Динамика и устойчивость сооружений

При работе предварительно деформированного стержня его растяжение происходит по пунктирной линии; прочность железобетона существенно возрастает, т. к. s_ту > s_то. [6]

1.3 ПОВЕДЕНИЕ ПРИ НАГРЕВАНИИ.

 

Металл отличается высокой теплопроводностью. Это приводит к тому, что в условиях пожара незащищенные металлические конструкции быстро прогреваются до температур, превышающих 400-500°С. Под воздействием этих температур и нормативной нагрузки интенсивно развиваются температурные деформации и деформации ползучести. Это приводит к быстрому обрушению металлических колонн, балок (в пределах всего 0,12-0,25 часа), потере ограждающей и теплоизолирующей способностей ограждений .

Например в 1984 году сгорело здание стоянки автобусов в Воронеже выполненное из лёгких металлических конструкций. Здание имело размеры 54x96 м. и высоту 10 м. Стены здания были выполнены из 3-х слойных асбоцементных панелей с пенополиуретановым утеплителем. В покрытии был уложен металлический профилированный настил, с пенополистирольным утеплителем и рулонным водоизоляционным ковром. Несущие конструкции здания - металлические колонны с шагом 12x18м и структурное металлическое покрытие типа "Берлин". Пожар начался с загорания одного из автобусов. Через 30 минут после безуспешных попыток потушить пожар первичными средствами поступило сообщение в пожарную охрану. Через 6 минут после сообщения о пожаре произошло обрушение конструкций покрытия на площади более 3000 м². Через 4 минуты после первого обрушения произошло второе обрушение на всей площади здания (5184 м²). В результате пожара огнем было полностью уничтожено здание стоянки с 87 автобусами "Икарус". [2]

3. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ОГНЕСТОЙКОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ.

     Металлы  отличаются высокой теплопроводностью,  поэтому их огнезащита заключается  в создании на поверхности  металлических элементов конструкций  теплоизолирующих экранов, выдерживающих  воздействие огня или высоких температур.

     Наличие  теплоизолирующих экранов позволяет  конструкциям при пожаре замедлить  прогревание металла и сохранить  свои функции в течение определенного  времени, то есть до наступления  критической температуры, при  которой начинается потеря несущей способности.

    Можно выделить  следующие способы огнезащиты  стальных конструкций:

- облицовка конструкций огнезащиты плитными материалами или установка огнезащитных  экранов на относе (конструктивный способ);

- нанесение непосредственно на поверхность конструкций огнезащитных  покрытий (обмазка, окраска, напыление и т.д.);

- нанесение непосредственно на поверхность конструкций огнезащитных  тонкослойных вспучивающихся красок;

- комбинированный (композиционный) способ, представляющий собой рациональное сочетание различных способов огнезащиты.

    Огнезащитная  эффективность составов подразделяется  на 5 групп:

- 1-я - не менее 150 мин;

- 2-я - не менее 120 мин;

- 3-я - не менее 60 мин;

- 4-я - не менее 45 мин;

- 5-я - не менее 30 мин.

При определении  группы огнезащитной эффективности  составов не рассматриваются результаты испытаний с показателями менее 30 мин.

Также эффективным  способом является спринклерное орошение элементов конструкции.[1]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    

            2 Расчетная часть

2.1 Расчет предела огнестойкости  железобетонной панели перекрытия ПК 8 – 58.12

 

Расчет предела огнестойкости  железобетонной плиты перекрытия:

а) по признаку «R» - потере несущей способности;

 

Дано:

Железобетонная плита перекрытия ПК 8-58.12, многопустотная свободно опирающаяся по двум сторонам. Размеры сечения: b = 1.19 м, длина рабочего пролета l = 5.7 м; высота сечения h = 0.22 м; толщина защитного слоя бетона до низа растянутой арматуры δ = 0.02 м, диаметр пустот

d_П = 0.14 м.

Бетон: тяжелый, R_bu = 22 МПа.

Арматура: растянутая класса А-IV, R_su = 883 МПа.

 

2.1.1 Решение теплотехнической задачи

 

1 Определяем значение максимального изгибающего момента в плите:

 

М =

,

 

где b - ширина сечения ПК, м;

l – длина ПК, м;

qp – нагрузка на ПК, Н/м.

М =

= = 32,21 · 10³ Нм.

2 Определяем рабочую высоту  сечения плиты:

 

h₀ = h – r_s – δ,

 

где h - высота сечения ПК, м;

r_s – радиус растянутой арматуры плиты, м;

δ - толщина защитного слоя бетона до низа растянутой арматуры, м.

h₀ = h – r_s – δ = 0.22 – 0.0053 – 0.02 = 0.1947 м.

