1. Центральное сжатие:

В наружных волокнах сечения элемента возникают сжимающие напряжения, а в средних (нагретых и малонагретых) – растягивающие.

Центральная часть сечения разрушается, наружные слои и арматура будут подвергаться более высоким напряжениям.

Далее наружные слои в работе не участвуют.

2. Внецентренно-сжатые колонны:

Разрушаются за счет прогрева растянутой арматуры до критической температуры.

ИЗГИБАЕМЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

(БАЛКИ, ПЛИТЫ, НАСТИЛЫ)

На огнестойкость существенное влияние оказывает схема опирания:

• статически определимые конструкции;

• статически неопределимые конструкции.

Статически определимые конструкции

П_ф = 0,5…3 ч.

в зависимости от a и b

1. Возможно разрушение по нормальным сечениям.

2. Возможно разрушение по наклонным сечениям.

П_ф ферм и арок определяется по одному из элементов, у которого П_ф будет минимальным.

СТАТИЧЕСКИ НЕОПРЕДЕЛИМЫЕ БАЛКИ И ПЛИТЫ

Внутренние усилия при нагревании в таких элементах перераспределяются.

В средней части нижние волокна растянуты, а вверху сжаты. Поэтому и осуществляется соответствующее армирование.

А_s,оп

А_s,пр

При нагревании возникает отрицательный температурный момент, поэтому момент в пролете уменьшается, а на опоре увеличивается.

Разрушение происходит в результате возникновения трех пластических шарниров.

П_ф значительно выше, чем статически определимых элементов.

Перегородки и стены

П_ф определяется:

по теплоизолирующей способности (I);

по несущей способности (R);

по целостности (E).

толщина 60 мм – П_ф = 0,5 часа;

80 мм – П_ф = 1,0 час;

150 мм – П_ф = 1,5 часа;

Существует несколько схем разрушения:

1. Разрушение с необратимым развитием прогиба в сторону обогреваемой поверхности стены и ее разрушение в середине высоты (по нагретой арматуре или холодному бетону).

2. Разрушение с прогибом элемента в начале в сторону обогрева, а в конечной стадии в противоположном направлении.

3. Разрушение в приопорных сечениях.

Если ограничены деформации стены, то П_ф значительно повышается.

Возможно взрывообразное разрушение бетона.

Предварительное напряжение конструкции не оказывает влияние на огнестойкость.

Методики расчета огнестойкости ЖБК

Как известно для определения П_ф необходимо решить две задачи:

1. Теплотехническую.

2. Статическую.

ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКАЯ задача заключается в определении температур в теле бетона и арматуры.

СТАТИЧЕСКАЯ задача заключается в определении изменения механических и деформативных характеристик материалов и в определении времени наступления предельного состояния (т.е. П_ф).

Два подхода к решению статической задачи:

• По прочности (классический подход, широко применяемый ранее и в настоящее время);

• По критическим деформациям (оригинальная методика профессора Яковлева А.И.).

Для расчета огнестойкости необходимы следующие характеристики бетона и арматуры при высоких температурах:

1. теплофизические.

2. прочностные.

3. деформативные.

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ И ПРОЧНОСТНЫЕ ПОЛЯ,

ПОЛОЖЕНИЯ УПРОЩАЮЩИЕ РАСЧЕТ

Температурное поле - это распределение температуры по сечению конструкции во время его обогрева.

Наиболее удобным приемом построения температурных полей является метод элементарных балансов, предложенный в 1964 году академиком А.П. Ваничевым.

На основе этого метода Яковлев А.И. разработал приемы расчета температурных полей в элементах ЖБК, с учетом затрат тепла на испарение влаги.

Прочностное поле - это распределение прочности материала по сечению конструкции во время его обогрева.

Прочностное поле определяется в зависимости от температурного поля.

Прочность бетона при температуре

R_b,tem = R_bu_b,tem

_b,tem - коэффициент условия работы, зависящий от температуры бетона при пожаре.

R_bu - расчетное сопротивление бетона для расчета на огнестойкость.

R_bn - нормативное сопротивление бетона;

_b = 0,83 - коэффициент надежности по бетону.

ПОЛОЖЕНИЯ, УПРОЩАЮЩИЕ РАСЧЕТ П_Ф

1. Значение теплоемкости и теплопроводности принимаются постоянными С_{tem, m}; _{tem, m} при некотором среднем значении температуры, которая принимается равной t_m= 450C.

2. Температурный режим принимается стандартным (ГОСТ 30247.1-94).

