Главная » Литература » Пожарные нормативы » Милованов - Стойкость железобетонных конструкций при пожаре (1998)
Милованов - Стойкость железобетонных конструкций при пожаре (1998)
Рассмотрено поведение железобетонных конструкций при стандартном пожаре и после него. Проанализировано напряженно-деформированное состояние плит, балок и колонн и их стыков при кратковременном воздействии огня до наступления предела их огнестойкости по потере несущей способности. Приведены сведения о влиянии высокой температуры на физико-механические свойства бетона и арматуры. Даны анализ распределения температур по высоте сечения балок, плит и колонн при нестационарном нагреве, методика определения остаточной несущей способности колонн после пожара. Изложены особенности расчета предела огнестойкости железобетонных конструкций и рекомендации по его определению.
Для научных и инженерно-технических работников проектных, строительных организаций и специалистов научно-исследовательских и учебных институтов.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В гражданском и промышленном строительстве для снижения массы железобетонных конструкций стали применяться легкие бетоны классов В13—ВЗО и высокопрочные бетоны классов В45—В60. Для армирования конструкций используются эффективные высокопрочные термически упрочненные арматурные стали классов At-V, At-VI и At-VII, позволяющие снизить расход арматуры. При значительных нагрузках приходится применять железобетонные колонны с большим процентом армирования. В сборных многоэтажных зданиях железобетонные колонны имеют стыки.
Железобетонные конструкции из сборных элементов и из новых видов материала должны отвечать не только требованиям прочности, жесткости и трещиностойкости, но и противопожарным требованиям безопасности. От пожара под действием высокой температуры снижается прочность железобетонных конструкций, иногда происходит и их разрушение, поэтому обеспечение требуемого предела огнестойкости железобетонной конструкции является одной из важных задач. Ежегодные убытки от пожаров в развитых странах составляют примерно 2% их национального дохода [35], в связи с чем там систематически выделяются достаточные средства на исследование огнестойкости железобетонных конструкций.
При Международной федерации по предварительно напряженному железобетону (ФИП) до
Огнестойкость железобетонных конструкций не может быть оценена без установления фактических пределов огнестойкости элементов конструкций. Одним из методов установления предела огнестойкости железобетонных конструкций является ее испытание. Международная организация по стандартизации (ИСО) разрабатывает стандарты по методике испытаний на огнестойкость строительных конструкций. Проведение испытаний на огнестойкость строительных конструкций по единой методике в разных странах позволяет получить сравнимые результаты испытаний. ИСО разработала стандарт "Испытания на огнестойкость элементов строительных конструкций" ИСО-834. С учетом основных положений этого стандарта подготовлено руководство по испытанию строительных конструкций на огнестойкость. Однако проведение таких испытаний требует больших материальных и денежных средств и занимает много времени, поэтому назрела необходимость разработки такой методики расчета огнестойкости железобетонных конструкций, чтобы уже при проектировании зданий и сооружений из железобетона наряду с расчетом на прочность, жесткость и трещиностойкость был проведен расчет и на огнестойкость.
Огнестойкость железобетонных конструкций из тяжелого бетона и некоторых видов легкого бетона изучалась достаточно полно и результаты этих работ публиковались в печати [28 ]. Кроме того, разработаны нормативные документы по расчету огнестойкости железобетонных элементов [10]. Тем не менее, данных по огнестойкости железобетонных конструкций из новых эффективных материалов, колонн с большим процентом армирования и их стыков опубликовано еще недостаточно.
В предлагаемой книге рассматриваются результаты экспериментально-теоретических исследований по огнестойкости железобетонных- конструкций, выполненных из легкого конструкционного керамзитобетона и керамзитоперлитового бетона, из высокопрочного бетона и тяжелого бетона, армированного термически упрочненной арматурой, а также колонн под большие нагрузки и их стыков.
Экспериментально-теоретические исследования были выполнены в НИИЖБе автором при участии кандидатов техн. наук З.Д.Затуловского, Х.У.Камбарова, К.А.Сайдуллаева, В.Н.Зиновьева, Р.Абдуллаева, Ю.М.Махкамова, А.А.Сайдуллаева и инж. Т.Н.Малкиной. Испытания на огнестойкость железобетонных конструкций проводились во ВНИИПО.
ГЛАВА 1 ВОЗДЕЙСТВИЕ ОГНЯ НА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ
1. ПОЖАРЫ В ЗДАНИЯХ И СООРУЖЕНИЯХ
Из года в год количество пожаров увеличивается примерно пропорционально росту средств, затраченных на капитальное строительство. По статистическим данным пожары возникают с установившейся частотой. Так, например, по данным для Великобритании вероятность возникновения пожара составляет: в увеселительных зданиях и сооружениях — 12%; на промышленных объектах — 4%; в клубах и гостиницах —- 3,7%; в хранилищах — 0,8% и в жилых зданиях — 0,3% [29].
