Расчет огнестойкости строительных и железобетонных конструкций

где Р - напор гравитационной вентиляции;

₁ - плотность холодного воздуха;

Величина предела огнестойкости железобетонной конструкции определена путем расчета пределов огнестойкости по потере несущей и теплоизолирующей способности, а также оценки.

Общая оценка возможности хрупкого разрушения бетона при пожаре произведена по «Рекомендациям по защите бетонных и железобетонных конструкций от хрупкого разрушения» с учетом положений МДС 21-2.2000 «Методические рекомендации по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций». Оценка проведена по критерию хрупкого разрушения (F):

где а=1.16•10^-2 Вт•м^3/2•кг ^-1 - коэффициент пропорциональности;

б_bt=9.25 10^-6 1/град - коэффициент линейной температурной деформации бетона на гранитном заполнителе;

в_t=0.6 - температурный коэффициент снижения модуля упругости при пожаре;

Е_bt= Е_bв_t =24000•0.6=14400 МПа - модуль упругости нагретого бетона;

с=2250 кг/м³ - плотность бетона в сухом состоянии (без влаги);

л =1.11 Вт/м град. - коэффициент теплопроводности;

К₁^/=0.53 МПа^-3/2 - коэффициент псевдоинтенсивности напряжений неоднородного материала.

Значения коэффициентов б_bt, в_t, с, л определены для температуры бетона при пожаре 200°С.

Общая пористость бетона (П) с плотным заполнителем при В/Ц=0.4:

П= Ц (В/Ц - 0.2) 10^-3 = 550 (0.4-0.2) 0.001=0.11 м³/м³,

где Ц = 550 кг/м³ - расход цемента;

В/Ц==0.4 - водоцементное отношение.

Влажность бетона по массе (W_в) принята в зависимости от относительной расчетной влажности воздуха в помещении (ц=65%), при которой будет эксплуатироваться конструкция, и расхода цемента (550 кг):

W_в=0.03 кг/кг.

Эксплуатационная объемная влажность бетона W_0э с плотными заполнителями определена как его средняя равновесная влажность:

W_0э=W_в с ^10-3=0.03•2250•0.001=0.0675 м³/м³.

Критерий хрупкого разрушения (F) находится в интервале от 4 до 6 следовательно, при пожаре бетон хрупко разрушается. Вероятность хрупкого разрушения бетона может быть снижена при увеличении толщины полки плиты, с таким расчетом, чтобы ее значение находилось в безопасной зоне. При толщине полки 100 мм происходит снижение вероятности хрупкого разрушения бетона. Для полного предотвращения хрупкого разрушения бетона при пожаре необходимо снизить его объемную влажность ниже критического значения (W_0кр).

Значение объемной критической влажности бетона (W_0кр):

где с=0.58 Вт м/(МПа⁰С) - коэффициент пропорциональности;

R_btn=1.5 МПа - нормативное сопротивление бетона осевому растяжению;

м_кр=у_сж/R_bn=0.95 - критическое значение относительного сжимающего напряжения.

W_0э<W_0кр - бетон данной конструкции хрупко разрушаться не будет.

Расчет предела огнестойкости по потере несущей способности

Поскольку в серии предусмотрены плиты перекрытия, имеющие различные параметры продольной арматуры (количество стержней, диаметр), определение предела огнестойкости по потере несущей способности производится по относительным нагрузкам (м=у/R_sn) для наиболее неблагоприятного сочетания параметров конструкций.

Расчет производится по методике «Рекомендаций по расчету пределов огнестойкости бетонных и железобетонных конструкций» [4]. Плиты перекрытия при установке на балки располагаются рядом, таким образом, воздействие пожара непосредственно на ребро рассчитываемой конструкции (Р) возможно с двух взаимно перпендикулярных сторон. Расстояние до оси арматуры 45 мм, при этом толщина защитного слоя бетона для всех плит перекрытия серии предусмотрена не менее 30 мм.

Поскольку о<, разрушение конструкции происходит по потере прочности арматуры, проверка сжатой зоны бетона по потере прочности при нагреве - не целесообразна.

Расчетная величина x•для арматуры:

м.

где д =0.03 м, толщина защитного слоя бетона;

ц₁= 0.62; ц₂=0.5 - расчетные коэффициенты, зависящие от плотности бетона [4];

d =0.024 м - минимальный диаметр продольной арматуры;

a_red = 0.00133 м²/ч - приведенный коэффициент температуропроводности.

d_s = 0,02 м - минимальный диаметр арматуры при толщине защитного слоя 30 мм.

За 45 минут (ф =0.75 часа) в плите перекрытия прогревается слой толщиной (l):

м

Расстояние до оси арматуры:

мм

Расстояние от внешнего края ребра соседней с рассчитываемой плиты (С) до арматуры рассчитываемой плиты (Р) меньше l, таким образом, обогрев происходит с трех сторон.

Критическое значение коэффициента условий работы арматуры принимается равное критическому значению относительной нагрузки г_st=м=0.95.

Относительное расстояние для критической температуры арматуры при двухстороннем обогреве конструкции:

для плотности сухого бетона 2250 кг/м³.

Предел огнестойкости по потере несущей способности:

Поскольку вероятность откола наиболее вероятна в тонкостенных конструкциях в зоне сжатия бетона, то в ребрах плит перекрытия хрупкое разрушение маловероятно, таким образом, уменьшение толщины защитного слоя бетона не произойдет. Предел огнестойкости по потере несущей способности плит перекрытия при уровне относительной нагрузки 95% от максимального - составляет 41 минута.

Расчет предела огнестойкости по потере теплоизолирующей способности

Расчет произведен по методике «Рекомендаций по расчету пределов огнестойкости бетонных и железобетонных конструкций» [5]. Потеря теплоизолирующей способности плиты перекрытия наступает при повышении температуры необогреваемой поверхности в среднем на 140 °С. Для расчета принят односторонний одномерный прогрев конструкции при свободном теплоотводе с необогреваемой поверхности. В качестве критической температуры необогреваемой поверхности принята t_cr= 140+20=160 °С. Минимальная толщина полки конструкций данных серий составляет 50 мм.

Относительное расстояние для критического прогрева бетона:

Толщина слоя бетона, прогретого до критической температуры за 45 минут.

Таким образом, конструкция при толщине полки 49 мм не обеспечивает предел огнестойкости по потере теплоизолирующей способности 45 минут. Поскольку х_t > 0.7h_f, то аналитическое определение предела огнестойкости по указанной методике не возможно, он находится по графику.

Предел огнестойкости плиты перекрытия по потере теплоизолирующей способности без учета возможного хрупкого разрушения при толщине полки 49 мм - составляет 30 минут, с учетом набетонки с суммарной толщиной 100 мм - 90 минут.

Предел огнестойкости плит перекрытия по сериям 1.442.1-1 (2) и 1.442.1-5.98 - REI 30. При увеличении суммарной толщины полки с использованием негорючих материалов до суммарной величины 100 мм - REI 45.

При толщине полки 49 мм при пожаре будет происходить хрупкое разрушение бетона. Хрупкого разрушения бетона можно избежать при увеличении толщины полки до 100 мм и уменьшении объемной влажности бетона конструкции менее 2.5%.

Предел огнестойкости может быть увеличен более 45 минут одним из следующих конструктивных решений: установкой проволочной сетки с ячейками 15 мм и диаметром проволоки 1 мм на расстоянии от нагреваемой поверхности не более 5-10 мм; нанесением теплоизолирующей штукатурки толщиной 10-20 мм из легкого бетона по поверхности конструкции; дисперсным армированием бетона у нагреваемой поверхности конструкции на глубину 10-20 мм асбестом (5-7% от массы вяжущего).

Оценка возможности хрупкого разрушения бетона при пожаре одинакова и для колонны.

Класс арматуры АIII соответствует классу арматуры S400. Класс бетона принимаем таким же, как и в плите перекрытия - С 30/37.

Отношение эксцентриситета к высоте сечения: .

Находим расчетные сопротивления бетона и арматуры при нормальных условиях:

Площадь сечения рабочей арматуры:

Расстояние до оси арматуры: .

Несущая способность колонны при нормальных условиях:

где ц=1, так как ;

- площадь сечения сжатой зоны бетона.

Уровень нагружения колонны - 55%, тогда расчетная величина внешней нагрузки на колонну равна:

.

Характеристики колонны при нагреве трех обогреваемых сторон: первая и вторая обогреваемые поверхности взаимно параллельны и перпендикулярны третьей.

15 минута пожара (ф=0.25 ч)

Для определения температуры в арматуре определяется фиктивная толщина защитного слоя арматуры и толщина прогретого слоя:

При трехстороннем обогреве конструкции температура бетона и арматуры равна:

так, как , то , следовательно, обогреваемые поверхности не оказывают влияния на температуру в рассматриваемой точке.

Коэффициент условий работы арматуры при данной температуре .

Толщина прогретого до критической температуры слоя

- у первой и второй обогреваемых поверхностей:

- у третьей обогреваемой поверхности:

Расчетные ширина и длинна сечения колонны при пожаре составят:

Расчетные сопротивления бетона и арматуры для определения предела огнестойкости:

Площадь бетонного сечения колонны:

Несущая способность колонны при пожаре:

30 минута пожара (ф=0.5 ч)

Для определения температуры в арматуре определяется фиктивная толщина защитного слоя арматуры и толщина прогретого слоя:

При трехстороннем обогреве конструкции температура бетона и арматуры равна:

так, как , то , следовательно, обогреваемые поверхности не оказывают влияния на температуру в рассматриваемой точке.

Коэффициент условий работы арматуры при данной температуре .

Толщина прогретого до критической температуры слоя:

- у первой и второй обогреваемых поверхностей:

- у третьей обогреваемой поверхности:

Расчетные ширина и длинна сечения колонны при пожаре составят:

Расчетные сопротивления бетона и арматуры для определения предела огнестойкости:

Площадь бетонного сечения колонны:

Несущая способность колонны при пожаре:

60

минута пожара (ф=1 ч)

Для определения температуры в арматуре определяется фиктивная толщина защитного слоя арматуры и толщина прогретого слоя:

При трехстороннем обогреве конструкции температура бетона и арматуры равна:

так, как , то , следовательно, обогреваемые поверхности не оказывают влияния на температуру в рассматриваемой точке.

Коэффициент условий работы арматуры при данной температуре .

Толщина прогретого до критической температуры слоя:

- у первой и второй обогреваемых поверхностей:

- у третьей обогреваемой поверхности:

Расчетные ширина и длинна сечения колонны при пожаре составят:

Расчетные сопротивления бетона и арматуры для определения предела огнестойкости:

Площадь бетонного сечения колонны:

Несущая способность колонны при пожаре:

Несущая способность колонны исчерпана на 48 минуте, следовательно предел огнестойкости данной строительной конструкции составит R45.

2.2 Противовзрывная защита

Определить категорию производственного помещения по взрывопожарной и пожарной опасности. Определить необходимость устройства легкосбрасываемых конструкций (ЛСК) и их параметры.

Параметры помещения:

Объем оборудования, м³ - 48

Объем аппарата, м³ - 0,77

Степень заполнения - 0,96

Кратность вентиляции, 1/ч - 8

Скорость воздуха, м/с - 0,4

Расстояние до задвижек, м - 14

Диаметр трубопровода, мм - 94

Расход трубопровода, л/с - 9

Давление в трубопроводе, МПа - 0,5

Привод задвижек - авт.

Ограничение растекания% от площади пола - 30

Толщина оконного стекла, мм - 5

Соотношение сторон листа стекла - 1:2

Максимальная площадь остекления, м² - 29

Объем помещения, м³ - 3127

Определение категории помещения по взрывопожарной и пожарной опасности

Метан, СН4

Физико-химические свойства: Бесцветный газ. Мол. масса 16,04; плотн. 0,7168 кг/м³ при 0°С; т. кип. 161,58°С; lg p = 5,68923 - 380,224/(264,804 + t) при т-ре от -182 до -162°С; коэф. диф. газа в воздухе 0,196 см²/с; тепл. образов. -74,8 кДж/моль; тепл. cгop. -802 кДж/моль.

Пожароопасные свойства: Горючий газ. Т. самовоспл. 535°С; конц. пределы распр. пл.: в воздухе 5,28-14,1% об., в кислороде 5,1-61% об., в гемиоксиде азота 4,3-22,9% об., в оксиде азота 8,6-21,7% об., в хлоре 5,6-70% об.; макс. давл. взрыва 706 кПа; макс. скорость нарастания давл. 18 МПа/с; норм. скорость распр. пл. 0,338 м/с; миним. энергия зажигания 0,28 мДж в воздухе и 0,0027 мДж в кислороде; миним. флегм. конц. разбавителя, % об.: №37, Н₂О 29, СО₂ 24, Аr 51, Н₂ 39, CCl₄ 13; МВСК 11% об.

В соответствии с НПБ 5-2005 при расчете значений критериев взрывопожарной опасности в качестве расчетного следует выбирать наиболее неблагоприятный вариант аварии или период нормальной работы аппаратов, при котором во взрыве участвует наибольшее количество веществ или материалов, наиболее опасных в отношении последствий взрыва.

Избыточное давление взрыва для метана определяется по формуле:

где - максимальное давление взрыва стехиометрической газо- или паровоздушной смеси в замкнутом объеме, для метана = 706 кПа;

- начальное давление, кПа (допускается принимать равным 101 кПа);

- масса метана, вышедшего в результате расчетной аварии в помещение;

Z - коэффициент участия горючего во взрыве, который для горючих газов равен 0,5;

- свободный объем помещения, куб. м, вычисляемый по формуле: (м³).

- плотность газа или пара при расчетной температуре. Т.к. t не указана принимаем её равной 61 град. C:

 - стехиометрическая концентрация метана, определяемая по формуле:

Масса метана, вышедшего в результате расчетной аварии в помещение, определяется по формуле:

где - объем газа, вышедшего из аппарата: м³;

- объем газа, вышедшего из трубопроводов, м^3, определяемый по формуле:

где , - объем газа, вышедшего из трубопроводов до и после отключения, м³;

- расход газа, м³/с;

- время отключения, с;

- давление в трубопроводе, кПа;

- радиус трубопровода, м;

- длина трубопровода от аварийного аппарата до задвижек, м.

Т.к. следовательно, помещение относится к категории А по взрывопожарной и пожарной опасности.

Определение площади легкосбрасываемых конструкций

Нижний концентрационный предел распространения пламени:

Расчетная нормальная скорость распространения пламени по условию равна 0,338 м/с.

Коэффициент, определяющий степень заполнения объема помещения взрывоопасной смесью и ее участие во взрыве определяется по формуле:

Степень заполнения объема помещения взрывоопасной смесью определяется по формуле:

Расчетный объем пламени определяется по формуле:

Объем пламени меньше чем объем помещения.

Степень загроможденности помещения строительными конструкциями и оборудованием определяется по формуле:

Показатель интенсификации взрывного горения определяется по таблице в зависимости от величины объема, занимаемого оборудованием и строительными конструкциями в объеме помещения, и объема:

для малогабаритного оборудования и строительных конструкций при И=1,54:

- для V_Г=3127 м² при И=3:

- для V_Г=3127 м² при И=6:

- для V_Г=3127 м² при И=3.205:

для крупногабаритного оборудования .

Промежуточное значение показателя интенсификации взрывного горения определяется по формуле:

Окончательное значение показателя интенсификации определяется как:

Расчетная скорость распространения пламени определяется по формуле:

Поскольку расчетная скорость распространения пламени меньше 65 м/с, то возможно эффективное использование ЛСК для снижения избыточного давления во взрывоопасном помещении. По таблице 3.4 (2006) находим величину избыточного давления:

Расчетную степень сжатия продуктов горения при взрыве принимаем равной .

Коэффициент , учитывающий степень заполнения объема помещения взрывоопасной паровоздушной смесью определяется по формулам:

Так как , тогда .

Принимаем ширину помещения 16 м, длинной 52 м.

Величина коэффициента К_Ф определяется по формуле:

, для дальнейших расчетов принимаем К_Ф=0.72.

Расчетная плотность газа во взрывоопасном помещении перед воспламенением определяется по формуле:

В качестве ЛСК для снижения избыточного давления в помещении используется оконный переплет. Размеры стекол принимаем:

По таблицам линейной интерполяцией определяем коэффициенты и :

Величина приведенного давления вскрытия двойного оконного остекления определяется по формуле:

Коэффициент вскрытия остекления при взрыве определяется по таблице линейной интерполяцией:

Минимальная площадь ЛСК в наружном ограждении определяется по формуле:

Площадь ЛСК в наружном ограждении взрывоопасного помещения при использовании двойного остекления определяется по формуле:

Вывод: площадь остекления недостаточна.

3. Экспертиза проектных материалов

Провести проверку заложенных проектных решений на соответствие противопожарным нормам и правилам. Использовать при проверке метод сопоставления. Сущность этого метода заключается в сопоставлении запроектированных решений противопожарным требованиям норм и правил. Проверку необходимо провести в следующей последовательности:

- определение заложенных в проекте решений по обеспечению его противопожарной защиты;

- определение требований, изложенных в нормативных документах;

- сравнительный анализ с промежуточными выводами.

По СНиП 2.01.02-85* «Общественные здания и сооружения» определяем степень огнестойкости здания. Степень огнестойкости здания II.

Таблица проверки строительных конструкций

Из всех запроектированных конструкций не соответствует требованиям пожарной безопасности: бетонная колонна, лестничный марш, бетонная балка перекрытия.

Предлагается:

- в бетонной колонне увеличить ширину сечения до 300 мм;

- в лестничном марше увеличить расстояние до оси арматуры до 25 мм;

- в бетонной балке перекрытия необходимо увеличить расстояние до оси арматуры до 25 мм.

Литература

1. СНБ 2.02.01-98* «Пожарно-техническая классификация зданий, строительных конструкций и материалов».

2. ГОСТ 30247.0-94 «Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования».

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

4. Рекомендации по расчету пределов огнестойкости бетонных и железобетонных конструкций. НИИЖБ. - М.: Стройиздат, 1986. - 40 с.

5. МДС 21-2.2000. Методические рекомендации по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций. НИИЖБ. - М.: Стройиздат, 2000. - 92 с.