Несущая способность центрально сжатых коррозионно-поврежденных железобетонных элементов, подверженных огневому воздействию

Обеспечение огнестойкости и огнесохранности объектов является одной из основных задач, которая обеспечивает нормальное функционирование здания. Существующие подходы к расчету конструкций, приведенные в [1-9] охватывают большую часть решаемых на практике задач. Однако, существуют задачи, которые выходят за рамки данных подходов и для их решения необходимы специальные подходы. В частности, к таким задачам относится определение огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций подверженных коррозионному повреждению при воздействии пожара.

Основным нормативным документом, на основании которого рассчитывается степень огнестойкости и огнесохранности зданий и железобетонных конструкций является СТО 36554501-006-2006 «Правила по обеспечению огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций» [1]. Данный документ является развитием [2,3] и во многом повторяет их положения. В данном документе приведены температурные поля в различных бетонных сечениях, в которых не учтены теплотехнические характеристики арматуры и другие включения в тело бетона. Указывается, что данные поля могут применяться для расчета железобетонных сечений.

Для получения более точных решений предполагается [1,2,3] найти температурное поле в сечении элемента путем решения дифференциальных уравнений Фурье.

Температура внешний среды при расчете находится согласно ГОСТ 30247.1 «Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции»:

t = 345 lg(0,133τ + 1) + t_e,
где τ - время нагрева;
t_e - начальная температура (принимается равной 20 ⁰С.

Полный тепловой поток к поверхности конструкции определяется как:

Q = Q_c + Q_r, Вт/м²
где Q_c – конвективный тепловой поток;
Q_r – лучистый тепловой поток.

Q_c = a_c(t – t_пов), Вт/м²
где a_c – коэффициент теплообмена;
t_пов – температура поверхности.

Коэффициент теплообмена a_c допускается принять равным 29Вт/м^{2 0}С[1,2,3].

Q_r=5,67ε_red((0,01t+2,31)⁴-( t_пов+2,73)⁴), Вт/м²
где 5,67 – коэффициент пропорциональности в законе Стефана-Больцмана;
ε_red– приведенная степень черноты в системе передачи тепла от среды на поверхность конструкции( для системы «обогревающая среда - бетонная поверхность»: ε_red=0,56).

Коэффициент теплопроводности для бетона на карбонатном(известковом) заполнителе [1,2]:
λ =1,14-0,00055t , Вт/м ⁰С.

Коэффициент теплоемкости для бетона [1,2]:
С=0,71+0,00083 кДж/кг ⁰С

Коэффициент теплопроводности для стали [1,2]:
λ =58-0,048t, Вт/м ⁰С

Коэффициент теплоемкости для стали [1,2]:
С=0,44+0,00063t кДж/кг ⁰С

При расчете также учитывается влажностный фактор. Механически связанная вода в бетоне испаряется при 100 ⁰С, при этом поглощается тепло в количестве 2,26·10³ кДж/кг. [3].

В приведенных в [1,2,3] положениях отсутствуют прямые указания того как рассчитывать коррозионно-поврежденные элементы подверженные огневому воздействию – можно ли использовать температурные поля, приведенные в [1], а также нужно ли учитывать влияние слоя коррозии арматуры на прогрев.

Для решения данной проблемы были проведены теплотехнические расчеты в ПК ABAQUS, позволяющем учесть все особенности поведения материалов при нагреве, а также экспериментально установлены теплотехнические характеристики коррозии Fe₂O₃.

Коэффициент теплопроводности для коррозии Fe₂O₃:
λ =38,9-0,029t, Вт/м ⁰С

Коэффициент теплоемкости для коррозии Fe₂O₃:
С=0,632+0,00067t кДж/кг ⁰С

В качестве примера было рассчитано сечение колонны на карбонатном заполнителе габаритами 300х300мм, армированного стержнями арматуры 20мм, имеющими коррозионное повреждение 4мм (36% площади сечения) в различных вариациях. На рисунке №1 показаны варианты рассчитываемых сечений.

Результаты прогрева сечений при 30 и 60 минутах приведены на рисунках 2 и 3. Из рисунков видно, что эпюры имеют некоторые различия в областях установленной арматуры.

На основании полученных температурных полей определены прочностные характеристики материалов и произведены расчеты несущей способности как для центрально сжатого стержня по формуле[1]:

N = φ(R_bnA_red + R_sctA_s,tot),
где φ – коэффициент продольного изгиба;
A_red = 0,9(b - 2a_t)(h - 2а_t) – площадь сечения колонны;
b,h – габариты сечения;
а_t–величина прогрева карбонатного сечения до 600⁰С;
A_s,tot- площадь сечения арматуры;
R_bn– нормативное сопротивление бетона сжатию в центре тяжести сечения колонны с учетом коэффициента γ_bt;
R_sct– расчетное сопротивление арматуры сжатию с учетом температурного коэффициента условий работы γ_st.

Результата расчетов прочностных характеристик и расчетов занесены в таблицы 2 и 3.

По результатам расчета установлено:

• Для сечений №1,2,3(сечения без отслоения защитного слоя) – отсутствие существенных различий в полученной несущей способности и температурном поле.
• Для сечений №5,6(сечения с фактическими характеристиками элементов сечения с отслоением защитного слоя) – снижение несущей способности относительно сечений №1,2,3 до 20% при 30 минутах прогрева; до 25% – при 60 минутах прогрева.
• Сечение №4(без защитного слоя – заданное полностью бетонным) –дает завышенные характеристики несущей способности относительно сечений 5 и 6: при 30 минутах прогрева – до 2%, при 60 минутах прогрева – до 5%.
• Сечения №5,6(арматура изолирована и не изолирована коррозией от внешней среды) по несущей способности отличаются не более 1%.

Рисунок 1. Случаи теплотехнического расчета

• №1,2,3 – случаи расчета без отслоения защитного слоя;
• №4,5,6 – случаи с отслоением защитного слоя бетона;
• №1,4 – сечение задано полностью бетонным;
• №2 – сечение задано с учетом всех особенностей материалов;
• №3 - сечение задано с учетом особенной только бетона и арматуры, теплотехнические параметры коррозии заданы бетоном;
• №5 - сечение задано с учетом всех особенностей материалов, на арматуре со стороны воздействия температуры имеется слой коррозии;
• №6 - сечение задано с учетом всех особенностей материалов, на арматуре со стороны воздействия температуры отсутствует слой коррозии.

Рисунок 2. Прогрев сечений в течении 30 минут

Рисунок 3. Прогрев сечений в течении 60 минут

Таблица 1.Расчетные характеристики

Таблица. Расчетные характеристики

Таблица. Несущая способность при прогреве 30 минут

Таблица. Несущая способность при прогреве 60 минут

ВЫВОДЫ

1. На несущую способность оказывает влияние фактор отслоения защитного слоя бетона. В рассматриваемом примере несущая способность сечения с отслоением защитного слоя снижается до 25%.
2. Железобетонное сечение, полностью смоделированное в расчетной схеме бетонными характеристиками, допустимо принимать при отсутствии отслоения защитного слоя бетона, при этом разница в несущей способности от фактического значения составит не более 1%.
   При расчете железобетонного сечения с отслоением защитного слоя бетона, разница в несущей способности между случаем, в котором сечение смоделировано бетонным и случаями с моделированием сечения с фактическими характеристиками материалов составит порядка 5%. При этом сечение смоделированное бетонным, увеличивает несущую способность, поэтому необходимо учитывать настоящее обстоятельство.
3. Моделированием коррозионных продуктов арматурных стержней, а также их характеристиками в теплотехническом расчете можно пренебречь, в силу отсутствия существенной разницы в полученных результатах.

ЛИТЕРАТУРА

1. СТО 36554501-006-2006 Правила по обеспечению огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций, М.,2006 - 78c.
2. МДС 21-2.2000 Методические рекомендации по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций, М., 2000 - 122c.
3. Рекомендации по расчету пределов огнестойкости бетонных и железобетонных конструкций/НИИЖБ - М. Стройиздат, 1986 – 40 c.
4. Рекомендации по применению огнезащитных покрытий для металлических кон­струкций /ЦНИИСК им. Кучеренко -М.: Стройиздат. 1984. - 40 с.
5. Граник Ю. Г. Проблемные вопросы пожарной без­опасности высотных зданий. сб. материалов меж­дународной конференции «Комплексная пассивная огнезащита высотных и многофункциональных зданий. 26 июня 2006 г. М., 231 с.
6. Кузнецова И. С, Рябченкова В. Г. Противопожарные нормы - основа пожар­ной безопасности зданий и сооружений // Промышленное и гражданское строительство. 2017. N1. С. 35-38.
7. Милованов А. Ф., Соломонов В. В., Кузнецова И. С. Огнестойкость и огнесохранность зданий и со­оружений // Промышленное и гражданское стро­ительство. 2002. NS9. С. 39-40.
8. Милованов А. Ф. Стойкость железобетонных кон­струкций при пожаре. M. Стройиздат, 1998. 296с.
9. Соломонов В. В., Милованов А. Ф., Кузнецом И. С. Высотные здания: проблемы безопасности // Строительный эксперт. 2006. № 21(232).
10. Сосков А.А., Пронин Д.Г. Огнезащита стальных конструкций /Промышленное и граж­данское строительство, №7, 2015. – С.57-59.

REFERENCES

1. STO 36554501-006-2006 Rules for ensuring fire resistance and ognesokhrannosti zhelezobetonnykh konstruktsiy [Rules for fire resistance and fire safety of reinforced concrete structures]. Moscow,2006- 78p.
2. MDS 21-2.2000 Metodicheskie rekomendatsii po raschetu ognestoykosti i ognesokhrannosti zhelezobetonnykh konstruktsiy [Guidelines for the calculation of fire resistance and fire safety of reinforced concrete structures]. Moscow,2000 -122p.
3. Rekomendatsiiporaschetupredelovognestoykostibetonnykhizhelezobetonnykhkonstruktsiy [Recommendations for the calculation of fire resistance limits of concrete and reinforced concrete structures]/ NIIZhB - M. Stroyizdat, 1986 – 40p.
4. Rekomendatsiipoprimeneniyuognezashchitnykhpokrytiydlyametallicheskikhkonstruktsiy [Recommendations for the use of fire-retardant coatings for metal structures] TsNIISKim. Kucherenko -M.: Stroyizdat. 1984. – 40p.
5. GranikJu. G. The Problem of fire safety of tall buldngs. Proc. of the international conference«Integrated passive fire protection of high-rise and mixed-use buildings».26 June 2006. Moscow, 231 p. (In Russian).
6. Kuznetsova I. S., Ryabchenkova V. G. Fire regulations are the basis of fire safety of buildings and structures. Promyslennoeigrazhdanskoestroitel’stvo [Industrial and Civil Engineering], 2017, no. 1, pp. 35-38. (In Russian).
7. Milovanov A. F., Solomonov V. V., Kuznecova I. S. Fire-resistance of buildings and structures. Promryshlennoeigrazhdanskoestroitel’stvo, 2002, no. 9, pp. (In Russian).
8. Milovanov A. F. Stojkost’zhelezobetonnyhkonstrukcijpripozhare [Durability of reinforced concrete structures in case of fire). Moscow, Strojizdat Publ., 1998. 296 p. (In Russian).
9. Solomonov V. V., Milovanov A. F., Kuznecova I. S. High rise buildings: security problems. Stroitefnyjeks- perl, 2006, no. 21(232). (In Russian).
10. Soskov A. A., Pronin D. G. Fire protection of steel structures Promyslennoeigrazhdanskoestroitel’stvo [Industrial and Civil Engineering], 2015, no. 7, pp. 57-59. (In Russian).