EVALUATION OF DESIGN FIRE RESISTANCE OF A REINFORCED CONCRETE BEAM WITH CENTRAL PROP

Full Text

В основу контроля над обеспечением пожарной защиты строительного объекта на стадии проектирования положена проверка качества проектной документации, в которую включают обоснование показателей огнестойкости строительных конструкций, зданий и сооружений [1-3]. Фактический предел огнестойкости железобетонных конструкций может быть определён натурными испытаниями или инженерным расчетом [4-6]. Классические методы расчета огнестойкости железобетонных конструкций трудоемки и дороги. Следовательно, разработка научного описания способа оценки проектной огнестойкости строительной конструкции, в частности двухпролётной железобетонной балки, по аналитическим зависимостям весьма актуальна, перспективна и экономически выгодна. Научная значимость работы заключается в исследовании закономерности поведения изгибаемых статически неопределимых железобетонных балок в условиях стандартного пожара. Задачи научно-исследовательской работы: 1) разработка аналитической зависимости для оценки проектной огнестойкости неразрезной железобетонной конструкции по признаку потери несущей способности в условиях пожара; Н. А. Ильин, Д. А. Панфилов, Н. А. Колеснев, И. А. Силантьев 17 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 4 2) обоснование основных параметров, определяющих огнестойкость неразрезных железобетонных конструкций; 3) оценка проектного предела огнестойкости двухпролётной балки; 4) оценка возможности использования балки в здании соответствующей степени огнестойкости. Необходимость оценки показателей проектной огнестойкости двухпролётных железобетонных балок возникает при реконструкции здания, усилении его элементов, приведении проектной огнестойкости конструкций здания в соответствие с требованиями современных норм [7-9]. При реконструкции здания возможно переустройство и перепланировка помещений, изменение их назначения, замена балочных конструкций и оборудования. Это влияет на изменение требуемой и фактической степени огнестойкости здания. Предложенный авторами метод оценки огнестойкости железобетонной балочной конструкции состоит в установлении показателей пожарной защиты здания в части гарантированной длительности сопротивления неразрезной двухпролётной железобетонной балки в условиях пожара, а также в упрощении оценки определения проектного предела огнестойкости двухпролётной неразрезной железобетонной балки по признаку потери несущей способности [10-12]. Технологический и экономический эффект при осуществлении технического решения достигается тем, что в качестве балочной конструкции здания принимают двухпролётную железобетонную балку прямоугольного сечения. Для сопряжения балки и железобетонной колонны предусматривают жесткий узел, а стык свободного конца балки со стенкой здания принимают шарнирным. При таком решении каркаса здания проектный предел огнестойкости двухпролётной железобетонной балки по признаку потери несущей способности (FU(R), мин) определяют, используя аналитическое уравнение (1) где Jσs- интенсивность напряжений в рабочей арматуре балки в пролёте; С - степень огнезащиты бетоном продольной рабочей арматуры, см; km- показатель неразрезной двухпролётной балки (km > 1); tcr - критическая температура нагрева рабочей арматуры, °С; n - эмпирический показатель класса рабочей арматуры; ln - натуральный логарифм; e = 2,72 - натуральное число. Интенсивность напряжений в рабочей арматуре в пролёте балки вычисляют по алгебраической зависимости (2) где qn.qn и q - нормативная длительная и соответственно расчетная полная нагрузка на 1 п. м балки, кН/м; As.mp и As- площадь арматуры, требуемая по расчету в пролёте и, соответственно, принятая в проекте (в натуре), см2; Rs и Rsu - расчетное и нормативное сопротивление рабочей арматуры балки при испытании на огнестойкость, МПа. Степень огнезащиты продольной рабочей арматуры (С, см) определяют по аналитическому уравнению (3) где m0 - показатель условий нагрева продольной рабочей арматуры в поперечном сечении двухпролётной железобетонной балки в процессе