автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Оценка состояния железобетонных конструкций после пожара

ГОССТРОЙ СССР

РДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО 1ЗШШШ НАУЧНО-41ССЛВДОВАШЬСКИЙ РОШНО-КОНСТРУКТОРСКИЙ 'И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА / Н И И Ж Б /

На правах рукописи

ПАШКОВ ШИЛИЙ ФЕДОРОВИЧ

УД{ 624.012.45:699.81 + 69.059.22:614.84

ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИИ ПОСЛЕ ПОЖАРА

Специальность 05.23.01 - строительные конструкции,

здания и сооружения

Автореферат диссертации на' соискание учёной степени доктора технических наук

Москва 1991

Работа выполнена в Крымском институте природоохранного и курортного строительства Минвуза УССР.

Официальные оппоненты: доктор техн.наук про1*ессор Милованов А.$. член-корреспондент инженерной академии РСФСР Макагонов В.А. член-корреспондент академии технологических наук РСФСР Шевченко ] Ведущая организация - Научны? и проектный институт реконст-

ч

рукиии исторических городов, разработки и внедрения прогрессивны: строительных систем (А/о ИНРЕКОН).

Защита состоится " ¿¿1*- £-1992г. в ' / часов на заседании специализированного совета Д 033.03.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Научно-исследовательском проектно-конструкторском и технологическом институте бетона и железобетона по адресу: 109428, Москва, 2-я Институтская ул.,б. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан "_х'^__1992г.

/Ученый секретарь специализированного совета Д 033.03.01 канд.техн.наук

Л.Н.Зикеев

¿'Г.-Г^Ш", * .ТО» Г

с'-тдвл 1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

соертац/й |

Актуальность проблемы. В нашей стране за один ден^ происходит в среднем около 400 пожаров, уничтожается ценностей почти 1& I млн.руб., погибает 23 и ещё большее количество человек травмируется. Материальные и людские потери из-за обрушения конструкций связаны с недостаточным качеством проектирования, 1зготовления и монтажа при возведении зданий. Если конструкция лмеет требуемую нормами огнестойкость, предполагается, что. по-кар будет ликвидирован до её обрушения. В этом случае ушерб от южара будет локальным, а здание после ремонта может-эксплуатироваться. В противном случае, ушерб, нанесенный огнем, будет увеличен разрушением конструкции, преждевременно исчерпавшей огнестойкость и вызвавшей механическое обрушение смежных частей здания или сооружения. Потери в таких случаях могут возрасти во лного раз. Для избежания этого необходимы методы расчёта огнес-^ гойкости, обеспечивающие проектирование конструкций с гарантированным соответствием требованиям противопожарных норм.

Нагрев при пожаре снижает эксплуатационные качества строительных конструкций. Это происходит вследствие ухудшения физи-«з-механических свойств и условий совместной работы материалов, /меньшения геометрических размеров сечений и изменения схемы заботы элементов конструкций в результате интенсивного неравномерного нагрева. Опыт обследования зданий и сооружений показывает, что во многих случаях технически возможно и экономически целесообразно использовать строительные конструкции после пожара. Это'даёт ощутимый народно-хозяйственный эффект: экономятся материалы, трудовые ресурсы, сокращается срок ввода объекта в эксплуатацию.

Обследование зданий и сооружений, поврежденных пожаром, с

научно обоснованной оцевдой пригодности конструкций к дальнейшей эксплуатации - задача большой сложности. Она включает оценку результатов воздействия на конструкцию неконтролируемого процесса горения - пожара, т.е. ситуации, включавшей ряд вероятностных событий и зависящей от множества факторов. Широкая номенклатура железобетонных конструкций, значительный диапазон применяемых видов и классов бетона и арматуры существенно увеличивает сложность решения задачи.

Настоящая работа выполнялась в соответствии с программой Госстроя СССР по решению научно-технической проблемы "Пожарная безопасность зданий и сооружений" 0.55.16.011, .планом важнейших научно-исследовательских работ, создания и внедрения новой техники в области градостроительства и архитектуры Госгражданстроя СССР - проблема 0.55.04.02, программой Госстроя СССР "Полносборные крупнопанельные здания" - госзаказ № 4-21-0085-88.

Цель работы состояла в создании методики оценки пригодности железобетонных конструкций, подвергавшихся пожару, к дальнейшей эксплуатации .на основе изучения закономерностей изменения Сво материалов и условий их взаимодействия от нагрева при пожаре. Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:

- изучены особенности совместной работы арматуры и бетона при нагреве конструкций в режиме пожара и после остывания для различных технологических, конструктивных и эксплуатационных условий;

- разработана методика оценки прочности анкеровки арматуры в бетон? при нагреве железобетонного элемента и после его остывания;

- выполнена экспериментальная оценка огнестойкости железобетонных элементов, их несущей способности, треашностойкости и

еформаций после воздействия пожара для различных условий рабо-ы и видов материалов;

- разработана методика расчёта несушей способности, треш-остойкости и деформаций железобетонных конструкций, подвергав-ихся пожару, с учётом особенностей взаимодействия арматуры и етона;

- предложена методика оценки социально-экономической эффек-ивности проектирования строительных конструкций с гарантирован-ой огнестойкостью.

Автор защищает:

1. Результаты исследований сцепления ненапрягаемой стержне-ой и напрягаемой стержневой, проволочной, канатной арматуры в яжелых и легких бетонах различных составов и классов для ряда ехнологических,конструктивных и эксплуатационных условий при агреве конструкций в режиме пожара и после остывания;

2. Результаты исследований огнестойкости железобетонных лементов, их несущей способности, трешиностойкости и деформаций после нагрева и остывания;

3. Методику расчёта огнестойкости железобетонных конструк-рй с учётом особенностей анкеровки арматуры в бетоне, рекомен-ации по нормированию коэффициентов надежности и коэффициентов словий работы материалов, принципы проектирования конструкций

требуемой огнестойкостью. • ■

4. Методику расчёта несушей способности, трешиностойкости деформаций железобетонных конструкций, подвергавшихся пожару;

5. Рекомендации по обследованию и восстановлению зданий и ооружений, поврежденных пожаром;

6. Методику оценки социально-экономической эффективности роектирования железобетонных конструкций с гарантированной ог-естойкостью.

Научная новизна. Получены новые данные об огнестойкости предварительно напряженных и без предварительного напряжения балок и плит, их несушей способности, трешиностойкости и дефор-мативности после нагрева и остывания с разрушением по наклонным сечениям из-за проскальзывания арматуры, от действия изгибающего момента или поперечной силы при различных уровнях на-гружения и режимах нагрева.

Исследованы особенности сцепления всех основных видов арматуры в тяжелом и легком бетоне при нагреве конструкций в ре-

1

жиме пожара и после остывания для ряда технологических, конструктивных и эксплуатационных условий. Получены новые данные о влиянии температуры арматуры в месте её контакта с бетоном на прочность и деформативность сцепления для основных видов обычни ной и напрягаемой арматуры с различной толщиной защитного слоя бетона, интенсивностью косвенного и поперечного армирования в зоне анкеровки. Рассмотрены бетоны классов В15-В60 различного возраста, влажности и состава на распространенных видах заполнителей с приготовлением бетонных смесей, имеющих различное водоцементное отношение, а также пластифицирующими добавками.

Предложен метод определения напряжений в узлах железобетонных элементов с самоанкеруотейся арматурой и сложным напряженно-деформированным состоянием.

Прадлс-дена методика оценки социально-экономической эффективности проектирования железобетонных конструкций с гарантированный соответствием требованиям противопожарных норм. Обоснованы дифференцированные значения коэффициентов надежности по материалам при расчёте огнестойкости конструкций в зависимости от их назначения и ответственности. Разработана система коэффициентов условий работы материалов для расчёта огнестойкости железобетонных конструкций и расчёта несущей способности, трети-

остойкосги и деформаций железобетонных конструкций, учитывающих изменение сцепления арматуры с бетоном вследствие нагрева ¡ри пожаре.

Рекомендован порядок обследования и проведения испытаний елезобетонных конструкций, поврежденных пожаром, на основе бобтения существующих методов и опыта экспертизы производственное и гражданских зданий, пострадавших от пожара.

Практическое значение работы состоит в предотвращении слу-:аев гибели и травматизма людей на пожарах из-за прекдевремвн-ого обрушения конструкций, снижении материальных потерь за чёт повышения надежности проектирования конструкций с гаранти-ованной огнестойкостью, повышении экономической эффективности бследования и восстановления зданий и сооружений, поврежденных ожаром.

Реализация работы. Разработаны совместно с НИИЖБ Госстроя ССР "Рекомендации по проектированию многопустотных плит перерытой с требуемой огнестойкостью. - М.: НИИЖБ Госстроя СССР, Э87, - 27 с." Эти рекомендации и другие предложения автора по асчёту огнестойкости железобетонных конструкций использованы г!ШП реконструкции городов при разработке конструкций серии .090.1-1 (крупнопанельные здания), серия 1.020-1/ 83 '(каркаете здания) и при оценке огнестойкости усовершенствованных уз-эв сопряжений и элементов конструкций серии 1.090.1-1.

Результаты исследований и предложения по обследованию,' ис-ытаниям и расчёту несушей способности, прогибов и трешиностой-эсти железобетонных конструкций после пожара учтены в "Рекомен-ациях по обследованию зданий и сооружений, поврежденных пожаром МИНЕ Госстроя СССР, -м!: Стройиэдат, 1987. - СО е.", размотанных с участием автора. Результаты работы использованы при бследовании и восстановлении ряда объектов, пострадавших от по-

жара, в том числе: сыесительно-прессового и трансформаторнбго цехов электродного завода, склада сырья и битумного цеха кар-тонно-рубероидных заводов, химического цеха и завода хромовых кож кожевенно-обувного объединения, административного, здания и др. Получен экономический эффект свыше 2,7 млн.руб.

Разработаны совместно с НИШБ Госстроя СССР "Рекомендации по определению социально-экономической эффективности проектирования строительных конструкций с гарантированной огнестойкостью и восстановления зданий и сооружений, поврежденных пожаром /шт Госстроя СССР, СФ ДИСИ. - М.: 1989. - 43 с".

Составленное автором пособие "Восстановление зданий и сооружений, поврежденных пожаром УСФ ДИСИ. - К.: УМК ВО, 1989. -123 е.", рекомендовано УПО УССР и Минвузом УССР для проектировщиков и эксплуатационных служб.

Апробация работы и публикации. Основные материалы диссертации доложены и обсуждены на всесоюзных совещаниях и семинарах по огнестойкости строительных конструкций, зданий и сооружений: Москва, 1982, Москва, 1985; Пенза, 1988; Москва, 1988; на Всесоюзных, Республиканских и региональных конференциях по прогнозированию прочности и дефорыативности бетона и железобетона методами механики разрушения и др. Севастополь, 1908; Новосибирск, 1983, 1985, 1986, 1987; Симферополь, 1988; Севастополь, 1989; на конференциях ВУЗа: Днепропетровск, 1982, Симферополь, 1977 -1989 ежегодно. Экспонат "Огнестойкая железобетонная конструкция" был представлен на ВДНХ УССР. A.c. I6I7II2 ЫКИ4 Е04В 1/94.

Основное содержание работы опубликовано в монографии, пособии и 46 статьях.

Материалы, представленные автором в диссертации, разрабатывались как самостоятельно, так и совместно с консультируемыми им соискателями ассистентами Линченко Ю.П,, Алексеенко В.Н.

ри выполнении работы методическую и консультативную помощь называл'заведующий лабораторией "Жаростойких бетонов и огне-тойкости железобетонных конструкций" НИИЖБ Госстроя СССР донор техн.наук профессор В.В.Жуков.

Объём работы: диссертация состоит из введения, шести глав, аключения, библиографии и приложения. Работа изложена на II страницах текста, кроме того она содержит 82 рисунка,

а

I таблицу, список литературы из 294 наименований и приложение а 17 страницах.

Состояние проблемы. Систематическое исследование свойств гпользуемых для железобетона материалов при нагреве выполняли ШШ Госстроя СССР, ВНИИПО МВД СССР, МВД им. В.В.Куйбышева, ШПИТеплопроект,ВИШШ МВД СССР, НИПЙСиликатбетона, Волгоградом, Куйбышевский, Харьковский ИСИ, Львовский политехнический •ютитут и др.

Основополагающими в оценке свойств бетона при нагреве яв-шгся работы К.Д.Некрасова, В.И.Мурашева, А.И.Яковлева, Г.Д. шманова, А.Ф.Милованова, В.В.Жукова, В.А.Макагонова, В.И.Шев-:нко.

Свойства бетона и арматуры при нагреве исследовали многие 1ёные как в нашей стране, так и за рубежом.

В диссертации выполнен анализ результатов опубликованных ¡следований (свыше 60 отечественных и 30 зарубежных). Большин-'во исследователей делают идентичные выводы об изменении проч-юти бетона вследсххше нагрева в зависимости от ряда факторов, загруженного бетона при нагреве прочность снижается меньше, ¡м у незагруженного; при охлаждении после нагрева снижение ючности продолжается; у пропаренного бетона снижение прочнос-I меньше, чем у бетона естественного твердения; водоцементное 'ношение в пределах 0,3 - 0,6 не оказывает влияния на изменение

прочности; незначительно влияние также возраста бетона, если он не менее 3 месяцев; с повышением расхода цемента снижение прочности интенсивнее; на изменение прочности бетона влияет вид крупного заполнителя, порода. Кубиковая прочность бетона при нагреве до 300° С повышается, при более высоких температурах интенсивно снижается. Ряд исследователей отмечает, что после остывания бетон, нагретый свыше 500°С, со временем разрушается полностью. В отличие от кубиковой призменная прочность начинает снижаться уже при температуре 60°С. В диссертации вскрыты причины этого различия. Снижение кратковременной прочности бетона вследствие нагрева существенно меньше, чем снижение длительной прочности. Следовательно, коэффициенты условий работы бетона для расчёта огнестойкости конструкций, оценивающего их несущую способность на несколько часов, неприемлемы для расчёта конструк ций, предназначенных к дальнейшей-эксплуатации после воздействия пожара. Прочность бетона на растяжение снижается вследствие нагрева значительнее, чем прочность на сжатие.

Деформативные характеристики бетона изменяются вследствие нагрева быстрее прочностных. Модуль деформаций уменьшается, предельные деформации возрастают. Это обуславливает перераспределение напряжений по сечениям элемента во время нагрева и при повторных его загружениях после остывания, перераспределение усилий по длине элемента, а также между элементами конструкций; снижение жесткости сечений и элементов при нагреве.

Нагревание загруженного элемента приводит к последующему повышению жесткости сечений при догружении после остывания, так как большая часть неупругих деформаций проявляется при нагреве.

Стержневые арматурные стали в результате нагрева повышают свою прочность, некоторые при нагреве до 500-60С 0 С, при более высоких температурах их прочность резко снижается. Арматурная

:олоднотянутая проволока и канаты из неё снижают прочность при меньших температурах нагрева, начиная со 150 °С. Модуль упругости арматурных сталей при нагреве снижается, быстронатекаюшие 1еформации. ползучести увеличиваются.

• Характеристики бетона и арматуры при циклическом технологи-1еском нагреве и разовом кратковременном в режиме пожара существенно различаются. Для расчёта огнестойкости конструкций и рас-1ёта конструкций, подлежащих дальнейшей эксплуатации после пб-кара необходимо установить соответствующие значения расчётных. сарактеристик бетона и арматуры.

Надежность железобетона определяется не только свойствами материалов, но и условиями их совместной работы, доминирующую золь в которой играет сцепление. Сцепление арматуры с бетоном 1зучали многие исследователи. Основополагающими являются работы 1.Н.Байкова, А.А.Гвоздева, С.А.Дмитриева, Н.И.Карпенко, К.В.Ми-сайлова, В.И.Мурашова, А.А.Оатула, А.И.Семенова, М.М.Холмянского 1зучению этого вопроса посвяшено множество работ как у нас, так 1 за рубежом.

На основании этих исследований установлено, что сцепление арматуры с бетоном обуславливает большое количество факторов и а основном: класс арматуры, состояние поверхности, контактирующей с бетоном; уровень предварительного напряжения арматуры и технология передачи усилия с арматуры на бетон; вид и состав бе-гона, технология приготовления и укладки бетонной смеси; условия твердения бетона и его возраст к моменту предварительного обжатия или эагружения конструкций; характер бетонной обоймы вокруг арматуры: толщина защитною слоя, вид закладьк деталей, интенсивность косвенного и поперечного армирования; положение арматуры во время укладки бетонной смеси; условия работы эле-

мента (растяжение, сжатие, изгиб, кручение и т.п.); стадия работы элемента (изготовление - передача усилия предварительное напряжения арматуры на бетон, транспортировка, эксплуатация); интенсивность внешнего воздействия (статическое, динамическое,. тепловое и др.); ряд других факторов, в меньшей степени влияют: на сцеплеше. -

Физико-механические и реологические свойства бетона и арме туры при нагреве изменяются, что также влияет на их сцепление. В работе рассмотрены результаты немногочисленных на сегодняшней день экспериментальных исследований сцепления в условиях нагрева и после остывания. Эти исследования выполняли: Зату-ловский З.Д., Ильин H.A., Ыилованов А.Ф., Прядко В.М., Салманов Г.Д., Шахов И.И., Яковлев А.И. и.др.; за рубежом Анис А;, Бернетт Э., Дэвис Г., Загер X., Райхел В., Ростази и др.

Интенсивное развитие пластичеЬких деформаций арматуры при нагреве приводит к ослаблению контакта с бетоном. С повы шением температуры нарастание различия значений коэффициентов расширения бетона и стали вызывает дополнительные напряжения сдвига между ними в железобетонных конструкциях. Свойства с^али при охлаждении в значительной мере восстанавливаются, а бето на, наоборот, продолжают ухудшаться, что предопределяет дальнейшее нарушение контакта между ними.

Опасность нарушения анкеровки арматуры в бетоне возрастает, что необходимо учитывать при расчёте наклонных сечений на действие 'изгибающего момента концевых участков, сечений в зонах обрыва рабочей арматуры. Изменение прочности и дефор-мативности сцепления- влечет за .с-осбой изменение трешностой-кости и деформаций элементов. Уменьшение' прочности бетона снижает трешиностойкость, а уменьшение модуля деформаций и

»зрастание предельной растяжимости повышает за счёт более • лного включения в работу арматуры. Ухудшение сцепления уве-[чивает ширину раскрытия трешин, а повышение деформатив-1сти бетона-уменьшает.

Результатом рассмотренных исследований явились многочис-¡нные предложения по использованию эмпирических зависимостей ;епления от ряда факторов. Были выполнены и экспериментально (оретические обобщения, следствием которых явились технические юрии сцепления (TTC).

TTC, разработанная школой проф. Холмянского М.М. основана I едином законе сцепления, a TTC Челябинского политехнического [ститута (школа проф. Оатула A.A.) - на дифференцированном ¡коне сцепления.

В настоящее время ряд предложений TTC входит в нормативные 1кументы, составляя главным образом качественную основу норм, :пользуюших часто прямые результаты опытов. Недостатком этих юрий является го, что они не учитывают поперечные напряжения 1аимодействия арматуры с бетоном.

Этого удаётся избежать в модели, разработанной проф. Карько Н.И., которая позволяет учитывать наличие контактных тре-

!Н.

Мод.ель представляет систему конических оболочек переменной 1С о ты и толщины, передающих усилия от арматуры на внешнюю бе-1нную оболочку. Несмотря на некоторые условности, модель проф. фпенко H.H. на сегодня признается наиболее совершенной, полно 'ражаюшей особенности контакта арматуры с бетоном и механику ¡Одесса их взаимодействия.

Широкие возможности по оценке напряженно-деформированного »стояния бетона вне зоны контакта арматуры и бетонной обо->чки открывает применение общего решения контактных задач

теории упругости, предложенного проф. Александровым А.Н.

При высокотемпературном нагррве решение существенно усложняется, однако основной принцип его был сохранен и предложен метод реализации, обобщающий контактную и тепловую задачи;

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ '

На базе метода проф. Александрова А.Я. выполнена оценка напряженного состояния концевых участков конструкций после обжатия самоанкеруюаейся арматурой с помошью решения контактной задачи. Решение позволяет получить картину напряженного состояния по всеь^у полю сечения узлов с армированием для любой их формы, оценивать депланацию сечений в зонах концентрированной передачи усилия с арматуры на бетон, где не применима гипотеза плоских сечений. При известном законе изменения усилия в арматуре по длине зоны анкеровки задача может быть решена исключительно расчётным путём. Если такой закон неизвестен, то он может быть получен с помошью обратного решения задачи с использованием результатов эксперимента небольшой трудоёмкости. Для этого достаточно измерить деформации бетона по длине анкеровки арматуры в нескольких точках элемента простейшей формы, например, призмы. Достоинством такого решения является также возможность вычисления напряжений или деформаций в любой точке сечения.

Для одновременно заданных механических и тепловых воздействий необходимо определить функции координат £к и времени t , .компоненты тензора напряжений (Зу , компоненты

тензора деформаций (5-. , компоненты вектора переме-II

шений и- и температуры Т , удовлетворяющих

гравнениям:

4 -2/I а. ЧЛб„-(ЗЛ -2/1М1!(Т-Т„)], (I) + 1 >

^де: ^уИ и >Д - коэффициенты Ламе при изотермической деформа-дии; «Л., - средний коэффициент линейного теплового расширения

ТВ

з интервале температур Т0, Т; £ - инвариант тензора деформаций

5ц ; р; - вектор объёмной силы; р - плотность материала;

I - коэффициент теплопроводности; СО - удельная мощность-у . о

источников тепла; б - плотность энтропии.

Начальные условия задаются в виде распределений компонен-

»

гов вектора переметений 1М ', Ц; , скоростей Ы- и темпера-

0

гуры тела:

= Т^(ХН) щ,ь=0. ' (5)

Механические граничные (внешняя нагрузка) или внутренние [усилия предварительного напряжения, трешины) условия задаются. 3 качестве теплового граничного условия применяется одно из гра-тачных условий теплопроводности, например, задаётся температура товерхности тела или температура окружавшей среды и закон кон-

• т-

зективного теплообмена. Механические, и тепловые условия могут 5ыть смешанными.

(£)

(3)

(4)

Таким образом, предлагаемый метод объединяет в себе два проверенных инструмента: систему уравнений классической задачи термоупругости и общее решение контактных задач теории упругости. Метод позволяет оценить сложное напряженно-деформированное, состояние железобетонных элементов и их узлов произвольной формы с учётом напряжений сцепления по контакту арматуры с бетоном в условиях воздействия механической нагрузки и высокотемператур. ного нагрева.

Очевидна и сложность решения поставленной задачи, требующего обязательного использования ЭВМ с большим объёмом памяти. Вместе с тем за пределами возможностей метода, также как и существующих TTC, остаётся оценка влияния разнообразных гехнологиче< ких факторов, усадки и ползучести бетона, повторных нагружений и некоторых особенностей взаимодействия арматуры с бетоном в условиях пожара.

В связи с этим априорный подход к изучению взаимодействия арматуры с бетоном был дополнен и уточнен экспериментальным исследованием сцепления при нагреве железобетонных элементов в режиме пожара.

Для его успешной реализации выдвинута рабочая гипотеза взаимодействия арматуры с бетоном при высокотемпературном "нагреве, выделены основные факторы, влияющие на совместную работу материг лов, и установлены целесообразные диапазоны варьирования этих факторов в эксперименте.

Оценка прочности анхеровки арматуры в бетоне при множестве влияющих факторов возможна лишь после обоснованного упрощения задачи. Анализ известных и новых, результатов экспериментов позволил :

- выделить основные критерии ,с помощью которых можно дать

[ринципиальную оценку изменению прочности анкеровки в результате нагрева, а влияние других'значима факторов учитывать корректировкой основного решения;

- выявить незначимые на прочность анкеровки факторы с целью • упрощения решения;

- найти и исключить из варьирования в экспериментах факторы, достаточно надежно оцениваемые расчётом по апробированным методикам;

Для отбора факторов, определяющих сцепление арматуры с бе-гоном при нагреве, был проведен специальный эксперимент.

К рабочему стержню центрально армированных опертых торцом зризм прикладывали силу Рп , соответствующую макисмальному напряжению, возникающему в арматуре конструкций при действии нормативной нагрузки. Затем образцы нагревали до проскальзывания стержня по различным режимам, в т.ч. по стандартному температурному режиму пожара.

Все образцы разрушались из-за потери сцепления практически при одинаковой температуре арматуры и бетона в зоне контакта. Разброс значений температуры относительно среднего арифметического составил 5 % . / На основании этого было предложено для оценки огнестойкости железобетонных конструкций с учётом изменения условий анкеровки .при нагреве ввести понятие "критическая температура арматуры в зоне анкеровки Гац,сг ". При этой тем-, пературе.конструкция разрушается от действия эксплуатационной /нормативной/ нагрузки из-за нарушения сцепления арматуры с бетоном. Нагрев до критической температуры вызывает существенные

I

неупругие деформации стержня от приложенного к нему усилия Р*. . Это сопровождается значительным уменьшением поперечного сечения стержня, что в свою очередь приводит к резкому ухудшению сцеп-

ления и, в итоге, к полному его нарушению.

Уровень Та(,1СГ подтвержден испытаниями образцов в нагретом состоянии после и^опрогрева в течение 2 ч при температуре всего на 2 % ниже ТаИ(СЛ ) определенной по результатам предыдущих испытаний с обеспеченностью 0,95. К концу изопрогрева весь Ьбра-зец, в том числе арматура приобретали одинаковую температуру 0,98 ТаП)СГ. . После1 этого внешнее усилие Рп , передаваемое на стержень, увеличивали до полного нарушения сцепления. Несмотря на близость критической температуры Тал^сг сцепление оставалось достаточным для ворприятия усилий на 38...57 %, превышавших начальное Ри . Это Доказывает,- что определение "критическая температура арматуры в'зоне анкеровки" соответствует физическому состоянию взаимодействия арматуры с бетоном в этой зоне.

Использование этой новой характеристики радикально снизило трудоёмкость решения поставленной задачи. С её введением при экспериментальной оценке прочности анкеровки можно не выделять ряд факторов, учитывая их влияние по изменению Тап :

- режим нагрева, в частности его скорость и длительность ■в диапазонах, имеющих место при реальных пожарах;

- условия обогрева сечения конструкции: одно- двух- трехи четырехсторонний обогрев; включая обогрев опорных участков, которые задшшены от прямого огневого воздействия прилегающими конструкциями;

- толщину защитного слоя бетона, как определяющую режим нагрева арматуры.

Эти факторы достаточно надежно можно учитывать при расчёте 1ап по-известным методикам. Измерения температуры в различных точках сечения опытных образцов при экспериментах подтверждают это.

Для расчёта прочности анкеровки арматуры в бетоне из

всех условий нагрева конструкций при пожаре достаточна только одна расчётная характеристика - температура арматуры в зоне анкеровки Таи . Когда еа значение достигает критического, анкеровка нарушается и конструкция теряет способность воспринимать нагрузку.

Опыты по .вытягиванию стержня из центрально армированных призм проводили для изучения относительного влияния факторов на сцепление в условиях- нагрева и после теплового воздействия, которое не зависит или мало зависит от напряженно деформированного состояния бетона в зоне анкеровки арматуры. К этой группе факторов отнесены: температура арматуры Тап в нагретом и остывшем бетоне; вид крупного заполнителя /гранит, известняк, плагиогранит-порфир, керамзит/; водоцементное отношение в бетонной смеси в диапазоне 0,3...О,5 , введение в бетонную смесь пластифицирующей добавки ОДБ, сулерплас тифИкатора С—3; влажность тяжелого бетона 1,5...4,5 %, керамзитобетона - 4...9 %\ возраст бетона к моменту нагрева более 120 суток; время после нагрева и остывания конструкции более 14 суток; класс бетона по прочности на сжатие; толиина защитного слоя бетона, длина заделки стержня /0,6...1/4ап, интенсивность косвенного армирования; усилие в стержне при нагреве /0,3...1,0/ Рп ; предварительное напряжение арматуры.

Изучение влияния особенностей совместной работы арматуры с бетоном на огнестойкость конструкций, их прочность, жесткость и трешиностойкость после нагрева проведено на изгибаемых элементах. Последние наиболее распространены, а анкеровка арматуры в бетоне является определяшей дЯя их работы. При испытании элементов исследовали влияние на предельные состояния следующих факторов: температуры арматуры; процента продольного армирова-

ния, интенсивности поперечного армирования, высоты сечения балок и плит; длины участка .опирания, допускающей разрушение по наклонный сечениям от действия изгибающего момента или от действия поперечной силы; плеча среза - расстояния от грани опоры до сосредоточенной внешней силы; уровня внешней нагрузки; режимов нагрева; класса арматуры'(ненапрягаемой Ml, АтУ1, напрягаемой АШв, АтУ, ВрЦ, Ш7).

Всего испытано .274 армированных призмы, в т.ч. 54 предварительно напряженных; 102 балки, в т.ч. 22 предварительно напряженных;. 45 моделей предварительно напряженных многопустотных плит серии I.I4I и 36 «оделей - серии I.090.1-1. Кроме того, испытано 540 стандартных кубов и 224 призмы, часть которых нагревали нена1*ружешшыи. .

Для экспериментов были созданы испытательные комплексы, конструкция которых показана в диссертации. Здесь лишь -отметйм, что они позволили выполнять загружение образцов по требуемым схемам,, а нагрев по заданным, режимам, включая стандартный температурный резким пожара, о автоматическим поддержанием и контролем нужной темперааурн в электропечи.

В диссертации обоснованы методика испытания и конструкция экспериментальных образцов, приведены составы и свойства материалов в обычных условиях, а также их изменения вследствие нагрева. Контролировали прочность бетона в возрасте 28 суток, на день испытания образцов для основных исследований, коэффициент призменной прочности, начальный модуль упругости, границы мик-ротреошнообразования, деформации, соответствующие призменной прочности бетона, коэффициент Пуассона.

Проведен факторный дисперсионный анализ 'результатов эксперимента, выполнена юс статистическая обработка и назначены га-

рантированные расчетные характеристики с обеспеченностью 0,95.

Основные результаты экспериментальных исследований следующие. Выявленные изменения свойств материалов в результате нагрева не имеют принципиальных отличий от установленных в других ис- • следованиях. Отмечена -повышенная стойкость к нагреву тяжелого бетона на плагиогранит-порфировом щебне. Это связано с отсутствием кварца в породе и высокой шероховатостью щебня, обеспечивающей хорошее сцепление цементного камня с заполнителем.

Установлено изменение характеристик сцепления арматуры с бетоном вследствие нагрева. Дисперсионным анализом результатов эксперимента выявлен степень влияния на характеристики сцепления ряда варьируемых факторов. Кроме" доминирующего фактора - температуры арматуры в зоне анкеровки, значимыми являются - интенсивность косвенного армирования, прочность бетона, вид крупного заполнителя, время после нагрева в течение 14 суток, предварительное напряжение арматуры; незначимыми - водоцементное отношение бетонной смеси, применение пластифицирующих добавок СДБ, суперпластификатора С—3; влажность бетона, если её значение не превышает критического; возраст бетона к моменту нагрева, если он не менее 120 суток; время после нагрева по истечении 14 суток; тол-шина защитного слоя бетона; длина заделки арматуры; процент армирования при равных напряжениях в арматуре.

Нормами прочность фактической айкеровки арматуры при расчёте конструкций уточняется с помощью коэффициента условий работы арматуры в зо.не анкеровки . Его изменение при нагреве конструкций установлено по соотношению напряжений в момент разрушения анкеровки

Кб,И, = Ó3,te /<эв • (6)

Зависимость У35 и . от температуры арматуры класса АШ в зоне

анкеровки

У«®,* = 1 + ^З-КГ4^-») - 2,2-Ю-б(ТЛ1 - 50)2 , (7) где в °С. О обеспеченностью 0,95

У = 0,9 * П-Ю*4^ - 50) - З.б-Ю^СТаи - 50)2. (8)

Эта зависимость применима для элементов с объемным коэффициентом косвенного армирования 4 %, Связь между коэффициентом К1е , учитывавшим влияние косвенного армирования при нагреве, и температурой Твя /при ^ - 4 %/ линейная

К = I + 3,4 • Ю-3 Т-и, - (9)

№

Коэффициент условий работы арматуры в зоне анкеровки без косвенного армирования

4,«= <0,9+11-10-*«^-60)- 3,5.10-6(Т<5и-50)2/(1+3,4-1^1°)

При косвенном армировании значение , определенное

' .......

по (10), следует умножить на коэффициент эффективности косвенного армирования при нагреве

к = I + .7,2 • 10-^. /(I + 3,4 • Ю"3 Тда). СП)

Значения коэффициентов условий работы арматуры в зоне анкеровки }С65)М приведены в табл. I.

Коэффициент условий работы поперечной арматуры ^ {е с учётом изменения сцепления арматуры с бетоном в зависимости от температуры нагрева

у = I + ^г.Ю-^Тда- 50) - 1,2..10"б(Т^ - 50)2. (12)

В связи с тем, что предельные деформации сжатия бетона ри нагреве повышаются, а прочность и модуль упругости армату-ы снижаются в различной степени, расчётное сопротивление ар-атуры сжатию определяются условием

Кс^К^^^КЛ^ (13)

де м - предельные деформации нагретого слоя бетона сжатой оны; А - коэффициент, учитывавший снижение модуля упругос-и арматуры при нагреве.

Учёт возможного повышения расчётного сопротивления армату-

ы сжатию при нагреве может иметь существенное значение при

ценке огнестойкости тонкостенных и стержневых сжатых элементов,

также изгибае»тых и внецентренно растянутых элементов при на- ■

реве со стороны сжатой зоны, с арматурой, имеющей расчётное

опротивление более 400 Ша. Расчётное сопротивление арматуры

жатию при нагреве рекомендуется принимать по табл.2, но не

олее значения .

тг®

Изменение характеристик сцепления существенно, влияет на гнестойкость и предельные состояния конструкций, подвергавших-я нагреву. Наиболее значительно это влияние.для зон анкеровки астянутой арматуры. Для сжатой арматуры и растянутой за преде-:ами зоны анкеровки изменение характеристик сцепления в резуль-'ате нагрева не приводит к снижению огнестойкости конструкций, I также к снижению прочности, жесткости и трешиностойкости при [альнейшей эксплуатации.

Огнестойкость статически определимых изгибаемых элементов ! защищенной от нагрева сжатой зоной бетона (сплошные и многопустотные плиты, плиты коробчатого сечения или ребристые с пол-сой в растянутой зоне и т.п.) определяется температурой продоль-

Таблица I.. Коэффициенты условий работы арматуры в зоне передач» напряжений для арматуры без анкеров и в зоне анкеровки неналрягаемой арматуры для расчёта огнестойкости У..и

Класс 1 :_Температура арматуры, °С

арматуры I 150 ! 350 I 1 400 1 450 ! 500 ! 550 ! 600

А-П 1,0 1,0 ■ 0,85 0,75 0,60 0,40 0,30

А-4П 1,0 1,0 0,85 0,80 0,65 0,50 0,40

А-Шв ' 1,0 1,0- 0,85 0,75 0,55 0,40 0,30

А-1У 1,0 1,0 0,80 0,70 0,55 0,40 0,30

А-У 1,0 1,0 0,80 0,70 0,50 0,35 0,20

Ат-1У, Ат-У 1,0 1,0 0,75 0,60 0,40 0,25 0,17-

Ат-У1,Ат-УБ 1,0 1,0 0,70 0,45 0,35 0,25 0,17

АУ1,В-1,Вр-1 1,0 0,7 0,60 0,45 0,35 0,20 0,10-

Вр-П 1,0 0,6 0,45 0,35- 0,25 0,15 0,05

в-п 1,0 0,6 0,35 0,20 0,10 0,05 -

• 1,0 0,55 0,40 0,30 0,20 0,10 0,05

Таблица 2. Предельные сопротивления арматуры сжатию 4е для расчёта огнестойкости, Ша

°с ! Температура менее нагретого ! зоны , °С слоя бетона сжатой

! 100 ! 1 200 ! 300 ! 400 1 500

100 560 ' - - -

200 540 570 - -

300 520 550 580 -

400 490 510 560 600 - .

500 460 470- 500 580 ■ 600

ной рабочей арматуры и надежностью её анкеровки. Исчерпание огнестойкости таких элементов может произойти по двум причина»: из-за'проскальзывания арматуры на опоре при нагреве арматуры до критической температуры Тщ,^, либо из-за быстронатекаюшей ползучести арматуры й разрушения по нормальным сечениям в пролете при нагреве арматуры до критической температуры Т5(СГ Разрушение от среза на опоре или раздробления бетона сжатой зоны в пролете таких элементов исключено, так как снижение прочности в этих случаях несущественно в связи с незначительным нагревом бетона сжатой зоны.

Расчёт огнестойкости таких элементов сводится к определению промея5утка времени от начала пожара до приобретения критической температуры арматурой в пролете Тд^г и критической температуры арматурой в зонах анкеровки ТЗГ,1СГ> . Для реализации этого расчёта необходимо иметь численные значения Т5>сг и ТаП(СГ. , которые зависят от класса арматуры и уровня напряжений в ней. Значения Т¿м сг- зависят, кроме того, от вида бетона и интенсивности косвенного или поперечного армирования в зоне анкеровки.

Так, например, многопустотные плиты перекрытий серии 1.141-1, плиты повышенной заводской готовности серии 1.090.1-1 удовлетворяют требованиям противопожарных норм, если влажность бетона не превышает критического значения. Требуемая огнестойкость этих плит с арматурой классов АШ, НУ, АУ достигается без приопорных каркасов, огнестойкость плит с арматурой класса АУ1 или класса АУ, если в последнем случае при проектировании учитывали повышение её расчётного сопротивления коэффициентом

, может быть несколько повышена /не более, чем на 10 %/ за счёт приопорных каркасов. В этом случае огнестойкость плит

исчерпывается из-за быстронатекажюей ползучести арматуры и разрушения со нормальный сечениям в пролете."

С уменьшением статической нагрузки во время пожара огнестойкость изгибаемых элементов пВвышаегся. Учитывая ограниченный диапазон изменения нагрузки только за счёт кратковременной её части зависимость огнестойкости изгибаемых элементов от-уровня статической нагрузки в долях от нормативной может быть принята обратно пропорциональной.' Если нагрев конструкции иной, чем при стандартном температурном режиме пожара, исчерпание огнестойкости определяется временем достижения критической температуры Т3(СЛ или Т<щ,«». Это следует оценивать теплотехническим расчё-. том либо, когда возможно, приведением реального режима пожара к стандартному.

Прочность наклонных сечений при восприятии поперечной силы после нагрева снижается интенсивнее, чем прочность нормальных и наклонных сечений при восприятии изгибающего момента. Это связано с более значительным уменьшением прочности бетона на растяжение, чем прочности бетона на сжатие, а также с ухудшением сцепления попеперчной арматуры с бетоном вследствие нагрева. Последнее приводит к увеличению деформаций п9перечной арматуры, значительному раскрытию наклонных треаин, сокращению высоты сжатой зоны бетона и в итоге к дополнительному снижению прочности наклонного сечения. Наклонные трешины зачастую образуются до нагрева или в процессе нагрева, в предварительно напряженных элементах, арматура которых нагревалась не выше 400 °С, возможно первое раскрытие наклонных трещин после нагрева. Опасным из перечисленных следует считать сеченйе с наименьшей прочностью.

Ширина раскрытия трещин после пожара зависит от уровня нагрузки на элемент при пожаре и температуры нагрева арматуры.

При догружении остывшего элемента дополнительного раскрытия нормальных трешин не происходит, так как модуль упругости арматуры восстанавливается, а модуль упругости бетона продолжает снижаться. Предельные деформации бетона вследствие нагрева увеличиваются. При испытании конструкций аосле пожара за контрольную ширину раскрытия нормальных к оси элемента трещин можно принимать предельную ширину их раскрытия, допускаем" нормами. Ширина раскрытия наклонных к оси элемента трещин при загружении после остывания может увеличиваться из-за дополнительного сушения арматуры в зоне анкеровки, которое необходимо контролировать при испытании. Поскольку предельные деформации бетона вследствие нагрева значительно повышаются и разрушение конструкций происходит при нагрузках, существенно превышающих нагрузки, при которых смешения арматуры относительно бетона на торцах ' конструкции составляет 0,2 мм, есть основания повысить значения предельных смешений,допускаемых стандартом.

Изменение характеристик сцепления приводит к снижению жесткости нормальных к продольной оси элемента сечений до 15 % от исходной. В основном снижение жесткости сечений определяется изменением модуля деформаций бетона и арматуры при нагреве и только бетона после нагрева. Чем выше уровень нагрузки и температура нагрева элемента, те»» большая часть пластических деформаций материалов исчерпывается при нагреве и тем меньше прогиб при загружении остывшего элемента. Для сильно нагруженных при пожаре и затем остывших элементов при последующем догружении следует ожидать их хрупкого разрушения.

Анализ изменения вследствие»-нагрева трешиностойкости, ширины раскрытия трешин, прогибов изгибаемых элементов без предварительного напряжения и предварительно напряженных обеспечи-

вает оценку потерь предварительного напряжения арматуры в зависимости от её температуры при пожаре. При температуре ниже 220 °С основной причиной потерь предварительного напряжения арматуры является, усадка бетона, вызванная интенсивны»» удалением влаги из его структуры. Если бетон сжат совместны" действием внешней нагрузки и усилием предварительного натяжения арматуры, увеличиваются потери от ползучести нагретого при пожаре бетона. При температуре выше 300 °С доминирующее значение имеют потери от быстронатекашей ползучести нагретой во время пожара арматуры. При температуре арматуры, близкой к 500 °С, её предварительное напряжение теряется полностью.

Анализ выполненного комплексного экспериментального исследования и обобщение его результатов послужили базой для построения методики расчёта огнестойкости железобетонных конструкций и их предельных состояний после воздействия пожара с учётом особенностей взаимодействия арматуры с бетоном вследствие нагрева.

Расчёт огнестойкости железобетонных конструкций по несушей способности состоит из теплотехнической и статической частей. В теплотехнической части расчёта определяют температуру рабочей арматуры и температуру интересующих слоев бетона. Правила раз-грвничения сечений элементов на части, рекомендуемые нормами проектирования для расчёта конструкций, эксплуатируемых при высоких температурах, могут применяться и при расчёте огнестойкости конструкций. .

Во всех случаях расчёта арматура рассматривается как самостоятельная часть сечения.. Площадь нагретой арматуры приводится >к менее нагретому и, следовательно, менее деформативному бетону. Значения коэффициента ' для расчёта огнестойкости

приведены в табл.3. Остальные геометрические характеристики при-

веденного сечения рассчитываются^по правилам СНиП 2.03.01-84к с учётом изменения модулей упругости материалов вследствие нагрева.

Распределение температур по сечению элемента определяют на основе теории теплопроводности. При это»» используют, как правило, численный метод конечных разностей.

Нагрев арматуры на опоре имеет особенности. От нагрева снизу зона анкеровки на опоре защищена несушей конструкцией. В плоских конструкциях нагрев в основном происходит через арматурный стержень из пролета к торцу на опоре. Температуру'арматуры на опоре следует принимать средней по длине фактической анкеровки. При это»» учитывается, что максимум эпюры касательных напряжений сцепления в связи с увеличением деформативности бетона и стали при нагреве будет смещаться именно в эту зону. Стержень на опорном участке считается полуограниченным бесконечно длинным и имеющим идеальную тепловую изоляцию боковой и торцевой поверхности. Эти допущения можно принять, так как отношение длины опорного участка к диаметру стержня достаточно велико, а теплопроводность бетона в 40 раз меньше теплопроводности стали. Имеем граничные условия первого рода. Решение дифференциального уравнения теплопроводности Фурье при этих условиях имеет вид

= т„ - (ъ - м

где (Х& - приведенный коэффициент температуропроводности стали.

1 Приведенные теплотехнические-характеристики стали определяют при среднем значении температуры

т„ = (теС + т0)М . «в)

Изменение температуры стержня зависит также от площади . его сечения:

где- ds - диаметр арматурного стержня в м.

Расчёт, выполненный по предложенной методике, показал, что отношение срёДней темйературы стержня на опоре и в пролете для плоских конструкций при (X = 0,025 м составляет 0,8.

'Нагрев поперечных стержней в плоских конструкциях происходит также в основном за счёт их теплопроводности от обогреваемой нижней поверхности к верхней необогреваемой. Наклонная трещина пересекает хомуты в различных по высоте сечениях. При этом наиболее нагретыми оказываются хомуты у начала наклонной трещины, т.е. имеющие наибольшее плечо при восприятии ,изгибающего момента." Вместе с этим хомуты, как правило, выполняются из арматуры малого диаметра 'и прогреваются медленнее, чем продольные стержни. При необходимости можно определить температуру каждого" ряда Хомутов по предложенной методике. Для инженерных расчётов коэффициент условий работы поперечной арматуры ^si te Допускается принимать 'равным 0,8.

Несущую способность плит перекрытий в период эксплуатации, а также при пожаре считают достаточными, если соблюдаются условия:

а?-*) С* (17-3)

Первое условие обеспечивает несущую способность плит при

эксплуатации^ M - максимальный изгибающий момент от расчётных

•

. рег

нагрузок; п - прочность нормального сечения в стадии эксплуатации.

Второе условие обеспечивает прочность нормальных иечений

ирег-

при пожаре: П. - прочность нормального сечения при пожаре ьс

по истечении времени после начала огневого воздействия,

равного нормированному пределу огнестойкости. Ми £ - максимальный изгибающий момент от длительно действующих нагрузок, принимаемых с коэффициентом надежности I.

