ЗиС_Учебник / Glava4

Раздел 4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ОГНЕСТОЙКОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

4.1. Факторы, определяющие поведение строительных конструкций в условиях пожара, и исходные данные для расчета их огнестойкости

К таким факторам относятся: степень нагружения конструкций и

их элементов; вид и количество пожарной нагрузки, определяющей

температурный режим, а также теплоту пожара; тепловая нагрузка на

конструкцию; теплофизические и физико4механические характеристики

материалов, из которых выполнены строительные конструкции; условия

нагрева и способы сочленения конструкций.

Согласно СНиП 2.01.07485* [41] фактические пределы огнестойкости

строительных конструкций определяются при действии нормативных

нагрузок. Величины нормативных нагрузок устанавливаются в зависимости

от назначения конструкций и условий их эксплуатации.

Различают нагрузки постоянные и временные. Временные нагрузки

подразделяются на длительные, кратковременные и особые.

Постоянными называются такие нагрузки, которые действуют на

строительную конструкцию постоянно. К таким нагрузкам относятся:

собственная масса конструкций; давление грунта; воздействие

предварительного напряжения конструкций и т.д.

Длительными называются такие нагрузки, которые воздействуют на

конструкцию продолжительное время: масса технологического оборудования; давление жидкостей и газов в резервуарах и трубопроводах;

масса складируемых грузов и т.д.

Кратковременными называют нагрузки, действующие непродолжительное время: масса людей; подвижное подъемно4

транспортное оборудование; снег; ветер (при пожаре не учитывается);

масса материалов, используемых при монтажных, ремонтных и реконструкционных работах, и т.д.

Особые нагрузки 4 это нагрузки, которые могут появиться в

исключительных случаях: при сейсмическом и взрывном воздействии; аварийные нарушения технологического процесса; резкие просадки грунтов.

Необходимо отметить, что нагрузка от веса людей, снега и

подъемно4транспортного оборудования в соответствии с требованиями, указанными в [41], относятся как к длительным, так и к кратковременным

нагрузкам. Учет этих нагрузок в качестве длительных и кратковременных дан в [41].

226

Нормативный уровень нагрузки является завышенным для случая

пожара [42], а классификация этих нагрузок, используемая в СНиП [41],

позволяет отнести случай пожара к особым воздействиям. В соответствии с этим, для оценки огнестойкости строительных конструкций

используются постоянные и длительно действующие нагрузки. ГОСТ [35]

допускает также определять нагрузку на основании подробного анализа условий, возникающих во время пожара.

Предел огнестойкости строительных конструкций снижается с

увеличением действующих на них нагрузок и увеличивается при их уменьшении.

В зависимости от вида конструкции, условий ее сочленения с

другими строительными конструкциями, схемы загружения и невыгодного сочетания действующих нормативных нагрузок в сечениях элементов

конструкции и их узлах сочленения определяют максимальные значения

изгибающих моментов M n и усилий Nn . Расчет внутренних силовых

факторов (M n , Nn) , выполняемый по правилам сопротивления материалов

и строительной механики, называется статическим расчетом конструкции.

Пожарная нагрузка 4 это количество теплоты, МДж, выделяющейся

при полном сгорании всех веществ и материалов (в том числе, входящих в

состав строительных конструкций), находящихся в помещении или

поступающих в него.

Для определения пожарной нагрузки в здании создается

специальная комиссия, которая разрабатывает карту пожарной нагрузки. В

эту комиссию входят специалисты по технике безопасности, технологии

производства, а также представитель органов Государственной

противопожарной службы.

Пожарная нагрузка определяется на основе проектно4 конструкторской документации, технологических карт, натурного обследования помещений эксплуатируемых зданий, данных по пожароопасным свойствам веществ и материалов, представленных в справочной литературе, специализированных банках данных, а также результатов лабораторных и натурных испытаний.

В карте пожарной нагрузки должны быть указаны наименование, назначение и принадлежность здания; состав комиссии; перечень помещений и (или) пожароопасного участка с указанием размещения веществ и материалов; спецификация веществ и материалов в каждом помещении.

Карта пожарной нагрузки утверждается на стадии проектирования

здания руководителем проекта, а для эксплуатируемого здания 4

руководителем организации или предприятия.

Для оценки пожарной нагрузки в здании, по результатам которой

составляется карта пожарной нагрузки, необходимо составить перечень

всех помещений, расположенных в здании, и описание пожарной нагрузки

в каждом из помещений.

227

Описание пожарной нагрузки включает: определение

количества, вида, расположения и степени участия в возможном пожаре

веществ и материалов; эскиз помещения в плане с указанием расположения проемов, а также размеров помещения и проемов;

перечень веществ и материалов, представляющих постоянную и

временную пожарные нагрузки рассматриваемого помещения с указанием их пожароопасных свойств, способствующих

возникновению, развитию и распространению возможного пожара;

расположение на эскизе помещения пожарной нагрузки с указанием размеров площади и высоты объема, занимаемых горючими веществами

и материалами.

Далее выполняют расчет пожарной нагрузки в рассматриваемом (i4том) помещении.

Пожарная нагрузка в i4том помещении здания определяется по

следующей формуле

Qi = QПi + QBi ,	(4.1)
где QПi 4постоянная пожарная нагрузка; QBi	4 временная пожарная

нагрузка.

Постоянная пожарная нагрузка является частью пожарной

нагрузки, создаваемой веществами и материалами, входящими в состав

строительных конструкций, узлов крепления и сопряжений, а также

отделочных и облицовочных материалов.

Временная пожарная нагрузка является частью пожарной

нагрузки, создаваемой веществами и материалами, входящими в состав

сырья, оборудования, мебели, изделий, и т.п., находящихся в помещении, или поступающие в него.

Часть пожарной нагрузки, обусловленная веществами и материалами, расположенными на данном пожароопасном участке,

называется локальной пожарной нагрузкой. Расчетной пожарной

нагрузкой называется часть пожарной нагрузки, обусловленной веществами и материалами, сгоревшими в условиях пожара.

Значения постоянной и временной нагрузок определяются по

формуле

Q	Пi	(Q	) = ∑n H	M	i	,	(4.2)
		Bi	i= 1 i

где Hi 4 низшая теплота сгорания i 4того вещества или материала,

определяющая постоянную или временную пожарные нагрузки, МДж/

кг; Mi 4 масса i4того вещества или материала, создающая постоянную

или временную пожарные нагрузки, кг; n 4 число горючих веществ или материалов в i4том помещении, составляющих постоянную или временную

пожарные нагрузки.

228

Пожарная нагрузка, отнесенная к площади тепловоспринимающей

поверхности ограждающих конструкций, называется плотностью

пожарной нагрузки i4того помещения

QПOi =	Qi	,	(4.3)
	Fi

где Fi 4 площадь тепловоспринимающей поверхности ограждающих

конструкций i4того помещения, м2.

Пожарная нагрузка, отнесенная к площади ее размещения,

называется удельной пожарной нагрузкой i4того помещения

Q =

Qi

,

(4.4)

Уi

Si

где Si 4 площадь, занятая горючими и трудногорючими веществами,

определяющими пожарную нагрузку i4го помещения, м2.

Пожарная нагрузка, отнесенная к единице площади пола i4того

помещения, называется средней удельной пожарной нагрузкой

QУi =	Qi	,	(4.5)
	Ai

где Ai 4 площадь пола i4того помещения, м2.

Для определения расчетной пожарной нагрузки разрабатывается

сценарий развития возможного пожара. При этом необходимо учесть: развитие площади горения в зависимости от места возникновения

загорания , а также вида и места расположения веществ и материалов; их

скорость и полноту сгорания в зависимости от условий естественной или вынужденной вентиляции; воздействие на динамику пожара систем

пожаротушения. Расчетная пожарная нагрузка определяется на основе

критериев пожарной безопасности, установленных [43] для наиболее неблагоприятного с точки зрения этих критериев сценария развития

пожара.

Поведение строительных конструкций при пожаре определяется также температурным режимом пожара и его продолжительностью.

Количественные значения температуры в объеме помещения, а

также продолжительность пожара зависят от таких факторов, как вид и

количество сгораемых веществ, т.е. пожарной нагрузки; размещения

пожарной нагрузки в помещении; размеров и конфигурации помещения; размеров проемов в ограждающих конструкциях и т.д. Это означает, что

при одной и той же пожарной нагрузке возможны различные варианты

развития пожара и каждому варианту будет соответствовать своя

229

температурно4временная зависимость. В частности, для одного и того же

помещения при одинаковой пожарной нагрузке температурный режим

пожара и продолжительность (τ 1,τ 2) зависят от количества проемов в ограждающих конструкциях.

В случае большого количества проемов температура в помещении

достигает своей максимальной величины t1max			в течение короткого
промежутка времени τ 1max (стадия		развития	пожара). Снижение
температуры на стадии затухания τ	1з	происходит также с большой

скоростью. Продолжительность таких пожаров τ 1 небольшая. Малое

количество проемов в ограждающих конструкциях способствует увеличению времени развития τ 2max и затухания пожара τ 2з, а значение

максимальной температуры t2max ниже, чем в первом случае (рис. 4.1)

Рис.4.1.Температурныережимы пожара в помещении:

1 4 с большойпроемностью в огражда4 ющих конструкциях;2 4 с малой проемностьювограждающих конструкциях

Кривые развития среднеобъемной температуры в помещении, где произошел пожар, в зависимости от вида и количества пожарной нагрузки,

показаны на рис. 4.2 [44] .

Вид и количество пожарной нагрузки, определяющие

максимальную температуру в помещении и продолжительность пожара,

зависят от назначения здания [44] .

При пожарах в жилых и административных зданиях отмечалась

температура 100041100оС, а продолжительность пожара 4 142 часа. При

пожарах в крупных универмагах и в зданиях театров наблюдалась

230

Рис.4.2.Кривые изменениясреднеобъемной температуры при пожаре взависимости отвидагорючейнагрузки

температура 110041200оС, при этом продолжительность пожаров, в ряде случаев, превышала 243 часа. Высокая температура отмечалась во время

пожаров в складских помещениях. Так, при пожаре склада горючих

жидкостей и смазочных материалов, продолжавшемся свыше 2 часов, температура в помещении достигала 1300оС.

Степень повреждения конструкций в условиях пожара зависит не

только от температуры пожара, но и от времени его развития и затухания. В случае малого промежутка времени в пределах стадии развития пожара

строительные конструкции не всегда успевают прогреться до значения

критических температур, при достижении которых они перестают удовлетворять требованиям противопожарных норм. Увеличение этого

времени может способствовать достижению конструкцией своего предела огнестойкости. Необходимо отметить, что «отказ» железобетонных

конструкций, находящихся в условиях пожара, может произойти не только

на стадии его развития, но и на стадии затухания. Поэтому время, в течение которого происходит затухание пожара, также влияет на поведение строительных конструкций.

231

В настоящее время наблюдается тенденция оценивать огнестойкость

строительных конструкций при действии реального температурного

режима пожара, т.к. этот режим может значительно отличаться от стандартного. На рис. 4.3 показаны кривые прогрева конструкции при

реальном температурном режиме пожара, которые в пределах стадии

развития пожара могут располагаться выше или ниже кривой прогрева конструкции при стандартном режиме. В первом случае (кривая 2) предел

огнестойкости конструкции при реальном режиме пожара меньше, чем при

стандартном (кривая 1), а значит и требование пожарной безопасности не будет выполнено. Во втором случае (кривая 3) условие пожарной

безопасности выполняется, но при этом не всегда могут удовлетворяться

требования экономического характера.

Рис. 4.3. Кривыепрогрева конструкцийпри:

14«стандартном»пожаре; 2, 3 4 реальных пожарах

В соответствии с [45] для расчетной оценки огнестойкости строительных конструкций предлагается использовать температурный

режим пожара, стадия развития которого описывается логарифмическим

законом, отличающимся от стандартной температурно4временной зависимости. Это отличие учитывается коэффициентом температурного режима пожара ψ , а сам пожар называется отличным от «стандартного».

В соответствии с рис. 4.4	значение коэффициента ψ	равно
отношению температур tвψ tв ,	где значения температур	tвψ и

tв рассматриваются при одном и том же времени τ i на стадии развития

пожара.

232

Рис.4.4.Режимыпожара: 1 4«стандартный»;

2, 3 4 отличные от «стандарт4 ного»

Изменение среднеобъемной температуры нагревающей среды на

стадии развития пожара описывается выражением

tвψ	= ψ 345 lg(8τ			+ 1) + tн ,		(4.6)
где τ 4 время действия пожара по «стандартному» режиму, мин;
tн 4 начальная температура, равная 20оС.
В формуле (4.6) коэффициент ψ				вычисляется по формуле:
ψ	= 1,37 −	150Kп − 0,65			,	(4.7)
			Kп2104
где Kп 4 коэффициент, учитывающий фактор проемности, м0,5.
Значение коэффициента ψ			может быть больше или меньше
единицы (при ψ = 1 значение 4 tвψ =			tв , что соответствует «стандартному»

режиму пожара).

