ЗиС_Учебник / Glava7_1

г

д

а		б

е

в

Рис.7.31.Схемаобразованияпластическогошарниравжелезобетонныхбалках

однажды статически неопределимая балка (см. рис. 7.31,г) при образовании

ПШ превращается в статически определимую балку с известным моментом

Мш на опоре Б (рис. 7.31,д). В состояние предельного равновесия статически

неопределимая система приводится при образовании числа ПШ на один

больше степени статической неопределимости системы. Так, балка на рис.

(5.31,е) находится в предельном равновесии при образовании второго ПШ в

точке С, где положительный момент достигает наибольшего значения.

Таким образом, осадка опор, воздействие высоких температур вызывают в

упругой стадии работы конструкции дополнительные и порой довольно

существенные усилия. При расчете же статически неопределимых систем

по методу предельного равновесия учет подобного рода факторов излишен.

Это становится очевидным, если учесть, что прежде чем в конструкции

наступит состояние предельного равновесия, она в какой/то

предшествующий этому момент превратится в статически определимую

систему, на которую, как известно, эти факторы никакого влияния оказать

не могут.

Рассмотрим однопролетную балку, защемленную на обеих опорах (рис. 7.32,а), загруженную равномерно распределенной нагрузкой с

одинаковым продольным армированием на опорах и в пролете. Расчетную

схему балки можно представить в виде шарнирно опертой балки с

моментами Мsup на опорах (рис. 7.32,б).

452

а

б

в

г

д

е

ж

Рис.7.32.Эпюрыперераспределенияизгибающихмоментоввстатическинеопределимой балкеприравномернораспределеннойнагрузке

Построение эпюры моментов производится “подвешиванием” эпюры моментов простой балки к эпюре от опорных моментов. При

упругой работе материала в балке возникают: опорные моменты M suelр и

наибольший пролетный момент Mlel

Из построения следует: M 0 = M supel + M lel (рис.7.32,в), где

М0 – балочный момент(момент в свободно опертой балке).

453

Из курса “Сопротивления материалов” известно, что для данной

балки

	M suelр =	ql2	; Mlel =	ql2	;
		12		24

M el

suр = 2

Mlel .

В железобетонной балке восприятие опорного момента

обеспечивается арматурой. Необходимое сечение арматуры при расчете по

упругой схеме равно:

Ael	=	M el
		suр
s,suр			.
		R Z
		s
При наличии такой арматуры ПШ на опорах не образуется.
Предположим, что на опорах	установлена арматура			A	< Ael
				s,suр	s,suр

(рис. 7.32,г). Тогда в арматуре возникнут значительные неупругие

деформации, сопровождающиеся поворотом сечения. На опорах

образуются ПШ, а значение момента / Мш = Аs.sup RsZ (рис. 7.32,д).

С дальнейшим ростом нагрузки (внешней) величина опорных

моментов остается равной Msuplр = Mш , а увеличивается пролетный момент M l . Процесс перераспределения моментов сопровождается

деформациями в пластических шарнирах. Так как M0 = Msuplр + Ml , то

можно определить M l = M 0 − M ш . Если наложить на полученную эпюру –

эпюру моментов в упругой стадии работы материалов, то видно, что

опорные моменты уменьшились на величину ∆ M = Msuplр − Mш , а

пролетный момент увеличился на ∆ M (рис. 7.32, е).

Поэтому можно представить, что эпюра моментов в пластической

стадии получена из эпюры моментов в упругой стадии путем наложения так

называемой дополнительной эпюры. В данном случае дополнительная

эпюра имеет вид прямоугольника (рис. 7.32, ж). Исходя из этого, можно

сказать, что дополнительная эпюра – это эпюра от дополнительных

моментов ∆ M в пластических шарнирах. Результирующая от сложения этой (дополнительной) эпюры с эпюрой моментов, полученной при

упругой работе элемента, и будет представлять собой эпюру моментов с

учетом образования ПШ, т.е. с учетом неупругих деформаций. Соотношение опорного и пролетного моментов представляется

неравенством

454

Msuplр		Mш		Msuelр − ∆ M Msuelр
	=		=		≠		.
Ml		Ml		Mlel + ∆ M		Mlel

Полученное неравенство выражает перераспределение моментов.

В практике проектирования конструкций перераспределение

моментов вследствие пластической работы материалов используют в

интересах экономии материалов и улучшения конструктивного качества. В

большинстве случаев для этого производят так называемое “выравнивание моментов” Msuр = Ml . При этом облегчается армирование опорных

сечений, достигается одинаковое армирование сетками и каркасами на

опорах и в пролетах, что позволяет снизить расход арматурной стали на

20/30%.

Для рассмотренной балки выравнивание моментов составит

M l = M ш =	M	0	=	ql2	=	ql2	.
	2			8 2		16

Ордината дополнительной эпюры будет равна:

	∆ M = M suelр − Mш =	ql2	−	ql2	=	ql2	.
		12		16		48

Разрушение такой балки произойдет при образовании

пластического шарнира в пролете, то есть когда она превратится в

изменяемую систему.

На примере этой же балки (рис. 7.33,а) покажем резерв несущей

способности конструкции по сравнению с упругим методом расчета.

Исходя из упругого метода расчета следует, что первые два пластических

шарнира одновременно возникнут на опорах балки. Нагрузку,

вызывающую такое состояние, определим из условия q0 = 12Msuр / l2 .

Исчерпание несущей способности наступит лишь тогда, когда в

середине пролета (в сечении, где действует максимальный момент от нагрузки) балки напряжения в арматуре достигнут предела текучести.

Дополнительная нагрузка, переводящая конструкцию в состояние

предельного равновесия, определяется из условия

				q0l	2	+	∆ ql2	=	q0l2
										.
			24				8		12
	Отсюда ∆ q =	q0	. При этом на всех этапах нагружения должна
		3

соблюдаться зависимость: сумма пролетного и соответствующих частей

опорных моментов равна моменту в свободно опертой балке:

455

а

Рис.7.33.Эпюрыизгибающих моментоввбалке:

а /статическиопределимой;

б/статическинеопредилимой

б

	M 0 = M l +	M suр, A + M suр, В	.
		2

Последовательность перераспределения изгибающих моментов

рассмотрим еще на примере балки, защемленной на двух опорах, нагруженной сосредоточенной нагрузкой. С появлением пластического

шарнира на одной из опор при нагрузке F0 (рис. 7.34,а) балка приобретает новую схему – с одной защемленной и второй шарнирной опорами

(рис. 7.34,б). При дальнейшем повышении нагрузки балка работает по этой новой схеме.

С момента появления пластического шарнира на другой опоре при

увеличении нагрузки на ∆ 1 F0 балка превращается в свободно опертую

456

а

б

в

Рис.7.34.Эпюрыперераспределения
изгибающихмоментоввстатически
неопределимойбалкепри
сосредоточенной нагрузке	г
(рис. 7.34,в). Образование	пластического шарнира в пролете при

дополнительной нагрузке ∆ 2 F0 превращает балку в изменяемую систему,

т.е. приводит к разрушению.

Предельные расчетные моменты в расчетных сечениях (в пластических шарнирах) равны: на опоре А – МА; на опоре В – МВ; в

пролете – M l (рис. 7.34,г).

F = F0 + ∆ 1F0 + ∆ 2 F0 .

Найдем статическим способом изгибающие моменты балки в

предельном равновесии. Пролетный момент равен:

M l =	M 0 − M A	b	− M B	a	.	(7.1)
		l
				l

Отсюда уравнение равновесия имеет следующий вид:

457

			M 0 =	M l +	M A	b	+	M B	a	,
						l			l
	где M 0 =	Fab	, т.е. момент статически определимой свободно опертой
		l

балки.

Из уравнения (7.1) вытекает, что несущая способность статически

неопределимой конструкции не зависит от соотношения значений опорных

и пролетного моментов и от последовательности образования пластических шарниров.

7.1.1.г. Особенности поведения балок в условиях пожара

Исследования натурных пожаров, а также изучение результатов экспериментов показывают, что поведение железобетонных балок в

условиях пожара обусловлено факторами, аналогичными для плоских плит.

Однако непосредственное сравнение поведения балок и плит неправомерно. Это объясняется тем, что балочные конструкции в условиях пожара

обогреваются с трех сторон. Кроме того, отличительной особенностью

балок по сравнению с плоскими конструкциями является наличие арматуры в сжатой зоне. При двух/ и трехмерном потоке тепла сечения элементов

прогреваются интенсивнее, чем при одномерном, особенно углы балок. Во

всех случаях происходит нагревание сжатой зоны бетона, что влияет на

прочность и деформативность бетона и арматуры сжатой зоны.

В статически определимых балках прогрев продольных арматурных

стержней до критической температуры приводит к образованию

пластического шарнира в сечении, где действует Мn,max, что и является причиной разрушения балки, то есть наступления ее предела

огнестойкости.

Существенное влияние на поведение балок в условиях пожара оказывает способ их опирания. Опыты показывают, что при свободных

шарнирных опорах и при абсолютно жестком закреплении концов балок

они имеют минимальную огнестойкость.

Статически неопределимые изгибаемые конструкции при нагреве

снижают свою несущую способность за счет уменьшения прочности опорных и пролетных сечений. Прочность пролетных сечений, как и в случае статически определимых элементов, уменьшается в результате нагревания растянутой арматуры. Снижение прочности опорных сечений

происходит вследствие прогрева бетона и арматуры сжатой зоны до

высоких температур.

Вусловиях пожара в статически неопределимых стержневых элементах при заделке их опор происходит перераспределение моментов за

счет возникновения отрицательного температурного момента вследствие

перепада температур по высоте сечения и отсутствия свободы поворота сечений. Из/за перепада температур балка стремится изогнуться вниз, чему

препятствует заделка на опорах. Возникающий температурный момент

уменьшает момент в пролете и увеличивает соответственно моменты на опорах.

Вбалках, армированных по выравненным моментам, уже через 10/

15 минут нагрева отрицательный температурный момент приводит к образованию пластических шарниров на опорах. После образования

пластических шарниров на опорах элемент превращается в статически

определимую конструкцию с известными моментами на опорах.

Полное разрушение конструкции произойдет при образовании

третьего пластического шарнира в пролете, когда в нагретой до высоких

температур пролетной растянутой арматуре резко увеличиваются деформации температурной ползучести. Перераспределение усилий, как

видим, положительно сказывается на огнестойкости заделанных на опорах

балок. Пролетная сильно нагретая арматура разгружается, вследствие чего пластический шарнир в пролете образуется при более высоких

температурах этой арматуры, чем это имеет место у статически

определимых балок. С пролетной арматуры усилия передаются на опорную растянутую арматуру, которая расположена у верхней грани конструкции

инагревается слабее. Поэтому предел огнестойкости статически

неопределимых элементов существенно выше, чем у простых изгибаемых

элементов. Он зависит от соотношения площадей сечения опорной и пролетной арматуры одного класса, т.е. от соотношения

равнодействующих усилий, воспринимаемых арматурой на опорах и в

пролете Nsuр . С увеличением этого отношения предел огнестойкости

Nl

элементов повышается. Если данное соотношение составляет величину порядка 0,25, то увеличение предела огнестойкости статически

неопределимого элемента по сравнению со статически определимыми

составляет 10%, при соотношении 0,5 / увеличение достигает 25%, при соотношении 1,0 / 50%, при соотношении 2,0 / 150%.

Влияние статической неопределимости конструкций на предел

огнестойкости должно учитываться при соблюдении следующих

требований:

не менее 20% требуемой на опоре верхней арматуры должно

проходить над серединой пролета;

458

459

верхняя арматура над крайними опорами неразрезной системы

должна заводиться на расстояние не менее 0,4 l в сторону пролета от опоры

и затем постепенно обрываться ( l / длина пролета);

вся верхняя арматура над промежуточными опорами должна

продолжаться к пролету не менее чем на 0,15 l и затем постепенно

обрываться [77].