Убытки от разрушения зданий во время пожара составляют примерно 15—18% общих потерь. При пожарах в жилых и административных зданиях температура в помещении поднимается до 1000—1100°С при продолжительности пожара 1—2 ч. В театральных зданиях и в больших магазинах пожары длительностью в 2—3 ч повышают температуру в помещении до 1100—1200°С [1]. Наиболее сильные пожары происходят в промышленных зданиях и сооружениях, сопровождаясь большими разрушениями конструкций и оборудования. В промышленных и складских зданиях при горении жидкостей и пенопластов температура достигает 1200°С, а при горении сжиженных газов температура поднимается до 1600°С [8].
Железобетонные конструкции покрытия и перекрытия имеют наибольшую температуру нагрева. Колонны, стены нагреваются больше вверху и меньше — внизу.
Температура нагрева поверхности бетона в конструкции зависит от температуры огня и расположения места горения. При постоянно увеличивающемся количестве пожаров необходимо особое внимание уделять правильному определению фактического предела огнестойкости применяемых железобетонных конструкций и установлению возможности дальнейшей эксплуатации конструкций после пожара.
При установлении предела огнестойкости железобетонной конструкции необходимо знать интенсивность пожара, так как огнестойкость конструкции будет зависеть от теплового воздействия огня и длительности пожара. Вся экспериментальная и теоретическая разработка вопросов огнестойкости конструкций производится из принципов, заложенных в этом неравенстве.
Исследования ведутся как в направлении изучения предела огнестойкости конструкции и уточнения его понятия, так и в направлении изучения интенсивности пожара Гц при разных горючих материалах и разных условиях горения. Наиболее трудной задачей является установление коэффициента огнестойкости. Значение в зависимости от заданной степени огнестойкости здания или сооружения может быть как больше единицы, если требуется сохранить здание и конструкции после пожара, так и меньше единицы, когда допускается разрушение здания или отдельных частей его при пожаре или после него. В последнем случае существенное значение имеет время до полного обрушения конструкции при пожаре. Как показали исследования, реальный режим пожара можно аппроксимировать условным эквивалентным режимом при заданной стандартной кривой изменения температуры во времени. В этом случае расчетная длительность пожара выражается сравнительно простой функцией, и экспериментальное определение предела огнестойкости производится при этом условном режиме.
Международной организацией по стандартизации ИСО была рекомендована единая стандартная кривая изменения температуры в зависимости от времени для испытаний конструкций на огнестойкость, которую можно описать формулой.
В условиях пожара в железобетонных конструкциях происходит необратимое снижение прочности бетона и арматуры, которое имеет существенное значение для определения предельного состояния и потери рабочих функций конструкции в нагретом или охлажденном состояниях.
Для предварительно напряженных конструкций немаловажное значение имеет сохранение предварительного напряжения в арматуре при пожаре и после пожара. Потеря предварительного напряжения в арматуре может происходить как вследствие ползучести арматуры, так и из-за ослабления анкерующих средств. Таким образом, современные железобетонные конструкции ввиду большого разнообразия применяемых материалов и конструктивных решений по-разному сопротивляются воздействию пожара. В связи с этим важное значение приобретает единый критерий понятия предела огнестойкости железобетонной конструкции.
2. ПРЕДЕЛЫ ОГНЕСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИЙ
За предел огнестойкости строительных конструкций принимается время в часах и минутах от начала их огневого стандартного испытания до возникновения одного из предельных состояний по огнестойкости [26]: по плотности — образованию в конструкциях сквозных трещин или сквозных отверстий, через которые проникают продукты горения или пламя; по теплоизолирующей способности — повышению температуры на необогреваемой поверхности в среднем более чем на 160°С или в любой точке этой поверхности более чем на 190°С по сравнению с температурой конструкции до испытания или более 220°С независимо от температуры конструкции до испытания; по потере несущей способности конструкций и узлов (обрушение или прогиб) в зависимости от типа конструкции.
Признаки по плотности, указывающие на потерю конструкции способности преграждать путь огню или по теплоизолирующей способности, которые говорят о потере способности преграждать воспламенение материалов, находящихся у необогреваемой поверхности, специального рассмотрения не требуют. Следует только отметить, что для конструкций, защищенных огнезащитными покрытиями и испытываемых на огнестойкость без нагрузок, предельным состоянием будет достижение критической температуры материала конструкции.
Для несущих конструкций: наружных стен, покрытий и перекрытий, балок, ферм, колонн и столбов при испытании на огнестойкость предельным состоянием является только потеря несущей способности конструкций и узлов.
