Повышение огнестойкости здания

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО КЕМЕРОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Кафедра безопасности жизнедеятельности

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Здания и сооружения»

Исполнитель:

студент механического факультета, 5 курса,

группы ПД-91 Пичугина А.Ю

Руководитель: доцент кафедры Попова Е.А

Кемерово 2013

Содержание

Введение

1. Расчет фактического предела огнестойкости металлической фермы покрытия

2. Расчет фактического предела огнестойкости деревянной балки

3. Расчет фактического предела огнестойкости железобетонных плит перекрытий с круглыми пустотами

4. Расчет фактического предела огнестойкости железобетонной колонны

Заключение

Список рекомендуемой литературы

Введение

Целью курсовой работы по дисциплине «Здания и сооружения» является проверка соответствия фактической степени огнестойкости здания противопожарным требованиям и разработка технических решений по повышению огнестойкости строительных конструкций.

Задачи курсовой работы - приобретение навыков ведения расчетов, работы со справочной и нормативной литературой, разработка обоснованных предложений, углубление и обобщение знаний по дисциплине.

1. Расчет фактического предела огнестойкости металлической фермы покрытия

В заданных узлах стальной фермы каждый элемент (растянутый или сжатый) выполнен из двух уголков или швеллеров, соединенных между собой пластиной _f, мм, рис. 1. Каждый уголок обогревается со всех четырех полок. Стальная ферма не имеет огнезащитного покрытия.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рисунок 2- Сечение узла фермы

Для каждого из элементов фермы следует определить величину критической температуры, то есть решить статическую задачу, а затем решить теплотехническую задачу по определению предела огнестойкости конструкции.

Статический расчет производится из условия снижения прочности до величины напряжения, возникающего в элементе от внешней нагрузки.

Исходные данные для расчета представлены в таблице 1.

Маркировка фермы ФС24-10,55

Таблица 1. Спецификация элементов фермы ФС 24 - 10,55

№ узла	Обозна- чение элемента	Вид профиля, размеры поперечного сечения, мм	Длина, , мм	Марка стали	Толщина соедини- тельной пластины, f, мм	Усилие, N, кH	Площадь поперечного сечения, А,см2	Ix
5	Р3 Р4 03 04	L 140x10 L 90x6 L 200x13 L 200x13	4307 4243 3000 3000	Ст3пс6 14Г2С	14	-686 +322 -2477 -2997	27,33 10,61 50,85 50,85	4,33 2,78 7,83 7,83

Рассчитывается коэффициент изменения предела текучести стали, соответствующий критической температуре нагрева растянутых элементов фермы:

(1)

Узел P4:

и сжатых:

(2)

Узел P3:

Узел О3:

Узел О4:

где - расчетные усилия, воспринимаемые элементами фермы, Н, в таблицах А1-А16 знак «+» указывает на растяжение, «-» - на сжатие;

- площадь поперечного сечения элемента фермы, м², табл. 1;

- предел текучести стали, Па [3], для марки 12Г²С составляет 390 Н/мм², для Ст3пс6 - 245 Н/мм²;

- усредненное значение коэффициента надежности по нагрузке составляет 1,2 [22];

- коэффициент продольного изгиба элемента при нагреве. Значение определяется по _max - максимальной величине гибкости элемента фермы: = 1 при _max ? 40; = 0,95 при _max > 40.

Максимальная величина гибкости, _max, принимается равной наибольшей из гибкостей элемента в вертикальном (в плоскость фермы) и горизонтальном (из плоскости фермы) направлениях прогиба элементов фермы:

и

(3)

где , - расчетные длины элемента в вертикальном и горизонтальном направлениях прогиба, в расчете принять равными - длине элемента, мм (табл.1);

, - радиус инерции поперечного сечения элемента относительно оси x и y, мм, определяется по формуле:

(4)

где h,b,h₁ параметры тавра, представленные на рисунке 2.

Узел P3:

_max ? 40; = 0,95

Узел О3:

_max ? 40; = 0,95

Узел О4:

_max ? 40; = 0,95

Рисунок 2-Тавр

По табл. 2 определяются значения критической температуры нагрева металла

Таблица 2

Значения критических температур

tcr, ?С		tcr, ?С
20	1,00	400	0,70
100	0,99	450	0,65
150	0,93	500	0,58
200	0,85	550	0,45
250	0,81	600	0,34
300	0,77	650	0,22
350	0,74	700	0,11
Промежуточные значения следует определяем по линейной интерполяции. P3: tcr=550 ?С P4: tcr=526 ?С О3: tcr=511 ?С О4: tcr=440 ?С

Теплотехническим расчетом находится время прогрева металла до критической температуры, т.е. предел огнестойкости конструкции по признаку R.

Определяется приведенная толщина элементов фермы:

(4)

где - обогреваемый периметр сечения элемента фермы, м. Периметр сечения одного уголка принимается равным U = 4·b, где b - ширина полки уголка, м.

Узел P3:

Узел P4:

Узел О3:

Узел О4:

Для каждого элемента по графикам (рис. 3) определяются значения времени прогрева , мин, до критической температуры.

Рисунок 3- Кривые прогрева незащищенных элементов стальных конструкций приведенной толщины; 1 - стандартная температурная кривая

Фактический предел огнестойкости фермы П_ф принимается равным минимальному значению времени, , мин, утраты несущей способности элементов фермы. =27 минут.

Металлические элементы являются негорючими, фактический класс пожарной опасности конструкций принимается К0

2. Расчет фактического предела огнестойкости деревянной балки

Расчетный позволяет оценить предел огнестойкости конструкций из древесины по критерию несущей способности (R) сечений.

Основные положения, необходимые для расчета пределов огнестойкости деревянных конструкций:

- температура начала обугливания древесины составляет 270 ?С;

- температура достигается на поверхности древесины через 4 мин после начала стандартного теплового воздействия пожара;

- скорость обугливания для клееной древесины хвойных пород принимается постоянной, равной 0,7 мм/мин;

- за фронтом обугливания температура древесины снижается по гиперболическому закону.

Требования к балке по огнестойкости определяются расчетным методом с учетом действующей на балку нормативной нагрузки. Исходные данные для расчета представлены в таблице 3.

Таблица 3. Исходные данные для расчета деревянной балки

Последние цифры номера зачетной книжки	Расчет-ный пролет, L, м	Размеры поперечного сечения балки, мм	Полная расчет-ная нагрузка на балку, q, кПа	Шаг балок, a, м	Сорт древе-сины	Коли-чество сторон обогрева при пожаре	Длина балки, на которой прои-зошло обрушение связей рс, м	Номера узлов опира-ния балок и крепления элемен-тов связей	Площадь 2-го пожар-ного отсека здания, S, м2
предпоследняя	последняя		высота, h	ширина, b
2	5	18	1300	190	6,6	3	2	3	3	2;5	7400

Определяется нормативная нагрузка, , кН/м, на один погонный метр длины балки:

(5)

где - полная расчетная нагрузка на балку, кПа;

- шаг балок, м;

- усредненное значение коэффициента надежности по нагрузке, принимается равным 1,2 [26];

Изгибающий момент, , кН•м, от действия нормативной распределенной нагрузки определяется по формуле:

(6)

где - длина балки, на которой произошло обрушение связей, м.

От действия поперечной силы в опорных сечениях балки возникают максимальные касательные напряжения. Определяется поперечная сила, Q_n, кН, от нормативной нагрузки:

(7)

где - расчетный пролет, м.

Определяется коэффициент изменения прочности по нормальным напряжениям:

(8)

где - момент сопротивления прямоугольного поперечного сечения, м³, равен: W=(0.19·1.3²)/6=0.05;

R_fw - расчетное сопротивление, МПа, древесины изгибу при нагреве [13, табл. 4.2]. R_fw=26

Определяется критическая глубина обугливания, Z_cr, мм, при достижении которой наступает предельное состояние конструкции по огнестойкости при действии нормальных напряжений (рис. 4).

Рисунок 4- Схема 4-стороннего обогрева деревянной балки

Число обогреваемых сторон- 4, отношение h/b=6,84 и коэффициент , По монограмме (рис. 5) определяется Z_cr. Точка пересечения параметров находится на штрихпунктирной линии или ниже, значение Z_cr принимается равным 25 % наименьшего размера сечения балки до пожара. Z_cr=47,5



Рисунок 5-Зависимость коэффициента (цифровой индекс-число сторон обогрева) от отношения критической глубины обугливания к высоте и ширине

Определяется время , мин, от начала воспламенения древесины до наступления предельного состояния конструкции по огнестойкости:

(9)

где - скорость обугливания древесины, 0,7 мм/мин.

Фактический предел огнестойкости П_ф, мин, равен:

(10)

где - время до начала обугливания, 4 мин

Производится проверка условия огнестойкости конструкции:

П_тр - требуемый предел огнестойкости = 45 минут.

Элементы из незащищенной древесины являются горючими, класс пожарной опасности принимается К3 независимо от времени воздействия огня и требуемого предела их огнестойкости.

3. Расчет фактического предела огнестойкости железобетонных плит перекрытий с круглыми пустотами

Расчетный метод позволяет оценить предел огнестойкости железобетонных конструкций по критерию несущей способности (R) нормальных сечений.

Теплотехническая часть расчета определяет температуры по сечению конструкции при пожаре.

В статической части вычисляются изменения несущей способности нагретой конструкции с учетом изменения свойств бетона и арматуры. Исходные данные для расчета представлены в таблице 4.

Таблица 4. Исходные данные для расчета огнестойкости железобетонных плит перекрытий с круглыми пустотами

Последние две цифры номера зачет-ной книжки	Класс бетона по прочности «В»	Влажность, w, %	Толщина защитного слоя бетона, аз, мм	Количество и диаметр арматурных стержней, мм	Нормативная нагрузка, q, кН/м2
25	15	3,9	12	610	3,1

Определение изгибающего момента М_п, Н•м, в середине пролета от действия нормативной нагрузки и собственного веса плиты:

М_п, (11)

М_п

где - нормативная нагрузка, Н/м, на один погонный метр длины плиты:

(12)

где - нормативная нагрузка, Н/м²;

- вес плиты, Н; P=pgV=47418,77

, - длина и ширина плиты, м.

Расстояние от нижней (обогреваемой) поверхности панели до оси рабочей арматуры (рис. 6) составит:

, (13)

где - толщина защитного слоя бетона, мм;

- диаметр арматурных стержней, мм.

Определяются основные размеры расчетного поперечного сечения плиты:

- ширина: = b=1,49м;

- высота: = 0,5 (h - П)=0,5(0,22-0,159)=0,0305, где П - диаметр пустот

плиты, принимается 159 мм [8];

- расстояние от не обогреваемой поверхности конструкции до оси арматурного стержня h_o = h - a=0,22-0,017=0,203, мм.

Определяются прочностные и теплофизические характеристики бетона:

- нормативное сопротивление по пределу прочности R_bn, МПа (табл. 5) [25, табл. 6.7];

огнестойкость здание строительная конструкция

Таблица 5 Нормативные сопротивления бетона в зависимости от класса бетона по прочности на сжатие

Бетон	Нормативные сопротивления бетона Rbn, МПа
	В10	В12,5	В15	В20	В25	В30	В35
Тяжелый	7,5	9,5	11,0	15,0	18,5	22,0	25,5

- коэффициент надежности [17] по бетону принимается _b = 0,83;

- расчетное сопротивление бетона по пределу прочности R_bu = R_bn/_b=11/0,83=13,2, МПа;

- коэффициент теплопроводности _t, Вт/(м•?С); удельная теплоемкость с_t, кДж/(кг•К); приведенный коэффициент температуропроводности a_red, м²/ч, определяются по справочнику [18, табл. 9.3.2];

_t=А+BT=1,2+(-0,00035)450=1,0425

С=С+DT=0,71+0,000283·450=0,83735

a_red=

- коэффициенты, зависящие от средней плотности бетона , с^1/2, и определяются по справочнику [18, табл. 9.3.3].

,=0.62·60=37,2

с^1/2=0,62

=0.5

Определяется высота сжатой зоны , мм, плиты:

(14)

Определяется напряжение , МПа, в растянутой арматуре от внешней нагрузки:

(15)

где - суммарная площадь поперечного сечения арматурных стержней в плите, мм² [5].

=8.351

Определяется критическое значение коэффициента изменения прочности арматурной стали:

(16)

где - коэффициент надежности для арматуры, принимается 0,9 [17];

- нормативное сопротивление арматуры по пределу прочности, для арматуры класса А-VI (А600) составляет 600 МПа [25, табл. 6.13].

=0,012

Определяется критическая температура нагрева t_stcr,?С, арматуры в растянутой зоне. Данные для арматуры класса А-VI (А600) приведены в табл.6. Промежуточные значения следует определяем по линейной интерполяции.

Таблица 3 Значения температуры нагрева арматуры класса А-VI (А600) в плите

Температура нагрева арматуры tstcr, ?С, от коэффициента изменения прочности арматурной стали
1,0	0,95	0,8	0,65	0,5	0,35	0,2	0,1	0,05	0
? 350	400	450	500	550	600	650	700	750	800

t_stcr =790 ?С

Определяется время прогрева арматуры до критической температуры плиты сплошного поперечного сечения, которое является фактическим пределом огнестойкости, , с:

(17)

где - аргумент функции ошибок Гаусса (Крампа), который определяется по графику функции (рис. 6):

(18)

где - температура конструкции до пожара, принимается равной 20 ?С.

х=0,4

Рисунок 6- График функции ошибок

Фактический предел огнестойкости плиты перекрытия с круглыми пустотами составит:

(19)

где 0,9 - коэффициент, учитывающий наличие в плите пустот.

Производится проверка условия огнестойкости конструкции:

П_тр=45 минут, требуемый предел огнестойкости [19; 27, табл. 21].

Бетонные конструкции являются негорючими, фактический класс пожарной опасности конструкций принимается К0 [4].

4. Расчет фактического предела огнестойкости железобетонной колонны

Расчетный метод позволяет оценить предел огнестойкости железобетонных конструкций по критерию несущей способности (R) нормальных сечений.

Определяются прочностные характеристики материалов колонны:

- расчетное сопротивление арматуры по пределу прочности,Мпа

R_su = R_sn/_s,

где R_su - нормативное сопротивление арматурной стали сжатию, для арматуры класса А-III (А400) составляет 400 МПа [25, табл. 6.13];

_s - коэффициент надежности для арматуры [17], принимается 0,9;

R_su = 400/0,9=444,44

- расчетное сопротивление бетона по пределу прочности,Мпа

R_bu = R_bn/_b,

где R_bn - нормативное сопротивление бетона [25, табл. 6.7] по пределу прочности, МПа (табл. 2); _b - коэффициент надежности по бетону [17], принимается 0,83.

R_bu = 15/0,83=18,07·10⁶

По справочнику [18, табл. 9.3.2] определяются теплофизические характеристики бетона:

коэффициент теплопроводности _t=0,8925 Вт/(м•?С);

удельная теплоемкость с_t=1,0835 кДж/(кг•К);

приведенный коэффициент температуропроводности a_red=0,00000014м²/с

По ГОСТу [5] определяется суммарная площадь поперечного сечения , мм², арматурных стержней в колонне.

=491·4=1964мм²

Определяются несущие способности колонны N_t, МН, в различные моменты времени воздействия пожара . Для установления зависимости N_t = f() задаются интервалы времени ₁ = 0 ч; ₂ = 1 ч; ₃ = 2 ч.Исходные данные представлены в таблице 4.

Таблица 4 Исходные данные для расчета огнестойкости железобетонных колонн

Пос-ледние две цифры номера зачетной книжки	Ширина (высота) поперечного сечения, b = h, мм	Класс бетона по прочности «В»	Влажность, w, %	Толщина защитного слоя бетона, аз, мм	Количество и диаметр арматурных стержней, мм	Шаг сеток поперечного армирования
25	0,35	20	2,9	30	425	210

Вычисляется , МН, при ₁ = 0 ч:

(20)

где =1, коэффициент продольного изгиба [13, прил. 7] для нагретых колонн (табл. 5) зависит от , где =2,1; расчетная длина колонны, м, при жесткой заделке колоны с двух концов принимается равной 0,5• [12].

Таблица 4 Значение коэффициента продольного изгиба колонн

8	1,0	18	0,85	28	0,64
10	0,98	20	0,81	30	0,59
12	0,96	22	0,77	32	0,54
14	0,93	24	0,73	34	0,49
16	0,89	26	0,68	36	0,44

После решения теплотехнической части задачи огнестойкости, т.е. определения температуры арматурных стержней и размеров «ядра» поперечного сечения колонны, вычисляется N_t,1, МН, при ₂ = 1 ч.

Вычисляется температура в расчетной точке колонны на заданный момент времени:

(21)

где - температура конструкции до пожара, принимается равной 20 ?С;

- относительная избыточная температура, ?С, вычисляется:

, (22)

где - функция ошибок Гаусса (Крампа), решение которой определяется по графику функции (рис. 6);



- относительное расстояние:

(23)

где - расстояние от центра колонны до расчетной точки по толщине колонны, м, определяется:

;

х=0,5·0,35-0,03-(0,5·0,025)=0,1325

- критерий Фурье определяется:

, (24)

где - время с начала пожара, с;

- коэффициент, зависящий от средней плотности бетона, с^1/2, определяется по справочнику [18, табл. 9.3.3].

=0,014157

Определяется температура нагрева арматурных стержней , ?С (с учетом всестороннего обогрева колонны):

(25)

=456,7

где - температура, ?С, принимается по стандартной кривой пожара [13; 18] или вычисляется:

.

Вычисляется температура в центре «ядра» колонны:

, (26)

=20

где =1,000, относительная избыточная температура в центре теплового «ядра» колонны, выбирается в зависимости от отношения по таблице справочника [13, прил. 5].

По табл. 5 определяется значение коэффициента изменения прочности арматурной стали класса А-III (А400) от температуры нагрева , ?С [18, табл. 9.3.7]. Промежуточные значения следует определяем по линейной интерполяции.

Таблица 5 Значения коэффициента изменения прочности арматурной стали класса А-III (А400)

Коэффициент изменения прочности арматурной стали класса А-III (А400) от температуры нагрева , ?С
? 350	400	450	500	550	600	650	700	750	800
1,0	1,0	0,95	0,75	0,6	0,45	0,3	0,15	0,1	0,05

Определяем относительную температуру на границе «ядра» поперечного сечения колонны:

(27)

где - критическая расчетная температура, ?С, бетона, для тяжелого бетона на гранитном щебне - 650 ?С [13].

По графику (рис. 7) определяется коэффициент по известным и .



Рисунок 8- Кривые распределения относительной избыточной температуры

Определяются размеры, м, теплового «ядра» поперечного сечения колонны:

(28)

Определяется несущая способность колонны, МН, при ₂ = 1 ч:

(29)

При ₂ = 2 ч=7200с

х=0,132

=0,0282

Температура нагрева арматурных стержней , ?С

=1027,96

Y_st=0.05

Относительная температура на границе «ядра» поперечного сечения колонны:

Температура в центре «ядра» колонны:

=19,8

Размеры, м, теплового «ядра» поперечного сечения колонны:

Определяется несущая способность колонны, МН, при ₂ = 1 ч:

Заключение

В соответствии с целью курсовой работы после выполнения 4 основных частей необходимо определить соответствие основных конструкций здания требованиям пожарной безопасности по.

Для каждого пожарного отсека проверяемого здания определяются: класс функциональной пожарной опасности; требуемые степень огнестойкости и класс конструктивной пожарной опасности, величины требуемых пределов огнестойкости основных строительных конструкций, требуемые классы пожарной опасности конструкций, величины фактических пределов огнестойкости основных конструкций; фактический класс пожарной опасности конструкций; фактические степень огнестойкости и класс конструктивной пожарной опасности.

В случае несоответствия строительных конструкций противопожарным нормам разрабатываются технические решения и предложения по повышению их огнестойкости и снижению пожарной опасности.

Если все конструкции соответствуют противопожарным требованиям, то предлагается перечислить технические решения, которые могут повысить пределы огнестойкости.

Список рекомендуемой литературы

1. Анурьев, В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: в 3 т. - Т. 1. - 9-е изд., перераб. и доп. / В.И. Анурьев; под ред. И.Н. Жестковой. - М.: Машиностроение, 2006. - 928 с.

2. ГОСТ 27772-88. Прокат для строительных стальных конструкций. Общие технические требования.

3. ГОСТ 30403-96. Конструкции строительные. Метод определения пожарной опасности.

4. ГОСТ 5781-82*. Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций. Технические условия.

5. ГОСТ 8509-93. Уголки стальные горячекатаные равнополочные. Сортамент.

6. ГОСТ 9561-91. Плиты перекрытий железобетонные многопустотные для зданий и сооружений. Технические условия.

7. Милованов, А.Ф. Пособие по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций из тяжелого бетона(к СТО 36554501-006-2006. Правила по обеспечению огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций) / А.Ф. Милованов. - М.: ЦПП, 2008. - 103 с.

8. Мосалков, И.Л. Огнестойкость строительных конструкций / И.Л. Мосалков, Г.Ф. Плюснина, А.Ю. Фролов. - М.: ЗАО «СПЕЦТЕХНИКА», 2001. - 496 с.

9. Работы выпускные квалификационные, проекты и работы курсовые.

Правила оформления: Положение. Ип 02.00-06/08 / КемТИПП. - Кемерово, 2008. - 60 с.

10. Попова Е.А Методические указания по выполнению курсовой работы для студентов специальности 280705 «Пожарная безопасность»всех форм обучения/КемТИПП,2013.-75с.

11. Рекомендации по расчету пределов огнестойкости бетонных и железобетонных конструкций / НИИЖБ Госстрой СССР. - М.: Стройиздат, 1986. - 42 с.

12. Ройтман, В.М. Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируемых зданий / В.М. Ройтман.-- М.: Ассоциация «Пожарная безопасность и наука», 2001.-- 382 с.

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

14. СП 16.13330.2011. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*.

15. СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003.

16. СП 64.13330.2011. Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-25-80.

17. Федеральный закон «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».

Размещено на Allbest.ru