CC BY
58
СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ (ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ)
УДК 614.841.34
ОГНЕСТОЙКОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОК В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИЗМЕНЕНИЯ ИХ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
В. Ю. ФЁДОРОВ
ФГБОУ ВО Академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Москва E-mail: [email protected]
В статье приводятся результаты исследования по оценке огнестойкости железобетонных балок в зависимости от изменения их несущей способности в условиях эксплуатации.
Установлено, что численные значения коэффициента утраты огнестойкости эксплуатируемых железобетонных балок практически не зависят от конструктивного решения балок, но существенно зависят от снижения их несущей способности в процессе эксплуатации. На основе полученных результатов проведенного исследования получена зависимость изменения значений коэффициента утраты, предела огнестойкости эксплуатируемых железобетонных балок от уровня снижения их несущей способности в условиях эксплуатации.
Эти результаты, имеющие научную новизну, дают возможность использовать их для разработки классификации эксплуатируемых железобетонных балок для целей оценок их огнестойкости. Результаты данной работы предлагается применять при оценках огнестойкости эксплуатируемых железобетонных балок с различными параметрами.
Ключевые слова: пожар; огнестойкость; железобетонные балки; коэффициент утраты огнестойкости; время и условия эксплуатации.
FIRE RESISTANCE OF REINFORCED CONCRETE BEAMS DEPENDING ON THE CHANGE OF THEIR BEARING CAPACITY UNDER OPERATING CONDITIONS
V. Yu. FEDOROV
Academy of state fire service of EMERCOM of Russia, Russian Federation, Moscow E-mail: [email protected]
The article presents the results of a study on the evaluation of fire resistance of reinforced concrete beams depending on the change of their bearing capacity under operating conditions.
It is established that the numerical values of the coefficient of loss of fire resistance operated concrete beams practically do not depend on a constructive solution of beams, but significantly dependent on the load bearing capacity in the process of operation. Based on the results of the study the dependence of changes of values of the coefficient of loss of the fire resistance of reinforced concrete beams operated from a level of load bearing capacity under operating conditions.
These results having scientific novelty, provide the opportunity to use them to develop a classification operated concrete beams for the purposes of assessment of fire resistance. The results of this work are invited to apply in the evaluation of fire resistance of reinforced concrete beams operated with different parameters.
Key words: fire; fire resistance; reinforced concrete beam; the rate of loss of fire resistance; time and operating conditions.
©Фёдоров В. Ю., 2019
Введение
В практике нормирования и проектирования огнестойкости зданий и сооружений рассматриваются строительные конструкции с проектными характеристиками (полученными до начала эксплуатации)1 [1, 2]. Влияние времени и условий эксплуатации на огнестойкость конструкций не рассматривается.
Это не соответствует реальному состоянию эксплуатируемых конструкций при пожаре и приводит к недооценке опасности пожара для эксплуатируемых зданий и сооружений.
Возникает необходимость в развитии нового научного направления в области огнестойкости строительных объектов - оценка огнестойкости строительных конструкций с учетом влияния времени и условий эксплуатации на их огнестойкость.
Целью данной работы является исследование огнестойкости различных типов железобетонных балок в зависимости от изменения их несущей способности в условиях эксплуатации.
Изменение несущей способности железобетонных балок во время их эксплуатации как основа оценки их огнестойкости
Несущая способность строительных конструкций является основным показателем, влияющим на их огнестойкость [3].
При расчетной оценке огнестойкости конструкций рассматривается снижение несущей способности конструкции до величины рабочей нагрузки на нее. Момент времени воздействия пожара, когда это происходит, определяет наступление предела огнестойкости конструкции по предельному состоянию «утрата несущей способности» [2, 3].
Однако анализ результатов проведенных обследований технического состояния зданий и сооружений [4, 5] свидетельствует о том, что на протяжении всего срока эксплуатации зданий и сооружений в строительных конструкциях развиваются процессы утраты их эксплуатационных свойств и характеристик, приводящих к снижению их несущей способности [6, 7, 8, 10].
1 СТО 36554501-006-2006. Правила по обеспечению огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций [Электронный ресурс]:
стандарт организации (утв. и введен в дей-
ствие Приказом ФГУП "НИЦ "Строительство" от 20.10.2006 №156) // КонсультантПлюс: справ, правовая система. - Версия Проф. -Электрон. Дан. - М., 2013.
Особенности изменения несущей способности железобетонных конструкций в зависимости от времени и условий их эксплуатации представлены на рис. 1 [4].
Эти данные дают представление о том, что несущая способность железобетонных конструкций, в зависимости от условий эксплуатации, может изменяться в очень широких пределах и весьма существенно влиять на огнестойкость конструкций, зданий, сооружений [7].
Таким образом, при возникновении пожара несущая способность эксплуатируемой конструкции может быть существенно меньше ее проектного значения, что весьма существенно может повлиять на огнестойкость конструкции на протяжении всего срока эксплуатации.
Материалы и методы исследования
При исследовании огнестойкости различных железобетонных балок в зависимости от изменения их несущей способности в условиях эксплуатации рассматривались пять характерных типов, отличающихся по типу бетона, форме поперечного сечения, толщине защитного слоя бетона.
В качестве базовых к рассмотрению были приняты результаты огневых испытаний железобетонных балок, приведенные в работе проф., д.т.н. Яковлева А.И. [2], а также табличные данные от огнестойкости этих конструкций [9]:
Тип 1. Статически определимая железобетонная балка прямоугольного сечения 210x410 мм, пролет 6,0 м, армируется рабочей арматурой 3016, 2012 класса А-1, ст.З, объемная масса бетона 2330 кг/м3, влажность бетона 4%, заполнитель - известняк, защитный слой бетона - 50 мм [2];
Тип 2. Статически определимая железобетонная балка прямоугольного сечения 210x410 мм, пролет 6,0 м, армируется рабочей арматурой 3016, 2012 класса А-1, ст.З, объемная масса бетона 2350 кг/м3, влажность бетона 4%, заполнитель - гранит, защитный слой бетона - 50 мм;
Тип 3. Статически определимая железобетонная балка прямоугольного сечения 280x560 мм, пролет 6 м, армируется рабочей арматурой 3016, 2012 А240, объемная масса бетона 2350 кг/м3, влажность бетона - 2 %, заполнитель - гранит, защитный слой бетона -32 мм [9];
Тип 4. Статически определимая железобетонная балка таврового сечения, 554x358 мм, армируется рабочей арматурой 8016 класса А-1, ст.З., объемная масса бетона 2330 кг/м3, влажность бетона 3,8%, заполнитель -известняк, защитный слой бетона - 21 мм [2];
Тип 5. Статически определимая железобетонная балка прямоугольного сечения 500x1000 мм, пролет 6 м, армируется рабочей арматурой 4022, 2016 А300, объемная масса бетона 2310 кг/м3, влажность бетона - 2 %, заполнитель - гранит, защитный слой бетона - 65 мм.
Решение данной задачи проводилось путем оценки огнестойкости для всех типов (рис. 2) железобетонных балок, при одних и тех же значениях уровня утраты их несущей способности: 0%, 5%, 15%, 25%, 50%.
Срок эксплуатации, годы
Рис. 1. Особенности изменения несущей способности железобетонных конструкций в зависимости от времени и условий их эксплуатации [4]: 1 - конструкция внутренних частей зданий при нормальной эксплуатации; 2 - то же, при нарушении эксплуатационного режима; 3 - конструкция наружных стен; 4, 5, 6 - конструкции, подверженные увлажнению и знакопеременным температурным воздействиям; 7 - заглубленные конструкции фундамента при воздействии агрессивных сред
Рис. 2. Поперечные сечения рассматриваемых типов железобетонных балок
При проведении оценки эксплуатационных пределов огнестойкости выбранных типов железобетонных балок применялась верифицированная конечно-элементная модель балки в программном комплексе Ansys Mechanical и зонный подход.
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты оценки огнестойкости рассматриваемых типов балок в зависимости от уровня снижения их несущей способности приведены в табл.1.
Полученные результаты (табл. 1) позволили установить зависимость между про-
цессом снижения огнестойкости и утратой несущей способности железобетонных балок при помощи предложенного проф. Ройтманом В.М. понятия «коэффициент утраты огнестойкости» [1].
Согласно [1], численное значение коэффициента утраты огнестойкости определяется по формуле:
ехр
„/ _ Tf,r
vy n des
Tf,r
(1)
где J
fr
эксплуатационный предел огнестой-
кости рассматриваемой конструкции, мин;
des
2" fr - проектный предел огнестойкости рассматриваемой конструкции, мин.
