Оцінка вогнестійкості багатоповерхових каркасних будинків з урахуванням їх просторової роботи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оцінка вогнестійкості багатоповерхових каркасних будинків з урахуванням їх просторової роботи

Фомін С.Л.

Пожежі є серйозною проблемою для країн усього миру. В останні роки спостерігається збільшення їхньої кількості, істотно зростають збитки й людські жертви. Це пов'язане зі швидким розвитком суспільства, промисловості, застосуванням нових будівельних матеріалів, виникненням війн, терористичних актів. За офіційним даними в середньому по Україні виникає близько 50 тис. пожеж, у результаті яких гине 2.0-2,5 тисяч людей, а матеріальні втрати становлять 15-20 млн. гривень. Тому проблема забезпечення вогнестійкості будинків і споруд є особливо актуальною.

За існуючою методикою [1] межа вогнестійкості конструкцій по ознаці втрати несучої здатності (R) визначається часом нагрівання (f) = _r, після закінчення якого несуча здатність конструкції R() знизиться до величини розрахункового зусилля від нормативного або іншого робочого навантаження S_ser (згинального моменту M_n, поздовжнього зусилля N_n, поперечної сили Q_n):

якщо R() S_ser, то = _r (1)

Загальна схема розрахунку конструкцій на вогнестійкість показана на рис. 1. По осі абсцис відкладений час впливу пожежі , по осі ординат - зусилля в конструкції, що розраховується. Пряма 1 відповідає несучій здатності конструкцій у звичайних умовах експлуатації R, зниження несучої здатності конструкції R() у часі впливу пожежі представлено кривій 2. Межа вогнестійкості конструкцій, тобто час нагрівання _r, після закінчення якого несуча здатність конструкції знизиться до величини зусилля від робочого навантаження S_ser (пряма 3), відповідає крапці перетинання кривій 2 із прямій 3 (крапка А).

Формула (1) відповідає вимогам ДСТУ [2] на випробування будівельних конструкцій на вогнестійкість.

У дійсності при нагріванні на конструкції впливають також додаткові температурні зусилля й напруження. На основі проведених у ХДТУБА експериментальних і теоретичних досліджень виявлений механізм переходу залізобетонних конструкцій у граничний стан при нагріванні й запропонована методика розрахунку. При розрахунку вогнестійкості в умовах пожежі необхідно враховувати додаткові температурні зусилля S_t, що виникають від стримування температурних деформацій елемента зв'язками (сусідніми конструкціями) і які, накладаючись на зусилля від нормативного навантаження S_ser, знижують межу вогнестійкості в порівнянні з розрахунком за існуючою методикою [3].

Власні температурні напруження _t, що виникають при нелінійному розподілі температури по перерізу залізобетонних елементів, також впливають на несучу здатність R(), збільшуючи або знижуючи її залежно від форм температурного поля. Зниження несучої здатності R(,_t) буде відрізнятися від кривій 2 (криві 2', 2''),

Таким чином, основна розрахункова формула для визначення вогнестійкості будівельних конструкцій у складі будинку по ознаці втрати несучої здатності (R) буде мати вигляд:

якщо R(, _t) S_ser + S_t , то = _r,T (2)

Межа вогнестійкості конструкцій у складі будинку _r,T відрізняється від межі вогнестійкості конструкції при вогневому випробуванні _r, оскільки на зусилля від нормативного навантаження S_ser накладаються температурні зусилля S_t , які зростають при розвитку пожежі. Їхня сума представлена кривій 4 на рис. 1, а її перетинання із кривій 2 (або із кривими 2', 2'') визначає межу вогнестійкості _r,T (крапка В). Температурні зусилля виникають також у не нагрітих конструктивних елементах, які можуть втратити міцність у процесі розвитку пожежі, що відповідає крапці перетинання кривій 5 із прямій 1 (крапка С). Час досягнення втрати несучої здатності в цих елементах може визначити межу вогнестійкості будинку в цілому.

Результати розрахунку рамних статичних невизначених залізобетонних конструкцій, а також результати експериментальних і натурних досліджень показують, що граничний стан може виникнути задовго до знижень несучої здатності елементів при нагріванні R. Причиною цього є нагромадження температурних деформацій елементів, перерозподіл зусиль у результаті утворення пластичних шарнірів, втрата міцності елементів, не підданих нагріванню. Тому для оцінки несучої здатності таких конструкцій розроблено методику розрахунку, засновану на обліку реальних законів деформування при нагріванні, власних температурних напружень у бетоні й арматурі, перерозподілу зусиль у статично невизначених конструкціях. Методика орієнтована на застосування програмних комплексів, наприклад, ПК Ліра Windows.

Рис.1. Схема розрахунку вогнестійкості конструкцій: 1- несуча здатність конструкцій у звичайних умовах експлуатації R; 2 - зниження несучої здатності конструкції R() у часі впливу пожежі ; 2, 2 - зниження несучої здатності конструкції R(,_t) c обліком власних температурних напружень _t; 3 - зусилля від нормативного навантаження S _ser ; 4 - сума зусиль від нормативного завантаження S _ser і температурних зусиль S_t в елементах, що нагрівають; 5 - те ж у тих, що не нагрівають

На рис.2 наведено напружений стан конструкцій 8-ми поверхового 8-ми прольотного каркасного будинку при пожежі в трьох сусідніх центральних прольотах першого поверху. Отримано, що на 90 хв нагрівання утворилася геометрично змінювана схема, тобто була досягнута межа вогнестійкості по втраті несучої здатності в не нагрітих конструктивних елементах.

Рис.2. Розподіл згинальних моментів у конструкціях будинку при вогнищі пожежі в трьох прольотах тривалістю = 90 хв.

Одним з найважливіших питань уточнення здатності чинити опір вогневим впливам будинків є розробка методики розрахунку вогнестійкості з обліком їхньої просторової роботи. Результати чисельного моделювання напружено-деформованого стану конструкцій показують істотне розходження у величинах зусиль у тих самих конструктивних елементах при прийнятті різних розрахункових схем. Облік просторової роботи будинків нерідко приводить до зміни знака зусиль в елементах конструкцій у порівнянні з розрахунком по стержневій або плоскій рамній розрахунковій схемі. Значний вплив на вогнестійкість будинку робить розташування джерел пожежі, що демонструють наступні чисельні дослідження напруженого стану просторової системи багатоповерхового будинку.

Проведено чисельне моделювання зусиль і переміщень у каркасному будинку центра інформаційних технологій при впливі стандартної пожежі з використанням ПК Ліра 9.2. Будинок складається із двох частин: шістнадцятиповерхової й чотириповерхової. Конструктивна схема висотної частини являє собою рамно-в'язеву каркасну систему зі збірних залізобетонних елементів. Висотна частина до третього поверху має збірний залізобетонний каркас із колон серії ДО-01-49 перерізом 500х800 мм із бетону класу В50 з R_b = 27,5 MПа, Еb = 35000 MПа; з робочими арматурами класу А-III з R_S = 365 MПа, Е_S = 200000 MПа. Із третього до восьмого поверху колони перерізом 400х800 мм виконані з бетону класу В30 з R_b = 17,0 MПа, Е_b = 29000 MПа. Вище восьмого поверху прийнятий каркас по серії ИИ-04 випуск 2.

Ригелі каркаса всіх поверхів висотної частини - по серії ИИ-04 випуск 2 мають тавровий переріз висотою 450 мм, шириною нижньої полиці 380 мм. Розрахункова схема будинку складена їх 2300 універсальних просторових стержневих елементів типу КЭ10 (рис.3). Розрахунки проведені для стандартного режиму пожежі тривалістю 60 хв, для якого приймалася середня температура в колонах Т = 510С, і температурний перепад у ригелях Т1 =157С, Т2 = 800С. Варіювалися різні схеми розташування джерел пожежі і його поширення на сусідні секції (рис.4). На рис.5 наведені результати розрахунків величин температурних моментів у колонах першого поверху залежно від схем поширення пожежі. Перша схема відповідає виникненню джерела пожежі в одній секції по середині поздовжньої осі Y будинку. Максимальна величина температурного моменту для нагрітої колони №6 становить М_х6 = 451,2 кнм, для крайньої колони №1, розташованої у висотній частині будинку - М_х1=140,6 кнм, для колони чотириповерхової частини №10 - М_х10= 60,47 кнм. У міру поширення вогню на сусідні секції величини згинальних моментів збільшуються і при повнім загорянні першого поверху досягають М_х6=720,9 кнм, М_х1=1900 кнм, М_х10=588,4 кнм. Крім температурних моментів у поздовжньому напрямку М_х виникають також згинальні моменти в поперечному напрямку М_у, поздовжні сили N і поперечні сили Q_х й Q_у.

Рис.3. Загальний вид типового будинку центра інформаційних технологій і його просторова кінцево-елементна схема

Рис.4. Розрахункові схеми і епюри моментів в колонах при пожежі на першому поверсі

Рис.5. Розподіл максимальних температурних моментів у колонах першого поверху будинку для різних схем поширення пожежі

Рис.6. Епюри температурних моментів М_х від впливу пожежі в 4 секціях приміщення на першому поверсі і в 4 секціях приміщення на 17 поверсі

вогнестійкість конструкція згинальний пожежа

При виникненні пожежі в першій секції і поширенні його в глибину будинку картина зусиль у конструкціях істотно міняється. У першій колоні при пожежі в крайній секції величина температурного моменту зростає до М_х1=627,5 кнм і при поширенні вогню на 4 секції досягає М_х1=1600 кнм.

По-різному поводяться елементи конструкцій залежно від їхнього розташування по висоті будинку. На рис.6 показані епюри температурних моментів Мх від впливу пожежі в 4 секціях приміщення на першому поверсі й в 4 секціях приміщення на 17 поверсі. У першому випадку виникли максимальні зусилля в колонах: М_х =18,9 кнм, М_у = 232,4 кнм, N = 332,7 кн, Q_х= 162,8 кн й Q_у = 78 кн.

При впливі пожежі в секціях приміщення на 17 поверсі температурні зусилля зменшилися: М_х = 9,1 кнм, М_у =128,9 кнм, N=176,2 кн, Q_х= 80 кн й Q_у= 77,8 кн й Q_у = 66,5 кн.

Для пожежі в 2 секціях 9 поверху (рис.7) максимальні зусилля в колонах склали: Мх= 6 кнм, М_у= 113,1 кнм, N = 149,2 кн, Q_х= 52 кн й Q_у= 66,5 кн. На 7 й 8 поверхах: М_х= 6,2 кнм, М_у= 132,3 кнм, N = 180,9 кн, Q_х= 30,2 кн й Q_у= 47,9 кн.

Рис.7. Епюри температурних моментів М_х від впливу пожежі в 2 секціях 9 поверху й в 2 секціях на 7 й 8 поверхах

Як видно із цих прикладів при різних ситуаціях впливу температур для різних частин будинку температурні зусилля істотно змінюються, у зв'язку із чим застосування конструктивних елементів заданої вогнестійкості за результатами стандартних випробувань [3] ще не гарантує вогнестійкості будинку в цілому. Необхідна розробка методики розрахунку несучої здатності конструкцій і робочих навантажень в умовах пожежі, що дозволяє прогнозувати зміну стану будинків на основі аналізу різних сценаріїв небезпечних ситуацій з урахуванням різних комбінацій нагрівання для розробки пропозиції по забезпеченню необхідної вогнестійкості будинку в цілому.

Література

1. ДБН В.1.1-7-2002. Захист від пожежі будинків і споруд. Пожежна безпеку об'єктів будівництва (на зміну Снип 2.01.02-85* Протипожежні норми). Держбуд України. Київ, 2002. 2. Пожежна безпека. Протипожежні вимоги в галузі проектування та будівництва.// ДСТУ Б В.1.1-4-98. Будівельні конструкції. Методи випробувань на вогнестійкість. Загальні вимоги. С. 425-445. - Т. 6. - Київ: Пожінформтехніка, 2000. 3.Фомін С. Л. Вогнестійкість багатоповерхових каркасних будинків. Міжвідомчий науково-технічний збірник праць (будівництво)/Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій Держбуду України (в 2-х томах, тім 2) Вип..62-київ, НДІБК, 2005, С. 310-315.

Размещено на Allbest.ru