Значение коэффициента проемности выражается следующей формулой:

233

Kп =	Aп	H	,	(4.8)
		A

где Aп 4 площадь вертикальных проемов, м2;

H 4 средняя высота проемов, м;

A 4 полная площадь всех горизонтальных и вертикальных ограждающих

конструкций помещения, м2.

Для режимов пожаров, отличных от «стандартного» (рис. 4.4), время

достижения максимального значения температуры tmax				вычисляется по
следующей формуле
τ max =	QCУ			(4.9)
			.
	8318Kп −	2
		4021Kп
Значение температуры tmax		определяется по		формуле (4.6)
при τ = τ max .

Скорость снижения температуры на стадии затухания

пожара, оС/мин, равна

	VЗ =	98000Кп − 1500	.	(4.10)
		QCУ

В формулах (4.9, 4.10) величина пожарной нагрузки QCY и значение

коэффициента Kп определяются соответственно по формулам (4.5) и (4.8).

Время, в течении которого наблюдается затухание пожара (рис. 4.4)

τ З	=	tmax −	tн	.	(4.11)
		VЗ
Время действия пожара: τ а = τ р +			τ з , где τ		р = τ max 4 время развития

пожара, а τ з 4 время затухания пожара..

Необходимо отметить, что в настоящее время существуют и другие методы как приближенной оценки режима пожара, так и методики, моделирующие поведение газовой среды при пожаре в помещении [46, 47].

Эти методы позволяют более точно учитывать влияние проемности,

количества и вида пожарной нагрузки, размеров помещения и других факторов на температурный режим пожара.

К таким методам, в частности, относится использование

интегральной модели поведения газовой среды в помещении, т.е. определение среднеобъемной температуры в зависимости от выше4

перечисленных факторов. 234

Кроме этого, используется зонный подход в моделировании

поведения газовых сред при пожаре. Суть этого метода заключается в

выделении характерных зон в объеме помещения (конвективная колонна над очагом горения, припотолочный слой раскаленных газов и

относительно холодный нижний слой газов), а также разбиение этих зон на

более мелкие зоны. При этом определяется изменение среднеобъемной температуры в каждой из выделенных зон. Зонное моделирование дает

возможность рассчитывать несущую способность строительных

конструкций и их огнестойкость не от действия среднеобъемной температуры в помещении, а в зависимости от среднеобъемной

температуры рассматриваемых зон.

Развитие вычислительной техники позволило также моделировать поведение газовых сред при пожаре, используя уравнения конвективного

тепломассообмена (полевое моделирование) [48]. С помощью этого

дифференциального метода определяются температурные поля в средах, омывающих строительные конструкции и их элементы.

Интенсивность нагрева конструкций зависит также от

теплофизических характеристик конструкционных материалов.

К ним относятся: коэффициент теплопроводности λ tem , Вт/(м•К);

удельная теплоемкость Ctem , Дж/(кг•К); коэффициент температуро4

проводности atem , м2/с. Кроме этого, важной характеристикой,

используемой в расчетах конструкций на огнестойкость, является степень

черноты поверхности материала ε , а также характеристика

проницаемости, влагопереноса и др.

Для различных материалов зависимость λ tem и Ctem от

температуры их нагрева t носит линейный характер и выражается следующим образом:

λ tem =	A +	Bt ;	(4.12)
Ctem =	C +	Дt ,	(4.13)

где А, В, С, Д 4 коэффициенты, зависящие от вида материала.

Значения коэффициентов А и С даны при начальной температуре

tн . Формулы (4.12,4.13) получены путем апроксимации экспериментальных

результатов, полученных при испытании различных материалов. Значения λ tem зависят также от плотности материала ρ , кг/м3. С

увеличением температуры материалов плотностью выше 1800 кг/мз

наблюдается снижение значений λ tem и для этих материалов в формулу

(4.12) значения коэффициента В подставляются со знаком «4».

235

Для более пористых материалов с плотностью не более 1800 кг/мз

увеличение температуры материала способствует увеличению значений

λ tem . При этом в формуле (4.12) величины коэффициента В имеют знак

«+». Для материалов с различной плотностью величина удельной

теплоемкости возрастает с увеличением температуры материала.

Влагосодержание в пористых материалах также оказывает влияние на изменение λ tem и Ctem . С увеличением влагосодержания материала значения этих теплотехнических характеристик возрастает, при этом значения λ tem 4 по экспоненциальному закону, а Ctem 4 по линейному.

