Особенности инженерного расчета деревянных конструкций на огнестойкость
Исходные предпосылки
Расчетное определение фактического предела огнестойкости ^ деревянных конструкций производится на основе выражения

где т0 — время от начала теплового воздействия на древесину при пожаре до начала процесса ее воспламенения и обугливания; хг — время от начала обугливания древесины до наступления предельного состояния конструкции при пожаре:

где V — скорость обугливания древесины;
— толщина слоя древесины, при которой наступает предель-
кр
ное состояние конструкции при пожаре;
- 8 — толщина слоя древесины, прогретого до температур (175—
- 300 °С), при которых материал утрачивает несущую способность.
В общем случае для расчета предела огнестойкости деревянных конструкций на основе выражения (1.44) необходимо решение двух задач: теплотехнической и прочностной.
Решение теплотехнической задачи огнестойкости применительно к деревянным конструкциям заключается:
- а) в определении времени т0 от начала теплового воздействия пожара до воспламенения (начала обугливания) древесины конструкции;
- б) в определении изменения рабочего сечения деревянной конструкции после воспламенения древесины при пожаре, за счет процесса ее обугливания.
Решение прочностной задачи огнестойкости применительно к деревянным конструкциям заключается:
- а) в определении изменения соответствующих напряжений в расчетных сечениях конструкций от нормативных нагрузок в зависимости от изменения рабочих сечений деревянной конструкции за счет обугливания древесины после ее воспламенения при пожаре;
- б) в проверке условий прочности деревянной конструкции на воздействие соответствующих нормативных нагрузок, с учетом изменения напряжений от этих нормативных нагрузок в зависимости от времени горения древесины; и определения времени ткр от начала воспламенения древесины до утраты конструкцией несущей способности;
- в) в определении искомого значения предела огнестойкости туг рассматриваемой деревянной конструкции, в соответствии с выражением (1.44), как суммы полученных значений т0 и ткр
Решение теплофизической задачи огнестойкости для деревянных конструкций
- 1. Определяется время от начала теплового воздействия пожара на деревянную конструкцию до начала воспламенения древесины т0 Обычно это определение производится в зависимости от способа огнезащиты конструкции, с помощью справочных данных (табл. 1.10, 1.11).
- 2. Определяется изменение рабочего сечения деревянных конструкций за счет обугливания древесины после начала воспламенения, в различные моменты времени развития пожара. Для выполнения этой операции необходимо иметь данные о скорости обугливания древесины, с учетом различных факторов. Такого рода данные содержатся в специальных справочных пособиях и руководствах.
В качестве примера в табл. 1.11 приведены значения скорости обугливания древесины V в зависимости от размеров сечения конструкции, клееной или цельной древесины.
Таблица 1.10
Время т() от начала воздействия пожара до воспламенения древесины, в зависимости от способа огнезащиты
Способ огнезащиты |
Время до воспламенения древесины мин |
Без огнезащиты и при пропитке антипиренами |
4 |
Штукатурка гипсовая, б = 10-12 мм |
30 |
Штукатурка цементная по металлической сетке, 8 = 10—15 мм |
30 |
Полужесткая минераловатная плита, б = 70 мм |
35 |
Асбестоцементноперлитовый плоский лист, б = 10-12 мм |
20 |
Асбестоцементный пресованный плоский лист, б = 10—12 мм |
15 |
Вспучивающиеся покрытия: |
|
а) ВПД (4 слоя) |
8 |
б) ОФП9 (2 слоя) |
8 |
Таблица 1.11
Скорость обугливания древесины (ель, сосна) для условий воздействия «стандартного» пожара, при влажности древесины более 9%
Наименьшая сторона сечения элемента, мм |
Скорость обугливания древесины, Vмм/мин |
|
клееной |
цельной |
|
> 120 |
0,6 |
0,8 |
< 120 |
0,7 |
1,0 |
При расчете изменения рабочего сечения деревянных кон
струкций при пожаре следует учитывать схему воздействия пожара на рассматриваемую конструкцию:
- • одностороннее воздействие пожара (междуэтажные деревянные перекрытия);
- • трехстороннее воздействие пожара (деревянные балки, деревянные стойки, примыкающие к стенам);
- • четырехстороннее воздействие пожара (деревянные колонны, стойки и т.п.).
Начало обугливания древесины при прогреве поверхности до 300 °С.
В большинстве методик расчетов пределов огнестойкости ДДК принимается, что слой древесины, прогретый от 175 до 300 °С, не учитывается при расчетах несущей способности из-за существенного снижения прочности древесины в этом диапазоне температур. Толщину этого слоя рекомендуется принимать 5 мм.
Величина слоя древесины б, расположенного за слоем обугливания, принимается равной 5 мм.
Обычно инженерные методы расчета пределов огнестойкости несущих деревянных конструкций относятся к случаю воздействия стандартного режима пожара и не распространяются на элементы каркаса панелей ограждений, выполненных из древесины; на конструкции, несущими элементами которых являются фанера, древесно-волокнистые и древесно-стружечные плиты.
Инженерный метод расчета несущих деревянных конструкций на огнестойкость основан на следующих допущениях:
- • обугливание древесины конструкции после ее воспламенения при пожаре происходит с постоянной скоростью;
- • свойства древесины необуглившейся (рабочей) части сечения конструкции одинаковы по всей его площади.
Решение прочностной задачи огнестойкости для деревянных конструкций
Для решения этой задачи в первую очередь надо с помощью нормативных документов, справочных пособий определить расчетные сопротивления различных сортов древесины для различных напряженных состояний деревянных конструкций (табл. 1.12).
Изменение напряжений растяжения ст^ (т) центрально растянутых элементов, в зависимости от времени их горения при пожаре т, следует определять из выражения
где NH — продольная сила от нормативных нагрузок, Н;
Ап (т) — площадь поперечного сечения элемента, нетто, в зависимости от времени горения при пожаре т, м2.
Время хг от начала воспламенения деревянного элемента при пожаре до утраты им несущей способности определяется из условия:
Таблица 1.12
Расчетные сопротивления древесины в зависимости от сорта древесины и вида напряженного состояния, используемые для оценок огнестойкости деревянных конструкций
Напряженное состояние |
Условное обозначение |
Расчетные сопротивления для сортов древесины, Мпа (кг/см2) |
||
1 |
2 |
3 |
||
Изгиб |
RM |
29 (290) |
26 (260) |
18 (180) |
Сжатие и смятие вдоль волокон |
Rfc |
26 (260) |
23 (230) |
16(160) |
Растяжение вдоль волокон |
Rf, |
20 (200) |
15 (150) |
— |
Растяжение поперек волокон |
RJ: |
1,1(11) |
1,1(11) |
- |
Скалывание вдоль волокон цельной древесины |
Rfqs |
3,7(37) |
3,2 (32) |
2,9(29) |
Скалывание вдоль волокон клееной древесины |
Rf, |
1,3(13) |
1,2(12) |
1,1(11) |
Изменение напряжений сжатия сус (т) центрально сжатых элементов, в зависимости от времени их горения при пожаре т, следует определять:
а) по прочности из условия

