Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

МДС 21-2.2000 Методические рекомендации по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций - файл 1.doc


МДС 21-2.2000 Методические рекомендации по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций
скачать (5332.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc5333kb.18.12.2011 05:18скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12
Реклама MarketGid:
Загрузка...
ГОССТРОЙ РОССИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ, ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

ГУП «НИИЖБ»

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО РАСЧЕТУ ОГНЕСТОЙКОСТИ
И ОГНЕСОХРАННОСТИ
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ


МДС 21-2.2000

Второе издание

Москва 2000 г.

РАЗРАБОТАНЫ Государственным унитарным предприятием «Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона» ГУП «НИИЖБ» (доктор техн. наук, проф. Милованов А.Ф., канд. техн. наук Соломонов В.В. и Кузнецова И.С., вед. инж. Малкина Т.Н.)

ОДОБРЕНЫ конструкторской секцией Научно-технического совета ГУП «НИИЖБ» (от 27 апреля 2000 г., протокол № 4/2000)

ИЗДАНЫ в ГУП «НИИЖБ»

ЗАРЕГИСТРИРОВАНЫ в ГУП «Центр проектной продукции в строительстве» 09.06.2000.

МДС 21-2.2000

Методические Рекомендации по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций

Fire Resistance and Fire Safety of Reinforced Concrete Constructions.

ВВЕДЕНИЕ


Настоящие «Методические рекомендации по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций» разработаны в соответствии с требованиями СНиП 10-01-94 и СНиП 21-01-97, норм международных организаций по стандартизации и нормированию и являются нормативным документом комплекса 21 «Пожарная безопасность» системы нормативных документов в строительстве.

Основными отличиями этих «Методических рекомендаций...» от ранее разработанных рекомендаций, инструкции и пособий являются:

приоритетность требований СНиП 21-01-97 «Пожарная безопасность зданий и сооружений» по сравнению с другими нормативными требованиями;

применимость противопожарных требований к объектам на стадии проектирования, строительства и эксплуатации, включая реконструкцию и ремонт;

главные требования к бетону и арматуре, к диаграммам деформирования бетона на сжатие и арматуры на сжатие и растяжение от огневого воздействия в диапазоне температур от 20 до 1100 °С, как в нагретом состоянии во время пожара, так и в охлажденном состоянии после пожара;

конструктивные требования, повышающие пределы огнестойкости и обеспечивающие огнесохранность конструкций;

основные требования к расчету огнесохранности конструкций, поврежденных пожаром, с целью установления возможности их дальнейшей эксплуатации.

Приведенные методы расчета пределов огнестойкости конструкций позволяют устанавливать их уже при проектировании в соответствии с классификацией, принятой в СНиП 21-01-97.
^

1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ


1.1. Настоящие Методические рекомендации действуют на территории Российской федерации как дополнение и уточнение СНиП 21-01-97 и распространяются на проектирование, строительство, техническое обследование и реконструкцию после пожара зданий и сооружений из железобетона.

1.2. Методические рекомендации содержат основные положения по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций. Они дают возможность на стадии проектирования оценить пределы огнестойкости конструкций, проверить их соответствие требованиям СНиП 21-01-97 и установить огнесохранность конструкций после пожара. В основу Методических рекомендаций положены экспериментальные и теоретические исследования, проведенные в НИИЖБ, ВНИИПО, МГСУ, СГСУ, а также материалы международных организаций: Европейского комитета бетона (ЕКБ), Международного совета по строительству (МСС), Международной организации по стандартизации (ИСО), Международного совета лабораторий по испытанию строительных материалов и конструкций (РИЛЕМ).
^

2. НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ


В настоящих Методических рекомендациях использованы ссылки на следующие нормативные документы.

СНиП 10-01-94 Система нормативных документов в строительстве. Общие положения.

СНиП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия.

СНиП 2.03.01-84* Бетонные и железобетонные конструкции.

СНиП 21-01-97 Пожарная безопасность зданий и сооружений.

СНиП 2.03.04-84 и Пособие к нему. Бетонные и железобетонные конструкции, предназначенные для работы в условиях воздействия повышенных и высоких температур.

Пособие по определению пределов огнестойкости конструкций, пределов распространения огня и групп возгораемости материалов. Стройиздат, Москва, 1985.

Инструкция по расчету фактических пределов огнестойкости железобетонных конструкций на основе новых требований СНиП. ВНИИПО МВД СССР, Москва, 1982.

ГОСТ 12.1.033-81 ССБТ Пожарная безопасность. Термины и определения.

ГОСТ 30247.0-94 Конструкции строительные. Методы испытания на огнестойкость. Общие требования.

ГОСТ 30247.1-94 Конструкции строительные. Методы испытания на огнестойкость. Несущие ограждающие конструкции.

ГОСТ 30403-96 Конструкции строительные. Методы определения пожарной опасности.

СТ СЭВ 383-87 Пожарная безопасность в строительстве. Термины и определения.

НПБ 233-96 Здания и фрагменты зданий. Методы натурных огневых испытаний. Общие требования.

МГСН 4.04-94 Московские городские строительные нормы. Многофункциональные здания и комплексы.

Eurocode 2: Design of Concrete Structures. - Part 10: Structural Fire Design.- Draft April, 1990.
^

3. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ


В настоящих Методических рекомендациях, за исключением специально оговоренных случаев (См. п. 4.10), приняты термины и определения, приведенные в СТ СЭВ 383-87 и ГОСТ 12.1.033-81.
^

4. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ


4.1. Согласно СНиП 21-01-97 строительные конструкции характеризуются огнестойкостью. Показателем огнестойкости является предел огнестойкости.

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.

4.2. Здания и сооружения, а также их части, выделенные противопожарными стенами (пожарные отсеки) подразделяются по степеням огнестойкости согласно Табл. 1.

Таблица 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 (R 180)

Е 30

REI 60 (R 180)

RE 30

R 30

REI 120 (R 180)

R 60

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.

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.

4.3. За предал 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.

4.4. 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.

4.5. Предел огнестойкости по теплоизолирующей способности (I), т.е. по нагреву необогреваемой поверхности более допускаемых температур (См. п. 4.3.) должен быть обеспечен теплотехническим расчетом. Расчет сводится к определению времени, по истечении которого температура на необогреваемой поверхности достигнет предельно допустимого значения.

4.6. 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.

4.7. Испытаниями установлено, что разрушение железобетонных конструкций при огневом высокотемпературном нагреве происходит по тем же схемам, что и в условиях нормальных температур. Поэтому для расчета предела огнестойкости по потере несущей способности используются те же уравнения равновесия и деформаций, из которых выводятся формулы для статического расчета.

Статический расчет предела огнестойкости по потере несущей способности базируется на общих требованиях расчета железобетонных конструкций по предельным состояниям первой группы в соответствии со СНиП 2.03.01-84* и дополнительными указаниями, изложенными в настоящих Методических рекомендациях.

4.8. За нормативную нагрузку принимают наиболее неблагоприятные сочетания нормативных постоянных и временных длительных статических нагрузок согласно СНиП 2.01.07-85 и п. 1.12 СНиП 2.03.01-84*, существенно влияющих на напряженное состояние железобетонной конструкции при пожаре. В тех случаях, когда нельзя установить значение нормативной нагрузки, разрешается принимать ее равной 0,7 от расчетной нагрузки. Расчетная схема приложения нормативной нагрузки должна соответствовать проекту.

4.9. Несущая способность конструкций при огневом воздействии зависит от изменения свойств бетона и арматуры с ростом температуры. Во многих случаях уравнения предельного равновесия невозможно записать без результатов теплотехнического расчета. Решение теплотехнической задачи выполнимо лишь для конкретных промежутков времени с начала нагрева.

Нахождение условий предельного состояния строится на принципе последовательных приближений для заранее известных промежутков времени. В итоге предел огнестойкости определяется либо графически, либо аналитически в результате решения уравнений предельного состояния.

В простых случаях решение статической задачи по оценке огнестойкости сводится к определению значения критической температуры нагрева растянутой арматуры, поскольку она не зависит от результатов теплотехнической задачи, или вычисляют усилие, которое может воспринять сечение элемента при требуемом минимальном пределе огнестойкости. Если это усилие равно или больше нормативного, то требуемый предел огнестойкости обеспечен.

Вычисленные пределы огнестойкости должны быть не менее требуемых значений СНиП 21-01-97 (См. Табл. 1).

4.10. Для уникальных и особо ответственных сооружений и комплексов, относящихся к I-му повышенному уровню ответственности, отказы которых после пожара могут привести к тяжелым экономическим и экологическим последствиям (ГОСТ 27751, Изменение № 1), а также для конструкций, восстановление которых потребует больших сложностей и затрат, необходимо обеспечивать их огнесохранность после пожара.

За огнесохранность конструкции принимается такое ее состояние, при котором остаточная прочность или необратимые деформации позволяют обеспечить надежную работу после пожара. Расчет огнесохранности после пожара ведется при расчетных нагрузках и расчетных сопротивлениях бетона и арматуры после огневого воздействия.

4.11. При расчете огнестойкости и огнесохранности конструкции целесообразно рассматривать приведенные сечения. При этом расчетная площадь приведенного сечения бетона ограничивается изотермой критических температур нагрева бетона tb,cr. Критическая температура для тяжелого бетона на гранитном заполнителе 500 °С, на известняковом заполнителе и для конструкционного керамзитобетона 600 °С. При этом принимают tb > tb,crbt = 0 и при tb  tb,crbt = 1.

4.12. Критическая температура нагрева арматуры ts,cr характеризует стадию образования пластического шарнира в растянутой зоне при огневом воздействии.
^

5. СВОЙСТВА БЕТОНА И АРМАТУРЫ ПРИ ОГНЕВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ И ПОСЛЕ НЕГО

БЕТОН


5.1. Нормативные Rb,n и расчетные Rb сопротивления бетона осевому сжатию (призменная прочность), начальный модуль упругости бетона при сжатии Eb следует принимать по СНиП 2.03.01-84*.

При пожаре в нагруженном состоянии конструкции подвергаются высокотемпературному огневому воздействию, которое изменяет свойства бетона. Изменение прочности бетона на осевое сжатие с увеличением температуры учитывают коэффициентом условий работы бетона bt, представляющим собой отношение прочности бетона при нагреве к прочности бетона при нормальной температуре.

Изменение модуля упругости бетона с увеличением температуры учитывают коэффициентом b, представляющим собой отношение модуля упругости бетона при нагреве к модулю упругости бетона при нормальной температуре.

При нагреве увеличиваются пластические деформации бетона. Упругопластические свойства бетона учитывают коэффициентом , представляющим собой отношение упругих деформаций к полным.

Значения коэффициентов условий работы bt, b, для различных видов бетона приведены в Приложении 1.

5.2. При нагревании бетона естественной влажности полная температурная деформация бетона состоит из двух видов деформаций: обратимой - температурное расширение bt и необратимой - температурная усадка cs. Значения коэффициентов температурного расширения bt и температурной усадки  cs для различных видов бетона в диапазоне температур от 20 до 1000 °С приведены в Табл. 2 и 3.

Таблица 2.

Вид бетона

Коэффициент температурной деформации бетона bt10-6С-1 при температуре бетона, °С

2050

100

300

500

7001000

Тяжелый на гранитном заполнителе

9

9

8

11

14,5

Тяжелый на известняковом заполнителе

10

10

9

12

15,5

Конструкционный керамзитобетон

8,5

8,5

7

5,5

4,5

Таблица 3.

Вид бетона

Коэффициент температурной усадки бетона cs10-6С-1 при температуре нагрева бетона, °С

2050

100

300

500

7001000

Тяжелый на гранитном заполнителе

0,5

1,0

1,0

-1,8

-6,8

Тяжелый на известняковом заполнителе

0,5

1,5

1,1

1,3

1,5

Конструкционный керамзитобетон

2,0

2,0

1,5

1,5

1,5

5.3. Коэффициент теплопроводности тяжелого бетона на гранитном щебне:

Вт/м°С; (1)

на известняковом щебне:

Вт/м°С; (2)

конструкционного керамзитобетона:

Вт/м°С; (3)

Коэффициент теплоемкости тяжелого бетона на гранитном и известняковом щебне:

кДж/°С; (4)

конструкционного керамзитобетона:

кДж/°С; (5)

Приведенный коэффициент температуропроводности бетона вычисляют по формуле:

м2/ч, (6)

где:  и С - расчетные средние коэффициенты теплопроводности и теплоемкости бетона, вычисляют для температуры 450 °С;

W - весовая эксплуатационная влажность бетона, в кг/кг;

 - плотность сухого бетона, кг/м3.

Увеличение коэффициента теплоемкости на 50W связано с учетом расхода тепла на испарение свободной воды в порах бетона.

5.4. Диаграмма деформирования бетона состоит из трех линейных участков, соединяющих характерные базовые точки (Рис. 1). Первый участок диаграммы 0-1 характеризует упругую работу бетона до условного предела пропорциональности. На втором участке 1-О установлена связь между напряжениями и деформациями бетона от условного предела пропорциональности до предельного значения напряжения при однородном напряженном состоянии - при центральном сжатии (прямоугольная эпюра напряжений). Третий участок О-2 при постоянном значении напряжений, равном сопротивлению бетона сжатию Rbbt, характеризует изменение предельного значения деформаций бетона от однородного напряженного состояния до наибольшего значения при неоднородном напряженном состоянии (при треугольной эпюре деформаций) бетона.



Рис. 1. Расчетная диаграмма деформирования бетона на сжатие при нагреве.

Напряжения в основной базовой точке «О» диаграммы принимаются равными значению сопротивления бетона при центральном сжатии Rbbt и соответствующей предельной деформации bo. Предельную деформацию при центральном сжатии bo в основной базовой точке «О» диаграммы деформирования бетона принимают по Табл. 4.

При огневом воздействии сжатые элементы подвергаются неравномерному нагреву. Разрушение этих элементов происходит по более прочному, менее нагретому бетону, обладающему меньшей предельной деформацией. Поэтому предельная деформация сжатия бетона, приведенная в Табл. 4, должна приниматься по наименьшей температуре нагрева бетона в поперечном сечении элемента.

Таблица 4.

Температура (°С) менее нагретого бетона в сечении

Предельная деформация b0 (%) при центральном сжатии

тяжелого бетона на заполнителе

конструкционного керамзитобетона

гранитном

известняковом

20

0,20

0,25

0,20

100

0,25

0,30

0,25

200

0,35

0,40

0,30

300

0,55

0,60

0,45

400

0,65

0,75

0,60

500

0,90

0,95

0,95

600

1,20

1,25

1,20

700

1,30

1,40

1,35

800

1,50

1,60

1,85

Значение напряжения при сжатии для первой дополнительной точки диаграммы деформирования бетона принимается:

, (7)

где: bt1 = 0,6 bt.

Деформацию бетона, соответствующую напряжению b1, определяют по формуле:

(8)

Значение напряжения b2 для второй дополнительной точки диаграммы деформирования бетона принимают максимальными, равными Rbbt. Деформация бетона, отвечающая этому напряжению, является наибольшей предельной деформацией при неоднородном напряженном состоянии (при треугольной эпюре деформаций) и принимается:

, (9)

Предельную деформацию сжатия εb2 при неоднородном напряженном состоянии принимают по Табл. 5 в зависимости от средней температуры бетона сжатой зоны, которую принимают по Рис. 7.

Таблица 5.

Средняя температура бетона сжатой зоны, °С

Предельная деформация крайнего волокна бетона сжатой зоны b2, (%)

тяжелого бетона на заполнителе

конструкционного керамзитобетона

гранитном

известняковом

20

0,34

0,42

0,34

50

0,38

0,46

0,38

100

0,42

0,51

0,42

150

0,50

0,60

0,46

200

0,59

0,68

0,51

250

0,76

0,85

0,63

300

0,93

1,02

0,76

350

1,00

1,14

0,89

400

1,10

1,27

1,02

5.5. При расчете огнестойкости используют диаграммы деформирования бетона на сжатие от кратковременного огневого воздействия, построенные с учетом изменения свойств бетона в нагретом состоянии при пожаре и в зависимости от изменения относительного нормативного сопротивления бетона сжатию, приведенные в Приложении 2.

При расчете огнесохранности конструкции после пожара используют диаграммы деформирования бетона при сжатии после кратковременного огневого воздействия, т.е. в охлажденном состоянии. Диаграммы деформирования бетона на сжатие построены в зависимости от изменения относительного расчетного сопротивления бетона сжатию. Деформации и температуры для промежуточных значений определяются интерполяцией.

АРМАТУРА


5.6. Нормативные Rsn и расчетные Rs сопротивления арматуры и модуль упругости арматуры Еs следует принимать по СНиП 2.03.01-84*.

При пожаре от огневого воздействия арматура подвергается высокотемпературному нагреву, который изменяет свойства арматуры.

Изменение сопротивления арматуры растяжению и сжатию с повышением температуры учитывают коэффициентом условий работы st = st, который представляет собой отношение сопротивления арматуры при нагреве к сопротивлению арматуры при нормальной температуре.

Изменение модуля упругости арматуры с повышением температуры учитывают коэффициентом s, который представляет собой отношение модуля упругости арматуры при нагреве к модулю упругости арматуры при нормальной температуре.

При огневом воздействии длина зоны передачи напряжений для арматуры без анкеров уменьшается, и это уменьшение учитывается коэффициентом условий работы арматуры s5t.

При кратковременном высокотемпературном нагреве в арматуре развиваются пластические деформации. Упругопластические свойства арматуры учитываются коэффициентом vs, представляющим собой отношение упругих деформаций к полным. Значения коэффициентов st, s, vs и s5t приведены в Приложении 1.

5.7. С повышением температуры арматурная сталь расширяется. Температурное расширение арматуры зависит от класса арматуры и марки стали. Коэффициент температурного расширения арматуры st с повышением температуры возрастает, и он больше коэффициента температурной деформации бетона (Табл. 6).

Таблица 6.

Класс арматуры

Коэффициент температурного расширения арматуры st10-6C-1 при температуре, °С

20-50

100

200

300

400

500

600

700

1000

А240, А300 В400, В1500, Вр1500

11,5

11,7

12,0

12,5

13,0

13,5

14,0

14,5

16,0

А400, А600, А800, Ат800 А1000, Ат1000

11,5

12,0

13,0

13,5

14,0

14,5

15,0

15,5

17,0

5.8. В элементах с жесткой арматурой, у которых наблюдается перепад температур по длине полок и высоте стенок жесткой арматуры, необходимо учитывать теплопроводность стали.

Коэффициент теплопроводности стали:

Вт/м°С. (10)

Коэффициент теплоемкости стали:

кДж/°С. (11)

5.9. Диаграмма деформирования при растяжении и сжатии арматуры, имеющей физический предел текучести, состоит из двух прямолинейных участков, соединяющихся в основной базовой точке «О» (Рис. 2).



Рис. 2. Расчетные диаграммы деформирования арматуры при нагреве:

а) с физическим пределом текучести;

б) с условным пределом текучести.

Диаграмма деформирования арматуры с условным пределом текучести состоит из трех прямоугольных участков. Первый участок 0-1 диаграммы характеризует упругую работу арматуры до напряжения, принятого за предел пропорциональности. Второй участок 1-О описывает связь между напряжениями и деформациями до условного предела текучести Rsst. Третий участок О-2 устанавливает связь между напряжениями и деформациями от условного предела текучести до временного сопротивления. Напряжение в основной базовой точке «О» диаграммы принимают равным значению сопротивления арматуры растяжению Rsst при соответствующей деформации s0. Значение деформации в основной базовой точке диаграммы деформирования арматуры с физическим пределом текучести принимают равным:

(12)

и с условным пределом текучести:

(13)

Для арматуры с физическим пределом текучести напряжения s2 во второй дополнительной базовой точке диаграммы принимают равным Rs, а деформации увеличивают по отношению к значению деформации основной базовой точки.

Для арматуры классов:

А240 εs2 = 100εs0

А300 εs2 = 70εs0

А400 εs2 = 40εs0

Для арматуры с условным пределом текучести значения напряжения в первой дополнительной точке

, (14)

где: st1 = 0,8 st,

и во второй дополнительной точке для классов арматуры:

А600 s2 = 1,3Rsst

А800 s2 = 1,25Rsst (15)

А1000 s2 = 1,20Rsst

В1500, Вр1500 s2 = 1,15Rsst.

