Расчет пределов огнестойкости железобетонных конструкций

Введение

 

Железобетон - композитный  строительный материал, представляющий собой залитую бетоном стальную арматуру. Железобетон получил широкое  распространение в строительстве  благодаря его положительным  свойствам: долговечности, огнестойкости, стойкости против атмосферных воздействий, высокой сопротивляемости и динамическим нагрузкам, малым эксплутационным расходам на содержание зданий и сооружений и др. Вследствие почти повсеместного наличия крупных и мелких заполнителей, в больших количествах идущих на приготовление бетона, железобетон достепен к применению практически на всей территории страны.

По сравнению  с  другими строительными материалами  железобетон более долговечен. Огнестойкость железобетона характеризуется тем, что при пожарах средней интенсивности продолжительностью до нескольких часов железобетонные конструкции, в которых арматура установлена с необходимым защитным слоем бетона, начинают повреждаться с поверхности и снижение несущей способности происходит постепенно.

Для железобетонных конструкций, находящихся под нагрузкой, характерно образование трещин в бетоне растянутой зоны. Однако на практике часто возникает необходимость предотвратить образование трещин или ограничить ширину их раскрытия, тогда бетон заранее, до приложения внешней нагрузки, подвергают интенсивному обжатию – обычно посредством натяжения арматуры. Такой железобетон называют предварительно напряженным.

Относительно высокая  масса железобетона – качество в  определенных условиях положительное, но во многих случаях нежелательное. Для уменьшения массы конструкций применяют менее материалоемкие тонкостенные и пустотные конструкции, а также конструкции из бетона на пористых заполнителях.

 

 

 

1.Виды искусственных каменных материалов, характер и особенности их поведения в условиях пожара

 

Искусственные каменные материалы бывают безобжиговые и  получаемые обжигом. Первые (бетоны, асбестоцемент, силикатные материалы)
изготовляют соединением минерального вяжущего вещества с водой и заполнителем из природных каменных материалов в процессе соответствующей технологической обработки (механической, тепловой, влажностной).
Вторые получают путем обжига сырья из природных каменных материалов при высоких температурах (керамические) либо нагрева сырья до расплавления (каменное литье, минеральные расплавы) с последующим охлаждением, сопровождающимся их затвердеванием.В целях понимания поведения первой группы материалов в условиях пожара ознакомимся с вяжущими веществами.

Неорганические (минеральные) вяжущие вещества делят на две
основные группы: воздушные вяжущие — вещества способные твердеть после соединения с водой и сохранять прочность только на воздухе, например: гипс,
воздушная известь, жидкое стекло;гидравлические вяжущие - вещества, способные после соединения
с водой твердеть и сохранять прочность на воздухе и в воде: портландцемент и его разновидности, глиноземистый цемент, гидравлическая известь
и др. В некоторых специальных случаях рассматривают третью группу -кислотостойкие вяжущие - вещества, способные твердеть и сохранять свою
прочность после твердения не только на воздухе или в воде, но и в агрессивной среде.

Бетон — искусственный  каменный материал, получаемый в результате затвердевания смеси вяжущего вещества, воды и заполнителя (мелкого — кварцевого песка и крупного — из горных пород, либо отходов промышленности). Бетоны классифицируются по ряду признаков:


• основному назначению - конструкционные, специальные;

• по виду вяжущего - на основе цементных, силикатных, шлаковых и
других вяжущих;
• по виду заполнителей - на плотных, пористых, специальных заполнителях;
• по структуре - плотной, крупнопористой, поризованной, ячеистой.

Для удобства введены  сокращенные наименования основных видов бетона: тяжелый бетон - плотной структуры, на цементном вяжущем и плотных крупных и мелких заполнителях; легкий бетон - на цементном вяжущем, пористом крупном и пористом или плотном мелком заполнителе.

Существуют также специальные  виды бетонов:


• жаростойкие - предназначены для использования в конструкциях, эксплуатирующихся при t>200°C;
• химически стойкие - используемые в условиях агрессивных сред;

• напрягающие(на основе напрягающего цемента) - предназначены
для создания предварительного напряжения в конструкциях;радиационно-защитные большой массы - применяемые для биологической защиты от излучений;
• бетонополимеры, представляющие собой обычные бетоны, пропитанные полимерами или мономерами;полимербетоны, в которых в качестве связующего используют полимеры, обладающие повышенной прочностью, особенно на растяжение
высокой химической стойкостью и т.п.

По средней плотности (D) бетоны классифицируются на:

• особо тяжелые - со средней плотностью более 2500 кг/м3;
• тяжелые - со средней плотностью 2200-2500 кг/м3;

• облегченные - со средней плотностью 1800-2200 кг/м3;

• легкие - со средней плотностью 500-1800 кг/м3;

Бетон применяют при производстве сборных и монолитных железобетонных конструкций.

Асбестоцемент изготовляют  в виде изделий, в основном плоских, волнистых прессованных и непрессованных листов и труб. В его состав входит асбест в пределах 10...20% по массе, портландцемент - 80.„90% и большое количество воды. Изделия изготовляют на специальной листоформовочной машине, обеспечивающей слоистую структуру изделия и постепенное непрерывное их уплотнение. Благодаря такой обработке изделия обладают в 10.„20 раз выше прочностью при изгибе, чем цементный камень (30.„50 МПа). Листы применяют в основном для изготовления слоистых ограждающих конструкций, перегородок, кровли.

Силикатные материалы  автоклавного твердения. Учитывая, что при твердении на воздухе воздушная известь приобретает малую прочность и легко разрушается под действием воды, в вяжущее добавляют кварцевый песок и твердение его осуществляют в автоклаве (герметичном сосуде) при температуре свыше 170°С, избыточном давлении более 0,8 МПа и 100% влажности воздуха.

При этом идет реакция
Са(ОН)2 + Si02 + (n + 1)Н2О = CaО˖SiО2 nН2О.

В результате получают гидросиликат кальция - прочное и водостойкое  вещество. На силикатном связующем изготовляют силикатобетон, силикатный кирпич и другие материалы, которые по прочности практически не уступают бетону на портландцементе и керамическому (глиняному обыкновенному) кирпичу, соответственно.

Керамические материалы  получают путем обжига глин до температур 900…1300°С. В процессе обжига происходят физико-химические процессы, приводящие к упрочению материала. Основным материалом, применяемым в строительстве, являются кирпич глиняный обыкновенный —применяют для кладки вертикальных строительных конструкций, керамические плитки — для полов и кровли, фарфор и фаянс — для сантехнических изделий. Минеральные расплавы получают путем нагрева природных каменных материалов до температуры плавления и последующего остывания (в форме). Так получают кварцевое стекло, стекловату (путем продувки расплавленной массы горячим воздухом), минеральную вату. Керамические
материалы обладают высокой прочностью и долговечностью.

Поскольку бетон является композиционным материалом, его поведение  при нагреве зависит от поведения  цементного камня, заполнителя и
их взаимодействия. Выше были рассмотрены в отдельности поведение при
нагреве цементного камня, природных каменных материалов, осталось
лишь добавить особенности взаимодействия компонентов бетона при
нагреве. Одна из особенностей — химическое соединение при нагреве до
200°С гидроксида кальция с кремнеземом кварцевого песка (этому способствуют условия, аналогичные тем, что создают в автоклаве для быстрого твердения бетона: повышенное давление, температура, влажность воздуха). В результате такого соединения образуется дополнительное
количество гидросиликатов кальция. Кроме того, при этих же условиях происходит дополнительная гидратация клинкерных минералов цементного камня. При нагреве бетона выше 200°С возникают противоположно направленные деформации претерпевающего усадку вяжущего и расширяющегося заполнителя, что снижает прочность бетона наряду с де-структивными процессами, происходящими в вяжущем и заполнителе. Расширяющаяся влага при температурах от 20 до 100°С давит на стенки пор и фазовый переход воды в пар также повышает давление в порах бетона, что приводит к возникновению напряженного состояния, снижающего прочность. По мере удаления свободной воды прочность бетона может возрастать. При прогреве образцов бетона, заранее высушенных в сушильном шкафу при температуре 105... 110°С до постоянной массы, физически связанная вода отсутствует, поэтому такого резкого снижения прочности в начале нагрева не наблюдатся. При остывании бетонов после нагрева прочность, как правило, практически соответствует прочности при той максимальной температуре, до которой образцы были нагреты. У отдельных видов бетона она несколько снижается при остывании за счет более длительного нахождения материала в нагретом состоянии, что способствовало более глубокому протеканию в нем негативных процессов. Деформативность бетона по мере прогрева увеличивается за счет увеличения его пластичности.

Кроме того, строительные конструкции из тяжелого бетона (железобетона) склонны к взрывообразному разрушению при пожаре. Это явление наблюдается у конструкций, материал которых имеет влагосодержание выше критической величины при интенсивном подъеме температуры при пожаре. Чем плотнее бетон, тем ниже его паропроницаемость, больше микропор, тем он более склонен к возникновению такого явления, несмотря на более высокую прочность. Легкие и ячеистые бетоны с объемной массой
ниже 1200 кг/м3 не склонны к взрывообразному разрушению.Спецификой поведения легких и ячеистых бетонов, в отличие от поведения тяжелых бетонов при пожаре, является более длительное время
прогрева вследствие их низкой теплопроводности. Поведение силикатных материалов в условиях пожара зависит от поведения известково-силикатного вяжущего, заполнителей и их взаимодействия при нагреве. В принципе, оно аналогично поведению бетона на
портландцементе. Отличие состоит в том, что реакции дегидратации подвергается два компонента Са(ОН)2 и CaO˖SiO2˖ nH2O в то время, как у портландцементного вяжущего несколько компонентов. Конструкции из силикатных материалов, в частности, тяжелого силикатного бетона, более чем из бетона на портландцементе, склонны к явлению взрывообразной
потери целостности в условиях пожара.

Поведение асбестоцемента при нагреве определяется поведением цементного камня (матрицы) и асбеста (заполнителя арматуры). Асбест, как и цемент, при нагреве теряет химически связанную воду и постепенно снижает прочность. На специфический характер поведения в условиях пожара оказывает влияние анизотропность структуры асбестоцементных изделий, т.к. при формовании эти изделия имеют явно выраженную слоистость по толщине. Прочность сцепления между слоями значительно ниже
прочности материала в каждом слое. То есть материал при разрушении может расслаиваться как спокойно, так и взрывообразно. Причем склонность к взрывообразной потере целостности асбестоцемента увеличивается с повышением его начального влагосодержания, количества микропор, при снижении паропроницаемости за счет увеличения средней плотности, не смотря на рост прочности, т.е. аналогично тяжелым бетонам.

Прочностные свойства керамических материалов и минеральных расплавов в условиях пожара практически не изменяются. Для керамических материалов нагрев без существенного изменения прочности возможен
до температуры обжига - 950...1300°С. Для минеральных расплавов - предельная температура применения близка к их температуре плавления. Эти
температуры, как правило, не достигаются при пожарах. Такое поведение
данной группы материалов в условиях пожара обусловлено тем, что все процессы (химические) произошли с ними при первом нагреве (при их получении), а при повторном нагреве имеют место лишь физические процессы (температурные деформации и удаление капиллярной влаги). При интенсивном нагреве плотные керамические изделия (например, кровельные
плитки) могут претерпевать взрывообразную потерю целостности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Понятие стандартного температурного режима, расчетная формула

 

Температурный режим  пожара - изменение во времени среднеобъемной температуры среды в помещении  при пожаре. Является одним из основных опасных факторов пожара.

Выделяют три основных фазы реального температурного режима пожара:

1) начальную, при которой пламя существует лишь в окрестностях очага горения и температура среды в помещении изменяется медленно;

2) развития температурного  режима пожара, характеризуемую  быстрым повышением среднеобъемной температуры в помещении;

3) затухания, при которой  происходит снижение среднеобъемной температуры в помещении.

Реальные температурные  режимы пожара могут весьма существенно  отличаться один от другого, поэтому при определении ряда параметров пожарной опасности зданий и пожарной безопасности возникла необходимость выбора температурного режима пожара, который при огневых испытаниях позволил бы сравнивать поведение различных испытуемых объектов при пожаре. По этой причине было введено понятие "стандартный температурный режим изменения температуры во времени при испытаниях конструкций на огнестойкость", устанавливаемый стандартом и выражаемый зависимостью:

, где  время, мин; стандартная температура среды в огневой камере; °С; начальная температура, °С.

 

 

 

 

 

3. Сущность и влияние внешних факторов на огнестойкость строительных конструкций: температурный режим и продолжительность пожара, характер механического нагружения конструкции

 

Для строительных конструкций, а также зданий или сооружений важным фактором является огнестойкость. Огнестойкость — это способность строительных конструкций сохранять свои рабочие функции под действием высоких температур пожара. Огнестойкость зданий и сооружений делят на пять степеней, которым должны соответствовать пределы огнестойкости строительных конструкций и пределы распространения огня по ним. В соответствии со степенью огнестойкости и категорией пожарной опасности производства определяют этажность здания. 

Для жилых зданий количество этажей и допустимая площадь застройки находятся в зависимости от степени огнестойкости. Для промышленных зданий для определения допустимой этажности проводят вначале оценку взрывопожарной опасности производства (категорию пожарной опасности). 

Огнестойкость строительных конструкций характеризуется пределом огнестойкости П. Под пределом огнестойкости понимают время, по истечении которого конструкция теряет несущую или ограждающую способность. Потеря несущей способности означает обрушение строительной конструкции при пожаре. Потеря ограждающей способности означает прогрев конструкции при пожаре до температур, превышение которых может вызвать самовоспламенение веществ, находящихся в смежных помещениях, или образование в конструкции трещин, через которые могут проникать в соседние помещения продукты горения.