СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОГНЕСТОЙКОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ КОЛОННЫ КРУГЛОГО СЕЧЕНИЯ
METHOD FOR DETERMINING FIRE RESISTANCE OF REINFORCED CONCRETE COLUMN OF ROUND SECTION

Изобретение относится к области пожарной безопасности зданий. В частности, оно может быть использовано для классификации железобетонных колонн круглого сечения по показателям сопротивления их воздействию пожара. Это дает возможность обоснованного использования существующих железобетонных конструкций с фактическим пределом огнестойкости в зданиях различных классов пожароопасности.
Известен способ оценки огнестойкости железобетонной колонны здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление вида бетона и арматуры конструкции, выявление условия их опирания и крепления, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности конструкции под испытательной нагрузкой в условиях стандартного теплового воздействия /ГОСТ 30247.1-94. Конструкции строительные. Методы испытания на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции/ [1].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе испытания проводят на образце железобетонной колонны, на который воздействуют только постоянные и длительные нагрузки в их расчетных значениях с коэффициентом надежности равным единице.
Испытания проводят на специальном стендовом оборудовании в огневых печах до разрушения образцов конструкций. Размеры образцов ограничивают в зависимости от проемов стационарных огневых печей. Следовательно, стандартные огневые испытания трудоемки, не эффективны, не безопасны, имеют малые технологические возможности для проверки на опыте различных по размерам и различно нагруженных конструкций, не дают необходимой информации о влиянии единичных показателей качества конструкции на ее огнестойкость. Оценка огнестойкости железобетонной колонны по единичному показателю качества, например, по толщине защитного слоя бетона, как правило, не позволяет достоверно определить пригодность колонны для ее эксплуатации в здании заданной степени огнестойкости. По малому числу испытуемых образцов (2-3 шт) невозможно судить о действительном состоянии колонн здания. Результаты огневого испытания единичны и не учитывают разнообразия в закреплении концов железобетонной колонны, фактических размеров и армирования колонны, и схемы обогрева опасного сечения в условиях пожара.
ur
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ оценки огнестойкости железобетонного сжатого элемента здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, установление вида бетона и арматуры железобетонной конструкции, выявление условий ее опирания и крепления, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности железобетонной конструкции под испытательной нагрузкой в условиях стандартного огневого воздействия. Испытание железобетонной конструкции проводят без разрушения по комплексу единичных показателей качества, технический осмотр дополняют инструментальными измерениями геометрических размеров железобетонной конструкции и ее опасного сечения, устанавливают площади бетона и рабочей арматуры в опасном сечении, выявляют схему его обогрева при пожаре, определяют показатели плотности бетона и его влажности в естественном состоянии и величину показателя термодиффузии бетона, находят предельные сопротивления бетона и арматуры на сжатие, степень армирования опасного сечения колонны, устанавливают величину испытательной нагрузки на железобетонную колонну и величину интенсивности силовых напряжений в опасном сечении, и, используя полученные интегральные параметры железобетонной колонны, по номограмме вычисляют фактический предел огнестойкости F, мин; | Патент №2281482 RU МПК G01N 25/50. Способ определения огнестойкости сжатых элементов железобетонных конструкций здания /Ильин Н.А., Бутенко С.А., Эсмонт С.В.; заяв. СГАСУ: 06.09.04; опубл. 18.02.06. Бюл. №22/ [2].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что использование номограммы для определения фактической огнестойкости железобетонного сжатого элемента дает результаты расчета с большей погрешностью, в ряде случаев требуется дополнительное построение графиков номограммы; кроме этого при построении номограммы не учитываются показатели надежности железобетонной колонны по назначению (уровню ответственности), особенности условий обогрева опасного сечения колонны, глубина залегания продольной арматуры, коэффициент его продольного изгиба.
Сущность изобретения заключается в установлении показателей пожарной безопасности здания в части гарантированной длительности сопротивления железобетонной колонны круглого сечения в условиях пожара; в определении фактических пределов огнестойкости железобетонной колонны при проектировании, строительстве и эксплуатации здания; в снижении экономических затрат при испытании железобетонной колонны на огнестойкость.
Технический результат - исключение огневых испытаний при определении огнестойкости железобетонной колонны круглого сечения в здании или его фрагменте; снижение трудоемкости оценки огнестойкости железобетонной колонны, расширение технологических возможностей определения фактической огнестойкости различно нагруженных железобетонных колонн любых размеров и возможность сопоставления полученных результатов с результатами испытаний аналогичных колонн здания; возможность проведения испытания конструкций на огнестойкость без нарушения функционального процесса в здании; снижение экономических затрат; сохранение эксплуатационной пригодности здания при обследовании и проведении неразрушающих испытаний железобетонной колонны; упрощение условий и сокращение сроков испытания колонн на огнестойкость; повышение точности показателей огнестойкости железобетонной колонны круглого сечения и оперативности их определения.
ur
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе оценки огнестойкости сжатого железобетонного элемента конструкции здания, включающем проведение технического осмотра, установление вида бетона и арматуры железобетонного элемента, выявление условий его опирания и крепления, определение времени наступления предельного состояния по признаку потери несущей способности железобетонного элемента под испытательной нагрузкой в условиях стандартного теплового воздействия, проведение оценочных испытаний без разрушения по комплексу единичных показателей качества железобетонного элемента, при котором технический осмотр сопровождают инструментальными измерениями геометрических размеров железобетонного элемента и его опасных сечений, устанавливают площади бетона и арматуры в опасном сечении, определяют показатели термодиффузии бетона, жесткость и критическую силу железобетонной колонны, влажность и плотность бетона, находят предельные сопротивления бетона и арматуры на сжатие, степень армирования опасного сечения железобетонного элемента и величину интенсивности силовых напряжений в опасном сечении, особенностью является то, что в качестве железобетонного элемента принимают железобетонную колонну круглого сечения и дополнительно определяют надежность железобетонной колонны круглого сечения по назначению, выявляют сплошность ее тела в опасном сечении и фактический предел огнестойкости от начала стандартного огневого воздействия до потери несущей способности (F, мин), который определяют используя аналитическое уравнение (1):
cir
где D - диаметр железобетонной колонны, мм;
σ0
μs
bn
n
a
2
J - интенсивность силовых напряжений в опасном сечении; α - степень армирования опасного сечения железобетонной колонны;  - показатель термодиффузии бетона, мм/мин, R - нормативное сопротивление бетона осевому сжатию, МПа, γ - коэффициент надежности железобетонной колонны по назначению; k - показатель глубины залегания продольной арматуры железобетонной колонны.
a
Показатель глубины залегания продольной арматуры железобетонной колонны (k) определяют из уравнения (2):
а
а
н
s
где  и  - нормативное и соответственно фактическое расстояние от грани колонны до радиуса окружности r, проходящей через центры тяжести стержней продольной арматуры, мм.
σ0
Интенсивность силовых напряжений в опасном сечении железобетонной колонны (J≤1) находят по уравнению (3):
ξ
сс
где M и М - изгибающий момент от расчетной продольной силы с учетом прогиба железобетонной колонны и соответственно изгибающий момент, характеризующий прочность опасного сечения, кН⋅м.
μs
Степень армирования опасного сечения железобетонной колонны (α) вычисляют по уравнению (4):
s,tot
sn
bn
2
где A и А - площадь сечения всей продольной арматуры и соответственно площадь сечения бетона железобетонной колонны в поперечном сечении, мм; R и R - нормативное значение сопротивления растяжению арматуры и соответственно нормативное сопротивление бетона осевому сжатию, МПа.
cr
Критическую силу (N, кН), воспринимаемую колонной круглого сечения, вычисляют по уравнению (5):
0
2
где Ж - жесткость железобетонной колонны круглого сечения, кН⋅м;
- расчетная длина колонны, м; π=3,14.
0
2
Жесткость железобетонной колонны круглого сечения (Ж, кН⋅м) вычисляют по уравнению (6):
s
b
s
b
е
4
где E и E - модуль упругости арматуры и соответственно начальный модуль упругости бетона, МПа; J и J - момент инерции арматуры и соответственно бетонного сечения относительно центра тяжести бетонного сечения, мм;  - коэффициент, учитывающий длительность действия нагрузки на прогиб железобетонной колонны; δ - относительное значение эксцентриситета продольной силы
e
0
cir
δ=e/D≥0,15;
cir
0
где D - диаметр железобетонной колонны, мм; e - эксцентриситет продольной силы, мм.
За единичные показатели качества железобетонной колонны круглого сечения, влияющие на предел огнестойкости, принимают: геометрические размеры, условия закрепления и жесткость железобетонной колонны круглого сечения, прочность бетона на осевое сжатие, сопротивление арматуры сжатию, интенсивность силовых напряжений в опасном сечении, влажность и плотность бетона в естественном состоянии, показатель термодиффузии бетона, модуль упругости арматуры и начальный модуль упругости бетона.
Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом заключена в следующем.
Исключение огневых испытаний железобетонной колонны существующего здания и замена их на неразрушающие испытания снижает трудоемкость оценки ее огнестойкости, расширяет технологические возможности выявления фактического предела огнестойкости различно нагруженных колонн любых размеров, дает возможность проведения испытания колонн на огнестойкость без нарушения функционального процесса обследуемого здания, а также сопоставления полученных результатов с результатами стандартных испытаний аналогичных колонн и сохранения эксплуатационной пригодности обследуемого здания без нарушения несущей способности его конструкций в процессе испытания. Следовательно, условия испытания железобетонной колонны здания на огнестойкость значительно упрощены. Снижение экономических затрат на проведение испытания достигается за счет уменьшения расходов на демонтаж, транспортирование и огневые испытания образца железобетонной колонны.
Применение математического описания процесса сопротивления нагруженной железобетонной колонны стандартному огневому испытанию и использование построенного полипараметрического уравнения (1) повышает точность и оперативность оценки проектной огнестойкости.
Использование интегральных конструктивных параметров, как-то: степени напряжения арматуры и показателя термодиффузии бетона упрощает математическое описание процесса сопротивления нагруженной железобетонной колонны огневому воздействию.
Оценка огнестойкости железобетонной колонны только по одному показателю качества, например, по толщине защитного слоя бетона, приводит, как правило, к недооценке их фактической огнестойкости, поскольку влияние на него вариаций единичных показателей качества имеют различные знаки, и снижение огнестойкости за счет одного показателя может быть компенсировано другими. Вследствие этого в предложенном способе оценку огнестойкости железобетонной колонны предусматривают не по одному показателю, а по комплексу единичных показателей их качества. Использование в предложенном способе интегральных конструктивных параметров для определения огнестойкости железобетонной колонны и упрощение математического описания процесса термического сопротивления нагруженной железобетонной колонны; учет реального ресурса конструкции на величину огнестойкости использованием комплекса единичных показателей их качеств; учет влияния на предел огнестойкости показателей надежности железобетонной колонны по назначению, условий обогрева опасного сечения колонны, глубины залегания продольной арматуры, сплошности тела колонн и продольного прогиба железобетонной колонны круглого сечения позволяет более точно учесть реальный ресурс огнестойкости железобетонной колонны круглого сечения.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения, с получением указанного выше технического результата.
Способ определения огнестойкости железобетонной колонны здания осуществляют в следующей последовательности. Сначала проводят визуальный осмотр конструкций здания. Затем определяют группу однотипных железобетонных колонн круглого сечения и их общее число в нем. Вычисляют величину выборки однотипных колонн. Назначают комплекс единичных показателей качества железобетонных колонн, влияющих на огнестойкость. Выявляют условия закрепления концов и опасные сечения железобетонных колонн. Вычисляют число испытаний единичного показателя качества конструкции в зависимости от его статистической изменчивости. Затем оценивают единичные показатели качества железобетонной колонны, и по ним находят проектный предел огнестойкости.
Под визуальным осмотром понимают проверку состояния железобетонной колонны, включающую выявление условий обогрева и закрепления концов железобетонной колонны, определение вида бетона и толщины его защитного слоя, наличие трещин и отколов, нарушение сцепления арматуры с бетоном, наличие коррозии арматурной стали и других показателей безопасности железобетонной колонны.
В процессе осмотра определяют группы однотипных колонн круглого сечения. Под группой колонн в здании понимают однотипные железобетонные колонны, изготовленные и возведенные в сходных технологических условиях и находящихся в подобных условиях эксплуатации.
0
cir
s
s
s
s'
cir
cm
2
2
На фиг. 1 и 2 изображена схема расчета на огнестойкость железобетонной колонны круглого сечения: продольное сечение (фиг. 1) и поперечное сечение (фиг. 2): 1 - продольная растянутая арматура, 1' - продольная сжатая арматура, 2 - бетон; N - продольная сила, кН; е - эксцентриситет продольной силы относительно центра тяжести приведенного сечения, мм; D - диаметр железобетонной колонны, мм; r - радиус окружности, проходящей через центры тяжести стержней продольной арматуры, мм; а - расстояние от грани колонны до радиуса окружности r, проходящей через центры тяжести стержней продольной арматуры, мм; A - площадь сечения продольной растянутой арматуры 1, мм; A - площадь сечения продольной сжатой арматуры 1', мм; ξ - относительная площадь сжатой зоны бетона; t - температура стандартного пожара, °C.
На фиг. 3 изображены графики несущей способности внецентренно сжатой железобетонной колонны круглого сечения:
m
0
b
α - показатель изгибающего момента, равный N⋅e/(R⋅А⋅r);
n
b
α - показатель продольной силы, равный N/(R⋅А);
s
s
s,tot
b
α - показатель армирования бетона колонны, равный R⋅A/(R⋅А).
Число и место расположения участков, в которых определяют показатели качества конструкций, определяют так: конструкции, имеющие одно опасное сечение, участки располагают только в этом сечении; в конструкциях, имеющих несколько опасных сечений, испытуемые участки располагают равномерно по поверхности с обязательным расположением части участков в опасных сечениях.
К основным единичным показателям качества железобетонной колонны круглого сечения, обеспечивающих огнестойкость, относятся: геометрические размеры, условия закрепления и жесткость железобетонной колонны круглого сечения, прочность бетона на осевое сжатие, сопротивление арматуры сжатию, интенсивность силовых напряжений в опасном сечении, влажность и плотность бетона в естественном состоянии, показатель термодиффузии бетона, модуль упругости арматуры и начальный модуль упругости бетона.
Проверяемыми геометрическими размерами являются: диаметр опасного сечения железобетонной колонны. Опасные сечения железобетонных колонн назначают в местах наибольших моментов от действия испытательной нагрузки или в точках максимального сближения огибающей эпюры моментов и эпюры материалов конструкций. Размеры конструкции проверяют с точностью ±1 мм; ширину трещин с точностью до 0,05 мм.
a
н
н
а
а
а
k=1-(-)/10⋅;
а
а
н
s
где  и  - нормативное и соответственно фактическое расстояние от грани колонны до радиуса окружности r, проходящей через центры тяжести стержней продольной арматуры, мм.
Интенсивность силовых напряжений в опасном сечении железобетонной колонны от испытательной нагрузки на огнестойкость определяют из условия (3):
σ0
ξ
cc
J=M/M;
ξ
сс
где M и М - изгибающий момент от расчетной продольной силы с
учетом прогиба железобетонной колонны и соответственно изгибающий момент, характеризующий прочность опасного сечения, кН⋅м.
μs
Степень армирования опасного сечения железобетонной колонны (α) вычисляют по уравнению (4):
μs
s,tot
sn
bn
α=(A/A)⋅(R/R);
s,tot
2
где A и А - площадь сечения всей продольной арматуры и соответственно площадь сечения бетона колонны в поперечном сечении железобетонной колонны, мм;
sn
bn
R и R - нормативное значение сопротивления растяжению арматуры и нормативное сопротивление бетона осевому сжатию, МПа.
Пример.
cir
н
b
bn
sn
s,tot
а
а
4
2
Дано: железобетонная колонна круглого сечения диаметром D=400 мм; =30 мм; =35 мм; бетон класса В25 (E=3⋅10 МПа, R=18,5 МПа); продольная арматура класса А400 (R=400 МПа); площадь ее сечения A=3140 мм (10∅20); продольные силы и изгибающие моменты: от постоянных и длительных нагрузок  от всех нагрузок N=350 кН, М=80 кН⋅м; расчетная длина колонны  снеговая, ветровая и кратковременные вертикальные нагрузки в расчете огнестойкости колонны не принимают.
Требуется выявить интенсивность силовых напряжений и вычислить проектный предел огнестойкости железобетонной колонны круглого сечения.
Расчет.
1) Расчетная длина колонны равна  усилия от всех нагрузок равны:
0
М=80 кН⋅м; N=350 кН; e = M / N = 80/350 = 0,229 м = 229 мм; Тогда момент от постоянных и длительных нагрузок:
0
2) Для определения жесткости Ж колонны вычисляют:
cir
радиус сечения железобетонной колонны: r=D/2=400/2=200 мм;
s
а
радиус окружности, проходящей через центры тяжести стержней продольной арматуры: r=r-=200-35=165 мм;
1
М и  - моменты внешних сил относительно оси, нормальной плоскости изгиба и проходящей через центр наиболее растянутого или наименее сжатого (при целиком сжатом сечении) стержня арматуры, соответственно от действия всех нагрузок и от действия постоянных и длительных нагрузок:
1
s
М=M+N⋅r=80+350⋅0,165=137,75 кН⋅м;
коэффициент, учитывающий влияние длительного действия нагрузки на прогиб элемента:
e
0
cir
е
относительное значение эксцентриситета продольной силы δ=e/D=228,571/400=0,571>0,15 и не превышает 1,5, поэтому принимают δ=0,571.
3) Моменты инерции бетонного сечения и всей арматуры соответственно равны:
4) Значения коэффициентов для определения жесткости железобетонной колонны:
s
k=0,7;
0
Тогда непосредственно жесткость железобетонной колонны круглого сечения (Ж) по [3] равна:
0
b
b
b
s
s
s
4
6
5
6
2
Ж=k⋅E⋅J+k⋅E⋅J=0,1⋅3⋅10⋅1257⋅10++0,7⋅2⋅10⋅42,74⋅10=9769,417 кН⋅м
5) Условная критическая сила равна:
Значение коэффициента η при расчете колонны по недеформированной схеме определяют по формуле:
cr
η=1/(1-N/N)=1/(1-350/6026,267)=1,062.
6) Расчетный момент с учетом влияния прогиба железобетонной колонны равен:
ξ
0
M=N⋅е⋅η=350⋅0,229⋅1,062=84,933 кН⋅м ≈ 85 кН⋅м.
Прочность сечения проверяем с помощью графика на фиг. 3 [4].
Определим площадь сечения бетона железобетонной колонны
По значениям
и
a
m
на графике находим =0,387.
Расчетный момент с учетом прогиба колонны равен:
cc
m
bn
a
3
-6
M=⋅R⋅A⋅r=0,387⋅18,5⋅10⋅125664⋅10⋅0,2=180 кН⋅м;
сс
ξ
М=180 кН⋅м > М=85 кН⋅м; прочность сечения обеспечена.
σ0
7) Величину интенсивности силовых напряжений (J) в сечении железобетонной колонны круглого сечения вычисляют по уравнению (3):
σ0
сс
J=Мξ/М=85 /180=0,472,
ξ
сс
где M и М - изгибающий момент от расчетной продольной силы с учетом прогиба железобетонной колонны и соответственно изгибающий момент, характеризующий прочность опасного сечения колонны, кН⋅м.
μs
8) Степень армирования опасного сечения (α) железобетонной колонны вычисляют по уравнению (4):
μs
s
sn
bn
α=(A/A)⋅(R/R)=(3140/125664)⋅(400/18,5)=0,54,
s,tot
sn
bn
2
где A и А - площадь сечения всей продольной арматуры и соответственно площадь сечения бетона железобетонной колонны в поперечном сечении, мм; R и R - нормативное значение сопротивления растяжению арматуры и соответственно нормативное сопротивление бетона осевому сжатию, МПа.
a
9) Показатель глубины залегания арматуры (k) вычисляют по уравнению (2):
a
н
н
а
a
а
k=1-(-)/10⋅=1-(30-35)/10⋅30=1+0,017=1,017,
а
а
н
s
где  и  - нормативное и соответственно фактическое расстояние от грани колонны до радиуса окружности r, проходящей через центры тяжести стержней продольной арматуры, мм.
ur
10) Проектный предел огнестойкости железобетонной колонны круглого сечения по потере несущей способности (F, мин) вычисляют по уравнению (1):
cir
где D - диаметр железобетонной колонны, мм;
σ0
μs
a
bn
n
2
J - интенсивность силовых напряжений в опасном сечении; α - степень армирования опасного сечения железобетонной колонны; k - показатель глубины залегания продольной арматуры железобетонной колонны;  - показатель термодиффузии бетона, мм/мин, R - нормативное сопротивление бетона осевому сжатию, МПа, γ - коэффициент надежности железобетонной колонны по назначению здания.
Предложенное аналитическое выражение (1) использовано для оценки огнестойкости железобетонных колонн круглого сечения для безбалочного перекрытия многоэтажного здания (г. Тольятти, распределительный холодильник на 10 тыс. тонн).
Источники информации
1. ГОСТ 3Q247.1-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции.
2. Патент №2281482 RU МПК G01N 25/50. Способ определения огнестойкости сжатых элементов железобетонных конструкций здания / Ильин Н.А., Бутенко С.А., Эсмонт С.В.; заяв. СГАСУ: 06.09.04; опубл. 18.02.06. Бюл. №22.
3. СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003 - М.: ФАУ «ФЦС», 2012. - 156 с.
4. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона без предварительного напряжения арматуры (к СП 52-101-2003). ЦНИИПромзданий, НИИЖБ. - М.; - 2005.