Использование методики расчета огнестойкости строительных конструкций для анализа влияния добавок в растворах на свойства защитного слоя арматуры

Н.Ф. Левашов, И.В. Сараев, О.И. Орлов

ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная акалемия ГПС

МЧС России

В настоящее время в России интенсивно развивается строительство зданий и сооружений из бетонных и железобетонных конструкций. Различные цементные композиты, элементы конструкций, здания в целом по-разному ведут себя в условиях воздействия пожара и высоких температур [1]. Существует достаточное количество методов определяющих подход к прогнозированию и оценке поведения строительных материалов в составе различного рода строительных конструкций в условиях пожара.Достаточно большое внимание к изучению данного вопроса уделяется в том числе и за рубежом. Существуют как расчетные методики определения поведениястроительных материалов в условиях повышенных температур, так и экспериментальные.Одним из походов к оценке поведения строительных материалов в условиях воздействия высоких температур является исследовательская работа О.И. Молчадского[2], в которой описаны подходы к прогнозированию поведения, а так же проявлению пожароопасных свойств различных строительных материалов, таких как, например,вермикулитовая плита, в зависимости от ее исходных термохимических характеристик, при воздействии повышенных температур.В источнике [3]приводится описание расчетной методики по определению и прогнозированию влияния стандартногорежима пожара на конструкции перекрытий. В исследовании основное внимание уделяется расчетному примеру, который представляет собой определенную инструкцию. В данной инструкции автор проводит многократные расчеты перекрытий различного типа, с целью создания готового образца по расчету огнестойкости перекрытий, а так же прогнозировании их поведения при длительном воздействии повышенных температур в условиях стандартного пожара. Авторыдругойпубликации[4]предлагаютметодологиюоценкиог- нестойкости стальных несущих колонн определенного типа, в зависимости от вида тепловых воздействий при различных сценариях развития пожара. Предложенная методология основана на сравнении временного показателя температурной кривой колонны в условиях стандартного пожара с температурной кривой в режиме нестационарного прогрева представленной конструкции. Данный метод был проверен на результатах, полученных при проведении экспериментальной проверки огнестойкости стальных несущих колонн с учетом влияния интенсивности теплообмена наснижение прочности стечением времени.Еще одним взглядом на поведение бетонана цементном вяжущем в условиях воздействия высоких температур является источник[5]. Автор данной работы исследовал взрывообразное разрушение бетона при пожаре в зависимости от наличия в его порах влаги, внутреннего давления пара в порах создаваемого в результате термического воздействия, а так же в зависимости от температуры воздействующей непосредственно на конструкции на его основе.

Однако практически отсутствуют какие-либо методики комплексного анализа поведения материалов при повышенныхтемпературах в строительных конструкциях, а имеющиеся методики носят зачастую односторонний характера не дают полной оценки пожарной опасности строительных конструкций и строительных материалов, из которых они выполнены.Так, например, в пособии[6] детально показан теплотехнический расчет огнестойкости строительных конструкций на примере железобетонных конструкций,таких как плита перекрытия, ригель, колонна, ферма, несущая стена, выполненных на основе обычного тяжелого бетона с силикатным и карбонатным заполнителем и арматуры классов А240-А1000. В пособии[7] представлены указания по расчету предела огнестойкости на примере железобетонных конструкций - ригель, колонна, плита перекрытия, так же выполненных из тяжелого бетона и арматуры различного класса. В пособии [8] представлены справочные величины по определению пределов огнестойкости различных групп строительных конструкций, совместно с комплексом строительных элементов, включающих так же и отделочные материалы. Однако подобные расчеты можно использовать не только для оценки поведения строительной конструкции в целом при нагреве, но можно применять при оценке поведения различных термостойких материалов, используемых в качестве подстилающих слоев в железобетоне. Известно, что многие материалы, хорошо показавшие себя при стандартных испытаниях в дальнейшем совместно с арматурой и при различных видах нагружения снижают общий ожидаемый эффект от их применения.

В данной работе предлагается для предварительной оценки поведения цементных композитов с различными добавками в строительных конструкциях при высокотемпературном воздействии комплексная методика, включающая определение основных свойств строительного материала и расчет условного поведения строительной конструкции при пожаре. Методика включаетматема- тическое моделирование замены обычного защитного бетонного слоя арматуры конструкции на новый материал. Такой метод позволит дать предварительный анализ возможного применения материала в конструкциях без дорогостоящих натурных испытаний.

Рассмотрим применение данной методики на примере нового материала, разработанного накафедре пожарной профилактики Ивановской пожарно-спасательной академии государственной противопожарной службы совместно с кафедрой строительного материаловедения, специальных технологий и технологических комплексов Ивановского государственного политехнического университета[9].Это растворы на основе жидкостекольных композитов [10,13], а так же с добавлением волокон минеральной ваты, которые относятся к группе негорючих материалов. Данные составы могут выдерживать высокие температуры, имеют низкую теплопроводность и высокую термостойкость. Такие растворы могут применяться в качестве защитных слоев в строительных конструкциях для увеличения их предела огнестойкости [11,12].

Известно, что огнестойкость является международной пожарно-технической характеристикой, регламентируемой строительными нормами и правилами, и характеризует способность конструкций и зданий сопротивляться воздействию пожара^]. Для оценки огнестойкости строительных конструкций используют экспериментальные и расчетные методы.

Для решения задач по теплопроводности растворов с добавлением стекловолокна выбран расчет предела огнестойкости железобетонной конструкции по потере несущей способности, который состоит из двух частей: теплотехнической и статической [8].

Теплотехническим расчетом определяют время предела огнестойкости, по истечении которого арматура нагревается до критической температуры или сечение бетона конструкции сокращается до предельного значения при воздействии на нее стандартного температурного режима.Теплотехнический расчет выполняют исходя из условий, что нагрев конструкции происходит по стандартному температурному режиму, принятому для испытаний на огнестойкость. Изменение температуры во времени в любой точке конструкции может быть выражено дифференциальным уравнением теплопроводности Фурье. Для одномерного потока тепла, вызывающего изменение температуры в одном направлении по сечению конструкции, уравнение Фурье имеет вид[7]:

где т - время, мин; t - температура, °С; апр - приведенный коэффициент температуропроводности, м2/с; у - координата точки.

Чтобы решить данное уравнение, надо знать распределение температуры по сечению этой конструкции в начальный момент времени. Необходимо знать, геометрическую форму конструкции и закономерности теплообмена между окружающей средой и поверхностями конструкции - граничные условия.

Статическая модель задачи определения предела огнестойкости железобетонной конструкции сводится к вычислению несущей способности нагретой конструкции. Метод решения этой задачи зависит от вида конструкции и условий ее работы. Изгибаемые элементы (однопролетные свободно лежащие плиты, панели и настилы перекрытий, балки и ригели) теряют свою несущую способность в основном за счет снижения прочности нагревающейся растянутой арматуры. Если в растянутой зоне установлена арматура из стали одного класса, то коэффициент yst, учитывающий изменение сопротивления арматурой стали при повышении температуры, может быть определен из зависимости:

где Мп - момент от рабочей нагрузки, Н/м2; A’s - сечение сжатой арматуры, м2; Rnsc - нормативное сопротивление рабочей арматуры, МПа; xt - высота сжатой зоны, м; а’ - расстояние от сжатой грани до центра сжатой арматуры, м; As - сечение растянутой арматуры, м2; ho - полезная высота сечения, м; b - ширина сечения сжатого бетона, м; Rnb - нормативное сопротивление бетона сжатию, МПа.

По вычисленному значению Eastern определяют критическую температуру [3,4, 8], а путем теплотехнического расчета находят время нагрева растянутой арматуры до критической температуры, которое принимается за предел огнестойкости конструкции. Аналогичным путем определяют предел огнестойкости конструкции при других условиях опирания и нагрева.Такая методика хорошо подходит к определению зависимости пределов огнестойкости конструкций от вида защитного слоя арматуры.В качестве примера для расчета использовалась пустотная плита перекрытия, где слой тяжелого бетона для защиты арматуры, условно заменялся слоем штукатурного растворас содержание волокон минеральной ваты той же величины.

В качестве модельных врасчетах использовали следующие составы растворов с силикатными добавками: цемент: песок: щебеньвода (1);цемент: песок: жидкое стекло: вода(2); цемент: песок: вода: жидкое стекло: минеральная вата (3), цемент:песок:вода:жидкое стекло: минеральная вата (4),(табл. 1).

Таблица 1. Составы раствора в кг на 1 м5 смеси

цемент

песок

вода

щебень

минеральная вата

жидкое стекло

1

398

796

325

1000

-

-

2

650

1300

325

-

22.5

3

650

1300

325

11.4

25.5

4

650

1300

325

68

22.5

Для осуществления комплексного исследования и проведения расчетов определялись физические и физико-химические свойства используемых растворов - средняя плотность, предел прочности при сжатии и изгибе и коэффициент теплопроводности.

Определение теплопроводности жаростойкого штукатурного раствора производили согласно ГОСТ 7076-99 на специальном приборе (рис 1).

