Расчет предела огнестойкости железобетонной колонны КСР - 442 - 29

Расчет предела огнестойкости железобетонной колонны по признаку «R» - потере несущей способности.

Дано:

Железобетонная колонна КСР - 442-29, сечением 0.4×0.4 м, расчетная длина колонны l _р = 4.2, нормативная нагрузка на колонну N_H = 290 т.

Бетон: класса В15, R_bu = 22 МПа.

Арматура: класса А-III, R_su = 433 МПа.

α_red = 0.00133 м²/ч, φ₁ = 0.65; φ₂ = 0.5 при ρ = 2350 кг/м³, = 500 ºC.

Решение теплотехнической задачи

Выбираем схему температурного воздействия пожара на колонну и расчетные моменты времени его воздействия.

Принимаем четырехстороннее воздействие пожара на колонну (рисунок 2) и рассмотрим его воздействие в момент времени τ₁ = 1 ч.

 

Расчетная схема 1: 1; 2; 3; 4 - номера обогреваемых пожаром поверхностей сечения колонны

2 Определяем температуру прогрева арматуры Т_s колонны в первый расчетный момент времени воздействия пожара τ = 1 ч.

В силу симметричности сечения колонны и воздействия пожара на нее (рисунок 2), рассмотрим один из четырех крайних арматурных стержней, расположенный между обогреваемыми поверхностями «1» и «4».

Определяем толщину начавшего прогреваться слоя бетона; м:

 

l = ,

 

где α _red - приведенный коэффициент температуропроводности, τ - время:

l = = 0.126 м.

Определяем параметр, который определяется при определении температуры прогрева арматуры:

 

= Y_i + ,

 

где Y_i - расстояние от i - ой обогреваемой поверхности до ближайшего к ней края арматуры, м;

d_s - диаметр арматуры, м;

α _red - приведенный коэффициент температуропроводности;

φ ₁, φ ₂ - коэффициенты, учитывающие длительность загружения, гибкость и характер армирования колонны.

 

= = Y_i + =(50 -20)·10^-3 + = =0.073 м, = = Y_i + = = (400-50-20)·10^-3+ =0.373 м.

Определяем значение параметра r:

 

r_i = / l ≤ 1,

r ₁ = r ₄ = 0.073 / 0.126 = 0.58,

r ₂ = r ₃ = 0.373 / 0.126 = 2.96 > 1, то принимаем r ₂ = r ₄ = 1.

 

Определяем значение температуры прогрева арматуры Т_s при τ = 1 ч:

 

Т_s(τ =1) = 1220-1200·[1 - (1 - r₁)² - (1 - r₂) ² ]·[1 - (1 - r₃)² - (1 - r₄) ² ],

Т_s(τ=1) =1220-1200·[1 - (1-0.58)² - (1-1) ² ]·[1 - (1-0.1)² - (1-0.58) ² ] = =406 ºC.

 

Определяем значение коэффициента условий работы при пожаре γ_s,T арматуры колонны при τ = 1 ч.

Согласно таблица 9.3.7 [2], для стали класса А - III имеем:

при Т_s(τ = 1) = 406 ºC. γ_s,T = 1.0.

Определяем площадь бетона колонны, сохраняющего свою прочность в первый расчетный момент времени воздействия пожара τ = 1 ч.

Определяем значение параметра r для середины обогреваемой поверхности:

 

r = (h / 2 + ) / l,

 

r = (0.2 + 0.024) / 0.126 = 1.7.

Так как r > 1, то принимаем r = 1 и, соответственно, параметр w = 1.

Определяем значение параметра r ₃:

 

r ₃ = 1 - ,

где - критическая температура прогрева бетона колонны, ºС.

r ₃ = 1 - = 1 -  = 0.373.

 

Определяем значение толщины критически прогретого слоя бетона у середины прогреваемой поверхности:

 

 = r ₃ · l - ,

 

 = 0.373·0.126 - 0.024 = 0.025 м.

