1.2. Изменение механических характеристик материалов при нагреве

Характер и интенсивность изменения деформационно-прочностных свойств материалов влияет на скорость снижения несущей способности строительных конструкций в условиях пожара и натурных огневых испытаний. Это учитывается в формулах методики расчета пределов огнестойкости строительных конструкций.

Вы изучали в теме № 2 1-го раздела дисциплины сущность методов экспериментального определения изменения деформационно-прочностных свойств каменных материалов, арматурных сталей при нагреве - применительно к условиям пожара, затем Вы знакомились с результатами исследования с помощью таких методов испытаний при изучении тем № 3, 4, в частности, с графиками изменения предела прочности (временного сопротивления) отмеченных материалов при нагреве, изучали те причины (факторы, процессы), которые приводят к изменению этих свойств материала при соответствующих температурах пожара.

На рис. 1.3 [7] приведена серия графиков, полученных при обработке результатов экспериментального исследования изменения временного сопротивления различных видов бетона при нагреве образцов в нагруженном состоянии (т. е. при условиях, имитирующих те, что имеют место в процессе натурных испытаний строительных конструкций на огнестойкость).

Рис. 1.3 Изменение относительной прочности бетонов при нагревании (в нагруженном состоянии). 1 – тяжелый высокопрочный бетон (В6О) на гранитном щебне. 2 - тяжелый высокопрочный бетон (В40) на гранитном щебне. 3 - керамзитобетон. 4 - мелкозернистый силикатобетон. 5 - бетон на известняковом щебне. 6 - бетон на трепельном гравии. 7 - бетон (R=24 МПа) на гранитном щебне. 8 - крупнозернистый силикатобетон.

При этом на оси ординат отложены относительные величины временного сопротивления бетонов сжатию (коэффициент изменения прочности бетона), по оси абсцисс - температура.

(1.5)

где γ_в,t - коэффициент изменения прочности (временного сопротивления) бетона сжатию при нагреве образцов в напряженном состоянии.

R_t, R₂₀ — предел прочности (временное сопротивление) бетона сжатию в нагретом до температуры (t) и холодном (t = 20 ⁰C) состоянии, МПа.

Как вы видите, величины (γ_в,t) изменяются от 1 до 0 с повышением температуры нагрева бетона. Такие графические зависимости обрабатывают на ПК, получая математическое их выражение, которые затем используют в качестве исходных данных для расчета изменения несущей способности железобетонных конструкций при стандартном температурном режиме.

Аналогичные экспериментальные зависимости получают и для других материалов, в частности, арматурных сталей, обозначая коэффициент изменения их прочности (предела текучести) – γ_а.

2. Исходные данные для расчетов, учитывающие влияние внешних факторов на фактические пределы огнестойкости строительных конструкций

2.1. Механическое нагружение конструкций

В общем, плане (качественно) - чем выше величина внешней нагрузки на несущую конструкцию при пожаре, тем она меньше времени сопротивляется его воздействию. Тоже и при натурных огневых испытаниях - чем больше N_n тем меньше П_ф. При этом он наступает согласно ГОСТ 30247.0-94 и 30247.1-94 [2, 12] - по достижении первого предельного состояния конструкций по огнестойкости, т. е. по потере ее несущей способности в виде обрушения, разрушения конструкции или по достижении абсолютной величины прогиба (деформации), либо скорости ее нарастания - выше предельного значения.

В основу методики расчета предела огнестойкости строительной конструкции по потере несущей способности (по первому предельному состоянию конструкции по огнестойкости) положен метод расчета строительных конструкций по предельным состояниям [8, 9].

Данный метод используют для расчета несущих конструкций (проектируемых в НИИ и выпускаемых промышленностью) на прочность (несущую способность) и деформативность с целью обеспечения их нормальной работоспособности после возведения здания с их применением.

Этот метод расчета строительных конструкций был разработан в 1955 г. ведущими отечественными специалистами: Стрелецким Н.Н., Гвоздевым А.А., Давыдовым С.С., Карлсеном Г.Г. и др. и был включен в СНиП.

Предельное состояние конструкции - состояние, при котором учитывается ее пригодность к эксплуатации (в результате потери несущей способности) или пригодность к нормальной эксплуатации (в результате прогиба - деформации, раскрытия трещин).

Согласно требованиям ГОСТ все строительные конструкции должны удовлетворять результатам расчета по несущей способности (предельные состояния первой группы) и по пригодности к нормальной эксплуатации (предельные состояния второй группы); не следует путать эти группы предельных состояний с видами предельных состояний конструкций по огнестойкости - согласно ГОСТ [2; 12].

В принципе, метод расчета строительных конструкций по указанным двум группам предельных состояний является основой для разработки методов расчета фактических пределов огнестойкости несущих строительных конструкций, предел огнестойкости которых наступает соответственно по первому предельному состоянию конструкций по огнестойкости (по разрушению, величине прогиба выше допустимой и т. д.).

Цель расчета строительной конструкции по первой группе предельных состояний - предупредить появление признаков разрушения, нарушающих работу конструкции (в теме № 9 вам говорили о требованиях, предъявляемых к зданиям по прочности).

Цель расчета по второй группе предельных состояний - предупредить появление признаков, нарушающих нормальную работу конструкции: образование прогибов, величин деформаций выше допустимых, раскрытие трещин выше предельно допустимого значения и т. д. (в теме № 9 вам говорили о требованиях, предъявляемых к зданиям по архитектурно-художественной выразительности).

При расчете по методу предельных состояний надежность работы конструкции обеспечивается за счет учета возможных отклонений действующих нагрузок или прочностных характеристик материалов от среднестатистических значений в неблагоприятную сторону.

Условие безопасности для первой группы предельных состояний выглядит так:

N N_t , (2.1)

где N - расчетная нагрузка, которая будет действовать на конструкцию, Н;

N_t - несущая способность конструкции, Н.

Физический смысл выражения (2.1) состоит в том, что максимальная величина расчетной нагрузки на конструкцию не должна превышать ее минимально возможной (расчетной) несущей способности.

Расчетную величину нагрузки определяют с учетом следующих коэффициентов надежности:

N = f (q_n, γ_t, γ_n, ). (2.2)

Несущую способность конструкции рассчитывают с учетом следующих величин:

N_t = f (R_n, S_,γ_,γ_m,), (2.3)

где N - расчетная величина внешней нагрузки на конструкцию, Н;

q_n - нормативная нагрузка на конструкцию, Н;

γ_t - коэффициент надежности по нагрузке;

γ_n - коэффициент надежности по назначению конструкции;

 - коэффициент сочетания нагрузок;

N_t - минимально возможная несущая способность конструкции (элемента конструкции), Н;

S - площадь поперечного сечения конструкции (ее несущего элемента), м²;

R_n - нормативное сопротивление материала конструкции, МПа;

γ_d - коэффициент условий работы конструкции;

γ_m - коэффициент надежности по материалу.

Вкратце рассмотрим сущность величин, входящих в выражения (2.1-2.3).

q_n - нормативная нагрузка - обозначает равномерно распределенную нагрузку на конструкцию (бывают сосредоточенные нагрузки) - эта величина нормируется СНиП.

Числовое значение ее, заложенное в СНиП, представляет собой определенную часть от средне статистической величины разрушающей нагрузки на данную конструкцию, полученной экспериментальным путем в процессе специальных прочностных испытаний серии образцов-конструкций данного вида на специальном полигоне.

Виды нагрузок регламентируют СНиП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия [11]. Нагрузки бывают:

• Постоянные - от собственного веса конструктивных элементов зданий, давления грунта, усилия предварительного напряжения арматуры в железобетоне.

• Временные нагрузки бывают длительными, кратковременными и особыми:

- длительные: вес стационарного технологического оборудования, жидкостей и твердых веществ, находящихся в нем в процессе эксплуатации, вес материалов складских помещений, архивов, библиотек и т. п.;

- кратковременные: вес мебели, людей;

- атмосферные нагрузки: от ветра, льда, снега и т. п.;

- особые: сейсмические, от взрыва оборудования при нарушении технологического процесса и т. п.

Перечисленные виды нагрузок действуют обычно не в отдельности, а в различных сочетаниях друг с другом. В расчетах принимают наиболее неблагоприятные, но физически возможные сочетания нагрузок, что учитывают коэффициентом сочетания нагрузок - .

Виды, величины, варианты сочетаний нагрузок, необходимых коэффициентов для их учета регламентируют СНиП [11].

Коэффициент надежности по нагрузке - γ_t учитывает возможное (даже очень редкое) отклонение нагрузок от нормативных значений.

Произведение нормативного значения нагрузки q_n на коэффициент надежности по нагрузке γ_t называют расчетной нагрузкой - q

q₌ q_n γ_t

Числовые значения γ_t приведены в литературе [8] - на с. 156; они изменяются в пределах 0,3-1,3; кроме того, на с. 157 [8] приведены числовые значения нормативных нагрузок для различных помещений, данные для расчета снеговых нагрузок.

γ_n - учитывает класс ответственности здания (инженерного сооружения) и соответствующий уровень надежности конструкции (с. 160 [8]); он принимает числовые значения в диапазоне – 0,8-1.

R_n - нормативное сопротивление материала, установленное СНиП предельное значение напряжения в материале (предел прочности).

Его определяют экспериментально путем разрушения серии опытных образцов. Затем определяют среднее значение результатов испытаний. За R_n принимают значение, полученное путем обработке экспериментальных данных, полученных с вероятностью – 0,95.

γ_m - коэффициент надежности по материалу; он учитывает разброс (отклонение) величин предела прочности материала реальной конструкции от значения R_n.

Расчетное сопротивление материала - R получают делением нормативного сопротивления на коэффициент надежности по материалу:

R= R_n / γ_m.

В расчетах по первой группе предельных состояний значение γ_m для любых материалов принимает не менее 1,025.

Особенности действительной работы, предельных состояний материалов и конструкций, не отражаемые прямо в расчетах, но способные повлиять на несущую способность конструкции, учитывают коэффициентом условий работы – γ_d (с. 161 [8]).

В частности, учитывает способ изготовления конструкции, крепления, размеры поперечного сечения, влияния температуры, влажности и агрессивности среды, длительности их воздействия, многократную повторяемость нагрузки и т.п. При благоприятных условиях работы γ_d1, при неблагоприятных - γ_d1.

Расчет по второй группе предельных состояний производят по образованию раскрытию трещин (для железобетонных конструкций) и по величинам перемещений-прогибов (для всех конструкций). Согласно условию безопасности прогиб конструкции под нагрузкой f не должен превышать предельно допустимого значения f_n:

f [f_n] (2.4)

Значения f_n назначают с учетом технологических требований (условий нормальной работы кранов, технологических установок, машин), конструктивных (влияние соседних конструкций, ограничивающих деформации), эстетических (впечатление людей от пригодности конструкции), (на с. 163 [8] приведена таблица предельно допустимых значений прогибов для ЖБК).

По первой группе предельных состояний расчетной проверке подлежат все несущие конструкции.

Необходимость расчета по второй группе предельных состояний определяется от вида конструкции, эксплуатационных требований и т. п.