yandex
НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ЦЕНТРАЛЬНО СЖАТЫХ КОРРОЗИОННО-ПОВРЕЖДЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПОДВЕРЖЕННЫХ ОГНЕВОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ
Назад

НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ЦЕНТРАЛЬНО СЖАТЫХ КОРРОЗИОННО-ПОВРЕЖДЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПОДВЕРЖЕННЫХ ОГНЕВОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ

Определение несущей способности элементов подверженных огневому воздействию зависит от точности проведения теплотехнического расчета. Проведя данный расчет определяется распределение температурного поля по сечению элемента и зависящие от него прочностные характеристики. Распределение температуры по сечению элемента зависит от таких параметров как теплоемкость и теплопроводность частей сечения, пространственного положения конструкции, ее влажности. В рамках работы произведены теплотехнические расчеты сечения колонны с различными вариантами задания сечения – с защитным слоем и без него, с учетом теплотехнических показателей всех компонентов сечения(арматуры, бетона и коррозии) и без учета показателей коррозии и арматуры. На основании полученных температурных полей рассчитана несущая способность и ее процентное соотношение. Основными выводами являются: высокое влияние на несущую способность фактора отслоения защитного слоя бетона, влияние на несущую способность теплотехнических характеристик материалов при отслоении защитного слоя бетона. The determination of the bearing capacity of elements subject to fire impact depends on the accuracy of the thermal calculation. After this calculation, the distribution of the temperature field over the cross section of the element and the strength characteristics depending on it are determined. The temperature distribution over the cross section of an element depends on such parameters as the heat capacity and thermal conductivity of parts of the section, the spatial position of the structure, its humidity. As part of the work, heat engineering calculations of the cross section of the column were performed with various options for specifying the cross section - with and without a protective layer, taking into account the thermal performance of all cross section components (reinforcement, concrete and corrosion) and excluding corrosion and reinforcement. Based on the obtained temperature fields, the bearing capacity and its percentage ratio were calculated. The main conclusions are: the high impact on the carrying capacity of the detachment factor of the protective layer of concrete, the effect on the carrying capacity of the thermal performance of materials when the protective layer of concrete is peeled off.

Обеспечение огнестойкости и огнесохранности зданий 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 производятся расчеты огнестойкости и огнесохранности 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) + te,

где τ - время нагрева;

te - начальная температура (принимается равной 20 0С.

Полный тепловой поток к поверхности конструкции определяется как:

Q = Qc + Qr, Вт/м2

где Qc – конвективный тепловой поток;

Qr – лучистый тепловой поток.

Qc = ac(t – tпов), Вт/м2

где ac – коэффициент теплообмена;

tпов – температура поверхности.

Коэффициент теплообмена ac допускается принять равным 29Вт/м2 0С[1,2,3].

Qr=5,67εred((0,01t+2,31)4-( tпов+2,73)4), Вт/м2

где 5,67 – коэффициент пропорциональности в законе Стефана-Больцмана;

εred– приведенная степень черноты в системе передачи тепла от среды на поверхность конструкции( для системы «обогревающая среда - бетонная поверхность»: εred=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 этомпоглощается 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 такжеэкспериментально 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(RbnAred + RsctAs,tot),

где φ – коэффициент продольного изгиба;

Ared = 0,9(b - 2at)(h - 2аt) – площадь сечения колонны;

b,h – габариты сечения;

аt–величина прогрева карбонатного сечения до 6000С;

As,tot- площадь сечения арматуры;

Rbn– нормативное сопротивление бетона сжатию в центре тяжести сечения колонны с учетом коэффициента γbt;

Rsct– расчетное сопротивление арматуры сжатию с учетом температурного коэффициента условий работы γst.

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%.

   рис1.png

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.


   рис2.PNG

Рисунок 2. Прогрев сечений в течении 30 минут


                            рис3.PNG

Рисунок 3. Прогрев сечений в течении 60 минут


 

Таблица 1.Расчетные характеристики

№ расчет-ного случая

Время прогрева, мин

 

Площадь бетона с учетом отслоения, см

Средняя величина прогрева до 6000С, см

 

Расчетная площадьAred , см2

Расчетная высота сечения, см

Темпера-тура в центре тяжести сечения, 0С

Коэффи-циентγbt

1

30

900

0,6

746,1

27,31

20

1

2

30

900

0,6

746,1

27,31

20

1

3

30

900

0,6

746,1

27,31

20

1

4

30

840

0,6

690,3

26,27

20

1

5

30

840

0,6

690,3

26,27

20

1

6

30

840

0,6

690,3

26,27

20

1

1

60

900

1,7

637,2

25,24

24

1

2

60

900

1,7

637,2

25,24

24

1

3

60

900

1,7

637,2

25,24

24

1

4

60

840

1,7

580,5

24,09

27

1

5

60

840

1,8

561,6

23,70

28

1

6

60

840

1,8

561,6

23,70

28

1

Таблица. Расчетные характеристики

№ расчетного случая

Время прогрева, мин

 

Температура в крайних стержнях, 0С

Коэффи-циент

γst

Температура в средних стержнях, 0С

Коэффи-

циент

γst

1

30

364

0,90

218

1

2

30

348

0,93

210

1

3

30

347

0,93

210

1

4

30

538

0,51

582

0,42

5

30

563

0,46

607

0,36

6

30

574

0,43

607

0,36

1

60

595

0,38

394

0,86

2

60

581

0,42

388

0,87

3

60

580

0,42

387

0,87

4

60

738

0,17

748

0,16

5

60

805

0,09

815

0,08

6

60

812

0,09

814

0,08

Таблица. Несущая способность при прогреве 30минут

№ расчетного случая

Несущая способность при центральном сжатии, кН

Процентное выражение

1

1648,832

100

2

1655,782

100

3

1656,362

100

4

1358,719

82

5

1333,235

81

6

1325,996

80

 

 

Таблица. Несущая способность при прогреве 60минут

№ расчетного случая

Несущая способность при центральном сжатии, кН

Процентное выражение

1

1295,935

100

2

1307,664

101

3

1307,374

101

4

1040,376

80

5

974,1578

75

6

971,986

75

 

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).

Поделиться
в соцсетях