Для решения уравнения фурье при расчете огнестойкости плоских конструкций применяются

Видео:Уравнение колебаний струны. Метод разделения переменных. Метод ФурьеСкачать

Для решения уравнения фурье при расчете огнестойкости плоских конструкций применяются

Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий

ФГБОУ ВПО Уральский институт государственной противопожарной службы

Факультет платных образовательных услуг

на тему: Разработка комплекса инженерно- технических мероприятий с целью повышения огнестойкости строительных конструкций

Задание на выполнение дипломного проекта

Студент учебной группы 5-512: Секачёв Д.О.

Научный руководитель: преподаватель кафедры ПБС ст. лейтенант внутренней службы В.В.Смирнов.

. Тема проекта: «Разработка комплекса инженерно-технических мероприятий с целью повышения огнестойкости строительных конструкций»

утверждена приказом УрИ ГПС МЧС России от « » ________ 2013г. №__

. Срок сдачи студентом законченного проекта: «___»________2013г.

. Исходные данные проекта: раздел КЖ проектной документации административно-торгового здания, расположенного по адресу: г. Екатеринбург, ул.Ильича-Победы.

. Содержание дипломного проекта: характеристика проектируемого объекта, расчет огнестойкости железобетонных конструкций, экспертиза соответствия основных строительных конструкций, технические решения по повышению огнестойкости железобетонных конструкций и их экономическое обоснование.

. Перечень графического материала, чертежи формата А1:

Фасад, схемы несущих элементов и элемента перекрытия, планы этажей.

. Консультанты по проекту с указанием относящихся к ним разделов темы:

РазделФ. И. О. консультантаПодпись, датаПодпись, датаОтметка о выдачеЗадание принялОценка огнестойкости железобетонных конструкцийОжегов Э.А.Технические решения по повышению огнестойкости железобетонных конструкцийКошелев А.ЮЭкономическое обоснование принятых технических решенийБровченко Е.С.

№ пп/пНаименование этапов дипломного проекта (работы)Срок выполнения этапов работыОтметка о выполнении1.Введение2.Оценка огнестойкости железобетонных конструкций 3.Экспертиза строительных конструкций4.Технические решения по повышению огнестойкости железобетонных конструкций и их экономическое обоснование5Выводы6Графическая часть

преподаватель кафедры ПБС,

ст. лейтенант внутренней службы В.В.Смирнов

Дипломный проект выполнен на тему «Разработка комплекса инженерно- технических мероприятий с целью повышения огнестойкости строительных конструкций».

Цель дипломного проекта — Разработка комплекса инженерно-технических мероприятий с целью повышения огнестойкости железобетонных строительных конструкций административно-торгового здания, расположенного по адресу: г. Екатеринбург, ул. Ильича-Победы» .

В дипломном проекте приведены характеристика проектируемого объекта, расчет огнестойкости железобетонных конструкций, экспертиза соответствия основных строительных конструкций, технические решения по повышению огнестойкости железобетонных конструкций и их экономическое обоснование.

Увеличение статистики количества катаклизм и катастроф в современном мире природного и техногенного характера обуславливают поиски более продуктивных и эффективных мер защиты и спасения людей, а так же материальных ценностей.

Среди всех бедствий, катастроф и аварий основным являются пожары. На их долю приходится примерно 70% всех чрезвычайных ситуаций. Повышение уровня пожарной безопасности зданий и сооружений в современных условиях, как и прежде, является важной задачей, с которой сталкивается наше государство.

Приоритетностью Федеральных законов, СНиП, СП по обеспечению пожарной безопасности в строительстве являются:

первостепенность требований, направленных на обеспечение безопасности людей при пожаре, по сравнению с другими противопожарными требованиями;

применимость противопожарных требований к зданиям и сооружениям на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации, включая реконструкцию, ремонт и изменение функционального назначения;

изложение главных требований к противопожарной защите зданий и сооружений в форме целей этой защиты;

Ни одно противопожарное мероприятие не даст положительного эффекта, если при пожаре не будет гарантирована соответствующая защита несущей системы здания от обрушения, которая обеспечивается огнестойкостью строительных конструкций.

Теоретическая часть огнестойкости строительных конструкций, как составная, общей теории сопротивления зданий и сооружений, объединяет в одном направлении специальные знания из области термодинамики, теории тепло- и массопереноса, строительной механики, теории конструктивной безопасности и живучести несущих систем, силового и средового сопротивления материалов разрушению и деформированию, теории надёжности, теории вероятности, а также ряда других областей строительной науки.

С 1 июля 2008 г. вступило в силу постановление правительства Российской Федерации № 87 от 16.02.2008 года, утвердившее Положение о составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию (далее Положение).

В соответствии с п.26 Положения был введен раздел проектной документации «Мероприятия по обеспечению пожарной безопасности». Данный раздел является одним из основных разделов проектной документации. Выполнение мероприятий, заложенных в этом разделе, направлено на обеспечение безопасности, защиту жизни и здоровья людей и защиту имущества при пожаре.

Составной частью раздела «Мероприятия по обеспечению пожарной безопасности» является описание и обоснование принятых конструктивных и объемно-планировочных решений, степени огнестойкости и класса конструктивной пожарной опасности здания.

Целью настоящего дипломного проекта является разработка комплекса инженерно-технических мероприятий с целью повышения огнестойкости строительных конструкций административно-торгового здания, расположенного по адресу: г. Екатеринбург, ул.Ильича-Победы.

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— выполнить расчет огнестойкости несущих железобетонных конструкций здания;

провести экспертизу строительных конструкций здания на соответствие требованиям пожарной безопасности;

предложить технические решения по повышению пределов огнестойкости строительных конструкций;

выполнить экономическое обоснование предложенных технических решений.

1. Характеристика проектируемого здания

.1 Архитектурные решения

% внешней отделки фасада — это вентилируемая фасадная система с лицевым слоем из композитных панелей синего цвета RAL 5017. 40% — это вентилируемая фасадная система с лицевым слоем из керамогранита белового цвета, глянцевый RAL 9010.10% внешней отделки цоколя здания — керамогранитная плитка темно серого цвета. Для наружной отделки стен применяется сертифицированная вентилируемая фасадная система утепления класса К0.

Размер подземного паркинга, расположенного на нулевом уровне в осях А-Д/ 1-9- 19,9х41,7м., а так же в осях Д-С/7-9 — 16,5х12,3. Высота помещения до низа покрытия -0,440, пол расположен на уровне -3,590 Высота паркинга 3,150м. В осях П-С/1-9 — 9,7х41,7 расположено техническое помещение высотой 2,220м

Размер торгового зала на первом этаже в осях А-Д/1-9 -1-9- 19,9х41,7м, а так же в осях Д-П/7-9- 35,6х12,3. Высота помещения до низа ферм 0,000, до низа покрытия +3,500. Общая высота здания +4,115. Разность отметок поверхности проезда для пожарных машин и нижней границы окна в наружной стене +2,700.

Размер административной части второго и третьего этажа, расположенного в осях А-Д/ 1-9- 19,9х41,7м., а так же в осях Д-К/7-9- 16,5х12,3м. Высота второго и третьего этажа по 2,500м. Высота здания на уровне второго этажа +8,060. Высота здания на уровне третьего этажа +11,805. Разность отметок поверхности проезда для пожарных машин и нижней границы окна в наружной стене +5,000 у второго этажа.

Размер административной части четвертого этажа, расположенного в осях А-Г/ 1-8- 14,8х36,4м. Высота этажа 3,000м. Высота здания на уровне четвертого этажа +15,253м.

Степень огнестойкости здания — II. Уровень ответственности здания — II. Долговечность здания — 50-100 лет. Класс конструктивной пожарной опасности — С0. Класс пожарной опасности. несущих элементов (колонны, ригели), наружных стен с внешней стороны (вентилируемая фасадная система с лицевым слоем керамогранита и утеплителем Rockwool), стен перегородок, перекрытий и покрытий, стен, лестничных клеток, маршей и площадок лестниц в лестничных клетках, противопожарных преград — К0.

Класс функциональной пожарной опасности предприятия торговли — Ф 3.1.

Класс функциональной пожарной опасности офисных помещений — Ф 4.3. Класс функциональной пожарной опасности автостоянок — Ф 5.2.

Здание по вертикали делится на 3 пожарных отсека противопожарными перекрытиями 1-го типа:

1 пожарный отсек — подземная автостоянка. Объем 4525,1 м.куб.

пожарный отсек — предприятие торговли, расположенное на первом этаже здания. Объем 4219,3 м.куб.

пожарный отсек- помещение административного назначения. Объем 7150,7 м.куб.

.2 Конструктивные решения

Проектируемый объект представляет собой здание однообъемное, состоящее из 3-х частей: подземный паркинг, торговый зал первого этажа и административная часть с офисами со второго по четвертый этажи, с крайними осевыми размерами всего здания 65,1 ×41,7 м. Конструктивная схема здания — железобетонный каркас, в который входят железобетонные колонны шагом 5,5х7,0 и 5х5,5 метра, а также ригели. Железобетонные конструкции по серии 1.020. В общей устойчивости и геометрической неизменяемости здания при пожаре участвуют колонны, а так же железобетонные ригели.

Несущие конструкции, участвующие в обеспечении общей устойчивости геометрической неизменяемости здания при пожаре — сборные железобетонные колонны и ригели.

Колонны здания — железобетонные, с расчетной нагрузкой 2100 кН, расчетной длиной 3000 мм., с размерами в сечении 300х300 мм., класс бетона В 025, средняя плотность бетона 2330 кг/м 3 , диаметр и класс арматуры 6?25АIII, весовая влажность бетона 2%, толщина защитного слоя до края арматуры 45мм., вид крупного заполнителя- гранит.

Ригели здания — железобетонные, с расчетной нагрузкой 50 кН/м, расчетной длиной 5500 мм., с размерами в сечении 300х450 мм., класс бетона В 30, средняя плотность бетона 2330 кг/м 3 , диаметр и класс арматуры 4?25АIII, весовая влажность бетона 1,5%, толщина защитного слоя до края арматуры а 1 = 50мм., а 2 = 120мм., с 1 = 50мм., вид крупного заполнителя- гранит.

Плиты перекрытия- многопустотные железобетонные. С расчетной нагрузкой 8 кПа, расчетной длиной 5000 мм., с размерами в сечении 1490х220 мм., класс бетона В 35, средняя плотность бетона 2330 кг/м 3 , диаметр и класс арматуры 7?10АIII, весовая влажность бетона 1,5%, толщина защитного слоя до края арматуры 20мм.,количество и диаметр пустот 7х160мм., вид крупного заполнителя- гранит.

Фундаменты — монолитные железобетонные ростверки на свайном основании.

Лестницы внутренние — монолитные железобетонные; наружные — металлические.

Стены наружные ненесущие — пазогребневые газозолобетонные блоки, толщиной 300мм.

Перегородки — из гипсокартона системы «Knauf». Кирпичные перегородки из пустотелого керамического кирпича марки КП-050/25 по ГОСТ 530-2007 на растворе мерки М25.

Окна и витражи — из алюминиевых сплавов по ГОСТ 23166-99 с одинарным оконным блоком с двухкамерным стеклопакетом с откидным открыванием.

Покрытие над паркингом: железобетонная плита 220мм., пароизоляция 1 слой полиэтиленовой пленки, утеплитель (экструдированный пенополистирол), слой полиэтиленов пленки, армированная стяжка из цементного раствора, огрунтовка раствором битумного праймера в растворители (нефрас), два слоя техноэласта, гравий, геотекстиль, плодородный грунт с газоном.

Покрытие первого и третьего этажа здания: железобетонная плита 220мм., пароизоляция 1 слой полиэтиленовой пленки, керамзитовый гравий, утеплитель минераловатные плиты, слой полиэтиленов пленки, армированная стяжка из цементного раствора, три слоя изопласта, прослойка и заполнение швов цементно-песчаным раствором, бетонная тротуарная плитка с поверхностью, предотвращающей скольжение.

Покрытие четвертого этажа здания: подвесной потолок, железобетонная плита 220мм., пароизоляция 1 слой полиэтиленовой пленки, керамзитовый гравий, утеплитель минераловатные плиты, слой полиэтиленов пленки, армированная стяжка из цементного раствора, три слоя изопласта.

Лестничные марши — монолитные железобетонные.

Таблица 1.1 Технико-экономические показатели здания

Пожарный отсекЭтажностьПлощадь этажа в пределах пожарного отсека, м2Степень огнестойкостиКласс конструктивной пожарной опасностиПредприятие торговли11267,71IIC0Административные помещения2-42604,28IIC0Подземная автостоянка01437,27IIС0

На первом и третьем этажах здания, в административно- торговой части предусмотрены две лестничные клетки типа Л1 с шириной марша 1,5 м. Для доступа на кровлю здания предусмотрена пожарная лестница типа П1 с шириной марша 0,9 м.

Торговый зал имеет эвакуационные выходы шириной 1,2 м. Ширина основных эвакуационных проходов в торговой зале составляет 2,5 м.

К проектируемому зданию предусмотрен подъезд пожарной техники со всех сторон. Ширина проездов (с учетом прилегающего тротуара) составляет 7,5 м. Расстояние от внутреннего края проездов до стен здания не превышает 8 м.

