Расчётные методики при оценке огнестойкости конструкций: прогрев бетона, арматуры и металлоконструкций

Уральский Институт ГПС МЧС России

Материалы учебного семинара

«РАСЧЕТ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ПОЖАРНОГО РИСКА ДЛЯ

ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ»

Екатеринбург 19-21 мая 2009 года

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСЧЕТНЫХ МЕТОДИК ПРИ ОЦЕНКЕ

ОГНЕСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИЙ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОГРЕВА

БЕТОНА, АРМАТУРЫ И МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ

Акулов Артем Юрьевич

Старший преподаватель кафедры Пожарной безопасности в строительстве

УрИ ГПС МЧС России

Виды пределов огнестойкости

Существует предел огнестойкости строительных конструкций требуемый и факти ческий.

Требуемый предел огнестойкости определяется по нормативам [ФЗ №123 ст. 87].

Фактический предел огнестойкости конструкций определяется по результатам стан дартных огневых испытаний или с помощью расчетно-аналитического метода [ФЗ №123 ст. 87].

Таблица «Федеральный закон №123. Соответствие степени огнестойкости и предела огне стойкости строительных конструкций зданий, сооружений, строений и пожарных отсеков»

Степень           Предел огнестойкости строительных конструкций
огне-      Несущие    Наружные Перекрытия        Строительные конструкции бес-   Строительные конструкции лест стойко-    стены,     ненесу-     междуэтажные чердачных покрытий                ничных клеток
сти зда-   колонны и щие сте- (в том числе Настилы (в том Фермы, балки,          Внутренние    Марши и пло ния        другие     ны          чердачные и числе с утепли- прогоны            стены         щадки лестниц
несущие                над подвала- телем)
элементы               ми)
I          R 120      Е ЗО        REI 60         RE 30           R ЗО            REI 120       R 60
II         R 90       Е 15        REI 45         RE 15           R 15            REI 90        R 60
III        R 45       Е 15        REI 45         RE 15           R 15            REI 60        R 45
IV         R 15       Е 15        REI 15         RE 15           R 15            REI 45        R 15
V          Не нормируется

Метод предельных состояний

В настоящее время существуют несколько методик расчета фактической огнестойко сти строительных конструкций. Но в основе все они имеют общие положения по теории огнестойкости конструкций. Общими в этих методиках будет являться:

1. Расчет состоит из статической и теплотехнической частей;

2. Использование в расчетах «стандартной» температуры пожара;

УриГПС МЧС России. Семинар «Расчет индивидуального пожарного риска для общественных зданий»

19-21 мая 2009 года. Екатеринбург.

Доклад «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСЧЕТНЫХ МЕТОДИК ПРИ ОЦЕНКЕ ОГНЕСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИЙ». Акулов А.Ю.

3. Решения уравнения Фурье с помощью дополнительных коэффициентов (приве денная толщина металла, коэффициент Био, коэффициент черноты и т.д.) – полученных из ряда испытаний для конкретных материалов при повышении температур.

Наиболее «классической» и соответственно распространенной методикой для усло вий эксплуатации и монтажа конструкций является метод предельных состояний, разра ботанный Н.С. Стрелецким в 1955году.

Суть метода заключается в установлении для конструкций, так называемых предель ных состояний и в обеспечении конструкций расчетным путем от наступления этих состоя ний.

Предельным называется такое состояние конструкции, при достижении которого она перестает удовлетворять предъявляемым к ней требованиям в процессе эксплуатации или монтажа, то есть 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 непригодно сти конструкции к условиям ее эксплуатации

(рис.14.1)

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 прекращения эксплуатации в результате текучести материала, его ползучести, а также чрезмерных сдвигов в соединениях.

Предельные состояния второй группы

Рис.14.1. Общая схема расчета предела огнестойкости конструкции по потере ее несущей способности.

включают состояния, наступление которых затрудняет нормальную эксплуатацию конструкции или ведет к ее недолговечности.

К таким состояниям относятся недопустимые перемещения, а также образование или рас крытие 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, ус тановленных нормами проектирования строительных конструкций для зданий и сооруже ний различного назначения.

Расчет по методу предельных состояний основан на учете всех факторов, определяю щих действительную работу конструкций, зданий и сооружений, основными из которых яв ляются: фактор изменяемости нагрузок; фактор нестабильности свойств материала и фактор условий работы.

Общие принципы расчета огнестойкости строительных конструкций.

