики бетона (приложение 4):

Определяем приведенный коэффициент температуропроводности бетона:

,

где 50,4 – влияние испарения  воды в бетоне при нагреве; - влажность бетона, - плотность бетона

Для дальнейших расчётов задаемся интервалами времени , равными

   

1. Для несущая способность колонны будет равна:

где - коэффициент продольного изгиба, учитывающий длительность загружения и гибкость бетона, принят по приложению 7, в зависимости от отношения (метод интерполяции).

2. Для

Определяем критерий Фурье:

где - коэффициент, зависящий от средней плотности бетона (приложение 5).