Огнесохранность железобетонных конструкций после пожара

11.1 При проектировании железобетонных конструкций, указанных в п. 4.11, должна быть проверена их огнесохранность после пожара длительностью, эквивалентной пределу огнестойкости конструкции. При этом следует аналитически предусмотреть всевозможные последствия разрушающего воздействия огня на наружные слои бетона и арматуру.

Прочность после пожара

11.2 Прочность железобетонных элементов рассчитывают для нормальных и наклонных сечений согласно указаниям раздела 8.

Сопротивление сжатию бетона нагретого выше критической температуры допускается не учитывать. Сопротивление бетона сжатию принимается равномерно распределенным по сжатой зоне. В этом случае температура нагрева бетона ниже критической температуры. Расчетные сопротивления сжатию принимают равным R_b, расчетные сопротивления арматуры растяжению и сжатию после огневого воздействия при пожаре принимают соответственно равными R_st и R_sct.

Значение коэффициентов условий работы арматуры γ _st в охлажденном состоянии после пожара принимают по табл. 5.5 в зависимости от температуры нагрева арматуры во время пожара. Прогрев бетона до критической температуры во время пожара устанавливают по рис. 5.1, 8.1 и 8.2 и теплотехническим расчетом (см. приложения А, Б).

11.3 При расчете огнесохранности железобетонных конструкций по деформационной модели и с применением ЭВМ изменения свойств бетона после пожара учитывают по всему сечению элемента.

11.4 При расчете прочности нормальных сечений железобетонных элементов следует учитывать, что элементы, рассчитанные на работу до пожара при х ≤ x_Rh₀, после пожара могут работать при х > x_Rh_ot из-за уменьшения сжатой зоны бетона после прогрева наружных слоев бетона выше критической температуры.

Когда условие х ≤ x_Rh₀ не соблюдается, момент определяют по формулам (8.9) и (8.11), подставляя в них значения высоты сжатой зоны, определяемой по формуле:

x = x_Rh₀. (11.1)

Значение x_R вычисляется по формуле:

_{0588S10-01164}

(11.2)

Относительная деформация растянутой арматуры при напряжениях, равных R_st, определяется:

ε _{s, el} = R_st/E_s. (11.3)

Относительную деформацию сжатого бетона ε _{b, ult} при напряжениях R_btem принимают равной ε _b2 по табл. 5.4.

11.5 При расчете по прочности после пожара усилия и деформации в нормальном к продольной оси элемента сечении на основе деформационной модели определяют согласно указаниям пп. 8.24 - 8.26, используя диаграммы состояния бетона и арматуры, по расчетным сопротивлениям, со значениями коэффициентов условий работы γ _bt и γ _st в охлажденном состоянии после пожара. Модуль деформации бетона Е_{b, τ} определяют по формуле (5.4).

Расчет прогиба после пожара

11.6 Во время пожара в изгибаемых, внецентренно сжатых и внецентренно растянутых элементах при эксплуатационной нагрузке от огневого воздействия происходит развитие дополнительного прогиба из-за значительного нагрева растянутой арматуры и перепада температур по высоте сечения.

При температурах нагрева арматуры до 350 °С прогиб железобетонного элемента развивается, в основном, за счет температурного расширения арматуры и бетона у более нагреваемой поверхности.

При более высоких температурах огневого воздействия прогиб развивается, в основном, из-за высокотемпературной ползучести арматуры.

При пожаре прогиб элемента возникает вследствие воздействия нагрузки и температуры.

После пожара, в охлажденном состоянии, прогиб от неравномерного нагрева по высоте сечения элемента уменьшается, и оставшаяся часть прогиба от нагрузки значительно больше, чем прогиб от нагрузки до пожара из-за снижения модуля упругости бетона и развития пластических деформаций арматуры при нагреве.

При остывании после пожара прочностные и упругопластические свойства бетона практически не восстанавливаются, а в арматуре происходит частичное восстановление прочности и полное восстановление упругости.

11.7 После пожара железобетонные элементы имеют трещины с нагреваемой стороны по всей длине пролета.

Для изгибаемых элементов, имеющих постоянную высоту по длине элемента, в пределах которой изгибаемый момент не меняет знак, кривизну допускается вычислять для наиболее напряженного сечения, принимая ее для остальных сечений изменяющейся пропорционально значению изгибаемого момента.

Для свободно опертых и консольных элементов максимальный прогиб допускается определять по формуле:

f = sl²(1/r)_max, (11.4)

где s - коэффициент, зависящий от вида нагрузки и расчетной схемы элемента. При действии равномерно распределенной нагрузки: для свободно опертой балки s = 5/48, для консольной балки s = 1/4.