Третье условие обеспечивает прочность наклонных сечений по изгибающему моменту при пораре: - изгибающий момент

от длительно действующих нагрузок /Ух = I/ в опасном наклон-

Мрег J

• . . - прочность опасного наклонного сечения • по изгибающему моменту во время Ъл

Для плит, имеющих однорядное армирование по высоте сечения из стержней одного класса, уравнения, прочности имеют вид:

нреНлм* > (18л)

МИР=У Я А У (18.2)

где: - коэффициент условий работы арматуры в зоне пере-

дачи напряжений при нагреве, определяемый по табл.1;

. - расстояния от лиши действия усилия в арматуре до центра тяжести сжатой зоны бетона над вершиной наклонной трещины при расчёте огнестойкости для продольной и поперечной арматуры соответственно.

Высота сжатой зоны при расчёте огнестойкости

ф, (19)

где: Хд^е - коэффициент условий работы арматуры при нагреве, принимаемый здесь равным С5д- напряжение в арматуре от внешней нагрузки при пожаре).

В практических расчётах"огнестойкости плит допускается

приничать:

0,6Х. . (20)

Проектирование плит-с требуемой огнестойкостью рекомендуется выполнять в следующем порядке:

- плиту проектируют в соответствии с требованиями СНиП 2.03.01-84*;

- определяют коэффициенты условий работы арматуры при нагреве 1е , принимая М^ = .Определяют соответствующую данному значению температуру нагрева арматуры Те и по табл.4 требуемую из условий огнестойкости толщину слоя бетона. Проверяют выполнение условия (17.1) при новом значении толщины защитного слоя бетона. Если условие не выполняется, увеличивают площадь А е или изменяют класс' продольной рабочей арматуры, принимают бетон с лучшими теплотехническими характеристиками, либо, там где целесообразно, огнезащитные покрытия. Проверяют условия (17.1-17.3). Если при расчёте огнестойкости не выполняется одно условие (17.3), то возможно повышение огнестойкости усилением анкеровки арматуры (приваркой рабочей арматуры к закладным деталям, использование обжатых шайб, высадка утолшений, установка косвенного армирования в зоне анкеровки, повышение класса бетона и др./.

Расчёт огнестойкости обогреваемых снизу консольных плит выполняется в следующем порядке. По истечении времени йд после начала огневого воздействия, равного нормированному пределу огнестойкости, определяют положение изотерм при температуре 500 °С - Х^ и 300 °С Х£, а также температуру арматуры и нагреваемой поверхности бетона. Высоту сжатой зоны опре-

деляют из условия

Таблица 3. Значения коэффициента У^^ для расчёта

огнестойкости

Бетон ' Температура бетона, °С

20 ! 100 ! 200 ! 300 ! 400 ! 500 Ч 600

Тяжелый 0,50 0,40 0,40 0,35 0,30 0,25 0,13

Легкий 0,45 0,43 0,45 0,45 0,43 0,35 0,25

Таблица 4. Расстояние от обогреваемой поверхности плит до центра тяжести арматурных стержней, соответствующие температуре Г- к моменту времени Ьп » М, • Ю3.

! + { Температура нагрева, Т3 , °С

Бетон ! » !-----

! ч ! 350 ! 400 ! 450 ! 500 ! 550 ! 600 _ I ! ! ! ! ! !

Тяжелый с силикатным 0,75 30 26 22 18 15 -

заполнителем, 1,0" 38 33 29 25 21 17

№ = 2,0 % 1,5 53 46' 40 35 30 26

Тяжелый с карбонат- 0,75 28 24 20 17 14 -

кш заполнителем, 1,0 36 31 27 23 19 16

V» 3,0 % 1,5 48 43 38 33 28 24

Легкий с крупным за- 0*75 22 19 16 - - -

полнйтелем из керам- 1,0 28 24 21 18 '15 -

зита, о = 1600 кг/ч3,1,5 38 34 30 26 22 19

5,0 %

где и Ц Ьел ~ коэФФич118*™ условий работы бетона

при нагреве до температуры обогреваемой поверхности, 500 и 300 °С соответственно .Далее да(Т8.2) вычисляют несущую способ- • ность плиты на момент времени Ьп и проверят условие <17.2).

Расчёт огнестойкости статически неопределимых плит имеет , особенности. Поскольку снижение несущей способности нормальных сечений плит при нагреве со стороны растянутой арматуры намного интенсивнее, чем со стороны сжатой зоны бетона, то статическую неопределимость плит можно раскрывать заранее. При нагреве таких плит снизу первый пластический шарнир появляется в пролете, а при нагреве сверху ~ на опорах. Это очевидно, так как, например, при нагреве арматуры до 600 °С её сопротивление составляет (0,2...0,4)^2^ , т.е. образование пластического шарнира неизбежно. При нагреве бетона до этой температуры его сопротивление составляет (0,35,.. .0,6$^, , но самое главное, что в плитах высота сжатой зоны бетона при нагреве может увеличиваться в 3...5 раз, а несущая способность .сечения при этом будет уменьшаться не более, чем на 20..;40 %.

Изгиб'аюиий момент от неравномерного нагрева бетона по высоте сечения в случае с плитами не может повлиять на порядок появления пластических шарниров, однако для неразрезных балок это возможно. Во-первых, у балок, подвергающихся чаше всего трехстороннему, обогреву, интенсивнее повышается температура сжатой зоны бетона на спорах, во-вторых у балок_ возможность увеличения высоты сжатой зоны бетона при нагреве существенно меньше, че« У плит. При раскрытии статической неопределимости балок температурный момент следует учитывать.

Несущая способность балок при восприятии поперечной силы снижается значительнее, чем при восприятии изгибашего момента. В силу этого расчёт огнестойкости балок по данному условию, а также расчёт их несущей способности на поперечную силу после огневого воздействия обязателен.

В теплотехнической части расчёта устанавливают температуру поперечных стержней и сжатой зоны бетона над вершиной наклонной трещины. Важным обстоятельством является то, что проекция опасного наклонного сечения как при расчёте огнестойкости, так й при расчёте прочности после.воздействия пожара определяется в нагретом состоянии. Это обусловлено тем, что именно в момент нагрева при снижении прочности арматуры и повышении её деформативности наиболее вероятно раскрытие трещины в опасном сечении. Исключе-. ние составляют предварительно напряженные элементы,слабо нагретые при пожаре. В этом случае проекцию опасного наклонного сечения следует уточнить, используя расчётные характеристики материалов после остывания. Прочность наклонных сечений опытныхг балок, определенная по предлагаемой методике, соответствует значениям, полученным в эксперименте,с обеспеченностью результата 0,95.

Критерием оптимальности для численного значения коэффициентов надежности по материалам является минимум приведенных затрат на изготовление конструкций с учётом возможных потерь от их обрушения при пожаре. Последнее зависит от типа элемента и характера его обогрева при пожаре. Предлагаемые дифференцированные значения коэффициентов надежности материалов, полученные по этому критерию следующие: для изгибаемых элементов с обогревом только нижней поверхности, исключая зоны анкеровки арматуры /плиты перекрытий и покрытий, ригели с закрытой сжатой зоной

и др./ - = 0,83, =0,9;

при прогреве сжатой зоны бетона или зон анкеровки растянутой арматуры свыше 300 °С /фермы, арки, балки покрытий и др./

fy = I, h = I;

сжатые элементы повышенной отвественности / колонны, стойки' многоэтажных зданий, одноэтажных зданий с пролетом более 24 м, элементы зданий 1-го класса ответственности и др. = = 1,3 , 4 =1,05 - 1,20.

Пригодность пострадавших от пожара зданий и сооружений к дальнейшей эксплуатации оценивается совокупностью параметров, определяющих состояние и несущую способность конструкций, элементов здания и узлов их сопряжения. Эти параметры устанавливаются на основании обследования таких объектов.

При расчёте подвергавшихся пожару железобетонных конструкций необходимо учитывать изменение свойств бетона, арматуры и -условий их взаимодействия, в зависимости от уровня механической и огневой нагрузки при пожаре и условий развития последнего.

Температуру нагрева частей сечения конструкции устанавли-•вают расчётом или с помощью номограмм распределения температур по сечению в зависимости от времени нагрева по стандартно-

му температурному режиму пожара. Для оперативного решения этой задачи при обследовании в диссертации предложены простые корреляционные выражения, полученные из анализа расчётных номограмм для конструкций из тяжелых и легких бетонов.

Определение несушей способности, прогибов и трешиностойкос-ти железобетонных конструкций рекомендуется выполнять в соответствии со СНиП 2.03.01-84*. .Но принтом изменение свойств и условий совместной работы бетона и арматуры после пожара необходимо учесть введение" дополнительных коэффициентов условий работы материалов. Обоснованы значения этих коэффициентов и порядок их

учёта. Значения зависят от класса арматуры,вида бетона и уело- . вий твердения, от температуры нагрева бетона и арматуры при пожаре, от действия воды на железобетонные конструкции при тушении пожара; они также учитывают изменение длительной прочности бетона после воздействия огня и внешней нагрузки, нарушение структуры бетона в контактной зоне арматуры после пожара .(.табл. 5),

Методика расчета прогретых во время пожара железобетонных конструкций путем разбиения сечений на слои принимается такой же, как при расчёте огнестойкости.

Для предварительно-напряженных элементов учитывают дополнительные потери предварительного напряжения арматуры, вызванные тепловым воздействием при пожаре, значения которых принимают равными:

от усадки бетона при нагреве во время пожара

60 [( Т - 20)/ 200 ]0,5, (22)

от ползучести бетона, нагретого при пожаре сжатого совместным действием внешней нагрузки и усилием предварительного обжатия

300<1[(Т-50)/500]2^/Я^1е, (23)

- от ползучести нагретой во время пожара арматуры;

а) горячекатаной, стержневой:

0,8Д(^р[(Т - 50)/4003 2, (¿4)

б) высокопрочной проволоки и канатов:

0,8^4Р[(Т - 50)/300]г, Ш

где: е>£ - коэффициент, значения которого принимают по табл.5 СНиП 2,03.01-84; - сжимаюшее напряжение в бетоне /

на уровне центров тяжести продольной арматуры Дд и А$

Таблица 5. Коэффициенты условий работы арматуры, подвергавшейся, нагреву при пожаре

Зона !0бозна-1 1_

с опротивления} козффк-jj Класс арматуры | 1циентов! 1

Т °С

!

150 I 300

! ! | 400 \ 500

За пределами анкеровки V

°8,te

В зоне анкеровки арматуры 4ifte ненапрягаемой предварительно напрягаемой %aps,te

А-1,А-П,А-И1 А-1У,А-У,А-0Г1

В-П, Вр-П, К 7

А-П,А-Ш,А-1У,А-У АТ-Л,АТ-1У ,АТ-У

А-1У, АТ-1У АтУ, Ат-У А-У1, Ат-У1 Вр-П

в-п

К 7

1,0 ; 1,0 1,0 '1.0

1,0 1,0 0,95

1,0 1,0 0,90

1,0 1,0 0,7 0,4

1,0 0,95 0,7 0,4

1,0 0,9 0,65 0,35

1,0 0,85 0,60 0,30

1,0 0,8 0,55 0,25

1,0 0,75 0,40 0,20

1,0 0,6. 0,20 0,00

1,0 0,45 0,30 0,15

Примечание :I. Зона анкеровки - концевой участок арматуры, заведенный в бетон на длину, равную:

- для ненапрягаемой требований к гр " с требованиями

ifP - для напрягаемой арматуры без анкеров в конструкциях 1-ой категории требований к трешиностойкосги; fy, - определяют в соответствии с требованиями п.2.29 СНиП 2.03.01-84*; -4С - расстоянию от конца арматуры до первой пересекавшей её треиины в бетоне для конструкций 2-ой и 3-ей категории требований к тр едино стойкости, но не более z^п или Ср •

2. Значения коэффициентов для промежуточных температур определяют по линейной интерполяции. 3. При наличии продольных трещин в зоне анкеровки значение a^ta и ps.te Умножают для угловых стержней нн коэффициент "U, 25, для средних стержней контурных рядов арматуры -га коэффициент 0,5. 4. При бетонах класса ВЗО и выше.значение-¿se,te и Цй ..... ....... ..........

____...К ( 13 /о(ч\С Оч --------- -- ----------

•

Умножают на коэффициент, .. Значение умножают на коэффициент, равный но принимают не более 'значения К,

95, te

6Умаксимальное значение предварительного напряжения, допускаемое нормами для соответствующих видов арматуры и условий ее натяжения; - предварительное напряжение арматуры & конст-

рукции к началу пожара.

от совместного усилия предварительного напряжения с учётом всех потерь к началу пожара и внешней нагрузки, действующей на конструкцию при пожаре; ft^^ - прочность нагретого бетона; Т -температура нагрева, напрягаемой арматуры (или бетона в её уровне), потери которой оценивают; J3 - коэффициент, принимаемый для высокопрочной проволоки и канатов - I, для стержневой арматуры классов AVI , AfVf - 0,95; A-V, AfV - 0,90; MV, 0,85

Расчёт конструкций выполняют е учётом изменений (если они есть) их расчётной схемы, геометрических размеров и условий опи-рания после пожара.

В диссертации освепены особенности и разработаны рекомендации по проведению испытаний конструкций, подвергавшихся пожару.

Проектирование конструкций с гарантированной требуемой огнестойкостью позволит сократить социально-экономический ущерб при пожарах.

• Размер ущерба в каждом конкретном случае зависит от интенсивности пожара, места его возникновения в здании, этажности и конструктивного типа здания, назначения конструкций, огнестойкость которых оказалась недостаточной.

Ожидаемый ущерб от преждевременной потери огнестойкости несущей конструкциискожет быть оценен по следующей зависимости:

у =ymp>Y(zoJb)z\ln, (26)

где: )Jm - среднестатистический убыток от одного пожара, тыс; руб.;

J5 - коэффициент убыточности по материалу несущих конструкций;

^ - относительная доля убытка в зависимости от назначения конструкции: для колонн - 8, ригелей - 4, плит перекрытия -2;

оС - относительный дефицит огнестойкости конструкции:

■ ^ (27>

- коэффициент, учитывающий веройтность возникновения пожара на одном из этажей многоэтажных зданий:

\1 = г/а+п) (28)

М - количество этажей.

С использованием зависимости (26) между факторами, влияющими на размер ущерба от пожаров, и среднестатистических данных, дана оценка ежегодному сокращению материальных потерь от пожаров в случае применения железобетонных конструкций с гарантированной огнестойкостью (плит, ригелей, колонн).

Разработана методика расчёта социально-экономического эффекта за счёт уменьшения потерь прибыли от деятельности людей (сокращения жертв и травм на пожарах из-за обрушения конструкций) и непредвиденных расходов (компенсации пострадавшим и затраты на их замену в производстве).

Определение экономической эффективности восстановления строительных конструкций после пожара является частным случаем определения эффективности капитальных вложений. Поэтому выявление оптимального варианта восстановления осуществляется сопоставлением различных вариантов по финансовым затратам с учетом их разновременности (приведение по фактору времени).

В случае, когда сумма затрат на усиление, восстановление пострадавшего от пожара здания и потерь вследствие сокращения прибыли производства превышает затраты на строительство нового здания, использование-- существующего здания с сохранением его функционального назначения нецелесообразно:

Ь - (*-СП)ИМ)/Л > С«, + /Л (29)

где: 3$ - затраты на восстановление здания;

Зн - затраты на новое строительство;

Г. С - годовые эксплуатационные затраты по восстановлен-из,Ь у

ношу и новому зданиям; определяются на основе нормативных амортизационных отчислений на капитальный ремонт и расходов на текущие ремонты; Сп мм, - годовой объём сокращения прибыли вследствие неполного соответствия параметров восстанавливаемого здания требованиям современного производства (моральный износ); Сос - остаточная стоимость существующего здания с затратами на его разборку и вывоз конструкций, материалов и строительного мусора.

Финансовые затраты для каждого из рассматриваемых вариантов рассчитываются за весь срок от начала обследования до полного восстановления здания и возобновления его эксплуатации. Методика расчёта разработана НИИЖБ Госстроя СССР с участием автора.

В заключении диссертации приведены основные выводы:

1. Выявлены теоретически и проверены экспериментально особенности совместной работы арматуры с бетоном при нагреве конструкций в режиме пожара и после остывания для различных технологических, конструктивных и эксплуатационных условий. На основании этого разработана методика оценки прочности анкеровки арматуры в бетоне при огневом воздействии на железобетонные элементы и после их остывания /1,2,9-14,27/.

2. Разработана методика расчёта огнестойкости железобетонных конструкций с учётом особенностей взаимодействия арматуры

с бетоном, обеспечивающая проектирование конструкций с гаранти-*

рованным соответствием Требования^" противопожарных норм. Для решения этой задачи обоснована величина расчётных коэффициентов надежности по материалам в зависимости от назначения конструк-

ций /1,2,14,18,24,25,28^31/.

Для оценки особенностей совместной работы арматуры с бетоном при пожаре предложена расчётная характеристика их условий взаимодействия - температура в зоне анкеровки Т^ц. С использованием этой характеристики разработана система расчётных коэффициентов для:

- условий работы арматуры в зоне передачи напряжений для арматуры без анкеров и в зоне анкеровки ненапрягаемой арматуры

~ ^85,16 5

- условий работы арматуры на действие поперечных сил -

- оценки упругопластического состояния бетона скатой зоны - т/ ;

- расчётных сопротивлений арматуры сжатию Р

&с,хв

3. Разработана методика расчёта температуры арматуры в зоне анкеровки на опорах конструкций, защищенных от пряного нагрева несущими или прилегающими конструкциями. Составлены алгоритмы и программы для численных решений на ЭВМ.

4. Надежность предлагаемой методики расчёта огнестойкости железобетонных элементов проверена огневыми испытаниями плит перекрытий повышенной заводской готовности по серии 1.090.1-1 /27,30/.

5. На основании выполненных исследований, обобщения существующих методов и опыта автора по экспертизе производственных и административных зданий после пожара уточнена методика обследования пострадавших от пожара железобетонных конструкций. Разработаны .рекомендации по статически»/-испытаниям конструкций с учётом особенностей деформирования материалов и условий их совместной работы вследствие нагрева при пожарае /1,2,20,32/.

6. Разработана методика расчёта несушей способности, тре-шиностойкости и деформаций подвергавшихся пожару железобетонных конструкций с целью выявления возможности их дальнейшей эксплуатации. Для решения этого круга задач уточнена оценка теплового воздействия на конструкции. Разработана система расчётных коэффициентов с учётом изменения свойств материалов и условий их совместной работы при остывании конструкций и деструктивных процессов в бетоне за последующий период /1,2,15,16,^9,32/.

