График работы: Пн-Пт 8:00-20:00
Консультация
Группа компаний КТБ (KTB Beton Group)
Холдинг полного цикла для решения сложных и комплексных задач в области строительств
109428
Россия
Московская область
Москва
2-я Институтская ул., д. 6, стр. 64
+7(495) 241-17-22
+74952411722
ktb@ktbbeton.com
,
9721119200

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) + 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

№ расчетного 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 Коэффициент γbt
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 Коэффициент γst Температура в средних стержнях, 0С

Коэффициент 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 30 минут

№ 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 60 минут

№ 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: 
Читайте также:
Новости