Признак, характеризующий потерю обычных рабочих функций, т.е. потерю несущей способности конструкции и ее узлов, требует более детального рассмотрения, так как при этом важно знать состояние конструкции как во время пожара, так и после пожара. Потеря несущей способности железобетонной конструкции, как известно, в общем случае зависит от свойств бетона и арматуры и вида конструкции.
Так, например, колонны, столбы, изгибаемые переармированные элементы имеют хрупкое разрушение по сжатому бетону, и поэтому за потерю несущей способности этих железобетонных элементов принимается полное разрушение конструкции в условиях пожара.
Изгибаемые, растянутые, внецентренно сжатые и внецентренно растянутые с большим эксцентриситетом железобетонные элементы характеризуются развитием больших необратимых деформаций арматуры и бетона, в результате которых конструкция выходит из строя по деформациям еще до того, как наступит полное разрушение.
Кроме того, в уникальных и высокоответственных сооружениях и зданиях, когда требуется обеспечить надежную работу конструкции после пожара, необходимо за предел огнестойкости несущей конструкции принимать период времени, за который необратимая часть деформации или необратимое снижение прочности будут не более установленной для данной конструкции величины. В этом случае предел огнестойкости определяется наименьшим временем нагрева, при котором охлаждение конструкции вызовет остаточную деформацию или необратимое снижение прочности требуемой величины. Такой величиной может быть необратимое снижение прочности до 10% или остаточные прогиб или деформации элемента до 20%.
На основании испытаний, произведенных в нашей стране и за рубежом, было установлено, что предел огнестойкости слоистых ограждающих конструкций по теплоизолирующей способности равен и выше суммы пределов огнестойкости отдельно взятых слоев. Увеличение числа слоев ограждающей конструкции не уменьшает ее пределов огнестойкости по теплоизолирующей способности.
Предел огнестойкости несущих конструкций уменьшается с увеличением нагрузки. Наиболее напряженное сечение конструкции, как правило, определяет величину ее предела огнестойкости. Предел огнестойкости по несущей способности конструкции тем выше, чем меньше отношение обогреваемого периметра сечения ее элементов к площади.
Предел огнестойкости по несущей способности статически неопределимых конструкций больше предела огнестойкости аналогичных статически определимых конструкций за счет перераспределения усилий на менее нагруженные и прогреваемые элементы.
Пределы огнестойкости несущих конструкций могут быть определены и расчетным путем. Однако разработка метода расчета несущих железобетонных конструкций на огнестойкость может быть осуществлена только на основе результатов испытаний железобетонных элементов при нестационарном стандартном нагреве. Анализируя поведение железобетонных конструкций при кратковременном нагреве в условиях, имитирующих реальный пожар, было установлено, что их разрушение в данном случае происходит по тем же схемам, что и при статических испытаниях в условиях нормальных температур. Поэтому для расчета предельного состояния нагретой железобетонной конструкции используются те же уравнения равновесия и деформаций, из которых выводятся формулы для статического расчета [29]. Предельное состояние конструкции при пожаре характеризуется критическими температурами нагрева арматуры и бетона и предельными усилиями в результате снижения сопротивлений бетона и арматуры от нагрева. Время, необходимое для нагрева арматуры или бетона до критических температур, которые характеризуют наступление предела огнестойкости по несущей способности железобетонного элемента, определяется решением теплофизической задачи.
3. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОГНЕСТОЙКОСТИ
При пожаре железобетонные конструкции прогреваются до высоких температур по законам нестационарной теплопроводности. При этом скорость прогрева зависит от теплофизических свойств бетона, которые с повышением температуры существенно меняются. Свободная вода, находящаяся в порах бетона, испаряясь при нагреве, непрерывно поглощает определенное количество тепла и тормозит прогрев бетона [1 ].
Точный расчет нестационарного температурного поля при таких условиях должен выполняться с учетом переменного во времени положения поверхности сухого и влажного слоев бетона при непрерывном выделении и поглощении скрытой теплоты парообразования и конденсации. Однако этот расчет трудоемок и поэтому мало рационален для инженерных расчетов [1, 2]. Для решения подобных задач наиболее удобны приближенные методы, основанные на известных допущениях в протекании процесса прогрева и упрощения начальных граничных условий. Одним из таких методов является метод конечных разностей, основанный на замене производных, входящих в дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье, разностными отношениями, который благодаря своей простоте успешно применяется в технической теории теплопроводности.
А.П.Ваничев, используя метод элементарных тепловых балансов, вывел расчетные формулы для трехмерной задачи теплопроводности твердого тела с учетом изменения теплофизических свойств во времени по линейному закону.
