Расчет фактического предела огнестойкости железобетонной колонны

 

Определяем прочностные характеристики материалов:

МПа,

где: R_sn – нормативное сопротивление арматурной стали сжатию (табл. 19 [10] или п. 3.1.2. [5]);

g_а =0,9 – коэффициент надежности по материалу для арматуры [12], [11].

R_bn = 15 МПа (табл. 12 [10] или п. 3.2.1 [5]);

R_bu = R_bu / 0.83 = 18,07 МПа,

где: R_ит – нормативное сопротивление (призменная прочность) бетона осевому сжатию (табл. 12 [10]);

g_а =0,83 – коэффициент надежности по материалу для бетона [11].

Определяем теплофизические характеристики бетона (п. 3.2.3. [5]):

l_t = 1,3 – 0,00035 × 723 = 1,04 Вт/м × К;

с_t = 481 + 0,84 × 723 = 1088 Дж/кг × К;

м²/с.

Определим суммарную площадь арматурных стержней (п. 3.1.1. [5]):

А_s1 = 1030 мм²;

А_s2 = 200 мм²;

А_s = А_s1 + А_s2 = 1030 + 200 = 1230 мм² = 1230 × 10^{-6 м2}.

Для расчета N_t = f (t) задаемся интервалами времени t₁ = 0 ч; t₁ = 1 ч; t₁ = 2 ч.

Вычисляем N_t при t₁ = 0 ч.

N_t,0 = j_t × (R_bu × b × h + R_su × A_s) = 0,87(18,07 × 0,4 × 0,4 + 433,3 × 1230 × 10^-6) = 3 МН,

где: j_t = 0,87 (п. 3.2.10. [5]) при l₀/b = 6,9/0,4 = 17,2.

Вычисляем N_t при t₂ = 1 ч, предварительно решив теплотехническую часть задачи огнестойкости, т.е. определив температуру арматурных стержней и размеры ядра поперечного сечения колонны.

Определим критерий Фурье:

,

где К = 37,2 с^0,5 (п. 3.2.8. [5]).

Определим относительное расстояние:

,

где х = у = 0,5h – a – 0.5d = 0.5 ∙ 0,4 – 0,031 – 0,5 ∙ 0,018 = 0,16 м.

Определяем относительную избыточную температуру (п. 3.2.4. [5]):

Θ_х = Θ_у = 0,76.

Тогда t_x=0,16,y=0 = t_y=0,16,x=0 = 1250 – (1250 – t_н)Θ = 1250 – (1250 – 20)0,76 = 315˚С.

Определяем температуру арматурных стержней (с учетом всестороннего обогрева колонны):

˚С,

где t_В = 925˚С (п.3.1.3. [5]) или t_В = 345 lg (0.133 τ + 1) + t_H;

С использованием п.3.1.5. [5] интерполяцией определяем γ_st = 0.79.

Для определения размеров ядра поперечного сечения необходимо определить ξ_я,х, предварительно вычислив температуру в центре «ядра»:

t_x=0 = t_y=0 = 1250 – (1250 – t_н)Θ_ц;

Величину Θ_ц определяем по п.3.2.5. [5] при F_ox / 4 = 0.027 / 4 = 0.0067; Θ_ц = 1;

t_x=0 = t_y=0 = 1250 – (1250 – 20)1.0 = 20˚С.

Определяем относительную температуру на границе «ядра» поперечного сечения колонны:

,

где t_bcr = 500˚С при < 4 (п.3.2.6. [5]).

По графику (п.3.2.4. [5]) при F_o,x = 0.027 и Θ_я,х = 0,61 определяем ξ_я,х = 0,19.

Определяем размеры «ядра» поперечного сечения:

м.

Определяем несущую способность колонны через t₂ = 1 ч:

N_t,τ = φ_t (R_buA_я + R_suA_sγ_st) = 0,83(18,07 ∙ 0,36 ∙ 0,36 + 433,3 + 1219 ∙ 10^-6 ∙ 0,79) = 2,2 МН,

где φ_t = 0,83, т.к. l₀ / b_я = 6,9 / 0,36 = 19,1.

Для интервала времени t₃ = 2 ч:

;

ξ = 0,3;

Θ_х = Θ_у = 0,64;

t_x=0,16 = t_y=0,16 = 1250 – (1250 – 20) 0,64 = 463˚С;

˚С;

γ_st = 0.14 (п.3.1.5. [5], табл. 1.2. [12]);

F_ox / 4 = 0.54 / 4 = 0.0135; Θ_ц = 0,995;

t_x=0 = t_y=0 = 1250 – (1250 – 20) 0,995 = 26˚С;

.

По графику (п. 3.2.4. [5]) при F_o,x = 0.054 и Θ_я,х = 0,62 определяем ξ_я,х = 0,27.

м;

N_t,2 = 0,79(18,07 ∙ 0,326 ∙ 0,326 + 433,3 + 1219 ∙ 10^-6 ∙ 0,14) = 1,57 МН,

где φ_t = 0,79, т.к. l₀ / b_я = 6,9 / 0,326 = 21,2.

Для определения фактического предела огнестойкости строим график изменения несущей способности колонны от времени нагрева (прил. 2 рис. 8) при:

τ₁ = 0 N_t1 = 2,98 МН;

τ₂ = 1 ч N_t2 = 2,30 МН;

τ₁ = 2 ч N_t3 = 1,57 МН.

По графику (прил. 2 рис. 8) фактический предел огнестойкости

П_ф = 1,3 ч.

 

Проверка соответствия огнестойкости и пожарной опасности строительных конструкций противопожарным требованиям и предлагаемые технические решения по повышению их огнестойкости

 

Для каждого пожарного отсека проверяемого здания в первом разделе были определены нормативные показатели огнестойкости и пожарной опасности.

Фактические пределы огнестойкости некоторых строительных конструкций здания были определены расчетным методом. Для того, чтобы проверить соответствие строительных конструкций и здания в целом требованиям норм определим фактические пределы огнестойкости остальных конструкций с использованием пособия [8].

 

Определение фактического предела огнестойкости сплошных плит перекрытия

 

В соответствии с исходными данными (прил.1 табл.7) по табл.8 [8] определяем, что фактический предел огнестойкости и фактический предел распространения пламени по конструкции соответственно составляют: П_ф = 1,1 ч и ввиду того, что конструкция является негорючей, то фактический класс пожарной опасности конструкций в соответствии с табл. 1 [4] принимаем К0.

 

Определение фактического предела огнестойкости железобетонных ригелей перекрытия

 

В соответствии с исходными данными (прил.1 табл.8) по табл.6 [8] определяем, что фактический предел огнестойкости и фактический предел распространения пламени по конструкции соответственно составляют: П_ф = 1 ч и ввиду того, что конструкция является негорючей, то фактический класс пожарной опасности конструкций в соответствии с табл. 1 [4] принимаем К0.

 

Определение фактического предела огнестойкости железобетонных ребристых плит покрытия

 

В соответствии с исходными данными (прил.1 табл.9) по табл.8 [8] определяем, что фактический предел огнестойкости и фактический предел распространения пламени по конструкции соответственно составляют: П_ф = 2 ч и ввиду того, что конструкция является негорючей, то фактический класс пожарной опасности конструкций в соответствии с табл. 1 [4] принимаем К0.

 

Определение фактического предела огнестойкости кирпичных

несущих стен

 

В соответствии с исходными данными (прил.1 табл.10) по табл.10 [8] определяем, что фактический предел огнестойкости и фактический предел распространения пламени по конструкции соответственно составляют: П_ф < 0,5 ч и ввиду того, что конструкция является негорючей, то фактический класс пожарной опасности конструкций в соответствии с табл. 1 [4] принимаем К0.

Сравниваем данные о требуемых (допустимых) (см. табл. 1.1, 1.2) и фактических значениях параметров огнестойкости всех строительных конструкций здания.

Строительные конструкции соответствуют требованиям норм по пределу огнестойкости при соблюдении условия:

П_ф≥П_тр,

где: П_ф – фактический предел огнестойкости, мин;

П_тр – требуемый предел огнестойкости, мин.

Предусмотренные проектом строительные конструции отвечают требованиям норм по классу пожарной опасности, если их класс пожарной опасности К_ф соответствует классу пожарной опасности, установленному нормами К_тр, и в случае, если проектом предусматривается использование менее пожароопасных строительных конструкций.

 

Для удобства все данные внесем в таблицу (см. табл. 5.1 и 5.2.)

Таблица 5.1.

Проверка соответствия показателей огнестойкости и пожарной опасности строительных конструкций и первого противопожарного отсека здания противопожарным требованиям норм

Вид основных конструк-ций	Требуется (допускается) СНиП	Ссылка на нормы	Принято в проекте	Основание	Вывод о соответствии
Отр	Стр	Птр, мин	Ктр	Пф	Кф	Сф	Оф
Несущие стены	IV	C0	R 15	K 0	таб. 5 [2]; таб. 4* [1]; таб. 5* [1]		K 0	С0	I	Т. 10 [8]	Соотв.
Колонны	R 15	K 0	То же		K 0	С0	III	По расчету	Соотв.
Балки (ри гели) перекры-тий	R 15	K 0	То же		K 0	С0	I	Т. 6 [8]	Соотв.
Плиты перекры-тий с круглыми пустотами	REI15	K 0	То же	51,6	K 0	С0	II	По расчету	Соотв.
Металли-ческие фермы покрытия	R 15	K 0	То же	7,8	K 0	С0	V	По расчету	Не соотв.
Ребристые плиты покрытия	RE 15	K 0	То же		K 0	С0	I	Т. 8 [8]	Соотв.

Таблица 5.2.

Проверка соответствия показателей огнестойкости и пожарной опасности строительных конструкций и второго противопожарного отсека здания противопожарным требованиям норм

Вид основных конструк-ций	Требуется (допускается) СНиП	Ссылка на нормы	Принято в проекте	Основание	Вывод о соответствии
Отр	Стр	Птр, мин	Ктр	Пф	Кф	Сф	Оф
Несущие стены	IV	C0	R 15	K0	таб. 1 [3]; таб. 4* [1]; таб. 5* [1]		K 0	С0	I	Т. 10 [8]	Соотв.
Колонны	R 15	K0	То же		K 0	С0	III	По расчету	Соотв.
Деревян-ные балки покрытия	R 15	K0	То же	46,2	K 3	С2	I	По расчету	Не соотв.
Ребристые плиты покрытия	RE 15	K0	То же		K 0	С0	I	Т. 8 [8]	Соотв.

На основании данных, приведенных в табл. 5.1 можно сделать вывод о необходимости разработки технических решений для повышения огнестойкости металлической фермы покрытия первого пожарного отсека и деревянной балки покрытия второго пожарного отсека.

 

Выбор и обоснование способа огнезащиты металлической фермы покрытия

 

Без технико-экономического расчета в качестве способов огнезащиты можно принять следующие: нанесение вспучивающейся краски, фосфатного покрытия, штукатурки и другие.

На графиках (п. 1.11.1 – 1.11.3 [5]) показано изменение температуры нагрева элементов фермы различной толщины, обработанных огнезащитным покрытием. Поэтому для определения фактического предела огнестойкости защищенной конструкции П_фз необходимо иметь данные о t_cr (t_cr = 420 С° (табл. 2.2)) и рассчитать приведенную толщину стальной пластины (берем элемент Р2):

мм.

Эффективность огнезащитного средства оценивается отношением фактического предела огнестойкости защищенной конструкции П_фз к аналогичному показателю для незащищенной конструкции П_ф, то есть

.

Эффективность огнезащитного средства оценивается также с экономической точки зрения (величина защитного слоя покрытия, его стоимость, способ нанесения, условия эксплуатации и т.д.).

Результаты расчетов сведем в таблицу 5.3.

Таблица 5.3.

Оценка эффективности огнезащитных покрытий

Вид огнезащиты	Толщина слоя покрытия dс, мм	Пфз, мин	Пф, мин	К	Вывод
ОФП				7,5
ОВПФ-1			8,3	Более подходящее
ОВП-2
ЦПШ			7,5
ГПШ			9,1
ЦП-СШ			4,5

Примечания: 1. ОФП – огнезащитное фосфатное покрытие (п. 1.11.3 [5]);

2. ОВПФ-1 – огнезащитное вспучивающееся покрытие фосфатное (там же);

3. ОВП-2 - огнезащитное вспучивающееся покрытие (там же);

4. ЦПШ – цементно-перлитовая штукатурка (1.11.1б [5]);

5. ГПШ – гипсо-перлитовая штукатурка (п.1.11.1а [5]);

6. ЦП-СШ – цементно-песчаная штукатурка (п.1.11.2 [5]).

 

Требуемый предел огнестойкости фермы составляет 0,25 ч или 15 мин (табл.1.1). Как видно из таблицы 5.1 любое из огнезащитных покрытий сможет обеспечить выполнение условия пожарной безопасности. Однако, имея толщину слоя 8 мм, покрытие ОВПФ-1 является наиболее эффективным с экономической точки зрения.

Таким образом, П_ф = 50 мин, что удовлетворяет требованиям.

 

Выбор и обоснование способа огнезащиты деревянной балки покрытия и узлов соединения

 

Огнезащиту конструкций из древесины можно осуществить с помощью покрытия их огнезащитными красками, обмазками, глубокой пропиткой антипиренами, а также оштукатуривания с толщиной штукатурки не менее 2 см и другими способами. В данном случае предусматриваем конструктивную защиту балок негорючими или трудногорючими листовыми материалами.

Рекомендуется для этих целей использовать гипсокартонные листы, пределы огнестойкости перегородок из которых следующие (п.2.6 [5]):

 

14 мм П_ф = 0,25 ч;

2 х 14 мм П_ф = 0,70 ч;

3 х 14 мм П_ф = 1,25 ч;

4 х 14 мм П_ф = 1,60 ч.

 

Так как предел огнестойкости деревянной балки соответствует требованиям норм (табл. 5.1), поэтому достаточно использовать гипсокартонные литы толщиной 14 мм, что позволит привести в соответствие фактический класс пожарной опасности данной конструкции К_ф классу пожарной опасности, установленному нормами К_тр = К0.

Стальные элементы в опорных узлах балок не воспринимают усилия, а служат для фиксации конструкций в проектном положении. Время потери несущей способности незащищенных стальных креплений, согласно [8] составляет 0,5 часа.

Выход из строя в условиях пожара этих элементов может привести к потере балками своего проектного положения. Поэтому необходимо защищать эти элементы от прямого воздействия высоких температур. Открытие стальные детали защищаем вспучивающейся огнезащитной краской, либо закрываем трудносгораемыми или несгораемыми материалами (цементно-стружечными плитами, антипирированными досками, древесно-стружечными плитами с покрытием ОФП-9 и т.д.).