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

Спирали (кольца) изготовляют из арматурной стали классов А240(А-I), А300(А-II), А400(А-III) диаметром 6–14 мм или проволоки В500(Вр-I), принимая их шаг не менее 40 мм и не более 1/5 диаметра сечения элемента, но не более 100 мм.

Для сварных сеток применяют ту же арматурную сталь, что и для спиралей. Размеры ячеек сеток – не менее 45 мм и не более 1/4 меньшей стороны сечения элемента, но не более 100 мм; шаг сеток S ≥ 60 мм, но не более 1/3 ширины сечения и 150 мм.

При усилении концевых участков сжатых элементов (рис. 2.33, в) устанавливают не менее 4 сварных сеток. Зона усиления по длине элемента должна быть не менее 10d при продольной арматуре из стержней периодического профиля и 20d – при гладких стержнях [58].

2.1.3.Растянутые элементы

Растянутые элементы могут находиться в условиях центрального (осевого) и внецентренного растяжения.

Вусловиях центрального растяжения находятся затяжки арок, нижние пояса и нисходящие раскосы ферм и другие конструктивные элементы (рис. 2.34, а). Центрально-растянутые элементы применяют, как правило, предварительно напряженными. Основной принцип конструирования этих элементов заключается в симметричном расположении арматуры, чтобы избежать эксцентриситета, а сама арматура в линейных элементах (нижние пояса ферм, затяжки арок) не должна иметь стыков.

Вусловиях внецентренного растяжения находятся нижние пояса безраскосных ферм, стенки резервуаров, бункеров, прямоугольных

вплане и испытывающих давление от содержимого. Такие элементы одновременно растягиваются продольной силой и изгибаются моментом М, что равносильно внецентренному растяжению усилием N с эксцентрисите-

том e0 = M / N относительно продольной оси элементов (рис. 2.34, б). Эти элементы производят, как правило, предварительно напряженными.

Для растянутых элементов с ненапрягаемой арматурой применяют бетоны классов В15–В22,5. Предварительно напряженные конструкции изготовляют из бетонов класса не ниже В22,5. В конструкциях, находящихся под давлением жидкостей, следует применять горячекатаную сталь классов А300(А-II) и А240(А-I) для ненапрягаемой арматуры, высокопрочную проволоку, канаты и горячекатаную сталь классов А800(А-V), А600(А-IV), Ат-V, Ат-VI – для предварительно напряженной. В поперечном сечении элемента предварительно напрягаемую арматуру размещают симметрично, чтобы избежать внецентренного обжатия элемента.

Растянутые элементы армируют проволокой и стержнями диаметром 3–32 мм. Целесообразнее применять меньшие диаметры при большем количестве стержней.

61

	1	2		3
а	4		N Q
		M
		1		Q
		M
		F	N	F
	F
		2
R	Q	M
	N	N
б	M	Q

Рис. 2.34. Растянутые железобетонные элементы:

а – центрально-растянутые элементы: 1 – затяжкаарки; 2 – нисходящие раскосыфермы; 3 – нижний пояс фермы; 4 – стенка круглого в плане резервуара;

б – внецентренно растянутые элементы:

1 – стенка резервуара (бункера); 2 – нижний пояс безраскосной фермы

Общие принципы конструирования внецентренно растянутых элементов те же, что и внецентренно сжатых. Минимальный процент армирования для центрально-растянутых – 0,1 %, для внецентренно растянутых – 0,05 %. Минимальный процент армирования устанавливают из условия предупреждения внезапного разрушения при раскрытии трещин.

2.2.Каменные конструкции

Всовременном строительстве из каменной кладки выполняют наружные и внутренние стены, несущие элементы, фундаменты и другие инженерные сооружения. В строительстве находят применение как естественные, так и искусственные каменные материалы.

Для каменных конструкций применяют кирпич полнотелый и пустотелый, камни керамические, бетонные и природные, крупные блоки, панели и сырцовые материалы.

Швы между камнями в каменной кладке заполняют раствором. Основное назначение растворов – связывать отдельные камни для образования монолита. Раствор помогает выровнять давление, передающееся от одного камня к другому. Он уменьшает продуваемость и влагопроницаемость стен.

62

Особенностью работы каменных конструкций является неоднородность каменной кладки, что объясняется неоднородностью камня и раствора. Различные коэффициенты поперечных деформаций камня и раствора приводят к возникновению в соприкасающихся поверхностях касательных или растягивающих усилий, которые разрушают раствор. Деформации усадки, происходящие в растворе, приводят к нарушению сцепления с камнем. Неровности камня, неправильная форма или искривления могут вызывать изгиб.

При пожаре разрушения начинаются, как правило, с линии вертикальных швов. По мере увеличения нагрузки возникают трещины большой протяженности. Кладка расслаивается на отдельные столбики, которые разрушаются при возникновении эксцентриситета приложения нагрузки, при продольном изгибе, что ведет к раздроблению камня.

Расчетная длина каменных стен и столбов l0 должна приниматься в зависимости от условия опирания стен на горизонтальные и вертикальные опоры (перекрытия и примыкающие стены).

При опирании стен и столбов на горизонтальные опоры расчетные длины устанавливаются:

–при шарнирном опирании на неподвижные в горизонтальном на-

правлении опоры l0 = Н, где Н – расстояние между перекрытиями или другими горизонтальными опорами (рис. 2.35, а);

–для свободно стоящих конструкций при отсутствии их связи с перекрытиями или другими горизонтальными опорами l0 = 2Н (рис. 2.35, б);

–для конструкций с частично защемленными опорными сечениями (с учетом фактической степени защемления) не менее l0 = 0,8Н.

H/3			2H
H H/3	H	H
	0		0
	=		=
H/3	l		l
а		б

l0 = 1,5H

H H/2 H/2

l0 = 1,25H

в

Рис. 2.35. Расчетные длины элементов каменных конструкций при:

а– шарнирном ограничении;

б– отсутствии связи с перекрытиями и горизонтальными опорами;

в– упругой конструктивной схеме и неподвижных нижних опорах

63

Это требование применяется при заделке опорных участков железобетонных перекрытий в кладке.

Взданиях с жесткой конструктивной схемой при опирании на стену

сборных железобетонных перекрытий l0 = 0,9Н, а при опирании на стены монолитных железобетонных перекрытий l0 = 0,8Н.

Взданиях с упругой конструктивной схемой, где стены опираются

на упругие верхние и неподвижные нижние опоры, l0 = 1,25Н для многопролетных зданий и l0 = 1,5Н – для однопролетных (рис. 2.35, в).

Армирование каменных конструкций значительно повышает их несущую способность, монолитность и обеспечивает совместную работу отдельных частей зданий.

Для армирования каменных конструкций применяются горячекатаная сталь А240(А-I), холоднотянутая сталь класса В-I.

Допускается армирование из других видов сталей, применяемых для железобетонных конструкций.

Применяется два вида армирования: косвенное (поперечное) и продольное.

Поперечное армирование выполняется из стальных сеток, укладываемых в горизонтальные швы кладки. Такое армирование предназначено для повышения несущей способности кладок, работающих на сжатие.

Сетчатое поперечное армирование применяется для усиления кладки из кирпича всех видов, а также из керамических камней со щелевидными вертикальными пустотами при высоте ряда не более 150 мм.

Сетки препятствуют поперечным деформациям, т. е. элементы становятся как бы всесторонне сжатыми. Сетчатое армирование выполняется посредством укладки стальных сеток в горизонтальные швы кладки. Применяют квадратные или прямоугольные сетки, сетки типа «зигзаг»

(рис. 2.36).

Сетчатое армирование эффективно только при гибкости элементов

l0 / h ≤15, а также эксцентриситетах, находящихсяв пределах ядрасечения. Не допускается применение сетчатого армирования в стенах помещений с мокрым влажностным режимом эксплуатации. Количество сетчатой арматуры, учитываемой в расчете столбов и простенков, должно составлять не менее 0,1 % и не более 1 % объема кладки. Диаметр сетчатой арматуры должен быть не менее 3 мм. Диаметр арматуры в горизонтальных

швах кладки должен быть не более:

– 5 мм в случаях пересечения арматуры в швах;

– 8 мм без пересечения арматуры в швах.

Расстояния	между стержнями сетки С должны быть не более 12
и не менее 3 см.

64

Для кладки внутренних стен в помещениях с сухим и нормальным влажностным режимом (относительная влажность воздуха не более 60 %) допускается при сетчатом армировании применять арматуру диаметром менее 3 мм, а также сетки из проволоки такого диаметра.

S S S S S S

а

б

C

C1

d1 d2

C2

Рис. 2.36. Сетчатое армирование:

а – квадратная сетка; б – сетка типа «зигзаг»

Швы кладки каменных конструкций должны иметь толщину, превышающую диаметр арматуры не менее чем на 4 мм. Сетки как прямоугольные, так и типа «зигзаг» должны укладываться не реже чем через пять рядов кирпичной кладки (S ≤ 400 мм).

Сетки «зигзаг» укладываются в двух смежных рядах кладки так, чтобы направление прутьев в них было взаимно перпендикулярно. Две уложенные таким образом сетки равноценны одной прямоугольной сетке из арматуры того же сечения.

Продольное армирование выполняется из стержней арматуры с хомутами. Продольное армирование может быть внешним или внутренним (в швах кладки). Оно предназначено для усиления кладки, работающей на растяжение, изгибиливнецентренноесжатиесбольшимиэксцентриситетами.

65

Продольное армирование каменных конструкций может применяться

вотдельных конструктивных элементах (стены, столбы, перемычки и т. д.) для восприятия растягивающих усилий во внецентренно сжатых (при больших эксцентриситетах) и изгибаемых элементах, а также для повыше-

ния прочности и устойчивости тонких стен при l0 / h > 15.

Продольное армирование каменных конструкций повышает сопротивляемость кладки растягивающим усилиям и обеспечивает монолитность и устойчивость отдельных частей всего сооружения в целом. При продольном армировании каменных конструкций арматура укладывается внутри элемента (в вертикальных швах кладки и в специальных вырезах

вкамне), снаружи под слоем цементного раствора или в штрабе кладки с заполнением штрабы раствором.

Количество арматуры, учитываемой в расчете, должно составлять не менее 0,1 % – для сжатой продольной арматуры и 0,05 % – для растянутой арматуры.

При продольном армировании (например, в армокаменных поясах) допускается применение стержней арматуры диаметром до 12 мм с утолщением шва кладки до 25 мм.

2.3.Металлические конструкции

Металлические конструкции (стальные и алюминиевые) широко применяются в строительстве различных видов зданий и сооружений.

Стальные конструкции используют в стержневых и сплошных системах.

К стержневым системам, основными элементами которых являются балки, фермы, колонны и легкие пространственные конструкции, относятся: каркасы промышленных зданий и сооружений с подкрановыми балками, железнодорожные, шоссейные и городские мосты больших пролетов, гражданские высотные здания, выставочные павильоны, различные покрытия и перекрытия, купола, здания специального назначения (ангары, судостроительные эллинги, мачты и башни для радиосвязи и телевидения, надшахтные нефтяные вышки, гидротехнические сооружения, эстакады, краны).

Сплошные системы – оболочки, мембраны (листовые конструкции) – применяются в газгольдерах для хранения и распределения газов, резервуарах для хранения жидкостей, бункерах для хранения и перегрузки сыпучих тел, специальных конструкциях (доменные печи, воздухонагреватели, газоочистки), трубах и трубопроводах большого диаметра.

Алюминиевые конструкции находят применение в сооружениях, где требуется малый собственный вес (разводные мосты, большепролетные покрытия павильонов, конструкции, возводимые в труднодоступных

66

исейсмических районах). Конструкции из алюминиевых сплавов применяются в ограждающих конструкциях промышленных и гражданских зданий в виде кровельного настила, стеновых панелей, оконных переплетов

ив объектах химической и нефтяной промышленности.

Металлические конструкции являются индустриальными, т. е. изготавливаются на специализированных заводах. Отдельные части (отправочные марки) большепролетных конструкций транспортируются до места возведения сооружения, монтируются на строительной площадке и устанавливаются в проектное положение с использованием подъемнотранспортных средств.

Высокая прочность, надежность, индустриальность в изготовлении металлических конструкций с учетом принципов унификации и стандартизации их элементов, транспортабельность, небольшие сроки при монтаже, относительная легкость по сравнению с железобетонными конструкциями определяют экономичность использования металлических конструкций в строительстве.

Кроме того, металлические конструкции удобны в эксплуатации, так как отдельные узлы легко заменяются во время проведения работ по реконструкции.

Однако металлические конструкции подвержены воздействию коррозии (кроме алюминиевых сплавов), что требует специальных мероприятий по защите. Также эти конструкции обладают низкой огнестойкостью: стальные – при температурах выше 400 °С, из алюминиевых сплавов – выше 200 °С.

Для производства металлических конструкций используются малоуглеродистые и низколегированные стали.

Для изготовления алюминиевых конструкций применяются следующие сплавы: алюминиево-марганцевые, алюминиево-магниевые, кремнемагниевые, цинко-магниевые и медно-магниевые.

Стальные и алюминиевые конструкции изготавливаются из прокатных, холодногнутых или прессованных полуфабрикатов и изделий с указанием их основных геометрических размеров. Сортамент включает в себя две основные группы этих полуфабрикатов – листовые и фасонные (швеллер, двутавр, уголки, трубы, канаты).

Для соединения отдельных элементов металлических конструкций применяются сварные, болтовые и заклепочные соединения. Выбор вида соединения зависит от вида напряженного состояния соединяемых элементов, величины и характера действующей нагрузки, условий работы соединения и т. д.

Наиболее распространенными и экономичными являются сварные соединения. Для их выполнения, по сравнению с болтовыми и заклепочными соединениями, требуется меньше времени и металла.

67

Сварные соединения (рис. 2.37) имеют высокую прочность и могут выполняться как в заводских условиях (автоматическая и полуавтоматическая сварка), так и непосредственно на строительной площадке (ручная сварка). Недостатками сварных соединений являются деформация изделий от усадки сварных швов и возникновение остаточных напряжений в конструкциях.

	N	N
	N	N
	а	б
	M	2
		1

г

в

Рис. 2.37. Сварные соединения элементов металлических конструкций:

а – стыковой шов; б, в – фланговый угловой шов; г – схема расчетных сечений: 1 – сечение по металлу шва; 2 – сечение по металлу границы сплавления

Болтовые соединения (рис. 2.38) применяются для выполнения рабочих и монтажных соединений, воспринимающих усилия растяжения, сжатия или сдвига.

N		N/2
		N
	N
		N/2
а		б

Рис. 2.38. Соединения элементов металлических конструкций: а – односрезное болтовое; б – двусрезное заклепочное

Эти соединения просты и надежны, однако требуют большего расхода металла на конструкцию вследствие ослабления сечений отверстиями.

Балками называются конструктивные элементы сплошного сечения, работающие на изгиб.

По статической схеме различают балки разрезные и неразрезные. Неразрезные балки и однопролетные балки с жесткой заделкой в опорных частях менее металлоемки, но и менее экономичны в изготовлении и при монтаже.

68

По типу сечений стальные балки бывают прокатными и составными, а алюминиевые балки могут быть прессованными и составными (рис. 2.39, а–г, е). При пролетах до 6 м целесообразно применять стальные балки из гнутых профилей швеллерного или коробчатого сечений (рис. 2.39, д).

Стенка

а

Полка

б

в

г

д

е

Рис. 2.39. Сечения балок:

а– прокатных (двутавр, швеллер); б – прессованных (двутавр, швеллер);

в– составных (сварных); г – составных (клепаных);

д– гнутых; е – составных (коробчатого сечения)

Наиболее экономичными являются прокатные балки в виде двутавра и швеллера, которые применяются в качестве несущих элементов покрытий и перекрытий, ригелей фахверка, подкрановых балок для кранов с небольшой грузоподъемностью.

Расчет таких балок для эксплуатационных условий выполняют по предельным состояниям первой и второй групп. При этом для ряда случаев при расчете на прочность сечения, где действует максимальный изгибающий момент, учитывается развитие пластических деформаций.

Кроме того, для прокатных балок характерна потеря их общей устойчивости (рис. 2.40).

N N

Рис. 2.40. Потеря общей устойчивости консольной балки

69

Составные балки выполняются в основном в двутавровом и коробчатом сечениях. Для изготовления составных балок применяют прокатные стальные листы, а в ряде случаев и фасонную сталь в виде прокатных уголков. По способу соединения элементов между собой составные балки разделяются на сварные и клепаные (см. рис. 2.39, в, г, е). Наиболее экономичным и менее трудоемким является сварное соединение. Клепаные балки применяются под тяжелые вибрационные и динамические нагрузки.

Основными несущими конструкциями покрытия являются стропильные фермы (рис. 2.41).

l = 36 000÷96 000

а

l = 18 000÷36 000

б

l = 24 000÷48 000

в

l = 24 000÷12 000

г

Рис. 2.41. Стропильные фермы:

а– сегментного очертания; б – треугольного очертания;

в– трапецеидального очертания; г – с параллельными поясами

Фермой называют решетчатую сквозную конструкцию, состоящую из отдельных прямолинейных стержней, которые соединяются между собой в узлах. В зависимости от конструктивной схемы здания фермы могут опираться на несущие стены, стальные или железобетонные колонны. С помощью стропильных ферм перекрываются пролеты: 18, 24, 36, 42, 48 м и более при шаге конструкций: 6, 9 и 12 м.

70