Однако этот метод не учитывал начальную влажность бетона, потому что сам бетон рассматривался как идеально сплошное тело, не имеющее капиллярно-пористой структуры. Используя метод А.П.Ваничева и некоторые положения теории подобия, а также заменив удельную теплоемкость сухого бетона на приведенную удельную теплоемкость влажного бетона, А.И.Яковлеву [1] при расчете температурных полей в железобетонных плитах удалось добиться вполне удовлетворительного совпадения теоретических температур с опытными.
Приближенное решение задачи, полученное путем интегрирования дифференциального уравнения Фурье при упрощенных граничных условиях, позволило не только ускорить теплотехнический расчет, но и получить аналитическую зависимость, дающую хорошее совпадение расчетных и экспериментальных кривых прогрева бетона. Расчетные номограммы, построенные на основе этой зависимости, позволяют достаточно просто определять искомый промежуток времени нагрева железобетонной плиты до известной критической температуры [ 1, 2 ]. Теплотехническую часть расчета огнестойкости выполняют с целью определения распределения температур в бетоне и арматуре по сечению элемента в требуемые промежутки времени воздействия стандартного пожара, а также для вычисления предела огнестойкости конструкции по известным значениям критической температуры нагрева арматуры и бетона [10].
При решении теплофизической задачи должны учитываться нелинейные граничные условия нестационарного теплообмена между обогреваемыми и необогреваемыми поверхностями конструкции и окружающей средой стандартного пожара, а также зависимость теплофизических свойств бетона от изменяющейся во времени температуры и теплопотери на испарение находящейся в порах бетона воды. Для теплотехнического расчета железобетонных конструкций необходимо иметь данные об изменении теплофизических свойств бетона при нестационарном нагреве, а также температурные поля по сечению рассматриваемого элемента конструкции. Для получения теплофизических свойств бетона необходимо проведение специальных исследований.
Напряженно-деформируемое состояние железобетонного элемента при наступлении предела огнестойкости по несущей способности будет зависеть от совместной работы арматуры и бетона при воздействии высоких температур, и определяться решением статической задачи.
4. СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОГНЕСТОЙКОСТИ
Статический расчет предела огнестойкости по несущей способности основывается на общих требованиях расчета железобетонных конструкций по предельным состояниям первой группы в соответствии с главами СНиП П-2-80 и СНиП 2.03.01-84. Расчет обеспечивает железобетонную конструкцию от разрушения, а также от потери устойчивости при совместном воздействии нагрузки и высокой температуры.
Решение статической задачи сводится к отысканию условий, при которых несущая способность железобетонной конструкции при изгибе, сжатии, растяжении или поперечной силе в критическое время нагрева до предельного состояния будет равна максимальным изгибающему моменту, продольной силе или поперечной силе от нормативной нагрузки в стадии эксплуатации конструкции. Наиболее опасным следует считать то усилие, от которого при огневом воздействии происходит разрушение конструкции. За нормативную нагрузку принимаются наиболее неблагоприятные сочетания нормативных постоянных и временных (длительных и кратковременных) статических нагрузок по СНиП 2.01.07-85, существенно влияющих на напряженное состояние конструкции при огневом воздействии [10, 26]. Расчетные схемы приложения нормативных нагрузок и опирания должны соответствовать проекту.
При расчете предела огнестойкости железобетонной конструкции необходимо учитывать снижение прочностных и упругих свойств, а также развитие упругопластических и усадочно-температурных деформаций бетона и арматуры при нагреве и влияние кривизны и прогиба от нагрева на предельное состояние элемента.
При расчете сжатых железобетонных элементов следует учитывать наличие случайного эксцентриситета приложения сжимающего усилия и возможность потери устойчивости гибких сжатых элементов при огневом воздействии. Несущая способность железобетонной конструкции при огневом воздействии в значительной степени зависит от изменения прочности и деформативности бетона и арматуры с повышением температуры. В подавляющем большинстве случаев уравнения предельного равновесия невозможно записать в явном виде без предварительного рассмотрения результатов решения теплофизической задачи.
Решение теплофизической задачи при нахождении распределения температур по сечению конструкции выполняется для принятых конкретных промежутков времени нагрев.
Поэтому определение условий предельного равновесия железобетонной конструкции строится на принципе последовательных приближений, который предполагает заранее известные промежутки времени и соответствующее им распределение температур по сечению конструкции. Для статического расчета необходимо иметь данные об изменении механических, упругопластических свойств и температурных деформаций бетона и арматуры при воздействии высоких температур и нагрузки, а также опытные предельные состояния железобетонных элементов при стандартном пожаре, которые можно получить только по результатам испытаний. Для проведения этих испытаний были изготовлены опытные образцы.
...