Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий

ФГБОУ ВПО Уральский институт государственной противопожарной службы

Факультет платных образовательных услуг

Дипломный проект

на тему: Разработка комплекса инженерно- технических мероприятий с целью повышения огнестойкости строительных конструкций

Задание на выполнение дипломного проекта

Студент учебной группы 5-512: Секачёв Д.О.

Научный руководитель: преподаватель кафедры ПБС ст. лейтенант внутренней службы В.В.Смирнов.

1. Тема проекта: «Разработка комплекса инженерно-технических мероприятий с целью повышения огнестойкости строительных конструкций»

утверждена приказом УрИ ГПС МЧС России от « » ________ 2013г. №__

2. Срок сдачи студентом законченного проекта: «___»________2013г.

3. Исходные данные проекта: раздел КЖ проектной документации административно-торгового здания, расположенного по адресу: г. Екатеринбург, ул.Ильича-Победы.

4. Содержание дипломного проекта: характеристика проектируемого объекта, расчет огнестойкости железобетонных конструкций, экспертиза соответствия основных строительных конструкций, технические решения по повышению огнестойкости железобетонных конструкций и их экономическое обоснование.

5. Перечень графического материала, чертежи формата А1:

Фасад, схемы несущих элементов и элемента перекрытия, планы этажей.

6. Консультанты по проекту с указанием относящихся к ним разделов темы:

Раздел	Ф. И. О. консультанта	Подпись, дата	Подпись, дата
		Отметка о выдаче	Задание принял
Оценка огнестойкости железобетонных конструкций	Ожегов Э.А.
Технические решения по повышению огнестойкости железобетонных конструкций	Кошелев А.Ю
Экономическое обоснование принятых технических решений	Бровченко Е.С.

Календарный план

№ пп/п	Наименование этапов дипломного проекта (работы)	Срок выполнения этапов работы	Отметка о выполнении
1.	Введение
2.	Оценка огнестойкости железобетонных конструкций
3.	Экспертиза строительных конструкций
4.	Технические решения по повышению огнестойкости железобетонных конструкций и их экономическое обоснование
5	Выводы
6	Графическая часть

Научный руководитель:

преподаватель кафедры ПБС,

ст. лейтенант внутренней службы В.В.Смирнов

Реферат

Дипломный проект выполнен на тему «Разработка комплекса инженерно- технических мероприятий с целью повышения огнестойкости строительных конструкций».

Цель дипломного проекта - Разработка комплекса инженерно-технических мероприятий с целью повышения огнестойкости железобетонных строительных конструкций административно-торгового здания, расположенного по адресу: г. Екатеринбург, ул. Ильича-Победы» .

В дипломном проекте приведены характеристика проектируемого объекта, расчет огнестойкости железобетонных конструкций, экспертиза соответствия основных строительных конструкций, технические решения по повышению огнестойкости железобетонных конструкций и их экономическое обоснование.

Введение

Увеличение статистики количества катаклизм и катастроф в современном мире природного и техногенного характера обуславливают поиски более продуктивных и эффективных мер защиты и спасения людей, а так же материальных ценностей.

Среди всех бедствий, катастроф и аварий основным являются пожары. На их долю приходится примерно 70% всех чрезвычайных ситуаций. Повышение уровня пожарной безопасности зданий и сооружений в современных условиях, как и прежде, является важной задачей, с которой сталкивается наше государство.

Приоритетностью Федеральных законов, СНиП, СП по обеспечению пожарной безопасности в строительстве являются:

- первостепенность требований, направленных на обеспечение безопасности людей при пожаре, по сравнению с другими противопожарными требованиями;

- применимость противопожарных требований к зданиям и сооружениям на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации, включая реконструкцию, ремонт и изменение функционального назначения;

- изложение главных требований к противопожарной защите зданий и сооружений в форме целей этой защиты;

Ни одно противопожарное мероприятие не даст положительного эффекта, если при пожаре не будет гарантирована соответствующая защита несущей системы здания от обрушения, которая обеспечивается огнестойкостью строительных конструкций.

Теоретическая часть огнестойкости строительных конструкций, как составная, общей теории сопротивления зданий и сооружений, объединяет в одном направлении специальные знания из области термодинамики, теории тепло- и массопереноса, строительной механики, теории конструктивной безопасности и живучести несущих систем, силового и средового сопротивления материалов разрушению и деформированию, теории надёжности, теории вероятности, а также ряда других областей строительной науки.

С 1 июля 2008 г. вступило в силу постановление правительства Российской Федерации № 87 от 16.02.2008 года, утвердившее Положение о составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию (далее Положение).

В соответствии с п.26 Положения был введен раздел проектной документации «Мероприятия по обеспечению пожарной безопасности». Данный раздел является одним из основных разделов проектной документации. Выполнение мероприятий, заложенных в этом разделе, направлено на обеспечение безопасности, защиту жизни и здоровья людей и защиту имущества при пожаре.

Составной частью раздела «Мероприятия по обеспечению пожарной безопасности» является описание и обоснование принятых конструктивных и объемно-планировочных решений, степени огнестойкости и класса конструктивной пожарной опасности здания.

Целью настоящего дипломного проекта является разработка комплекса инженерно-технических мероприятий с целью повышения огнестойкости строительных конструкций административно-торгового здания, расположенного по адресу: г. Екатеринбург, ул.Ильича-Победы.

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выполнить расчет огнестойкости несущих железобетонных конструкций здания;

- провести экспертизу строительных конструкций здания на соответствие требованиям пожарной безопасности;

- предложить технические решения по повышению пределов огнестойкости строительных конструкций;

- выполнить экономическое обоснование предложенных технических решений.

1. Характеристика проектируемого здания

1.1 Архитектурные решения

50% внешней отделки фасада - это вентилируемая фасадная система с лицевым слоем из композитных панелей синего цвета RAL 5017. 40% - это вентилируемая фасадная система с лицевым слоем из керамогранита белового цвета, глянцевый RAL 9010.10% внешней отделки цоколя здания - керамогранитная плитка темно серого цвета. Для наружной отделки стен применяется сертифицированная вентилируемая фасадная система утепления класса К0.

Размер подземного паркинга, расположенного на нулевом уровне в осях А-Д/ 1-9- 19,9х41,7м., а так же в осях Д-С/7-9 - 16,5х12,3. Высота помещения до низа покрытия -0,440, пол расположен на уровне -3,590 Высота паркинга 3,150м. В осях П-С/1-9 - 9,7х41,7 расположено техническое помещение высотой 2,220м

Размер торгового зала на первом этаже в осях А-Д/1-9 -1-9- 19,9х41,7м, а так же в осях Д-П/7-9- 35,6х12,3. Высота помещения до низа ферм 0,000, до низа покрытия +3,500. Общая высота здания +4,115. Разность отметок поверхности проезда для пожарных машин и нижней границы окна в наружной стене +2,700.

Размер административной части второго и третьего этажа, расположенного в осях А-Д/ 1-9- 19,9х41,7м., а так же в осях Д-К/7-9- 16,5х12,3м. Высота второго и третьего этажа по 2,500м. Высота здания на уровне второго этажа +8,060. Высота здания на уровне третьего этажа +11,805. Разность отметок поверхности проезда для пожарных машин и нижней границы окна в наружной стене +5,000 у второго этажа.

Размер административной части четвертого этажа, расположенного в осях А-Г/ 1-8- 14,8х36,4м. Высота этажа 3,000м. Высота здания на уровне четвертого этажа +15,253м.

Степень огнестойкости здания - II. Уровень ответственности здания - II. Долговечность здания - 50-100 лет. Класс конструктивной пожарной опасности - С0. Класс пожарной опасности. несущих элементов (колонны, ригели), наружных стен с внешней стороны (вентилируемая фасадная система с лицевым слоем керамогранита и утеплителем Rockwool), стен перегородок, перекрытий и покрытий, стен, лестничных клеток, маршей и площадок лестниц в лестничных клетках, противопожарных преград - К0.

Класс функциональной пожарной опасности предприятия торговли - Ф 3.1.

Класс функциональной пожарной опасности офисных помещений - Ф 4.3. Класс функциональной пожарной опасности автостоянок - Ф 5.2.

Здание по вертикали делится на 3 пожарных отсека противопожарными перекрытиями 1-го типа:

1 пожарный отсек - подземная автостоянка. Объем 4525,1 м.куб.

2 пожарный отсек - предприятие торговли, расположенное на первом этаже здания. Объем 4219,3 м.куб.

3 пожарный отсек- помещение административного назначения. Объем 7150,7 м.куб.

1.2 Конструктивные решения

Проектируемый объект представляет собой здание однообъемное, состоящее из 3-х частей: подземный паркинг, торговый зал первого этажа и административная часть с офисами со второго по четвертый этажи, с крайними осевыми размерами всего здания 65,1Ч41,7 м. Конструктивная схема здания - железобетонный каркас, в который входят железобетонные колонны шагом 5,5х7,0 и 5х5,5 метра, а также ригели. Железобетонные конструкции по серии 1.020. В общей устойчивости и геометрической неизменяемости здания при пожаре участвуют колонны, а так же железобетонные ригели.

Несущие конструкции, участвующие в обеспечении общей устойчивости геометрической неизменяемости здания при пожаре - сборные железобетонные колонны и ригели.

Колонны здания - железобетонные, с расчетной нагрузкой 2100 кН, расчетной длиной 3000 мм., с размерами в сечении 300х300 мм., класс бетона В 025, средняя плотность бетона 2330 кг/м³, диаметр и класс арматуры 6?25АIII, весовая влажность бетона 2%, толщина защитного слоя до края арматуры 45мм., вид крупного заполнителя- гранит.

Ригели здания - железобетонные, с расчетной нагрузкой 50 кН/м, расчетной длиной 5500 мм., с размерами в сечении 300х450 мм., класс бетона В 30, средняя плотность бетона 2330 кг/м³, диаметр и класс арматуры 4?25АIII, весовая влажность бетона 1,5%, толщина защитного слоя до края арматуры а₁= 50мм., а₂= 120мм., с₁= 50мм., вид крупного заполнителя- гранит.

Плиты перекрытия- многопустотные железобетонные. С расчетной нагрузкой 8 кПа, расчетной длиной 5000 мм., с размерами в сечении 1490х220 мм., класс бетона В 35, средняя плотность бетона 2330 кг/м³, диаметр и класс арматуры 7?10АIII, весовая влажность бетона 1,5%, толщина защитного слоя до края арматуры 20мм.,количество и диаметр пустот 7х160мм., вид крупного заполнителя- гранит.

Фундаменты - монолитные железобетонные ростверки на свайном основании.

Лестницы внутренние - монолитные железобетонные; наружные - металлические.

Стены наружные ненесущие - пазогребневые газозолобетонные блоки, толщиной 300мм.

Перегородки - из гипсокартона системы «Knauf». Кирпичные перегородки из пустотелого керамического кирпича марки КП-050/25 по ГОСТ 530-2007 на растворе мерки М25.

Окна и витражи - из алюминиевых сплавов по ГОСТ 23166-99 с одинарным оконным блоком с двухкамерным стеклопакетом с откидным открыванием.

Покрытие над паркингом: железобетонная плита 220мм., пароизоляция 1 слой полиэтиленовой пленки, утеплитель (экструдированный пенополистирол), слой полиэтиленов пленки, армированная стяжка из цементного раствора, огрунтовка раствором битумного праймера в растворители (нефрас), два слоя техноэласта, гравий, геотекстиль, плодородный грунт с газоном.

Покрытие первого и третьего этажа здания: железобетонная плита 220мм., пароизоляция 1 слой полиэтиленовой пленки, керамзитовый гравий, утеплитель минераловатные плиты, слой полиэтиленов пленки, армированная стяжка из цементного раствора, три слоя изопласта, прослойка и заполнение швов цементно-песчаным раствором, бетонная тротуарная плитка с поверхностью, предотвращающей скольжение.

Покрытие четвертого этажа здания: подвесной потолок, железобетонная плита 220мм., пароизоляция 1 слой полиэтиленовой пленки, керамзитовый гравий, утеплитель минераловатные плиты, слой полиэтиленов пленки, армированная стяжка из цементного раствора, три слоя изопласта.

Лестничные марши - монолитные железобетонные.

Таблица 1.1 Технико-экономические показатели здания

Пожарный отсек	Этажность	Площадь этажа в пределах пожарного отсека, м2	Степень огнестойкости	Класс конструктивной пожарной опасности
Предприятие торговли	1	1267,71	II	C0
Административные помещения	2-4	2604,28	II	C0
Подземная автостоянка	0	1437,27	II	С0

На первом и третьем этажах здания, в административно- торговой части предусмотрены две лестничные клетки типа Л1 с шириной марша 1,5 м. Для доступа на кровлю здания предусмотрена пожарная лестница типа П1 с шириной марша 0,9 м.

Торговый зал имеет эвакуационные выходы шириной 1,2 м. Ширина основных эвакуационных проходов в торговой зале составляет 2,5 м.

К проектируемому зданию предусмотрен подъезд пожарной техники со всех сторон. Ширина проездов (с учетом прилегающего тротуара) составляет 7,5 м. Расстояние от внутреннего края проездов до стен здания не превышает 8 м.

Строительные конструкции, предусмотренные проектом, приведены в таблице 1.2

Таблица 1.2

Строительные конструкции, материал	Размеры, мм.	Защитный слой, мм.	Требуемый предел огнестойкости	Класс пожарной опасности конструкции
1 и 2 пожарные отсеки. Несущие железобетонные сборные колонны, серия 1.020, REI 120	300х300	Расстояние до оси арматуры 45 мм.	REI 150	K0
3 пожарный отсек. Несущие железобетонные сборные колонны, серия 1.020, REI 120	300х300	Расстояние до оси арматуры 45 мм	REI 190	K0
1 и 2 пожарные отсеки. Несущие железобетонные сборные ригели, серия 1.020, REI 120	450х300	Расстояние до оси арматуры 37,5 мм.	REI 150	K0
3 пожарный отсек. Несущие железобетонные сборные ригели, серия 1.020, REI 120	450х300	Расстояние до оси арматуры 37,5 мм.	REI 190	K0
1 и 2 пожарные отсеки. Несущие железобетонные сборные плиты, REI 160	220 (эффективная толщина 127)	Расстояние до оси арматуры 25 мм.	REI 150	K0
3 пожарный отсек. Несущие железобетонные сборные плиты, REI 160	220 (эффективная толщина 127)	Расстояние до оси арматуры 25 мм.	REI 145	K0
Самонесущие стены лестничных клеток пенобетонные, отделяющие пожарные отсеки	300		REI 150	K0
Самонесущие стены лестничных клеток пенобетонные, отделяющие пожарные отсеки лестничными площадками, маршами и их элементами	300		REI 190	K0
лестничные площадки, марши и их элементы			REI 60	K0
Оштукатуренные с двух сторон самонесущие кирпичные стены, отделяющие пожарные отсеки в лестничных клетках	20+120+20		REI 150	K0
Оштукатуренные с двух сторон самонесущие кирпичные перегородки	20+120+20		EI 150	K0
Перегородки пенобетонные	300		EI145	K0
Перегородки гипсоволокнистые СП55-102-2001	100			K0
Перегородки пазогребневые	100			K0
Наружные ненесущие стены пазогребневые газозолобетонные блоки 300мм., вентилируемая фасадная система с утеплителем Rockwool и лицевым слоем из керамогранита	30+200		E330	K0
Стены фундаментов	300	50	R150	K0

В данном разделе приведена характеристика проектируемого объекта. Несущие конструкции, участвующие в обеспечении общей устойчивости геометрической неизменяемости здания при пожаре - сборные железобетонные колонны и ригели.

Требуемая степень огнестойкости здания - II, класс конструктивной пожарной опасности - С0.

2. Оценка соответствия строительных конструкций требованиям пожарной безопасности

2.1 Теоретическое положение по расчету огнестойкости строительных конструкций

Под огнестойкостью строительных конструкций понимается их способность сопротивляться воздействию пожара в течение определенного времени, сохраняя при этом обычные эксплуатационные функции, т.е. сохранять несущую или ограждающую способность. Показателем огнестойкости строительных конструкций является предел огнестойкости. Предел огнестойкости строительных конструкций устанавливается по времени (в минутах) от начала огневого испытания (начала пожара) до наступления одного или последовательно нескольких, нормируемых для данной конструкции, признаков предельных состояний:

-потери несущей способности (R);

-потери целостности (Е);

-потеря теплоизолирующей способности вследствие повышения температуры на необогреваемой поверхности конструкции до предельных значений (I) или достижения предельной величины плотности теплового потока на нормируемом расстоянии от необогреваемой поверхности конструкции (W).

Потеря целостности - это образование в конструкции трещин или сквозных отверстий, через которые могут проникать продукты горения или пламя.

Потеря теплоизолирующей способности означает повышение температуры на необогреваемой поверхности в среднем более чем на 140°С или в любой точке этой поверхности более чем на 180°С по сравнению с первоначальной температурой или более 220°С независимо от первоначальной температуры конструкции.

Пределы огнестойкости строительных конструкций определяются экспериментальным (опытным) путем на специальных установках или расчетом для предельных состояний (R) и (I). 

Требования безопасности считаются выполненными, если , где

- предел огнестойкости конструкции, называемый фактическим;

- предел огнестойкости, устанавливаемый условиями безопасности или нормами, называемый требуемым.

Под огнестойкостью здания понимается его способность сопротивляться разрушениям в условиях пожара. Классификация зданий по степени огнестойкости приведена в ст. 30, 87, табл. 21. Каждой степени огнестойкости соответствует набор конструкций, имеющих предел огнестойкости не менее указанного в табл. 21.

Различают фактическую степень огнестойкости (Пф) и требуемую (Птр). Фактическая степень огнестойкости здания определяется по наименьшим показателям огнестойкости строительной конструкции. Требуемая степень огнестойкости зданий нормируется. Условия безопасности удовлетворяются при соответствии фактической степени огнестойкости требуемой.

Среди многих требований, предъявляемых к строительным конструкциям, является требование соответствия конструкций своему назначению и заданным условиям эксплуатации в течении необходимого имени. Это соответствие строительных конструкций предъявляемым требованиям обуславливается расчетом.

В настоящее время основным методом расчета строительных конструкций для условий эксплуатации и монтажа является метод предельных состояний, разработанный Н.С. Стрелецким и действующий в нашей стране с 1955 г.

Суть метода заключается в установлении для конструкций так называемых предельных состояний и в обеспечении конструкций расчетным путем от наступления этих состояний.

Предельным называется такое состояние конструкции, при достижении которого она перестает удовлетворять предъявляемым к ней требованиям в процессе эксплуатации или монтажа, т.е. конструкция теряет способность сопротивляться внешним воздействиям или получает допустимые деформации.

2.2 Теоретическое положение по расчету огнестойкости железобетонных конструкций

2.2.1 Теплотехническая часть расчета

Огнестойкость железобетонных конструкций утрачивается, как правило, в результате потери несущей способности (обрушения) за счет снижения прочности, теплового расширения и температурной ползучести арматуры и бетона при нагревании, а также вследствие потери теплоизолирующей способности.

Предел огнестойкости железобетонных конструкций по теплоизолирующей способности находится путем теплотехнического расчета.

Расчет огнестойкости конструкций зданий и сооружений может производиться, если известны теплофизические, прочностные и деформативные характеристики строительных материалов при высоких температурах.

Расчет температурных полей железобетонных конструкций на огнестойкость основывается на решении краевых задач нестационарной теплопроводности неоднородных капиллярно-пористых тел в условиях стандартного температурного режима. При этом должны приниматься во внимание особенности внешней и внутренней нелинейности задачи, характеризующейся сложными законами нестационарного теплообмена между обогреваемыми и необогреваемыми поверхностями тела и окружающей средой пожара при граничных условиях третьего рода.

Изменение температуры при стандартном температурном режиме характеризуется зависимостью:

, (1)

где: - температура среды, °С; ф - время пожара, с; t_н- начальная температура конструкции до пожара, равная 20 °С.

При этом необходимо учитывать переменность во времени теплофизических характеристик материала в зависимости от непрерывно изменяющейся температуры среды, влияние влажности материала.

Аналитическое решение дифференциального уравнения теплопроводности Фурье при этом является сложным и трудоемким. Поэтому применяют упрощенные приемы и методы для решения конкретных задач, в частности, конечно-разностный расчет (метод). Для расчета температур в сечении конструкций упрощенным способом принимаются следующие допущения:

- решение уравнения Фурье при граничных условиях третьего рода заменено решением при граничных условиях первого рода, которое представляет собой закон изменения температуры поверхности;

- произведена линеаризация дифференциального уравнения теплопроводности Фурье путем введения в расчет приведенного коэффициента температуропроводности бетона a_red;

- влияние испарения воды в бетоне при нагреве учитывается путем увеличения удельной теплоемкости на величину 50,4 на каждый процент весовой влажности бетона;

- расчет производится на действие мгновенно устанавливающейся и постоянно поддерживающейся температуры 1250 °С на защитном слое конструкции толщиной , который называется фиктивным;

- расчетные формулы применимы только для плоских конструкций и конструкций прямоугольного и круглого сечений, а также для элементов более сложной конфигурации, поперечные сечения которых могут быть сведены к перечисленным.

У строительных конструкций, как правило, один размер значительно больше или меньше двух других. Поэтому решение уравнения Фурье при расчетах огнестойкости конструкций достаточно производить для одномерных и двухмерных температурных полей.

Для плоских конструкций (плиты перекрытий, покрытий, перегородки, стены) принимается одномерное температурное поле. Для стержневых конструкций (колонны, балки, ригели, элементы арок и ферм) - двухмерное температурное поле.

Для граничных условий первого рода температура t₀ обогреваемой поверхности плоских железобетонных конструкций определяется:

, (2)

где: t₀ - температура обогреваемой поверхности, °С; t_н - начальная температура конструкции, равная 20 °С; erf - функция ошибок Гаусса; K - коэффициент, зависящий от плотности с_ос сухого бетона C^0,5; ф - время, с.

Приведенный коэффициент температуропроводности определяется по формуле:

, (3)

где: - средний коэффициент теплопроводности при ; - средний коэффициент теплоемкости при ; - начальная весовая влажность бетона, %; - средняя плотность бетона в сухом состоянии, .

2.2.2 Расчет температур в сплошных плоских конструкциях

Нестационарное температурное поле, возникающее в полуограниченном теле от воздействия «стационарного пожара», рассчитывается по формуле:

, (4)

где: y - расстояние по нормали от обогреваемой поверхности до расчетной точки тела, м (рис. 2.1).

Расчетная формула (4) может быть использована для определения температуры в плоских конструкциях конечной толщины. Поэтому данная формула является основной для расчетов температуры плит, панелей, настилов, перекрытий. Так, формула для расчета температуры арматурных стержней, находящихся на расстоянии y = a_e от обогреваемой поверхности, имеет вид:

, (5)

где: y = a_e - расстояние от обогреваемой поверхности до края арматуры, м; к₁ - коэффициент, учитывающий влияние массы металла стержня на его прогрев в различных бетонах; d - диаметр арматурного стержня, м; ф - время, с.

Рисунок 2.1. Схемы к расчету: а - температур в полуограниченном теле при действии «стандартного» пожара; б - температуры арматурных стержней, расположенных у обогреваемой поверхности плоских конструкций, толщины наружного слоя бетона, прогретого до критической температуры.

Поскольку предел огнестойкости свободно опертых элементов зависит от прогрева растянутой рабочей арматуры до критической температуры t_{s, cr}, зная ее величину, можно найти их предел огнестойкости. Порядок определения t_s,cr (см. статический расчет).

Затем, используя формулу (4), при t_y,ф = t_s,cr находится аргумент x(A) в зависимости от значения функции Гаусса (Крампа):

(6)

Предел огнестойкости будет равен:

, (7)

где: , с.

Для определения температур в плоских конструкциях при двустороннем обогреве решают задачу о прогреве неограниченной пластины при симметричных граничных условиях.

Это решение имеет вид:

, (8)

где: х - расстояние от центра до расчетной точки по толщине пластины, м; - толщина пластины, м;

- критерий Фурье; - время, с.

Таким образом, формулу (8) можно преобразовать к виду:

9)

Выражения в квадратных скобках формул (8) и (9) представляют относительную избыточную температуру , которую можно определить по графику в зависимости от и .Тогда необходимую температуру находят по формуле:

. (10)

При расчетах огнестойкости (колонны, балки, ригели) необходимо найти температуру в середине толщины пластины, т.е. при х = 0.

(11)

где: - относительная температура, определяемая по данным, в зависимости от .

2.2.3 Температура арматуры в стержневых конструкциях

При прогреве балок, колонн, ферм и других стержней элементов, обогреваемых в условиях пожара с трех или четырех граней боковых поверхностей, имеет место двухмерное температурное поле. Расчет температур в этих случаях может быть выполнен с достаточной точностью при помощи известного в теории теплопроводности соотношения относительных температур:

, (12)

где: - температура по стандартной кривой, (1); - температура двухмерного поля, ; - температура одномерных полей, .

Из соотношения (9) выходит:

. (13)

Температуру в сечениях железобетонных элементов можно определить по графикам прогрева, полученных экспериментальным путем.

2.2.4 Расчет слоев бетона, прогретых до заданных температур

При огневом воздействии сечение конструкций прогревается неравномерно. Поэтому в каждом слое (точке) сечения температура имеет определенное значение. Если в одном из этих слоев (точек) расположен несущий элемент, воспринимающий все сжимающие или растягивающие усилия, то температура его будет определять величину несущей способности всей конструкции. В тот момент, когда несущая способность этой конструкции снизится до величины рабочей нагрузки и наступит ее предел огнестойкости, температура является критической.

Таким несущим элементом является растянутая арматура в изгибаемых железобетонных конструкциях. Предел огнестойкости этих конструкций рассчитывается путем вычисления времени прогрева их несущих элементов до критической температуры.

Таким образом, понятие критической температуры относится не к материалу конструкции, а к ее несущему элементу. Нельзя, например, в этом смысле говорить о критической температуре бетона, так как этот материал расположен по всему сечению железобетонной конструкции, прогревается неравномерно и не имеет какой-то определенной температуры нагрева.

Иногда, с целью упрощения расчета, все же применяют термин «критическая температура» и к бетону.

Так, например, называют критической температуру на границе ядра сечения железобетонных колонн, которая условно отделяет бетон с нулевой прочностью от бетона с начальной прочностью. Однако в этом случае критическая температура имеет другой смысл, связанный с ограничением какой-то площади поперечного сечения, и является скорее примером для упрощения расчета. Иначе говоря, необходимо определять толщину бетонных слоев, прогревающихся до заданных критических температур. Прочность бетона в этих слоях считают равной нулю, а в оставшемся сечении (ядре) - нормативной.

Толщина слоя «y» (д_{tem, y}) плоской конструкции, прогретого выше t_cr (изотерма t_cr - граница слоя), определяется из уравнения (4), если вместо «y» подставить д_{tem, y}

,

откуда , 14)

где: X - аргумент функции Гаусса (Крампа) в зависимости от значения erfX

Положив в формуле (4) , получаем:

, (15)

где: - критическая температура бетона; для тяжелого бетона на гранитном щебне - 650 ⁰С; для тяжелого бетона на известняковом щебне - 750С.



Рисунок 2.2 Схема к расчету слоев бетона, прогретых до заданных температур, при обогреве с 4-х сторон.

огнестойкость железобетонный конструкция безопасность

Для определения размеров рабочего сечения ядра () при обогреве конструкции с четырех сторон (рис. 2.2) используем формулы:

(16)

где: о_x и о_y - находятся по графику в зависимости от величин и_x, и_y, F_ох, F_оу .

(17)

(18)

где: t_y=0,ф и t_x=0,ф - температура в центре неограниченной пластины, соответственно толщиной b и h при условии ее обогрева с двух сторон, вычисляемая по формуле (11):

(19)

где и_цх, и_цу - коэффициенты, принимаемые по таблице в зависимости от F_ox/4 и F_oу/4 соответственно.

Толщину слоя прямоугольного сечения, обогреваемого с 3-х сторон, с учетом (8) вычисляют по формуле:

, (20

где: - находят из графика в зависимости от и , определяемого из выражения:

Рисунок 2.3 Схема к расчету слоев бетона, прогретых до заданных температур, при обогреве с 3-х сторон.

Толщина слоя определяется по формуле (15), а значение определяется по формуле:

(21)

Таким образом, при четырехстороннем обогреве

, ,

при трехстороннем обогреве

,

2.3 Статическая часть расчета

При расчете несущей способности железобетонных конструкций при пожаре следует учитывать изменение механических свойств бетона и арматуры в зависимости от температуры, определяемой теплотехническим расчетом.

Расчетные сопротивления сжатию и растяжению бетона R_bu и R_btu и арматуры R_scu и R_su для расчета огнестойкости определяются делением нормативных сопротивлений, приведенных в СНиП 2.03.01-84, на соответствующие коэффициенты надежности: по бетону г_b = 0,83; по арматуре г_s = 0,9.

Статически определимые изгибаемые железобетонные конструкции в условиях пожара подвергаются воздействию высоких температур по-разному. Плоские элементы подвергаются одностороннему нагреву, стержневые - трехстороннему. При этом у плоских элементов , а у стержневых элементов .

Общие положения расчета на огнестойкость строительных конструкций применимы и к железобетонным элементам. Однако для статически определимых конструкций предел огнестойкости может быть определен по критической температуре стальных элементов, что значительно упрощает расчет.

Статически определимые изгибаемые элементы в условиях пожара разрушаются, как правило, в результате обогревания пластического шарнира в середине пролета за счет снижения предела текучести или прочности нагревающейся растянутой арматуры до величины напряжений в ее сечении.

Редкое исключение составляют изгибаемые элементы, переармированные и нагруженные предельно допустимой нагрузкой, у которых потеря несущей способности происходит от хрупкого разрушения сжатой зоны бетона при сравнительно небольших деформациях растянутой арматуры.

Сжатые бетоны и арматура нагревается слабо, а поэтому в расчетах их прочностные характеристики считаются неизменимыми. В момент образования пластического шарнира происходит резкое увеличение температурной ползучести арматуры, что вызывает интенсивное раскрытие трещин в растянутой зоне. Раскрывающиеся трещины уменьшают высоту сжатой зоны бетона до минимального значения, при котором происходит разрушение сжатого бетона и обрушение элемента.

Таким образом, наступление предела огнестойкости изгибаемой конструкции характеризуется предельным равновесием внутренних и внешних сил. При этом напряжения в сжатой зоне бетона за счет уменьшения ее размеров и деформаций растянутой арматуры увеличиваются до , а нормативное сопротивление растянутой арматуры снижается до предела прочности нагретой стали где - коэффициент снижения прочности стали. Решение статической задачи в этом случае сводится к нахождению критической температуры растянутой арматуры при предельном равновесии конструкции в условиях пожара.

В общем виде статическая задача для изгибаемых конструкций решается с помощью уравнений статики. Для определения высоты сжатой зоны бетона в состоянии предельного равновесия конструкции при заданных условиях обогрева составляется уравнение моментов от внешних и внутренних сил относительно растянутой рабочей арматуры .

Рабочие напряжения в растянутой арматуре определяют из уравнения равновесия проекции внутренних и внешних сил, действующих в плоскости изгиба .

По соотношению рабочих напряжений и сопротивлений стали определяют коэффициент снижения прочности , а затем по приложению 8 определяют критическую температуру растянутой арматуры.

и .

2.3.1 Плоские изгибаемые элементы

Несущая способность нагретого плоского изгибаемого элемента в предельном равновесии будет равна:

, (22)

где: - нормативная призменная прочность бетона на осевое сжатие, МПА; - рабочая (полезная) высота сечения, м; - высота сжатой зоны, м.

В условиях пожара конструкция разрушается под действием изгибающего момента от нормативной нагрузки , т.е. .

Следовательно,

,

, (23)

откуда:

. (24)

Рисунок 2.4 Схема к расчету огнестойкости плоского изгибаемого элемента.

Из условия равновесия находим напряжения в растянутой арматуре:

. (25)

По соотношению рабочих напряжений и сопротивлений стали определяют коэффициент снижения прочности ; можно определить сразу

.

По найденному значению находим температуру растянутой арматуры, при которой наступает предел огнестойкости, т.е. критическую температуру . Фактический предел огнестойкости определяется по формуле (7).

Значения коэффициента можно найти также следующим способом:

, (26)

где: ; - площадь сечения растянутой арматуры, м²; - нормативное сопротивление арматуры, МПа; - рабочая (полезная) высота сечения, м; - высота сжатой зоны, м.

Из условия равновесия

 или

находим:

. (27)

Так как , то поэтому уравнение (25) можно записать в виде:

. (28)

Подставив в формулу (28) значение (27), имеем:

, (29)

отсюда:

, (30)

т.е. значение можно определить, не определяя .

Коэффициент для изгибаемых элементов, разрушающихся в результате образования пластического шарнира в нормальном сечении за счет снижения прочности нагретой растянутой арматуры до величины рабочих напряжений, без больших погрешностей может быть определен по формуле:

, (31)

где: - начальный разрушающий момент в сечений, ; - разрушающий момент в сечении при .

2.3.2 Плоские изгибаемые многопустотные железобетонные элементы

При решении статической задачи сечение многопустотных железобетонных плит и настилов приводят к расчетному - тавровому сечению (рис. 2.5)

Рисунок 2.5. Схема приведения сечения железобетонной плиты к расчетному:

а - сечение плиты; б - расчетное сечение при в - расчетное сечение при .

Высота сжатой зоны бетона в предельном состоянии определяется по формуле (24), если .

Если высота сжатой зоны бетона, полученная из уравнения (24), больше, чем высота полки, т.е. (рис. 5, в), то ее необходимо пересчитать по формуле:

. (32)

Решение относительно дает следующую формулу:

. (33)

Затем определяют :

при

, (34)

при

. (35)

Затем по формуле определяют , и по формулам (7) находят конструкции. Полученный результат необходимо умножить на коэффициент 0,9, учитывающий более быстрый прогрев арматуры в многопустотных и ребристых с ребрами вверх панелях и настилах.

2.3.3 Стержневые изгибаемые элементы (балки, прогоны, ригели)

Отличительными особенностями стержневых элементов по сравнению с плоскими конструкциями являются наличие арматуры в сжатой зоне и, как правило, огневое воздействие на сжатую зону по боковым сторонам поперечного сечения (рис. 2.6).

При обогреве балки с трех сторон размеры сжатой зоны бетона уменьшаются по высоте в основном за счет деформаций растянутой арматуры до величины в момент предельного состояния конструкции, а по ширине - за счет потери прочности наружными слоями бетона .

В результате прогрева сжатой арматуры ее сопротивление уменьшается по сравнению с первоначальным на величину коэффициента снижения прочности .

Величину определяют по формуле (20). Ширина ядра сечения будет .

Рисунок 2.6 Расчетная схема железобетонной балки прямоугольного сечения.

Температуру сжатых стержней находят по уравнению (8) или (9). Затем по рассчитанной температуре находят .

При известных размерах сжатой зоны бетона и сопротивления сжатой арматуры

. (36)

Решая уравнение относительно , находят:

. (37)

Затем, используя условие равновесия проекции всех внутренних и внешних сил на ось х

, (38)

находят:

. (39)

Коэффициент

По величине коэффициента находят .

У балок, ригелей, прогонов сечение обогревается с трех сторон. Поэтому температура стержней, расположенных даже в один ряд, будет различна: крайние стержни прогреваются быстрее, чем средние.

Расчет температур стержней производят по формуле (13).

После вычисления температуры каждого растянутого стержня с координатами определяют среднюю температуру стержней:

, (40)

где: - площадь сечения стержня, м²; - температура стержня, ; - суммарная площадь сечения растянутой арматуры, м².

Если значение совпадает с , вычисленной для заданного промежутка времени, расчет заканчивается. Если нет, то снова задаются временем и решение задачи повторяется.

Иногда разрушение стержневых элементов в условиях пожара может происходить не только по растянутой зоне, но и по сжатому бетону (переармированные и нагруженные предельно допустимой нагрузкой элементы).

2.3.4 Сжатые элементы

Расчет пределов огнестойкости колонн и стен связан с определением предельных усилий, которые может воспринимать неравномерно прогретое сечение бетона и нагретая арматура.

В общем случае расчет несущей способности колонн (рассматриваются только колонны со случайным эксцентриситетом e_a приложения нагрузки) следует производить с учетом полных деформаций нагретого бетона при неравномерном прогреве поперечного сечения, применяя метод конечного элемента. Этот метод связан с применением ЭВМ, а поэтому не всегда может быть использован в инженерных расчетах.

Поэтому применяют приближенный метод расчета, основанный на определении площади ядра сечения , ограниченного расчетной (критической) температурой .

Несущая способность нагретой колонны при обогреве с четырех сторон:

, (41)

где - площадь ядра сечения, м²; - суммарная площадь арматуры, м²; - коэффициент продольного изгиба, учитывающий длительность нагружения, гибкость и характер армирования колонн.

. 42)

Коэффициент принимается в зависимости от , где l₀ - расчетная длина колонны, м.

Задаваясь интервалами времени , определяется несущая способность колонны. При этом для каждого интервала времени находят по формулам (16), (18) b_я и h_я.

Температуру стержней для тех же интервалов времени определяют по формуле (13), используя формулы (18), (19) и (20). По найденным температурам находят коэффициент . Допускается определять коэффициент при средней температуре, которая определяется по формуле (40).

Затем строится график снижения несущей способности колонны в условиях пожара и определяется при .

Следует обратить внимание, что расчеты пределов огнестойкости сжатых железобетонных элементов можно производить по критическим деформациям. Этот метод позволяет в полной мере учесть упругие свойства нагретого бетон

2.4 Расчет пределов огнестойкости колонн

Рисунок 2.7. Схема сечения колонны.

Железобетонная колонна, расчетная длина l₀ = 3,0 м, размером сечения 300300 мм, бетон класса В25, средняя плотность бетона в сухом состоянии на гранитном щебне составляет _ос = 2330 кг/м³. Весовая влажность - = 2 . Арматура класса А - III 6 стержней 25 мм. Толщина защитного слоя бетона до края арматуры а₁ = 45 мм. Расчетная нагрузка N_р=2100 кН.

Определяем нормативную нагрузку:

, где

1,2 - усредненный коэффициент надежности по нагрузке.

Для арматуры класса А-III определяем нормативное сопротивление растяжению.

Определяем расчетное сопротивление:

, где

- соответствующий коэффициент надежности по арматуре.

Определяем суммарную площадь арматуры

Бетон класса В25 определяем нормативное сопротивление сжатию бетона: .

Определяем расчетное сопротивление бетона:

- коэффициент надежности по бетону.

Определяем теплофизические характеристики бетона:

.

Определяем приведенный коэффициент температуропроводности бетона:

 .

Для дальнейших расчётов задаёмся интервалами времени , равными ; .

1. Для несущая способность колонны будет равна:

2.

где - коэффициент продольного изгиба, учитывающий длительность загружения и гибкость бетона в зависимости от отношения (методом интерполяции).

3. Для .

Определяем критерий Фурье:

, где

- коэффициент, зависящий от средней плотности бетона.

,

где

- расстояние от центра конструкции до расчетной точки.

Находим относительную избыточную температуру в неограниченной пластине .

Определяем температуру в расчетной точке:

Температура арматурных стержней при обогреве колонны с четырех сторон будет равна:

где - изменение температуры при стандартном температурном режиме, определяется по формуле:

Находим значение коэффициента снижения прочности арматуры A - III (методом интерполяции)

Для определения размеров ядра бетонного сечения необходимо найти значение

Величина - температура в средней неограниченной пластине:



При критической температуре бетона на гранитном щебне :

При находим , тогда:

Несущая способность колонны при будет равна:

где - коэффициент продольного изгиба, учитывающий длительность загружения и гибкость бетона, принят в зависимости от отношения (методом интерполяции).

4. Для

Определяем критерий Фурье:

При и находим относительную избыточную температуру в неограниченной пластине .

Определяем температуру в расчетной точке:

Температура арматурных стержней при обогреве колонны с четырех сторон будет равна:

где - изменение температуры при стандартном температурном режиме.

Находим значение коэффициента снижения прочности арматуры A - III (методом интерполяции)

Для определения размеров ядра бетонного сечения необходимо найти значение

Величина - температура в средней неограниченной пластине:



При критической температуре бетона на гранитном щебне :

При находим , тогда:

Несущая способность колонны при будет равна:

где - коэффициент продольного изгиба, учитывающий длительность загружения и гибкость бетона, принят в зависимости от отношения (методом интерполяции).

По результатам расчета строим график снижения несущей способности колонны в условиях пожара. Рисунок 2.4.2.



График снижения несущей способности колонны в условиях пожара. Рисунок 2.4.2.

Определяем фактический предел огнестойкости: П_о^ф = 1,91 ч = 114,6 мин.

2.5 Расчет предела огнестойкости железобетонного ригеля

Рисунок 2.8 Схема сечения балки.

Дано. Однопролетная свободно опертая балка пролетом 5,5 м. Сечение балки bЧh = 300Ч450 мм; расстояние от края конструкции до центра арматуры а₁ = 50 мм; а₂ = 120 мм; с₁ = 50 мм; тяжелый бетон класса В30 на гранитном щебне; рабочая арматура 4 стержня Ш25 АIII; расчетная нагрузка .

Решение. Определяем нормативную нагрузку:

Определяем конструктивные параметры балки

, где

а₁ = 25 мм (2 стержня) => А_S1= 1964 мм²

а₂ = 25 мм (2 стержня) => А_S2= 1964 мм² .

Определяем рабочую (полезную) высоту сечения:

Для арматуры класса А-III с определяем нормативное сопротивление растяжению R_sn = 390 МПа

Определяем расчетное сопротивление растяжению арматуры:

где - коэффициент надежности по арматуре.

Для бетона класса В30 определяем нормативную прочность бетона.

Определяем расчетное сопротивление сжатого бетона:

где -коэффициент надежности по арматуре.

Изгибающийся момент от действия нормативной нагрузки равен:

Для выполнения дальнейших расчетов задаемся интервалами времени

Для времени несущая способность балки равна:

, где



Рисунок 2.9 Схема к расчету огнестойкости балки.

Для времени находим размеры сжатой зоны за счет потери прочности наружными слоями бетона (t_cr = 650 °C для бетона на гранитном щебне):

По координатам расположения стрежней арматуры определяем их температуру . Этим значениям температур соответствует коэффициент снижения прочности арматурной стали (приложение 8) .

Тогда

где

Примечание: для балок с арматурой в один ряд

Высота сжатой зоны бетона составит:

Несущая способность балки составит:

Для времени находим размеры сжатой зоны за счет потери прочности наружными слоями бетона (t_cr = 650 °C для бетона на гранитном щебне):

По координатам расположения стрежней арматуры определяем их температуру Этим значениям температур соответствует коэффициент снижения прочности арматурной стали .

Тогда

где

.

Высота сжатой зоны бетона составит:

Несущая способность балки составит:

Для времени находим размеры сжатой зоны за счет потери прочности наружными слоями бетона (t_cr = 750 °C для бетона на гранитном щебне):



По координатам расположения стрежней арматуры определяем их температуру Этим значениям температур соответствует коэффициент снижения прочности арматурной стали .

Тогда

Где

.

Высота сжатой зоны бетона составит

Несущая способность балки составит:

Строим график снижения несущей способности балки (рис. 2.9).

Рисунок 2.9. График снижения несущей способности балки.

Определяем фактический предел огнестойкости балки

.

2.6 Расчет предела огнестойкости железобетонной плиты

Рисунок 2.10 Схема сечения плиты.

Дано. Многопустотная плита перекрытия, свободно опирающаяся по двум сторонам. Размеры сечения: b=1490 мм; h=220 мм; длина рабочего пролёта l_р=5000 мм; растянутая арматура класса А-III 7 стержней диаметром - 10 мм,. Тяжелый бетон класса В35, весовая влажность бетона щ₀ = 1,5% на гранитном щебне; средняя плотность бетона в сухом состоянии _ос=2330 кг/м²; диаметр пустот равен 160 мм; расчетная нагрузка ; толщина защитного слоя бетона до края арматуры 20 мм.

Решение. Определяем нормативную нагрузку:

.

Определяем максимальный изгибающий момент от действия нормативной нагрузки:

.

Определяем толщину защитного слоя бетона до центра арматуры:

Определяем высоту рабочей зоны бетона:

.

Определяем рабочую (полезную) высоту сечения:

Определяем расчетное сопротивление сжатого бетона:

для бетона класса В35 нормативная прочность бетона

, где

-коэффициент надежности по бетону.

Для арматуры класса А-III определяем нормативное сопротивление растяжению R_sn = 390 МПа.

Определяем расчетное сопротивление:

, где

- коэффициент надежности по арматуре.

Определяем площадь сечения арматуры:

.

Находим x_tem, предполагая, что x_tem < hⁱ_f

,

x_tem =3,5мм < hⁱ_{f м} = 30 мм.

Определяем напряжение в сечении растянутой арматуры:

.

Определяем коэффициент снижения прочности стали:

.

При г_{s, tem} = 0,336 для арматуры класс А-III определяем t_s,cr = 640 ⁰C.

Определяем значение функции Гаусса:

Находим значение Гауссового интеграла ошибок, где х = 0,47 (методом интерполяции).

Определяем теплофизические характеристики бетона:

Средний коэффициент теплопроводности при t = 450 ⁰C

Средний коэффициент теплоемкости при t = 450 ⁰C

Определяем приведенный коэффициент температуропроводности:



где 50,4 - влияние испарения воды в бетоне при нагреве;

- влажность бетона;

- плотность бетона.

Определяем предел огнестойкости плиты со сплошным сечением:

где у - расстояние от нормали обогреваемой поверхности до расчетной точки (y = a₁);