При этих напряжениях предельные деформации равны для арматуры классов:

А600 εs2 = 18s0

А800 εs2 = 12s0 (16)

А1000 εs2 = 8s0

В1500, Bp1500 εs2 = 5s0.

5.10. При расчете огнестойкости используют диаграммы деформирования арматуры при растяжении и сжатии от кратковременного огневого воздействия в нагретом состоянии при пожаре (Приложение 2). Диаграммы деформирования арматуры построены в зависимости от изменения относительного нормативного сопротивления арматуры растяжению или сжатию. У арматуры классов А240, А300, А400, имеющих физический предел текучести, при нагреве выше 100 °С физический предел текучести пропадает, и арматура деформируется с условным пределом текучести. В арматуре всех классов при кратковременном нагреве свыше 400 °С развиваются пластические деформации быстро натекающей ползучести.

При расчете огнесохранности после пожара используют диаграммы деформирования арматуры после кратковременного огневого воздействия в охлажденном состоянии. Диаграммы деформирования арматуры построены в зависимости от изменения относительного расчетного сопротивления арматуры растяжению или сжатию. Для промежуточных температур значения деформаций устанавливают линейной интерполяцией.

В практических расчетах предельные деформации арматуры при кратковременном высокотемпературном нагреве ограничивают при растяжении до 2 % и при сжатии до 0,5 %.

5.11. При расчете прогибов, деформаций и на трещинообразование по имеющимся исходным данным для каждой стали строят 1-й и 2-й участки диаграммы деформирования арматуры.
^

6. ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА


6.1. Изменение температуры в твердых телах рассчитывают путем решения дифференциального уравнения теплопроводности Фурье.

Поскольку у железобетонных конструкций, как правило, один размер значительно больше двух других, то решение уравнения Фурье при расчете огнестойкости достаточно проводить для одномерных и двухмерных температурных полей. Наиболее точно прогрев железобетонных конструкций определяют конечно - разностным или конечно - элементным расчетом с использованием ЭВМ.

При решении уравнения теплопроводности учитывают изменение теплофизических свойств бетона.

6.2. Расчет температур в бетоне от стандартного температурного режима производят при начальном условии, что температура бетона и внешней среды te = 20°C.

6.3. Согласно стандартам ИСО 834 и СЭВ 1000-78 температура нагреваемой среды изменяется в зависимости от времени согласно Табл. 7.

Таблица 7.

Время, мин

t, °C

Время, мин

t, °C

Время, мин

t, °C

5

576

50

915

120

1049

10

679

60

945

150

1082

15

738

70

970

180

1110

20

781

80

990

210

1133

25

810

90

1000

240

1153

30

841

100

1025

270

1170

40

885

110

1035

300

1186

6.4. Для обогреваемых поверхностей конструкций при пожаре принимают одинаковые условия теплообмена с нагреваемой средой.

При расчете температур учитывают конвективный Qc и лучистый Qr теплообмен между обогреваемой средой и поверхностью конструкции. Полный тепловой поток от нагреваемой среды к единице поверхности конструкции в (кВт/м2) или (ккал/чм2) равен:

Q = Qc + Qr. (17)

Конвективный тепловой поток к единице поверхности определяют по формуле:

(18)

Коэффициент теплообмена для обогреваемой поверхности:

с = 29 кВт/м2С или 25 ккал/чм2С

для необогреваемой поверхности:

(19)

Лучистый тепловой поток к единице поверхности равен:

(20)

где red - приведенная степень черноты.

Для системы «обогреваемая среда - бетонная поверхность» red = 0,56 и для системы «воздух - необогреваемая бетонная поверхность» red = 0,63.

6.5. Коэффициенты теплопроводности  и удельной теплоемкости С следует определять по формулам:

, Вт/м°С (21)

C = C+ Дt, кДж/кг°С (22)

Значения коэффициентов А, В, С, Д приведены в Табл. 8.

Таблица 8.

Вид бетона и арматурная сталь

Плотность бетона, кг/м3

Значения коэффициентов

Влажность бетона, %

аred, м2

А, Вт/м°С

В, Вт/м°С

С, кДж/кг°С

Д, кДж/кг°С

Тяжелый на гранитном заполнителе

2350

1,20

-0,00035

0,71

0,00083

2,5

0,00133

Тяжелый на известняковом заполнителе

2350

1,14

-0,00055

0,71

0,00083

3,0

0,00116

Конструкционный керамзитобетон

1400 - 1600

0,36

-0,00012

0,83

0,00042

5,0

0,00734

Арматурная сталь

7850

58

-0,048

0,48

0,00063

-

-

6.6. Теплотехнический расчет применим для плоских конструкций, а также конструкций прямоугольного и круглого сечений. Температура арматуры, расположенной у обогреваемой поверхности, в плоских конструкциях (плитах, стенах) практически не зависит от изменения условий теплоотдачи на необогреваемой поверхности. Расчет температур в общем случае проводится по условной толщине рассматриваемого слоя бетона xi от обогреваемой поверхности.

Для определения температуры в бетоне вычисляют

(23)

и в арматуре

, (24)

затем определяют относительные расстояния:

(25)

(26)

где: l - толщина прогрева слоя бетона в метрах;

xi - расстояние в метрах от рассматриваемой точки бетона в сечении до i-ой обогреваемой поверхности;

1, 2 - коэффициенты, зависящие от плотности бетона, принимаются по Табл. 9;

уi - расстояние в метрах от i-й обогреваемой поверхности до оси арматуры;

ds - диаметр арматуры в метрах;

 - длительность стандартного пожара, в мин.

Время достижения предела огнестойкости в часах определяют по формуле:

. (27)
^

ОДНОСТОРОННИЙ НАГРЕВ


6.7. Для плит, стен пренебрегают теплообменом на торцах и считают, что температура изменяется только по толщине, и решают одномерную задачу теплопроводности (Рис. 3).



Рис. 3. Определение температуры бетона и арматуры, расположенных у обогреваемых поверхностей:

а) одной, б) двух параллельных, с) двух перпендикулярных, d) трех, е) четырех.

Температуру бетона и арматуры (°С) в плите при одной обогреваемой поверхности определяют по формуле:

(28)

Формула (28) применима при хi0,7h. В этой формуле r1 равно отношению условной толщины рассматриваемого слоя бетона хi* от обогреваемой поверхности к толщине прогреваемого слоя бетона l.

. (29)

Толщину слоя бетона, прогреваемого до критической температуры tb,cr (в °С), определяют по формуле:

(30)

при tb,cr: х1 = at.

В формулах (23 - 26, 30) приведенный коэффициент температуропроводности аred2/ч) вычисляют по формуле (6) или принимают по Табл. 8.

6.8. Толщину защитного слоя бетона от обогреваемой поверхности до оси арматуры определяют в зависимости от относительных расстояний r1 и y1.

Значение r1 вычисляют по формуле (29).

Значение y1 определяется по формуле:

, (31)

где l - находят по формуле (26). При критической температуре арматуры ts,cr y1 = а.
^

ДВУХСТОРОННИЙ НАГРЕВ


6.9. При двух параллельных обогреваемых поверхностях температуру бетона и арматуры следует определять:

(32)

Относительное расстояние r1 определяют по формуле (29) и x1  0,5h (См. Рис. 3) по формуле (30).

Относительное расстояние r2 определяют также по формуле (^ 29), принимая вместо x1 значение x2.

Затем по формуле (32) определяют температуру бетона, отстоящего от обогреваемой поверхности на расстоянии x1 и x2 = h-x1. При температуре бетона, равной tb,cr, x1 = at.

Таблица 9.

Плотность сухого бетона, , (кг/м3)

500

800

1100

1400

1700

2000

2400

1, ч1/2

0,46

0,52

0,56

0,57

0,59

0,61

0,63

2

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,5

Если t > tbr, то рассчитывают температуру t в точке x1 > x1 и x2 = h-x1. Толщину слоя бетона, прогретого до критической температуры, принимают:

(33)

Толщину защитного слоя бетона от обогреваемой поверхности до оси арматуры вычисляют по формуле (^ 32), предварительно определив значение r1 по формуле (29) и y1 - по формуле (31). Зная y1, находят y2 = h-y1-ds.

При температуре арматуры ts,cr y1 = a.

Если t > tsr, то рассчитывают температуру t арматуры с y1 > y1 и y2 = h-y1-ds и принимают:

(34)

6.10. При двух взаимно перпендикулярных поверхностях температуру бетона и арматуры следует определять:

(35)

Значения r = r1 = r2 принимают как для одной обогреваемой поверхности внутри угла, образованного этими поверхностями.

(36)

Для арматуры, расположенной по биссектрисе прямого угла, значение у = y1 = у2 определяют по формуле (31). При t = ts,cr у = а.

Если для рассматриваемой точки бетона x2l, то r2 = 1 и в формуле (35) выражение во вторых квадратных скобках преобразуется так: [1-(1-r2)2] = 1.
^

ТРЕХСТОРОННИЙ НАГРЕВ


6.11. Температура бетона и арматуры в балке при трехстороннем огневом воздействии, когда первая и вторая обогреваемые поверхности параллельны, а третья им перпендикулярна, определяют по формуле:

(37)

Когда в прямоугольном сечении расстояние между первой и второй обогреваемыми поверхностями равно «b», толщина слоя прогретого бетона у третьей обогреваемой поверхности определяется:

(38)

(39)

(40)

Толщину слоя бетона, прогретого до tb,cr у третьей обогреваемой поверхности определяют:

(41)

Если для рассматриваемой точки бетона х3l, то в формуле (37) r3 = 1 и выражение в одной из скобок преобразуется: [1-(1-r3)2] = 1.

Толщину прогретого бетона у первой и второй обогреваемых поверхностей принимают как для параллельных обогреваемых поверхностей и находят по формулам (29, 30, 32).
^

ЧЕТЫРЕХСТОРОННИЙ НАГРЕВ


6.12. Температуру бетона и арматуры в прямоугольной колонне при четырехстороннем огневом воздействии, когда взаимно параллельные первая и вторая, третья и четвертая поверхности обогреваются, определяют по формуле:

(42)

Если для рассматриваемой точки х2,4l, то r2,4 = 1 и 1 - (1 - r2,4)2 = 1. Это значит, что 2-ая и 4-ая обогреваемые поверхности не оказывают влияния на температуру в рассматриваемой точке. При четырехстороннем обогреве толщину прогретого слоя у третьей и четвертой взаимно параллельных обогреваемых поверхностей принимают равной толщине слоя х3 у третьей обогреваемой поверхности при трехстороннем обогреве (первой, второй и третьей поверхностей) и определяют по формуле (38). Соответственно, толщину прогретого слоя у первой и второй взаимно параллельных поверхностей принимают равной толщине слоя x1 у первой обогреваемой поверхности при трехстороннем обогреве.

При четырехстороннем обогреве прямоугольного сечения толщину прогретого слоя в углах определяют по формуле (36).

6.13. Для квадратного сечения, обогреваемого с 4-х сторон, допускается определять площадь, ограниченную изотермой tb,cr, по формуле:

(43)

где:

; ; (44)



(45)

где: аt - толщина слоя бетона, прогретого до tb,cr у середины боковой поверхности, которую вычисляют по формулам (38, 41);

at1 - толщина слоя прогретого бетона до tb,cr в углу сечения, которую вычисляют по формулам (36, 41).

6.14. Для колонн круглого сечения, обогреваемых по всему периметру, температуру бетона и арматуры определяют по формуле:

(46)

где: d - диаметр колонны в метрах,

x1 = 0,35d.

Для определения температуры прогретого слоя бетона находят r1 по формуле (^ 29) и x1 по формуле (30). Затем по формуле (46) определяют температуру t для точки бетона, находящейся на расстоянии x1 от обогреваемой поверхности и температуру t для точки x1 = 1,2x.

Толщину прогретого бетона до критической температуры tb,cr вычисляют по формуле (^ 33).

6.15. Температуры бетона в плитах и стенах в зависимости от длительности стандартного пожара приведены в Приложении 3, температуры нагрева арматуры в балках - в Приложении 4, температуры бетона в колоннах, балках и ребристых перекрытиях - в Приложении 5.
^

7. ПРЕДЕЛ ОГНЕСТОЙКОСТИ ПЛИТ И СТЕН ПО ПОТЕРЕ ТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ


7.1. Температура необогреваемой поверхности конструкции при одностороннем огневом воздействии зависит от условий теплообмена на этой поверхности, который характеризуется коэффициентом теплоотдачи:

(47)

где: с - коэффициент передачи тепла конвекцией на необогреваемой поверхности;

r - коэффициент передачи тепла излучением на необогреваемой поверхности.

В расчет вводится среднее арифметическое из начального и конечного значений коэффициента теплоотдачи . Начальное значение находят при повышении температуры на 1 °С необогреваемой поверхности.

Конечное значение определяют при повышении температуры необогреваемой поверхности на 160 °С, т.е. при наступлении предела огнестойкости по потере теплоизолирующей способности. Затем теплотехническим расчетом находят время достижения предела огнестойкости по потере теплоизолирующей способности.

7.2. Предел огнестойкости по потере теплоизолирующей способности при одностороннем нагреве плит (стен) из тяжелого бетона на гранитном и известняковом заполнителях и конструкционного керамзитобетона при стандартном огневом воздействии приведен на Рис. 4.



Рис. 4. Предел огнестойкости по теплоизолирующей способности плит (стен) при одностороннем нагреве из бетона:

1 - тяжелого на гранитном заполнителе; 2 - то же, на известняковом заполнителе; 3 - конструкционного керамзитобетона.
^

8. РАСЧЕТ ПРЕДЕЛА ОГНЕСТОЙКОСТИ ПО ПОТЕРЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ

БАЛОЧНЫЕ ПЛИТЫ


8.1. Плиты считаются балочными, если

.

Для обеспечения требуемого предела огнестойкости плит они должны иметь высоту h и расстояние от нагреваемой поверхности до оси арматуры «а» не менее значений, указанных в Табл. 10.

Таблица 10.

Вид бетона

Вид плиты и опирания

Минимальная толщина плиты h и расстояние до оси арматуры а, мм, при пределе огнестойкости, мин

30

60

90

120

180

240

Толщина плиты, мм

60

80

100

120

150

175

Тяжелый с гранитным заполнителем

Балочная плита. Опирание по двум сторонам.

10

25

35

45

60

70

Опирание по контуру при 1y/1х 1,5

10

10

15

20

30

40

Опирание по контуру при 1y/1х > 2,0

10

25

35

45

60

70

Толщина плиты, мм

60

65

80

95

120

140

Конструкционный керамзитобетон D 1400-1600

Балочная плита. Опирание по двум сторонам.

10

20

30

40

50

55

Опирание по контуру при 1y/1х 1,5

10

10

10

15

25

30

Опирание по контуру при 1y/1х > 2,0

10

20

30

40

50

55

8.2. Балочные статически определимые плиты, опертые по двум противоположным сторонам, при одностороннем нагреве разрушаются в результате образования пластического шарнира в середине пролета из-за снижения нормативного сопротивления арматуры растяжению до критического значения, т.е. до напряжения от нормативной нагрузки (Рис. 5).



Рис. 5. Схема усилий и эпюра напряжений в сечении, нормальном к продольной оси:

а) балочной плиты в пролете; в) консольной плиты на опоре, обогреваемых с нижней стороны.

При расчете можно пренебречь прогревом сжатой зоны бетона и сжатой арматуры, так как они нагреваются незначительно.

8.3. Критическое значение коэффициента условий работы растянутой арматуры вычисляют по формулам:

при одиночном армировании, когда х < R:

(48)

при двойном армировании:

(49)

где:

(50)

Зная критическое значение коэффициента условий работы арматуры st,cr в зависимости от класса арматуры по Рис. 22 - 24 определяют критическую температуру нагрева арматуры ts,cr, при которой наступает предел огнестойкости по потере несущей способности.

Время наступления предела огнестойкости по потере несущей способности находят по кривым прогрева бетона плит, принимая критическую температуру нагрева арматуры равной температуре бетона на уровне ее центра тяжести (Рис. 32 - 37).

8.4. У сильно армированных плит, когда разрушение может начаться со сжатой зоны, до начала резкого увеличения пластических деформаций температурной ползучести растянутой арматуры, критическую деформацию арматуры s,cr следует определять по зависимости, связывающей полные деформации арматуры с относительной высотой сжатой зоны  нагретого элемента в предельном состоянии:

(51)

Характеристика сжатой зоны:

(52)

где:  - принимают для тяжелого бетона 0,85 и для конструкционного керамзитобетона 0,80;

Rbn - нормативное сопротивление бетона сжатию, МПа.

Относительная высота сжатой зоны:

(53)

Деформации предельной сжимаемости бетона b2 в изгибаемых плитах принимают по Табл. 5 в зависимости от вида бетона и средней температуры нагрева сжатой зоны.

Зная критическую деформацию s,cr и коэффициент условий работы растянутой арматуры st,cr, по кривым деформирования арматуры (Рис. 28 - 31) находят критическую температуру нагрева арматуры ts,cr. По кривым прогрева бетона (Рис. 32 - 37) находят время наступления предела огнестойкости плиты по потере несущей способности, принимая температуру арматуры по температуре бетона на уровне ее центра тяжести.
^

МНОГОПУСТОТНЫЕ ПЛИТЫ


8.5. В многопустотных плитах предел огнестойкости может наступить при действии изгибающего момента M1 от нормативной равномерно распределенной нагрузки в опасном наклонном сечении от поперечной силы и проскальзывания арматуры на опоре при нагреве контактного слоя бетона и арматуры до критической температуры.

Расчет огнестойкости при действии изгибающего момента в опасном наклонном сечении производится из условия:

(54)

При огневом воздействии момент, воспринимаемый продольной арматурой, пересекающей растянутую зону наклонного сечения, определяется:

(55)

Момент, воспринимаемый хомутами в пределах растянутой зоны наклонного сечения, определяется:

(56)

где: s5 - коэффициент условий работы арматуры в зоне передачи напряжений для арматуры без хомутов, определяют по п. 2.29 СНиП 2.03.01-84*;

s5t - коэффициент условий работы арматуры в зоне передачи напряжений при огневом воздействии, принимают по Рис. 24 в зависимости от класса и температуры арматуры в зоне передачи напряжений;

с - длина проекции наиболее опасного наклонного сечения;

s - расстояние между хомутами;

st - коэффициент условий работы арматуры, принимают по Рис. 22 - 24 в зависимости от наибольшей температуры нагрева хомутов, пересекаемых наклонной трещиной.

Высоту сжатой зоны вычисляют по формуле:

(57)

8.6. За предел огнестойкости принимается минимальное значение из пределов огнестойкости: при образовании пластического шарнира в середине пролета от момента М и у края наклонной трещины от момента M1.

Предел огнестойкости при образовании пластического шарнира в середине пролета определяют с использованием формул (48) и (51), в которых вместо «b» - ширины ребра подставляют «bf» - ширину сжатой полки.

Зная st,cr, по Рис. 22 - 24 находят критическую температуру нагрева арматуры ts,cr. По значению ts,cr в Табл. 11 для требуемого предела огнестойкости определяют толщину защитного слоя бетона. Если принятая толщина защитного слоя бетона больше указанной, то требуемая огнестойкость обеспечена. Время наступления предела огнестойкости находят по Рис. 32 - 37 в зависимости от критической температуры арматуры.

Таблица 11.

Вид бетона

Длительность огневого воздействия, мин

Температура нагрева арматуры ts, °C, при толщине защитного слоя до центра тяжести арматуры

350

400

450

500

550

600

650

Тяжелый бетон на гранитном заполнителе

45

30

26

22

18

15

-

-

60

38

33

29

25

21

17

-

90

53

46

40

35

30

26

22

Тяжелый бетон на известняковом заполнителе

45

28

24

20

17

14

-

-

60

36

31

27

23

19

16

-

90

46

43

38

33

28

24

20

Конструкционный керамзитобетон D 14001600

45

22

18

15

-

-

-

-

60

28

23

20

17

15

-

-

90

38

33

29

25

21

18

15
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12



Скачать файл (5332.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации