Расчет предела огнестойкости по потере несущей способности
Основные положения
8.1 Предел огнестойкости по потере несущей способности железобетонных элементов рассчитывают с учетом положений СП 63.13330 и специфических особенностей работы бетона и арматуры в условиях стандартного пожара.
При расчете пределов огнестойкости по потере несущей способности железобетонных конструкций из высокопрочного бетона следует также учитывать положения СП 311.1325800 с учетом снижения прочностных характеристик данного типа бетона при температурных воздействиях. Экспериментальные данные о снижении прочностных характеристик высокопрочных бетонов при температурных воздействиях в настоящее время отсутствуют. Следовательно, расчеты огнестойкости железобетонных конструкций из высокопрочного бетона следует проводить после установления коэффициентов условий работы при температурах для данного вида высокопрочного бетона опытным путем.
Оценка предела огнестойкости по потере несущей способности производится следующим образом.
Для проектного размера сечения железобетонной конструкции, в зависимости от вида бетона и нормируемого значения предела огнестойкости R, теплотехническим расчетом или по приложениям А и Б находят распределение температур по толщине бетонного сечения и температуру нагрева арматуры.
Если коэффициент γbt принимают равным 1, то определяют глубину прогрева бетона a t до критической температуры (рис. 8.1 и 8.2). Устанавливают приведенные размеры сечения по формулам (8.1 - 8.8) и в формулах прочности нормальных и наклонных сечений используют Rbn, Rbtn, bt, ht, b'ft, h'ft, Ared и hot.
|
|
|
Когда принимают коэффициент γbt < 1, который зависит от температуры бетона, сначала определяют R bnt по формуле (5.1) и Rbtnt по формуле (5.2) для каждой части сечения и их значения подставляют в формулы прочности нормальных и наклонных сечений с действительными размерами сечений.
Определяют прочность сечения железобетонного элемента от действия нормативной нагрузки и стандартного пожара длительностью, эквивалентной нормируемому значению предела огнестойкости. Если вычисленная прочность больше или равна прочности сечения от нормативной нагрузки до пожара, то требуемый предел огнестойкости обеспечен.
Допускается при сопоставительном анализе превышение нагрузки над прочностью сечения не более чем на 10% (что находится в пределах допускаемой погрешности расчетов железобетонных конструкций).
8.2 При расчете железобетонных элементов приведенные размеры сечений принимают равными:
при трехстороннем нагреве
| ширина балки, колонны b t = b - 2a t | (8.1) |
| ширина полки b ' ft = b 'f - 2a t | (8.2) |
| высота полки h ' ft = h 'f - at | (8.3) |
| высота сечения балки, колонны ht = h - аt | (8.4) |
| площадь балки A red = 0,95(b - 2at)(h - а t) | (8.5) |
при четырехстороннем нагреве
|
|
|
| высота сечения колонны h t = h - 2a t | (8.6) |
| площадь сечения колонны A red = 0,9(b - 2at)(h - 2а t) | (8.7) |
Рабочая высота сечения при нагреве со стороны сжатой зоны равна:
| h 0 t = h 0 - at | (8.8) |
Глубина прогрева бетона at до критической температуры в балках от нагреваемой грани сечения дана на рис. 8.1.
Глубина прогрева бетона а t до критической температуры в колоннах при четырехстороннем огневом воздействии показана на рис. 8.2.0588S10-01164
|
| 1 - на силикатном заполнителе; 2 - на карбонатном заполнителе; 30 - 240 – длительность воздействия стандартного пожара, мин |
| Рисунок8.1 - Глубина прогрева a t до критической температуры t b ,cr тяжелого бетона в балке от нагреваемой грани сечения |
|
| 1 - на силикатном заполнителе; 2 - на карбонатном заполнителе Рисунок8.2 - Глубина прогрева а t до критической температуры тяжелого бетона в колонне при воздействии температуры стандартного пожара |
0588S10-01164
Плиты с шарнирным опиранием
8.3 Железобетонные плиты, шарнирно опертые по двум противоположным сторонам, при одностороннем нагреве снизу разрушаются в результате образования пластического шарнира в середине пролета из-за снижения нормативного сопротивления арматуры растяжению до критического значения напряжения от нормативной нагрузки. Схема усилий и эпюра напряжений в сечении, нормальном к продольной оси плиты в середине пролета, даны на рис. 8.3а.
|
|
|
Прочность пролетного сечения плиты проверяют по формуле
| М = Rbnbx(h0 - 0,5x) + RsctA's(h0 - a') | (8.9) |
При этом высоту сжатой зоны определяют по формуле
| x = (Rsnt As - Rsc t A ' s)/Rbnb | (8.10) |
В сильно армированных плитах при x < xR прочность пролетного cечения плиты допускается определять по формуле
| М = R snt As(h0 - 0,5х) + RsctA's(0,5x - a'). | (8.11) |
Высоту сжатой зоны определяют по формуле (8.10).
|
| Рисунок8.3 - Схема усилий и эпюра напряжений в сечении, нормальном к продольной оси: балочной плиты в пролете (а) и консольной плиты на опоре (б), обогреваемых с нижней стороны |
0588S10-01164
8.4 Критическое значение коэффициента условий работы растянутой арматуры при x < xR, вычисляют по формулам:
при одиночном армировании
| γst,cr = Mn/RsnAs(h0 - 0,5x); | (8.12) |
при двойном армировании
| γst,cr = [M п - RsctA's(0,5x - a ')]/R sn A s(h0 - 0,5х), | (8.13) |
где М п - момент от нормативной нагрузки.
Высоту сжатой зоны определяют по формуле (8.10).
|
|
|
Зная критическое значение коэффициента условий работы арматуры γst,cr, в зависимости от класса арматуры по табл. 5.5 определяют критическую температуру нагрева арматуры ts,cr.
Время наступления предела огнестойкости находят по кривым прогрева бетона плит (см. рис. А.1–А.6 приложения А). На вертикальной оси прогрева плиты находят значение критической температуры арматуры и проводят горизонтальную прямую до пересечения с кривой нагрева бетона, расположенного на расстоянии, равном расстоянию от оси арматуры до нагреваемой поверхности плиты. Из этой точки опускают перпендикуляр до пересечения с горизонтальной осью и находят длительность стандартного пожара в минутах, соответствующую пределу огнестойкости R плиты по потере несущей способности.
Многопустотные плиты
8.5 В многопустотных плитах предел огнестойкости может наступить при действии изгибающего момента от нормативной равномерно распределенной нагрузки, в опасном наклонном сечении от поперечной силы и проскальзывания арматуры на опоре при нагреве контактного слоя бетона и арматуры до критической температуры.
Расчет огнестойкости при действии изгибающего момента в опасном наклонном сечении производится из условия (8.63). Полученный момент умножают на коэффициент 0,9.
При огневом воздействии момент, воспринимаемый продольной арматурой, пересекающей растянутую зону наклонного сечения, определяют из условия (8.66).
Усилие N s в формуле (8.64), воспринимаемое анкерующим стержнем арматуры при ds ≤ 32 в зоне анкеровки, определяют по формуле
| Ns = (η1 Rbtnt ls us / α) < Rsnt As, | (8.14) |
где η1 - коэффициент, учитывающий влияние вида поверхности арматуры и равный 1,5 - для гладкой арматуры; 2,0 - для холодно-деформируемой арматуры периодического профиля; 2,5 - для горячекатаной арматуры периодического профиля;
Rbtnt - нормативное сопротивление бетона осевому растяжению, определяемое по формуле (5.2), в которой коэффициент условий работы бетона на растяжение γbtt принимают в зависимости от температуры бетона, равной температуре анкерующего стержня на опоре. Температуру арматуры в зоне анкеровки при опирании плиты на железобетонный ригель или стену принимают равной 0,8·ts; при опирании на металлическую балку – ts;
l s - расстояние от конца анкеруемого стержня до рассматриваемого поперечного сечения плиты, принимаемого в качестве длины анкеровки (не менее 15ds и 200 мм), требуемой для передачи усилия в арматуре Ns на бетон;
u s - периметр поперечного сечения анкеруемого стержня, определяемый по его номинальному диаметру;
α - коэффициент, учитывающий влияние напряженного состояния бетона и арматуры и конструктивного решения элемента в зоне анкеровки на длину анкеровки. При анкеровке стержней периодического профиля с прямыми концами или гладкой арматуры с крюками или петлями без дополнительных анкерующих устройств α принимают равным 1,0 для растянутых стержней и равным 0,75 - для сжатых стержней.
