ОЦЕНКА ОГНЕСТОЙКОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ

В настоящее время во всех развитых странах имеются специальные институты, лаборатории, полигоны, где проводится широкий круг исследований и испытаний различных объектов на огнестойкость.

Значения фактических пределов огнестойкости конструкций определяются в настоящее время двумя основными способами: экспериментальным и расчетным.

Экспериментальные методы и средства оценки огнестойкости включают в себя: натурные наблюдения пожаров, огневые испытания фрагментов зданий, огневые стандартные и нестандартные испытания элементов конструкций в натуральную величину, огневые испытания модельных конструкций.

Экспериментальным способом огнестойкость строительных конструкций определяется на основании испытания образцов конструкций в специальных огневых установках и характеризуется для данной конструкции пределом огнестойкости, определяемым временем (в минутах) от начала теплового испытания конструкции до возникновения одного из предельных состояний конструкции по огнестойкости (рис. 1.5).

Общие схемы огневых установок для испытаний различных строительных конструкций на огнестойкость

Рис. 1.5. Общие схемы огневых установок для испытаний различных строительных конструкций на огнестойкость: а — перегородок и стен; б — перекрытий; в — колонн;

7 — огневая камера; 2 — испытуемая конструкция; 3 — платформа; 4 — нагрузка

Исследования температурных режимов пожара в зданиях и сооружениях различного назначения, наблюдения реальных пожаров показывают, что эти режимы пожаров могут весьма существенно отличаться друг от друга.

В то же время сравнение поведения строительных конструкций при воздействии пожара возможно лишь тогда, когда они подвергаются воздействию одного и того же температурного режима пожара.

В связи с этим возникла необходимость в выборе некоторого характерного режима пожара, который можно было бы использовать для оценки сопротивления конструкций воздействию пожара.

На основании многолетнего опыта испытаний строительных конструкций на воздействие пожара, в 1959 году Международная организация по стандартизации (ИСО) разработала специальный стандарт № 834 на огневые испытания строительных конструкций.

Единый температурный режим, который был регламентирован этим стандартом ИСО для проведения огневых испытаний конструкций на воздействие пожара, получил название «стандартного» температурного режима пожара или температурного режима стандартного огневого испытания.

«Стандартный» температурный режим пожара представляется в виде следующей зависимости температуры среды в огневой камере от времени:

где Ту— время стандартного огневого испытания, мин;

Г0 — начальная температура среды, °С (обычно принимают TQ = = 20 °С);

Tf — температура в огневой камере установки для определения пределов огнестойкости конструкций в зависимости от времени Ту стандартного испытания.

Кривая «стандартного» пожара (рис. 1.6), в отличие от аналогичных кривых реальных пожаров, не имеет ниспадающей ветви (стадии затухания), а представляет собой непрерывно возрастающую логарифмическую функцию времени.

Кривая «стандартного» пожара

Рис. 1.6. Кривая «стандартного» пожара

Эта кривая является некоторой условной, усредненной зависимостью, используемой при стандартных огневых испытаниях различных объектов. Наиболее близко температурный режим «стандартного» пожара отражает развитие пожара в помещениях жилых и общественных зданий при различных значениях пожарной нагрузки.

Многочисленные испытания строительных конструкций на огнестойкость позволили выявить основные причины и характер разрушения при действии огня железобетонных, стальных, деревянных и других конструкций, особенности их прогрева в этих условиях.

Обобщение результатов огневых испытаний дало возможность создать каталог справочных данных, с помощью которого можно определять значения фактических пределов огнестойкости основных строительных конструкций — Пособие по определению пределов огнестойкости конструкций, пределов распространения огня и групп возгораемости материалов.

Однако организация и проведение натурных испытаний конструкций на огнестойкость требует значительных материальных затрат и времени. В ряде случаев это не позволяет достаточно быстро находить приемлемые решения в области оценки огнестойкости конструкций на стадии проектирования зданий и сооружений, затрудняет качественную оценку влияния различных факторов на поведение конструкций в условиях пожара.

Указанные обстоятельства привели к необходимости, наряду с натурными испытаниями, разрабатывать более оперативные и экономичные методы оценки огнестойкости. Особенно большое внимание в последние годы уделяется разработке методов и средств расчетной оценки огнестойкости строительных конструкций.

