- •А.М. Зайцев, м.Д. Грошев огнестойкость и огнезащита строительных конструкций
- •Введение
- •1. Последствия воздЕйСтвия пожаров на строительные конструкции и материалы
- •1.1. Статистика пожаров в Российской Федерации и последствий огневого воздействия на строительные конструкции и материалы
- •Контрольные вопросы
- •2. Пожарно-техническая классификация строительных материалов, конструкций и зданий
- •2.1. Пожарная опасность строительных материалов
- •2.1.1. Горючесть строительных материалов
- •2.1.2. Воспламеняемость горючих материалов
- •2.1.3. Распространение пламени по поверхности материалов
- •2.1.4. Дымообразующая способность горючих строительных материалов
- •2.1.5. Токсичность строительных материалов
- •2.2. Пожарно-техническая классификация строительных конструкций и зданий
- •2.2.1. Классификация строительных конструкций по огнестойкости
- •2.2.2. Классификация строительных конструкций по классу пожарной опасности
- •2.2.3. Классификация зданий по степени огнестойкости
- •2.2.4. Классификация зданий по конструктивной пожарной опасности
- •2.2.5. Классификация зданий по функциональной пожарной опасности
- •2.2.6. Категорирование производственных помещений по взрывопожарной и пожарной опасности
- •Контрольные вопросы
- •3. Последовательность нормативного обеспечения пРоТивопожарной защиты проектируемого здания
- •Контрольные вопросы
- •4.1.2. Расчетное определение фактических пределов огнестойкости строительных конструкций
- •5.2. Расчет несущей способности бетонных и железобетонных конструкций при воздействии стандартного пожара
- •5.3. Примеры расчета
- •6.2. Расчет температуры прогрева металлических конструкций при воздействии пожара
- •6.3. Методика расчета предела огнестойкости огнезащищенных металлических конструкций при стандартном и экстремальном температурных режимах пожаров
- •6.4. Примеры расчета
- •Контрольные вопросы
- •7.2. Решение прочностной задачи огнестойкости для деревянных конструкций
- •7.3. Примеры расчета
- •8.2. Аналитическое решение задачи с использованием метода перехода от граничных условий третьего рода к граничным условиям первого рода со стороны огневого воздействия
- •8.3. Построение расчетной номограммы
- •8.4. Методика расчета предела огнестойкости ограждающих конструкций с учетом реальных условий теплообмена на ограждающих поверхностях
- •8.5. Анализ расчетной номограммы и методики расчета
- •8.6. Построение расчетных номограмм для температурных режимов, пропорциональных стандартному пожару
- •8.7. Методика расчета предела огнестойкости ограждающих конструкций с учетом реальных условий теплообмена на обеих поверхностях
- •8.8. Примеры расчета
- •Контрольные вопросы
- •9. Способы повышения предела огнестойкости строительных конструкций
- •9.1. Повышение предела огнестойкости железобетонных конструкций
- •9.2. Огнезащита металлических конструкций
- •9.2.1. Способы повышения предела огнестойкости металлических конструкций
- •9.2.2. Огнезащитные материалы для стальных конструкций
- •9.3. Огнезащита элементов деревянных конструкций и их узлов
- •9.3.1. Пожароопасные свойства деревянных конструкций
- •9.3.2. Огнезащитная пропитка древесины
- •9.3.3. Снижение горючести древесных материалов с помощью покрытий
- •9.3.4. Огнезащитные материалы для древесины
- •Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Приложение 1 Пожарная безопасность в строительстве. Термины и определения
- •Приложение 2 Требования норм и правил к огнестойкости зданий, сооружений и строительных конструкций
- •Приложение 3 теплофизические характеристики строительных материалов
- •1. Последствия воздЕйСтвия пожаров на строительные конструкции и материалы 6
- •2. Пожарно-техническая классификация строительных материалов, конструкций и зданий 12
- •7. Расчет пределов огнестойкости деревянных 74
- •8. Расчет предела огнестойкости ограждающих 84
- •9. Способы повышения предела огнестойкости 100
- •Огнестойкость и огнезащита строительных конструкций
- •3 94006 Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84
4.1.2. Расчетное определение фактических пределов огнестойкости строительных конструкций
В общем случае для расчета предела огнестойкости бетонных, железобетонных, металлических и деревянных конструкций необходимо решить две задачи:
1) теплотехническую – в результате решения которой определяется распределение температуры в принятые моменты времени по сечению рассматриваемой конструкции;
2) прочностную – по результатам решения которой определяется несущая способность Ф(τ) данного элемента в рассматриваемые моменты времени действия пожара τ.
Предел огнестойкости бетонных и железобетонных конструкций может быть определен для двух предельных состояний: R – потери несущей способности и І – потери теплоизолирующей способности.
Момент времени воздействия пожара τ, при котором несущая способность конструкции Ф(τ) снизится до величины действующих на нее усилий от нормативных нагрузок Мн (Nн) (соответственно изгибающего момента и продольной силы от нормативного значения длительно действующей нагрузки) и будет равна искомому значению фактического предела огнестойкости конструкции, т.е. τ=τf.r (по признаку потери несущей способности R). Для расчета предела огнестойкости по признаку потери теплоизолирующей способности, достаточно решения только теплотехнической задачи: расчета температуры прогрева при пожаре необогреваемой поверхности конструкции. Момент времени воздействия пожара, при котором температура этой поверхности достигнет предельно допустимой, и будет характеризовать предел огнестойкости конструкции по признаку I.
Расчет несущей способности металлических конструкций с учетом воздействия пожара сводится к определению значения критической температуры нагрева элемента при пожаре t , при которой несущая способность элемента снизится до величины действующих на него усилий. Искомое значение фактического предела огнестойкости конструкции будет определяться временем воздействия пожара τ =τfr., при котором температура нагрева элемента при пожаре tm() достигнет величины t .
Для деревянных конструкций решение теплотехнической задачи огнестойкости заключается:
а) в определении времени – от начала теплового воздействия пожара до воспламенения древесины конструкции;
б) в определении изменения рабочего сечения деревянной конструкции после воспламенения древесины при пожаре за счет процесса ее обугливания.
Решение прочностной задачи огнестойкости заключается:
а) в определении изменения соответствующих напряжений в расчетных сечениях конструкций от нормативных нагрузок в зависимости от изменения рабочих сечений деревянной конструкции за счет обугливания древесины после ее воспламенения при пожаре;
б) в проверке прочности деревянной конструкции на воздействие соответствующих нормативных нагрузок с учетом изменения напряжений от этих нормативных нагрузок в зависимости от времени горения древесины; в определении времени – от начала воспламенения древесины до утраты конструкцией несущей способности.
Предел огнестойкости несущих деревянных конструкций определяется выражением
Предлагаемый метод расчета несущих деревянных конструкций на предел огнестойкости основан на следующих допущениях:
обугливание древесины конструкции после ее воспламенения при пожаре происходит с постоянной скоростью;
свойства древесины необуглившейся (рабочей) части сечения конструкции одинаковы по всей его площади.
Методики расчета фактических пределов огнестойкости рассматриваемых конструкций описаны в главах 5-7, а также в [21-23, 30, 32,33, 36, 37, 46, 47, 50-53, 55-56, 58, 60, 64,70-71]. Методики расчета разработаны для случая огневого воздействия стандартного пожара; для металлических и ограждающих конструкций учитываются также случаи экстремального температурного воздействия, при которых температура реального пожара сразу принимает максимальное значение. В [50-56] представлена методика расчета предела огнестойкости железобетонных конструкций при воздействии температурных режимов реальных пожаров, пропорциональных стандартному температурному режиму (учитывается стадия интенсивного развития пожара, а также период его затухания); приводятся примеры.
Контрольные вопросы
Какими методами определяются пределы огнестойкости строительных конструкций?
Охарактеризуйте метод экспериментального определения огнестойкости строительных конструкций.
В какой последовательности производится расчетное определение огнестойкости строительных конструкций?
Как влияет температура пожара на прогрев стальных, железобетонных и других строительных конструкций?
5. РАСЧЕТ ПРЕДЕЛОВ ОГНЕСТОЙКОСТИ
БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
5.1. Расчет температур прогрева сечений бетонных и железобетонных
конструкций при воздействии стандартного пожара
Приведенные в этой главе методы расчета основываются на многочисленных экспериментальных и теоретических исследованиях, проведенных в различных странах, обобщенных и дополненных в работах [14,21-23,30-33,34,36,37,45-47,50,53-56,58,60,63,68,70].
Данные, необходимые для расчета прогрева сечений бетонных и железобетонных конструкций в рассматриваемых условиях, приведены в табл. 5.1, табл. 5.2 и на рис. 5.1.
Таблица 5.1
Изменение температуры среды tf (τ) при проведении огневых испытаний
на огнестойкость по стандартному температурному режиму
, мин |
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
90 |
120 |
150 |
180 |
tf |
20 |
576 |
679 |
738 |
781 |
841 |
885 |
915 |
945 |
1006 |
1049 |
1082 |
1110 |
Таблица 5.2
Изменение теплотехнических характеристик бетона и арматуры
в зависимости от температуры их прогрева при пожаре
Материалы |
Средняя плотность бетона, ρ, кг/м3 |
Значения параметров A, B, C, D для определения коэффициента теплопроводности, Вт/(м °С), удельной теплоемкости, Дж/(кг С) |
Эксплуатационная массовая влажность, ω, % |
Приведенный коэффициент температуропроводности, ared, м2/ч |
|||
A |
B |
C |
D |
||||
Тяжелый бетон с крупным заполнителем из силикатных пород |
2350 |
1,20 |
-0,00035 |
0,71 |
0,00083 |
2,5 |
0,00133 |
Тяжелый бетон с заполнителем из карбонатных пород |
2350 |
1,14 |
-0,00055 |
0,71 |
0,00083 |
3,0 |
0,00116 |
Легкий бетон с крупным заполнителем из керамзита |
1600 |
0,36 |
0,00012 |
0,83 |
0,00042 |
5,0 |
0,00734 |
Окончание табл. 5.2
Материалы |
Средняя плотность бетона, ρ, кг/м3 |
Значения параметров A, B, C, D для определения коэффициента теплопроводности, Вт/(м°С), удельной теплоемкости, Дж/(кг С) |
Эксплуатационная массовая влажность, ω, % |
Приведенный коэффициент температуропроводности, ared, м2/ч |
|||
A |
B |
C |
D |
||||
Керамзитоперлитобетон |
1200 |
0,18 |
0,00008 |
0,92 |
0,00048 |
6,0 |
0,000722 |
Легкий бетон с крупным и мелким заполнителем из керамзита |
750 |
||||||
Арматурная сталь |
- |
65 |
-0,048 |
0,44 |
0,00063 |
- |
- |
При проведении расчетов следует принимать начальную температуру конструкций t0 = 20 0С; температурный режим пожара – соответствующим температурному режиму стандартных огневых испытаний на огнестойкость, который описывается выражением
, (5.1)
где τ – время воздействия пожара, ч; – температура пожара, воздействующая на конструкцию в момент времени τ.
При расчете температур прогрева сечений рассматриваемых конструкций следует учитывать изменение характеристик теплопереноса материалов конструкций в зависимости от температуры прогрева.
Коэффициент теплопроводности бетона и арматуры (Вт/(м0С)) допускается определять по формуле
. (5.2)
Коэффициент теплоемкости бетона и арматуры (кДж/(кг 0С) определяется по формуле
. (5.3)
Значения коэффициентов A, B, C, D принимаются из табл. 5.2.
При расчете допускается использовать также приведенные (осредненные) значения коэффициента температуропроводности (м2/ч), которые определяются по формуле
, (5.4)
где , 0С – характеристики теплопереноса материалов конструкций, определяемые по формулам (5.2) и (5.3), при t=450 0С; w – эксплуатационная влажность бетона (см. табл. 5.2).
Рис. 5.1. Изменение температуры t, 0C, в различных сечениях бетонных плит
в зависимости от времени, , ч, воздействия стандартного температурного режима:
а) плиты из тяжелого бетона с крупным заполнителем из силикатных пород;
б) плиты из тяжелого бетона с крупным заполнителем из карбонатных пород;
в) плиты из легкого бетона с крупным заполнителем из керамзита (ρ = 1600 кг/м3);
г) плиты из легкого бетона с крупным заполнителем из керамзита (ρ = 750 кг/м3);
1– плиты толщиной 200 мм; 2 – плиты толщиной 60 мм
Температуру бетона и арматуры конструкции в зависимости от количества ее обогреваемых при пожаре поверхностей и их взаимного расположения определяют по следующим формулам:
при одной обогреваемой поверхности:
; (5.5)
при двух параллельных обогреваемых поверхностях:
. (5.6)
Формула (5.6) применима при , где – расстояние от обогреваемой поверхности конструкции до противоположной;
при трехстороннем воздействии пожара, когда первая и вторая поверхности конструкций параллельны, а третья им перпендикулярна
; (5.7)
при четырехстороннем огневом воздействии на конструкцию:
; (5.8)
в конструкциях круглого сечения, обогреваемых по всему периметру:
, (5.9)
где , (5.10)
где – толщина начавшего прогреваться слоя бетона, м:
, (5.11)
– параметр, который определяется из следующих выражений:
при определении температуры прогрева бетона:
, (5.12)
при определении температуры прогрева арматуры:
, (5.13)
где – расстояние от рассматриваемой точки сечения бетона до i-й обогреваемой поверхности, м; – расстояние от i-й обогреваемой поверхности до ближайшего к ней края арматуры, м; и - коэффициенты, зависящие от плотности бетона, определяемые по табл. 5.3; - диаметр арматуры, м.
Таблица 5.3
Значения коэффициентов и в зависимости от плотности бетона
Плотность бетона, ρ, кг/м3 |
500 |
1000 |
1500 |
2000 |
2350 |
2450 |
φ1, ч1/2 |
0,46 |
0,55 |
0,58 |
0,60 |
0,62 |
0,65 |
φ2 |
1,0 |
0,85 |
0,65 |
0,5 |
0,5 |
0,5 |
Расчет толщины слоев бетона, прогретых до критической температуры за определенное время воздействия стандартного пожара, производится:
при одной обогреваемой поверхности конструкции по формулам
, (5.14)
, (5.15)
где определяют по формуле (5.11);
при двух параллельных обогреваемых поверхностях определяют , по формуле (5.15) и по формуле (5.14); затем по формуле (5.6) определяют температуру для точки, находящейся на расстояниях от обогреваемых поверхностей, равных , и , где – расстояние между обогреваемыми поверхностями;
при двух взаимно перпендикулярных обогреваемых поверхностях внутри угла, образованного этими поверхностями, толщина прогретого слоя определяется по формуле
; (5.16)
при трехстороннем обогреве конструкции прямоугольного сечения (первая и вторая обогреваемые поверхности параллельны, расстояние между ними равно , и перпендикулярны третьей), толщина прогретого слоя у третьей обогреваемой поверхности определяется по формулам
, (5.17)
, (5.18)
, (5.19)
, (5.20)
причем, толщина прогретого слоя у первой и второй обогреваемых поверхностей определяется как для параллельных поверхностей;
при четырехстороннем воздействии пожара толщина слоя, прогретого до критических температур, определяется по формулам (5.17) – (5.20); в углах конструкций прямоугольного сечения при трехстороннем или четырехстороннем прогреве толщина прогретого слоя определяется по формуле (5.16);
для четырехсторонне обогреваемых конструкций квадратного сечения, площадь материала, ограниченную изотермой , можно определять по формулам
, (5.21)
, (5.22)
где – толщина слоя материала, прогретого до критической температуры у середины боковой поверхности, определяется по формуле (5.20); – размер квадратного сечения; – поправка на дополнительное увеличение толщины прогретого слоя материала в углах сечения:
, но не более 1; (5.23)
, (5.24)
где – поверхностный слой, прогретый до в углу сечения, определяемый по формуле (5.16);
для конструкций круглого сечения толщину прогретого слоя определяют путем нахождения по формуле (5.15) и по формуле (5.14); затем по формуле (5.9) определяют температуру для точки, находящейся на расстоянии от обогреваемой поверхности и температуру для точки ; толщину слоя бетона, прогретого до вычисляем по формуле
. (5.25)
Расчет толщин защитных слоев бетона, обеспечивающих достижение критических температур прогрева арматуры при пожаре в определенное время воздействия стандартного пожара, производится по формуле
, (5.26)
где вычисляют по формуле (5.11).
При одной обогреваемой поверхности определяют по формуле (5.15), по формуле (5.22) и принимают .
Расчет времени достижения критической температуры в растянутой арматуре плоских односторонне прогреваемых конструкциях производится по формуле
, (5.27)
где – толщина защитного слоя бетона от обогреваемой поверхности до ближайшего к ней края растянутой арматуры, м.
Для арматуры одного класса, расположенной на одном или нескольких уровнях, средняя толщина защитного слоя бетона и средний диаметр растянутой арматуры определяются по формулам
, (5.28)
, (5.29)
где j – порядковый номер арматурного стержня; – толщина защитного слоя бетона для j-ro арматурного стержня; – соответственно диаметр и площадь поперечного сечения j-ro арматурного стержня.
Площадь всей растянутой арматуры равна
. (5.30)
Минимальную толщину сплошного бетонного сечения, необходимую для обеспечения соответствующего предела огнестойкости по признаку I – потере теплоизолирующей способности, определяют:
для случая свободного теплоотвода в окружающую среду с не обогреваемой поверхности – по табл. 5.4;
для случая отсутствия теплоотвода с не обогреваемой поверхности – по табл. 5.5.
Таблица 5.4
Минимальные толщины сплошного бетонного сечения, необходимые
для обеспечения соответствующего предела огнестойкости по потере
теплоизолирующей способности I при одностороннем нагреве и свободном
теплоотводе в окружающую среду с не обогреваемой поверхности
Бетон |
Средняя плотность бетона, ρ, кг/м3 |
Минимальная толщина сплошного бетонного сечения, мм, обеспечивающая по теплоизолирующей способности предел огнестойкости, мин |
|||||||
115 |
130 |
145 |
160 |
190 |
I120 |
I150 |
I180 |
||
Тяжелый бетон с крупным заполнителем из силикатных пород |
2350 |
30 |
50 |
60 |
70 |
90 |
105 |
120 |
130 |
Мелкозернистый песчаный бетон |
1900 |
||||||||
Тяжелый бетон с крупным заполнителем из карбонатных пород |
2350 |
27 |
45 |
55 |
65 |
85 |
100 |
110 |
120 |
Легкий бетон с крупным заполнителем из керамзита |
1600 |
24 |
36 |
46 |
55 |
65 |
75 |
85 |
95 |
Керамзитоперлитобетон |
1200 |
24 |
35 |
43 |
50 |
60 |
65 |
70 |
75 |
Легкий бетон с мелким и крупным заполнителем из керамзита |
750 |
Таблица 5.5
Минимальные толщины сплошного бетонного сечения,
необходимые для обеспечения соответствующего предела огнестойкости
по потере теплоизолирующей способности I при одностороннем нагреве
и отсутствии теплоотвода с не обогреваемой поверхности
Бетон |
Средняя плотность бетона, ρ, кг/м3 |
Минимальная толщина сплошного бетонного сечения, мм, обеспечивающая по теплоизолирующей способности предел огнестойкости, мин |
|||||||
I15 |
I30 |
I45 |
I60 |
I90 |
I120 |
I150 |
I180 |
||
Тяжелый бетон с крупным заполнителем из силикатных пород |
2350 |
30 |
50 |
65 |
80 |
100 |
120 |
140 |
155 |
Мелкозернистый песчаный бетон |
1900 |
||||||||
Тяжелый бетон с крупным заполнителем из карбонатных пород |
2350 |
30 |
50 |
65 |
80 |
100 |
120 |
135 |
150 |
Легкий бетон с крупным заполнителем из керамзита |
1600 |
25 |
40 |
53 |
65 |
80 |
95 |
105 |
115 |
Керамзитоперлитобетон |
1200 |
25 |
40 |
50 |
60 |
75 |
90 |
110 |
105 |
Легкий бетон с мелким и крупным заполнителем из керамзита |
750 |
Первый случай относится к перегородкам, стенам, плитам перекрытий без полов или с полами из несгораемых материалов, температуропроводность которых сопоставима с аналогичной характеристикой основной конструкции.
Второй случай относится к плоским конструкциям, необогреваемая поверхность которых покрыта сгораемыми материалами.
Штукатурка, стяжка, засыпка и пол из несгораемых материалов учитываются при определении толщины конструкции.
Для многопустотных панелей и плит перекрытий, у которых площадь пустот составляет не менее 40 % полной площади поперечного сечения , допускается принимать предел огнестойкости по теплоизолирующей способности, как для плит сплошного поперечного сечения с приведенной толщиной, равной
, (5.31)
где – ширина плиты.
Если для плиты перекрытия известна нагрузка р от собственного веса, кг/м2, то приведенная толщина может быть определена по формуле
, (5.32)
где ρ– плотность бетона (сухого), кг/м3.