Огнестойкость строительных конструкций профессор Фёдоров Виктор Сергеевич
1 Актуальность В Российской Федерации за один год в среднем происходит 250 тыс. пожаров, уничтожается ценностей на 44 млрд. руб., погибает свыше 18 тыс. человек и ещё большее количество людей получают травмы. Практика показывает, что отрицательным результатом технического прогресса является возрастание числа пожаров различной сложности.
2 Пожар в здании Всемирного торгового центра в Нью-Йорке (2001 г.) При проектировании был проведён расчёт на прочность от удара самолёта (Боинг-707, вес 150 т). Каждая башня выдержала удар самолёта Боинг-767, который весил примерно на 30 т больше. Пожар начался от разлива топлива из баков самолётов, которые были заполнены на 70 %. Температура 1000…1200°С вызвала быстрый нагрев стальных элементов каркаса на этаже, потерю ими несущей способности и в результате - лавинообразное разрушение башен (соответственно через 103 и 62 минуты после удара).
3 Пожар и его опасные факторы Пожар – неконтролируемое горение, приводящее к ущербу. На развитие пожара влияют следующие факторы: пожарная (тепловая) нагрузка, то есть общее количество сгораемых материалов в помещении; воздухообмен (площадь помещения, площадь и количество проёмов); природа материала ограждающих и несущих конструкций. Опасные факторы пожара: высокая температура (до °С); задымление; изменение состава газовой среды.
4 Долговечность и огнестойкость конструкций Долговечность – способность конструкций сохранять экспоуатационные функции в течение заданного срока службы. Огнестойкость – способность конструкции при пожаре сохранять несущие и (или) ограждающие функции при пожаре. Характерна общность физических процессов утраты экспоуатационных качеств конструкциями. Основной фактор пожара – высокая температура интенсифицирует процессы утраты несущей способности вплоть до разрушения в течение десятков минут. А – износ: 1 – обычные условия; 2 – полная утрата возможности экспоуатации; 3 – то же, частичная. Б – долговечность: I – в обычных условиях; II-IV – при пожаре; В – утрата прочности: 1 – в обычных условиях; 2- 3 – при пожаре. 0 нач. 0 экспо.
5 Температурные режимы пожаров Стандартный температурный режим теплового воздействия на конструкцию T = 345 lg (8t + 1) + 20; T – температура, °С; t – время, мин. 1 – стандартное огневое воздействие при определении предела огнестойкости конструкций; 2 – режим пожара в тоннелях; 3 – режим пожара в зданиях и сооружениях нефтеперерабатывающей промышленности; 4 – режим пожара в подвальном помещении; 5 – режим пожара в жилом помещении с различной площадью проёмов (5 а) – 2 м 2 ; (5 б) – 1,5 м 2 ; (5 в) – 1,0 м 2.
6 «Жёсткое» и «гибкое» противопожарное нормирование «Жёсткое» нормирование Предел огнестойкости конструкции определяется только по режиму стандартного воздействия, что не позволяет оптимизировать соотношение между степенью защиты и уровнем затрат на защиту; «Гибкое» нормирование (объектно-ориентированное) Предел огнестойкости определяется исходя из реального режима пожара, с учётом физико-химических и пожароопасных свойств материалов, а также конструктивных и объёмно-планировочных решений здания; требования огнестойкости соответствуют реальным условиям работы конструкций в конкретном здании; Учёт особенностей воздействия реального пожара позволяет проектировать конструкции с заданным уровнем безопасности при пожаре и заданной степенью сохранности экспоуатационных качеств (живучести) после пожара, оптимизировать затраты на обеспечение требуемой огнестойкости, а в некоторых случаях – повысить уровень пожарной безопасности.
7 Температурные режимы пожаров S i – сечения конструкций с заданным процентом армирования N н – нормативная нагрузка; N Rti0 - начальное значение несущей способности; N Rti - несущая способность при тепловом воздействии. Определение эквивалентной продолжительности пожара по потере несущей способности конструкции
8 Переход от «реального» пожара к стандартному 1, 2, 3 – кривые прогрева защитных слоёв, соответственно толщиной 1 ; 2 ; 3 ; t – время прогрева слоёв до максимальных температур T max стандартное температурное воздействие время T
9 Степень огнестойкости здания согласно СНиП * определяется показателями огнестойкости и пожарной опасности конструкций; Здесь заложено противоречие в определении степени огнестойкости для проектирования, так как её нормирование в зависимости от пожарно- технических характеристик здания является первичным относительно пределов огнестойкости и классов пожарной опасности конструкций. согласно стандарту ИСО нормируемая степень огнестойкости здания устанавливается в зависимости от назначения, количества этажей, площади пожарных отсеков, тепловой нагрузки и т.д.
10 Пределы огнестойкости конструкций Предел огнестойкости строительных конструкций, не менее Степень огнестойкости здания Несущие элементы здания Наружные ненесущие стены Перекрытия междуэтажные Элементы бесчердачных покрытий Лестничные клетки (в том числе чердачные и над подвалами) Настилы (в том числе с утеплителем) Фермы балки прогоны Внутренние стены Марши и площадки лестниц IR 120Е З0Е З0RЕI 60RЕ 30R 30RЕI 120R 60 IIR 45Е 15RЕI 45RЕ 15R 15RЕI 90R 60 IIIR 45E 15RЕI 45RЕ 15R 15RЕI 60R 45 IVR 15Е 15RЕI 15RЕ 15R 15RЕI 45R 15 Vне нормируется Таблица 4* СНиП *
11 Класс пожарной опасности конструкций Класс пожарной опасности строительных конструкций, не ниже Класс конструктивной пожарной опасности здания Несущие стержневые элементы (колонны, ригели, фермы и др.) Стены наружные с внешней стороны Стены, перегород ки, перекрытия и бесчердачные покрытия Стены лестнич ных клеток и противопожарные преграды Марши и площадки лестниц в лестничных клетках С0К0К0К0К0К0К0К0 С1К1К2К1К0К0К0 С2КЗ К2К1 СЗНе нормируетсяК1КЗ Таблица 5* СНиП * При установлении класса пожарной опасности учитываются: наличие теплового эффекта от горения; наличие пламенного горения газов; размеры и характер повреждений; характеристики пожарной опасности материалов, составляющих конструкцию.
12 Огнестойкость железобетонных конструкций Следует различать понятия: потеря огнестойкости СК- потеря способности конструкции сохранять свои функции при пожаре. Определяется временем от начала огневого воздействия «реального» пожара до момента потери огнестойкости; предел огнестойкости СК от начала огневого стандартного воздействия до возникновения предельного состояния – нормативная величина. Основные факторы, определяющие огнестойкость железобетонных конструкций: вид бетона и его физико-механические характеристики, включая влажность; форма и размеры элементов; статическая схема; условия нагрева и тепловая нагрузка.
13 Аналитическая аппроксимация температурных зависимостей основных параметров диаграмм термомеханического состояния бетона Коэффициент снижения прочности бетона при нагреве: Коэффициент снижения начального модуля деформаций бетона при нагреве: где t b,i – температура нагрева бетона; t 0 – начальная температура (t 0 = 20 С);,, m, n – опытные параметры; 1000 – размерный коэффициент. Температурные деформации бетона: где, p, – опытные параметры. Тяжёлый бетон на известняковом заполнителе
14 Диаграмма термомеханического состояния бетона Предлагаемое выражение позволяет Использовать в расчёте непосредственно коэффициенты секущего модуля; Описывать единой зависимостью восходящую и нисходящую ветвь; Учитывать изменение характера нелинейности диаграмм при их трансформации без применения дополнительных опытных коэффициентов. Диаграммы деформирования бетона при различных температурах нагрева, построенные по предлагаемой методике (бетон тяжёлый класса В20 на гранитном заполнителе)
15 При однородном напряжённом состоянии: При неоднородном напряжённом состоянии: Функциональные зависимости для описания диаграмм деформирования бетона Уравнение связи между напряжениями и деформациями бетона: Функциональная зависимость для коэффициента секущего модуля : Уровень деформаций: Параметр нелинейности диаграммы k t определяется из условия, что в вершине диаграммы коэффициент секущего модуля равен своему предельному значению: Показатель m определяется из условия, что угол наклона касательной в вершине диаграммы равен нулю: Тогда выражение для коэффициента секущего модуля: Максимальный уровень деформаций:
16 Огнестойкость железобетонных конструкций Предел огнестойкости изгибаемых и внецентренно сжатых железобетонных конструкций по несущей способности определяется нагревом рабочей растянутой арматуры до критической температуры. Критическая температура – это температура, при которой её сопротивление снизится до величины напряжений от внешней нагрузки. А – расчётная схема; Б – решение теплотехнической задачи; В – решение статической задачи.
17 Влияние размеров элемента и вида бетона Характеристика конструкций Размеры, см Предел огнестойкости, мин из тяжёлого бетона из лёгкого бетона (1200 кг/м 3 ) Плиты, опёртые по двум сторонам при толщине защитного слоя а а = 15 а = 35 а = 60 а = 70 а = 10 а = 30 а = 50 а = 55 R30 R90 R150 R180 Колонны шириной b и толщиной защитного слоя а при воздействии огня со всех сторон b = 150; а = 10 b = 240; а = 35 b = 400; а = 50 b = 450; а = 50 b = 150; а = 10 b = 190; а = 35 b = 320; а = 40 b = 360; а = 40 R30 R90 R150 R180 Для несущих конструкций высотных зданий установлен предел огнестойкости R240 (4 часа)
18 Огнестойкость железобетонных конструкций
19 Огнестойкость железобетонных конструкций мм для предохранения от образования и развития начальных трещин при изготовлении; мм (противооткольная сетка). Это требует специальных исследований по величине расположения сетки мм сетка 3-5 мм основная сетка Поперечный разрез плиты перекрытия
20 Огнестойкость статически неопределимых железобетонных конструкций Предел огнестойкости статически неопределимых конструкций выше, чем у статически определимых. Отношение площади арматуры над опорой к площади арматуры в пролёте Увеличение предела огнестойкости изгибаемого статически неопределимого элемента, %, по сравнению с пределом огнестойкости статически определимого элемента 0,2510 0, При тепловом воздействии изменяются жёсткостные характеристики сечений элементов, что приводит к перераспределению усилий от нагрузки
21 Исходные гипотезы и основные соотношения деформационной модели термосилового сопротивления нормальных сечений железобетонных элементов Статические Элемент может испытывать растяжение (или сжатие) от действия продольной силы N и изгиб от действия момента M. На всех стадиях работы элемент находится в состоянии равновесия. Геометрические В качестве закона, определяющего совместность деформаций компонентов сечения, используем гипотезу плоских сечений. Физические Связь между напряжениями и деформациями для каждого компонента сечения остаётся такой же, как и при стандартных испытаниях эталонных образцов. Специфическая гипотеза Полные деформации компонентов сечения, определяемые гипотезой плоских сечений, равны сумме силовых и температурных деформаций, которые считаются независимыми. Общие гипотезы Основные соотношения:
22 Разрешающая система уравнений для определения напряжённо-деформированного состояния неравномерно нагретого железобетонного элемента Разрешающая система уравнений: В более компактном виде: где {F} – вектор внешних сил; [D] – матрица жёсткости элемента; {u} – вектор обобщённых деформаций элемента: t – линейная деформация, t – угловая деформация; {B} – вектор температурных усилий. Осевая B t и изгибная D t жёсткости элемента определяются как отношение действующего усилия к соответствующим силовым деформациям:
23 Блок «Определение НДС нормальных сечений» Алгоритм расчётной оценки огнестойкости железобетонных конструкций Момент времени = Блок «Расчёт температурных полей» Теплофизический расчёт сечения методами технической теории теплопроводности Блок «Расчёт температурных полей» Теплофизический расчёт сечения методами технической теории теплопроводности Блок «Свойства бетона и арматуры при нагреве» Определение основных параметров диаграмм термомеханического состояния бетона и арматуры Блок «Свойства бетона и арматуры при нагреве» Определение основных параметров диаграмм термомеханического состояния бетона и арматуры Блок «Исходные данные» Дискретные геометрические характеристики сечения Начальные характеристики и температурные параметры бетона и арматуры Внутренние усилия (M, N) Интервал между исследуемыми моментами времени нагрева ( ) Блок «Исходные данные» Дискретные геометрические характеристики сечения Начальные характеристики и температурные параметры бетона и арматуры Внутренние усилия (M, N) Интервал между исследуемыми моментами времени нагрева ( ) Блок «Уточнение внутренних усилий» Критерий сходимости выполняется Определение деформаций элемента и уточнение коэффициентов секущего модуля бетона и арматуры Блок «Оценка перемещений» Да Статический расчёт конструкции с учётом фактических жёсткостных характеристик Нет Критерий сходимости выполняется Да Нет Перемещения превышают предельно допустимые Да Нет Решение о прекращении итерационного процесса Да Нет Определение перемещений характерных точек конструкции Расчёт напряжений в сечении, определение жёсткостных характеристик элементов Предел огнестойкости конструкции ( – ) u Предел огнестойкости конструкции ( – ) u Момент времени = + Момент времени = +
24 Огнестойкость металлических конструкций Предел огнестойкости несущих металлических конструкций зависит от величины теплозащиты и от приведённой толщины металла пр = A/U. Характеристика конструкций Размеры, см Предел огнестойкости, мин Стальные балки и колонны без огнезащиты с приведённой толщиной металла t red t red = 0,5 t red = 1,5 t red = 3,0 R9 R18 R27 Стальные балки перекрытий при огнезащите по сетке слоем бетона толщиной а а = 1 а = 2 а = 3 R45 R90 R150 Известково-цементная штукатурка толщ. 15 мм Гипсовая штукатурка толщ. 10 мм Вермикулитовая штукатурка и минеральное волокно толщ. 10 мм Эквивалентны 10 мм защитного слоя бетона
25 Структура курса «Огнестойкость строительных конструкций» Лекции (28 часов) Лекции (28 часов) Блок 1 – Основы обеспечения огнестойкости строительных конструкций и зданий Блок 2 – Основы расчётной оценки огнестойкости конструкций и зданий Практические занятия (14 часов) Практические занятия (14 часов) Самостоятельная работа (14 часов) Самостоятельная работа (14 часов) ЗАЧЁТ
26 Тематическое содержание лекционного курса: Блок 1 – Основы обеспечения огнестойкости строительных конструкций и зданий Понятие о пожарной опасности и пожарной безопасности зданий Последствия воздействия пожаров на здания Температурные режимы пожаров Понятие об огнестойкости строительных конструкций и зданий Огнестойкость строительных конструкций как базовый элемент противопожарной защиты строительных объектов Технические, экономические и социально-психологические аспекты проблемы обеспечения огнестойкости строительных конструкций Экспериментальная и расчётная оценка огнестойкости конструкций Факторы, определяющие поведение строительных конструкций при пожаре Экспериментальные данные об огнестойкости железобетонных, каменных, металлических и деревянных конструкций Влияние совместной работы конструкций в составе несущей системы здания на их огнестойкость
27 Тематическое содержание лекционного курса: Блок 2 – Основы расчётной оценки огнестойкости конструкций и зданий Теплотехническая и статическая задачи расчёта огнестойкости Основы расчёта температурного режима пожара в помещении Основы расчёта температурных полей в сечениях конструкций при пожаре Влияние высокой температуры на физико-механические свойства бетона, строительной стали и древесины Статический и кинетический подходы к оценке влияния высокой температуры прочностные и деформативные свойства материалов Основы расчёта огнестойкости железобетонных, металлических и деревянных конструкций Расчётная оценка огнестойкости проектируемых зданий Особенности расчётной оценки экспоуатируемых и реконструируемых зданий Основы расчётной оценки сохранности железобетонных конструкций после пожара
28 Тематика практических занятий Определение требуемой степени огнестойкости здания и требуемых пределов огнестойкости основных несущих конструкций - 2 ч. Расчёт температурных полей в сечениях типовых железобетонных конструкций при пожаре (теплотехническая задача). Определение критических температур нагрева арматуры. Расчёт толщины слоя бетона, прогретого до критической температуры - 2 ч. Расчётная оценка огнестойкости железобетонных плит и колонн на основе прочностных и деформационных критериев (статическая задача). Метод критических температур, метод приведённого сечения, метод критических деформаций, диаграммный метод – 6 ч. Расчёт огнестойкости стальных и деревянных конструкций – 4 ч. Всего: 14 ч.