Суть расчета предела огнестойкости строительных конструкций заключается в определении времени, по истечении которого в условиях высокотемпературного воздействия при пожаре наступает одно из предельных состояний.

Для конструкций, выполняющих одновременно несущие и ограждающие функ ции, необходимо определить время от начала пожара до наступления предельного со стояния по несущей и теплоизолирующей способностям, а за предел огнестойко сти принять минимальное из полученных значений.

УриГПС МЧС России. Семинар «Расчет индивидуального пожарного риска для общественных зданий»

19-21 мая 2009 года. Екатеринбург.

Доклад «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСЧЕТНЫХ МЕТОДИК ПРИ ОЦЕНКЕ ОГНЕСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИЙ». Акулов А.Ю.

Предел огнестойкости ограждающей конструкции в результате потерь ее цело стности определяется только экспериментальным путем.

Расчет предела огнестойкости строительных конструкций состоит из двух частей:

теплотехнической и статической (прочностной).

Теплотехническая часть имеет целью определить температурные поля в расчет ном сечении элемента или конструкции при действии на них температурного режима пожара. При этом используются уравнения нестационарной теплопроводности твердого тела с учетом изменения теплофизических характеристик материалов, из которых выполнена конструкция, в зависимость от температуры. Решение теплотех нической части позволяет определить предел огнестойкости из условия наступления предельного состояния по теплоизолирующей способности, что характерно для ограж дающих конструкций.

Для определения предела огнестойкости из условия наступления предельного состояния по несущей способности необходимо также выполнить статическую

(прочностную) часть расчета. В статической части вычисляют несущую способность конструкций, нагреваемых при пожаре, с учетом изменения прочностных свойств ма териалов при высоких температурах.

Методика расчета огнестойкости металлических конструкций

Наступление предела огнестой кости металлических конструкций на ступает в результате потери прочно сти или за счет потери устойчивости самих конструкций или их элементов.

Тому и другому случаю соответствует определенная температура нагрева ме талла, называемая критической, tcr.

Критической температурой про грева сечения конструкции или ее от дельного элемента в условиях пожара называется температура, при которой наступает потеря их несущей способ ности.

Расчет предела огнестойкости сводится к решению двух задач: ста тической и теплотехнической

(рис.14.2).

Статическая задача имеет целью определения несущей способности конструкции с учетом изменения свойств металла при высоких темпе ратурах, то есть определения критиче ской температуры в момент наступления предельного состояния при пожаре.

В результате решения теплотех нической задачи определяется время

Рис.14.2. Общий ход выполнения расчета нагрева металла от начала действия пожара до достижения в расчетном сечении критической температуры, то есть решение этой задачи позволяет определить фактический предел огнестойкости Пф конструкции.

УриГПС МЧС России. Семинар «Расчет индивидуального пожарного риска для общественных зданий»

19-21 мая 2009 года. Екатеринбург.

Доклад «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСЧЕТНЫХ МЕТОДИК ПРИ ОЦЕНКЕ ОГНЕСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИЙ». Акулов А.Ю.

Для некоторых марок сталей предел прочности при нагреве сначала увеличивается, а затем наблюдается его снижение. Предел текучести стали снижается с увеличением тем пературы нагрева.

Особенности расчета пределов огнестойкости железобетонных конструкций

Огнестойкость железобетонных конструкций утрачивается, как правило, в результа те потери несущей способности (обрушение) за счет снижения прочности, теплового рас ширения и температурной ползучести арматуры и бетона при нагревании, а также вслед ствие потери теплоизолирующей способности.

Предел огнестойкости железобетонных конструкций по теплоизолирующей способ ности находится путем одного теплотехнического расчета.

Расчет огнестойкости конструкций зданий и сооружений может выполняться, если известны теплофизические, прочностные и деформативные характеристики строительных материалов при высоких температурах.

Расчет температурных полей железобетонных конструкций на огнестойкость осно вывается на решении краевых задач нестационарной теплопроводности неоднородных ка пиллярно-пористых тел в условиях стандартного температурного режима. При этом должны приниматься во внимание особенности внешней и внутренней нелинейности за дачи, характеризующейся сложными законами нестационарного теплообмена между обогреваемыми и необогреваемыми поверхностями тела и окружающей средой пожара при граничных условиях 3-го рода.

Изменение температуры при стандартном температурном режиме характеризуется зависимостью t в = 345 lg(0,133 ⋅ τ + 1) + t н

Где:

tв

- температура нагревающей среды, °С;

τ - время пожара, с;

tн

- начальная температура конструкции до пожара, равная 20°С.

При этом необходимо учесть переменность во времени теплофизических характери стик материала в зависимости от непрерывно изменяющейся температуры среды, влияние влажности материала.

Аналитическое решение дифференциального уравнения теплопроводности Фурье при этом является сложным и трудоемким. Поэтому применяют упрощенные приемы и методы для решения конкретных задач, в частности, конечно-разностный расчет (метод).

Для расчета температур в сечении конструкций упрощенным способом принимаются сле дующие допущения:

• Решение уравнения Фурье при граничных условиях 3 рода заменено решением при граничных условиях 1-го рода, которое представляет собой закон изменения температуры поверхности.

• Произведена линеаризация дифференциального уравнения теплопроводности Фурье путем введения в расчет приведенного коэффициента теплопроводности бетона a red.

• Влияние испарения воды в бетоне при нагреве учитывается путем увеличения удель ной теплоемкости на величину 50,4 на каждый процент весовой влажности бетона.

• Расчет производится на действие мгновенно устанавливающейся и постоянно под держивающейся температуры 1250°С на фиктивном слое конструкции толщиной.

УриГПС МЧС России. Семинар «Расчет индивидуального пожарного риска для общественных зданий»

19-21 мая 2009 года. Екатеринбург.

Доклад «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСЧЕТНЫХ МЕТОДИК ПРИ ОЦЕНКЕ ОГНЕСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИЙ». Акулов А.Ю.

• Расчетные формулы применимы только для плоских конструкций и конструкций прямоугольного и круглого сечений, а также для элементов более сложной конфигурации, поперечные сечения которых могут быть сведены к перечисленным.

• У строительных конструкций, как правило, один размер значительно больше или меньше двух других. Поэтому решение уравнения Фурье при расчетах огнестойкости кон струкций достаточно производить для одномерных и двухмерных температурных полей.

• Для плоских конструкций (плиты перекрытий, покрытий, перегородки, стены) при нимается одномерное температурное поле. Для стержневых конструкций (колонны, балки, ригели, элементы арок, ферм) - двухмерное температурное поле.

Метод математического моделирования

Следующий метод, разработанный и запатентованный профессором, кандидатом технически наук Ильиным Н.А. - метод математического моделирования и алгоритм рас чета фактического предела огнестойкости строительных конструкций.

В этой методике за единичные показатели качества, строительных конструкций, влияющих на предел огнестойкости принимается: геометрические размеры опасного се чения, условия закрепления, прочность бетона на осевое сжатие, сопротивление арматуры сжатию, нормативную нагрузку при испытании на огнестойкость, коэффициент продоль ного изгиба, интенсивность силовых напряжений в опасных сечениях, теплопроводность и теплоемкость материалов, влажность и плотность бетона в естественном состоянии, тол щину защитного слоя, показатель тепловой диффузии материалов в условиях пожара.

Огнестойкость изгибаемых железобетонных элементов

Так на фактический предел огнестойкости изгибаемых железобетонных элементов существенно влияют три режимно-конструктивных параметра, и аналитическую зависи мость при расчетах можно представить в виде:

Fu = f (Dbm ; J σs ; a bc )

Где:

Dam ; Dbm - приведенный показатель тепловой диффузии (коэффициент температу ропроводности) строительного материала, мм 2 / мин ;

J σo ; J σs - интенсивность силовых напряжений соответственно в сечении сжатого бетонного элемента и несущем стержне металлической конструкции;

a bs - режимно-конструктивная характеристика расположения рабочей арматуры в поперечном сечении элемента, мм ;

Огнестойкость сжатых железобетонных элементов

Для сжатых железобетонных элементов аналитические зависимости связывают меж ду собой от пяти до шести основных параметров и могут быть представлены в виде:

Fu = f (b; Dbm ; J σo ; Rbn ; α μs )

Где:

b - ширина поперечного сечения бетонного элемента, мм ;

Dam ; Dbm - приведенный показатель тепловой диффузии (коэффициент температу ропроводности) строительного материала, мм 2 / мин ;

J σo ; J σs - интенсивность силовых напряжений соответственно в сечении сжатого бетонного элемента и несущем стержне металлической конструкции;

УриГПС МЧС России. Семинар «Расчет индивидуального пожарного риска для общественных зданий»

19-21 мая 2009 года. Екатеринбург.

Доклад «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСЧЕТНЫХ МЕТОДИК ПРИ ОЦЕНКЕ ОГНЕСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИЙ». Акулов А.Ю.

Rbn - нормативная прочность бетона (камня) на сжатие, МПа ;

α us - степень армирования сечения железобетонного элемента;

Огнестойкость несущих металлических конструкций с теплозащитным покрытием

Для несущих металлических конструкций с теплозащитным покрытием использова ны математические зависимости вида:

Fu = f (Dam ; δ as ; J σs ; Tsr )

Где:

Dam ; Dbm - приведенный показатель тепловой диффузии (коэффициент температу ропроводности) строительного материала, мм 2 / мин ;

δ as - толщина теплозащитного слоя металлических конструкций, мм .

J σo ; J σs - интенсивность силовых напряжений соответственно в сечении сжатого бетонного элемента и несущем стержне металлической конструкции;

Tsr - приведенная толщина металла конструкции, мм ;

Алгоритм оптимального проектирования строительных конструкций

Следующая методика расчета огнестойкости – это алгоритм оптимального проекти рования строительных конструкций, удовлетворяющим требованиям норм по огнестойко сти.

Возможны два подхода к проектированию конструкций, удовлетворяющих требова ниям по огнестойкости:

а) первый подход, основанный на рекомендациях ФЗ №123 по минимальным преде лам огнестойкости строительных конструкций (в зависимости от степени огнестойкости конкретного здания или сооружения) (рис.14.3);

б) второй подход, основанный на анализе планировочных и конструктивных харак теристик здания, вида и количества пожарной нагрузки в его помещениях, а также на пе реходе от продолжительности реального пожара к эквивалентной продолжительности по жара через типовые строительные конструкции (рис.14.4).

Второй подход применяют для зданий, на которые отсутствуют противопожарные нормы, а также для зданий класса функциональной пожарной опасности Ф1.3 высотой бо лее 75 м, зданий других классов функциональной пожарной опасности высотой более 50 м и зданий с числом подземных этажей более одного, а также для особо сложных и уни кальных зданий.

Кроме того, этот подход следует применять при необходимости обоснования отступ лений от требований и разработки мероприятий, компенсирующих эти отступления.

При первом подходе требуемые пределы огнестойкости строительных конструкций здания (стен, колонн, элементов лестничных клеток, перекрытий и покрытий) принимают равными минимальным пределам огнестойкости, приведенным в табл. 21 ФЗ №123, а пре делы огнестойкости каждой конкретной конструкции определяют с использованием стан дартного температурного режима.

При втором подходе требуемые пределы огнестойкости строительных конструкций здания принимают равными эквивалентной продолжительности пожара для конструкций данного типа, определенной по существующим методикам.

УриГПС МЧС России. Семинар «Расчет индивидуального пожарного риска для общественных зданий»

19-21 мая 2009 года. Екатеринбург.

Доклад «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСЧЕТНЫХ МЕТОДИК ПРИ ОЦЕНКЕ ОГНЕСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИЙ». Акулов А.Ю.

Переход от продолжительности реального пожара к эквивалентной продолжительно сти пожара через типовые конструкции позволяет свести пожары, возможные в данном помещении, к стандартному, по режиму которого исследуются пределы огнестойкости конкретных строительных конструкций. Это дает возможность по значениям пределов ог нестойкости конкретных строительных конструкций прогнозировать их поведение в усло виях реальных пожаров.

Рис.14.3. Блок-схема алгоритма оптимального проектирования Рис.14.4. Блок-схема алгоритма оптимального проектирования строительных конструкций, удовлетворяющих требованиям по строительных конструкций, удовлетворяющих требованиям по огнестойкости, с использованием первого подхода, основанного огнестойкости, с использованием второго подхода, основанного на рекомендациях ФЗ №123. на переходе от продолжительности реального пожара к эквива лентной продолжительности пожара через типовые строитель ные конструкции.

УриГПС МЧС России. Семинар «Расчет индивидуального пожарного риска для общественных зданий»

19-21 мая 2009 года. Екатеринбург.

Доклад «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСЧЕТНЫХ МЕТОДИК ПРИ ОЦЕНКЕ ОГНЕСТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИЙ». Акулов А.Ю.