Статически определимые конструкции

 

Плоские изгибаемые элементы (плиты, настилы, панели)

 

8.9 Плоские изгибаемые железобетонные элементы, как правило, подвергаются одностороннему воздействию пожара снизу.

 

Экспериментально установлено, что разрушение плоских изгибаемых железобетонных плит, шарнирно опертых по двум противоположным сторонам, при одностороннем нагреве снизу происходит в результате образования пластического шарнира в середине пролета из-за снижения нормативного сопротивления арматуры растяжению до рабочих напряжений от нормативной нагрузки. Схема усилий в сечении, нормальном к продольной оси плиты в середине пролета, приведена на рисунке 8.3 а.

 

 

 

Рисунок 8.3 - Схема усилий и эпюра напряжений в сечении, нормальном к продольной оси: балочной плиты в пролете (а) и консольной плиты на опоре (б), обогреваемых с нижней стороны

Момент плоского изгибаемого элемента в состоянии предельного равновесия при воздействии пожара определяют по формуле

 

. (8.10)

При этом высоту сжатой зоны определяют по формуле

 

. (8.11)

В сильно армированных плитах при предельный момент пролетного сечения допускается определять по формуле

 

. (8.12)

Высоту сжатой зоны следует определять по формуле (8.11).

 

8.10 Для статически определимых изгибаемых железобетонных элементов оценка предела огнестойкости по потере несущей способности R может сводиться к определению значения критической температуры нагрева растянутой рабочей арматуры .

 

Критическая температура нагрева арматуры в растянутой зоне изгибаемых железобетонных элементов, при которой образуется пластический шарнир в средней части пролета и наступает предел огнестойкости по потере несущей способности R, ориентировочно равна для арматуры без предварительного напряжения:

 

горячекатаной - 500°С;

 

холоднодеформированной - 400°С.

 

Критическое значение коэффициента условий работы растянутой арматуры при , вычисляют по формулам:

 

при одиночном армировании

 

; (8.13)

при двойном армировании

 

, (8.14)

 

 

где - момент от нормативной нагрузки;

- по формуле (8.11).

 

Зная критическое значение коэффициента условий работы арматуры , в зависимости от класса арматуры по таблице 5.6 определяют критическую температуру нагрева арматуры .

 

Время наступления предела огнестойкости находят по графикам прогрева бетона плит (рисунки А.1 -А.6). На вертикальной оси графика находят значение критической температуры арматуры и проводят горизонтальную прямую до пересечения с кривой нагрева бетона, расположенного на расстоянии, равном расстоянию от оси арматуры до нагреваемой поверхности плиты. Из этой точки опускают перпендикуляр до пересечения с горизонтальной осью и находят длительность стандартного температурного режима пожара в минутах, которая будет соответствовать пределу огнестойкости по потере несущей способности R.

 

8.11 Предел огнестойкости по потере несущей способности R многопустотных плит принимается как для сплошных панелей с коэффициентом 0,9, установленным по результатам испытаний на огнестойкость серий многопустотных плит заводского изготовления. При толщине панелей 150-220 мм, диаметре пустот 80-160 мм и защитном слое до центра арматуры 20-40 мм коэффициенты уменьшения времени прогрева арматуры до критических температур в пустотных плитах колеблются от 0,85 до 0,92. Принятый коэффициент 0,9 является усредненной величиной уменьшения огнестойкости многопустотных панелей по признаку потери несущей способности.

 

Предел огнестойкости по потере несущей способности R многопустотных плит при действии равномерно распределенной нагрузки может наступать за счет образования пластических шарниров, как в пролетном сечении от действия изгибающего момента, так и в опасном наклонном сечении от действия поперечной силы.

 

Момент образования пластического шарнира в середине пролета определяют по формулам (8.10) и (8.12), где вместо ширины ребра b подставляют ширину сжатой полки , и полученное значение момента умножают на 0,9.

 

Расчет огнестойкости при действии изгибающего момента в опасном наклонном сечении производится из условия (8.63) СП 63.13330.2018. Полученное значение момента умножают на коэффициент 0,9.

 

При огневом воздействии момент, воспринимаемый продольной арматурой, пересекающей растянутую зону наклонного сечения, определяют по формуле (8.64) СП 63.13330.2018, где усилие , воспринимаемое анкерующим стержнем арматуры при 32 в зоне анкеровки, определяют по формуле

 

, (8.15)

 

 

где - коэффициент, учитывающий влияние вида поверхности арматуры и равный 1,5 - для гладкой арматуры; 2,0 - для холоднодеформируемой арматуры периодического профиля; 2,5 - для горячекатаной арматуры периодического профиля;

- нормативное сопротивление бетона осевому растяжению, определяемое по формуле (5.2), в которой коэффициент условий работы бетона на растяжение принимают в зависимости от температуры бетона, равной температуре анкерующего стержня на опоре;

 

- нормативное сопротивление арматуры растяжению, определяемое по формуле (5.5), в которой коэффициент условий работы принимают в зависимости от температуры нагрева арматуры в зоне анкеровки при опирании плиты на железобетонный ригель или стену, равной 0,8 , и при опирании на металлическую балку - ;

 

- расстояние от конца анкеруемого стержня до рассматриваемого поперечного сечения плиты, принимаемого в качестве длины анкеровки (не менее 15  и 200 мм), требуемой для передачи усилия в арматуре на бетон;

 

- периметр поперечного сечения анкеруемого стержня, определяемый по его номинальному диаметру;

 

- коэффициент, учитывающий влияние напряженного состояния бетона и арматуры и конструктивного решения элемента в зоне анкеровки на длину анкеровки. При анкеровке стержней периодического профиля с прямыми концами или гладкой арматуры с крюками или петлями без дополнительных анкерующих устройств принимают равным 1,0 для растянутых стержней и равным 0,75 - для сжатых стержней.

 

Момент, воспринимаемый хомутами в пределах растянутой зоны наклонного сечения при огневом воздействии, определяют по формуле (8.65) СП 63.13330.2018.

 

За предел огнестойкости многопустотной плиты принимается минимальное значение из пределов огнестойкости при образовании пластического шарнира в середине пролета и у края наклонной трещины.

 

8.12 Консольные плиты имеют жесткую заделку на одной опоре. При одностороннем огневом воздействии снизу прочность опорного сечения снижается, в основном, за счет нагрева до высоких температур сжатого бетона и, как следствие, уменьшения расчетной высоты сечения (рисунок 8.3, б). Расчетная высота сечения уменьшается на толщину слоя бетона , прогретого до критической температуры.

 

Прочность опорного сечения при действии нормативной нагрузки и огневом воздействии снизу определяют по формуле (8.10), в которой заменяют на , а значение вычисляют по формуле (8.9).

 

Для плит из бетона классов В30 и ниже с ненапрягаемой арматурой, если полученное из расчета по формуле (8.11) значение , допускается производить расчет, принимая высоту сжатой зоны .

 

Стержневые изгибаемые элементы (балки, прогоны, ригели)

 

8.13 При пожаре балки, как правило, подвергаются трехстороннему нагреву с нижней и двух боковых поверхностей. При этом происходит нагрев растянутой и сжатой арматуры, а также бетона сжатой зоны (рисунок 8.4). Разрушение балок происходит за счет образования пластического шарнира в пролете.

 

При оценке предела огнестойкости по потере несущей способности R шарнирно опертой балки прямоугольного сечения определяют по формулам (8.10) и (8.11), в которые вместо b подставляют приведенную ширину балки , вычисленную по формуле (8.2).