Предложены расчётные фор»«улы для оценки потерь предварительного напряжения арматуры вследствие нагрева при пожаре /1,2,32/.

7. Рекомендованы основные способы восстановления конструкций с учётом особенностей подвергавшихся нагреву арматуры и бетона, условий их совместной работы и напряженно-деформированного состояния конструкций после пожара. Результаты работы использованы при обследовании и восстановлении ряда объектов народного хозяйства, пострадавших от пожара, благодаря че>'у получен экономический эффект 2,7 млн.руб. /1,2, 33 /.

8. Комплекс выполненных исследований и разработок обеспечивает качественно новый уровень теоретической оценки огнестойкости железобетонных конструкций и их несущей способности, треаино-стойкости, деформаций после пожара.

Содержание диссертации опубликовано в 48 работах, основные из которых:

1 .Панюков Э.Ф. Восстановление"зданий и сооружений, поврежденных пожаром. - К.: УМК В, 1989. - 123 с.

2. Дуков В.В., Панюков Э.Ф. -Термостойкость железобетонных конструкций. - К.: Будивэльнык, 1991.' - '¿30 с.

3. Панюков Э.Ф. Совместная работа высокопрочного бетона с

витой самоанкерушейся арматурой II Высокопрочные бетоны и конструкции из них Материалы ХУП сессии Союзной комиссии «ИП/. - Киев. 1969. - с.55-56.

4. Мозяков A.C., Пансков Э.Ф. Технология й экономика пред-напряженных железобетонных балок с канатной арматурой // Молодежь и научно-технический прогресс в строительстве. - Новосибирск: НИСМ им. В.В.Куйбышева, СибЗНШЭП, 1972. - С.39-48. '

5. Панюков Э.Ф., Мигасов В.М., Емелоянов ".П. О некоторых . способах совершенствования железобетонных конструкций Ц Творческий поиск молодых. - Новосибирск: Сов. Сибирь, 1975. -С.3-6.

6. Панюков Э.Ф., Пирожков Г.И. Напряженное состояние концевых участков предварительно напряженных конструкций из высокопрочного бетона с самоанкеруюшейся арматурой при обжатии / Строительство и архитектура. - Новосибирск: Известия ВУЗов, 1975, № 2. - С.7-10.

7.Пирожков Г.И., Мозяков A.C., Панюков Э.Ф. Выявление дефектов арматуры в железобетонных конструкциях // Промышленное строительство. 1975. № 8. - С.44-45.

8. Панюков Э.Ф., Жигна В.В. Прочность и деформативные свойства высокопрочных бетонов Ц Шлакошелочные цементы, бетоны и конструкции. - К.: КВФ ЛШ, 1979. - C.I28-I29.

9. Панюков Э.Ф., Линченко Ю.П.. Сцепление рабочей арматуры с бетоном при пожаре Л Пути повышения огнестойкости строительных материалов и конструкций. -М.: МДНТГ1, 1982. -

С.108-112.

' 10. Панюков Э.Ф., Линченко.SJ.П. Влияние температуры на сцепление арматуры с бетоном // Огнестойкость железобе-

тонных конструкций. - М. : НИИЖБ Госстроя СССР, 1984. - С.32-42.

11. Морозенский В.Л., Пакюков Э.Ф., Линченко Ю.П. Огнестой-«ость анкеровки предварительно напряженной стержневой арматуры

// Экспериментальные и теоретические исследования конст->укций полносборных общественных зданий. - И.: ЦНТИ, 1985. -!.76-63. .

12. Панюков З.Ф., Линченко Ю.П. Влияние сцепления арматуры : бетоном на остаточные эксплуатационные качества изгибаемых селезобетонных элементов, находившихся в условиях пожара //Строительство и архитектура. - Новосибирск: Известия ВУЗов, 1986,

! 4. - С.1^4.

13. Панюков Э.Ф..Линченко Ю.П. Огнестойкость многопустотных лит перекрытий // Строительство и архитектура. - Новосибирск: ¡звестия ВУЗов, 1987, № 4. - С.22-26.

14. Панюков Э.Ф. Принципы проектирования железобетонных кон-трукций с обеспечением надежного сцепления арматуры с бетоном

о заданного предела.огнестойкости // Обеспечение огне-тойкости зданий и сооружений. -М.: НДНТП им. Ф.Э.Дзержинского, 988. - С.45-50.

15. Панюков Э.Ф., Алексеенко В.Н. Исследование работы желе-обетонных балок на поперечную силу после высокотемпературного агрева // Строительство и архитектура. - Новосибирск: Известия УЗов, 1988, № 10. - С.1-4.

16. Панюков Э.Ф., Алексеенко В.Н. Влияние поперечного арми-ования и плеча среза на-разрушение железобетонных балок после оздействия пожара // Ооеспечение огнестойкости зданий

сооружений. -М.: ВДНТП им. Ф.Э.Дзержинского, 1988. - С.124-30. . .

17. Панюков Э.Ф., Линченко Ю.П. Особенности разрушения же-езобетонных конструкций, подвергавшихся пожару //: Механика

разрушения бетона и железобетона. - Севастополь: СВВМИУ, 1988.

- С.37-39.

18. Панюков Э.Ф., Линченко ЮЛ1. Проектирование многопустотных плит перекрытий с требуемой огнестойкостью // Строительство и архитектура. - Новосибирск: Известия ВУЗов, 1988, № 12. -

'С.6-Ю.

19. Панюков Э.Ф., Болонин О.Н., Литовченко П.А. Определение напряжений в сечениях железобетонного элемента с помошью решения контактной задачи. - В сб.: Материалы конференции по механике разрушения бетона и железобетона. - Севастополь: СВВМИУ, 1988.-С.50-52.

20. Панюков Э.Зг., Емельянов М.П. Оценка железобетонных конструкций после экстремальных воздействий. - В сб.: Проблемы ' комплексной застройки Южного Берега Кры»«а. - Симферополь: ПОП Управления статистики Крымской области, 1988, т.1. - С.209-211.

21. Линченко Ю.П., Панюков Э.Ф. Фи'зико-механические свойства бетонов после пожара. - В сб.: Повышение эффективности строительства. - К.: УМК В 0 , 1988. - С.118-121.

22. Линченко Ю.П., Панюков З.Ф., Алексеенко В.К. Железобетонные балки и плиты, подвергавшиеся пожару / Исследование, расчет, восстановление/. - В сб.: Легкие жаростойкие бетоны и огнестойкость железобетонных конструкций. - Пенза: Полиграф,1988.

- С.79-81.

23. Агаджанов В.И., Панюков Э.Ф., Бадкова Е.К. Эффективность проектирования железобетонных.".конструкций с требуемой огнестойкостью // Бетон и железобетон. - 1989. - Г» 3. - С.25-26.

24. Нуков В.В., Панюков Э.Ф. коэффициенты надежности по материалам при расчёте железобетонных конструкций на огнестойкость.

- Бетон и железобетон. - 1989. - № 12. - С.23-24. -

25. Панюков Э.Ф. Деформативность бетона, нагревавшегося

в режиме пожара // Строительство и архитектура. - Новосибирск: Дзвестия ВУЗов. - 1989, » 12. - С.5-8.

26. Панюуов Э.Ф. Особенности обеспечения огнестойкости зда-тай,' возводимых на крутых склонах. Материалы конференции "Строительство зданий и сооружений на крутых склонах и неудобьях" Севастополь: НПО Югрыбтехцентр, 1989. - С.42-43.

27. Панюков Э.Ф., Алексеенко В.Н., Морозенский B.JI. Исследование огнестойкости опорных зон многопустотных плит перекрытий на моделях // Строительство и архитектура. - Новосибирск: Известия ВУЗов, 1989, » 5, - С.1-4.

28. Панюков Э.Ф., Линченко Ю.П. Огнестойкости усовершенствованных стыков стеновых панелей. В сб. научн.трудов "Проблемы ' индустриализации строительства общественных зданий". - И.: |Ш1 реконструкция городов, 1989. - СЛ12-П9.

29. Залесов A.C., Панюков Э.Ф., Алексеенко В.Н. Прочности келезобетонных балок при действии поперечных сил после пожара// Бетон и железобетон. - 1990. - № 10, - С.8-9.

30. Панюков Э.Ф., Алексеенко В.Н., Соломонов В.В. Испыта-яие на огнестойкость плит перекрытий серии I.090.I-I открытым :жиганйем жидкого топлива // Промышленное строительство. - : 1991. - С. и др. .

Кроме того, совместно с другими авторами были составлены :ледуаише документы, в которых использованы результаты диссертационной работы.

31. Рекомендации по проектированию многопустотных плйт перекрытий с требуемой огнестойкостью. - : НИМБ Госстроя СССР, 1987, - 27 с.

32. Рекомендации по обследованию зданий и сооружений, пов-

режденных пожаром// НИИШБ. - М.: Стройиздат, 1987. - 80 с.

33. Рекомендации по определению социально-экономической эффективности проектирования* строительных конструкций с гарантированной огнестойкостью и восстановления зданий и сооружений, поврежденных пожаром/ЛШИЖБ Госстроя СССР, СФ ДИСИ. - И.: НИМБ Госстроя СССР, 1989. - 43 с.

34. A.c. I6I7II2 МКИ4 Е 04 В 1/94 Огнестойкая строительная конструкция. Панюков Э.Ф., Линченко Ю.П., Емельянов И.П. Заявлено 23.03.88.