User:Rn1357
ОГНЕСТОЙКОСТЬ КАРКАСНЫХ ЗДАНИЙ С УЧЕТОМ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ РАБОТЫ
Фомин С.Л., Наджафи Рухоллах
Харьковский государственный университет строительства и архитектуры
г. Харьков, Украина
АННОТАЦИЯ: На примере анализа напряженного состояния многоэтажных каркасных зданий показано, что существующая методика расчета, основанная на обеспечении требуемых пределов огнестойкости основных конструкций по результатам огневых испытаний не гарантирует потерю прочности здания в целом. Существенным при оценке огнестойкости является учет пространственной работы конструкций.
Круг научных интересов выдающегося ученого Отара Петровича Мчедлова-Петросяна чрезвычайно обширен. Нам посчастливилось сотрудничать с этим великим человеком в области температурных воздействий на свойства и напряженно-деформированное состояние железобетонных конструкций. Этот переданный нам заряд интеллектуальной энергии позволяет продолжать исследования и в области огнестойкости железобетонных конструкций. Пожары являются серьезной проблемой для стран всего мира. В последние годы наблюдается увеличение их количества, существенно возрастают убытки и человеческие жертвы. Это связано с быстрым развитием общества, промышленности, применением новых строительных материалов, возникновением войн, террористических актов. По официальным данным в среднем по Украине возникает около 50 тыс. пожаров, в результате которых гибнет 2.0-2,5 тысяч людей, а материальные потери составляют 15-20 млн. гривень. Поэтому проблема обеспечения огнестойкости зданий и сооружений является особенно актуальной. По существующей методике [1] предел огнестойкости конструкций по признаку утраты несущей способности (R) определяется временем нагревания (f) = r, по истечении которого несущая способность конструкции R() снизится до величины расчетного усилия от нормативной или другой рабочей нагрузки S ser (изгибающего момента Mn, продольного усилия Nn, поперечной силы Qn):
если , то (1)
В действительности при нагреве на конструкции воздействуют также дополнительные температурные усилия и напряжения. Результаты исследований показывают, что для расчета огнестойкости железобетонных зданий в целом необходимо оценивать снижение несущей способности конструкций с учетом собственных температурных напряжений в нагреваемых элементах, учитывать полные диаграммы деформирования бетона и арматуры при нагреве, статический расчет здания проводить с учетом нагрева его конструкций и с учетом других возможных воздействий, поскольку предельное состояние может наступить из-за потери прочности элементами, не исчерпавшими ресурс огнестойкости [2]. Таким образом, основная расчетная формула огнестойкости строительных конструкций в составе здания по признаку утраты несущей способности (R) при пожаре будет иметь вид:
если , то (2)
Предел огнестойкости конструкции в составе здания отличается от предела огнестойкости конструкции при огневом испытании , поскольку на усилия от нормативной нагрузки Sser накладываются температурные усилия St,, возрастающие по мере развития пожара. Одним из важнейших вопросов уточнения способности сопротивляться огневым воздействиям зданий является разработка методики расчета огнестойкости с учетом их пространственной работы. Результаты численного моделирования напряженно-деформированного состояния конструкций показывают существенное различие в величинах усилий в одних и тех же конструктивных элементах при принятии различных расчетных схем. Учет пространственной работы зданий нередко приводит к изменению знака усилий в элементах конструкций по сравнению с расчетом по стержневой или плоской рамной расчетным схемам. Значительное влияние на огнестойкость здания оказывает расположение источников пожара, что демонстрируют следующие численные исследования напряженного состояния пространственной системы многоэтажного здания. Проведено численное моделирование усилий и перемещений в каркасном здании центра информационных технологий при воздействии стандартного пожара с использованием ПК Лира 9.2. Здание состоит из двух частей: шестнадцатиэтажной и четырехэтажной. Конструктивная схема высотной части представляет собой связевой каркас из сборных железобетонных элементов. Высотная часть до третьего этажа имеет сборный железобетонный каркас из колон серии К-01-49 сечением 500х800 мм из бетона класса В50 с Rb = 27,5 мПа, Еb = 35000 мПа; с рабочей арматурой класса А-Ш с RS = 365 мПа, ЕS = 200000 мПа. С третьего до восьмого этажа колонны сечением 400х800 мм выполнены из бетона класса В30 с Rb = 17,0 мПа, Еb = 29000 мПа. Выше восьмого этажа принят каркас по серии ИИ-04 выпуск 2.
Рис.1. Общий вид типового здания центра информационных технологий и его пространственная конечно-элементная схема
Ригели каркаса всех этажей высотной части - по серии ИИ-04 выпуск 2 имеют тавровое сечение высотой 450 мм, шириной нижней полки 380 мм. Расчетная схема здания составлена их 2300 универсальных пространственных стержневых элементов типа КЭ10 (рис.1). Расчеты проведены для стандартного пожара продолжительностью 60 мин, для которого принималась средняя температура в колоннах Т=510С, и температурный перепад в ригелях Т1=157С, Т2=800С. Варьировались различные схемы расположения источников пожара и его распространения на соседние секции. На рис.2 приведены результаты расчетов величин температурных моментов в колоннах первого этажа в зависимости от схем распространения пожара. Первая схема соответствует возникновению источника пожара в одной секции по середине продольной оси здания. Максимальная величина температурного момента для нагретой колонны №6 составляет Мх6=451,2 кНм, для крайней колонны №1, расположенной в высотной части здания – Мх1=140,6 кНм, для колонны четырехэтажной части №10 – Мх10=60,47 кНм. По мере распространения огня на соседние секции величины изгибающих моментов увеличиваются и при полном возгорании первого этажа достигают Мх6=720,9 кНм, Мх1=1900 кНм, Мх10=588,4кНм. Помимо температурных моментов в продольном направлении Мх возникают также изгибающие моменты в поперечном направлении Му, продольные силы N и поперечные силы Qх и Qу. При возникновении пожара в первой секции и распространении его в глубину здания картина усилий в конструкциях существенно меняется. В первой колонне при пожаре в крайней секции величина температурного момента возрастает до Мх1=627,5 кНм и при распространении огня на 4 секции достигает Мх1=1600 кНм. По-разному ведут себя элементы конструкций в зависимости от их расположения по высоте здания. На рис.3 показаны эпюры температурных моментов Мх от воздействия пожара в 4 секциях помещения на первом этаже и в 4 секциях помещения на 17 этаже. В первом случае возникли максимальные усилия в
№ схемы Температурный момент в колоннах, кНм 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 140,6 136,6 140,7 189,3 276,3 451,2 57,09 46,04 41,29 60,47 2 427,2 417,2 439,6 579,5 56,29 551,9 167,8 146,9 122,7 190,2 3 766,1 681,3 846,4 362,3 143,6 644,1 133,3 248,0 199,9 314,6 4 1200 1100 687,8 309,7 230,2 694,6 136,3 209,6 290,5 455,7 5 1900 1100 666,5 289,2 272,6 720,9 140,5 212,4 267,1 588,4 Расчетная схема №1
Расчетная схема №2 Расчетная схема №3 Расчетная схема №4 Расчетная схема №5
Рис.2. Распределение максимальних температурних моментов в колоннах первого этажа здания для различных схем распространения пожара
Рис.3. Эпюры температурных моментов Мх от воздействия пожара в 4 секциях помещения на первом этаже и в 4 секциях помещения на 17 этаже
Рис.4. Эпюры температуных моментов Мх от воздействия пожара в 2 секциях 9 этажа и в 2 секциях на 7 и 8 этажах
колоннах:Мх=18,9 кНм, Му=232,4 кНм, N=332,7 кН, Qх=162,8 кН и Qу=78 кН..
При воздействии пожара в секциях помещения на 17 этаже температурные усилия уменьшились: Мх=9,1 кНм, Му=128,9 кНм, N=176,2 кН, Qх=80 кН и Qу=77,8 кН и Qу=66,5 кН.
Для пожара в 2 секциях 9 этажа (рис.4) максимальные усилия в колоннах составили: Мх=6 кНм, Му=113,1 кНм, N=149,2 кН, Qх=52,кН и Qу=66,5 кН. На 7 и 8 этажах: Мх=6,2 кНм, Му=132,3 кНм, N=180,9 кН, Qх=30,2 кН и Qу=47,9 кН.
Как видно из этих примеров при различных ситуациях воздействия температур для различных частей здания температурные усилия существенно изменяются, в связи с чем применение конструктивных элементов заданной огнестойкости по результатам стандартных испытаний [3]еще не гарантирует огнестойкости здания в целом. Необходима разработка методики расчета несущей способности конструкций и рабочих нагрузок в условиях пожара, позволяющей прогнозировать изменение состояния зданий на основе анализа различных сценариев опасных ситуаций с учетом различных комбинаций нагрева для разработки предложения по обеспечению необходимой огнестойкости здания в целом.
1. ДБН В.1.1-7-2002. Захист від пожежі будинків і споруд. Пожежна безпека об’єктів будівництва (на зміну СНиП 2.01.02-85* Противопожарные нормы). Держбуд України. Київ, 2002.
2.Фомин С. Л. Огнестойкость многоэтажных каркасных зданий. Міжвідомчий науково-технічний збірник праць (будівництво)/Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій Держбуду України (у 2-х томах, том 2) Вип..62-Київ, НДІБК, 2005, С. 310-315.
3. Пожежна безпека. Протипожежні вимоги в галузі проектування та будівництва.// ДСТУ Б В.1.1-4-98. Будівельні конструкції. Методи випробувань на вогнестійкість. Загальні вимоги. С. 425-445. – Т. 6. – Київ: Пожінформтехніка, 2000.