Поэтому с точки зрения огнестойкости выгодно увеличивать армирование опорных сечений.

Рассматриваемая схема возникновения предельного равновесия

балки, защемленной на опорах, предполагает наличие трех пластических шарниров как необходимого и достаточного условия для оценки несущей

способности балки в условиях пожара. Но на практике не исключены

случаи таких конструктивных решений элементов, при которых пластические шарниры на опорах могут не возникнуть. В этом случае

огнестойкость конструкции будет определяться предельным моментом

наиболее опасного сечения.

Разрушение статически определимых изгибаемых элементов может

происходить не только по растянутой зоне, но и по сжатому бетону. В этом

случае сжатая зона разрушается раньше начала резкого увеличения деформаций температурной ползучести растянутой арматуры. Такой

характер разрушения изгибаемых элементов происходит из/за

криволинейного распределения температуры по высоте сечения. Такое разрушение характерно для переармированных изгибаемых

железобетонных элементов, работающих в условиях эксплуатации при

предельно допустимых нагрузках. Потеря несущей способности их происходит от хрупкого разрушения сжатой зоны бетона при

сравнительно небольших деформациях растянутой арматуры.

7.1.2. Сжатые элементы, их конструктивные особенности

Взданиях и сооружениях наряду с изгибаемыми имеются элементы,

работающие на сжатие, которые также являются основной частью несущих

строительных конструкций.

Вмногоэтажных зданиях таковыми элементами являются колонны,

поддерживающие перекрытия, в одноэтажных зданиях – колонны,

поддерживающие стропильные конструкции, в фермах / сжатые пояса, в

бескаркасных зданиях – несущие стены и т.д.

Вусловиях эксплуатации сжатые элементы могут быть

внецентренно/сжатыми со случайным эксцентриситетом еa и внецентренно/

сжатыми с эксцентриситетом ео > еa. Внецентренно/сжатые элементы со

случайным эксцентриситетом можно рассматривать (условно) центрально/

сжатыми.

460

К центрально/сжатым элементам условно относят: промежуточные

колонны в зданиях и сооружениях, верхние пояса ферм, загруженных

узловой нагрузкой, восходящие раскосы и стойки решетки ферм, а также некоторые другие конструктивные элементы (рис. 7.35). В

действительности, из/за несовершенства геометрических форм элементов

Рис.7.35.Сжатыеэлементысослучайными эксцентриситетами:

1 /промежуточныеколонны(приодинаковом двустороннемзагружении;2/верхнийпоясферм(при узловомприложениинагрузки);3/восходящиераскосы; 4 / стойки

конструкций, отклонения их реальных размеров от назначаемых по

проекту, неоднородности бетона и других причин обычно центральное

сжатие в чистом виде не наблюдается, а имеет место внецентренное сжатие с так называемыми случайными эксцентриситетами.

По форме поперечного сечения сжатые элементы со случайным

эксцентриситетом делают чаще всего квадратными или прямоугольными,

реже круглыми, двутавровыми, многогранными.

В большинстве случаев сжатые конструкции, помимо действия

продольной сжимающей силы N, подвержены действию изгибающего

момента М. Изгибающий момент возникает, например, от приложения продольной силы N с некоторым эксцентриситетом ео > еa относительно

центра тяжести сечения колонны (рис. 7.36). Изгибающий момент может

возникать в узловых соединениях колонны, являющейся стойкой рамной конструкции от непосредственного приложения к колонне поперечной

силы, например, от ветровой нагрузки, от действия температуры,

неравномерной осадки опор и целого ряда других воздействий.

Эти конструкции находятся в условиях внецентренного сжатия. К ним также относятся колонны одноэтажных производственных зданий,

загруженных давлением от кранов, верхние пояса безраскосных ферм, стены подземного резервуара и другие конструкции (рис. 7.36).