Строительные конструкции, предусмотренные проектом, приведены в таблице 1.2

Строительные конструкции, материалРазмеры, мм.Защитный слой, мм.Требуемый предел огнестойкостиКласс пожарной опасности конструкции1 и 2 пожарные отсеки. Несущие железобетонные сборные колонны, серия 1.020, REI 120300х300Расстояние до оси арматуры 45 мм. REI 150K03 пожарный отсек. Несущие железобетонные сборные колонны, серия 1.020, REI 120300х300Расстояние до оси арматуры 45 мм REI 190K01 и 2 пожарные отсеки. Несущие железобетонные сборные ригели, серия 1.020, REI 120450х300Расстояние до оси арматуры 37,5 мм.REI 150K03 пожарный отсек. Несущие железобетонные сборные ригели, серия 1.020, REI 120450х300Расстояние до оси арматуры 37,5 мм.REI 190K01 и 2 пожарные отсеки. Несущие железобетонные сборные плиты, REI 160220 (эффективная толщина 127)Расстояние до оси арматуры 25 мм.REI 150K03 пожарный отсек. Несущие железобетонные сборные плиты, REI 160220 (эффективная толщина 127)Расстояние до оси арматуры 25 мм.REI 145K0Самонесущие стены лестничных клеток пенобетонные, отделяющие пожарные отсеки300REI 150K0Самонесущие стены лестничных клеток пенобетонные, отделяющие пожарные отсеки лестничными площадками, маршами и их элементами300REI 190K0лестничные площадки, марши и их элементыREI 60K0Оштукатуренные с двух сторон самонесущие кирпичные стены, отделяющие пожарные отсеки в лестничных клетках20+120+20REI 150K0Оштукатуренные с двух сторон самонесущие кирпичные перегородки20+120+20EI 150K0Перегородки пенобетонные300EI145K0Перегородки гипсоволокнистые СП55-102-2001100K0Перегородки пазогребневые100K0Наружные ненесущие стены пазогребневые газозолобетонные блоки 300мм., вентилируемая фасадная система с утеплителем Rockwool и лицевым слоем из керамогранита30+200E330K0Стены фундаментов30050R150K0

В данном разделе приведена характеристика проектируемого объекта. Несущие конструкции, участвующие в обеспечении общей устойчивости геометрической неизменяемости здания при пожаре — сборные железобетонные колонны и ригели.

Требуемая степень огнестойкости здания — II, класс конструктивной пожарной опасности — С0.

2. Оценка соответствия строительных конструкций требованиям пожарной безопасности

.1 Теоретическое положение по расчету огнестойкости строительных конструкций

Под огнестойкостью строительных конструкций понимается их способность сопротивляться воздействию пожара в течение определенного времени, сохраняя при этом обычные эксплуатационные функции, т.е. сохранять несущую или ограждающую способность. Показателем огнестойкости строительных конструкций является предел огнестойкости. Предел огнестойкости строительных конструкций устанавливается по времени (в минутах) от начала огневого испытания (начала пожара) до наступления одного или последовательно нескольких, нормируемых для данной конструкции, признаков предельных состояний:

потери несущей способности (R);

потери целостности (Е);

потеря теплоизолирующей способности вследствие повышения температуры на необогреваемой поверхности конструкции до предельных значений (I) или достижения предельной величины плотности теплового потока на нормируемом расстоянии от необогреваемой поверхности конструкции (W).

Потеря целостности — это образование в конструкции трещин или сквозных отверстий, через которые могут проникать продукты горения или пламя.

Потеря теплоизолирующей способности означает повышение температуры на необогреваемой поверхности в среднем более чем на 140°С или в любой точке этой поверхности более чем на 180°С по сравнению с первоначальной температурой или более 220°С независимо от первоначальной температуры конструкции.

Пределы огнестойкости строительных конструкций определяются экспериментальным (опытным) путем на специальных установках или расчетом для предельных состояний (R) и (I).

Требования безопасности считаются выполненными, если , где

— предел огнестойкости конструкции, называемый фактическим;

— предел огнестойкости, устанавливаемый условиями безопасности или нормами, называемый требуемым.

Под огнестойкостью здания понимается его способность сопротивляться разрушениям в условиях пожара. Классификация зданий по степени огнестойкости приведена в ст. 30, 87, табл. 21. Каждой степени огнестойкости соответствует набор конструкций, имеющих предел огнестойкости не менее указанного в табл. 21.

Различают фактическую степень огнестойкости (Пф) и требуемую (Птр). Фактическая степень огнестойкости здания определяется по наименьшим показателям огнестойкости строительной конструкции. Требуемая степень огнестойкости зданий нормируется. Условия безопасности удовлетворяются при соответствии фактической степени огнестойкости требуемой.

Среди многих требований, предъявляемых к строительным конструкциям, является требование соответствия конструкций своему назначению и заданным условиям эксплуатации в течении необходимого имени. Это соответствие строительных конструкций предъявляемым требованиям обуславливается расчетом.

В настоящее время основным методом расчета строительных конструкций для условий эксплуатации и монтажа является метод предельных состояний, разработанный Н.С. Стрелецким и действующий в нашей стране с 1955 г.

Суть метода заключается в установлении для конструкций так называемых предельных состояний и в обеспечении конструкций расчетным путем от наступления этих состояний.

Предельным называется такое состояние конструкции, при достижении которого она перестает удовлетворять предъявляемым к ней требованиям в процессе эксплуатации или монтажа, т.е. конструкция теряет способность сопротивляться внешним воздействиям или получает допустимые деформации.

.2 Теоретическое положение по расчету огнестойкости железобетонных конструкций

.2.1 Теплотехническая часть расчета

Огнестойкость железобетонных конструкций утрачивается, как правило, в результате потери несущей способности (обрушения) за счет снижения прочности, теплового расширения и температурной ползучести арматуры и бетона при нагревании, а также вследствие потери теплоизолирующей способности.

Предел огнестойкости железобетонных конструкций по теплоизолирующей способности находится путем теплотехнического расчета.

Расчет огнестойкости конструкций зданий и сооружений может производиться, если известны теплофизические, прочностные и деформативные характеристики строительных материалов при высоких температурах.

Расчет температурных полей железобетонных конструкций на огнестойкость основывается на решении краевых задач нестационарной теплопроводности неоднородных капиллярно-пористых тел в условиях стандартного температурного режима. При этом должны приниматься во внимание особенности внешней и внутренней нелинейности задачи, характеризующейся сложными законами нестационарного теплообмена между обогреваемыми и необогреваемыми поверхностями тела и окружающей средой пожара при граничных условиях третьего рода.

Изменение температуры при стандартном температурном режиме характеризуется зависимостью:

где: — температура среды, °С; ? — время пожара, с; tн— начальная температура конструкции до пожара, равная 20 °С.

При этом необходимо учитывать переменность во времени теплофизических характеристик материала в зависимости от непрерывно изменяющейся температуры среды, влияние влажности материала.

Аналитическое решение дифференциального уравнения теплопроводности Фурье при этом является сложным и трудоемким. Поэтому применяют упрощенные приемы и методы для решения конкретных задач, в частности, конечно-разностный расчет (метод). Для расчета температур в сечении конструкций упрощенным способом принимаются следующие допущения:

решение уравнения Фурье при граничных условиях третьего рода заменено решением при граничных условиях первого рода, которое представляет собой закон изменения температуры поверхности;

произведена линеаризация дифференциального уравнения теплопроводности Фурье путем введения в расчет приведенного коэффициента температуропроводности бетона ared;

влияние испарения воды в бетоне при нагреве учитывается путем увеличения удельной теплоемкости на величину 50,4 на каждый процент весовой влажности бетона;

расчет производится на действие мгновенно устанавливающейся и постоянно поддерживающейся температуры 1250 °С на защитном слое конструкции толщиной , который называется фиктивным;

расчетные формулы применимы только для плоских конструкций и конструкций прямоугольного и круглого сечений, а также для элементов более сложной конфигурации, поперечные сечения которых могут быть сведены к перечисленным.

У строительных конструкций, как правило, один размер значительно больше или меньше двух других. Поэтому решение уравнения Фурье при расчетах огнестойкости конструкций достаточно производить для одномерных и двухмерных температурных полей.

Для плоских конструкций (плиты перекрытий, покрытий, перегородки, стены) принимается одномерное температурное поле. Для стержневых конструкций (колонны, балки, ригели, элементы арок и ферм) — двухмерное температурное поле.

Для граничных условий первого рода температура t0 обогреваемой поверхности плоских железобетонных конструкций определяется:

где: t0 — температура обогреваемой поверхности, °С ; tн — начальная температура конструкции, равная 20 °С ; erf — функция ошибок Гаусса; K — коэффициент, зависящий от плотности ?ос сухого бетона C0,5 ; ? — время, с .

Приведенный коэффициент температуропроводности определяется по формуле:

где: — средний коэффициент теплопроводности при ; — средний коэффициент теплоемкости при ; — начальная весовая влажность бетона, %; — средняя плотность бетона в сухом состоянии, .

.2.2 Расчет температур в сплошных плоских конструкциях

Нестационарное температурное поле, возникающее в полуограниченном теле от воздействия «стационарного пожара», рассчитывается по формуле:

где: y — расстояние по нормали от обогреваемой поверхности до расчетной точки тела, м (рис. 2.1).

Расчетная формула (4) может быть использована для определения температуры в плоских конструкциях конечной толщины. Поэтому данная формула является основной для расчетов температуры плит, панелей, настилов, перекрытий. Так, формула для расчета температуры арматурных стержней, находящихся на расстоянии y = ae от обогреваемой поверхности, имеет вид:

где: y = ae — расстояние от обогреваемой поверхности до края арматуры, м ; к1 — коэффициент, учитывающий влияние массы металла стержня на его прогрев в различных бетонах; d — диаметр арматурного стержня, м ; ? — время, с .

Рисунок 2.1. Схемы к расчету: а — температур в полуограниченном теле при действии «стандартного» пожара; б — температуры арматурных стержней, расположенных у обогреваемой поверхности плоских конструкций, толщины наружного слоя бетона, прогретого до критической температуры.

Поскольку предел огнестойкости свободно опертых элементов зависит от прогрева растянутой рабочей арматуры до критической температуры ts, cr , зная ее величину, можно найти их предел огнестойкости. Порядок определения ts,cr (см. статический расчет).

Затем, используя формулу (4), при ty,? = ts,cr находится аргумент x(A) в зависимости от значения функции Гаусса (Крампа):

Предел огнестойкости будет равен:

Для определения температур в плоских конструкциях при двустороннем обогреве решают задачу о прогреве неограниченной пластины при симметричных граничных условиях.

Это решение имеет вид:

где: х — расстояние от центра до расчетной точки по толщине пластины, м; — толщина пластины, м;

— критерий Фурье; — время, с.

Таким образом, формулу (8) можно преобразовать к виду:

Выражения в квадратных скобках формул (8) и (9) представляют относительную избыточную температуру , которую можно определить по графику в зависимости от и .Тогда необходимую температуру находят по формуле:

При расчетах огнестойкости (колонны, балки, ригели) необходимо найти температуру в середине толщины пластины, т.е. при х = 0 .

где: — относительная температура, определяемая по данным, в зависимости от .

2.2.3 Температура арматуры в стержневых конструкциях

При прогреве балок, колонн, ферм и других стержней элементов, обогреваемых в условиях пожара с трех или четырех граней боковых поверхностей, имеет место двухмерное температурное поле. Расчет температур в этих случаях может быть выполнен с достаточной точностью при помощи известного в теории теплопроводности соотношения относительных температур:

где: — температура по стандартной кривой, (1); — температура двухмерного поля, ; — температура одномерных полей, .

Из соотношения (9) выходит:

Температуру в сечениях железобетонных элементов можно определить по графикам прогрева, полученных экспериментальным путем.

.2.4 Расчет слоев бетона, прогретых до заданных температур

При огневом воздействии сечение конструкций прогревается неравномерно. Поэтому в каждом слое (точке) сечения температура имеет определенное значение. Если в одном из этих слоев (точек) расположен несущий элемент, воспринимающий все сжимающие или растягивающие усилия, то температура его будет определять величину несущей способности всей конструкции. В тот момент, когда несущая способность этой конструкции снизится до величины рабочей нагрузки и наступит ее предел огнестойкости, температура является критической.

Таким несущим элементом является растянутая арматура в изгибаемых железобетонных конструкциях. Предел огнестойкости этих конструкций рассчитывается путем вычисления времени прогрева их несущих элементов до критической температуры.

Таким образом, понятие критической температуры относится не к материалу конструкции, а к ее несущему элементу. Нельзя, например, в этом смысле говорить о критической температуре бетона, так как этот материал расположен по всему сечению железобетонной конструкции, прогревается неравномерно и не имеет какой-то определенной температуры нагрева.

Иногда, с целью упрощения расчета, все же применяют термин «критическая температура» и к бетону.

Так, например, называют критической температуру на границе ядра сечения железобетонных колонн, которая условно отделяет бетон с нулевой прочностью от бетона с начальной прочностью. Однако в этом случае критическая температура имеет другой смысл, связанный с ограничением какой-то площади поперечного сечения, и является скорее примером для упрощения расчета. Иначе говоря, необходимо определять толщину бетонных слоев, прогревающихся до заданных критических температур. Прочность бетона в этих слоях считают равной нулю, а в оставшемся сечении (ядре) — нормативной.

Толщина слоя «y» (?tem, y) плоской конструкции, прогретого выше tcr (изотерма tcr — граница слоя), определяется из уравнения (4), если вместо «y» подставить ? tem, y

где: X — аргумент функции Гаусса (Крампа) в зависимости от значения erfX

Положив в формуле (4) , получаем:

где: — критическая температура бетона; для тяжелого бетона на гранитном щебне — 650 0С; для тяжелого бетона на известняковом щебне — 750С.