Определяем значение С:

 

С = h / 2 - ,

 

С = 0.2 - 0.025 = 0.175.

Определяем значение параметра r в углу колонны:

 

r_у = 1 - ,

 

r_у = 1 - = 0.52.

Определяем значение  в углу колонны:

 

 = r · l - ,

 

 = 0.52·0.126 - 0.024 = 0.044 м,

и соответственно определяем значение b:

b = h / 2 - ,

 

b = 0.2 - 0.044 = 0.156 м.

Определяем значение поправки ψ:

 

Ψ = b / C - 0.2,

 

где ψ - поправка на дополнительное увеличение толщины прогретого слоя материала в углах сечения.

 

Ψ = b / C - 0.2 = 0.156 / 0.175 - 0.2 = 0.69,

 

Тогда рабочая площадь бетона колонны на момент времени воздействия пожара τ = 0.5 ч будет равна:

 

А = ψ · (2 · C)²,

 

А = 0.69·(2·0.175)²= 0.084 м²,

а сторона рабочего сечения бетона будет равна:

 

h_b ( τ = 1) = ,

 

h_b ( τ = 1) = 0.28 м.

Решение прочностной задачи

Определяем значение коэффициента продольного изгиба колонны φ (τ = 1 ч), с учетом уменьшения рабочего сечения бетона колонны при воздействии пожара.

Согласно таблица 9.3.9 (Б) [2] имеем:

 

,

 

где l - расчетная длина колонны, м.

 

 =  = 15.0;                       φ = 0.91.

 

Определяем значение коэффициента условий работы при пожаре γ_s,T арматуры колонны при τ = 1 ч.

Согласно таблица 9.3.7 [2], для стали класса А - III имеем:

при Т_s(τ = 1) = 406 ºC. γ_s,T = 1.0.

Определяем несущую способность Ф (τ = 1) колонны в момент времени воздействия пожара τ = 1:

 

Ф (τ = 1) = φ·(R_s,u · γ_s,T · A_s,tot + R_b,u · A),

 

где A_s,tot - суммарная площадь арматур, м²;

R_su - сопротивление арматуры, МПа;

R_bu - сопротивление бетона, МПа;

A - рабочая площадь бетона колонны, м²;

Ф(τ) - несущая способность конструкции на момент времени τ воздействия пожара, Н.

 

Ф (τ = 1) = φ·(R_s,u · γ_s,T · A_s,tot + R_b,u · A) = 0.91 (433 · 3.14 · 4 · 0.01² + 22 · 0.084)·10⁶ = 2,17·10⁶ Н.

 

Расчеты для несущей способности Ф (τ = 2) колонны в момент времени воздействия пожара τ = 2 ч. получаются аналогичные, что и для температурного интервала τ = 1 ч., поэтому данные сведем в таблицу 1.

Расчетные данные для колонны КСР - 442 - 29

Время воздействия пожара
Значения	τ = 1 ч	τ = 2 ч
l, м	0.126	0.178
Тs, ºC	406	710
r	1.7	1.25
w	1	1
r 3	0.373	0.373
, м0.0250.042
С	0.175	0.158
rу	0.52	0.52
, м0.0440.068
b, м	0.156	0.132
ψ	0.69	0.63
А, м2	0.084	0.062
φ	0.91	0.87
γs,T	1.0	0.15
Ф(τ), 106Н	2.17	1.55

 

Зависимость несущей способности исходной центрально сжатой железобетонной колонны от времени

 

Вывод: Cогласно расчетам железобетонная колонна КСР - 442-24 не соответствует требованиям СНиП 21-01-97* «Пожарная безопасность зданий и сооружений» [4] (степень огнестойкости здания І, R120), поскольку нормативное время воздействия пожара на колонну составляет 120 мин, а расчетное 50 мин. Следовательно, необходимо заново рассчитать предел огнестойкости колонны в соответствии с требованиями.