Для испытаний применялся измерительный комплекс (рис.1), состоящий из: первичного преобразователя, предназначенного для преобразования импульса электрической энергии в тепловую и создания электрического сигнала, характеризующего изменение температуры поверхности материала изделия под воздействием теплового импульса; вторичного измерительного прибора для регистрации электрического сигнала; импульсного источника тока с таймером теплового импульса, обеспечивающего нагрев пластины первичного преобразователя.

Для более полного анализа влияния состава раствора на огнестойкость строительных конструкций проводился расчет пределов огнестойкости на примере железобетонной многопустотной плиты перекрытия [8]. Для получения сравнительной оценки расчет плиты проводился как с предполагаемым защитным слоем из тяжелого бетона, так и с предполагаемыми слоями из составов, проведенных в таблице 1.

Блок-схема измерительного комплекса для определения теплопроводности материалов изделий

Рис. 1 - Блок-схема измерительного комплекса для определения теплопроводности материалов изделий: 1 - исследуемое изделие; 2 - первичный преобразователь;

  • 3 - вторичный измерительный прибор для регистрации электрического сигнала;
  • 4 - импульсный источник тока с таймером теплового импульса; 5 - основание

Таблица 2. Изменение средней плотности, коэффициентов теплопроводности и температуропроводности в зависимости от состава раствора

наименование

средняя плотность раствора, кг/м5

коэффициент теплопроводности,

4mBT/M°C

средний коэффициент температуропроводности, 10'7 м2

1

тяжелый бетон

2284

1.0425

3.8

2

раствор без волокон

1944

1,110

4.9

3

раствор с 0,5 % волокон

1928

1,058

4.6

4

раствор с 3 % волокон

1896

0,778

2.8

Исходные данные принимали по параметрам требований для стандартной плиты перекрытия из ГОСТ 956191 «Плиты перекрытий железобетонные, многопустотные для зданий и сооружений»: расчётная длина плиты - Ю=6.3м;ширина плиты - Ь=1190мм; толщина плиты - Ь=220мм; максимальный изгибающий момент- Мп=39,69 кН-м; толщина защитного слоя бетона с учётом толщины стержня - а=30мм; толщина плиты, учитываемая при расчете по нагрузкам при изгибе

  • - ho=190 мм; приведенная толщина полки - hf=40 мм; класс арматуры A-V; суммарное сечение арматуры - As=616mm2; расчетная ширина плиты - 1Ьр=630мм2, нормативная равномерно распределенная нагрузка на плиту-цп=8кН/м; класс бетона
  • - В-15; вид бетона - тяжелый бетон; диаметр пустот плиты - с!=140мм; количество пустот - 4 шт; коэффициент надёжности по бетону-yb= 0,83; коэффициент надёжности по арматуре - ys= 0,9; диаметр арматурного стержня - с1=14мм, коэффициент, учитывающий среднюю плотность бетона - К=37.2 cl/2, плотность бетона - р=2330 кг/мЗ, влажность бетона - wB=2%, расчетное сопротивление бетона - Rbu=18.1 МПа, расчетное сопротивление для арматуры - Rsu=875.5 МПа,

В результате теплотехнического расчета предела огнестойкости плиты пере- крытияс защитным слоем арматуры из тяжелого бетона был определен фактический предел огнестойкости. Определялась высота сжатой зоны бетона в предельном состоянии:

Определялось напряжение в растянутой зоне железобетонной плиты astem:

Был найден коэффициент снижения надежности прочности по арматуре ystem при прогреве:

По найденному значению ystem находилиметодом линейной интерполяции- критическую температуру нагрева арматурной стали tscr = 552(С°) [3] и Ctem- средний коэффициент теплоемкости:

где tm- расчетнаятемпература равная 450 °С.

Затем определялся приведенный коэффициент температуропроводности:

где Х[ет- средний коэффициент теплопроводности при расчетной температуре f 450 °С.е

т

С помощью табличных значений определялиХ - значение Гауссового интеграла ошибок по приложению 1[7]и находили фактический предел огнестойкости для плиты со сплошным сечением:

где darm - диаметр арматурного стержня, Kt- коэффициент, учитывающий влияние массы металла стержня на его прогрев при различных плотностях сухого бетона, К - коэффициент, учитывающий среднюю плотность бетона, а - толщина защитного слоя бетона, ared - приведенный коэффициент температуропроводностипри температуре 450 °с. С учетом коэффициента более быстрого прогрева арматуры в многопустотных панелях настила равного 0.9 фактический предел огнестойкости составил 126 мин.

С помощью экспериментально полученных данных, коэффициента теплопроводности, плотности и вычисленного на их основе приведенного коэффициента температуропроводностианалогично проводился расчет предела огнестойкости плиты с защитным слоем раствора без волокон, который составил 97 мин; расчет огнестойкости плиты с защитным слоем арматуры штукатурным раствором с 0,5% волокон-101 мин. и расчет огнестойкости плиты со слоем штукатурного раствора с 3% волокон -136 мин. Данные расчета огнестойкости с защитными слоями арматуры из тяжелого бетона и штукатурных растворов представлены в виде диаграммы на рис.2

Фактический предел огнестойкости плиты перекрытия с защитным слоем из тяжелого бетона и различными слоями из штукатурного раствора

Рис. 2. Фактический предел огнестойкости плиты перекрытия с защитным слоем из тяжелого бетона и различными слоями из штукатурного раствора: без волокон,

с 0,5% волокон, с Ъ% волокон

Как видно из вышеуказанной диаграммы тяжелый бетон обладает более высокой огнестойкостью, чем обычный раствор с добавкой жидкого стекла при той же толщине. Добавление жидкого стекла совместно с минеральным волокном увеличивает огнезащитные свойства раствора. Например, добавление 3% волокон от массы сухих веществ увеличивает огнезащитные свойства в 1,4 раза. Причем огнестойкость конструкции по сравнению со слоем из тяжелого бетона при применении слоя раствора, содержащего 3% волокон, увеличивается на 8%.

Таким образом, проведенные исследования и расчеты показали, что метод определения предела огнестойкости железобетонных конструкций можно использовать для характеристикивлияния различных компонентов сырьевойсмеси цементного композита на теплозащитные свойства материала и огнестойкость строительных конструкций.

Литература

  • 1. Федеральный закон «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности». - М.: Ось-89,2009. - 176 с.
  • 2. Молчадский О.И. Прогноз пожарной опасности строительных материалов при использовании методов термического анализа. Дис. канд. тех. наук. Москва, 2001.209 с.
  • 3. KroL Pawet A. Evaluation of the fire resistance of steel-beam floors. Bezpieczenstwo i technikapozarnicza., 2014, vol. 35, pp.doi:73-96.10.12845/bitp.35.3.2014.7
  • 4. Fike R.S., Kodur V.K.R. An approach for evaluating the fire resistance of CFHSS columns under design fire scenarios.Journal of Fire Protection Engineering., 2009, vol. 4, pp. 229-259. doi: 10.1177/1042391509105597.
  • 5. Peng G.Evaluation of fire damage to high-performance concrete. Dis. Ph.D. HongKongPolytechnicInstitute. HongKong. 2000.
  • 6. Пособие кСТО 36554501-006-2006 «Пособие по расчету огнестойкости и огне- сохранности железобетонных конструкций из тяжелого бетона» /под ред. А.Ф. Милованова - М: Стройиздат, 2008,131 с.
  • 7. Акулова М.В., Щепочкина Ю.А., Емелин В.Ю., Павлов Е.А. Расчет огнестойкости железобетонных строительных конструкций: учебно-методическое пособие для курсантов очной формы обучения и слушателей заочной формы обучения по специальности 280104.65 «Пожарная безопасность».-Иваново: ООНИ ИвИ ГПСМЧС России, 2011.-103 с.
  • 8. Пособие по определению огнестойкости конструкций, пределов распространения огня по конструкциям и групп возгораемости материалов (к СНиП 11-2-80)/ ЦНИИСК им. Кучеренко. - М.:Стройиздат, 1985. - 56 с.
  • 9. Пат. РФ на изобретение Сырьевая смесь для получения пенобетона № 2471753 / Федосов С.В., Малый И.А., Ветошкин А.А., Акулова М.В., Потемкина

О.В.,Щепочкина Ю.А.,ЕмелинВ.Ю.от 27.07.2011.

  • 10. Акулова М.В., Потемкина О. В., Емелин В. Ю., Коллеров А. Н.Влияние жидкого стекла на термостойкость цементных композитов //Приволжский научный журнал, 2013,Вып. № 1,- Н. Новгород, ННГАСУ, 2013. с. 17-21.
  • 11. Акулова М.В., Коллеров А.Н., Потемкина О.В.Разработка штукатурных составов повышенной теплостойкости. Вестник МГСУ, 2013, №2. - Москва, 2013,- С. 88-97.
  • 12. Акулова М.В., Белякова Н.А., Коллеров А.Н., Потемкина О.В.Исследование физико-химических процессов формирования фазового состава жаростойкого штукатурного раствора с различными наполнителями и добавлением жидкого стекла // Пожарная безопасность 2013.Вып. № 3.42-46 с.
  • 13. Федосов С.В., Акулова М.В., Потемкина О.В., Емелин В.Ю., Петрова О.С. Влияние силикатных добавок в пенобетонах на огнестойкость конструкций. Научное обозрение, 2013. Вып.№ 11. С.36-41.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >