АО КТБ ЖБ
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. 

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) + 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 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(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

Читайте также:

ЦИФРОВАЯ РАДИОГРАФИЯ ДЛЯ КОНТРОЛЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ И СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

В строительной отрасли, при возведении несущих металлических конструкций, а также нефтяной и газовой промышленности, при...

Автоматизированный мониторинг зданий и сооружений при помощи датчиков

Автоматизированный мониторинг зданий. В статье приведено описание мониторинга зданий и сооружений с помощью датчиков. Ук...

Оптимальные методы определения прочности бетона при обследовании зданий и сооружений.

Для достоверной оценки технического состояния здания и его бетонных и железобетонных конструкций важно знать фактическую...

Зарождение и развитие системы стандартизации и технического регулирования в строительстве в России.

В статье приводится суть деятельности, цели стандартизации и понятия самого стандарта. Статья дает краткий экскурс в ист...

Проблемы оценки карстово-суффозионной опасности в г. Москве при выполнении инженерно-геологических изысканий.

Карстовые процессы в Москве и Московском регионе связаны с наличием в разрезе свыше 300 метров водопроницаемых и раствор...

Усиление монолитных большепролетных железобетонных покрытий с ис-пользованием предварительно напряженной канатной арматуры

В статье рассказано об усилении монолитных железобетонных покрытий с криволи-нейным расположением напряженной канатной а...

Опыт применения несущей арматуры повышенной жесткости в монолитных легкожелезобетонных перекрытиях

В статье приведено описание опыта возведения легкожелезобетонных монолитных перекрытий с применением несущей арматуры по...

Программа продления жизни жилых домов в Москве. Анализ практического опыта: достоинства и недостатки

В Жилищный кодекс Российской Федерации, федеральным законом от 25.12.2012 № 271 –ФЗ [1], внесены существенные изменения ...