3 Определяем коэффициент условий  работы при пожаре γ_s,T растянутой арматуры:

 

γ_s,T =

/ (1 – ),

 

где A_s - суммарная площадь арматур, м²;

R_su – сопротивление арматуры, МПа;

R_bu – сопротивление бетона, МПа.

 

γ_s,T =

/ (1 – ) = = /(1 – )= 0.4

 

4 Определяем значение критической  температуры прогрева T^cr растянутой арматуры плиты:

Согласно  таблица 9.3.7, разд.9.3 [2] для стали класса А-IV при γ_s,T = 0.4.

T^cr = 550  ºС.

5 Определяем значение среднего  диаметра растянутой арматуры  плиты:

 

d_s =

,

 

где A_s,j - площадь j – ой арматуры, м².

 

d_s =

= [ ]·= 0.013 м.

 

2.1.2 Решение прочностной задачи

 

1  Определяем значение предела огнестойкости сплошной   железобетонной плиты по признаку «R» - потере несущей способности:

 

τ_f.r =

( )²,

 

где α_red - приведенный коэффициент температуропроводности;

φ₁, φ₂ – коэффициенты, учитывающие длительность загружения, гибкость и характер армирования.

τ_f.r =

( )² = = ( )² = 1.34 = R80.

Согласно таблица 9.3.2 и таблица 9.3.3 [2], при ρ = 2350 кг/м³ имеем:

α_red = 0.00133 м²/ч;

φ₁ = 0.62; φ₂ = 0.5.

2 Определяем искомое значение предела огнестойкости заданной многопустотной плиты по признаку «R» - потере несущей способности:

 

τ^пуст = τ_f.r·0.9,

 

τ^пуст = τ_f.r·0.9 = 1.34·0.9 = R72.

 

3 Определяем искомое значение предела огнестойкости заданной пустотной плиты по признаку «I» - потере теплоизолирующей способности:

Определяем приведенную толщину  плиты:

 

h_red =

= ,

 

где А_П – площадь пустот в плите, м².

 

h_red =

= = = 0.142 м.

 

Определяем искомое значение предела  огнестойкости теплоотвода с  необогреваемой поверхности плиты, согласно таблица 9.3.10 [2] получаем:

при h_red= 0.142 м  τ_f.r≥ I180

Окочательно принимаем наименьшее из двух полученных значений «R»: R72.

 

Вывод: Панель перекрытия ПК 8-58.12 соответствует  установленному пределу огнестойкости  RE45 для зданий и сооружений имеющих степень огнестойкости III.

 

2.2 Расчет предела огнестойкости железобетонной колонны КСР - 442 – 34

 

Расчет предела огнестойкости  железобетонной колонны по признаку «R» - потере несущей способности.

 

Дано:

Железобетонная колонна КСР - 442-52, сечением 0.4×0.4 м, расчетная длина колонны l_р = 4.2, нормативная нагрузка на колонну N_H = 520 т.

Бетон: класса В15, R_bu = 22 МПа.

Арматура: класса А-III, R_su = 433 МПа.

α_red = 0.00133 м²/ч, φ₁ = 0.65; φ₂ = 0.5 при ρ = 2350 кг/м³, = 500 ºC.

 

2.2.1 Решение теплотехнической задачи

 

1 Выбираем схему температурного воздействия пожара на колонну и расчетные моменты времени его воздействия.

Принимаем четырехстороннее воздействие  пожара на колонну               (рисунок 2) и рассмотрим его воздействие в момент времени τ₁ = 0,5 ч.

 

                                  

 

Рисунок 2 - Расчетная схема 1: 1; 2; 3; 4 – номера обогреваемых пожаром поверхностей сечения колонны

 

2 Определяем температуру прогрева арматуры Т_s колонны в первый расчетный момент времени воздействия пожара τ = 0,5 ч.

В силу симметричности сечения колонны и воздействия пожара на нее (рисунок 2), рассмотрим один из четырех крайних арматурных стержней, расположенный между обогреваемыми поверхностями «1» и «4».

Определяем толщину начавшего  прогреваться слоя бетона;м:

 

l =

,

 

       где α_red - приведенный коэффициент температуропроводности, τ – время:

l = = 0.089 м.

Определяем параметр, который определяется при определении температуры  прогрева арматуры:

 

= Y_i + ,

 

где Y_i – расстояние от i – ой обогреваемой поверхности до ближайшего к ней края арматуры, м;

d_s – диаметр арматуры, м;

α_red - приведенный коэффициент температуропроводности;

φ₁, φ₂- коэффициенты, учитывающие длительность загружения, гибкость и характер армирования колонны.

= =Y_i + =(50 –16)·10^-3 + = =0.073 м,

= =Y_i+ =

= (400–50–16)·10^-3+ =0.413 м.

Определяем значение параметра  r:

 

r_i =

/ l ≤ 1,

 

r₁ = r₄ = 0.073 / 0.089 = 0.83,

r₂ = r₃ = 0.413/ 0.089 = 4.51 > 1, то принимаем r₂ = r₄= 1.

Определяем значение температуры  прогрева арматуры Т_s при τ = 0,5 ч:

 

Т_s(τ =1) = 1220 - 1200·[1 – (1 - r₁ )² – (1 – r₂)²]·[1 – (1 – r₃)² – (1 – r₄)²],

 

Т_s(τ=1) =1220–1200·[1–(1–0.82)² – (1–1)²]·[1–(1–0.1)² – (1–0.82)²] =            =96 ºC.

Определяем значение коэффициента условий работы при пожаре γ_s,T арматуры колонны при τ = 0,5 ч.

Согласно таблица 9.3.7 [2], для стали класса А – III имеем:

при Т_s(τ = 1) = 96 ºC. γ_s,T = 1,0.

 

3 Определяем площадь бетона колонны, сохраняющего свою прочность в первый расчетный момент времени воздействия пожара τ = 0,5 ч.

Определяем значение параметра r для середины обогреваемой поверхности:

 

r = (h / 2 +

) / l,

 

r = (0.2 + 0.024) / 0.089 = 2.31.

Так как r > 1, то принимаем r = 1 и, соответственно, параметр w = 1.

 

Определяем значение параметра r₃:

 

r₃ = 1 –

,

 

где  - критическая температура прогрева бетона колонны, ºС.

r₃ = 1 –

= 1 – = 0.373.

Определяем значение толщины критически прогретого слоя бетона у середины прогреваемой поверхности:

 

= r₃ ·l – ,

 

= 0.373·0.089 – 0.024 = 0.0091 м.

Определяем значение С:

 

С = h / 2 –

,

 

С = 0.2 – 0.0091 = 0.1908.

Определяем значение параметра r в углу колонны:

 

r_у = 1 –

,

 

r_у = 1 –

= 0.52.

Определяем значение в углу колонны:

 

= r ·l – ,

 

 = 0.52·0.089 – 0.024 = 0.022 м,

и соответственно определяем значение b:

 

b = h / 2 –

,

 

b = 0.2 – 0.022 = 0.177 м.

Определяем значение поправки ψ:

 

Ψ = b / C – 0.2,

 

где ψ – поправка на дополнительное увеличение толщины прогретого слоя материала в углах сечения.

Ψ = b / C – 0.2 = 0.177 / 0.1908 – 0.2 = 0.126,

Тогда рабочая площадь бетона колонны  на момент времени воздействия пожара τ = 0.5 ч будет равна:

 

А = ψ · (2 · C)²,

 

А = 0.126·(2·0.1908)²= 0.126 м²,

а сторона рабочего сечения бетона будет равна:

 

h_b(τ = 1) =

,

 

                                                              h_b(τ = 1) = 0.335 м.

  

                2.2.2 Решение прочностной задачи

 

1 Определяем значение коэффициента  продольного изгиба колонны   φ(τ = 0,5 ч), с учетом уменьшения рабочего сечения бетона колонны при воздействии пожара.

Согласно таблица 9.3.9(Б) [2] имеем:

 

,

 

где l – расчетная длина колонны, м.

 

= = 11.83;    φ = 0.96.

 

2 Определяем значение коэффициента  условий работы при пожаре γ_s,T арматуры колонны при τ = 0,5 ч.

Согласно таблица 9.3.7 [2], для стали класса А – III имеем:

при Т_s(τ = 1) = 96 ºC. γ_s,T = 1.0.

3 Определяем несущую способность Ф(τ = 1) колонны в момент времени воздействия пожара τ = 0,5:

 

Ф(τ = 0,5) = φ·(R_s,u · γ_s,T · A_s,tot + R_b,u · A),

 

где A_s,tot - суммарная площадь арматур, м²;

R_su – сопротивление арматуры, МПа;

R_bu – сопротивление бетона, МПа;

A – рабочая площадь бетона колонны, м²;