 

7. Создание новой колонны в соответствии с требованиями СНиП 21-01-97*

 

В целях соответствия новой колонны требованиям СНиП 21-01-97* и увеличения предела ее огнестойкости, повышаем класс бетона с заданного В15 до В50.

Дано:

Железобетонная колонна КСР - 442-29, сечением 0.4×0.4 м, расчетная длина колонны l _р = 4.2, нормативная нагрузка на колонну N_H = 290 т.

Бетон: класса В60, R_bu = 43 МПа.

Арматура: класса А-III, R_su = 433 МПа.

α_red = 0.00133 м²/ч, φ₁ = 0.65; φ₂ = 0.5 при ρ = 2350 кг/м³, = 500 ºC.

Решение:

Cхема температурного воздействия пожара на колонну и расчетные моменты времени его воздействия τ = 1 и τ =2.

Принимаем четырехстороннее воздействие пожара на колонну (рисунок).

 

Расчетная схема 3: 1, 2, 3, 4 - номера обогреваемых пожаром поверхностей сечения колонны

Аналогично п. 2.3 проводим расчеты предела огнестойкости колонны для арматурных стержней, полученные результаты сведем в таблицу 2.

 

Расчетные данные для новой колонны КСР - 442-24

Время воздействия пожара
Значения	τ = 1 ч	τ = 2 ч
l, м	0.126	0.2
= , м0.0730.073
= , м0.3730.373
r 1 = r 3	0.58	0.41
r 2 = r4	2.96	2.09
Тs, ºC	406	710
r	1.7	1.25
w	1	1
r 3	0.373	0.373
, м0.0250.042
С	0.175	0.158
rу	0.519	0.52
, м0.02350.068
b, м	0.156	0.132
ψ	0.69	0.63
А, м2	0.084	0.062
φ	0.96	0.87
γs,T	0.98	0.15
Ф(τ),·106 Н	3.78	2.38

 

Зависимость несущей способности новой центрально сжатой железобетонной колонны от времени

 

Вывод: Железобетонная колонна КСР-442-29 изготовленная из бетона марки B60 будет соответствовать пределу огнестойкости R90 для зданий и сооружений имеющих степень огнестойкости II.

 

Заключение

 

В данном курсовом проекте была проведена работа по расчету пределов огнестойкости железобетонных конструкций: панели перекрытия ПК 6 - 58.12 по потере несущей способности (R), и колонны среднего ряда КСР - 442 - 29 по потере несущей способности (R).

Для каждого из элементов были рассчитаны две задачи теплотехническая и прочностная. В ходе решения этих задач было установлено: панель перекрытия имеет предел огнестойкости R90, что соответствует требованиям СНиП 21-01-97* «Пожарная безопасность зданий и сооружений» и подлежит эксплуатации.

Предел огнестойкости колонны среднего ряда при заданных параметрах получился значительно ментше R90 для данного типа колонн, что говорит о ее непригодности к эксплуатации и несоответствии с требованиями СНиП 21-01-97*. Были приняты меры по выполнению нормы предела огнестойкости 120 мин, для чего потребовалось повысить класс бетона при изготовлении колонны до В60, при ранее заданном В15.

Список литературы

 

1. Байков В.Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции. - М.: Стройиздат, 1984. - 452 с.;

.   Демехин В.Н., Мосалков И.Л., Плюснина Г.Ф. и др. Сооружения, здания и их устойчивость при пожаре. Учебное издание - М.: 2003. - 656 с.;

.   Ройтман В.М. Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируемых зданий. - М.: Пожарная безопасность и наука, 2001. - 382 с.;

.   СНиП 2.03.01-84^* Бетонные и железобетонные конструкции;

.   СНиП 21.01-97^* Пожарная безопасность зданий и сооружений;

.   Венедиктов Г.С. Металлические конструкции. М.: Стройиздат, 1998. - 760 с.

. Конструкции из дерева и пластмасс: Учеб. для ВУЗов. Под ред. Г.Г. Карлсена и Ю.В. Слицкоухова. - 5-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1986.-543 с., ил.