3. Испытанием на огнестойкость установлено, что температура обогреваемой поверхности плоских железобетонных конструкций возрастает по кривой, уравнение которой имеет вид:

(12.1)

где

t₀ - температура обогреваемой поверхности,С;

t_н - начальная температура конструкции, С;

erf - функция ошибок Гаусса;

k - коэффициент, зависящий от плотности _0с сухого бетона, с^0,5;

 - время, с.

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУР

В СПЛОШНЫХ ПЛОСКИХ КОНСТРУКЦИЯХ

При одностороннем обогреве

Температура в сечении конструкции рассчитывается по формуле:

(12.2)

где

y - расстоянии по нормали от обогреваемой поверхности до расчетной точки тела, м;

а_red - приведенный коэффициент температуропроводности.

где

_{tem, m} - средний коэффициент теплопроводности при t = 450С, Вт/(мС);

С_{tem, m} - средний коэффициент теплоемкости при

t = 450С, Дж/(кгс);

W_b - начальная весовая влажность бетона, %;

_0с - средняя плотность бетона в сухом состоянии, кг/м³.

ТЕМПЕРАТУРА В АРМАТУРНЫХ СТЕРЖНЯХ

(12.3)

где

y - расстояние от обогреваемой поверхности до края арматуры, м;

k₁ - коэффициент зависящий от плотности бетона.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛА ОГНЕСТОЙКОСТИ

СВОБОДНО-ОПЕРТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

(ПО КРИТИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ АРМАТУРЫ t_s,cr)

Из формулы (12.2) при t_y, = t_s,cr, находим

(12.4);

затем по приложению 24

(12.5)

Выразим (12.6)

Критическая температура арматуры t_s,cr зависит от степени напряженного состояния _s,tem.

Расчет температур в сечении конструкции при двухстороннем обогреве

При двухстороннем обогреве температура в сечении конструкции рассчитывается по формуле:

(12.7)

где:

(12.8)

x - расстояние от центра до расчетной точки по толщине пластины, м.

(12.9) - критерий Фурье;

Подставив значения , F₀, b в формулу (12.7):

(12.10)

Выражение в квадратных скобках (12.7) и (12.10) представляют относительную избыточную температуру _x, которую можно определить по графику в зависимости от F₀ и  [приложение 25], тогда формула (12.10) упрощается:

t_x, = 1250 - (1250 - t_н)_x. (12.11)

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

t_x=0, = 1250 - (1250 - t_н)_ц. (12.12)

где _ц - относительная температура, определяемая по приложению 26 в зависимости от F₀/4.

Расчет температур в стержневых конструкциях

при обогреве с 3-х и 4-х сторон

(12.13)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ БЕТОННЫХ СЛОЕВ, ПРОГРЕВШИХСЯ ДО ЗАДАННЫХ

КРИТИЧЕСКИХ ТЕМПЕРАТУР

Расчетное сопротивление бетона для расчета на огнестойкость в слоях прогретых до критических температур (t_b,cr).

R_bu = 0

В оставшемся сечении прогретого бетона t_в<t_b,cr, расчетное сопротивление принимается равным R_bu.

Задача определения слоев бетона прогретых до t_cr является обратной задачей по отношению к определению температур в сечении бетона.

Для одностороннего обогрева определяется из уравнения (12.2), где y = _ty.

(12.14)

X определяется по приложению 24 в зависимости от

(12.15)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЯДРА СЕЧЕНИЯ КОНСТРУКЦИИ

ПРИ ОБОГРЕВЕ С 4-Х СТОРОН

Из уравнения (12.8)

при x=b_{tem, x} находим

(12.16)

_х - определяется по графику (приложение 25) в зависимости от величины _х и F_0x

(12.17)

где t_y=0, = 1250 - (1250 - t_н)_ц. (12.18)

_ц принимается по приложению 26 в зависимости от F_0x/4.

(12.19)

Аналогично определяем:

(12.20)

b_я = 2b_tem,x; h_я = 2b_tem,y;

К РАСЧЕТУ ЯДРА СЕЧЕНИЯ

СТЕРЖНЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Y

b_tem,y

b_y

X

h_я

b_я

b_tem,x

b_x

РАСЧЕТ ОГНЕСТОЙКОСТИ ВНЕЦЕНТРЕННО-СЖАТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СО СЛУЧАЙНЫМ ЭКСЦЕНТРИСИТЕТОМ

е_а – случайный эксцентриситет п.1.21

(СНиП 2.03.04-84*)

Приближенный метод расчета, основанный на определении площади ядра сечения А_я, ограниченного расчетной (критической) температурой t_b,cr.

Сечение колонны:

Y a_l

δ_y

δ_x

b X

A_{s, tot} h