По формуле (1) были определены значения коэффициентов утраты огнестойкости рассмотренных типов балок при различных значениях снижения их несущей способности.
Результаты расчетов представлены в
табл. 2.
По полученным данным были построены зависимости коэффициента утраты огнестойкости от уровня снижения несущей способности рассматриваемых типов железобетонных балок, которые представлены на рис. 3.
Таблица 1. Значения эксплуатационных пределов огнестойкости различных типов железобетонных балок в зависимости от уровня снижения их несущей способности
Тип железобетонной балки Значение эксплуатационного предела огнестойкости различных типов железобетонных балок, мин., в зависимости от уровня утраты
их несущей способности в условиях эксплуатации, %
0 5 15 25 50 >50
Тип №1 146 132 117 80 34 -
Тип №2 141 128 112 76 30 -
Тип №3 92 88 73 42 22 -
Тип №4 68 64 55 35 14 -
Тип №5 193 182 154 90 46 -
Таблица 2. Результаты определения значений коэффициента утраты огнестойкости рассмотренных типов железобетонных балок в зависимости от уровня снижения
их несущей способности
Тип железобетонной балки Коэффициент утраты огнестойкости различных типов железобетонных балок, в зависимости от уровня утраты их несущей способности в условиях эксплуатации, %
0 5 15 25 50 >50
Тип №1 1 0,9 0,801 0,548 0,233 0
Тип №2 1 0,908 0,794 0,539 0,213 0
Тип №3 1 0,956 0,793 0,457 0,239 0
Тип №4 1 0,941 0,809 0,515 0,206 0
Тип №5 1 0,943 0,798 0,466 0,238 0
Усредненное 1 0,9296 0,799 0,505 0,2258 0
значение
"-В
о 0,9
р 0,8
о
■х 0,7
о
H
о и 0,6
я
о 0,5
3
№ а. 0,4
H 0,3
£
tu
3 0,2
-е- 0.1
■е-
о
M 0
\S _s
к ^
si fr _ Ч-SN
10
15
25
30
35
40
45
50
Уровень снижения несущей способности эксплуатируемых железобетонных балок, %
Рис. 3. Зависимости коэффициента утраты огнестойкости различных типов железобетонных балок от уровня утраты их несущей способности в условиях эксплуатации
Заключение
Таким образом, по итогам исследования огнестойкости железобетонных балок в зависимости от изменения их несущей способности в условиях эксплуатации можно сделать следующие выводы:
1) Значения коэффициента утраты огнестойкости для всех рассмотренных типов железобетонных балок несущественно зависят от материала балок, их геометрических параметров, толщины защитного слоя бетона.
Список литературы
1. Ройтман В.М. Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируемых зданий. М.: Ассоциация «Пожарная безопасность и наука», 2001. 382 с.
2. Яковлев А.И. Основы расчёта огнестойкости железобетонных конструкций: дис. ... д-ра техн. наук. М., 1966.-515 с.
3. Ройтман В.М. Оценка огнестойкости строительных конструкций на основе кинетических представлений о поведении материалов в условиях пожара: дис. ... д-ра техн. наук: 05.26.03. М., 1987. 412 с.
4. Афанасьев A.A., Матвеев Е.П. Реконструкция жилых зданий. Часть I. Технологии восстановления эксплуатационной надежности жилых зданий. М., 2008.
5. Техническое заключение по результатам обследования строительных конструкций здания Дворца спорта «Сокольники», расположенного по адресу: г. Москва, Сокольнический вал, д. 1 б с оценкой и рекомендациями / ЗАО «КТБ ЖБ». М., 2008.
6. Пшеничников М.С. Расчет элементов конструкций из разномодульного армированного материала с учетом ползучести и воздействия агрессивных сред: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.17. Саратов, 2000. 156 с.
7. Федоров В.Ю. Необходимость учёта времени и условий эксплуатации зданий и сооружений при оценке огнестойкости железобетонных конструкций // Технологии техносферной безопасности. 2018. Вып. 2 (78). С. 19-25. DOI: 10.25257/TTS.2018.2.78.19-25.
8. Sahmaran M. Effect of corrosion on shear behavior of reinforced engineered cementitious composite beams / M. Sahmaran, O. Anil, M. Lachemi, G. Yildirim, A.F. Ashour, F. Acar. AC I structural journal, 2015, issue. 112, №6, pp. 771-782.
9. Пособие по определению пределов огнестойкости конструкций, пределов распространения огня по конструкциям и групп возгораемости материалов (к СНиП II-2-80) ЦНИИСК им. Кучеренко. М.: Стройиздат, 1985. 56 с.
10. Ghods A., Reza Sohrabi M. - M. Miri. Effect of rebar corrosion on the behavior of a reinforced concrete beam using modeling and experimental results. Materials and technology, 2014, issue. 48, №3, pp. 395-402.
2) Этот результат, имеющий научную новизну, дает возможность использовать его для разработки классификации эксплуатируемых железобетонных балок для целей оценок их огнестойкости.
3) На основе этой классификации появляется возможность для разработки метода оценки огнестойкости эксплуатируемых железобетонных балок, в зависимости от их технического состояния.
References
1. Rojtman V.M. Inzhenernye resheniya po ocenke ognestojkosti proektiruemyh i rekonstruiruemyh zdanij [Engineering solutions for fire resistance assessment of designed and reconstructed buildings], M.: As-sociaciya «Pozharnaya bezopasnost' i nauka», 2001, 382 p.
2. Yakovlev A.I. Osnovy raschyota ognestojkosti zhelezobetonnyh konstrukcij [Bases of calculation of fire resistance of reinforced concrete structures]. Dr. tekh. sci. diss. M., 1966, 515 p.
3. Rojtman V.M. Ocenka ognestojkosti stroitel'n-yh konstrukcij na osnove kineticheskih predstavlenij o povedenii materialov v usloviyah pozhara [Fire resistance assessment of building structures on the basis of kinetic ideas about the behavior of materials in fire conditions]. Dr. tekh. sci. diss. M., 1987, 412 p.
4. Afanas'ev A.A. Rekonstrukciya zhilyh zdanij. CHast' I. Tekhnologii vosstanovleniya ehkspluatacionnoj nadezhnosti zhilyh zdanij [Reconstruction of residential buildings. Part I. technologies for restoring the operational reliability of residential buildings], M., 2008.
5. Tekhnicheskoe zaklyuchenie po rezul'tatam obsledovaniya stroitel'nyh konstrukcij zdaniya Dvorca sporta «Sokol'niki», raspolozhennogo po adresu: g. Moskva, Sokol'nicheskij val, d. 1 b s ocenkoj i rek-omendaciyami / ZAO «KTB ZHB». M., 2008.
6. Pshenichnikov M.S. Raschet ehlementov konstrukcij iz raznomodul'nogo armirovannogo materiala s uchetom polzuchesti i vozdejstviya agressivnyh sred [The calculation of the elements of structures made of heterogeneous reinforced material subject to creep, and aggressive environments], Cand. tekh. sci. diss. Saratov, 2000, 156 p.
7. Fedorov V.Yu. Neobhodimost' uchyota vremeni i uslovij ehkspluatacii zdanij i sooruzhenij pri ocenke ognestojkosti zhelezobetonnyh konstrukcij [The need to take into account the time and operating conditions of buildings and structures in the assessment of fire resistance of concrete structures], Tekhnologii tekhnosfernoj bezopasnosti, 2018, issue. 2 (78), pp. 1925. DOI: 10.25257/TTS.2018.2.78.19-25.
8. Sahmaran M. Effect of corrosion on shear behavior of reinforced engineered cementitious composite beams / M. Sahmaran, O. Anil, M. Lachemi, G. Yildirim, A.F. Ashour, F. Acar. AC I structural journal, 2015, issue. 112, №6, pp. 771-782.
9. Posobie po opredeleniyu predelov ognestojkosti konstrukcij, predelov rasprostraneniya ognya po konstrukciyam i grupp vozgoraemosti materialov (k SNiP 11-2-80) CNIISKim. Kucherenko. M.: Stro-jizdat, 1985, 56 p.
10. Ghods A., Reza Sohrabi М. - М. Miri. Effect of rebar corrosion on the behavior of a reinforced concrete beam using modeling and experimental results. Materials and technology, 2014, issue. 48, №3, pp. 395-402.
Федоров Владимир Юрьевич ФГБОУ ВО Академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Москва E-mail: [email protected] Fedorov Vladimir Jur'evich
Academy of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia, Russian Federation, Moscow E-mail: [email protected]