Момент, воспринимаемый хомутами в пределах растянутой зоны наклонного сечения при огневом воздействии, определяют по формуле (8.67).
8.6 За предел огнестойкости многопустотной плиты принимается минимальное значение из пределов огнестойкости при образовании пластического шарнира в середине пролета и у края наклонной трещины.
Для определения предела огнестойкости момент при образовании пластического шарнира в середине пролета определяют по формулам (8.9) и (8.11), в которых вместо ширины ребра b подставляют ширину сжатой полки b' f, и полученный момент умножают на 0,9.
Консольные плиты
8.7 Консольные плиты имеют жесткую заделку на одной опоре. При одностороннем огневом воздействии снизу прочность опорного сечения снижается, в основном, за счет нагрева до высоких температур сжатого бетона и, как следствие, уменьшения расчетной высоты сечения (см. рис. 8.3,б). Расчетная высота сечения уменьшается на толщину слоя бетона at, прогретого до критической температуры.
Прочность опорного сечения при действии нормативной нагрузки и огневом воздействии снизу следует определять по формулам (8.9) и (8.11), в которых (h0 - 0,5х) заменяют на (h0t - 0,5х), а значение h0t вычисляют по формуле (8.8).
Для плит из бетона классов В30 и ниже с ненапрягаемой арматурой, если полученное из расчета по формуле (8.10) значение х > xR h0t, допускается производить расчет по этим формулам, принимая высоту сжатой зоны х = xR h0t.
Балки
8.8 Как правило, при пожаре балки подвергаются трехстороннему нагреву со стороны нижней горизонтальной поверхности и двух боковых вертикальных поверхностей. При этом происходит нагрев не только растянутой арматуры, но и бетона сжатой зоны и сжатой арматуры (рис. 8.4).
8.9 Момент, который может выдержать шарнирно опертая балка прямоугольного поперечного сечения, определяют по формулам (8.9) и (8.11), в которые вместо b подставляют приведенную ширину балки bt, вычисленную по формуле (8.1).
Прочность тавровых и двутавровых изгибаемых элементов определяют в зависимости от положения сжатой зоны. Если граница сжатой зоны проходит в полке (рис. 8.4,б), то должно соблюдаться условие
| RsntAs < Rbn b'ft h' ft + Rsct A's | (8.15) |
Если граница сжатой зоны проходит в полке, то расчет следует выполнять как для прямоугольного сечения шириной b'ft. В формулы (8.9) и (8.11) вместо b подставляют ширину полки b' ft вычисленную по формуле (8.2).
Если граница сжатой зоны проходит в ребре и условие (8.15) не выполняется, то значение момента определяют по формуле
| М = R bn bt x (h0 - 0,5 x) + Rbn (b'ft - bt) h' ft (h0 - 0,5h'ft) + R sct As (h0 - a') | (8.16) |
При этом высоту сжатой зоны бетона определяют по формуле
| х = [Rsnt As - Rsct A' s - Rbn (b 'ft - bt) h 'ft] / Rbn bt | (8.17) |
0588S10-01164
|
| а - прямоугольного сечения, б - таврового сечения со сжатой зоной в полке; в - таврового сечения с сжатой зоной в ребре |
| Рисунок8.4 - Схема усилий и эпюра напряжений, возникающих в сечении, нормальном к продольной оси изгибаемого железобетонного элемента, от трехстороннего огневого воздействия пожара, при расчете на огнестойкость |
8.10 В балках, армированных разными классами сталей, при многорядном армировании арматура рядов разных уровней будет нагреваться неодинаково. В этом случае при x < xR прочность вычисляют по формуле
| М = Σ Rsnt As (h0 - 0,5 х) + Σ Rsct A' s (0,5 x - а ') | (8.18) |
8.11 Критическая температура нижней растянутой арматуры статически определимой балки при x < xR определяет наступление предела огнестойкости по потере несущей способности.
