Расчет требуемого предела огнестойкости строительных конструкций испытательной лаборатории производственной безопасности в строительстве ИКБС МГСУ
Согласно СНиП 21-01-97 строительные конструкции характеризуются огнестойкостью.Показателем огнестойкости является предел огнестойкости.[18]
Предел огнестойкости строительных конструкций устанавливают по времени (в минутах) наступления одного или последовательно нескольких, нормируемых для данной конструкции признаков предельных состояний:
· потери несущей способности (R);
· потери теплоизолирующей способности (I);
· потери целостности (Е).
Пределы огнестойкости строительных конструкций и их условные обозначения устанавливают по ГОСТ 30247.
Здания и сооружения, а также их части, выделенные противопожарными стенами (пожарные отсеки) подразделяются по степеням огнестойкости согласно таблице. 5.4.1.
К несущим элементам здания или сооружения относятся конструкции, обеспечивающие его общую устойчивость, геометрическую неизменяемость при пожаре: несущие стены, колонны, балки перекрытий, ригели, фермы, рамы, арки, связи, диафрагмы жесткости и т. п.
Для несущих элементов здания, выполняющих одновременно функции ограждающих конструкций, например, к несущим стенам, помимо предела огнестойкости по несущей способности (R) должны предъявляться дополнительные требования по потере изолирующей способности (I) и потере целостности (Е).
Классификация зданий по степени огнестойкости осуществляется в соответствии с существующими отраслевыми нормами и правилами и зависит от назначения зданий, их площади, этажности, взрывной, взрывопожарной и пожарной опасности производств, а также функциональных процессов.
Таблица 5.4.1.
| Степень огнестойкости здания | Пределы огнестойкости железобетонных конструкций в минутах не менее | ||||||
| несущие элементы здания | наружные стены | перекрытия междуэтажные (в т. ч. чердачные и над подвалом) | элементы бесчердачных перекрытий | лестничные клетки | |||
| настилы, в т.ч. с утеплителем | фермы, балки, прогоны | внутренние стены | марши и площадки | ||||
| I | R 120 | Е 30 | REI 60 | RE 30 | R 30 | REI 120 | R 60 |
| (R 180) | (R 180) | (R 180) | |||||
| II | R 90 | Е 15 | REI 45 | RE 15 | R 15 | REI 90 | R 60 |
| III | R 45 | Е 15 | REI 45 | RE 15 | R 15 | REI 60 | R 45 |
Примечание: В скобках даны пределы огнестойкости для многофункциональных зданий и комплексов согласно МГСН 4.04-94.
За предел огнестойкости железобетонных конструкций принимается время (в минутах) от начала стандартного огневого воздействия до возникновения одного из предельных состояний по огнестойкости:
- по потере несущей способности (R) конструкций и узлов (обрушение или прогиб в зависимости от типа конструкции);
- по теплоизолирующей способности (I) - повышение температуры на необогреваемой поверхности конструкции в среднем более чем на 160°С, или в любой точке этой поверхности более чем на 190°С по сравнению с температурой конструкции до нагрева, или прогрев конструкции более чем на 220°С независимо от температуры конструкции до огневого воздействия;
- по целостности (Е) - образование в конструкции сквозных трещин или сквозных отверстий, через которые проникают продукты горения или пламя.
Для несущих конструкций (балки, прогоны, ригели, колонны) предельным состоянием по огнестойкости является только потеря несущей способности конструкции (R).
Конструкции, которые имеют хрупкое разрушение по сжатому бетону (колонны с малым эксцентриситетом, изгибаемые переармированные элементы), за потерю несущей способности принимается полное разрушение во время пожара.
Для изгибаемых, внецентренно сжатых и растянутых с большим эксцентриситетом элементов, которые характеризуются развитием больших необратимых деформаций арматуры и бетона, за потерю несущей способности принимается развитие необратимых прогибов еще до того, как наступит полное разрушение конструкции.
Расчет предела огнестойкости конструкции по потере несущей способности (R) состоит из двух частей: теплотехнической и статической.
Теплотехнический расчет должен обеспечить время наступления предела огнестойкости, по истечении которого арматура нагревается до критической температуры, или сечение бетона конструкции сокращается до предельного значения при воздействии на нее стандартного температурного режима.
Статический расчет должен обеспечить недопущение разрушения и потери устойчивости конструкции при совместном воздействии нормативной нагрузки и стандартного температурного режима.
Расчет огнестойкости конструкций производится по нормативным сопротивлениям бетона и арматуры.
Предел огнестойкости по теплоизолирующей способности (I), т.е. по нагреву необогреваемой поверхности более допускаемых температур должен быть обеспечен теплотехническим расчетом. Расчет сводится к определению времени, по истечении которого температура на необогреваемой поверхности достигнет предельно допустимого значения.
Предел огнестойкости по целостности (Е) - по образованию сквозных отверстий или трещин, возникает в конструкциях из тяжелого бетона с влажностью более 3,5% и из легкого бетона с влажностью более 5,0% и плотностью более 1200 кг/м³. Потеря целостности при хрупком разрушении бетона резко уменьшает предел огнестойкости, поэтому целесообразно применять бетоны с ограничением расхода цемента, низким В/Ц и с более низким коэффициентом температурного расширения заполнителя. [30]
Расчет предела огнестойкости железобетонной колонны испытательной лаборатории производственной безопасности МГСУ по признаку "R" - потере несущей способности.
Имеется железобетонная колонна, сечением 0,4x0,4 м, расчетная длина колонны l=6 м.
Нормативная нагрузка на колонну NH=1690 кН.
Бетон: класса В40 (Rhu=34,9Mna); на гранитном щебне.
Арматура: класса A-III (Rsu=530Mna) четыре стержня диаметром 14 мм и площадью сечения As=6,01•10-4 м2. Расстояние от края арматуры до поверхности колонны у=0,035м.
Решаем теплотехническую задачу огнестойкости, применительно к рассматриваемой конструкции – проводим расчет температур прогрева арматуры и бетона колонны в заданный момент времени воздействия стандартного пожара.
Рисунок 5.4.1. Расчетная схема определения предела огнестойкости железобетонной колонны, подвергаемой четырехстороннему воздействию пожара
1,2,3,4 - номера обогреваемых пожаром поверхностей сечения колонны.
Рисунок 5.4.2.График снижения несущей способности колонны в период времени воздействия пожара от 90 до 120 мин.
Выбираем схему температурного воздействия пожара на колонну и расчетные моменты времени его воздействия.
Принимаем четырехстороннее воздействие пожара на колонну (см. рисунок 5.4.1) и рассмотрим его воздействие в момент времени τ1=1,5ч.
Определяем значение приведенного коэффициента температуропроводности прогреваемого слоя бетона колонны:
Согласно справочным данным для тяжелого бетона на гранитном заполнителе, имеем:
0,00132 м2/ч
Определяем значения коэффициентов φ1 и φ2.
При ρ=2350 кг/м3 φ1=0,62 и φ2=0,5.
Определяем температуру прогрева арматуры Ts колонны в первый расчетный момент времени воздействия пожара τ1=1,5 ч.
В силу симметричности сечения колонны и воздействия пожара на нее, рассмотрим только один из четырех арматурных стержней, расположенный между обогреваемыми поверхностями «1» и «3».
Определим параметры 
для заданного арматурного стержня, для чего воспользуемся формулой:
здесь 
- расстояние от i-ой обогреваемой поверхности до ближайшего к ней края арматуры, м;
Как видно из рисунка 5.4.1, в силу симметрии 
и 
.
м
Определим значения параметра 
, где
м
Т.к. 
и 
, то 
(обогрев колонны со сторон 2 и 4 не оказывает влияния на прогрев заданного арматурного стержня)
Определяем значение температуры прогрева арматуры Tsпри τ1=1,5 ч по формуле:
Определяем площадь бетона колонны, сохраняющего свою прочность в первый расчетный момент времени воздействия пожара τ1=1,5 ч (площадь сечения, ограниченная изотермой 
Для тяжелого бетона на силикатном заполнителе =500 оС.
Площадь сечения F, ограниченную на момент времени 
изотермой 
при четырехстороннем тепловом воздействии на конструкции квадратного сечения ( 
) по режиму стандартного пожара, можно определить по формуле:
,
,
,
,
( 
),
, но более 1.
Определим значение параметра 
:
Т.к. r>1, то принимаем r=1.
Соответственно, 
Определим значение параметра 
:
Определяем значение толщины критически прогретого слоя бетона у середины прогреваемой поверхности:
м
Определяем значение 
по формуле:
м
Глубина прогрева внутри угла определяется по формуле:
, где
Определим значение параметра 
:
Определим 
:
м
Определим параметр 
:
м
Определяем значение поправки 
:
(должно быть 
)
Рабочая площадь сечения бетона на момент времени 
ч будет равна:
м2
А сторона рабочего сечения, приведенного к квадратному ( 
) на момент времени ч будет равна:
м
Решим прочностную задачу применительно к рассматриваемой конструкции – определяем несущую способность колонны в момент времени ч воздействия стандартного пожара.
Определяем значение коэффициента продольного изгиба колонны ( 
) с учетом уменьшения рабочего сечения бетона колонны при воздействия пожара.
Согласно таблице 5.4.2 имеем:
, отсюда 
Определяем значение коэффициента условий работы при пожаре 
арматуры колонны при ч.
Таблица 5.4.2. Значения коэффициента продольного изгиба для сжатия железобетонных элементов, подвергаемых воздействию пожара.[4]
| Вид бетона | Коэффициента продольного изгиба колонны ( )
| |||||||||
| ≤8 | ||||||||||
| Тяжелый | 1,0 | 0,98 | 0,96 | 0,93 | 0,89 | 0,85 | 0,81 | 0,77 | 0,68 | 0,59 |
| Легкий | 1,0 | 0,96 | 0,90 | 0,84 | 0,78 | 0,73 | 0,67 | 0,61 | 0,51 | 0,41 |
Согласно таблице 5.4.3 стали класса A-III (A400) имеем:
При 
оС, 
Таблица 5.4.3. Значения коэффициента условий работы при пожаре 
стержневой арматуры А-III класса в зависимости от температуры. [4]
| Класс стержневой арматуры | Коэффициент условий работы стержневой арматуры  при температуре арматуры, 0C
| |||||||||
| ≤350 | ||||||||||
| А-III | 1,0 | 1,0 | 0,95 | 0,75 | 0,60 | 0,45 | 0,30 | 0,15 | 0,10 | 0,05 |
Определяем несущую способность Ф( 
) колонны в момент времени воздействия пожара ч:
кН
Проверяем условие наступления предельного состояния колонны по признаку «R» - потере несущей способности на момент воздействия пожара ч по формуле:
кН
Условие не выполняется, т.к. 2116 кН > 1790 кН.
Соответственно, предел огнестойкости рассматриваемой колонны по признаку «R» более 1,5 часов.
Дляопределение значения предела огнестойкости необходимо принять второй расчетный интервал времени 
ч и повторить расчеты.
Решаем теплотехническую задачу огнестойкости проводим расчет температур прогрева арматуры и бетона колонны для =2.0 ч воздействия пожара.
Определим значения параметра , где
м
Т.к. и , то (обогрев колонны со сторон 2 и 4 не оказывает влияния на прогрев заданного арматурного стержня)
Определяем значение температуры прогрева арматуры Tsпри τ1=2,0 ч по формуле:
Площадь бетона колонны, сохраняющего свою прочность в расчетный момент времени воздействия пожара =2,0 ч:
Аналогично предыдущего решения имеем:
Т.к. r>1, то принимаем r=1.
Соответственно,
Определим значение параметра :
м
Определяем значение :
м
Значение параметра :
Определим :
м
Определим параметр :
м
Определяем значение поправки :
(должно быть 
)
Рабочая площадь сечения бетона на момент времени 
ч будет равна:
м2
А сторона рабочего сечения, приведенного к квадратному ( ) на момент времени ч будет равна:
м
Решим прочностную задачу применительно к рассматриваемой конструкции – определяем несущую способность колонны в момент времени ч воздействия стандартного пожара.
Определяем значение коэффициента продольного изгиба колонны ( ) с учетом уменьшения рабочего сечения бетона колонны при воздействия пожара.
Согласно таблице 5.4.1 имеем:
, отсюда 
Определяем значение коэффициента условий работы при пожаре арматуры колонны при ч.
Согласно таблице 5.4.3 для стали класса A-III (A400) имеем:
При 
оС, 
Определяем несущую способность Ф( ) колонны в момент времени воздействия пожара ч:
кН
Проверяем условие наступления предельного состояния колонны по признаку «R» - потере несущей способности на момент воздействия пожара ч по формуле:
кН
Условие выполняется, т.к. 1378 кН < 1790 кН
Согласно рисунку 5.4.2 предел огнестойкости при заданной нормативной нагрузке равен 102 минутам.