Огнестойкость трубобетонных конструкций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

Огнестойкость трубобетонных конструкций

Зернов Владимир Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Механика»

Зайцев Михаил Борисович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Механика»

Барабанкина Галина Сергеевна, студент

Быкова Екатерина Александровна, студент

Аннотация

В статье рассматриваются вопросы огнестойкости трубобетонных конструкций, представляющих собой бетон, заключенный в трубчатую обойму.

Ключевые слова: бетон, огнестойкость конструкций, предел огнестойкости, трубобетон

Пожары и взрывы причиняют значительный материальный ущерб и в ряде случаев вызывают тяжелые травмы и гибель людей. Ущерб от пожаров и взрывов в промышленно развитых странах превышает 1 % национального дохода и имеет тенденцию постоянного роста. В России также происходит ежегодное увеличение количества пожаров и убытков от них. В то же время отмечается снижение внимания проектных организаций к выполнению противопожарных требований норм в процессе проектирования и контроля за их выполнением при строительстве и реконструкции зданий [1].

Согласно СНиП 21-01-97* «Пожарная безопасность зданий и сооружений», здания и сооружения, выделенные противопожарными стенами и перекрытиями, подразделяются по степеням огнестойкости, классам конструктивной и функциональной пожарной опасности.

Степень огнестойкости здания и сооружения определяется пределом огнестойкости его железобетонных несущих и ненесущих конструкций. Предел огнестойкости железобетонной конструкции устанавливается по времени (в минутах) наступления одного или двух нормирующих для данной конструкции признаков предельных состояний: потерей несущей способности, потерей теплоизолирующей способности, а также проверки по потере целостности - возможности взрывоопасного разрушения влажного бетона при огневом воздействии.

Класс конструктивной пожарной опасности определяется степенью участия железобетонной конструкции в развитии пожара и образованием его опасных факторов. Класс функциональной пожарной опасности здания и сооружения и их частей определяется назначением и особенностями размещаемых технологических процессов.

Под огнестойкостью понимают способность строительной конструкции сопротивляться воздействию высокой температуры в условиях пожара и выполнять при этом свои обычные эксплуатационные функции.

Бетон представляет собой, как известно, искусственный камень. Для получения монолитного твердого бетона очень важным является количество воды, которым затворяется смесь из заполнителей и цемента. Количество воды для приготовления бетонной смеси оценивается водоцементным отношением, т.е. отношением взвешенного количества воды к количеству цемента в единице объема бетонной смеси. Для химического соединения воды с цементом необходимо, что бы водоцементное отношение было 0,2. Однако, по техническим соображениям - для достижения достаточной подвижности бетонной смеси - количество воды берут с некоторым избытком. Так, подвижные бетонные смеси, заполняющие форму под влиянием текучести, имеют водоцементное отношение 0,5-0,6, а жесткие бетонные смеси, заполняющие форму под влиянием механической виброобработки, имеют это отношение 0,3-0,4 [2]. Следовательно, в бетоне всегда имеется избыточная, химически несвязанная вода. Часть этой воды впоследствии вступает в химическое соединение с менее активными частицами цемента, а часть заполняет многочисленные поры и капилляры в цементном камне и полостях между зернами крупного заполнителя.

Обычно в бетонах заполнители занимают до 80 % всего объема, а на объем цементного камня - не менее 20 % . Микро - и макропоры занимают до 40 % объема цементного камня или около 8 % от всего объема бетона [4].

Таким образом, структура бетона оказывается весьма неоднородной. Она образуется в виде пространственной решетки из цементного камня, заполненной зернами песка и щебнем различной крупности, пронизанного большим числом пор и капилляров, которые содержат химически несвязанную воду, водяные пары и воздух. Физически бетон представляет собой капиллярно-пористый материал, в котором нарушена сплошность массы и присутствуют три фазы - твердая, жидкая и газообразная [2].

Всесторонние исследования трубобетона приходятся на 50-60 гг. XX-го столетия [3].

На рис.1 представлен трубобетонный элемент с различными способами армирования.

Трубобетон экономичнее железобетона из-за отсутствия опалубки, кружал, хомутов, отгибов, петель, закладных деталей; он более вынослив, менее подвержен механическим повреждениям.

Рис. 1 Трубобетонный стержень

а) без дополнительного армирования бетонного ядра; б) дополнительное армирование гибкой арматурой; в) дополнительное армирование жесткой арматурой в виде трубы; г) дополнительное армирование жесткой арматурой в виде уголков; д) дополнительное армирование жесткой арматурой в виде дутавра

Водоцементное отношение бетона составляет 0,35 - 0,6. Прочность бетонного ядра стесненного стальной оболочкой как обоймой, повышается примерно в 2 раза по сравнению с обычным бетонным образцом. Кроме этого, исследованиями установлено, что бетон в трубе набухает. Причиной набухания является отсутствие влагообмена между бетоном и внешней средой [3]. Но из этого также следует, что избыточная химически несвязанная вода не имеет возможности испаряться и находится в порах и капиллярах бетона.

Рассмотрим подробнее физический процесс, который будет проходить с водой при нагревании трубобетонной конструкции.

Согласно [4] в бетоне различают поры гелевые, контракционные и капиллярные. Гелевые поры образуются в результате испарения адсорбционно-связанной воды; капиллярные поры образуются в результате испарения химически несвязанной воды в процессе твердения бетона. Капиллярные поры занимают основную по объему часть порового пространства. При твердении бетона в замкнутом пространстве (в стальной обойме трубобетонных элементов) химически несвязанная и абсорбционно-связанная вода, занимая все поровое пространство, не имеет возможности испаряться. Только контракционные поры оказываются незаполненными водой, но, как следует из [4], объем их невелик по сравнению с объемом гелевых и капиллярных пор. Поэтому в бетоне трубобетонных элементов можно ожидать наличие свободной воды до 8 % от всего объема. Вода при нагревании превращается в пар и в результате повышается давление внутри стальной обоймы, что приводит к возникновению в ней растягивающих напряжений. При максимальных растягивающих напряжениях относительная деформация углеродистых сталей доходит до 15 %, что приводит к увеличению внутреннего объема обоймы (для трубчатых элементов такое увеличение составит 22,5%). Этот добавочный объем может заполняться паром.

Например, в трубобетонном элементе в 1 м³ бетона может содержаться 0,08 м³ воды или примерно 80 кг. При нагревании воды в и превращении её пар, последний может занимать объём

V = 0,08 + 0,225 = 0,305 м³ .

По уравнению Менделеева-Клапейрона 5]

РV = RT ,

Откуда

Р = RT = = 4,5 Па = 45 МПа ,

где Р - давление пара; m = 80 кг (масса воды); R = 8,31 Дж/мольK (универсальная газовая постоянная); T = 373K (абсолютная температура кипения воды); V = 0,305 м³ (объем, занимаемый паром); = 18 кг/моль (масса моля воды).

Полученное давление способно разрушить стальную обойму. Например, в стальной трубе диаметром D = 300 мм и толщиной стенки = 3мм давление 45 МПа вызывает растягивающие напряжения равные

у = ==2250 МПа.

Это напряжение почти на порядок выше предела прочности стали. Чтобы обеспечить возможность испарения химически несвязанной и абсорбционно-связанной воды в процессе твердения бетона, авторы предлагают устраивать в стальной оболочке отверстия. На рис.2 представлен строительный трубобетонный элемент, состоящий из перфорированной стальной гнутой оболочки, заполненной бетоном. Пожарная безопасность (огнестойкость) предложенного решения такая же, как у традиционных железобетонных конструкций, но значительно выше трубобетонных из-за наличия отверстий (перфораций).

Рис.2. Строительный трубобетонный элемент

огнестойкость железобетонный нагревание

Библиографический список

1. Баратов А.И., Пчелинцев В.А., Пожарная безопасность: Учебное пособие. - М.: Изд. АВС, 1997.

2. Байков В.Н., Сигалов Э.Е. железобетонные конструкции: Общий курс: Учебник для вузов. - 5-е издание, переработанное и дополненное - М.: Стройиздат, 1991.

3. Кикин А.И., Санжаровский Р.С., Трулль В.А. Конструкции из стальных труб, заполненных бетоном - М.: Стройиздат, 1974.

4. Баженов Ю.М. Технология бетона. - Москва, 2003.

5. Савельев И.В. Курс физики. том 1.Механика. Молекулярная физика - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1989.

Размещено на Allbest.ru