Критическое значение коэффициента условия работы растянутой арматуры вычисляют:
в балках прямоугольного сечения при одиночной арматуре (без учета сжатой арматуры) по формуле (8.12);
в балках прямоугольного сечения с учетом сжатой арматуры по формуле (8.13);
в балках таврового сечения, когда граница сжатой зоны проходит в ребре, по формуле
| γs,cr = (Мп - А - В) / Rsn As (h0 - 0,5 х); | (8.19) |
| А = Rbn [bt x (h0 - 0,5 х) - h ' ft (h0 - 0,5 h 'ft)]; | (8.20) |
| B = Rsct As (h0 - a'). | (8.21) |
Значение высоты сжатой зоны определяют по формулам (8.10), (8.17), приведенную ширину балки b t - по формуле (8.1), ширину полки b'ft - по формуле (8.2).
Зная критическое значение коэффициента условий работы арматуры γst,cr, в зависимости от класса арматуры, по табл. 5.5 определяют критическую температуру нагрева арматуры t s,cr, для крайнего стержня арматуры в балке. Зная расстояние от оси арматуры до нижней и боковой поверхностей балки, на схемах прогрева балок (см. рисунки Б.7 - Б.22 приложения Б) находят ту схему прогрева балки, в которой температура бетона равна критической температуре оси арматуры крайнего стержня. На этой схеме сверху указана длительность стандартного пожара, которая будет соответствовать пределу огнестойкости балки по потере несущей способности R.
При промежуточных значениях температуры ts,cr на схемах прогрева балок предел огнестойкости определяется по линейной интерполяции.
К олонны
8.12 Колонны, находящиеся в стенах, могут подвергаться огневому воздействию пожара с одной стороны, а также с двух и трех сторон. Отдельно стоящие колонны, как правило, подвергаются воздействию пожара с четырех сторон. При расчете огнестойкости колонн ветровые и крановые нагрузки (при их наличии) не учитывают.
Огневое воздействие вызывает неравномерное распределение температуры в бетоне по поперечному сечению колонны. Периферийные слои бетона прогреваются значительно больше, чем внутренние, что приводит к снижению прочности и сильному развитию деформаций бетона у краев сечения колонны. Менее нагретый бетон центральной части сечения обладает большей прочностью и меньшей деформативностью. Разрушение колонн происходит по менее нагретому, более прочному бетону при деформации сжатия, близкой к предельной.
В арматуре, расположенной у краев сечения колонны, при высоких температурах нагрева развиваются большие пластические деформации, и она перестает воспринимать усилия от внешней нагрузки, которые передаются на менее нагретый бетон в центральной части колонны.
8.13 Расчет прочности при четырехстороннем огневом воздействии прямоугольных сечений внецентренно сжатых колонн с арматурой, расположенной у противоположных в плоскости изгиба сторон сечения, при эксцентриситете продольной силы е0 ≤ h/30 и гибкости λ = l0/h t ≤ 20 производят по формуле
| N ≤ φ(RbnAred + RsctAs,tot), | (8.22) |
где Ared - приведенная площадь сечения, которую определяют по формуле (8.7);
As,tot - площадь всей продольной арматуры в сечении.
8.14 Коэффициент продольного изгиба φ для нагретых прямоугольных и круглых колонн следует принимать в зависимости от отношения расчетной длины колонны l0 к приведенным высоте ht или диаметру dt по табл. 8.1.
Таблица 8.1
| l0/ht | 6 - 12 | 16 | 20 |
| l0/dt | 5 - 10 | 14 | 17 |
| φ для тяжелого бетона | 0,90 | 0,80 | 0,70 |
| φ для конструкционного керамзитобетона | 0,85 | 0,68 | 0,55 |
Площадь приведенного круглого сечения
| A red = 0,785d t2 = 0,785(d - 2аt)2 | (8.23) |
Приведенная высота сечения колонны ht определяется по формуле (8.4) или (8.6).
Глубину прогрева бетона at для круглой колонны находят по рис. 8.2, принимая dt = 0,9bt, и найденное значение at умножают на коэффициент 1,11.
8.15 Расчет по прочности прямоугольных сечений внецентренно сжатых колонн при огневом воздействии производят из условия
| N·e ≤ Rbn bt x (h0t - 0,5 х) + Rsct A's (h0 - a'). | (8.24) |
Высоту сжатой зоны определяют по формуле (рис. 8.5)
при x = х/h0t ≤ xR
| x = (N + Rsnl As - Rsct As) / Rbn bt | (8.25) |
при x = х/h0t > xR
| (8.26) |
При четырехстороннем огневом воздействии приведенную рабочая высота сечения определяется по формуле h0t = h – a - at .
Приведенную ширину bt в формулах (8.24) - (8.26) определяют по формуле (8.1).
|
| а - при трехстороннем; б - при четырехстороннем обогреве и расчете на огнестойкость Рисунок8.5 - Схема усилий и эпюра напряжений в сечении, нормальном к продольной оси внецентренно сжатого железобетонного элемента |
8.16 Эксцентриситет или расстояние от точки приложения продольной силы N до центра тяжести сечения растянутой или менее сжатой арматуры колонны при огневом воздействии определяется по следующей формуле
| е = е0η + 0,5(h0 - а') + et; | (8.27) |
| e 0 = M/N | (8.28) |
Значение коэффициента, учитывающего влияние продольного изгиба колонны на ее несущую способность, определяют по формуле
| (8.29) |
Условную критическую силу определяют по формуле
| N cr = p2D/l02. | (8.30) |
Жесткость железобетонного элемента в предельной по прочности стадии допускается определять по формуле
| (8.31) |
где J, Js - моменты инерции соответственно бетонного сечения и сечения всей продольной арматуры относительно центра тяжести поперечного сечения элемента;
E bt, Est - модули упругости бетона и арматуры при огневом воздействии, определяемые по формулам (5.3) и (5.10);
φ l - коэффициент, учитывающий влияние длительного действия нагрузки на прогиб элемента в предельном состоянии
| φ l = 1 + (Мl1/М1), | (8.32) |
где М1, М l1 - изгибающие моменты внешних сил относительно центра тяжести сечения растянутой (или менее сжатой) арматуры соответственно от действия полной нагрузки и от действия постоянных и длительных нагрузок.
Значение δе определяется по формуле
| δе = е0/h t, но не менее 0,15. | (8.33) |
При одно-, двух- или трехстороннем неравномерном нагреве по высоте сечения внецентренно сжатой колонны дополнительный эксцентриситет (или прогиб) от огневого воздействия определяют по формуле
| et = a (αst ts - αbt tb) l02 / 8h0 | (8.34) |
При четырехстороннем нагреве et = 0.
Для колонн с несмещающими заделками на двух концах (без поворота) l0 = 0,5l; а = 0,55.
Для колонн с несмещающими заделками на двух концах с податливым ограниченным поворотом l0 = 0,8l; а = 0,7.
Для колонн с шарнирными опорами на двух концах l0 = l; а = 1,0.
Коэффициент αbt принимают по табл. 5.2 в зависимости от температуры бетона менее нагретой сжатой грани сечения и αst - по табл. 5.6 в зависимости от температуры арматуры у нагреваемой грани.
8.17 Эксцентриситет, или расстояние от точки приложения продольной силы N до центра тяжести сечения растянутой или менее сжатой арматуры колонны при четырехстороннем огневом воздействии, допускается определять по формуле
| (8.35) |
где Е b1 - определяют по формуле (11.8);
Jred - по формуле (11.9).
8.18 Косвенное армирование сетками или спиралями повышает предел огнестойкости в среднем на 20 %. Расчет огнестойкости колонн при косвенном армировании следует выполнять по формулам (8.22) или (8.24), подставляя в эти формулы вместо R bn приведенную призменную прочность бетона Rbn,red, определенную с учетом влияния огневого воздействия на нормативные сопротивления арматурной стали сетки или спирали.
Несущие стены
8.19 Железобетонные несущие стены сплошного сечения с гибкостью λ ≤ 83 (l0/ht ≤ 24) при одностороннем огневом воздействии, с жесткими несмещаемыми опорами, когда продольная сжимающая сила приложена с начальным или случайным эксцентриситетом со стороны обогреваемой поверхности, работают на внецентренное сжатие. Предел огнестойкости по потере несущей способности наступает при прогибе стены, направленном в необогреваемую сторону.
Прогиб от неравномерного нагрева стены по высоте сечения в расчете не учитывают, так как он направлен в обогреваемую сторону и уменьшает эксцентриситет приложения продольной сжимающей силы.
8.20 При одностороннем огневом воздействии и с жестким опиранием стены прочность внецентренно сжатых плоских элементов при приложении продольной силы с большим эксцентриситетом (рис. 8.6), когда x = х/h0t ≤ ξR, определяют по формулам (8.24) - (8.26), в которых вместо bt принимается b.
8.21 Расчетный предел огнестойкости железобетонных стен при контактном опирании на упругоподатливое основание при растворных швах толщиной 20 мм умножается на коэффициент упругой податливости 0,75; при швах толщиной 5 мм, заполненных цементно-песчаной пастой - на коэффициент 0,85.
8.22 В условиях пожара двухсторонний обогрев железобетонной стены не всегда возможен. Однако при одновременном нагревании с двух сторон в железобетонной стене практически не возникает температурного прогиба, и стена продолжает работать на сжатие. Предел огнестойкости R такой стены, возможно, будет выше, чем при одностороннем нагреве.
0588S10-01164
|
| а - расчетные размеры стены; б - схема разрушения стены при одностороннем огневом воздействии; в - схема сечения стены при расчете огнестойкости |
| Рисунок8.6 - Железобетонная стена с ограниченным поворотом опорных сечений |
Растянутые элементы
8.23 В несущих конструкциях ферм и арок имеются железобетонные элементы, которые работают на центральное и внецентренное растяжение. Как правило, эти элементы во время пожара обогреваются со всех сторон.
8.24 Прочность прямоугольных железобетонных элементов при всестороннем огневом воздействии следует вычислять по следующим формулам:
при центральном растяжении
| N = ΣRsnt As | (8.36) |
при внецентренном растяжении и продольной силе, приложенной между усилиями в арматуре S и S' (рис. 8.7а)
| Ne ≤ RsntA' s (h0 - a') | (8.37) |
| Ne ' ≤ RsntAs (h0 - a ') | (8.38) |
при продольной силе, приложенной за пределами расстояния между усилиями в арматуре S и S' (рис. 8.7б)
| Ne ≤ R bn b t x (h0t - 0,5х) + RsctA 's (h0 - а') | (8.39) |
|
| |
| а) Продольная сила приложена между усилиями в арматуре As и A's; б) Продольная сила приложена за пределами расстояния между усилиями в арматуре A s и A's. Рисунок8.7 - Схема усилий и эпюра напряжений в сечении, нормальном к продольной оси внецентренно растянутого железобетонного элемента, при четырехстороннем обогреве во время пожара при расчете огнестойкости | |
0588S10-01164
Высота сжатой зоны равна
| x = (Rsnt As - Rsct A 's - N) / Rbn bt | (8.40) |
Если х > ξR/h0, то в условие (8.39) подставляют х = ξR h0t.
Расстояние е от растягивающей продольной силы до равнодействующей усилий в арматуре определяют по формуле (8.27) без коэффициента η, так как нет дополнительного продольного изгиба от растягивающей силы, и без е t, так как при всестороннем огневом воздействии нет дополнительного выгиба от неравномерного нагрева.
Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 1013; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!