Сущность методики расчета пределов огнестойкости строительных конструкций

Сущность методики расчета

Целью расчета является определение времени, по истечении которого строительная конструкция при стандартном температурном режиме потеряет (исчерпает) свою несущую или теплоизолирующую способность (1 и 3 предельные состояния конструкций по огнестойкости), т. е. до времени наступления П_ф.

Время наступления (П_ф) по второму предельному состоянию конструкции по огнестойкости пока не поддается расчету.

По 3 предельному состоянию конструкции по огнестойкости рассчитывают внутренние стены, перегородки, перекрытия.

Учитывая, что отдельные конструкции одновременно являются и несущими, и ограждающими, то их рассчитывают и по 1 и по 3 предельным состояниям по огнестойкости, например: конструкции внутренних несущих стен, перекрытий.

Это же относится к определению предела огнестойкости конструкций и по справочному пособию, технической информации («в помощь инспектору ГПН») и, естественно, методом натурных огневых испытаний.

В общем случае методика расчета предела огнестойкости несущей строительной конструкции состоит из теплотехнической и статической частей(ограждающих - лишь из теплотехнической).

Теплотехническая часть методики расчета предусматривает определение изменения температуры (во время воздействия стандартного температурного режима) как в любой точке по толщине конструкции, так ее поверхностей.

По результатам такого расчета можно определить не только указанные значения температур, но и время прогрева ограждающей конструкции до предельных температур (140°С+t_n), т. е. время наступления ее предела огнестойкости по 3 предельному состоянию конструкции по огнестойкости.

Статическая часть методики предусматривает расчет изменения несущей способности (по прочности, величине деформации) прогревшейся конструкции во время стандартного испытания на огнестойкость.

Расчетные схемы

При расчете предела огнестойкости конструкции обычно используют следующие расчетные схемы:

1-ю расчетную схему (рис. 3.1) используют, когда предел огнестойкости конструкции наступает в результате потери ею теплоизолирующей способности (3-е предельное состояние по огнестойкости). Расчет по ней сводится к решению лишь теплотехнической части задачи огнестойкости.

Рис. 3.1. Первая расчетная схема. а – вертикальное ограждение; б – горизонтальное ограждение.

2-ю расчетнуюсхему (рис. 3.2) применяют, когда предел огнестойкости конструкции наступает в результате потери ею несущей способности (при прогреве выше критической температуры - t_cr металлических конструкций или рабочей арматуры железобетонной конструкции).

Рис. 3.2. Вторая расчетная схема. а – металлическая облицованная колонна; б – каркасная металлическая стена; в – железобетонная стена; г – железобетонная балка.

Критическая – температура - t_cr несущей металлической конструкции либо рабочей арматуры изгибаемой железобетонной конструкции - температура ее нагрева, при которой предел текучести металла, уменьшаясь, достигает величины нормативного (рабочего) напряжения от нормативной (рабочей) нагрузки на конструкцию, соответственно.

Ее числовое значение зависит от состава (марки) металла, технологии обработки изделия и величины нормативной (рабочей - той, что действует в построенном здании) нагрузки на конструкцию. Чем медленнее снижается предел текучести металла при нагреве и чем меньше величина внешней нагрузки на конструкцию, тем выше величина t_cr, т. е. выше П_ф конструкции.

Существуют конструкции, в частности, деревянные, разрушение которых при пожаре происходит в результате уменьшения площади их поперечного сечения до критической величины - F_cr при обугливании древесины.

В результате этого величина напряжения - s от внешней нагрузки в оставшейся (рабочей) части поперечного сечения конструкции увеличивается, и при достижении этой величиной значения нормативного сопротивления - R_nt древесины (с поправкой на величину температуры) конструкция обрушается, т. к. наступает ее предельное состояние по огнестойкости (потеря несущей способности), т. е. П_ф. Для этого случая используется 3 расчетная схема.