Рисунок 2.2 Схема к расчету слоев бетона, прогретых до заданных температур, при обогреве с 4-х сторон.

огнестойкость железобетонный конструкция безопасность

Для определения размеров рабочего сечения ядра () при обогреве конструкции с четырех сторон (рис. 2.2) используем формулы:

где: ?x и ?y — находятся по графику в зависимости от величин ?x, ?y, Fох, Fоу .

где: ty=0,? и tx=0,? — температура в центре неограниченной пластины, соответственно толщиной b и h при условии ее обогрева с двух сторон, вычисляемая по формуле (11):

где ?цх, ?цу — коэффициенты, принимаемые по таблице в зависимости от Fox/4 и Foу/4 соответственно.

Толщину слоя прямоугольного сечения, обогреваемого с 3-х сторон, с учетом (8) вычисляют по формуле:

где: — находят из графика в зависимости от и , определяемого из выражения:

Рисунок 2.3 Схема к расчету слоев бетона, прогретых до заданных температур, при обогреве с 3-х сторон.

Толщина слоя определяется по формуле (15), а значение определяется по формуле:

Таким образом, при четырехстороннем обогреве

при трехстороннем обогреве

.3 Статическая часть расчета

При расчете несущей способности железобетонных конструкций при пожаре следует учитывать изменение механических свойств бетона и арматуры в зависимости от температуры, определяемой теплотехническим расчетом.

Расчетные сопротивления сжатию и растяжению бетона Rbu и Rbtu и арматуры Rscu и Rsu для расчета огнестойкости определяются делением нормативных сопротивлений, приведенных в СНиП 2.03.01-84, на соответствующие коэффициенты надежности: по бетону ?b = 0,83 ; по арматуре ?s = 0,9 .

Статически определимые изгибаемые железобетонные конструкции в условиях пожара подвергаются воздействию высоких температур по-разному. Плоские элементы подвергаются одностороннему нагреву, стержневые — трехстороннему. При этом у плоских элементов , а у стержневых элементов .

Общие положения расчета на огнестойкость строительных конструкций применимы и к железобетонным элементам. Однако для статически определимых конструкций предел огнестойкости может быть определен по критической температуре стальных элементов, что значительно упрощает расчет.

Статически определимые изгибаемые элементы в условиях пожара разрушаются, как правило, в результате обогревания пластического шарнира в середине пролета за счет снижения предела текучести или прочности нагревающейся растянутой арматуры до величины напряжений в ее сечении.

Редкое исключение составляют изгибаемые элементы, переармированные и нагруженные предельно допустимой нагрузкой, у которых потеря несущей способности происходит от хрупкого разрушения сжатой зоны бетона при сравнительно небольших деформациях растянутой арматуры.

Сжатые бетоны и арматура нагревается слабо, а поэтому в расчетах их прочностные характеристики считаются неизменимыми. В момент образования пластического шарнира происходит резкое увеличение температурной ползучести арматуры, что вызывает интенсивное раскрытие трещин в растянутой зоне. Раскрывающиеся трещины уменьшают высоту сжатой зоны бетона до минимального значения, при котором происходит разрушение сжатого бетона и обрушение элемента.

Таким образом, наступление предела огнестойкости изгибаемой конструкции характеризуется предельным равновесием внутренних и внешних сил. При этом напряжения в сжатой зоне бетона за счет уменьшения ее размеров и деформаций растянутой арматуры увеличиваются до , а нормативное сопротивление растянутой арматуры снижается до предела прочности нагретой стали где — коэффициент снижения прочности стали. Решение статической задачи в этом случае сводится к нахождению критической температуры растянутой арматуры при предельном равновесии конструкции в условиях пожара.

В общем виде статическая задача для изгибаемых конструкций решается с помощью уравнений статики. Для определения высоты сжатой зоны бетона в состоянии предельного равновесия конструкции при заданных условиях обогрева составляется уравнение моментов от внешних и внутренних сил относительно растянутой рабочей арматуры .

Рабочие напряжения в растянутой арматуре определяют из уравнения равновесия проекции внутренних и внешних сил, действующих в плоскости изгиба .

По соотношению рабочих напряжений и сопротивлений стали определяют коэффициент снижения прочности , а затем по приложению 8 определяют критическую температуру растянутой арматуры.

.3.1 Плоские изгибаемые элементы

Несущая способность нагретого плоского изгибаемого элемента в предельном равновесии будет равна:

где: — нормативная призменная прочность бетона на осевое сжатие, МПА; — рабочая (полезная) высота сечения, м; — высота сжатой зоны, м.

В условиях пожара конструкция разрушается под действием изгибающего момента от нормативной нагрузки , т.е. .

Рисунок 2.4 Схема к расчету огнестойкости плоского изгибаемого элемента.

Из условия равновесия находим напряжения в растянутой арматуре:

По соотношению рабочих напряжений и сопротивлений стали определяют коэффициент снижения прочности ; можно определить сразу

По найденному значению находим температуру растянутой арматуры, при которой наступает предел огнестойкости, т.е. критическую температуру . Фактический предел огнестойкости определяется по формуле (7).

Значения коэффициента можно найти также следующим способом:

где: ; — площадь сечения растянутой арматуры, м2; — нормативное сопротивление арматуры, МПа; — рабочая (полезная) высота сечения, м; — высота сжатой зоны, м.

Из условия равновесия

Так как , то поэтому уравнение (25) можно записать в виде:

Подставив в формулу (28) значение (27), имеем:

т.е. значение можно определить, не определяя .

Коэффициент для изгибаемых элементов, разрушающихся в результате образования пластического шарнира в нормальном сечении за счет снижения прочности нагретой растянутой арматуры до величины рабочих напряжений, без больших погрешностей может быть определен по формуле:

где: — начальный разрушающий момент в сечений, ; — разрушающий момент в сечении при .

.3.2 Плоские изгибаемые многопустотные железобетонные элементы

При решении статической задачи сечение многопустотных железобетонных плит и настилов приводят к расчетному — тавровому сечению (рис. 2.5)

Рисунок 2.5. Схема приведения сечения железобетонной плиты к расчетному:

а — сечение плиты; б — расчетное сечение при в — расчетное сечение при .

Высота сжатой зоны бетона в предельном состоянии определяется по формуле (24), если .

Если высота сжатой зоны бетона, полученная из уравнения (24), больше, чем высота полки, т.е. (рис. 5, в), то ее необходимо пересчитать по формуле:

Решение относительно дает следующую формулу:

Затем по формуле определяют , и по формулам (7) находят конструкции. Полученный результат необходимо умножить на коэффициент 0,9, учитывающий более быстрый прогрев арматуры в многопустотных и ребристых с ребрами вверх панелях и настилах.

2.3.3 Стержневые изгибаемые элементы (балки, прогоны, ригели)

Отличительными особенностями стержневых элементов по сравнению с плоскими конструкциями являются наличие арматуры в сжатой зоне и, как правило, огневое воздействие на сжатую зону по боковым сторонам поперечного сечения (рис. 2.6).

При обогреве балки с трех сторон размеры сжатой зоны бетона уменьшаются по высоте в основном за счет деформаций растянутой арматуры до величины в момент предельного состояния конструкции, а по ширине — за счет потери прочности наружными слоями бетона .

В результате прогрева сжатой арматуры ее сопротивление уменьшается по сравнению с первоначальным на величину коэффициента снижения прочности .

Величину определяют по формуле (20). Ширина ядра сечения будет .

Рисунок 2.6 Расчетная схема железобетонной балки прямоугольного сечения.

Температуру сжатых стержней находят по уравнению (8) или (9). Затем по рассчитанной температуре находят .

При известных размерах сжатой зоны бетона и сопротивления сжатой арматуры

Решая уравнение относительно , находят:

Затем, используя условие равновесия проекции всех внутренних и внешних сил на ось х

По величине коэффициента находят .

У балок, ригелей, прогонов сечение обогревается с трех сторон. Поэтому температура стержней, расположенных даже в один ряд, будет различна: крайние стержни прогреваются быстрее, чем средние.

Расчет температур стержней производят по формуле (13).

После вычисления температуры каждого растянутого стержня с координатами определяют среднюю температуру стержней:

где: — площадь сечения стержня, м2; — температура стержня, ; — суммарная площадь сечения растянутой арматуры, м2.

Если значение совпадает с , вычисленной для заданного промежутка времени, расчет заканчивается. Если нет, то снова задаются временем и решение задачи повторяется.

Иногда разрушение стержневых элементов в условиях пожара может происходить не только по растянутой зоне, но и по сжатому бетону (переармированные и нагруженные предельно допустимой нагрузкой элементы).

2.3.4 Сжатые элементы

Расчет пределов огнестойкости колонн и стен связан с определением предельных усилий, которые может воспринимать неравномерно прогретое сечение бетона и нагретая арматура.

В общем случае расчет несущей способности колонн (рассматриваются только колонны со случайным эксцентриситетом ea приложения нагрузки) следует производить с учетом полных деформаций нагретого бетона при неравномерном прогреве поперечного сечения, применяя метод конечного элемента. Этот метод связан с применением ЭВМ, а поэтому не всегда может быть использован в инженерных расчетах.

Поэтому применяют приближенный метод расчета, основанный на определении площади ядра сечения , ограниченного расчетной (критической) температурой .

Несущая способность нагретой колонны при обогреве с четырех сторон:

где — площадь ядра сечения, м2; — суммарная площадь арматуры, м2; — коэффициент продольного изгиба, учитывающий длительность нагружения, гибкость и характер армирования колонн.

Коэффициент принимается в зависимости от , где l0 — расчетная длина колонны, м.

Задаваясь интервалами времени , определяется несущая способность колонны. При этом для каждого интервала времени находят по формулам (16), (18) bя и hя.

Температуру стержней для тех же интервалов времени определяют по формуле (13), используя формулы (18), (19) и (20). По найденным температурам находят коэффициент . Допускается определять коэффициент при средней температуре, которая определяется по формуле (40).

Затем строится график снижения несущей способности колонны в условиях пожара и определяется при .

Следует обратить внимание, что расчеты пределов огнестойкости сжатых железобетонных элементов можно производить по критическим деформациям. Этот метод позволяет в полной мере учесть упругие свойства нагретого бетон

2.4 Расчет пределов огнестойкости колонн

Рисунок 2.7. Схема сечения колонны.

Железобетонная колонна, расчетная длина l0 = 3,0 м, размером сечения 300´300 мм, бетон класса В25, средняя плотность бетона в сухом состоянии на гранитном щебне составляет rос = 2330 кг/м3. Весовая влажность — w = 2 %. Арматура класса А — III 6 стержней Æ 25 мм. Толщина защитного слоя бетона до края арматуры а1 = 45 мм. Расчетная нагрузка Nр=2100 кН.

Определяем нормативную нагрузку:

,2 — усредненный коэффициент надежности по нагрузке.

Для арматуры класса А-III определяем нормативное сопротивление растяжению.

Определяем расчетное сопротивление:

— соответствующий коэффициент надежности по арматуре.

Определяем суммарную площадь арматуры

Бетон класса В25 определяем нормативное сопротивление сжатию бетона: .

Определяем расчетное сопротивление бетона:

— коэффициент надежности по бетону.

Определяем теплофизические характеристики бетона:

Определяем приведенный коэффициент температуропроводности бетона:

Для дальнейших расчётов задаёмся интервалами времени , равными ; .

.Для несущая способность колонны будет равна:

где — коэффициент продольного изгиба, учитывающий длительность загружения и гибкость бетона в зависимости от отношения (методом интерполяции).

Определяем критерий Фурье:

— коэффициент, зависящий от средней плотности бетона.

— расстояние от центра конструкции до расчетной точки.

Находим относительную избыточную температуру в неограниченной пластине .

Определяем температуру в расчетной точке:

Температура арматурных стержней при обогреве колонны с четырех сторон будет равна:

где — изменение температуры при стандартном температурном режиме, определяется по формуле:

Находим значение коэффициента снижения прочности арматуры A — III (методом интерполяции)

Для определения размеров ядра бетонного сечения необходимо найти значение

Величина — температура в средней неограниченной пластине:

При критической температуре бетона на гранитном щебне :

При находим , тогда:

Несущая способность колонны при будет равна:

где — коэффициент продольного изгиба, учитывающий длительность загружения и гибкость бетона, принят в зависимости от отношения (методом интерполяции).

Определяем критерий Фурье:

При и находим относительную избыточную температуру в неограниченной пластине .

Определяем температуру в расчетной точке:

Температура арматурных стержней при обогреве колонны с четырех сторон будет равна:

где — изменение температуры при стандартном температурном режиме.

Находим значение коэффициента снижения прочности арматуры A — III (методом интерполяции)

Для определения размеров ядра бетонного сечения необходимо найти значение

Величина — температура в средней неограниченной пластине:

При критической температуре бетона на гранитном щебне :

При находим , тогда:

Несущая способность колонны при будет равна:

где — коэффициент продольного изгиба, учитывающий длительность загружения и гибкость бетона, принят в зависимости от отношения (методом интерполяции).

По результатам расчета строим график снижения несущей способности колонны в условиях пожара. Рисунок 2.4.2.

График снижения несущей способности колонны в условиях пожара. Рисунок 2.4.2.

Определяем фактический предел огнестойкости: Поф = 1,91 ч = 114,6 мин.

.5 Расчет предела огнестойкости железобетонного ригеля

Рисунок 2.8 Схема сечения балки.

Дано. Однопролетная свободно опертая балка пролетом 5,5 м. Сечение балки b×h = 300×450 мм; расстояние от края конструкции до центра арматуры а1 = 50 мм; а2 = 120 мм; с1 = 50 мм; тяжелый бетон класса В30 на гранитном щебне; рабочая арматура 4 стержня Ø25 АIII; расчетная нагрузка .

Решение. Определяем нормативную нагрузку:

Определяем конструктивные параметры балки

Определяем рабочую (полезную) высоту сечения:

Для арматуры класса А-III с определяем нормативное сопротивление растяжению Rsn = 390 МПа

Определяем расчетное сопротивление растяжению арматуры:

где — коэффициент надежности по арматуре.

Для бетона класса В30 определяем нормативную прочность бетона.

Определяем расчетное сопротивление сжатого бетона:

где -коэффициент надежности по арматуре.

Изгибающийся момент от действия нормативной нагрузки равен:

Для выполнения дальнейших расчетов задаемся интервалами времени

Для времени несущая способность балки равна:

Рисунок 2.9 Схема к расчету огнестойкости балки.

Для времени находим размеры сжатой зоны за счет потери прочности наружными слоями бетона (tcr = 650 °C для бетона на гранитном щебне):

По координатам расположения стрежней арматуры определяем их температуру . Этим значениям температур соответствует коэффициент снижения прочности арматурной стали (приложение 8) .

Примечание: для балок с арматурой в один ряд

Высота сжатой зоны бетона составит:

Несущая способность балки составит:

Для времени находим размеры сжатой зоны за счет потери прочности наружными слоями бетона (tcr = 650 °C для бетона на гранитном щебне):

По координатам расположения стрежней арматуры определяем их температуру Этим значениям температур соответствует коэффициент снижения прочности арматурной стали .

Высота сжатой зоны бетона составит:

Несущая способность балки составит:

Для времени находим размеры сжатой зоны за счет потери прочности наружными слоями бетона (tcr = 750 °C для бетона на гранитном щебне):

По координатам расположения стрежней арматуры определяем их температуру Этим значениям температур соответствует коэффициент снижения прочности арматурной стали .

Высота сжатой зоны бетона составит

Несущая способность балки составит:

Строим график снижения несущей способности балки (рис. 2.9).

Рисунок 2.9. График снижения несущей способности балки.

Определяем фактический предел огнестойкости балки

.6 Расчет предела огнестойкости железобетонной плиты

Рисунок 2.10 Схема сечения плиты.

Дано. Многопустотная плита перекрытия, свободно опирающаяся по двум сторонам. Размеры сечения: b=1490 мм; h=220 мм; длина рабочего пролёта lр=5000 мм; растянутая арматура класса А-III 7 стержней диаметром — 10 мм,. Тяжелый бетон класса В35, весовая влажность бетона ?0 = 1,5% на гранитном щебне; средняя плотность бетона в сухом состоянии rос=2330 кг/м2; диаметр пустот равен 160 мм; расчетная нагрузка ; толщина защитного слоя бетона до края арматуры 20 мм.

Решение. Определяем нормативную нагрузку:

Определяем максимальный изгибающий момент от действия нормативной нагрузки:

Определяем толщину защитного слоя бетона до центра арматуры:

Определяем высоту рабочей зоны бетона:

Определяем рабочую (полезную) высоту сечения:

Определяем расчетное сопротивление сжатого бетона:

для бетона класса В35 нормативная прочность бетона

-коэффициент надежности по бетону.

Для арматуры класса А-III определяем нормативное сопротивление растяжению Rsn = 390 МПа .

Определяем расчетное сопротивление:

— коэффициент надежности по арматуре.

Определяем площадь сечения арматуры:

Находим xtem, предполагая, что xtem (методом интерполяции).

Определяем теплофизические характеристики бетона:

Средний коэффициент теплопроводности при t = 450 0C

Средний коэффициент теплоемкости при t = 450 0C

Определяем приведенный коэффициент температуропроводности:

где 50,4 — влияние испарения воды в бетоне при нагреве;

Определяем предел огнестойкости плиты со сплошным сечением:

где у — расстояние от нормали обогреваемой поверхности до расчетной точки (y = a1);

К = 37 с1/2 ( методом интерполяции);

К1 — коэффициент, зависящий от плотности сухого бетона

С учетом пустотности плиты ее фактический предел огнестойкости находится путем умножения найденного значения на коэффициент 0,9.

3. Экспертиза строительных конструкций

В ходе выполнения дипломного проекта были определены фактические и требуемые пределы огнестойкости основных строительных конструкций, данные сведены в таблицу 3.1.

В связи с тем, что требуемый класс конструктивной пожарной опасности здания С0, требуемый класс пожарной опасности основных строительных конструкций — К0. Фактический класс пожарной опасности строительных конструкций — К0, т.к. все конструкции здания выполнены из материалов группы горючести НГ .

Экспертиза строительных конструкций здания

№ п/пНаименование конструкцииПтр, минОбоснованиеПф ,минОбоснованиеВывод1Колонна подземной парковкиR150ст. 87, табл. 21 ФЗ 123R115РасчетНе соответствует2Колонна торгово — административной части первого этажаR150ст. 87, табл. 21 ФЗ 123R115РасчетНе соответствует3Колонна административной части второго, третьего и четвертого этажейR90ст. 87, табл. 21 ФЗ 123R115РасчетСоответствует4Железобетонный ригель подземной парковкиREI150«Пособие…»REI120РасчетНе соответствует5Железобетонный ригель торгово- административной части первого этажаREI150«Пособие…»REI120РасчетНе соответствует6Железобетонный ригель административной части второго, третьего и четвертого этажейREI90«Пособие…»REI120Расчет Соответствует77Железобетонные плиты перекрытияREI115ст. 87, табл. 21 ФЗ 123REI77РасчетНе соответствует8Стены лестничных клетокREI90ст. 87, табл. 21 ФЗ 123REI150п. 2.24, табл. 4 Соответствует9Марши и площадки лестницR60ст. 87, табл. 21 ФЗ 123R90п. 2,27, табл. 8 Соответствует10Наружные ненесущие стеныЕ330ст. 87, табл. 21 ФЗ 123 Е30Соответствует4. Технические решения по повышению огнестойкости металлических конструкций и их экономическое обоснование

.1 Технические решения

Несущие элементы каркаса проектируемого здания выполнены из железобетонных колонн и ригелей. Фактический предел их огнестойкости в среднем ниже требуемых значениях. Это объясняется достаточно быстрым снижением прочностных и деформативных характеристик, а так же отсутствием слоя огнезащитного покрытия. Обрушившиеся или получившие большую деформацию железобетонные конструкции вызывают порчу всего объёма внутреннего помещения, оборудования и затрудняют решение вопросов эвакуации и организации тушения пожаров.

Увеличение огнестойкости железобетонных конструкций достигается с помощью различных видов огнезащиты. Наиболее доступны традиционные методы (обетонирование, оштукатуривание цементно-песчаными растворами, облицовка кирпичной кладкой, окрашивание вспучивающейся краской). Также можно применить новые современные методы, основанные на использовании плитных теплоизоляционных материалов (минераловатные плиты).

Исходя из проделанных расчётов выберем и сравним следующие варианты по увеличению предела огнестойкости железобетонных конструкций:

1. Для колонн и ригелей:

оштукатуривание огнезащитной смесью состава «Монолит» с вермикулитовой штукатуркой «Совер», с увеличенным необходимым слоем, для выхода на требуемый предел огнестойкости

. Для железобетонных плит:

применение системы конструктивной огнезащиты «ЕТ БЕТОН 240» ОАО «Тизол» с вермикулитовой штукатуркой «Совер».

Применение смесей и штукатурок в качестве огнезащитных составов обусловлено такими достоинствами, как низкая стоимость материалов для приготовления состава, обеспечение значительного предела огнестойкости защищаемой конструкции, устойчивость к атмосферным воздействиям.

Использование смесей имеет ряд недостатков, ограничивающих их применение, к которым относятся:

— большая трудоемкость работ по нанесению покрытия;

«грязнота» технологического процесса нанесения смеси на конструкцию;

увеличение нагрузок на фундаменты зданий за счет утяжеления каркаса;

Применение систем конструктивной огнезащиты «ЕТ БЕТОН 240» обусловлено следующими преимуществами:

— надежность и долговечность;

возможность монтажа при отрицательных температурах;

технологичность монтажа, «чистота» процесса;

доступность контроля при монтаже и эксплуатации;

минимальная толщина покрытия и нагрузка на конструкцию;

влагостойкость и виброустойчивость;

эстетичность внешнего вида.

Рассчитаем толщину огнезащитного слоя «EТ БЕТОН 240» для плиты:

Требуемые толщины огнезащитной смеси «Монолит», вермикулитовой штукатурки «Совер» и системы «ЕТ БЕТОН 240» для колонн, ригелей и плит перекрытия приведены в таблице 4.1

Необходимая толщина огнезащиты колонн каркаса

КонструкцияСечениеНеобходимая толщина огнезащиты, ммНагрузка на защищаемую поверхность, кг/м2Огнезащитная смесь «Монолит»«ЕТ БЕТОН 240»Вермикулитовая штукатурка «Совер»Огнезащитная смесь«Монолит»«ЕТ БЕТОН 240»Вермикулитовая штукатурка «Совер»Колонна300х3003084,54Ригель300х4503084,54Плита1490х22030844

Исходя из анализа огнезащитной обработки железобетонных конструкций, можно сделать следующий вывод: для достижения требуемого предела огнестойкости железобетонных колонн и ригелей каркаса наиболее целесообразно применение огнезащитной вермикулитовой штукатурки «Совер». Для увеличения предела огнестойкости железобетонных плит перекрытия применение той же вермикулитовой штукатурки.

.2 Экономическое обоснование выбора огнезащиты железобетонных колонн

Применение огнезащитной вермикулитовой штукатурки «Совер»- огнестойкость 150 мин при нанесении слоя 8мм.

Определение основных показателей:

и — эксплуатационные расходы.

Рассчитаем стоимость огнезащиты колонны среднего ряда со следующими характеристиками:

высота колонны — 5,0м;

периметр сечения — 0,9 м;

площадь поверхности конструкции — 6,0 м2.

Расчет капитальных вложений на огнезащиту колонны вермикулитовой штукатуркой приведен в таблице 4.2.

Смета на оштукатуривание железобетонных колон огнезащитной вермикулитовой штукатуркой «Совер»

Номера позицийНаименование, характеристика оборудования и монтажа оборудованияЕд. изм.Кол-воСтоимость прямых затрат, руб.Цена единицы, руб.Общая стоимость, руб.1Огнезащитная вермикулитовая штукатурка «Совер»Кг2420,004802Расходы на монтаж огнезащиты 20%963Транспортные, заготовительно-складские расходы 6%28.8ИТОГО:604,8

Определяем капитальные расходы на мероприятие

Определение эксплуатационных расходов:

где:-денежная оценка годовых амортизационных отчислений;

-затраты на текущий ремонт.

Денежную оценку годовых амортизационных отчислений определим по формуле:

где: — норма амортизационных отчислений, равная 2,4 %.

где: — норма отчислений на текущий ремонт, равная 2 %.

Расчет капитальных вложений на огнезащиту колонны смесью «Монолит» приведен в таблице 4.3.

Смета на огнезащиту смесью «Монолит»

Номера позицийНаименование, характеристика оборудования и монтажа оборудованияЕд. изм.Кол-воСтоимость прямых затрат, руб.Цена единицы, руб.Общая стоимость, руб.1Сетка рабицаРулон0,7707494,92Огнезащитная смесь «Монолит»Кг277219443Расходы на монтаж огнезащиты и сетки рабица 20%487,784Транспортные, заготовительно-складские расходы 6%146,3ИТОГО:3072,98

Определяем капитальные расходы на мероприятие

Определение эксплуатационных расходов:

где:-денежная оценка годовых амортизационных отчислений;

-затраты на текущий ремонт.

Денежную оценку годовых амортизационных отчислений определим по формуле:

где:- норма амортизационных отчислений, равная 2,4 %.

где:-норма отчислений на текущий ремонт, равная 2 %.

Определение приведённых затрат:

где: — приведенные затраты, ;

— коэффициент нормативной экономической эффективности капитальных вложений, равный 0,12.

Определим приведенные затраты П1:

Определим приведенные затраты П2:

Из вышеприведенных расчетов можно сделать вывод, что применение огнезащитной вермикулитовой штукатурки «Совер», является экономически более выгодным, чем применение огнезащитной смеси состава «Монолит», но использование вермикулитовой штукатурки «Совер» имеет ограничение: производитель огнезащиты дает гарантию на свой состав 10 лет, в то время как долговечность проектируемого здания составляет не менее 50 лет, следовательно в процессе эксплуатации здания потребуется замена огнезащитного состава.

Исходя из недостатков и учитывая то, что производитель огнезащитной смеси «Монолит» дает гарантию не менее 50 лет, целесообразно принять в качестве огнезащиты железобетонных колонн каркаса огнезащитную смесь «Монолит».

.3 Экономическое обоснование выбора огнезащиты железобетонных ригелей.

Применение огнезащитной вермикулитовой штукатурки «Совер»- огнестойкость 150 мин при нанесении слоя 8мм.