11.8 Кривизну изгибаемых, внецентренно сжатых и внецентренно растянутых элементов с трещинами в растянутой зоне определяют по формуле:

(1/r)_max = (1/r)₁ - (1/r)₂ + (l/r)₃ - (l/r)_cs, (11.5)

где (l/r)₁ - кривизна от непродолжительного действия всей нагрузки, на которую производят расчет по деформациям;

(1/r)₂ - кривизна от непродолжительного действия постоянных и временных длительных нагрузок;

(1/r)₃ - кривизна от продолжительного действия постоянных и временных длительных нагрузок;

(1/r)_cs - кривизна от температурной усадки бетона.

11.9 Кривизна железобетонных элементов от действия нагрузки:

(1/r) = M/D, (11.6)

где М - изгибаемый момент от внешней нагрузки (с учетом момента от продольной силы N) относительно оси нормальной плоскости действия изгибаемого момента и проходящей через центр тяжести приведенного поперечного сечения элемента;

D - жесткость приведенного поперечного сечения элемента, определяемая по формуле:

D = E_b1J_red. (11.7)

11.10 Жесткость железобетонного элемента D без трещин в растянутой зоне определяют по формуле (11.7), в которой значение модуля деформации бетона принимают равным при непродолжительном действии нагрузки:

E_b1 = 0, 85E_bt, (11.8)

где Е_bt определяют по формуле (5.3), в которой коэффициент β _b принимают по табл. 5.1 в зависимости от температуры бетона в центре тяжести приведенного сечения.

При продолжительном действии нагрузок в формуле (11.8) Е_bt заменяют на Е_bτ , который определяют по формуле (5.4), принимая коэффициент φ _{b, cr} по табл. 5.1 в зависимости от температуры бетона в центре тяжести приведенного сечения.

11.11 Момент инерции приведенного поперечного сечения элемента относительно его центра тяжести определяют как для сплошного тела по общим правилам сопротивления упругих элементов, с учетом всей площади сечения бетона и площадей сечения арматуры с коэффициентом приведения арматуры к бетону:

J_red = J + J_sα + J'_sα. (11.9)

Допускается определять момент инерции J_red без учета арматуры. Момент инерции бетонного сечения относительно центра тяжести приведенного поперечного сечения элемента:

J_red = J = b_th_t³/12. (11.10)

Момент инерции площадей сечения растянутой и сжатой арматуры относительно центра тяжести приведенного поперечного сечения элемента:

J_s ⁼ A_s(h₀ - y_c)²; (11.11)

J'_s = A_s(y_c - a')². (11.12)

Коэффициент приведения растянутой и сжатой арматуры к бетону:

α = E_s/E_b1. (11.13)

Здесь Е_b1 определяют по аналогии с формулой (11.8).

Расстояние от наиболее сжатого волокна бетона до центра тяжести приведенного поперечного сечения элемента определяют по формуле:

y_s = S_{c, red}/A_red, (11.14)

где S_{c, red} - статический момент приведенного сечения элемента относительно наиболее сжатого волокна бетона, равный:

S_{c, red} = S_c + S_scα + S'_scα. (11.15)

Площадь приведенного поперечного сечения элемента равна:

A_red = A + A_sα + A'_sα, (11.16)

где А - площадь бетонного сечения, определяемая по формуле (8.5) или (8.7), статический момент которой относительно наиболее сжатого волокна бетона определяется по формулам:

S_c = A0, 5h_t; (11.17)

S_sc = A_sh₀; (11.18)

S'_sc = A'_sa', (11.19)

где A_s, S_sc, A'_s, S'_sc - площади поперечного сечения и их статические моменты относительно наиболее сжатого волокна бетона соответственно растянутой и сжатой арматуры. Коэффициент приведения арматуры к бетону определяют по формуле (11.13).

11.12 Жесткость железобетонного элемента с трещиной в растянутой зоне определяют с учетом следующих положений:

- сечения после деформирования остаются плоскими;

- напряжения в бетоне в сжатой зоне определяют как для упругого бетона;

- работу растянутого бетона в сечении с нормальной трещиной не учитывают;

- работу растянутого бетона на участке между смежными нормальными трещинами учитывают коэффициентом ψ _s.

Жесткость железобетонного элемента на участке с трещинами в растянутой зоне принимают не более жесткости без трещин.

