Файл: Ильин, Н. А. Огнестойкость железобетонных и каменных конструкций лекции для студентов специальностей ПГС и СХС.pdf

9.5. ПОВЕДЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ВСЛЕДСТВИЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ НАПРЯЖЕНИИ

Температурные напряжения в элементах железобетонных конструкций после огневого воздействия возникают вследствие различия коэффициентов линейного расширения арматурной стали и бетона, а также неравномерного распределения темпе­ ратур по сечению.

Определение напряжений, вызываемых различными коэффи­ циентами температурного расширения материалов железобето­ на, затрагивает широкий круг проблемных вопросов. Отметим только, что при нагревании в железобетоне возникают напряже­ ния, которые по своей величине больше напряжений в бетоне и меньше, чем в арматуре (рис. 16). Образование трещин в желе­ зобетоне происходит в результате расширения арматуры. Расши­ ряясь больше, чем бетон, арматура разрывает его. В период ох-

Рис. 16. Кривые-свободных температурных деформаций же­ лезобетона:

I — расширение свободной арматуры; 2 — расширение бетона; 3— расширение железобетона; 4 — температурная усадка железобетона; 5 — суммарная температурная деформация железобетона; 6 — де­ формация железобетона при охлаждении

40

лаждения температурные напряжения в железобетоне понижа­ ются и меняют знак под действием температурной усадки бе­ тона.

Неравномерное распределение температуры по сечению явля­ ется причиной возникновения и развития температурных напря­ жений не только в конструкциях статически неопределимых, но и имеющих полную свободу перемещений. Определение темпера­ турных напряжений возможно с использованием математической теории упругости (что весьма громоздко) или приближенными инженерными расчетами (более простыми и удобными).

9.6. ПОВЕДЕНИЕ КАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПОСЛЕ ОГНЕВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

График снижения прочности каменных конструкций стен из бетонных блоков (на бетонах с различными заполнителями) приведен на рис. 17. Процент снижения прочности стен из ке-

Рис. 17. Снижение прочности каменных конструкций из бетонных блоков

(т = 3,5 ч; ^ = 800° С):

а — керамзитобетонные; б - - шлакобетонные; в — из тяжелого бетона на извест­ няке; г — из тяжелого бетона на кварцевом заполнителе

рамзнтобетонных и шлакобетонных блоков (рис. 17, а, б) после 3,5 час. огневого воздействия температурой до 800° С намного меньше, чем из тяжелого бетона (рис. 17 в, г).

§ 10. ПОВЫШЕНИЕ ОГНЕСТОЙКОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ И КАМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Огнестойкость строительных конструкций в основном зави­ сит от вида применяемого материала, размеров элементов, типа

41

конструкции, принятой расчетной схемы, величины прилагаемой нагрузки и дрфакторов.

Анализ поведения железобетонных и каменных конструкций в условиях реальных и опытных пожаров позволяет наметить следующие пути повышения их огнестойкости.

1. Выбор расчетной схемы конструкций. Огнестойкость стати­ чески определимой, работающей в одном, направлении плиты может быть повышена, если применить жесткую заделку концов

ние. 18. Повышение огнестойкости строительных конструкций путем выбора ста­ тической схемы: •

элементов увеличивают нагрузкой, препятствующей возникнове­ нию растягивающих напряжений (рис. 18, б).

2. Вид обогрева оказывает существенное влияние на огне­ стойкость ребристых и линейных конструкций. Увеличение огне­ стойкости железобетонных балок и прогонов может быть достиг­ нуто путем создания таких условий работы, при которых возмо­ жен обогрев только нижних граней. Вследствие этого пустоте­ лые железобетонные перёкрытия имеют существенные преиму­ щества по сравнению с открытыми ребристыми конструкциями

(рис. 18, в).

В результате прогрева концов железобетонной изгибаемой конструкции уменьшается прочность и увеличивается ее прогиб. Повышение огнестойкости может быть достигнуто замоноличиванием. узлов сборных свободно лежащих железобетонных кон­ струкций.

42

В преднапряженных конструАгиях по сравнению с обычными относительно слабый нагрев концов конструкций может оказать­ ся опасным с точки зрения потерн сцепления арматуры с бето­ ном в зоне анкеровки. При охлаждении возникает опасность об­ рушения таких конструкций. Радикальной мерой против возмож­ ности обрушения является защита зоны анкеровки от огня путем ее усиления или оштукатуривания, а также проектирование на­ дежной анкеровки (использование принципа непрерывного арми­ рования и т. п.).

3. Величина и характер приложения внешней нагрузки. Сни­ жение внешней нагрузки приводит к увеличению критической температуры растянутой арматуры н сжатого бетона. Повыше­ ние коэффициента запаса прочности конструкции приводит к увеличению пределов огнестойкости.

Однако несущие, но ненагруженные преднапряженные желе­ зобетонные изгибаемые элементы, обогреваемые со стороны об­ жатого бетона, могут иметь меньшую.огнестойкость, чем при обо­ греве со стороны необжатого бетона. Для некоторых предна­ пряженных железобетонных конструкций вариант нагрузки толь­ ко под действием собственного веса может быть менее благо­ приятным при огневом воздействии со стороны обжатого бето­ на, чем при полной рабочей нагрузкеСледовательно, в данном случае увеличением внешней нагрузки можно повысить огне­ стойкость преднапряженной железобетонной конструкции.

Уменьшение эксцентриситета приложения нагрузки на вне-

пентренно сжатые конструкции приводит также к повышению огнестойкости. Если предел огнестойкости внецентренно сжатых колонн наступает в результате прогрева растянутой арматуры, то повысить их огнестойкость можно дополнительной защитой арматуры.

Внешняя нагрузка на центрально сжатые элементы оказыва­ ет неблагоприятное воздействие в случае, когда прн несиммет­ ричном обогреве появится увеличивающийся эксцентриситет дей­ ствия силы.

В ненагруженном состоянии огнестойкость конструкций (пе­ регородок и стен) оценивают по признаку их прогрева (случай !). При огневом воздействии перекрытия подвергаются темпе­ ратурным деформациям (прогибам). Поэтому перегородки и стены, запроектированные как ненесущпе, будут испытывать на­ грузки и могут разрушиться раньше расчетного промежутка вре­ мени (случай II).

4. Огнестойкость каменных и железобетонных конструкций может быть повышена при проектировании за счет обоснованно­ го 'увеличения размеров поперечного сечения, применения лег­ кого бетона, а также бетона и арматурной стали с более высокой критической температурой. Применение бетона с меньшей объ­ емной массой позволяет увеличить время прогрева сечений до

43

критических размеров за счет меньшей теплопроводности легкого бетона.

При выборе арматуры следует учесть преимущества горяче­ катаной стали по сравнению с холоднотянутой высокопрочной в условиях огневого воздействия.

Огнестойкость изгибаемых железобетонных элементов может быть повышена применением двойной арматуры, по сечению. От неравномерного прогрева сечения железобетонная балка выги­ бается, ранее сжатая зона бетона получает растягивающие на­ пряжения, в результате чего разрушается.

5. Устройство защитных облицовок и экранов. Применение подвесных потолков, штукатурок и огнезащитных облицовок (плитами, кирпичом и т. п.) повышает сопротивление конструк­ ции огневому воздействию. При этом слой штукатурки толщи­ ною 10 мм равноценен слою бетона толщиною 25 мм.

С экономической и противопожарной точек зрения более вы­ годно проведение правильного расчета и конструирования эле­ ментов из обычного н преднапряженного железобетона по срав­ нению с устройством защитной облицовки.

Возможно применение и других мер повышения огнестойко­ сти конструкций-

§ 11. ПРИМЕР РАСЧЕТА ОГНЕСТОЙКОСТИ КОЛОНН

П.1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

1. Центрально нагруженная железобетонная колонна расчет­ ной длиной /0 = 300 см изготовлена из бетона объемной массой Ув = 2300 кг/мъ с рабочей арматурой 8020 А-П. Сечение колонны b x h —30X30 см (рис. 19, а). Бетон марки 300 на известняковом

2. Несущую способность колонны до нагрева при норматив­ ных характеристиках материалов (см. приложение III и VI [5])

44

6} .

/tp , it rr> с.

Аа = 25,13 см при 8020 А-П;

Аб = 30X30 = 900 см2.

Процент армирования сечения колонны

■100 = ^ - - 100 = 2,8%.

3. Определим теплофизические характеристики бетона на из­ вестняковом щебне:

45

0,00118

= —о+оз— = 0.04.

Величина относительной температуры (формула 16)

где величина значений функции Гаусса принята по табл. 8. Температуру- в толще бетона колонны через заданный проме-

46

жуток времени огневого воздействия определим по формуле (15)

= 1250— (1250 — tH)'0 * .

Температура рабочей арматуры 4020 А-11 (/^а. i = 12,56 см2), расположенной в середине стороны сечения колонны (при %= = г/= 0,115 м, тг1= 1 час), равна

txt = 1250 —(1250 —20). 0,757 = 300°С.

Тогда

/Т1 = 1250-(1255 —20) ■0,999 = 20СС.

2.Расчет критической температуры бетона. Коэффициент за­

паса призменной прочности нагруженного бетона равен

Величину критической температуры бетона, выше которой прогретый бетон теряет способность сопротивляться внешним воздействиям, определим по формуле (36)

47