б) по устойчивости из условия

где |/(т) — коэффициент продольного изгиба, определяемый с учетом изменения рабочего сечения элемента в моменты времени его горения;
Ad(т) — расчетная площадь поперечного сечения элемента с учетом его обугливания.
Время т от начала воспламенения элемента при пожаре до утраты им несущей способности определяется из условия:
Изменение изгибающих напряжений а^т(х) и скалывающих напряжений ст^(т) изгибаемых элементов, в зависимости от времени т их горения при пожаре, определяются из выражений:

где Мн — изгибающий момент в расчетном сечении от нормативных нагрузок, кНм;
Wn (т) — момент сопротивления рабочего сечения элемента, нетто, в зависимости от времени горения при пожаре, м3;
QH — поперечная сила в расчетном сечении от нормативных нагрузок, кН;
Sb(т) — статический момент, брутто, в зависимости от времени т горения расчетного сечения при пожаре, м3;
Jb(т) — момент инерции расчетного сечения, брутто, в зависимости от времени т горения расчетного сечения при пожаре, м4; Ь(т) — ширина элемента, в зависимости от времени т его горения при пожаре, м.
Для элементов прямоугольного сечения значения ст^ (т) можно определять из выражения
Время хг от начала воспламенения древесины элемента при пожаре до утраты им несущей способности определяется из условий:
а) прочности на изгиб:
б) прочности на скалывание: