CC BY
21
Огнестойкость железобетонной колонны,
усиленной обоймой из фиброжелезобетона
Василъченко А. В.,
Национальный университет гражданской защиты Украины,
г. Харьков
Наиболее часто в промышленных зданиях с железобетонным каркасом для усиления колонн применяется метод установки обойм стальных или железобетонных. На пожароопасных участках, где происходили и могут повториться пожары целесообразно применять железобетонные обоймы.
Известно, что после воздействия пожара и последующего охлаждения железобетонной конструкции в стальной арматуре практически полностью восстанавливается прочность [1]. Прочность бетона при этом полностью не восстанавливается и, соответственно, не восстанавливается несущая способность колонны. В связи с этим усиливающая железобетонная обойма должна:
- способствовать повышению несущей способности колонны, по крайней мере, до первоначального уровня;
- повышать огнестойкость конструкции;
- не увеличивать чрезмерно сечение колонны.
Удовлетворить перечисленные выше требования наиболее полно возможно за счет применения в обойме фибробетона на основе стальной или базальтовой фибры [2]. Прочность такого фибробетона может достигать при растяжении 6.. .12 МПа, при изгибе - 30.. .35 МПа, а при сжатии - 80.. .100 МПа. Дисперсное армирование бетонов повышает их трещиностойкость, ударостойкость, способствует стойкости бетона к воздействию агрессивной среды; позволяет сократить рабочие сечения конструкций [3].
Известны методы расчета железобетонной обоймы, которые используются при необходимости повышения несущей способности колонны вследствие возрастания эксплуатационных нагрузок [4]. Методика расчета усиливаемых элементов также предложена в СНиП 2.03.01-84* [5]. Однако, методы расчета железобетонной обоймы для усиления конструкций пострадавших при пожаре остаются недостаточно исследованными.
Для оценки работоспособности поврежденной пожаром и усиленной железобетонной колонны необходимо в применяемой методике расчета усиливаемых элементов найти способ учета поврежденного слоя бетона колонны и оценить влияние дополнительного слоя фибробетона обоймы на огнестойкость усиленной конструкции.
Особенностью расчетной схемы колоны, пострадавшей при пожаре и усиленной железобетонной обоймой, является наличие внешнего слоя бетона колонны с уменьшенным расчетным сопротивлением, который потерял несущую способность и считается выключенным из работы. Толщина этого слоя зависит от интенсивности и продолжительности пожара, а также от свойств использованного бетона. Можно ожидать, что при пожаре, продолжительностью 2 часа
и обогреве колонны с четырех сторон толщина поврежденного слоя бетона достигнет 35.. .50 мм.
Прочность усиленной конструкции в этом случае будет обеспеченной, если будет выполняться условие:
Ne < R*2b2Х2 (K,red - 0,5x2 ) + RMb1 xi (h0,red ~ x2 ~ У ~ 0,5xO + + R* Aled (K,red - al - Rb2b2 X2(h - K,red - 0,5x2) ' ^
где N - внецентренная нагрузка; е - эксцентриситет; Rb1, Rb2, Rs - расчетные сопротивления бетона колонны, бетона обоймы, стальной арматуры, соответственно (со звездочкой - при сжатии, без звездочки - при растяжении); b1, b2 -ширина сечения колонны и ширина обоймы, соответственно; h - толщина сечения конструкции; x1 - толщина сжатой зоны бетона колонны; x2 - толщина обоймы; у - толщина поврежденного слоя бетона колонны; h0 red - рабочая
Л* "
толщина сечения конструкции; A*s, red - суммарная площадь сжатой арматуры; a' - расстояние от сжатой грани обоймы до центра тяжести ее арматуры.
Толщина сжатой зоны бетона колонны х1 при использовании в колонне и обойме симметричной арматуры одного класса рассчитывается из условия равновесия по формуле:
_ N + Rb2b2Х2 - Rb2b2X2 Xl = Rbibi ■ (2)
Для примера рассматривалась поврежденная пожаром колонна сечением 0,5x0,5 м, высотой 4,8 м из бетона класса В15 с арматурой 12020 А-3. Толщина защитного слоя бетона а1=0,02 м, внецентренная нагрузка N=1200 кН, толщина поврежденного слоя бетона колонны у=0,035 м.