Расчетные методы оценки огнестойкости строительных конструкций

Общий подход

Принципы расчета строительных конструкций на огнестойкость были заложены в работах В.И. Мурашева, А.И. Яковлева, А.Ф. Ми- лованова, К. Kordina, О. Pettersson, Т. Harmathy и др.

В настоящее время методы расчета строительных конструкций на огнестойкость достигли такого уровня, что в нормативных документах регламентирована возможность их использования.

Расчетная оценка огнестойкости конструкций производится по двум показателям [7, 8]:

  • а) по признаку R — потере несущей способности конструкции;
  • б) по признаку I — потере теплоизолирующей способности.

Сущность расчета конструкций на огнестойкость заключается в определении момента времени (предела огнестойкости), по истечении которого, в условиях воздействия пожара, конструкции утрачивают свои несущие или теплоизолирующие способности.

Расчетная оценка огнестойкости конструкций в общем случае заключается в решении трех задач [7, 8]:

Задача № 1. Расчет температурного режима пожара в помещении, ограждаемого рассматриваемыми конструкциями (теплофизическая задача).

Задача № 2. Расчет прогрева рассматриваемых строительных конструкций в зависимости от температурного режима пожара в помещении, оценка времени наступления предельного состояния конструкции по признаку I (теплофизическая задача).

Задача № 3. Оценка изменения несущей способности рассматриваемой конструкции в зависимости от ее прогрева в условиях пожара, определение предела огнестойкости конструкции по предельному состоянию «потеря несущей способности» (времени до наступления предельного состояния конструкции по признаку R) (прочностная задача).

При расчетной оценке значений пределов огнестойкости конструкций, которая проводится с учетом режима так называемого «стандартного» пожара, надобность в решении задачи № 1 отпадает, так как температурный режим «стандартного» пожара уже задан, которое используется в качестве исходной информации для последующего решения задач № 2 и 3.

Общая схема расчета строительных конструкций на огнестойкость на примере железобетонной плиты приведена на рис. 1.7 [6].

На рис. 1.7, б представлена общая схема решения теплофизической задачи огнестойкости. На горизонтальной оси графика отложено время воздействия пожара ту, а на вертикальной оси графика — температура Т.

Решение теплофизической задачи огнестойкости заключается в определении для заданных периодов времени воздействия пожара значений температуры в сечениях конструкции, определяющих значение ее предела огнестойкости. Для примера, приведенного на рис. 1.7, б, такими температурами являются температура прогрева рабочей арматуры растянутой зоны плиты Т(х = 6; ту) и температура необогреваемой поверхности плиты Т(х = h; ту).

Расчет конструкций на огнестойкость по предельному состоянию I (утрате конструкцией теплоизолирующей способности) заключается

Общая схема расчета конструкций на огнестойкость (на примере железобетонной плиты)

Рис. 1.7. Общая схема расчета конструкций на огнестойкость (на примере железобетонной плиты):

о — расчетная схема задачи; б — решение теплофизической задачи огнестойкости; в — решение прочностной задачи огнестойкости [6]

в общем случае в решении двух теплофизических задач (см. рис. 1.7): определение режима пожара в помещении 7^) и затем определение температуры необогреваемой поверхности конструкции Т(х = A, fj) в зависимости от времени действия пожара.

Огнестойкость конструкции в этом случае определяется из условия:

Теплофизическая задача огнестойкости

Для решения теплофизической задачи огнестойкости, связанной с нахождением температурного поля в строительных конструкциях с учетом воздействия пожара, необходимо решать дифференциальное уравнение, характеризующее математическую зависимость между физическими величинами, описывающими изучаемый процесс. В данном случае речь идет о дифференциальном уравнении теплопроводности, дающем зависимость между температурой, временем и координатами элементарного объема рассматриваемого тела.

Выше были рассмотрены условия распространения тепла при воздействии пожара на строительные конструкции и показано, что тепловые процессы, протекающие в этих условиях, являются нестационарными, т.е. температурное поле в конструкции изменяется во времени.

Дифференциальное уравнение нестационарной теплопроводности для твердых тел применительно к условиям пожара имеет следующий вид (для случая одномерного распространения тепла):

где c(T, и) — коэффициент удельной теплоемкости, зависящий от температуры и влагосодержания и, кДж/(кг • град);

А(Т, и) — коэффициент теплопроводности, зависящий от Ти и, ВтДмтрад);

р — объемная масса материала, кг/м3;

Q — внутренний источник или сток тепла в теле за счет фазовых превращений влаги и процессов тепловлагопереноса в материале прогреваемой конструкции.

Дифференциальное уравнение теплопроводности имеет в общем случае бесконечное множество решений. Чтобы из этого множества выбрать конкретное, однозначно характеризующее решение тепло- физической задачи огнестойкости, надо знать распределение температуры внутри тела в начальный момент времени (начальное условие), геометрическую форму тела и закон взаимодействия между окружающей средой и поверхностью тела (граничное условие).

Совокупность начальных и граничных условий в теории теплопроводности называется краевыми условиями.

Начальное условие определяется заданием закона распределения температуры внутри тела в начальный момент времени. В теплофизической задаче огнестойкости обычно принимают равномерное распределение температуры внутри тела в начальный момент времени, т.е.

Если задается температурный режим пожара в помещении, то закон теплообмена между нагретой средой помещения и строительными конструкциями имеет вид граничных условий 3-го рода.

В этом случае количество тепла, передаваемого в единицу времени от среды с температурой Tf (т) к поверхности конструкции, прямо пропорционально разности температур между нагретой средой Tf{x) и поверхностью конструкции ^(т), т.е.

где а — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплообмена, Вт/(м2 • град);

JdT

-А, — — количество тепла, которое отводится с поверхности

dx)n

тела в единицу времени путем теплопроводности.

Коэффициент теплообмена численно равен количеству тепла, получаемого единицей площади поверхности тела в единицу времени при разности температур между средой и поверхностью тела 1 °С.

При всех прочих равных условиях скорость прогрева строительных конструкций при воздействии пожара зависит от характеристик теплопереноса (теплофизических характеристик) строительных материалов, из которых выполнены эти конструкции.

Многочисленные исследования свидетельствуют о том, что при рассмотрении условий пожара необходимо учитывать изменение этих характеристик в зависимости от температуры прогрева. Причем характер этих изменений для различных материалов может быть различным.

Например, для тяжелых бетонов (р = 1900—2400 кг/м3) коэффициент теплопроводности уменьшается с ростом температуры, а для материалов с меньшей объемной массой (р < 1000 кг/м3), большей пористостью коэффициент теплопроводности начинает существенно увеличиваться.

Поэтому дифференциальное уравнение теплопроводности (1.5) является нелинейным, так как содержит характеристики теплопереноса А, и с, которые зависят от температуры Т и влажности и материала. Кроме того, входящий в граничные условия 3-го рода коэффициент теплообмена а также является сложной характеристикой, зависящей от многих факторов (температуры, скорости движения среды, степени черноты материала, геометрии конструкции и т.д.).

В связи с этим математическая постановка теплофизической задачи огнестойкости является сложной для инженерных расчетов. Обычно она используется при расчетах, требующих особо точных решений, как правило, проводимых с помощью ЭВМ.

При проведении инженерных расчетов огнестойкости общая сложная математическая модель теплофизической задачи огнестойкости упрощается [7].

Первое упрощение состоит в линеаризации нелинейного равнения теплопроводности путем введения в него постоянных, усредненных значений характеристик теплопереноса X и с, а также путем учета фазовых превращений влаги и процессов влагопереноса в прогреве конструкции с помощью специального поправочного коэффициента.

В соответствии с этими соображениями дифференциальное уравнение теплопроводности (1.5) преобразуется к виду

или

где ared значение приведенного коэффициента температуропроводности материала конструкции, м2/ч.

где р — поправочный коэффициент, учитывающий влияние влажности материала и на развитие температурного поля в конструкции. Второе упрощение общей математической модели теплофизической задачи огнестойкости состоит в замене граничных условий 3-го рода граничными условиями 1-го рода, когда задается закон изменения температуры на поверхности конструкции. Этот переход дает возможность отказаться от такой сложной характеристики, как коэффициент теплообмена а.

В практике инженерных решений теплофизической задачи огнестойкости такой переход можно осуществить с помощью приема, который называется методом фиктивного термического сопротивления. Сущность этого метода состоит в том, что (рис. 1.8) действие температурного режима пожара в стадии его развития 7^.(т) на поверхность конструкции (рис. 1.8, а) можно уподобить действию некоторой постоянной температуры 0^ на конструкцию, на обогреваемой поверхности которой имеется «фиктивный» слой материала толщиной

где cpj — коэффициент, зависящий от плотности материала.

Значение постоянной температуры 0^, действующей на поверхность «фиктивного» термического сопротивления подбирается таким образом, чтобы на реальной поверхности конструкции под фиктивным слоем температура изменялась аналогичным образом, как и при воздействии на нее температурного режима пожара в стадии развития 7^(т) (рис. 1.7, б).

Таким образом, сложное граничное условие 3-го рода заменяется граничным условием 1-го рода, которое имеет вид

или

Общая схема использования метода «фиктивного» термического сопротивления при инженерных решениях теплофизической задачи огнестойкости [7]

Рис. 1.8. Общая схема использования метода «фиктивного» термического сопротивления при инженерных решениях теплофизической задачи огнестойкости [7]

Для условий «стандартного» пожара (когда ц/ = 1) граничные условия 1 -го рода, используемые для решения теплофизической задачи огнестойкости, принимают вид

ИЛИ

Выражения (1.10) или (1.11) используются для инженерных расчетов строительных конструкций на огнестойкость.

Третьим направлением, позволяющим расширить область применения инженерных аналитических решений задач огнестойкости, является использование принципа суперпозиции [9— 13].

Принцип суперпозиции при решении рассматриваемых задач может быть сформулирован следующим образом: если действие отдельных источников тепла, расположенных на границе тела или внутри него, не зависит друг от друга, то можно рассматривать действие каждого источника отдельно, а конечный тепловой эффект находить, складывая алгебраически действия всех источников.

Использование этого принципа открывает большие возможности для решения более широкого круга инженерных задач огнестойкости. Принцип суперпозиции применим во всех случаях, когда граничные условия, внутренние источники и теплофизические характеристики не зависят от температуры тела, т.е. в диапазоне условий решения задачи являются постоянными.

С учетом первых двух рассмотренных выше упрощений использование принципа суперпозиции позволяет распространить простые аналитические решения уравнения теплопроводности на более сложные задачи:

• расчет прогрева плит, подвергаемых двустороннему прогреву (при двух параллельных обогреваемых поверхностях):

• расчет прогрева конструкций для случая трехстороннего воздействия пожара, когда первая и вторая поверхности конструкций параллельны, а третья им перпендикулярна: [1]

• в конструкциях круглого сечения; обогреваемых по всему периметру:

где / — толщина начавшего прогреваться слоя бетона, м;

х — параметр, который определяется из следующих выражений: при определении температуры прогрева бетона:

при определении температуры прогрева арматуры:

где X; — расстояние от рассматриваемой точки сечения бетона до /-й обогреваемой поверхности, м;

Yi расстояние от /-й обогреваемой поверхности до ближайшего к ней края арматуры, м;

Фр ср2 — коэффициенты, зависящие от плотности бетона; d — диаметр арматуры, м; b — радиус сечения, м, х{ < 0,7?.

При проведении расчетов обычно принимают начальную температуру конструкций Т0 = 20 °С; температурный режим пожара — соответствующим температурному режиму стандартных огневых испытаний на огнестойкость.

Однако необходимо иметь в виду, что принцип суперпозиции неприменим, когда перечисленные выше параметры (а, А,, с, и, а) зависят от температуры [7].

Прочностная задача огнестойкости конструкций (статический подход)

Несущая способность конструкций при пожаре определяется из уравнений предельного равновесия, соответствующих определенным схемам разрушения конструкций.

1

Основным компонентом, учитывающим специфику воздействия пожара на конструкции в уравнениях предельного равновесия, являются показатели изменения прочности и деформативности материалов при нагреве. При статическом подходе способ описания этих показателей основывается на статических, чисто механических представлениях о природе прочности и разрушения твердых тел.

Представления статического (механического) подхода к природе прочности и разрушения твердых тел заключаются в том, что с внешней силой взаимодействует статическая система связанных атомов твердого тела, т.е. приложенная сила распределяется по межатомным связям и напрягает их.

Разрушение твердого тела при статическом подходе представляется в виде внезапного разрыва межатомных связей, когда уровень внешней силы достигает предельной величины, равной прочности межатомной связи. На этой основе и вводится понятие «предела прочности».

Введение при рассматриваемом подходе понятий «предел прочности», «критическая температура» нагрева материала отражает критический характер разрушения такой статической системы при нагреве под нагрузкой. Величине предела прочности или критической температуры нагрева, при которой этот предел достигается, придается смысл физической константы материала, которая определяет наступление предельного состояния [7].

При нагрузке или температуре, меньшей предельно допустимой, допускается, что тело будет оставаться целым сколь угодно долго, и такая нагрузка (или температура) считается безопасной.

Соответственно изменение прочности материала в условиях высокотемпературного нагрева представляется в виде однозначных зависимостей «прочность — температура»:

или в безразмерном относительном виде:

где R — сопротивление материала, полученное с помощью стандартных механических испытаний при нормальной начальной температуре;

Rt сопротивление материала, полученное с помощью механических испытаний в условиях стандартного режима нагрева и достигаемое при Т= Тсг.

Физический смысл зависимостей (1.17) и (1.18) заключается в том, что материал конструкции достигает в условиях пожара того или иного предельного состояния при определенном значении температуры их нагрева, называемой «критической».

Характерной особенностью зависимостей типа (1.17) и (1.18) является то, что в них время воздействия температуры на материал прямо не фигурирует и органически не входит в сам механизм разрушения.

В связи с этим решения прочностных задач огнестойкости на основе такого рода зависимостей получили название «статической» задачи огнестойкости.

Аналитические или графические интерпретации (см. рис. 1.8) зависимостей типа (1.17) и (1.18) составляют основу справочной информации для решения прочностных задач огнестойкости конструкций на основе «статического» подхода. Для условий «стандартного» пожара эти зависимости позволяют с приемлемой для инженерных целей точностью решать ряд задач по оценке огнестойкости конструкций зданий.

Решение прочностной задачи огнестойкости — расчет конструкций на огнестойкость по предельному состоянию R (утрате несущей способности) требует в общем случае предварительного решения теплофизических задач огнестойкости № 1 и 2.

Эти результаты служат исходными данными для последующего решения прочностной задачи огнестойкости: определения изменения несущей способности конструкции Ф в различные моменты времени т воздействия пожара.

На рис. 1.7, в представлена общая схема решения прочностной задачи огнестойкости. На горизонтальной оси графика отложено время воздействия пожара ту, а на вертикальной оси — несущая способность конструкции Ф и нагрузка на конструкцию Мн или NH. Для заданных периодов времени воздействия пожара ту определяют значения несущей способности конструкции Ф|Т(ту)].

Огнестойкость конструкции по признаку потери несущей способности определяется как момент времени воздействия пожара х^ при котором несущая способность Ф[ Дту)] конструкции снизится до величины действующих на нее рабочих нагрузок NHн) (см. рис. 1.7, в). Этот момент времени воздействия пожара и будет являться расчетным пределом огнестойкости рассматриваемой конструкции по предельному состоянию R — потеря несущей способности.

Огнестойкость конструкции в этом случае определяется из условия:

где т:fr(R) — предел огнестойкости конструкции по предельному состоянию (потеря несущей способности);

NH, Мн — соответственно продольная сила или изгибающий момент от нормативной рабочей нагрузки.

Данные об изменении прочностных и деформационных характеристик материалов конструкций в условиях пожара имеют определяющее, исключительно важное значение для практической реализации методов расчета конструкций на огнестойкость.

Практика показывает, что сама возможность расчета конструкций на огнестойкость оказывается неразрывно связанной с проблемой оценки изменения этих характеристик материалов в условиях высокотемпературного воздействия пожара.

В связи с этим существующие подходы к расчетной оценке огнестойкости конструкций в основном различаются по различной интерпретации данных о характеристиках материалов конструкций и их изменений в условиях пожара.

Изменение сопротивления материалов строительных конструкций в условиях воздействия пожара обычно учитывается при расчетных оценках огнестойкости конструкций, с помощью коэффициентов условий работы материалов при пожаре у( (рис. 1.9).

Изменение коэффициента условий работы при пожаре для различных арматурных сталей в зависимости от температуры их нагрева

Рис. 1.9. Изменение коэффициента условий работы при пожаре для различных арматурных сталей в зависимости от температуры их нагрева: 1 — сталь А111; 2 — сталь Ат5; 3 — сталь В1; Вр1 [7]

  • [1] расчет прогрева конструкций при четырехстороннем огневом воздействии на нее:
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >