Здания и их устойчивость при пожаре / Roytman - Zdaniya i ikh ustoychivost pri pozhare 2013

ea

Nn

	bu
	R
Ns.tem Nb.tem	N's.tem
tв	As.tot

tв	я		tв
	b
	b
	l		a
	a
	al	hя	a
		h
		tв

Рис. 8.19. Расчетная схема колонны со случайным эксцентриситетом приложения нагрузки еa при обогреве с четырех сторон

Допускается определять коэффициент γs.tem при средней температуре по формуле (8.59).

Затем строится график снижения несущей способности колонны в ус-

ловиях пожара и определяется Пф при Np.tem.τ = Nn.

В том случае, когда на колонну действует нагрузка с расчетным (известным) эксцентриситетом, расчет пределов огнестойкости производится как для внецентренно сжатой конструкции.

Условия работы внецентренно сжатых элементов сложнее, чем изгибаемых. Объясняется это одновременным действием продольной

281

сжимающей силы и изгибающего момента. При этом могут иметь место как первый (случай больших эксцентриситетов), так и второй (случай малых эксцентриситетов) случай внецентренного сжатия.

Вусловиях пожара эти элементы могут обогреваться как с трех, так

ис четырех сторон, как со стороны наиболее напряженного сжатого бетона, так и со стороны наименее напряженного бетона или даже растянутой арматуры (рис. 8.20 и 8.21).

Nn

Rbu

tem.y

b btem

tem.y

e
e0
e'	h / 2
h / 2
h0tem / 2	h0tem / 2

xtem / 2

xtem / 2

N's.tem xtem Nb.tem

a' tв

h0tem

h0 h

tв

Ns.tem

a

tв

tem.x

Рис. 8.20. Расчетные схемы для определения несущей способности внецентренно сжатых колонн при трехстороннем обогреве

со стороны растянутой арматуры

282

tem.y

b btem

tem.y

		e
		e0	e'
	h / 2	h / 2
	htem /2	htem /2

Nn

xtem /2	xtem
	xtem /2

Rbu

Ns.tem	Nb.tem N's.tem
tв	a'

		tв
a	h0tem	tem.x
	h0
	h
	tв

Рис. 8.21. Расчетные схемы для определения несущей способности внецентренно сжатых колонн при трехстороннем обогреве

со стороны сжатого бетона

Стержни арматуры в условиях пожара нагреваются неодинаково, поэтому суммарные усилия определяются по формулам:

Ns.tem = Rs.tem.i As.i ;	(8.76)
Ns.tem = Rs.c.tem.i As.i ,	(8.77)

где As.i, As.i – площадь сечения одного i-го стержня растянутой и сжатой арматуры соответственно.

283

Положение нейтральной оси определяется из уравнения моментов относительно точки приложения силы Nn (см. рис. 8.20)

Rbubtem xtem e h0 tem +		0,5xtem + Ns.teme Ns.teme = 0.								(8.78)
Отсюда
xtem h0tem e h0tem e 2					2 Ns.teme Ns.teme				.	(8.79)
							Rbubtem
При первом случае внецентренного сжатия несущая способность ко-
лонны определяется по формуле
N p.tem = Rbubtem xtem + Ns.tem Ns.tem .										(8.80)
При втором случае внецентренного сжатия
N p.tem = Rbubtem xtem + Ns.tem σs.tem As ,										(8.81)
где				x
			1
				tem
				h0tem
σ		2					R	.		(8.82)
			1 ξR.tem
	s.tem						s.tem

Напряжения s.tem, вычисленные по формуле (8.82), могут быть растягивающими (+) или сжимающими (–).

Значение xtem ξtem – относительная высота сжатой зоны бетона

h0tem

определяется по формуле

ξtem

e

2

μe

1

h0tem

1

ξR.tem

(8.83)

e

μe

μe

' '

1

2

2

2

μe μe

,

h0 tem

1 ξR.tem

1 ξR.tem

где

Ns.teme

Ns.teme

μe

;

μe

.

(8.84)

R b

h2

R

b

h2

bu

tem 0tem

bu

tem

0tem

Граничное значение высоты сжатой зоны бетона ξR.tem определяется:

– для тяжелого бетона

ξR.tem 0,85 0,006Rbu ;

284

– для бетона на пористых заполнителях

ξR.tem 0,8 0,006Rbu .

Приведенные формулы справедливы и при обогреве со стороны сжатого бетона, но при этом изменяется значение рабочей (полезной) высоты сечения (см. рис. 8.21):

h0tem h a δtem.х.

Для колонн, имеющих шарнирное опирание, в расчет необходимо вводить значение прогиба ftem.

Для первого случая внецентренного сжатия

ftem 0,82 εs εb εtem	l2
	0	.	(8.85)
	8h
	0tem

Для второго случая внецентренного сжатия

ftem 0,82 εb εtem	l2
	0	.	(8.86)
	8h
	0 tem

Рассмотрим расчет внецентренно сжатой колонны (рис. 8.22) с учетом прогиба ftem, образующегося за счет разности деформаций менее сжатой (растянутой) и более сжатой граней.

Высота сжатой зоны xtem находится из уравнения моментов относительно растянутой арматуры

Nn e ftem btem xtem Rbu h0tem 0,5xtem As Rscu γs.tem h0tem a , (8.87)

где ftem – величина, учитывающая дополнительный прогиб конструкции в условиях пожара от действия продольной силы, м.

Значение ftem определяется [49] по формуле

ftem 0,82	ε	l2	,	(8.88)
		bu 0

8ξtemh0tem

где εbu – предельная сжимаемость бетона, равная 0,002 5.

Подставив в формулу (8.88) значение εbu и ξtem xtem , получим

h0tem

			ftem 2,5 10 4				l2	.		(8.89)
							0
							xtem
С учетом формулы (8.89) уравнение (8.87) принимает вид
2		Rscu As γs.tem h0tem a Nne
				x	2h		x2	x3	2,5 10 4 N l2	. (8.90)
				tem	0tem		tem	tem	n 0
			Rbubtem

285

Значение величины xtem определяют методом последовательных приближений из уравнения (8.86), задаваясь пределом огнестойкости конструкции и находя значения btem, h0tem иγs.tem . После нахождения истинного

значения xtem из уравнения равновесия Fy 0

Nn σs.tem As As Rscu γs.tem Rbubtem xtem

определяют напряжение в растянутой арматуре

σs.tem	As Rscu γs.tem Rbubtem xtem				.
		As
			h
			h0
			h0tem
Nn	Nn
		e'	e0
			e
		a'		a
	xtem
	bu		Nb.tem	s.tem As.tem = Ns.tem
				= Rbuxtem
	R
	N's.tem = RscuA's 's.tem
	tem.y				As
	tem
	b b
	tem.y		xtem	A's
		tem.x

Рис. 8.22. Расчетная схема для определения несущей способности внецентренно сжатой колонны при четырехстороннем обогреве

(8.91)

(8.92)

286

Приведенный методологический подход приемлем для колонны, изображенной на рис. 8.22. При других конструктивных решениях, схемах загружения и обогрева изменится вид расчетных уравнений и количество членов в них.

В работе А. И. Яковлева «Расчет огнестойкости строительных конструкций» [50] рассмотрена методика определения пределов огнестойкости сжатых железобетонных элементов по критическим деформациям. Эта методика позволяет учесть в полной мере упругие свойства нагретого бетона, дает возможность производить оценку пределов огнестойкости сжатых конструкций, особенно по признаку потери их устойчивости от продольного изгиба. Для практического применения этой методики приведены расчетные данные для стен и колонн из тяжелого бетона. Кроме того, с помощью табл. 1.11–1.14, приведенных в указанной работе, можно определить соответствие заданной конструкции требованиям СНиП [27].

287

9.Огнестойкость деревянных конструкций

9.1.Поведение деревянных конструкций в условиях пожара

Причиной обрушения деревянных элементов конструкции во время пожара является обугливание части сечения. Действующая на деревянный элемент или конструкцию нагрузка воспринимается необугленной частью сечения, уменьшение размеров которого во время пожара способствует снижению несущей способности элемента. Огневые испытания [62] показали, что изгибаемые деревянные элементы или конструкции, к которым относятся балки, могут разрушиться не только в сечении, где действуют максимальные нормальные напряжения от изгиба, но и в их опорных зонах, где наблюдается действие максимальных касательных напряжений. Это объясняется тем, что прочность древесины на действие касательных напряжений, способствующих ее скалыванию вдоль волокон, а также прочность клеевого шва в условиях температурного воздействия при пожаре снижается быстрее, чем изгибная прочность древесины.

Результаты огневых испытаний, проведенных в ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко, показали, что предел огнестойкости клеёных балок с размерами сечений 200×200 мм, 130×200 мм, 130×400 мм при действии сосредоточенных нагрузок, расположенных в 1/3 пролета конструкции, составлял 27–28 мин.

При соотношении размеров поперечного сечения h / b > 6 в условиях пожара может наблюдаться потеря плоской формы устойчивости балки, такая опасность возрастет с обрушением стальных или деревянных элементов связей, а также из-за обрушения ограждающих конструкций.

Несущая способность армированных балок при пожаре меньше, чем у неармированных. Это объясняется низкой термостойкостью эпоксидных клеев при нагреве их до температуры 80–100 °С [63]. С учетом защитного слоя древесины толщиной 20–40 мм нагрев клеевого шва в армированных балках до критической температуры происходит через 20–25 мин после начала воздействия в «стандартном» режиме пожара. Из рассмотренных конструктивных решений балок наиболее пожароопасными являются клеефанерные балки, что объясняется небольшими размерами поперечных сечений их элементов. Обрушение клеефанерных балок в условиях пожара может произойти за счет исчерпания несущей способности растянутого нижнего пояса, разрушения клеевого шва, крепящего деревянный пояс к фанерной стенке, а также выхода из строя самой фанерной стенки. Наличие пустот в балках коробчатого сечения способствует распространению огня по конструкциям.

288

При определении предела огнестойкости балок из условия прочности по нормальным напряжениям необходимо учитывать, что в балках с переменной по длине высотой, в отличие от балки с постоянной высотой, сечение, где действуют максимальные нормальные напряжения от изгиба, не совпадает с сечением, в котором наблюдается действие максимального момента. Так, для двускатной шарнирно-опертой балки, воспринимающей равномерно распределенную нагрузку, сечения с максимальными нормальными напряжениями располагаются от опор на расстояниих = lh0 / 2h [14].

Предел огнестойкости арок и рам выше, чем у ферм, что объясняется более мощными размерами сечений их элементов. Исчерпание несущей способности этих конструкций при огневом воздействии может наступить из-за потери прочности клеёных элементов в сечениях, где действует максимальный изгибающий момент, а также за счет потери устойчивости плоской формы сечений в результате обрушения связей или элементов ограждения, выполняющих роль связей. Кроме того, как показал пожар в здании легкоатлетического манежа «Трудовые резервы» в г. Минске, выход из строя арок и рам может произойти из-за потери несущей способности узлов. В условиях пожара более опасными являются арки, в которых распор воспринимается стальной затяжкой, обладающей низким пределом огнестойкости. При оценке пределов огнестойкости арок и рам необходимо учитывать, что деревянные элементы этих конструкций работают в условиях сложного сопротивления от совместного действия нормальной силы сжатия и изгибающего момента. В арках максимальный момент возникает в сечениях, расположенных в 1/4 пролета конструкции, от совместного действия на всем пролете постоянной нагрузки (собственный вес арки и вес ограждающих конструкций) и снеговой нагрузки, расположенной на половине или части пролета. Максимальный момент в рамах наблюдается в зоне их карнизов при совместном действии постоянной и снеговой нагрузок на всем пролете конструкции.

9.2.Факторы, определяющие огнестойкость деревянных конструкций

Вусловиях пожара снижение несущей способности деревянных конструкций определяется снижением несущей способности их деревянных элементов и узловых соединений этих элементов. Деревянные элементы конструкций утрачивают несущую способность из-за обугливания древесины, что приводит к уменьшению размеров рабочего сечения их элементов, способного воспринимать действующие нагрузки, а также из-за изменения прочности древесины в необуглившейся части сечения. На изменение несущей способности узловых соединений при пожаре оказывает

289

влияние как обугливание древесины, так и снижение прочности стальных элементов, используемых в конструкциях этих соединений (нагели, стальные накладки, башмаки).

По результатам исследований, проведенных во ВНИИПО МЧС России, предложена следующая физическая модель (рис. 9.1) обугливания древесины деревянных конструкций с учетом воздействия на них «стандартного» режима пожара, включающая два этапа [4].

1	2	3	0	1	2	3
						t1
		t2				t2
t1		t3	t0
						t3

а

б

Рис. 9.1. Модель процесса обугливания древесины и распределения температуры по сечению деревянных элементов при «стандартном» режиме пожара:

а – первый этап; б – второй этап

Первый этап процесса (рис. 9.1, а) характеризуется интенсивным прогревом поверхностных слоев древесины, вызывающим выпаривание влаги, находящейся в древесине, в окружающую среду и перемещением ее в глубь сечения элемента. При этом образуется три характерные зоны, в первой из которых наблюдается частичная деструкция древесины, а значения температур на границах этой зоны соответственно равны: t1 < 300 °С и t2 > 175 °С. Во второй зоне при t3 > 100 °С происходит фазовое превращение влаги в пар. В третьей зоне температура в древесине колеблется в пределах 20 < t < 100 °С.

Через 3–5 мин после начала теплового воздействия по «стандартному» режиму пожара на поверхности древесины с относительной влажностью не более 9 % температура достигает 280–300 °С. При этом начинается карбонизация поверхностных слоев древесины, которая теряет свои первоначальные механические свойства. Согласно рассматриваемой модели, начинается второй этап процесса (рис. 9.1, б), где помимо зон 1, 2, 3 рассматривается зона 0, в которой при t0 > 300 °С образуется слой угля с неоднородной пористой структурой, с усадочными трещинами. Этот переугленный

290