Нельзя оценивать огнезащитную эффективность тех или иных материалов только по характеристикам λ tem и Ctem .

Для оценки этой эффективности необходимо знать коэффициент

температуропроводности, определяемый по формуле

atem	=	λ tem	.	(4.14)
		Ctem

С уменьшением значения atem огнезащитный эффект материала увеличивается.

Характер изменения λ tem и Ctem в зависимости от влажности

пористого материала позволяет упростить учет влияния этой влажности на

коэффициент температуропроводности. Влияние влагосодержания бетона на величину его температуропроводности рассмотрено в разделе 7.

Значения степени черноты материала ε изменяются от 0 4 для прозрачных и белых поверхностей до 1 4 для абсолютно черной

поверхности. Чем меньше значение степени черноты, тем меньше

поглощение поверхностью конструкции падающего на нее теплового потока. Степень черноты зависит от температуры. Так, для стали при

изменении ее температуры от 100оС до 300оС значение степени черноты

мало изменяется и составляет 0,4, а с увеличением температуры до 400оС степень черноты достигает величины, равной 0,85.

При дальнейшем увеличении температуры значение степени

черноты практически не изменяется.

Со стороны необогреваемой поверхности конструкции степень черноты ε = 1 , а нагревающей среды в огневых камерах установок для огневых испытаний конструкций принимается ε = 0,85 .

Теплофизические характеристики для некоторых строительных материалов (данные ЦНИИСК им. Кучеренко) даны в таблице 4.1.

В формулах(табл.4.1) для определения λ tem и Ctem приведены

значения

236

Таблица 4.1

Теплофизические характеристики

Степень черноты, ε			0,74	0,94	0,625	0,867	0,89	0,92	0,92
	,
	tem
Удельная	теплоемкость, С Дж/(кг К)		440 + 0,48t	710 + 0,42t	710 + 0,83t	770 + 0,63t	849 + 0,59t	582 + 0,63t	1250 + 0,63t
	,
Коэффициент	теплопроводности	Вт/(м К)	48-0,0365t	0,34+0,00017t	1,14-0,00055t	0,62-0,00033t	0,23+0,00035t	0,049+0,000184t	0,026+0,00016t
		,
		tem
		λ
Средняяплотность	ρ ,
	сухомсостоянии),	3	7800	1580	2250	1930
		кг/м					900	125	200
	(в
Материал			Сталь углеродистая	Кирпич глиняный обыкновенный	Тяжелый бетон на известняковом заполнителе	Цементно-песчаная штукатурка	Сухая гипсовая штукатурка	Минераловатные плиты	Фосфатное огнезащитное покрытие по стали

237

t = t − tн или t = T − Tн ,

где tн = 20 оС, а Tн = 293 К.

На несущую способность и деформативность строительных

конструкций, находящихся в условиях пожара, влияют физико4

механические свойства материала, изменяющиеся в зависимости от

температуры нагрева конструкции.

В частности, такие свойства определяются пределом прочности (R)

имодулем упругости (Е) материала, из которого выполнены конструкции.

При изменении температуры от 20оС до 2004300оС предел прочности

некоторых марок сталей и бетона увеличивается: в первом случае за счет

снижения технологических напряжений, во втором 4 за счет уменьшения

свободной влаги в порах бетона.

Увеличение температуры материала способствует снижению его

модуля упругости, т.е. деформативность конструкции при этом

увеличивается.

Согласно [35] предел огнестойкости строительной конструкции

определяют как среднее арифметическое значение результатов нескольких

огневых испытаний. Поэтому при определении прочностных показателей

свойств материалов используют их средние значения. В общем виде

нормируемую прочность (расчетное сопротивление) материалов для оценки

пределов огнестойкости металлических и железобетонных конструкций

следует определять по формуле

R =	Rnγ tem	,	(4.15)
tem	γ

где Rn 4 нормативное сопротивление материала;

γ tem 4 коэффициент, учитывающий изменение прочности материала от температуры; γ 4 коэффициент надежности по материалу, устанавливаемый из условий

совпадения пределов огнестойкости конструкций, определенных экспериментальным и расчетным методами.

Более подробно определение нормируемого предела прочности для

оценки пределов огнестойкости металлических и железобетонных конструкций даны в разделах 5 и 7.

Предел прочности древесины при увеличении температуры ее

нагрева также снижается.

Изменение предела прочности древесины (сосны и ели) в зависимости от температуры определялось на основании кратковременных

испытаний малых чистых (без пороков) образцов [49]. По результатам

испытаний вычислялось среднее арифметическое значение предела

прочности (временное сопротивление) Rвр , изменяющееся в зависимости 238

от температуры древесины, что учитывается коэффициентом γ tem . При

переходе от малых чистых образцов к натурным деревянным конструкциям

необходимо учитывать: наличие в материале пороков (сучки, трещины и

т.д.); размеры сечения деревянных элементов и конструкций; толщину

досок, из которых выполнены клееные деревянные конструкции;

длительность действия температуры на деревянную конструкцию,

находящуюся в условиях пожара. Влияние этих факторов на прочность

древесины в конструкции натурных размеров, подверженной воздействию

температурного режима пожара, учитывается соответствующими

коэффициентами.

Таким образом, расчетные сопротивления (нормируемая

прочность) древесины для определения предела огнестойкости деревянных

конструкций вычисляются с учетом вышеприведенных факторов с

использованием временных сопротивлений

		R f = Rврmпm6mслmдлγ tem ,	(4.16)
где Rвр	4 временное сопротивление древесины при стандартных условиях
(температуре 20оС и		относительной влажности древесины 4 12%);
mп 4	коэффициент,	учитывающий наличие	пороков древесины;

mб 4 коэффициент, учитывающий размеры сечений; mсл 4 коэффициент,

учитывающий толщину досок; mдл 4 коэффициент, учитывающий длительность действия температуры на конструкцию; γ tem 4 коэффициент,

учитывающий влияние температуры на прочность древесины.

Значения расчетного сопротивления клееной и цельной древесины

Rf в зависимости от характера ее работы в конструкциях и их элементах

представлены в разделе 6.

Модуль упругости конструкционных материалов при увеличении температуры 4 снижается. Это изменение учитывается коэффициентом

β tem = Etem ,

E

где Etem 4 модуль упругости при повышенных температурах; E 4 модуль

упругости при начальной температуре, равной 20оС.

Значения коэффициента β tem для металлических конструкций даны

в разделе 6.

Важное значение для анализа поведения конструкций в условиях

пожара имеет характер их деформаций. Деформации бетона от теплового расширения и усадки определялись в результате нагрева бетонных полых

цилиндров. Температурное расширение бетона в основном зависит от

температурных деформаций его заполнителей. Величина температурных

239

деформаций у тяжелых бетонов на гранитном щебне в два раза больше

температурных деформаций легких бетонов на заполнителе в виде

керамзита.

Деформации температурного расширения арматурных сталей

возрастают с ростом температуры до 700оС.

Применительно к стальным конструкциям, а также стальной арматуре в железобетонных конструкциях значение общей деформации

при пожаре зависит от деформации температурного расширения,

изменения модуля упругости, а также деформации ползучести. Под понятием температурная ползучесть подразумевается изменение

деформаций во времени постоянных значений температуры и приложенной

нагрузки. Основными факторами, обуславливающими величину и скорость ползучести, являются величины напряжения, температуры, а также

длительность их воздействия. Из этих факторов основным является уровень

напряжения, влияющий на скорость ползучести при определенной температуре. С увеличением величины напряжения скорость

температурной ползучести возрастает.

На огнестойкость строительных конструкций оказывает влияние условие их нагрева и способы сочленения конструкций между собой.

В зависимости от условий нагрева различают одностороннее,

трехстороннее и четырехстороннее нагревание конструкции. Одностороннему нагреву в условиях пожара подвергаются стены,

перегородки, а также плоские конструкции перекрытия и покрытия.

Трехстороннему нагреву могут подвергаться стержневые несущие конструкции, к которым относятся балки перекрытий и покрытий, арки,

рамы, верхние пояса ферм, колонны крайнего ряда, а также ребра

панелей(ребристых).

Колонны средних рядов в условиях пожара подвергаются обогреву с четырех сторон.

Условия нагрева при пожаре оказывают существенное влияние на

несущую способность строительной конструкции. Например, несущая способность металлической балки при одностороннем обогреве снижается

с меньшей скоростью, чем при трехстороннем обогреве. При одинаковых

внешних геометрических размерах сечения и условий обогрева на несущую способность конструкции в условиях пожара влияет массивность

этой конструкции. С увеличением массы конструкции увеличивается ее

теплоемкость, а, следовательно, и время прогрева конструкции до температуры, при которой наблюдается исчерпание ее несущей способности.

Несущая способность конструкции в условиях пожара зависит от способа ее сочленения с другими конструкциями и способа опирания. В строительстве используются статически определимые и неопределимые конструкции. При нагревании статически неопределимых конструкций в них появляются дополнительные температурные напряжения.

Так, при жесткой заделке на опорах конструкция лишена

возможности свободно деформироваться, вследствие чего в ней появляются

дополнительные усилия и изгибающие моменты, вызывающие значительные напряжения.

Влияние этого фактора на поведение строительной конструкции в

условиях пожара зависит от материала, из которого выполнена эта конструкция. Например, в статически неопределимых металлических

конструкциях эти напряжения могут привести к потере несущей

способности при температуре 100оС.

В тоже время нагрев статически неопределимых железобетонных

конструкций приводит к перераспределению усилий в них и положительно

влияет на их несущую способность при пожаре. Увеличение количества сторон опирания плоских строительных конструкций, например плиты

междуэтажного перекрытия, также способствует увеличению предела

огнестойкости этих конструкций.

4.2 Понятие предельного состояния конструкции. Несущая способность конструкции в условиях пожара

Среди многих требований, предъявляемых к строительным

конструкциям, является требование соответствия конструкций своему

назначению и заданным условиям эксплуатации в течении необходимого

времени. Это соответствие строительных конструкций предъявляемым

требованиям обуславливается расчетом.

В настоящее время основным методом расчета строительных

конструкций для условий эксплуатаций и монтажа является метод

предельных состояний, разработанный Н.С.Стрелецким и действующий в

нашей стране с 1955 г.

Суть метода заключается в установлении для конструкций так

называемых предельных состояний и в обеспечении конструкций

расчетным путем от наступления этих состояний.

Предельным называется такое состояние конструкции, при

достижении которого она перестает удовлетворять предъявляемым к ней

требованиям в процессе эксплуатации или монтажа, т.е. конструкция теряет способность сопротивляться внешним воздействиям или получает

недопустимые деформации.

Различают предельные состояния первой и второй групп. Предельные состояния первой группы включают состояния,

которые ведут к потере несущей способности или к полной непригодности

конструкции к условиям ее эксплуатации.

К предельным состояниям этой группы относятся: общая потеря устойчивости формы; потеря устойчивости положения; разрушения любого

характера; переход в изменяемую систему; качественное изменение

конфигурации; состояния, при которых возникает необходимость

240

241

прекращения эксплуатации в результате текучести материала, его

ползучести, а также чрезмерных сдвигов в соединениях.

Предельные состояния второй группы включают состояния, наступление которых затрудняет нормальную эксплуатацию конструкции

или ведет к ее недолговечности.

К таким состояниям относятся недопустимые перемещения, а также образование или раскрытие трещин (в железобетонных конструкциях).

Требования норм заключаются в том, чтобы расчетные величины

усилий, напряжений, деформаций, перемещений, раскрытия трещин и т.д. не превышали предельных значений, установленных нормами

проектирования строительных конструкций для зданий и сооружений

различного назначения.

Расчет по методу предельных состояний основан на учете всех

факторов, определяющих действительную работу конструкций, зданий и

сооружений, основными из которых являются: фактор изменяемости нагрузок; фактор нестабильности свойств материала и фактор условий

работы. Параметры, определяющие эти факторы, носят случайный,

вероятностный характер.

Понятие нормативной нагрузки дано в пункте 4.1 данного раздела.

Возможное отклонение величины нагрузки, действующей на конструкцию,

от ее нормативной величины учитывается коэффициентом надежности по

нагрузке γ f , значения которого даны в [41].

Расчет конструкций по предельным состояниям первой группы

выполняется на действие расчетных нагрузок (распределенной 4 q или сосредоточенный 4 Р):

q = qnγ f ;

(4.17)

P = Pnγ f ,

где qn и Pn 4 величины нормативных нагрузок.

При этом необходимо учитывать неблагоприятное сочетание

постоянных и временных нагрузок с использованием коэффициента

сочетаний ψ n [41]. Расчет конструкций по предельным состояниям второй

группы выполняется на действие нормативных нагрузок, т.е. при γ f = 1 .

Основными нормируемыми характеристиками прочности конструкционных строительных материалов являются нормативные и

расчетное сопротивления, значения которых определяются на основании

данных стандартных испытаний с учетом статистической изменчивости показателей прочности и разной степени обеспеченности (доверительной

вероятности) по минимуму. Для нормативного сопротивления Rn

предписывается обеспеченность не ниже 0,95 (95%). На рис. 4.5 показана

кривая нормального распределения (кривая Гаусса) показателей прочности,

построенная по результатам кратковременных стандартных испытаний числа малых образцов 4 n, принятого за 100%. На оси абцисс откладываются

Рис.4.5.Криваянормальногораспределения (криваяГаусса)

значения прочности R , а на оси ординат процент n выполнения той или иной прочности. Наибольший процент выпадения соответствует среднему

арифметическому значению полученных при испытании величин

временного сопротивления

n	R
Rвр = ∑	i	.
1	n

Однако наблюдается выпадение показателей прочности как в

большую, так и в меньшую стороны по сравнению с Rвр . Если за

нормируемую величину прочности принять значение Rвр , то мы можем достигнуть обеспеченности 0,5(50%), что недостаточно. Значение

нормативного сопротивления Rn выбирается таким образом, чтобы из 100%

испытанных образцов 95% должны иметь прочность не менее нормативного

сопротивления.

Расчет конструкций по предельным состояниям первой группы

выполняется с использованием расчетных сопротивлений материалов

R =	Rn	,	(4.18)
	γ m

где γ m 4 коэффициент надежности по материалу ( γ m ≥ 1 ).

242

243

Коэффициент надежности по материалу позволяет учесть влияние

неоднородности материала на его прочность при переходе от малых

стандартных образцов к конструкциям натурных размеров. Таким образом, использование расчетных сопротивлений позволяет создать

обеспеченность от 0,99 до 0,999 (99499,9%).

Для учета особенностей действительной работы материалов,

конструкций и соединений вводится коэффициент условий работы γ c

(1 < γ c ≤ 1 ).

В зависимости от назначения, степени ответственности и срока

службы (капитальности) все здания и сооружения делятся на три класса,

что учитывается коэффициентом надежности по назначению конструкции

γ n , значение которого принимается равным: 1,0; 0,95; 0,9.

При выполнении расчетов по предельным состояниям второй группы значения коэффициентов γ m ,γ c принимаются равными единице.

Для конструкций, рассчитываемых по предельным состояниям

первой группы, расчетные усилия и изгибающие моменты в элементах конструкции N(М) не должны превышать их несущую способность Ф, т.е.

	N(M) ≤ Ф .						(4.19)
В формуле (4.19) значения			N (M )				и Ф представлены в виде
следующих функций:
N(M ) = ƒ (Pn (qn) ; γ ƒ							;ψ n ) ;
	S; R						(4.20)
				γ	c
Ф =	ƒ		n				,
			γ mγ	n

где S 4 геометрическая характеристика сечения (площадь, момент инерции, момент сопротивления и т.д.).

Изменения силовых факторов, несущей способности элементов и конструкций, а также наступление предельного состояния показаны на

рис. 4.6.

Условие расчета конструкций по предельным состояниям второй

группы

f ≤ fu ,

(4.21)

где f 4 прогиб или перемещение элемента или конструкции, представленные в виде функции 4 ϕ [S; Pn (qn);γ n] ;

fu 4 предельный прогиб, перемещение, установленные нормами [41].

244

Рис.4.6.Наступлениепредельного состоянияприизменениисиловых факторов (N,M)инесущейспособности конструкцийиихэлементов(Ф)

Несущая способность конструкции в условиях пожара 4 это

свойство конструкции сохранять свои функции, воспринимая собственный

вес, приложенные нормативные нагрузки, а также температурные усилия,

возникающие в условиях огневого воздействия. Для несущих конструкций

(колонны, балки, фермы, арки, рамы) предельным состоянием по

огнестойкости является только потеря их несущей способности. В

зависимости от вида материала и характера работы конструкции

предельное состояние по огнестойкости может наступить в результате

хрупкого разрушения материала или за счет развития больших

необратимых деформаций.

Предел огнестойкости строительной конструкции из условия

потери ее несущей способности наступает при

Nn (M n) = Фtem ,

(4.22)

где Nn (M n ) 4 внутренние силовые факторы в расчетных сечениях конструкции (усилие или изгибающий момент) от действия нормативной

нагрузки; Фtem 4 несущая способность конструкции, находящейся в

условиях пожара, равная N p,tem (M p,tem ) .

В сравнении с формулой (4.20) внутренние силовые факторы

Nn (M n ) в формуле (4.22) определяются при значениях коэффициентов надежности γ f и ψ n , равных единице, а значение несущей способности

Фtem вычисляется при значении коэффициента γ n = 1 .

245