Расчет фактического предела огнестойкости конструкции по 3-й расчетной схеме сводится к определению момента времени стандартного испытания конструкции на огнестойкость, по достижении которого (при известной скорости обугливания древесины - n_л) площадь поперечного сечения - S конструкции (ее несущей части) уменьшится до критической величины.

Рис. 3.3. Третья расчетная схема. а – деревянная балка; б – железобетонная колонна.

По этой расчетной схеме также с достаточной для практических целей точностью результата можно рассчитать фактический предел огнестойкости несущей железобетонной конструкции колонны [3], принимая допущения о том, что нормативное сопротивление (предел прочности) бетона, прогретого выше критической температуры, равно нулю, а в пределах критической площади «поперечного сечения» равно первоначальной величине - R_n.

С использованием ЭВМ появилась 4 расчетная схема, которая предусматривает одновременно с решением теплотехнической части задачи огнестойкости расчет и изменения несущей способности конструкции до ее потери (т. е. до наступления П_ф конструкции по первому предельному состоянию по огнестойкости - рис. 3.5), когда:

N_t N_n; либо М_t=М_n. (3.1)

где N_t; М_t - несущая способность нагретой конструкции, Н; Н×м;

N_n; М_n - нормативная нагрузка (момент от нормативной нагрузки на конструкцию) Н, Н×м.

По этой расчетной схеме вычисляют температуру с помощью ПК в каждой точке расчетной сетки (рис. 3.5), наложенной на поперечное сечение конструкции, через расчетные интервалы времени (хорошая сходимость результатов расчета с результатами натурных огневых испытаний - при шаге счета _Dt £ 0,1мин).

Одновременно с вычислением температуры в каждой точке расчетной сетки ПК считает и прочность материала в этих точках - в те же моменты времени - при соответствующих температурах (т. е. решает статическую часть задачи огнестойкости). Одновременно ПК суммирует прочностные показатели материалов конструкции в точках расчетной сетки и определяет таким образом суммарную несущую способность, т. е. несущую способность конструкции в целом на заданный момент времени стандартного испытания конструкции на огнестойкость.

По результатам таких расчетов строят вручную (или с помощью ПК) график изменения несущей способности конструкции от времени огневого испытания (рис. 3.4), по которому определяют фактический предел огнестойкости конструкции.

Рис. 3.4. Изменение (снижение) несущей способности конструкции (например, колонны) до нормативной нагрузки при ее обогреве в условиях натурных огневых испытаний.

Таким образом, 2 и 3 расчетные схемы являются частными случаями 4-й.

Как уже говорилось, строительные конструкции, выполняющие и несущую, и ограждающие функции, рассчитывают и по 1-му и по 3-му предельным состояниям конструкции по огнестойкости. При этом используют соответственно 1-ю расчетную схему, а также 2-ю. Примером такой конструкции является ребристая ж/б плита перекрытия, для которой по первой расчетной схеме вычисляют время наступления 3-го предельного состояния конструкции по огнестойкости - при прогреве полки. Затем вычисляют время наступления 1-го предельного состояния конструкции по огнестойкости - в результате прогрева рабочей арматуры плиты до - t_cr - по 2-й расчетнойсхеме - до разрушения плиты в связи со снижением ее несущей способности (рабочей арматуры в ребрах) до нормативной (рабочей) нагрузки.

В связи с недостаточностью результатов экспериментальных и теоретических исследований в методику расчета пределов огнестойкости конструкций обычно вводят следующие основные допущения:

1) расчету подвергают отдельную конструкцию - без учета ее связей (сочленения) с другими конструкциями;

2) стержневая вертикальная конструкция при пожаре (огневом натурном испытании) прогревается равномерно по всей высоте;

3) утечки тепла по торцам конструкции не происходит;

4) температурные напряжения в конструкции, появившиеся в результате неравномерного ее прогрева (в связи с изменением деформативных свойств материалов и различными величинами температурного расширения слоев материала), отсутствуют.

Ст. преподаватель кафедры ПБЗиАСП

Ст. лейтенант внутренней службы Г.Л. Шидловский

”______” _______________ 201_ года