29 Перечень тем для самостоятельной работы Оценка огнестойкости строительных конструкций с учётом реального режима воздействия пожара Преимущества и перспективы объектно-ориентированной оценки огнестойкости конструкций и зданий Причины и закономерности изменения физико-механических свойств материалов при нагреве Конструктивные мероприятия, способствующие повышению огнестойкости строительных конструкций Прочность и деформативность железобетонных конструкций, повреждённых пожаром Методы решения теплотехнической задачи расчёта огнестойкости железобетонных конструкций Методы и средства огнезащиты металлических конструкций
30 Рекомендуемая литература СНиП *. Пожарная безопасность зданий и сооружений. Нормы проектирования / Госстрой России. – М.: ГУП ЦПП, ГОСТ Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. – Взамен СТ СЭВ ; Введ МДС Методические рекомендации по расчёту огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций. Второе издание. – М.: ГУП НИИЖБ, – 92 с. Фёдоров В.С. Основы обеспечения пожарной безопасности зданий. – М.: Изд-во АСВ, – 176 с. Ройтман В.М. Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируемых зданий. – М.: Асс. «Пожарная безопасность и наука», – 382 с. Огнестойкость строительных конструкций / И.Л. Мосалков, Г.Ф. Плюснина, А.Ю. Фролов – М.: Спецтехника, 2001.– 496 с. Яковлев А.И. Расчёт огнестойкости строительных конструкций. – М.: Стройиздат, – 143 с. Милованов А.Ф. Стойкость железобетонных конструкций при пожаре. – М.: Стройиздат, – 304 с.
Вопросы ?
О работе диссертационных советов
33 О работе диссертационных советов Все действующие диссертационные советы работают до 15 ноября 2007 г. Новая сеть диссертационных советов призвана сократить их количество. Предпочтение отдаётся объединённым советам. Основные ошибки и замечания по аттестационным делам, направляемым в ВАК: Содержание работы, научная новизна не соответствуют заявленной специальности; Заключение диссертационных советов не соответствует требованиям Положения ВАК по присуждению учёной степени доктора наук; Отсутствие или недостаточность публикаций в изданиях, рекомендованных в Перечне ВАК; Небрежность оформления документов: несоответствие в комплектах; в документах по-разному указываются место работы, должность, наличие и количество научных трудов; разные формулировки в научной новизне.
34 Пожар на заводе двигателей КАМАЗ (1993 г.) Пожар возник в результате возгорания на понизительной подстанции, встроенной в корпус здания завода двигателей. Распространение огня происходило по кабельной трассе, расположенной в межферменном пространстве, и в течение минут огнём были охвачены значительные площади покрытия. Пожарную нагрузку создавало горение силовых фидеров, содержащих такие материалы, как резина, битум, масло и пластмассу, а также полимерного утеплителя и битумной мастики кровли, которые расплавляясь, проливались с потолка в цех. Огонь распространялся по полу корпуса и попадал в тоннели подвала, где были расположены ёмкости с отработанным машинным маслом и охладительной жидкостью общим объёмом около 2000 м 3. Пожар в надземной части корпуса был ликвидирован в течение 15 часов. Горение машинных масел в подземных тоннелях продолжалось до 19 апреля.
35 m – время начала фазы затухания пожара; - коэффициент условий пожара; V c – скорость снижения температуры среды в фазе затухания реального пожара. Температурный режим «реального» пожара Стадия развития пожара Стадия затухания пожара Температурный режим «реального» пожара может быть получен преобразованием «стандартного» пожара с помощью параметров m,, V c.
36 Построение изотермических диаграмм деформирования бетона при нагреве под нагрузкой 1 – Кривая снижения прочности бетона 2 – Кривая снижения начального модуля деформаций 3 – Кривые развития силовых деформаций 4 – Кривая предельных силовых деформаций 5 – Кривая максимально- граничного состояния 6 – Изотермические диаграммы деформирования Бетон тяжёлый на гранитном заполнителе (опытные данные ВНИИПО) Изотермические диаграммы деформирования при нагреве под нагрузкой Полные деформации Силовые деформации Кривые снижения прочности и начального модуля деформаций бетона
37 Построение нелинейных изотермических диаграмм деформирования арматуры при нагреве под нагрузкой Арматура класса А400 (А-III) (опытные данные ВНИИПО) Изотермические диаграммы деформирования при нагреве под нагрузкой Полные деформации Силовые деформации Температурные зависимости предела упругости и предела текучести
38 Температурные зависимости основных механических характеристик арматуры Основные температурные параметры арматуры класса А400 (A-III) Температурные параметры Характеристики изменения предела текучести c5 u 13,25 Характеристики изменения предела упругости d3 e 12,42 Деформации начала стадии текучести su,t, % 1,25 Коэффициент температурного расширения s,t, 1/ С где t s,j – температура нагрева арматуры; u, e, c, d – опытные параметры; 1000 – размерный коэффициент. Температурные зависимости коэффициентов снижения предела упругости se,tj и предела текучести su,tj арматуры при нагреве: se,t su,t Аналитическая аппроксимация температурных зависимостей параметров su,tj и se,tj арматуры класса А400 (A-III)
39 Аналитическое описание диаграмм деформирования арматуры при нагреве Напряжения предела текучести su,tj и предела упругости se,tj арматуры для данной температуры нагрева: где su,0, se,0 – предел текучести и предел упругости арматуры до нагрева. Деформации se,tj, соответствующие напряжениям предела упругости: Деформации su,t, соответствующие началу стадии текучести арматуры, принимаются не зависящими от температуры нагрева (например, для арматуры класса А-III su,t = 1,25%). Предельный локальный коэффициент секущего модуля на нелинейном участке диаграммыsu,tj : Параметр нелинейности деформирования ks,tj : Температурные деформации арматуры: где s,t – коэффициент температурного расширения Уравнение связи напряжений и деформаций арматуры при нагреве: где s,tj – коэффициент изменения секущего модуля деформаций.
40 Диаграмма термомеханического состояния арматуры Разработанная методика позволяет единообразно описывать связь напряжений и деформаций арматуры любых классов как при нагреве, так и при нормальной температуре Диаграммы деформирования арматуры при различных температурах нагрева, построенные по предлагаемой методике арматура класса А400 (А-III) Выражение для коэффициента s,tj устанавливается различным на каждом из трёх участков изотермической диаграммы: В стадии линейно-упругой работы ( s,tj se,tj ) принимается s,tj = 1, тогда s,tj = s,tj E s. В стадии текучести ( s,tj su,t ) принимается тогда s,tj = su,tj (неограниченный горизонтальный участок). В стадии нелинейной работы ( se,tj < s,tj < su,t ): где,tj – уровень приращения деформаций арматуры по отношению к деформациям предела упругости; s,tj – локальный коэффициент секущего модуля на нелинейном участке.