Для расчета железобетонных конструкций во всех случаях необходимо знать величину расчетного эксцентриситета продольной силы ео, определяемую для статически определимых конструкций по формуле:

461

а	б	в
	Рис.7.36.Внецентренно/сжатыеэлементы:

а /колоннапроизводственногоздания; б/верхнийпоясбезраскоснойфермы; в /стена подземногорезервуара

e0 =	M	+ ea ,	(7.2)
	N

где ea – случайный эксцентриситет.

Учитывая неоднородность строения бетонного тела и другие

факторы, не предусматриваемые расчетом, в статически неопределимых

конструкциях величина эксцентриситета ео не должна приниматься меньше

случайного эксцентриситета ea , а в статически определимых

конструкциях расчетные значения эксцентриситета находят как сумму эксцентриситетов из статического и случайного расчетов. Эксцентриситет

ea в любом случае принимается не менее одного из следующих значений:

1/600 длины элемента ( l0 /600 ) или длины его части (между точками

закрепления), учитываемом в расчете; 1/30 высоты (h) сечения элемента,

или 1 см.

В зависимости от особенностей армирования сжатые элементы различают:

1)по виду продольного армирования: с гибкой продольной

арматурой и хомутами; с жесткой (несущей) продольной арматурой;

2)по виду поперечного армирования: с обычным поперечным армированием; с косвенной арматурой, учитываемой в расчете. Сжатые элементы с гибкой продольной арматурой и хомутами

армируют продольными стержнями диаметром 12/40 мм (рабочая арматура) преимущественно из горячекатанной стали класса А/II, А/III и термомеханически упроченной – Ат/III. Минимальные диаметры рабочей арматуры: в сборных элементах – 16 мм, в монолитных – 12 мм. При

462

значительных нагрузках и больших эксцентриситетах возможно

применение арматуры классов Ат/IV, АТ/V, А/V диаметром до 32 мм в

вязаных каркасах. Поперечное армирование осуществляется стержнями из горячекатанной арматурной стали классов А/III, А/II, А/I. Продольную и

поперечную арматуру сжатых элементов объединяют в плоские и

пространственные каркасы, сварные или вязаные. Армирование сжатых элементов представлено на рис. 7.37.

Рис.7.37.Армированиесжатыхэлементовс гибкойарматурой:

а /схемаармирования:

1 /продольныестержни;

2 /поперечныестержни;

al / защитный слой бетона продольнойарматуры;

аw / то же, поперечной арматуры; б,в,е /армированиевнецентренно/ сжатыхэлементовсварнымикаркасами; гIд /вязаными:

1 /сварныекаркасы;

2/соединительныестержни;

3 /шпильки;

4 / хомуты;

5/промежуточные стержни

а

г

б

д

в

е

Рабочая арматура ставится по расчету и воспринимает часть

нагрузки, действующей на элемент. Поперечная арматура (хомуты) в

основном предназначены для обеспечения проектного положения арматуры и для предотвращения выпучивания продольных стержней при действии внешней нагрузки. Она также препятствует развитию

поперечных деформаций элемента.

Расположение продольной арматуры может быть симметричным ( As = As' ) относительно центра тяжести сечения и несимметричным

( As ≠ As' ). Симметричное армирование проще в изготовлении, но при

больших эксцентриситетах – менее экономично.

463

Насыщение поперечного сечения сжатых элементов продольной

арматурой оценивают коэффициентом армирования ( %): для элементов со случайным эксцентриситетом

A

+

A′

A

As,tot

s

s

s.tot

(7.3)

µ =

bh

=

bh ; µ % =

bh 100%

;

для элементов с расчетным эксцентриситетом

A

As,tot

(7.4)

µ

=

s.tot

; µ % =

100% ,

bh0

bh0

где h0 /расстояние от центра

тяжести растянутой арматуры до сжатой

грани сечения.

Для элементов со случайным эксцентриситетом коэффициент % не должен превышать 3%, а для внецентренно/сжатых – 0,5/1,2%.

Минимальные значения µ	% равны соответственно 0,5% и 0,05/0,25% в
зависимости от гибкости	элемента (λ = l 0 / i) . Рабочие стержни в

поперечном сечении колонны размещают возможно ближе к поверхности

элемента с соблюдением минимальной толщины защитного слоя al ,

которая должна быть не менее 20 мм и не менее диаметра стержней

арматуры (см. рис. 7.37,а).

Максимальное расстояние между продольными стержнями должно

быть не более 400 мм (рис. 7.37).

Расстояния между поперечными стержнями (по условию

обеспечения продольных стержней от бокового выпучивания при сжатии) s (см. рис. 7.37) должно быть при сварных каркасах не более 20d, при

вязаных / 15 d, но не более 500 мм при Rsс = 450 Мпа. Если общее насыщение элемента продольной арматурой превышает 3% ( > 0,03), то поперечные

стержни необходимо устанавливать с шагом s не более 10d и не более 300

мм. Следует учитывать также следующее условие: s / величина шага поперечной арматуры не должна превосходить наименьший размер сечения

колонны.

Плоские сварные каркасы объединяют в пространственные с помощью поперечных стержней, привариваемых контактной точечной

сварной к угловым продольным стержням плоских каркасов (см. рис. 7.37).

Диаметр поперечных стержней dsw в сварных каркасах должен назначаться по условиям свариваемости (dsw / d = 0,25 ÷ 0,3) , в вязаных

каркасах не менее 5 мм и не менее 0,25d, где d – наибольший диаметр продольных стержней. Толщина защитного слоя поперечных стержней аw

должна быть не менее 15 мм.

Сжатые элементы с несущей (жесткой) арматурой применяются главным образом в многоэтажных зданиях каркасного типа, возводимых из

монолитного железобетона. В этом случае несущая арматура используется 464

вместо лесов для поддержания нагрузки от опалубки, свежеуложенного

бетона и монтажных устройств. После приобретения бетоном достаточной

прочности конструкция работает как железобетонная с несущей (жесткой) арматурой.

Вкачестве несущей арматуры используют прокатную сталь

двутаврового, швеллерного, крупного уголкового профиля, то есть жесткую арматуру или крупные круглые стержни и мелкий уголковый

профиль – сварные каркасы (рис. 7.38,а).

Вколоннах с жесткой арматурой отдельные профили соединяют планками или решетками. Сечение жесткой арматуры принимают в

пределах 3/8% площади бетона поперечного сечения элемента. Во

избежание отслоения бетона насыщение арматурой поперечного сечения не должно превышать 15% (суммарное). При большем проценте

армирования считается, что бетон может выполнять только функции

защитной неработающей оболочки. Элементы снабжаются поперечной арматурой. Дополнительная гибкая арматура размещается по периметру

сечения по общим правилам в виде отдельных стержней или плоских

сварных каркасов.

Если армирование осуществляется только жесткой арматурой, то

по контуру сечения устанавливают легкие сварные сетки с монтажными

стержнями по углам.

Защитный слой бетона для прокатных профилей и расстояния

между профилями назначают по рис. 7.38,а; при этих размерах

обеспечивается высокое качество бетонирования.

Несущую арматуру в виде сварных каркасов конструируют из

круглой и мелкой фасонной стали, объединяя плоские сварные каркасы в

пространственные устойчивые арматурные блоки (рис. 7.38,б). При этом

основные продольные стержни раскрепляют поперечными и наклонными стержнями (все сварные швы – двусторонние).

Если в центрально/сжатых коротких элементах одновременно с

продольной установить поперечную арматуру с малым шагом, способную эффективно сдерживать поперечные деформации, то можно существенно

повысить несущую способность элемента. Такое армирование называют

косвенным.

Впрактике для сжатых элементов с круглым или прямоугольным

поперечным сечением косвенное армирование выполняется в виде спиралей

или сварных колец, а для прямоугольных сечений – объемное косвенное армирование в виде поперечных сварных сеток (рис. 7.39). Армирование сетками часто применяют для местного усиления железобетонных сборных

колонн вблизи стыков. Продольные деформации элементов, усиленных косвенной арматурой, весьма велики и тем больше, чем сильнее поперечное армирование.

Граничные стержни сварных сеток, спирали и кольца должны охватывать все продольные стержни элементов.

465

а

а

в

											б
		б
		Рис.7.38.Сжатыеэлементы:									Рис.7.39.Центрально/сжатыеэлементы,усиленныекосвеннымармированием:
а/колонныснесущейжесткойарматурой:1/жесткийпрофиль;2/арматурныестержни;											а /спиралями;б/поперечнымисварнымисетками; в/тоже,подцентрирующей прокладкой
3/соединительныепланки;б/колонныснесущейарматуройизсварныхкаркасов,продольные
элементыкоторыхвыполнены:4/изфасонногоикруглогопроката;5/изкруглогопроката

466

467

Спирали (кольца) изготовляют из арматурной стали классов А/I,

А/II, А/III диаметром 6/14 мм или проволоки Вр/1, 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 принимают 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. 5.39,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 [77].

7.1.2.а. Особенности поведения колонн в условиях пожара

Поведение сжатых железобетонных колонн в условиях пожара

зависит от схемы обогрева, размеров поперечного сечения, величины

эксцентриситета приложения внешней нагрузки, коэффициента и вида

армирования, а также эффективной работы защитного слоя бетона.

В процессе пожара по сечению колонн наблюдается перепад

температур порядка 800/1000 оС с наименьшей температурой в центре

сечения. Поэтому фактическая прочность бетона по сечению колонн

изменяется от первоначальной величины при 20оС до нуля при критической

температуре и выше. Это и определяет поведение колонн в условиях

пожара.

Неравномерность прогрева вызывает перераспределение напряжений по сечению колонны. Температурные напряжения возрастают

при увеличении температурного перепада между средней частью сечения

колонны и поверхностью ее обогрева (20/30 мин). В начальный период обогрева наблюдается удлинение колонн. Устойчивость колонны в

начальной стадии пожара не снижается в связи с тем, что сечение колонны

сохранено и в средней части несколько разгружено.

Дальнейшее развитие пожара приводит к прогреву защитного слоя

бетона до 600/800 оС. Это приводит к уменьшению температурных

напряжений в сечении колонны. Наиболее прогретые части сечения бетона и рабочая арматура у поверхности колонны разгружаются за счет развития

температурной ползучести, усадки, снижения прочности и деформативности. Это вызывает увеличение напряжений в центре сечения

колонны, слабо нагретый бетон сохраняет прочность и упругость.

После 1/1,5 часа огневого воздействия колонны начинают

укорачиваться. Спустя 2/3 часа высота нагретых колонн примерно равна их

высоте в нагруженном состоянии до пожара. Нагруженные слои бетона и рабочая арматура, нагретые до температуры выше 600 оС, теряют

468

прочность и в дальнейшей работе практически участия не принимают.

Колонна ведет себя аналогично бетонной. Колонны укорачиваются с

возрастающей скоростью до момента их обрушения.

Характер разрушения железобетонных колонн с продольной

гибкой и косвенной арматурой отличается от характера разрушения

элементов только с продольным армированием.

Колонны с продольным армированием разрушаются под действием

огня с отпаданием защитного слоя, выпучиванием рабочей арматуры и

раздроблением бетона в ядре сечения, как правило, в средней части по высоте.

Наступление предельного состояния колонн с косвенной арматурой

характеризуется не выпучиванием продольной рабочей арматуры, а пластическим течением образцов. Скорость прогрева бетона по сечению

колонн размером 30х30 см с косвенным армированием в течение 2,5 часов

такая же, как и у элементов с гибкой арматурой. Однако в дальнейшем она вырастает и к моменту разрушения колонн с косвенным армированием ядро

сечения прогревается до 450/500оС, в то время как у элементов с гибкой

арматурой – до 150оС. Критическая температура бетона на границе ядра сечения выше, а поэтому огнестойкость косвенно армированных элементов

в1,5/2 раза выше, чем у колонн с гибкой арматурой.