Определение основных показателей:

и — эксплуатационные расходы.

Рассчитаем стоимость огнезащиты ригеля со следующими характеристиками:

Пролет ригеля — 5,5м;

периметр сечения — 0,135 м;

площадь поверхности конструкции — 8,25 м2.

Расчет капитальных вложений на огнезащиту ригеля вермикулитовой штукатуркой «Совер» приведен в таблице 4.4.

Смета на оштукатуривание ригеля огнезащитной вермикулитовой штукатуркой «Совер»

Номера позицийНаименование, характеристика оборудования и монтажа оборудованияЕд. изм.Кол-воСтоимость прямых затрат, руб.Цена единицы, руб.Общая стоимость, руб.1Огнезащитная вермикулитовая штукатурка «Совер»Кг3320,006602Расходы на монтаж огнезащиты 20%1323Транспортные, заготовительно-складские расходы 6%39,6ИТОГО:831,6

Определяем капитальные расходы на мероприятие

Определение эксплуатационных расходов:

где: — денежная оценка годовых амортизационных отчислений;

— затраты на текущий ремонт.

Денежную оценку годовых амортизационных отчислений определим по формуле:

где: — норма амортизационных отчислений, равная 2,4 %.

где: норма отчислений на текущий ремонт, равная 2 %.

Расчет капитальных вложений на огнезащиту ригеля смесью «Монолит» приведен в таблице 4.5.

Смета на огнезащиту ригеля смесью «Монолит»

Номера позицийНаименование, характеристика оборудования и монтажа оборудованияЕд. изм.Кол-воСтоимость прямых затрат, руб.Цена единицы, руб.Общая стоимость, руб.1Сетка рабицаРулон0,9707636.32Огнезащитная смесь «Монолит»Кг37,137226733Расходы на монтаж огнезащиты и сетки рабица 20%661,864Транспортные, заготовительно-складские расходы 6%198,56ИТОГО:4169,72

Определяем капитальные расходы на мероприятие

Определение эксплуатационных расходов:

где:-денежная оценка годовых амортизационных отчислений;

-затраты на текущий ремонт.

Денежную оценку годовых амортизационных отчислений определим по формуле:

где:- норма амортизационных отчислений, равная 2,4 %.

где:-норма отчислений на текущий ремонт, равная 2 %.

Определение приведённых затрат:

где: — приведенные затраты, ;

— коэффициент нормативной экономической эффективности капитальных вложений, равный 0,12.

Определим приведенные затраты П1:

Определим приведенные затраты П2:

Из вышеприведенных расчетов можно сделать вывод, что применение огнезащитной вермикулитовой штукатурки «Совер», является экономически более выгодным, чем применение огнезащитной смеси состава «Монолит», но использование вермикулитовой штукатурки «Совер» имеет ограничение: производитель огнезащиты дает гарантию на свой состав 10 лет, в то время как долговечность проектируемого здания составляет не менее 50 лет, следовательно в процессе эксплуатации здания потребуется неоднократная замена огнезащитного состава.

Исходя из вышеперечисленных недостатков и учитывая то, что производитель огнезащитной смеси «Монолит» дает гарантию не менее 50 лет, целесообразно принять в качестве огнезащиты железобетонных ригелей каркаса огнезащитную смесь «Монолит»

.4 Экономическое обоснование выбора огнезащиты железобетонных плит

Применение огнезащитной вермикулитовой штукатурки «Совер»- огнестойкость 150 мин при нанесении слоя 8мм.

Определение основных показателей:

и — эксплуатационные расходы.

Рассчитаем стоимость огнезащиты железобетонной плиты перекрытия со следующими характеристиками:

Длина плиты — 5,0м;

периметр сечения — 0,33 м;

площадь поверхности конструкции — 23,66 м2.

Расчет капитальных вложений на огнезащиту плиты вермикулитовой штукатуркой «Совер» приведен в таблице 4.6.

Смета на оштукатуривание железобетонной плиты перекрытия огнезащитной вермикулитовой штукатуркой «Совер»

Номера позицийНаименование, характеристика оборудования и монтажа оборудованияЕд. изм.Кол-воСтоимость прямых затрат, руб.Цена единицы, руб.Общая стоимость, руб.1Огнезащитная вермикулитовая штукатурка «Совер»Кг94,6420,001892,82Расходы на монтаж огнезащиты 20%378,563Транспортные, заготовительно-складские расходы 6%113,57ИТОГО:2384,93

Определяем капитальные расходы на мероприятие

Определение эксплуатационных расходов:

где:- денежная оценка годовых амортизационных отчислений;

-затраты на текущий ремонт.

Денежную оценку годовых амортизационных отчислений определим по формуле:

где:- норма амортизационных отчислений, равная 2,4 %.

где: -норма отчислений на текущий ремонт, равная 2 %.

Расчет капитальных вложений на огнезащиту плиты «ЕТ БЕТОН 240» приведен в таблице 4.7.

Смета на огнезащиту плиты «ЕТ БЕТОН 240»

Номера позицийНаименование, характеристика оборудования и монтажа оборудованияЕд. изм.Кол-воСтоимость прямых затрат, руб.Цена единицы, руб.Общая стоимость, руб.1Металлический крепежный элемент, Штифт 8х70шт/м277492Металлический крепежный элемент, Диск 10,5х70шт/м278562огнезащитная плита «ЕТ БЕТОН 240»м223,66350,588294,733Расходы на монтаж огнезащитная плита «ЕТ БЕТОН 240» 22,5%1889,944Транспортные, заготовительно-складские расходы 6%503,98ИТОГО:10793,66 Определяем капитальные расходы на мероприятие

Определение эксплуатационных расходов:

где: -денежная оценка годовых амортизационных отчислений;

— затраты на текущий ремонт.

Денежную оценку годовых амортизационных отчислений определим по формуле:

где:- норма амортизационных отчислений, равная 2,4 %.

где: -норма отчислений на текущий ремонт, равная 2 %.

Определение приведённых затрат:

где: — приведенные затраты, ;

— коэффициент нормативной экономической эффективности капитальных вложений, равный 0,12.

Определим приведенные затраты П1:

Определим приведенные затраты П2:

Из вышеприведенных расчетов можно сделать вывод, что применение огнезащитной вермикулитовой штукатурки «Совер», является экономически более выгодным, чем применение огнезащитной плиты «ЕТ БЕТОН 240»,но использование вермикулитовой штукатурки «Совер» имеет ограничение: производитель огнезащиты дает гарантию на свой состав 10 лет, в то время как долговечность проектируемого здания составляет не менее 50 лет, следовательно в процессе эксплуатации здания потребуется неоднократная замена огнезащитного состава.

Исходя из вышеперечисленных недостатков и учитывая то, что производитель огнезащитной плиты «ЕТ БЕТОН 240» дает гарантию не менее 25 лет, целесообразно принять в качестве огнезащиты железобетонных плит перекрытия «ЕТ БЕТОН 240». В следствие этого в процессе эксплуатации здания ( 50-100 лет) мы сэкономим денежные средства на меньшем количестве огнезащитной обработки железобетонных конструкций.

4.5 Требования к монтажу огнезащитной смеси «Монолит»

Стандарт: ТУ 5762-022-40366225-00;

Сертификат пожарной безопасности ССП.RU.ОП032.Н00008;

Предназначен для защиты бетонных и железобетонных конструкций.

«Монолит» — состав огнезащитный, имеет вид сухой смеси минерального связывающего и специальных компонентов. Производителем состав поставляется как сухая смесь, которую доводят до рабочего состояния непосредственно перед началом работ. Для этого огнезащитный состав «Монолит» размешивают с водой в пропорции 1:1. Огнезащитный состав является абсолютно безопасным для здоровья живых существ сырьём, нетоксичен, пожаровзрывобезопасен.

Согласно ГОСТу 30247.1-94 огнезащитный состав «Монолит» соответствует требованиям пожарной безопасности и повышает огнестойкость конструкций на срок до трёх часов. Эти данные подтверждены Сертификатом пожарной безопасности. Теоретический расход сухого материала составляет 4-6,5 кг на один метр квадратный. Эти цифры могут меняться в зависимости от рельефа поверхности и выбора способа нанесения покрытия.

Непосредственно перед нанесением покрытия, покрываемая поверхность зачищается от пыли, грязи, масляных и жировых пятен. После этого зачищенную поверхность обезжиривают растворителем и дают высохнуть. Подготовленный состав наносят при помощи специальных распыляющих аппаратов. Стоит учесть температурные показатели, состав нельзя наносить при температуре менее +1 градуса и более +40, а также влажности воздуха более 85%.

Огнезащитный состав «Монолит» наносится в несколько слоёв с применением технологии армирования, укрывистость каждого слоя необходимо обеспечить на 100%. В качестве материала для армирования применяют металлическую сетку с диаметром ячейки 20х20 (50х50)мм. и толщиной прута 1-3мм. Для обеспечения максимального качества работы сетка должна перекрывать всю поверхность обрабатываемой конструкции. Допускается наносить не более 15мм слоя за один раз. В случае, если поверхность получилась не совсем ровно её можно разровнять с помощью «мастерка» или «правила». Между каждым слоем необходимо делать паузу 2-4 часа, при температуре +20 градусов и влажности воздуха не более 85%. Максимальную крепость покрытие набирает не менее чем через 28 суток со дня нанесения.

Данное покрытие предназначено для нанесения внутри помещений с колебаниями температуры от -40 до +40 градусов, без прямого контакта с капельной влагой. Если же покрытие эксплуатируется в условиях с повышенной влажностью, то поверх него необходимо нанести слой хлоркаучуковой краски «Акрилак Финиш». Её примерный расход колеблется в пределах 200-500 граммов на метр квадратный. Также можно улучшить и эстетические показатели покрытия. Для этого наносят слой любой краски или эмали, предназначенной для бетонных поверхностей.

Качество монтажа комплексной огнезащиты контролируется следующим образом:

— внешний вид оценивается визуально: покрытие должно быть сплошным, без порывов и повреждений;

в процессе монтажа смеси огнезащиты контроль толщины может производиться по мокрому слою с использованием измерительной гребенки типа «Константа ГУ», проволочным щупом диаметром 1,5-2,0 мм путем прокола или других измерительных инструментов;

После монтажа систем может замеряться:

общая толщина покрытия (электромагнитными приборами типа Константа-5). Средняя толщина смонтированного покрытия должна быть не менее 30 мм.

. Во избежание утоньшения сырого слоя смеси за счет чрезмерного прикатывания обклеенных поверхностей следует пользоваться приемами, указанными в общестроительных нормативных документах (послойное нанесение, нанесение с монтажным припуском и т.п.).

.6 Требования к монтажу огнезащитных плит «ЕТ БЕТОН 240»

Огнестойкость REI 240 мин. Система испытана и сертифицирована с плитой перекрытия с серией ПБ 60-12-8 ГОСТ 9561-91. Это пустотная ж/б плита наименее прочная из всех серий, встречающихся на строительных площадках, поэтому перекрытия других серий, а также монолитные конструкции подпадают под заданную огнестойкость автоматически.

Плиту и бетонную поверхность необходимо очистить от неровностей, мешающих плотному прилеганию минераловатной плиты для огнезащиты конструкций из железобетона. Раскрой минераловатных плиты осуществляется ножом или ножовкой. Огнезащита конструкций выполняется с использованием металлических крепежных элементов: штифтов и дисков.

Монтаж осуществляется с помощью перфоратора. Глубина отверстий 40-50 мм. Количество крепежа на 1 огнезащитную плиту размером 1200х600 мм составляет 7 шт. На завершающем этапе монтажа системы огнезащиты конструкций в подготовленные отверстия устанавливают диски, которые забиваются молотком до полного прижатия минераловатной плиты к основанию.

В данном разделе проекта была рассчитана и определена требуемая толщина слоя огнезащиты для несущих железобетонных конструкций каркаса здания- колонна и ригель, а так же плит перекрытия. Приведено экономическое обоснование использования в качестве огнезащиты колонн и ригелей смеси «Монолит», а для плит- «ЕТ БЕТОН 240».

Выводы по дипломному проекту

В ходе выполнения дипломного проекта: «Разработка комплекса инженерно-технических мероприятий с целью повышения огнестойкости строительных конструкций административно-торгового здания, расположенного по адресу: г. Екатеринбург, ул. Ильича-Победы» была проведена следующая работа:

. Приведена характеристика здания, проанализированы конструктивные решения здания.

. Определены конструкции, участвующие в общей устойчивости и геометрической неизменяемости здания при пожаре. Определены конструкции, для которых фактический предел огнестойкости определяется инженерно-техническим расчетом и оценочным способом по «Пособию по определению пределов огнестойкости конструкций».

. Произведены расчеты фактических пределов огнестойкости основных строительных конструкций. Были определенны, расчетным способом фактические пределы огнестойкости железобетонных колонн, железобетонных ригелей и железобетонных плит перекрытия. Определены аналитическим способом с помощью пособия пределы огнестойкости стен, маршей и площадок лестниц, наружные ненесущие стены, стены лестничных клеток.

. Выполнена экспертиза основных строительных конструкций, сделан соответствующий вывод: железобетонные конструкции каркаса здания не соответствуют требованиям пожарной безопасности по огнестойкости, так как П ф тр , соответственно необходимо предложить технические решения по увеличению огнестойкости этих конструкций до требуемых значений.

. На основании экспертизы основных строительных конструкций предложено техническое решение по огнезащите железобетонных конструкций каркаса. Произведено экономическое обоснование предложенных технических решений. Определено, что наиболее экономически-выгодными вариантами для повышения огнестойкости несущих железобетонных конструкций является огнезащитная смесь «Монолит».

Применение: для колонн и ригелей- увеличение фактических пределов огнестойкости до 150 мин., а для железобетонных плит наиболее оптимальным оказалась огнезащитная плита «ЕТ БЕТОН 240» (с увеличением предела огнестойкости до 120 мин.) В результате применения предложенных способов огнезащиты, в соответствии с требованиями нормативных документов, будут достигнуты требуемые значения огнестойкости конструкций здания.

Список использованных источников

1.Демехин, В. Н. Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре [Текст] : учебник для слушателей и курсантов пожарно-технических образовательных учреждений МЧС России / В. Н. Демехин, И. Л. Мосалков, Г. Ф. Плюснина, А. Ю. Серков, А. Ю. Фролов, Е. Т. Шурин. — М. : АГПС МЧС России, 2003. — 656 с

2.Конструкции строительные Методы определения пожарной опасности Стены наружные с внешней стороны [Текст] : ГОСТ 31251-2003 : принят Межгосударственной научно-технической комиссией по стандартизации, техническому нормированию и сертификации в строительстве (МНТКС) 23 октября 2003 г. — 28 с.».

.Конструкции строительные. Метод определения пожарной опасности [Текст] : ГОСТ 30403-96 : принят Межгосударственной научно-технической комиссией по стандартизации и техническому нормированию в строительстве (МНТКС) 15 мая 1996. — М. : Минстрой России, ГУПП ЦПП, 1996. — 13 с.

.Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции [Текст] : ГОСТ 30247.1 утв. постановлением Минстроя РФ от 23 марта 1995 г. N 18-26 . — М. : Издательство стандартов, 1996. — 11 с.

.Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования [Текст] : ГОСТ 30247.0 : принят Межгосударственной научно-технической комиссией по стандартизации и техническому нормированию в строительстве (МНТКС) 17 ноября 1994 № 18-26. — М. : Издательство стандартов, 1996. — 11 с.

.Пособие по определению пределов огнестойкости конструкций, пределов распространения огня по конструкциям и групп возгораемости материалов (к СНиП II-2080) [Текст] : утв. приказом ЦНИИСК им.Кучеренко Госстроя СССР от 19.12.1984 №351/л. — М. : Стройиздат, 1985. — 59 с.

.Российская Федерация. Законы. Градостроительный кодекс Российской Федерации [Текст] : федер. закон: [Принят Государственной Думой 22 декабря 2004 года. : одобр. Советом Федерации 24 июля 2004 г.]. — М. : Проспект, 2009(с изм.). — 174с.

.Российская Федерация. Законы. Технический регламент о безопасности зданий и сооружений [Текст] : федер. закон: [Принят Государственной Думой 23 декабря 2009 года: — одобр. Советом Федерации 25 декабря 2009 г.]. — М. : Проспект, 2009. — 188 с».

.Российская Федерация. Законы. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности [Текст] : федер. закон: [Принят Государственной Думой 18 ноября 2009 года]. — М. : Проспект, 2012. — 114 с.

.Система стандартов безопасности труда. Пожарная безопасность. Общие требования [Электронный ресурс] : ГОСТ 12.1.004-91 — НСИС №2 (42), 2010.

.Системы противопожарной защиты. Обеспечение огнестойкости объектов защиты [Текст] : СП 2.13130.2012 : утв. приказом МЧС России 21.11.2012 : ввод. в действие с 21.11.12. — М. : ООО «Издательство «Пожнаука», 2012. — 32 с.

.Техническая информация (в помощь инспектору государственной противопожарной службы) [Текст] : справочник. — М. : ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2003 — 38 с.).

.Огнестойкость и пожарная опасность строительных конструкций [Текст] (Федоров В.С., Левитский В.Е., Молчадский И.С., Александров А.В.) — М.: АСВ, 2009. — 408с.

Теги: Разработка комплекса инженерно-технических мероприятий с целью повышения огнестойкости строительных конструкций Диплом Строительство

Видео:Интуитивное понимание формулы теплопроводности (часть 11) | Термодинамика | ФизикаСкачать

МДС 21-2.2000 Методические рекомендации по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ, ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСКИЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО РАСЧЕТУ ОГНЕСТОЙКОСТИ
И ОГНЕСОХРАННОСТИ
ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

МДС 21-2.2000

Второе издание с Дополнением

РАЗРАБОТАНЫ Государственным унитарным предприятием «Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона» ГУП «НИИЖБ» (доктор техн. наук, проф. Милованов А.Ф., канд. техн. наук Соломонов В.В. и Кузнецова И.С., вед. инж. Малкина Т.Н.)

ОДОБРЕНЫ конструкторской секцией Научно-технического совета ГУП «НИИЖБ» (от 27 апреля 2000 г., протокол № 4/2000)

ИЗДАНЫ в ГУП «НИИЖБ»

ЗАРЕГИСТРИРОВАНЫ в ГУП «Центр проектной продукции в строительстве» 09.06.2000.

Методические Рекомендации по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций

Fire Resistance and Fire Safety of Reinforced Concrete Constructions.

Видео:Решение задач на термохимические уравнения. 8 класс.Скачать

ВВЕДЕНИЕ

Настоящие «Методические рекомендации по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций» разработаны в соответствии с требованиями СНиП 10-01-94 и СНиП 21-01-97, норм международных организаций по стандартизации и нормированию и являются нормативным документом комплекса 21 «Пожарная безопасность» системы нормативных документов в строительстве.

Основными отличиями этих «Методических рекомендаций. » от ранее разработанных рекомендаций, инструкции и пособий являются:

приоритетность требований СНиП 21-01-97 «Пожарная безопасность зданий и сооружений» по сравнению с другими нормативными требованиями;

применимость противопожарных требований к объектам на стадии проектирования, строительства и эксплуатации, включая реконструкцию и ремонт;

главные требования к бетону и арматуре, к диаграммам деформирования бетона на сжатие и арматуры на сжатие и растяжение от огневого воздействия в диапазоне температур от 20 до 1100 °С, как в нагретом состоянии во время пожара, так и в охлажденном состоянии после пожара;

конструктивные требования, повышающие пределы огнестойкости и обеспечивающие огнесохранность конструкций;

основные требования к расчету огнесохранности конструкций, поврежденных пожаром, с целью установления возможности их дальнейшей эксплуатации.

Приведенные методы расчета пределов огнестойкости конструкций позволяют устанавливать их уже при проектировании в соответствии с классификацией, принятой в СНиП 21-01-97.

Видео:8.1 Решение уравнения теплопроводности на отрезкеСкачать

1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

1.1. Настоящие Методические рекомендации действуют на территории Российской федерации как дополнение и уточнение СНиП 21-01-97 и распространяются на проектирование, строительство, техническое обследование и реконструкцию после пожара зданий и сооружений из железобетона.

1.2. Методические рекомендации содержат основные положения по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций. Они дают возможность на стадии проектирования оценить пределы огнестойкости конструкций, проверить их соответствие требованиям СНиП 21-01-97 и установить огнесохранность конструкций после пожара. В основу Методических рекомендаций положены экспериментальные и теоретические исследования, проведенные в НИИЖБ, ВНИИПО, МГСУ, СГСУ, а также материалы международных организаций: Европейского комитета бетона (ЕКБ), Международного совета по строительству (МСС), Международной организации по стандартизации (ИСО), Международного совета лабораторий по испытанию строительных материалов и конструкций (РИЛЕМ).

Видео:ММФ. Фролова Е.В. Лекция 4. §6 Вывод УТ. §7 Постановка краевых задач для УТ. §8 Метод Фурье для УТ.Скачать

2. НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

В настоящих Методических рекомендациях использованы ссылки на следующие нормативные документы.

СНиП 10-01-94 Система нормативных документов в строительстве. Общие положения.

СНиП 2.01.07-85 Нагрузки и воздействия.

СНиП 2.03.01-84* Бетонные и железобетонные конструкции.

СНиП 21-01-97 Пожарная безопасность зданий и сооружений.

СНиП 2.03.04-84 и Пособие к нему. Бетонные и железобетонные конструкции, предназначенные для работы в условиях воздействия повышенных и высоких температур.

Пособие по определению пределов огнестойкости конструкций, пределов распространения огня и групп возгораемости материалов. Стройиздат, Москва, 1985.

Инструкция по расчету фактических пределов огнестойкости железобетонных конструкций на основе новых требований СНиП. ВНИИПО МВД СССР, Москва, 1982.

ГОСТ 12.1.033-81 ССБТ Пожарная безопасность. Термины и определения.

ГОСТ 30247.0-94 Конструкции строительные. Методы испытания на огнестойкость. Общие требования.

ГОСТ 30247.1-94 Конструкции строительные. Методы испытания на огнестойкость. Несущие ограждающие конструкции.

ГОСТ 30403-96 Конструкции строительные. Методы определения пожарной опасности.

СТ СЭВ 383-87 Пожарная безопасность в строительстве. Термины и определения.

НПБ 233-96 Здания и фрагменты зданий. Методы натурных огневых испытаний. Общие требования.

МГСН 4.04-94 Московские городские строительные нормы. Многофункциональные здания и комплексы.

Eurocode 2: Design of Concrete Structures. — Part 10: Structural Fire Design.- Draft April , 1990.

Видео:6.1 Смешанные краевые задачи для уравнений гиперболического и параболического типов. Метод Фурье.Скачать

3. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В настоящих Методических рекомендациях, за исключением специально оговоренных случаев (См. п. 4.10), приняты термины и определения, приведенные в СТ СЭВ 383-87 и ГОСТ 12.1.033-81.

Видео:Решение первой краевой задачи для неоднородного уравнения теплопроводности.Скачать

4. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

4.1. Согласно СНиП 21-01-97 строительные конструкции характеризуются огнестойкостью. Показателем огнестойкости является предел огнестойкости.

Предел огнестойкости строительных конструкций устанавливают по времени (в минутах) наступления одного или последовательно нескольких, нормируемых для данной конструкции признаков предельных состояний:

потери несущей способности ( R );

потери теплоизолирующей способности ( I );

потери целостности (Е).

Пределы огнестойкости строительных конструкций и их условные обозначения устанавливают по ГОСТ 30247.

4.2. Здания и сооружения, а также их части, выделенные противопожарными стенами (пожарные отсеки) подразделяются по степеням огнестойкости согласно Табл. 1.

Степень огнестойкости здания

Пределы огнестойкости железобетонных конструкций в минутах не менее

несущие элементы здания

перекрытия междуэтажные (в т.ч. чердачные и над подвалом)

элементы бесчердачных перекрытий

настилы, в т.ч. с утеплителем

фермы, балки, прогоны

марши и площадки

Примечание: В скобках даны пределы огнестойкости для многофункциональных зданий и комплексов согласно МГСН 4.04-94.

К несущим элементам здания или сооружения относятся конструкции, обеспечивающие его общую устойчивость, геометрическую неизменяемость при пожаре: несущие стены, колонны, балки перекрытий, ригели, фермы, рамы, арки, связи, диафрагмы жесткости и т.п. Для несущих элементов здания, выполняющих одновременно функции ограждающих конструкций, например, к несущим стенам, помимо предела огнестойкости по несущей способности ( R ) должны предъявляться дополнительные требования по потере изолирующей способности ( I ) и потере целостности (Е).

Классификация зданий по степени огнестойкости осуществляется в соответствии с существующими отраслевыми нормами и правилами и зависит от назначения зданий, их площади, этажности, взрывной, взрывопожарной и пожарной опасности производств, а также функциональных процессов.

4.3. За предал огнестойкости железобетонных конструкций принимается время (в минутах) от начала стандартного огневого воздействия до возникновения одного из предельных состояний по огнестойкости:

— по потере несущей способности ( R ) конструкций и узлов (обрушение или прогиб в зависимости от типа конструкции);

— по теплоизолирующей способности ( I ) — повышение температуры на необогреваемой поверхности конструкции в среднем более чем на 160 °С, или в любой точке этой поверхности более чем на 190 °С по сравнению с температурой конструкции до нагрева, или прогрев конструкции более чем на 220 °С независимо от температуры конструкции до огневого воздействия;

— по целостности (Е) — образование в конструкции сквозных трещин или сквозных отверстий, через которые проникают продукты горения или пламя.

Для несущих конструкций (балки, прогоны, ригели, колонны) предельным состоянием по огнестойкости является только потеря несущей способности конструкции ( R ).

Конструкции, которые имеют хрупкое разрушение по сжатому бетону (колонны с малым эксцентриситетом, изгибаемые переармированные элементы), за потерю несущей способности принимается полное разрушение во время пожара.

Для изгибаемых, внецентренно сжатых и растянутых с большим эксцентриситетом элементов, которые характеризуются развитием больших необратимых деформаций арматуры и бетона, за потерю несущей способности принимается развитие необратимых прогибов еще до того, как наступит полное разрушение конструкции.

4.4. Расчет предела огнестойкости конструкции по потере несущей способности ( R ) состоит из двух частей: теплотехнической и статической.

Теплотехнический расчет должен обеспечить время наступления предела огнестойкости, по истечении которого арматура нагревается до критической температуры, или сечение бетона конструкции сокращается до предельного значения при воздействии на нее стандартного температурного режима.

Статический расчет должен обеспечить недопущение разрушения и потери устойчивости конструкции при совместном воздействии нормативной нагрузки и стандартного температурного режима.

Расчет огнестойкости конструкций производится по нормативным сопротивлениям бетона и арматуры.

4.5. Предел огнестойкости по теплоизолирующей способности ( I ), т.е. по нагреву необогреваемой поверхности более допускаемых температур (См. п. 4.3.) должен быть обеспечен теплотехническим расчетом. Расчет сводится к определению времени, по истечении которого температура на необогреваемой поверхности достигнет предельно допустимого значения.

4.6. Предел огнестойкости по целостности (Е) — по образованию сквозных отверстий или трещин, возникает в конструкциях из тяжелого бетона с влажностью более 3,5 % и из легкого бетона с влажностью более 5,0 % и плотностью более 1200 кг/м 3 . Потеря целостности при хрупком разрушении бетона резко уменьшает предел огнестойкости, поэтому целесообразно применять бетоны с ограничением расхода цемента, низким В/Ц и с более низким коэффициентом температурного расширения заполнителя.

4.7. Испытаниями установлено, что разрушение железобетонных конструкций при огневом высокотемпературном нагреве происходит по тем же схемам, что и в условиях нормальных температур. Поэтому для расчета предела огнестойкости по потере несущей способности используются те же уравнения равновесия и деформаций, из которых выводятся формулы для статического расчета.

Статический расчет предела огнестойкости по потере несущей способности базируется на общих требованиях расчета железобетонных конструкций по предельным состояниям первой группы в соответствии со СНиП 2.03.01-84* и дополнительными указаниями, изложенными в настоящих Методических рекомендациях.

4.8. За нормативную нагрузку принимают наиболее неблагоприятные сочетания нормативных постоянных и временных длительных статических нагрузок согласно СНиП 2.01.07-85 и п. 1.12 СНиП 2.03.01-84*, существенно влияющих на напряженное состояние железобетонной конструкции при пожаре. В тех случаях, когда нельзя установить значение нормативной нагрузки, разрешается принимать ее равной 0,7 от расчетной нагрузки. Расчетная схема приложения нормативной нагрузки должна соответствовать проекту.

4.9. Несущая способность конструкций при огневом воздействии зависит от изменения свойств бетона и арматуры с ростом температуры. Во многих случаях уравнения предельного равновесия невозможно записать без результатов теплотехнического расчета. Решение теплотехнической задачи выполнимо лишь для конкретных промежутков времени с начала нагрева.

Нахождение условий предельного состояния строится на принципе последовательных приближений для заранее известных промежутков времени. В итоге предел огнестойкости определяется либо графически, либо аналитически в результате решения уравнений предельного состояния.

В простых случаях решение статической задачи по оценке огнестойкости сводится к определению значения критической температуры нагрева растянутой арматуры, поскольку она не зависит от результатов теплотехнической задачи, или вычисляют усилие, которое может воспринять сечение элемента при требуемом минимальном пределе огнестойкости. Если это усилие равно или больше нормативного, то требуемый предел огнестойкости обеспечен.

Вычисленные пределы огнестойкости должны быть не менее требуемых значений СНиП 21-01-97 (См. Табл. 1).

4.10. Для уникальных и особо ответственных сооружений и комплексов, относящихся к I -му повышенному уровню ответственности, отказы которых после пожара могут привести к тяжелым экономическим и экологическим последствиям ( ГОСТ 27751 , Изменение № 1), а также для конструкций, восстановление которых потребует больших сложностей и затрат, необходимо обеспечивать их огнесохранность после пожара.

За огнесохранность конструкции принимается такое ее состояние, при котором остаточная прочность или необратимые деформации позволяют обеспечить надежную работу после пожара. Расчет огнесохранности после пожара ведется при расчетных нагрузках и расчетных сопротивлениях бетона и арматуры после огневого воздействия.

4.11. При расчете огнестойкости и огнесохранности конструкции целесообразно рассматривать приведенные сечения. При этом расчетная площадь приведенного сечения бетона ограничивается изотермой критических температур нагрева бетона t_{b , cr} . Критическая температура для тяжелого бетона на гранитном заполнителе 500 °С, на известняковом заполнителе и для конструкционного керамзитобетона 600 °С. При этом принимают t_b > t_{b , cr} g _bt = 0 и при t_b £ t_{b , cr} g _bt = 1.

4.12. Критическая температура нагрева арматуры t_{s , cr} характеризует стадию образования пластического шарнира в растянутой зоне при огневом воздействии.

Видео:Уравнения математической физики. Решение гиперболического уравнения методом Фурье.Скачать

5. СВОЙСТВА БЕТОНА И АРМАТУРЫ ПРИ ОГНЕВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ И ПОСЛЕ НЕГО

Видео:5. Решение волнового уравнения на отрезке методом ФурьеСкачать

БЕТОН

5.1. Нормативные R_{b , n} и расчетные R_b сопротивления бетона осевому сжатию (призменная прочность), начальный модуль упругости бетона при сжатии E_b следует принимать по СНиП 2.03.01-84*.

При пожаре в нагруженном состоянии конструкции подвергаются высокотемпературному огневому воздействию, которое изменяет свойства бетона. Изменение прочности бетона на осевое сжатие с увеличением температуры учитывают коэффициентом условий работы бетона g _bt , представляющим собой отношение прочности бетона при нагреве к прочности бетона при нормальной температуре.

Изменение модуля упругости бетона с увеличением температуры учитывают коэффициентом b _b , представляющим собой отношение модуля упругости бетона при нагреве к модулю упругости бетона при нормальной температуре.

При нагреве увеличиваются пластические деформации бетона. Упругопластические свойства бетона учитывают коэффициентом , представляющим собой отношение упругих деформаций к полным.

Значения коэффициентов условий работы g _bt , b _b , для различных видов бетона приведены в Приложении 1.

5.2. При нагревании бетона естественной влажности полная температурная деформация бетона состоит из двух видов деформаций: обратимой — температурное расширение e _bt и необратимой — температурная усадка e _cs . Значения коэффициентов температурного расширения a _bt и температурной усадки a _cs для различных видов бетона в диапазоне температур от 20 до 1000 °С приведены в Табл. 2 и 3.

Коэффициент температурной деформации бетона a _bt × 10 -6 × ° С -1 при температуре бетона, °С

Видео:13.1. Что такое ряд Фурье?Скачать

ОЦЕНКА ОГНЕСТОЙКОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ

В настоящее время во всех развитых странах имеются специальные институты, лаборатории, полигоны, где проводится широкий круг исследований и испытаний различных объектов на огнестойкость.

Значения фактических пределов огнестойкости конструкций определяются в настоящее время двумя основными способами: экспериментальным и расчетным.

Экспериментальные методы и средства оценки огнестойкости включают в себя: натурные наблюдения пожаров, огневые испытания фрагментов зданий, огневые стандартные и нестандартные испытания элементов конструкций в натуральную величину, огневые испытания модельных конструкций.

Экспериментальным способом огнестойкость строительных конструкций определяется на основании испытания образцов конструкций в специальных огневых установках и характеризуется для данной конструкции пределом огнестойкости, определяемым временем (в минутах) от начала теплового испытания конструкции до возникновения одного из предельных состояний конструкции по огнестойкости (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Общие схемы огневых установок для испытаний различных строительных конструкций на огнестойкость: а — перегородок и стен; б — перекрытий; в — колонн;

7 — огневая камера; 2 — испытуемая конструкция; 3 — платформа; 4 — нагрузка

Исследования температурных режимов пожара в зданиях и сооружениях различного назначения, наблюдения реальных пожаров показывают, что эти режимы пожаров могут весьма существенно отличаться друг от друга.

В то же время сравнение поведения строительных конструкций при воздействии пожара возможно лишь тогда, когда они подвергаются воздействию одного и того же температурного режима пожара.

В связи с этим возникла необходимость в выборе некоторого характерного режима пожара, который можно было бы использовать для оценки сопротивления конструкций воздействию пожара.

На основании многолетнего опыта испытаний строительных конструкций на воздействие пожара, в 1959 году Международная организация по стандартизации (ИСО) разработала специальный стандарт № 834 на огневые испытания строительных конструкций.

Единый температурный режим, который был регламентирован этим стандартом ИСО для проведения огневых испытаний конструкций на воздействие пожара, получил название «стандартного» температурного режима пожара или температурного режима стандартного огневого испытания.

«Стандартный» температурный режим пожара представляется в виде следующей зависимости температуры среды в огневой камере от времени:

где Ту— время стандартного огневого испытания, мин;

Г₀ — начальная температура среды, °С (обычно принимают T_Q = = 20 °С);

Tf — температура в огневой камере установки для определения пределов огнестойкости конструкций в зависимости от времени Ту стандартного испытания.

Кривая «стандартного» пожара (рис. 1.6), в отличие от аналогичных кривых реальных пожаров, не имеет ниспадающей ветви (стадии затухания), а представляет собой непрерывно возрастающую логарифмическую функцию времени.

Рис. 1.6. Кривая «стандартного» пожара

Эта кривая является некоторой условной, усредненной зависимостью, используемой при стандартных огневых испытаниях различных объектов. Наиболее близко температурный режим «стандартного» пожара отражает развитие пожара в помещениях жилых и общественных зданий при различных значениях пожарной нагрузки.

Многочисленные испытания строительных конструкций на огнестойкость позволили выявить основные причины и характер разрушения при действии огня железобетонных, стальных, деревянных и других конструкций, особенности их прогрева в этих условиях.

Обобщение результатов огневых испытаний дало возможность создать каталог справочных данных, с помощью которого можно определять значения фактических пределов огнестойкости основных строительных конструкций — Пособие по определению пределов огнестойкости конструкций, пределов распространения огня и групп возгораемости материалов.

Однако организация и проведение натурных испытаний конструкций на огнестойкость требует значительных материальных затрат и времени. В ряде случаев это не позволяет достаточно быстро находить приемлемые решения в области оценки огнестойкости конструкций на стадии проектирования зданий и сооружений, затрудняет качественную оценку влияния различных факторов на поведение конструкций в условиях пожара.

Указанные обстоятельства привели к необходимости, наряду с натурными испытаниями, разрабатывать более оперативные и экономичные методы оценки огнестойкости. Особенно большое внимание в последние годы уделяется разработке методов и средств расчетной оценки огнестойкости строительных конструкций.

Расчетные методы оценки огнестойкости строительных конструкций

Принципы расчета строительных конструкций на огнестойкость были заложены в работах В.И. Мурашева, А.И. Яковлева, А.Ф. Ми- лованова, К. Kordina, О. Pettersson, Т. Harmathy и др.

В настоящее время методы расчета строительных конструкций на огнестойкость достигли такого уровня, что в нормативных документах регламентирована возможность их использования.

Расчетная оценка огнестойкости конструкций производится по двум показателям [7, 8]:

• а) по признаку R — потере несущей способности конструкции;
• б) по признаку I — потере теплоизолирующей способности.

Сущность расчета конструкций на огнестойкость заключается в определении момента времени (предела огнестойкости), по истечении которого, в условиях воздействия пожара, конструкции утрачивают свои несущие или теплоизолирующие способности.

Расчетная оценка огнестойкости конструкций в общем случае заключается в решении трех задач [7, 8]:

Задача № 1. Расчет температурного режима пожара в помещении, ограждаемого рассматриваемыми конструкциями (теплофизическая задача).

Задача № 2. Расчет прогрева рассматриваемых строительных конструкций в зависимости от температурного режима пожара в помещении, оценка времени наступления предельного состояния конструкции по признаку I (теплофизическая задача).

Задача № 3. Оценка изменения несущей способности рассматриваемой конструкции в зависимости от ее прогрева в условиях пожара, определение предела огнестойкости конструкции по предельному состоянию «потеря несущей способности» (времени до наступления предельного состояния конструкции по признаку R) (прочностная задача).

При расчетной оценке значений пределов огнестойкости конструкций, которая проводится с учетом режима так называемого «стандартного» пожара, надобность в решении задачи № 1 отпадает, так как температурный режим «стандартного» пожара уже задан, которое используется в качестве исходной информации для последующего решения задач № 2 и 3.

Общая схема расчета строительных конструкций на огнестойкость на примере железобетонной плиты приведена на рис. 1.7 [6].

На рис. 1.7, б представлена общая схема решения теплофизической задачи огнестойкости. На горизонтальной оси графика отложено время воздействия пожара ту, а на вертикальной оси графика — температура Т.

Решение теплофизической задачи огнестойкости заключается в определении для заданных периодов времени воздействия пожара значений температуры в сечениях конструкции, определяющих значение ее предела огнестойкости. Для примера, приведенного на рис. 1.7, б, такими температурами являются температура прогрева рабочей арматуры растянутой зоны плиты Т(х = 6; ту) и температура необогреваемой поверхности плиты Т(х = h; ту).

Расчет конструкций на огнестойкость по предельному состоянию I (утрате конструкцией теплоизолирующей способности) заключается

Рис. 1.7. Общая схема расчета конструкций на огнестойкость (на примере железобетонной плиты):

о — расчетная схема задачи; б — решение теплофизической задачи огнестойкости; в — решение прочностной задачи огнестойкости [6]

в общем случае в решении двух теплофизических задач (см. рис. 1.7): определение режима пожара в помещении 7^) и затем определение температуры необогреваемой поверхности конструкции Т(х = A, fj) в зависимости от времени действия пожара.

Огнестойкость конструкции в этом случае определяется из условия:

Теплофизическая задача огнестойкости

Для решения теплофизической задачи огнестойкости, связанной с нахождением температурного поля в строительных конструкциях с учетом воздействия пожара, необходимо решать дифференциальное уравнение, характеризующее математическую зависимость между физическими величинами, описывающими изучаемый процесс. В данном случае речь идет о дифференциальном уравнении теплопроводности, дающем зависимость между температурой, временем и координатами элементарного объема рассматриваемого тела.

Выше были рассмотрены условия распространения тепла при воздействии пожара на строительные конструкции и показано, что тепловые процессы, протекающие в этих условиях, являются нестационарными, т.е. температурное поле в конструкции изменяется во времени.

Дифференциальное уравнение нестационарной теплопроводности для твердых тел применительно к условиям пожара имеет следующий вид (для случая одномерного распространения тепла):

где c(T, и) — коэффициент удельной теплоемкости, зависящий от температуры и влагосодержания и, кДж/(кг • град);

А(Т, и) — коэффициент теплопроводности, зависящий от Ти и, ВтДмтрад);

р — объемная масса материала, кг/м 3 ;

Q — внутренний источник или сток тепла в теле за счет фазовых превращений влаги и процессов тепловлагопереноса в материале прогреваемой конструкции.

Дифференциальное уравнение теплопроводности имеет в общем случае бесконечное множество решений. Чтобы из этого множества выбрать конкретное, однозначно характеризующее решение тепло- физической задачи огнестойкости, надо знать распределение температуры внутри тела в начальный момент времени (начальное условие), геометрическую форму тела и закон взаимодействия между окружающей средой и поверхностью тела (граничное условие).

Совокупность начальных и граничных условий в теории теплопроводности называется краевыми условиями.

Начальное условие определяется заданием закона распределения температуры внутри тела в начальный момент времени. В теплофизической задаче огнестойкости обычно принимают равномерное распределение температуры внутри тела в начальный момент времени, т.е.

Если задается температурный режим пожара в помещении, то закон теплообмена между нагретой средой помещения и строительными конструкциями имеет вид граничных условий 3-го рода.

В этом случае количество тепла, передаваемого в единицу времени от среды с температурой T_f (т) к поверхности конструкции, прямо пропорционально разности температур между нагретой средой T_f <x)и поверхностью конструкции ^(т), т.е.

где а — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплообмена, Вт/(м 2 • град);

-А, — — количество тепла, которое отводится с поверхности

тела в единицу времени путем теплопроводности.

Коэффициент теплообмена численно равен количеству тепла, получаемого единицей площади поверхности тела в единицу времени при разности температур между средой и поверхностью тела 1 °С.

При всех прочих равных условиях скорость прогрева строительных конструкций при воздействии пожара зависит от характеристик теплопереноса (теплофизических характеристик) строительных материалов, из которых выполнены эти конструкции.

Многочисленные исследования свидетельствуют о том, что при рассмотрении условий пожара необходимо учитывать изменение этих характеристик в зависимости от температуры прогрева. Причем характер этих изменений для различных материалов может быть различным.

Например, для тяжелых бетонов (р = 1900—2400 кг/м 3 ) коэффициент теплопроводности уменьшается с ростом температуры, а для материалов с меньшей объемной массой (р 3 ), большей пористостью коэффициент теплопроводности начинает существенно увеличиваться.

Поэтому дифференциальное уравнение теплопроводности (1.5) является нелинейным, так как содержит характеристики теплопереноса А, и с, которые зависят от температуры Т и влажности и материала. Кроме того, входящий в граничные условия 3-го рода коэффициент теплообмена а также является сложной характеристикой, зависящей от многих факторов (температуры, скорости движения среды, степени черноты материала, геометрии конструкции и т.д.).

В связи с этим математическая постановка теплофизической задачи огнестойкости является сложной для инженерных расчетов. Обычно она используется при расчетах, требующих особо точных решений, как правило, проводимых с помощью ЭВМ.

При проведении инженерных расчетов огнестойкости общая сложная математическая модель теплофизической задачи огнестойкости упрощается [7].

Первое упрощение состоит в линеаризации нелинейного равнения теплопроводности путем введения в него постоянных, усредненных значений характеристик теплопереноса X и с, а также путем учета фазовых превращений влаги и процессов влагопереноса в прогреве конструкции с помощью специального поправочного коэффициента.

В соответствии с этими соображениями дифференциальное уравнение теплопроводности (1.5) преобразуется к виду

где a_red — значение приведенного коэффициента температуропроводности материала конструкции, м 2 /ч.

где р — поправочный коэффициент, учитывающий влияние влажности материала и на развитие температурного поля в конструкции. Второе упрощение общей математической модели теплофизической задачи огнестойкости состоит в замене граничных условий 3-го рода граничными условиями 1-го рода, когда задается закон изменения температуры на поверхности конструкции. Этот переход дает возможность отказаться от такой сложной характеристики, как коэффициент теплообмена а.

В практике инженерных решений теплофизической задачи огнестойкости такой переход можно осуществить с помощью приема, который называется методом фиктивного термического сопротивления. Сущность этого метода состоит в том, что (рис. 1.8) действие температурного режима пожара в стадии его развития 7^.(т) на поверхность конструкции (рис. 1.8, а) можно уподобить действию некоторой постоянной температуры 0^ на конструкцию, на обогреваемой поверхности которой имеется «фиктивный» слой материала толщиной

где cpj — коэффициент, зависящий от плотности материала.

Значение постоянной температуры 0^, действующей на поверхность «фиктивного» термического сопротивления подбирается таким образом, чтобы на реальной поверхности конструкции под фиктивным слоем температура изменялась аналогичным образом, как и при воздействии на нее температурного режима пожара в стадии развития 7^(т) (рис. 1.7, б).

Таким образом, сложное граничное условие 3-го рода заменяется граничным условием 1-го рода, которое имеет вид

Рис. 1.8. Общая схема использования метода «фиктивного» термического сопротивления при инженерных решениях теплофизической задачи огнестойкости [7]

Для условий «стандартного» пожара (когда ц/ = 1) граничные условия 1 -го рода, используемые для решения теплофизической задачи огнестойкости, принимают вид

Выражения (1.10) или (1.11) используются для инженерных расчетов строительных конструкций на огнестойкость.

Третьим направлением, позволяющим расширить область применения инженерных аналитических решений задач огнестойкости, является использование принципа суперпозиции [9— 13].

Принцип суперпозиции при решении рассматриваемых задач может быть сформулирован следующим образом: если действие отдельных источников тепла, расположенных на границе тела или внутри него, не зависит друг от друга, то можно рассматривать действие каждого источника отдельно, а конечный тепловой эффект находить, складывая алгебраически действия всех источников.

Использование этого принципа открывает большие возможности для решения более широкого круга инженерных задач огнестойкости. Принцип суперпозиции применим во всех случаях, когда граничные условия, внутренние источники и теплофизические характеристики не зависят от температуры тела, т.е. в диапазоне условий решения задачи являются постоянными.

С учетом первых двух рассмотренных выше упрощений использование принципа суперпозиции позволяет распространить простые аналитические решения уравнения теплопроводности на более сложные задачи:

• расчет прогрева плит, подвергаемых двустороннему прогреву (при двух параллельных обогреваемых поверхностях):

• расчет прогрева конструкций для случая трехстороннего воздействия пожара, когда первая и вторая поверхности конструкций параллельны, а третья им перпендикулярна: [1]

• в конструкциях круглого сечения; обогреваемых по всему периметру:

где / — толщина начавшего прогреваться слоя бетона, м;

х — параметр, который определяется из следующих выражений: при определении температуры прогрева бетона:

при определении температуры прогрева арматуры:

где X; — расстояние от рассматриваемой точки сечения бетона до /-й обогреваемой поверхности, м;

Y_i — расстояние от /-й обогреваемой поверхности до ближайшего к ней края арматуры, м;

Ф_р ср₂ — коэффициенты, зависящие от плотности бетона; d — диаметр арматуры, м; b — радиус сечения, м, х _<1

Основным компонентом, учитывающим специфику воздействия пожара на конструкции в уравнениях предельного равновесия, являются показатели изменения прочности и деформативности материалов при нагреве. При статическом подходе способ описания этих показателей основывается на статических, чисто механических представлениях о природе прочности и разрушения твердых тел.

Представления статического (механического) подхода к природе прочности и разрушения твердых тел заключаются в том, что с внешней силой взаимодействует статическая система связанных атомов твердого тела, т.е. приложенная сила распределяется по межатомным связям и напрягает их.

Разрушение твердого тела при статическом подходе представляется в виде внезапного разрыва межатомных связей, когда уровень внешней силы достигает предельной величины, равной прочности межатомной связи. На этой основе и вводится понятие «предела прочности».

Введение при рассматриваемом подходе понятий «предел прочности», «критическая температура» нагрева материала отражает критический характер разрушения такой статической системы при нагреве под нагрузкой. Величине предела прочности или критической температуры нагрева, при которой этот предел достигается, придается смысл физической константы материала, которая определяет наступление предельного состояния [7].

При нагрузке или температуре, меньшей предельно допустимой, допускается, что тело будет оставаться целым сколь угодно долго, и такая нагрузка (или температура) считается безопасной.

Соответственно изменение прочности материала в условиях высокотемпературного нагрева представляется в виде однозначных зависимостей «прочность — температура»:

или в безразмерном относительном виде:

где R — сопротивление материала, полученное с помощью стандартных механических испытаний при нормальной начальной температуре;

R_t — сопротивление материала, полученное с помощью механических испытаний в условиях стандартного режима нагрева и достигаемое при Т= Т сг .

Физический смысл зависимостей (1.17) и (1.18) заключается в том, что материал конструкции достигает в условиях пожара того или иного предельного состояния при определенном значении температуры их нагрева, называемой «критической».

Характерной особенностью зависимостей типа (1.17) и (1.18) является то, что в них время воздействия температуры на материал прямо не фигурирует и органически не входит в сам механизм разрушения.

В связи с этим решения прочностных задач огнестойкости на основе такого рода зависимостей получили название «статической» задачи огнестойкости.

Аналитические или графические интерпретации (см. рис. 1.8) зависимостей типа (1.17) и (1.18) составляют основу справочной информации для решения прочностных задач огнестойкости конструкций на основе «статического» подхода. Для условий «стандартного» пожара эти зависимости позволяют с приемлемой для инженерных целей точностью решать ряд задач по оценке огнестойкости конструкций зданий.

Решение прочностной задачи огнестойкости — расчет конструкций на огнестойкость по предельному состоянию R (утрате несущей способности) требует в общем случае предварительного решения теплофизических задач огнестойкости № 1 и 2.

Эти результаты служат исходными данными для последующего решения прочностной задачи огнестойкости: определения изменения несущей способности конструкции Ф в различные моменты времени т воздействия пожара.

На рис. 1.7, в представлена общая схема решения прочностной задачи огнестойкости. На горизонтальной оси графика отложено время воздействия пожара ту, а на вертикальной оси — несущая способность конструкции Ф и нагрузка на конструкцию М_н или N_H. Для заданных периодов времени воздействия пожара ту определяют значения несущей способности конструкции Ф|Т(ту)].

Огнестойкость конструкции по признаку потери несущей способности определяется как момент времени воздействия пожара х^ при котором несущая способность Ф[ Дту)] конструкции снизится до величины действующих на нее рабочих нагрузок N_H (М_н) (см. рис. 1.7, в). Этот момент времени воздействия пожара и будет являться расчетным пределом огнестойкости рассматриваемой конструкции по предельному состоянию R — потеря несущей способности.

Огнестойкость конструкции в этом случае определяется из условия:

где т:_fr(R) — предел огнестойкости конструкции по предельному состоянию (потеря несущей способности);

N_H, М_н — соответственно продольная сила или изгибающий момент от нормативной рабочей нагрузки.

Данные об изменении прочностных и деформационных характеристик материалов конструкций в условиях пожара имеют определяющее, исключительно важное значение для практической реализации методов расчета конструкций на огнестойкость.

Практика показывает, что сама возможность расчета конструкций на огнестойкость оказывается неразрывно связанной с проблемой оценки изменения этих характеристик материалов в условиях высокотемпературного воздействия пожара.

В связи с этим существующие подходы к расчетной оценке огнестойкости конструкций в основном различаются по различной интерпретации данных о характеристиках материалов конструкций и их изменений в условиях пожара.

Изменение сопротивления материалов строительных конструкций в условиях воздействия пожара обычно учитывается при расчетных оценках огнестойкости конструкций, с помощью коэффициентов условий работы материалов при пожаре у₍ (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Изменение коэффициента условий работы при пожаре для различных арматурных сталей в зависимости от температуры их нагрева: 1 — сталь А111; 2 — сталь Ат5; 3 — сталь В1; Вр1 [7]

🔥 Видео

Уравнение в частных производных Уравнение теплопроводностиСкачать

Метод Фурье для неоднородного уравнения теплопроводностиСкачать

УМФ. Метод Фурье для параболического уравненияСкачать

15. Решение уравнения теплопроводности в кругеСкачать

8.2 Теплопроводность на отрезке. Сложные задачи.Скачать

4.3 Решение неоднородного волнового уравнения на бесконечной прямойСкачать

Задача Коши для волнового уравнения (Часть 1)Скачать

Решение задачи Коши для уравнения теплопроводности (Часть 1)Скачать

5.1 Задача Штурма-ЛиувилляСкачать