огневого воздействия; amin - минимальная глубина залегания продольной рабочей арматуры по одной из осей координат поперечного сечения, мм; Dвm - коэффициент термодиффузии бетона, мм2/мин. Величину показателя условия нагрева (m0,3) продольной рабочей арматуры при трёхстороннем подводе тепла к ней, при ах ≤ ау, определяют по уравнению (4) где ax1, ax2 и ay - соответственно глубина залегания продольной рабочей арматуры от обогреваемой грани железобетонной балки по осям координат поперечного сечения, мм. Показатель неразрезности железобетонной балки (km) определяют по алгебраическому выражению (5) где Аon и А - площади сечения продольной рабочей арматуры над опорой и соответственно в пролете железобетонной балки, мм2. Исключение огневых испытаний двухпролётной железобетонной балки здания и замена их на неразрушающие испытания снижает трудоемкость оценки их огнестойкости, расширяет технологические возможности выявления фактической огнестойкости различно нагруженных конструкций любых размеров, дает возможность проведения испытания железобетонной балки на огнестойкость без нарушения функционального процесса обследуемого здания, а также сопоставления полученных результатов со стандартными испытаниями аналогичных конструкций и сохранения эксплуатационной пригодности обследуемого здания без нарушения несущей способности его балочных конструкций в процессе испытания. Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 4 18 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ Применение математического описания процесса сопротивления двухпролётных железобетонных неразрезных балок высокотемпературному воздействию и использование построенных аналитических выражений (1)-(5) повышает точность и экспрессивность оценки их огнестойкости по признаку потери несущей способности. Упрощен учет особенностей статической схемы работы двухпролётной балки, армирования расчетного сечения и неразрезности железобетонной балки на величину проектного предела огнестойкости. Пример Исходные данные: Уровень ответственности здания - нормальный (γn=1,0); шаг колонн L1×L2 = 6×7 м; число пролетов - 2; временная нормативная нагрузка на перекрытие 4,0 кН/м2; постоянная нормативная нагрузка от массы пола 1,2 кН/м2; класс арматуры А400 (Rs=350 МПа, а=60мм); бетон тяжелый класса В30 (ρ=2500кг/м3; Rb=17,0 МПа); на балку оперты плиты перекрытия с круглыми пустотами из легкого бетона. Размеры поперечного сечения балки b × h = 250 × 550 мм2 (рис. 1). А-А Рис. 1. Расположение продольной арматуры железобетонной балки в пролёте: сечение в пролете (А - А); h - высота сечения; h0 - рабочая высота сечения; b - ширина сечения; As - площадь рабочей арматуры б) временная нагрузка (γn = 1,0): ν = ν1·L1·γn = 4,8·6,0·1,0 = 28,8 кН/м. Всего: полная нагрузка P = g + ν = 32,22 + 28,8 = 61,02 кН/м. В примере принята схема армирования продольного сечения с расположением надопорной арматуры в один ряд. Рабочая высота сечения в крайнем пролёте h0 = h - a = 550 - 60 = 490 мм; изгибающий момент М=265,1 кН·м, по величине αm = M/(Rb·b·h2 0) = 276,1·106/(17,0·250·4902) = = 0,271 < aR = 0,391; находим ξ=0,852; требуемая площадь растянутой арматуры: принято 4 Ø25 A400 (As=1963 мм2). Сечение балки на опоре (см. рис. 1): h0 = 550 - 45 = 505 мм; М = 186,5 кН·м проектом принято 2 Ø28 А400 (As = 1232 мм2). Нагрузки на балку: нагрузка от веса балки расчетная qбал.= 3,78 кН/м; то же нормативная qн,бал= 3,78/1,1 = 3,44 кН/м; нормативная постоянная и длительная на 1 м2 перекрытия q = 6,7 кН/м2; то же на 1 п. м балки qн.дл = 6,7·6·0,95+3,44 = 41,63 кН/м; полная расчетная нагрузка на балку Р = 61,36 кН/м. Бетон класса В35: вид бетона - тяжелый (ρс = 2300 кг/м3) на гранитном заполнителе, влажность бетона 3 %; коэффициент термодиффузии Dвм = 22,2 мм2/мин. Арматура класса А400: Rs = 350 МПа; Rsn = 400 МПа; Rsu = 400/0,9 = 444,4 МПа; (Ø10- 40 мм); tcr = 550 °С; n = 4,4; площадь арматуры, требуемая в пролёте, As,c,тр = 11,66 и As,тр = 17,4 см2; по проекту As,c,тр = 12,32 см2 и Аs = 19,63 см2 (2 Ø25). Проектное решение: балка двухпролётного перекрытия представляет собой элемент рамной конструкции. При свободном опирании концов балки на наружные стены и равных пролётах балка запроектирована как неразрезная конструкция. Хомуты Ø8 А400 расположены с шагом 250 мм на опорах и 380 мм в пролёте. Стык неразрезной балки с колонной выполнен на сварке. Интенсивность напряжений в рабочей арматуре, расположенной в пролёте, вычислим по уравнению (2): Jσs = (qн.дл./qн.дл.)·(As,тр/As)·(Rs/Rsu) = = (41,63/63,36)·(17,4/19,63)·(350/444,4) = 0,474. При расчете огибающих эпюр двухпролётной балки методика её построения приведена на рис. 2. При построении огибающих эпюр, рассчитанных ЭВМ, руководствуются рис. 3. Нагрузки на 1 м длины балки: а) постоянная нагрузка: от перекрытия: g1 = p1·L1· γn = 4,74·6·1,0 = 28,44 кН/м; от веса балки (γn = 1,0; γ1 = 1,1); g2 = b·h·ρ· γn·γ1 = 0,25·0,55·25·1,0·1,1 = 3,78 кН/м; итого: g = 28,44 + 3,78 = 32,22 кН/м; Н. А. Ильин, Д. А. Панфилов, Н. А. Колеснев, И. А. Силантьев 19 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 4 Н а рис. 4 приведена схема к расчету огнестойкости неразрезной балки b×h = 250×550 мм2; сечение А-А: рабочая арматура по проекту - 4 стержня (номинальный диаметр 25 мм); условная рабочая арматура - 2 стержня (приведенный диаметр 35 мм); глубина заложения стержней (осевые расстояния) ах1 = 37,5 мм; ах2 = 212,5 мм; ау = 67,5 мм. Глубины заложения условных стержней арматуры d1 = 2,5 см. Для двух стержней равного диаметра ay1= 37,5; ay2= 97,5; ey= 60; amin = ax = 37,5; ex= 175; ax2= B - ax1 = 250 - 37,5 = 212,5 мм; ay = (ay1 + ay2)/2 = (37,5/97,5)/2 = 67,5 мм. Сечение на опоре: осевое расстояние ах = 37,5 мм; диаметр стержней d2 = 28 мм. Рис. 2. Огибающие эпюры изгибающих моментов для двухпролётной железобетонной балки: р - полная нагрузка; g - постоянная нагрузка; l - расчетный пролёт Рис. 3. Схема расположения параметров армирования неразрезной железобетонной балки: S1, S2 - продольная рабочая арматура в пролете; Sb2 - продольная рабочая арматура на опоре; dsw - поперечная арматура; sw - шаг арматуры Рис. 4. Схема поперечного сечения балки к расчету огнестойкости Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 4 20 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ Показатель нагрева условного стержня при пожаре вычисляют по уравнению (4): Степень огнезащиты арматуры бетоном в сечении балки в пролёте рассчитывают по уравнению (3): Показатель условий работы неразрезной конструкции при пожаре вычисляют по уравнению (5): Предел огнестойкости неразрезной балки вычисляют по аналитическому уравнению (1): Пожарно-техническая классификация балок здания: класс пожароопасности железобетонной конструкции - К0; проектный предел огнестойкости железобетонной балки Fu = 150 мин (нормативный предел огнестойкости Ru ≥ 120 мин для здания I (первой) степени огнестойкости) [9]. Выводы. По результатам проведенных исследований [10-13] разработана аналитическая зависимость для оценки проектной огнестойкости неразрезной железобетонной конструкции по признаку потери несущей способности в условиях пожара; представлено обоснование основных параметров, определяющих огнестойкость неразрезных железобетонных конструкций; выполнена оценка проектного предела огнестойкости двухпролётной балки. Предложенный авторами метод оценки проектной огнестойкости двухпролетной железобетонной балки здания [11] предусматривает: 1) исключение натурных огневых испытаний конструкций и сохранение эксплуатационной пригодности здания при обследовании и неразрушающих испытаниях конструкций; 2) снижение трудоемкости оценки огнестойкости двухпролётной железобетонной балки и экономических затрат на испытание; 3) расширение технологических возможностей определения фактической огнестойкости различно нагруженных балочных конструкций любых размеров и по признакам потери несущей способности.

About the authors

Nikolay A. ILYIN

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Denis A. PANFILOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Nikita A. KOLESNEV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Ivan A. SILANTYEV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files