Впрактике современного строительства все более широкое применение находят колонны из высокопрочного бетона. Проведенные

огневые испытания колонн из высокопрочного бетона на крупном

заполнителе из гранита, армированных вязаными каркасами с симметричным расположением четырех продольных стержней из арматуры

класса А/III (марка стали 35 ГС), диаметром 12 и 18 мм ( = 0,52% и= 1,13% ) (см. табл. 7.2), позволили установить следующее.

Предел огнестойкости колонн наступал в результате исчерпания

прочности на сжатие бетона, температура которого в центре сечения составляла 150/170 оС, а по боковым граням – 900 / 950 оС.

Предел огнестойкости этих колонн зависел и от уровня

предварительного нагружения, с увеличением которого предел огнестойкости колонн уменьшался.

С уменьшением процента армирования от 1,13 до 0,52 предел

огнестойкости колонн из высокопрочного бетона увеличивается на 14%. Косвенное армирование увеличивает огнестойкость колонн.

Средний предел огнестойкости колонн с косвенным армированием на 19%

больше, чем у колонн без косвенного армирования.

Разрушение колонн происходило при сравнительно малых деформациях, что свидетельствует о низкой деформативности

высокопрочного бетона в условиях пожара.

Результаты испытаний колонн из высокопрочного бетона представлены в табл. 7.3.

469

Таблица 7.2

Основные характеристики и конструкция опытных образцов колонн

иШифр количество образцов	Размер см,образца	Вид бетона и	Продольная	арматура	Коэффициент армирования, %	Поперечная
		класс по				арматура
		прочности
К-3,	30х30х350	Высокопрочный,	4	18	1,13		6 А-1
2 шт.		В50	А-III			через 250 мм
К-4,	30х30х350	Высокопрочный,	4	12	0,52		6 А-1
2 шт.		В60	А-III			через 150 мм
К-5,	30х30х350	Высокопрочный,	4	18	1,13		6 А-1
2 шт.		В60	А-III			через 250 мм
К-6,	30х30х350	Высокопрочный,	4	12	0,52		6 А-1
3 шт.		В80	А-III			через 150 мм
К-7,	30х30х350	Высокопрочный,	4	18	1,13		6 А-1
4 шт.		В80	А-III			через 250 мм

Таблица 7.3

Огнестойкость железобетонных колонн из высокопрочного бетона

рифШобразца	слойитныйЗащ бетона д арматуры,мм	призмамПо	иПСНПо 84-10..032	Величинасжимающей всилыдоляхот разрушающей	Температураарматуры,	огнестойкостиПредел , мин-ч
		Прочность			С
					о
		бетона, М па
К-3	29,7	36,8	27,5	0,42	557	1-25
	28,3	36,8	27,5	0,36	780	1-59
К-4	30,5	43,4	30,6	0,42	715	1-45
	31,0	44,9	31,5	0,36	740	2-10
К-5	30,8	45,8	32,1	0,38	535	1-30
	30,2	45,0	31,4	0,34	610	1-36
К-6	29,2	62,0	41,3	0,39	700	1-50
	29,1	62,5	41,6	0,34	840	2-30
	27,6	61,4	41,0	0,35	635	1-45
К-7	29,4	61,4	41,1	0,31	780	2-30
	29,0	64,8	43,0	0,35	720	2-05
	28,5	64,8	43,0	0,33	640	2-32
	29,1	64,8	43,0	0,32	650	2-40

Внецентренно / сжатые колонны работают на сжатие с изгибом

аналогично железобетонным балкам.

7.1.3. 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. 7.40, 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 в плане

ииспытывающих давление от содержимого. Такие элементы одновременно

а

Рис.7.40.Растянутыежелезобетонные элементы:

а /центрально/растянутыеэлементы: 1/затяжкаарки; 2 /нисходящие раскосыфермы; 3/нижнийпояс фермы;4/стенкакруглоговплане резервуара;

б/внецентренно/растянутые элементы:

1/стенкарезервуара(бункера);

2/нижнийпоясбезраскоснойфермы

б

470

471