Жесткость железобетонного элемента D с трещинами в растянутой зоне определяют по формуле (11.7), в которой момент инерции J_red приведенного поперечного сечения элемента относительно его центра тяжести определяют по формуле (11.20) с учетом площади сжатой зоны, площадей сечения сжатой арматуры с коэффициентом приведения арматуры к бетону α _s1 и растянутой арматуры с коэффициентом приведения арматуры к бетону α _s2:

J_red = J_b + J_sα _s1 + J'_sα _s2. (11.20)

11.13 Момент инерции площади сечения сжатого бетона J_b определяют:

а) при действии только изгибающего момента М:

для элементов прямоугольного поперечного сечения:

J_b = b_tx_m³/3; (11.21)

для элементов таврового со сжатой полкой и двутаврового поперечных сечений с нулевой линией, расположенной в ребре ниже сжатой полки (х_т > h_ft), по формуле:

_{0588S10-01164}

(11.22)

б) при действии изгибающего момента М и продольной сжимающей или растягивающей силы N:

для элементов прямоугольного поперечного сечения по формуле:

_{0588S10-01164}

(11.23)

для элементов таврового со сжатой полкой и двутаврового поперечных сечений с нулевой линией, расположенной в ребре ниже сжатой полки (х_т > h'_f), по формуле:

_{0588S10-01164}

(11.24)

В тех случаях, когда в формулах (11.22) и (11.24) высота сжатой зоны x_m ≤ h'_ft, то момент инерции J_b вычисляют по формулам (11.21) и (11.23) как для прямоугольного сечения, принимая b_t = b'_ft.

11.14 Моменты инерции площадей сечения растянутой J_s и сжатой арматуры J'_s относительно центра тяжести приведенного поперечного сечения определяют по формулам:

J_s = A_s(h₀ - y_cm)²; (11.25)

J'_s = A'_s(y_cm - a')². (11.26)

Значение у_ст, равное расстоянию от наиболее сжатого волокна бетона до центра тяжести приведенного поперечного сечения без учета бетона растянутой зоны, для изгибаемых элементов равно х_т - средней высоте сжатой зоны бетона, учитывающей влияние работы растянутого бетона между трещинами, определяемой по формулам (11.27) и (11.30).

11.15 Для изгибаемых элементов высоту сжатой зоны х_т определяют по формуле:

_{0588S10-01164}

(11.27)

где μ = [(b'_ft - b_t)h'_ft + α _s1(A'_s + А_s)]/b_th₀; (11.28)

μ h = [(b'_ft - b)h²_ft + 2α _s1(A'_sa' + A_sh₀)]/b_th₀. (11.29)

Если вычисленная по формуле (11.27) высота сжатой зоны х_т ≤ h'_ft то расчет производят как для элементов прямоугольного поперечного сечения, принимая ширину сечения b = b'_f, a первый член в формулах (11.28) и (11.29) равным 0.

Для элементов прямоугольного сечения без сжатой арматуры высоту сжатой зоны х_т определяют по формуле:

_{0588S10-01164}

(11.30)

где μ _s = A_s/b_th₀.

11.16 Значения коэффициентов приведения арматуры к бетону принимают равными: для сжатой арматуры:

(11.31)

для растянутой арматуры

(11.32)

Значение коэффициента ψ _s для изгибаемых элементов допускается определять по формуле (11.33) без учета арматуры:

_{0588S10-01164}

(11.33)

Значение приведенного модуля деформации сжатого бетона E_{b, red, t} определяют по формуле (5.7) по температуре крайнего сжатого волокна бетона. Прочность бетона на растяжение R_{bt, ser, t} определяют по формуле (5.2) по температуре бетона на уровне растянутой арматуры.

11.17 Для элементов прямоугольного сечения среднюю высоту сжатой зоны х_т при действии изгибающего момента М и продольной силы N допускается определять по формуле:

(11.34)

при этом принимают 0 ≤ х_т ≤ h_t.

В формуле (11.34) х_т1 вычисляют как для изгибаемых элементов по формулам (11.27), (11.28).

В формуле (11.34) знак «плюс» принимают при сжимающей силе, а «минус» - при растягивающей силе.

11.18 Кривизну элемента при остывании от температурной усадки неравномерно нагретого бетона во время пожара определяют по формуле:

(1/r)_cs = (α _cs1t_b1 - α _cst_b)/h, (11.35)

где α _cs1 и α _cs - коэффициенты температурной усадки бетона, принимаемые по табл. 5.3 в зависимости от температуры бетона более t_b1 и менее t_b нагретой грани сечения, которая была при пожаре.