 

 

 

а - прямоугольного сечения, б - таврового сечения со сжатой зоной в полке; в - таврового сечения со сжатой зоной в ребре

 

Рисунок 8.4 - Схема усилий и эпюра напряжений, возникающих в сечении, нормальном к продольной оси изгибаемого железобетонного элемента, от трехстороннего огневого воздействия пожара, при расчете на огнестойкость

8.14 Прочность тавровых и двутавровых изгибаемых элементов определяют в зависимости от положения сжатой зоны:

 

а) если граница сжатой зоны проходит в полке (рисунок 8.4, б), т.е. соблюдается условие

 

, (8.16)

 

 

значение определяют по формулам (8.10) и (8.12) как для прямоугольного сечения шириной , где ширина полки , - по формуле (8.3);

б) если граница сжатой зоны проходит в ребре (рисунок 8.4, в), т.е. условие (8.15) не соблюдается, значение определяют по формуле

 

, (8.17)

 

 

при этом высоту сжатой зоны бетона при нагреве определяют по формуле

. (8.18)

8.15 В балках, армированных разными классами сталей, при многорядном армировании арматура рядов разных уровней будет нагреваться неодинаково. В этом случае при значение определяют по формуле

 

. (8.19)

8.16 Критическая температура нижней растянутой арматуры статически определимой балки при определяет наступление предела огнестойкости по потере несущей способности.

 

Критическое значение коэффициента условия работы растянутой арматуры вычисляют:

 

в балках прямоугольного сечения при одиночной арматуре (без учета сжатой арматуры) - по формуле (8.13);

 

в балках прямоугольного сечения с учетом сжатой арматуры - по формуле (8.14);

 

в балках таврового сечения, когда граница сжатой зоны проходит в ребре, по формуле

 

; (8.20)

 

; (8.21)

 

. (8.22)

Значения высоты сжатой зоны при пожаре определяют по формулам (8.11), (8.18), приведенной ширины балки - по формуле (8.2), ширины полки - по формуле (8.3).

 

Зная критическое значение коэффициента условий работы арматуры , в зависимости от класса арматуры, по таблице 5.6 определяют критическую температуру нагрева арматуры , для крайнего стержня арматуры в балке. Зная расстояние от оси арматуры до нижней и боковой поверхностей балки, на графиках прогрева балок (рисунки Б.7 -Б.22) находят ту схему прогрева балки, в которой температура бетона равна критической температуре оси арматуры крайнего стержня. На этой схеме сверху будет указана длительность стандартного пожара, которая соответствует пределу огнестойкости балки по потере несущей способности R.

 

При промежуточных значениях температуры на схемах прогрева балок предел огнестойкости определяется по линейной интерполяции.

 

Сжатые элементы (колонны, стены)

 

8.17 Отдельно стоящие колонны, как правило, подвергаются воздействию пожара с четырех сторон. Колонны, находящиеся в стенах, могут подвергаться огневому воздействию пожара с одной, двух и трех сторон.

 

При расчете огнестойкости колонн ветровые и крановые нагрузки (при их наличии) не учитывают.

 

Огневое воздействие вызывает неравномерное распределение температуры в бетоне по поперечному сечению колонны. Периферийные слои бетона прогреваются значительно больше, чем внутренние, что приводит к снижению прочности и сильному развитию деформаций бетона у краев сечения колонны. Менее нагретый бетон центральной части сечения обладает большей прочностью и меньшей деформативностью. Разрушение колонн происходит по менее нагретому, более прочному бетону при деформации сжатия, близкой к предельной.

 

В арматуре, расположенной у краев сечения колонны, при высоких температурах нагрева развиваются большие пластические деформации, и она перестает воспринимать усилия от внешней нагрузки, которые передаются на менее нагретый бетон в центральной части колонны.

 

8.18 Расчет по прочности при четырехстороннем огневом воздействии прямоугольных сечений внецентренно сжатых колонн с арматурой, расположенной у противоположных в плоскости изгиба сторон сечения, при эксцентриситете продольной силы и гибкости производят по формуле

 

, (8.23)

 

 

где - приведенная площадь сечения, которую определяют по формуле (8.8);

- площадь всей продольной арматуры в сечении.

 

8.19 Коэффициент продольного изгиба колонн прямоугольного и круглого сечений при нагреве следует принимать в зависимости от отношения расчетной длины колонны к приведенным высоте или диаметру по таблице 8.1.

 

Таблица 8.1

	6-12	16	20
	5-10	14	17
для тяжелого бетона	0,90	0,80	0,70
для конструкционного керамзитобетона	0,85	0,68	0,55

 

Площадь приведенного круглого сечения

 

. (8.24)

Приведенную высоту сечения колонны определяют по формуле (8.5) или (8.7).

 

Глубину прогрева бетона для круглой колонны находят по рисунку 8.2, принимая , и найденное значение умножают на коэффициент 1,11.

 

8.20 Расчет по прочности прямоугольных сечений внецентренно сжатых колонн при огневом воздействии производят из условия

 

. (8.25)

Высоту сжатой зоны определяют по формуле (рисунок 8.5)

 

при

; (8.26)

 

 

при

. (8.27)

При четырехстороннем воздействии пожара приведенную рабочую высоту сечения определяют по формуле .

 

Приведенную ширину в формулах (8.25)-(8.27) определяют по формуле (8.2).

 

 

 

а - при трехстороннем; б - при четырехстороннем обогреве и расчете на огнестойкость

 

Рисунок 8.5 - Схема усилий и эпюра напряжений в сечении, нормальном к продольной оси внецентренно сжатого железобетонного элемента

8.21 Эксцентриситет или расстояние от точки приложения продольной силы до центра тяжести сечения растянутой или менее сжатой арматуры колонны при огневом воздействии определяют по формуле

 

, (8.28)

 

 

Первые два слагаемых в формуле (8.28) определяются по пункту 8.1.14 СП 63.13330.2018  с учетом изменения прочностных и деформативных характеристик бетона и арматуры при нагреве. При этом модуль упругости бетона определяют по формуле (5.3) в центре тяжести приведенного сечения, модуль упругости арматуры - по формуле (5.7).

- дополнительный эксцентриситет (или прогиб) от огневого воздействия при одно-, двух- или трехстороннем неравномерном нагреве по высоте сечения внецентренно сжатой колонны определяют по формуле

 

. (8.29)

При четырехстороннем нагреве 0.

 

Для колонн с несмещающимися заделками на двух концах (без поворота) ; а =0,55.

 

Для колонн с несмещающимися заделками на двух концах с податливым ограниченным поворотом ; а =0,7.

 

Для колонн с шарнирными опорами на двух концах ; а =1,0.

 

Коэффициент принимают по таблице 5.3 в зависимости от температуры бетона менее нагретой сжатой грани сечения и - по таблице 5.7 в зависимости от температуры арматуры у нагреваемой грани.

 

8.22 Эксцентриситет, или расстояние от точки приложения продольной силы до центра тяжести сечения растянутой или менее сжатой арматуры колонны при четырехстороннем огневом воздействии, допускается определять по формуле

 

, (8.30)

 

 

где - определяют по формуле (12.7);

- по формуле (8.125) СП 63.13330.2018  с учетом формулы (12.6).

 

8.23 Расчет огнестойкости колонн при косвенном армировании следует выполнять по формуле (8.23) или (8.25), подставляя в них вместо приведенную призменную прочность бетона , определенную с учетом влияния огневого воздействия на нормативные сопротивления арматурной стали сетки или спирали.

 

8.24 Железобетонные несущие стены сплошного сечения гибкостью 83 ( 24) при одностороннем огневом воздействии, с жесткими несмещаемыми опорами, когда продольная сжимающая сила приложена с начальным или случайным эксцентриситетом со стороны обогреваемой поверхности, работают на внецентренное сжатие. Предел огнестойкости по потере несущей способности наступает при прогибе стены, направленном в необогреваемую сторону.

 

Прогиб от неравномерного нагрева стены по высоте сечения в расчете не учитывают, так как он направлен в обогреваемую сторону и уменьшает эксцентриситет приложения продольной сжимающей силы.

 

8.25 При одностороннем огневом воздействии и с жестким опиранием стены прочность внецентренно сжатых плоских элементов при приложении продольной силы с большим эксцентриситетом (рисунок 8.6), когда , определяют по формулам (8.25)-(8.27), в которых вместо принимают b =1000 мм.

 

 

 

а - расчетные размеры стены; б - схема разрушения стены при одностороннем огневом воздействии; в - схема сечения стены при расчете огнестойкости

 

Рисунок 8.6 - Железобетонная стена с ограниченным поворотом опорных сечений

8.26 В условиях пожара двухсторонний обогрев железобетонной стены не всегда происходит. В случае одновременного нагревания с двух сторон в железобетонной стене практически не возникает температурного прогиба (эксцентриситета ), и стена работает на сжатие. Предел огнестойкости по потере несущей способности R такой стены будет выше, чем при одностороннем нагреве.

 

Растянутые элементы

 

8.27 В несущих конструкциях ферм и арок присутствуют железобетонные элементы, которые работают на центральное и внецентренное растяжения. Как правило, эти элементы во время пожара обогреваются со всех сторон.

 

8.28 Оценку предела огнестойкости по потере несущей способности R растянутых прямоугольных железобетонных элементов при всестороннем огневом воздействии производят из условия

 

, (8.31)

 

 

где - продольная растягивающая сила от нормативной внешней нагрузки;

- предельное значение продольной силы, которое может быть воспринято элементом, определяемое по формуле

 

при центральном растяжении

 

, (8.32)

 

 

где - площадь сечения всей продольной растянутой арматуры;

при внецентренном растяжении и продольной силе, приложенной между усилиями в арматуре S и S’ (рисунок 8.7 а)

 

; (8.33)

 

; (8.34)

при продольной силе, приложенной за пределами расстояния между усилиями в арматуре S и S’ (рисунок 8.7, б)

 

. (8.35)

 

 

а - продольная сила приложена между усилиями в арматуре и ; б - продольная сила приложена за пределами расстояния между усилиями в арматуре и

 

Рисунок 8.7 - Схема усилий и эпюра напряжений в сечении, нормальном к продольной оси внецентренно растянутого железобетонного элемента, при четырехстороннем воздействии пожара при расчете огнестойкости

Высота сжатой зоны при нагреве равна

 

. (8.36)

Если , в формулу (8.39) подставляют .

 

Эксцентриситет продольной силы или расстояние е от растягивающей продольной силы до равнодействующей усилий в арматуре определяют по формуле (8.28) без коэффициента , так как нет дополнительного продольного изгиба от растягивающей силы, и без дополнительного эксцентриситета продольной силы , так как при всестороннем огневом воздействии нет дополнительного выгиба от неравномерного нагрева.

 

Железобетонные элементы при действии поперечных сил

 

8.29 Расчет огнестойкости по потере прочности железобетонных элементов при действии поперечных сил в условиях огневого воздействия проводят на основе модели наклонных сечений по 8.1.31-8.1.34 СП 63.13330.2018. При этом в формулах вместо значения b принимают значение (рисунок 8.8), определяемое по формуле (8.2). Значения коэффициентов условий работы и принимают по средней температуре бетона поперечного сечения.

 

 

 

Рисунок 8.8 - Схема усилий при расчете железобетонных элементов по наклонному сечению на действие поперечных сил при трехстороннем нагреве

Расчет железобетонных элементов на продавливание

 

8.30 При одностороннем воздействии пожара снизу расчет на продавливание плоских железобетонных элементов (плит) производят согласно 8.1.46 СП 63.13330.2018  с учетом нормативных сопротивлений растяжению бетона и поперечной арматуры .

 

Учет влияния высокотемпературного воздействия на бетон производят по формуле (5.2). При этом значение коэффициента условий работы бетона на растяжение при нагреве принимают по среднеарифметическому значению средних температур нагрева бетона элементарных участков, на которые разбивают сечение плиты по высоте (рисунок 8.9).

 

Учет влияния высокотемпературного воздействия на поперечную арматуру производят по формуле (5.9). Коэффициент условий работы арматуры при нагреве принимают по таблице 5.6 для максимального значения температуры поперечной арматуры.

 

 

 

1 - расчетное поперечное сечение; 2 - контур расчетного поперечного сечения; 3 - температурная кривая нагрева бетона по высоте плиты; 4 - средняя температура элементарного участка; 5 - пирамида продавливания

 

Рисунок 8.9 - Условная модель для расчета плиты на продавливание при одностороннем огневом воздействии снизу