Предполагалось усиление колонны железобетонной обоймой на основе фибробетона с дисперсным армированием базальтовой фиброй (выбрано на основании работы [6]) и симметричной стальной арматурой 12020 А-3. Толщина
обоймы x2=0,1 м, толщина защитного слоя а2=0,04 м. Расчетное сопротивление
* _
фибробетона при сжатии R b2=80 МПа, при растяжении - Rb2=10 МПа.
Для сравнения расчет проводился также для обоймы с такими же параметрами, но на основе бетона класса В15.
Расчет по (1) показал, что несущая способность рассмотренной конструкции на основе фибробетона (3931 кНм) более, чем в 3 раза выше аналогичной конструкции на основе бетона класса В15 (1270 кНм).
Оценка огнестойкости усиленной конструкции проводилась из расчета предела огнестойкости по методике [7]. Особенность такого расчета заключается в том, что необходимо учесть наличие слоя бетона обоймы и слоя бетона в колонне с измененными механическими характеристиками (допускается, что теплофизические характеристики этого слоя не изменились).
В случае, когда обойма изготовлена из того же материала, что и колонна, теплотехническая часть задачи рассчитывалась как для однородного тела.
Если материал обоймы отличается от материала колонны, то теплотехническую часть можно рассчитать как для многослойного тела через эквивалентный коэффициент теплопроводности Xeq\
Л , (3)
% л
где - толщина i-го слоя; - коэффициент теплопроводности ьго слоя.
Исходя из этих соображений, по методике [7] можно рассчитать приведенный коэффициент температуропроводности а^, критическую температуру критерий Фурье распределение температуры при прогреве усиленной колонны и толщину слоя обоймы А, поврежденную за расчетное время испытаний.
Несущая способность при этом вычисляется по преобразованной формуле
(1):
№ < 4 (Ь2 - 2А)(Х - ФоМ - А - 0,5(Х2 - А)] + КАХ1 - Х2 - У - 0,5Х) +
+ Ке* - а') - ЫЪ, - 2А)(12 -А)[й - ^ - 0,5(12 -А)] . (4)
Расчетный предел огнестойкости железобетонной колонны, взятой в качестве примера R120.
Расчетный предел огнестойкости колонны, усиленной после пожара железобетонной обоймой из того же материала, что и колонна R180.
Расчетный предел огнестойкости колонны, усиленной после пожара железобетонной обоймой на основе фибробетона с дисперсным армированием базальтовой фиброй Я270.
Таким образом, расчеты показали, что при усилении колонны, поврежденной пожаром, железобетонной обоймой на основе фибробетона с дисперсным армированием базальтовой фиброй можно ожидать значительного повышения как прочности конструкции, так и ее огнестойкости.
Однако эти оценочные результаты не отменяют необходимости испытаний конструкций с использованием фиброжелезобетона на предел огнестойкости, т. к. взаимодействие фибры и материала бетона при нагреве еще недостаточно изучено.
Библиографический список
1. Мосалков И. Л. Огнестойкость строительных конструкций / Мосалков И. Л., Плюснина Г. Ф., Фролов А. Ю. - М.: ЗАО «СПЕЦТЕХНИКА», 2001. -496 с.
2. Поднебесов П. Г. Новые способы усиления сжатых элементов железобетонных конструкций / П. Г. Поднебесов, В. В. Теряник // Вестник РУДН. М., 2010. № 2. - С. 36-393.
3. Пухаренко Ю. В. Эффективные фиброармированные материалы и изделия для строительства/ Ю. В. Пухаренко // Промышленное и гражданское строительство. - № 10. - 2007.
4. Реконструкция зданий и сооружений / А. Л. Шагин, Ю. В. Бондаренко, Д. Ф. Гончаренко, В. Б. Гончаров: Учеб. пособие для строит. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1991. - 352 с.
5. СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции. Госстрой
СССР, 1991.
6. Васильченко А. В. Оценка предела огнестойкости изгибаемых железобетонных элементов, усиленных фиброматериалами / Васильченко А. В., Золо-чевский Н. Б., Хмыров И. М. // Сб. науч. трудов НУГЗ Украины «Проблемы пожарной безопасности». - Вып.33.- Харьков: НУГЗУ, 2013. - С.27-32.
7. Яковлев, А. И. Расчет огнестойкости строительных конструкций / А. И. Яковлев. - М.: Стройиздат, 1988.