11.19 После пожара прогиб элемента является одним из критериев возможности дальнейшей эксплуатации конструкции. При действии постоянных и длительных временных нагрузок прогиб балок, плит во всех случаях не должен превышать 1/150 пролета и 1/75 вылета консоли.

Если фактические прогибы превышают допустимые значения, но не препятствуют нормальной эксплуатации, допускается дальнейшая эксплуатация железобетонных конструкций без их усиления.

11.20 Определение прогибов железобетонных элементов на основе деформационной модели после пожара производится по формуле (11.4). Значения кривизны, входящие в формулу (11.5), определяют из решения уравнений железобетонных характеристик в охлажденном состоянии с учетом влияния температуры пожара на модуль упругости и деформации бетона согласно пп. 8.24 - 8.26.

Модуль упругости арматуры после воздействия высокой температуры полностью восстанавливается. После пожара учитывают дополнительные напряжения сжатия, возникающие в арматуре от развития деформаций усадки в бетоне. Для этого следует прибавить к определяемой деформации бетона сжатию ε _b2 деформацию укорочения бетона от температурной усадки ε _cs менее нагретой части сечения:

ε _cs = α _cst_b, (11.36)

где α _cs - коэффициент температурной усадки бетона, принимаемый по табл. 5.3 в зависимости от t_b - температуры менее нагретой части сечения элемента.

При двухзначной эпюре деформаций значение кривизны по сечению равно:

(11.37)

Максимальные деформации бетона ε _{b, тах} определяют на основе положений, приведенных в пп. 8.24 - 8.26.

Для элементов с трещинами в растянутой зоне напряжение в арматуре, пересекающей трещину, определяют по формуле:

σ _si = E_sε _si, (11.38)

где ε _si - усредненная относительная деформация растянутой арматуры в рассматриваемой стадии расчета, соответствующая линейному закону распределения деформаций по сечению.

12. Конструктивные требования, обеспечивающие огнесохранность железобетонных конструкций

12.1 При кратковременном высокотемпературном огневом воздействии во время пожара в бетоне происходят физико-химические процессы, изменяющие его механические свойства. В начале пожара, при температуре до 200 °С, прочность бетона на сжатие практически не изменяется. Происходит дополнительная гидратация клинкерных минералов и повышение прочности заполнителей, что упрочняет структуру бетона. Если влажность бетона выше 3, 5 %, то при огневом воздействии и температуре 250 °С возможно хрупкое разрушение бетона. С повышением температуры бетона до 350 °С вследствие высыхания бетона начинают образовываться трещины от температурной усадки бетона (рис 12.1).

0588S10-01164

1 - до 250 °С - взрывообразное хрупкое разрушение наружного слоя бетона с влажностью более 3, 5 %; 2 - от 250 - 350 °С - в бетоне образуются, в основном, трещины от температурной усадки бетона; 3 - до 450 °С - в бетоне образуются трещины, преимущественно, от разности температурных деформаций цементного камня и заполнителей и свыше 450 °С - нарушение структуры бетона из-за дегидрации Са(ОН)₂, когда свободная известь в цементном камне гасится влагой воздуха с увеличением объема; 4 - свыше 573 °С - нарушение структуры бетона из-за модификационного превращения α -кварца в β -кварц в граните, сопровождающегося увеличением объема заполнителя; 5 - свыше 750 °С - структура бетона полностью разрушена

Рисунок 12.1 - Нарушение структуры бетона после высокотемпературного огневого воздействия

При высокотемпературном воздействии свыше 350 °С в структуре бетона образуются и развиваются микротрещины в кристаллизационной решетке цементного камня. Внутренние напряжения и микротрещины, которые образуются при нагревании из-за различия температурных деформаций в бетоне, снижают прочность и повышают деформативность бетона.

После нагрева бетона до температуры выше 450 °С в охлажденном состоянии свободная окись кальция (известь) цементного камня гасится влагой воздуха, при этом происходит значительное увеличение объема минерала с нарушением структуры бетона. Температурная усадка цементного камня при одновременном расширении заполнителей нарушает связи между ними и разрывает цементный камень на отдельные части.

Модификационные превращения кристаллического α -кварца в β -кварц в граните при температуре 573 °С сопровождаются значительным увеличением объема минерала и снижением прочности заполнителя. Охлаждение бетона водой при пожаротушении вызывает дополнительное нарушение структуры в наружных слоях бетона.

При температуре свыше 750 °С из цементного камня удаляется химически связанная вода, и структура бетона продолжает нарушаться из-за разности температурных деформаций вяжущего и заполнителей.

12.2 В арматуре классов А240, А300, А400 и А500 после нагрева до 600 °С, классов А540, А600, А800 и А1000 после нагрева до 400 °С и классов В500, Вр1200 - Вр1500, К1400 - К1500 после нагрева до 300 °С прочностные свойства восстанавливаются.

12.3 Для обеспечения огнесохранности и ремонтопригодности железобетонной конструкции после пожара необходимо, чтобы разрушающий слой бетона, нагретый до 450 °С, после пожара не оказывал влияния на дальнейшую эксплуатацию конструкции. Это можно обеспечить расстоянием от оси арматуры до нагреваемой грани.

12.4 При стандартном пожаре длительностью 90 минут расстояние от оси арматуры до нагреваемой грани бетона должно быть не менее 35 мм, при 120 мин - 45 мм, при 150 мин - 55 мм, при 180 мин - 60 мм.

12.5 Во избежание выпучивания продольной арматуры при ее нагреве во время пожара необходимо предусмотреть конструктивное армирование хомутами и поперечными стержнями.

12.6 Конструирование элементов должно обеспечить нагрев ненапрягаемой арматуры во время пожара не более 500 °С, предварительно напряженной арматуры - не более 100 °С.

12.7 Если фактические прогиб и раскрытие трещин после пожара превышают допустимые значения, но не препятствуют нормальной эксплуатации здания и сооружения, допускается не предусматривать усиление конструкции либо снижение нагрузки.

Пояснения к приложениям

Приложение А. Теплотехническим расчетом определена температура в плитах и стенах из тяжелого бетона плотностью 2350 кг/м³, влажностью до 2, 5 - 3, 0 %, на силикатном и карбонатном заполнителях, а также из конструкционного керамзитобетона плотностью 1400 - 1600 кг/м³ с влажностью до 5 %.

Температуру оси арматуры t_s (рис. А.1 - А.6) принимают по температуре бетона на расстоянии от нагреваемой поверхности до оси арматуры.

Предел огнестойкости по потере несущей способности устанавливают по точке пересечения горизонтальной прямой на уровне критической температуры бетона t_{b cr} с кривой прогрева слоя бетона толщиной a_t от обогреваемой поверхности до оси растянутой арматуры.

Предел огнестойкости многопустотных и ребристых плит с ребрами вверх следует определять как для сплошных плит с коэффициентом 0, 9.

Температура тяжелого бетона на силикатном заполнителе в плите высотой 200 мм на профилированном настиле указана на рис. А.7 и А.8.

Приложение Б. Теплотехническим расчетом определена температура в тяжелом бетоне с силикатным заполнителем плотностью 2000 - 2400 кг/м³ и влажностью 2 - 3 % при стандартном пожаре. Температуру в тяжелом бетоне с карбонатным заполнителем следует определять с коэффициентом 0, 9 и в конструкционном керамзитобетоне - с коэффициентом 0, 85 по значению температуры, приведенной в номограммах:

- для колонн сечением:

200× 200 мм - рис. Б.1; Б.2;

300× 300 мм - рис. Б.3;

400× 400 мм - рис. Б.4, Б.5;

- для балок сечением:

160× 320 мм - рис. Б.7;

300× 600 мм - рис. Б.8, Б.9;

- для монолитного ребристого перекрытия с балкой сечением 160× 320 мм и плитой толщиной 100 мм - рис. Б.10, Б.11:

~300× 600 мм - 200 мм - рис. Б.12 - Б.17;

- для двутавровых балок с шириной полки 240 мм и стенки 80 мм - рис. Б.18:

~300 мм - 120 мм - рис. Б.19, Б.20;

~400 мм - 120 мм - рис. Б.21, Б.22.

Температуру прогрева бетона, приведенную в приложениях А и Б, используют при расчете огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций жилых, гражданских, спортивных, административных, промышленных зданий и сооружений и тоннелей метро. Для железобетонных конструкций автодорожных и железнодорожных тоннелей, в которых перевозят горючие жидкости, допускается значения температуры умножать на 1, 1, а при перевозке углеводородных газов - на 1, 2. Для складских помещений для хранения каучука, синтетических материалов, масел, лаков, красок, сжиженного газа, бумаги, зерна и муки - на 1, 25.

Температуру бетона в плитах, балках и колоннах, имеющих промежуточные размеры, указанные в приложениях, допускается определять интерполяцией, а имеющих большие значения - экстраполяцией. Для колонн круглого поперечного сечения изменения температуры по радиусу колонны допускается определять так же, как и по оси стороны квадратной колонны.

Приложение А

⇐ Предыдущая12345678

Поделиться: