Особенности расчета фактических пределов огнестойкости сталежелезобетонных строительных конструкций
A.Н. ДМИТРИЕВ,
начальник Управления научно-технической политики
в строительной отрасли Департамента градостроительной политики,
развития и реконструкции г. Москвы, д-р техн. наук, проф.
Н.Ф. ДАВЫДКИН,
д-р техн. наук (НПКЦ «Интерсигнал»)
B.Л. СТРАХОВ,
д-р техн. наук (НПКЦ «Интерсигнал»)
Реализация планов высотного строительства в соответствии с городской программой «Новое кольцо Москвы», строительство ММДЦ «Москва-Сити» потребовали разработки нормативной базы, которая могла бы стать основой для проектирования высотных зданий не только в Москве, но и в России в целом [1]. В этой связи представляется целесообразным использование при проектировании строительных конструкций прогрессивной методики расчета их огнестойкости, основные положения которой рассматриваются в данной статье.
Необходимо также отметить, что развитие инфраструктуры городов, эффективное функционирование современного городского хозяйства неразрывно связаны с интенсивным освоением подземного пространства, в частности, с сооружением тоннелей различного назначения [2].
При строительстве уникальных зданий и сооружений (высотные здания, многофункциональные комплексы и т.п.), а также тоннелей широкое применение находят крупногабаритные железобетонные конструкции, внутри которых, наряду со стержнями гибкой стальной арматуры, располагаются элементы так называемой «жесткой» арматуры - стальные прокатные профили (полосы, двутавры, швеллеры и пр.). Строительные конструкции такого типа называют «сталежелезобетонными».
К числу главных задач, решаемых при проектировании строительных конструкций, помимо обеспечения их достаточной несущей способности в условиях обычной эксплуатации, относится выполнение условия их достаточной огнестойкости при пожаре. Фактические пределы огнестойкости строительных конструкций определяют как экспериментально (в огневых печах), так и расчетом.
Ввиду больших размеров, сложной пространственной формы и высокой степени нагруженности сталежелезобетонных конструкций экспериментальное определение их фактических пределов огнестойкости не представляется возможным. С этой целью целесообразно использовать разработанную НПКЦ «Интерсигнал» в содружестве с ведущими научно-исследовательскими и проектными институтами расчетную методику, основные положения которой описаны в работах [3-7 и др.]. Основой для ее создания послужили результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных В.П. Бушевым, А.Ф. Миловановым, А.И. Яколевым, В.В. Жуковым, Ю.А. Кошмаровым, В.М. Ройтманом.
Методика разработана в соответствии с требованиями СНиП 10-01-94 и СНиП 21-01-97*, а также норм международных организаций по стандартизации и нормированию. Основными отличительными особенностями методики стали: с одной стороны, учет опыта, обобщенного в трудах А.И. Яковлева и А.Ф. Милованова [8, 9], в соответствующих трудах и нормативных документах ФГУ ВНИИПО МЧС России, ГУП НИИЖБ, МГСУ, а, с другой стороны, применение последних достижений теории тепломассопереноса, механики деформируемого твердого тела и мощного аппарата вычислительной математики, ориентированного на современные персональные компьютеры.
Данная методика охватывает все многообразие типов встречающихся на практике строительных конструкций (в том числе и сталежелезобетонные). Она позволяет моделировать все основные расчетные схемы строительной механики, схемы обогрева конструкций и способы теплопередачи.
Методика прошла рецензирование в ведущих научных центрах России. На нее получено положительное заключение специализированного научного совета РАН.
Для облегчения практического применения разработанной методики созданы и сертифицированы в установленном порядке программные комплексы серии «Огнестойкость». Они сертифицированы по ГОСТ Р ИСО/МЭК 9126-93, ГОСТ Р ИСО/МЭК ТО 9294-93 и прошли регистрацию в Российском агентстве по патентным и товарным знакам на основании закона РФ «О правовой охране программ для электронных вычислительных машин и баз данных».
При разработке программных комплексов использована «оконная» технология в системе Windows. Это существенно облегчает процесс ввода исходных данных, построения расчетных схем рассматриваемых конструкций и обработки результатов расчетов.
В их состав входит банк данных по теплофизическим и механическим характеристикам конструкционных и огнезащитных материалов, сформированный по данным МДС 21-2.2000 [10], авторитетных литературных источников и публикаций авторов данной статьи.
Практические возможности методики и созданных на ее основе программных комплексов рассмотрим на примере расчета фактических пределов огнестойкости сталежелезобетонных колонн, входящих в состав несущего каркаса здания особой степени огнестойкости - гостиницы на просп. Вернадского. Характерные схемы силового нагружения и обогрева колонн здания при пожаре показаны на рис. 1.
1 - неаварийное помещение; 2 - стена или перегородка; 3 - аварийное помещение, заполненное продуктами горения; 4 - колонна, обогреваемая при пожаре с четырех сторон; 5 - колонна, обогреваемая с трех сторон; 6 - колонна, обогреваемая с двух сторон; 7 - колонна, обогреваемая с одной стороны; N - нормативная нагрузка, действующая на колонну; е - случайный эксцентриситет приложения нагрузки; Tf - температура газовой среды, воздействующей на обогреваемые поверхности колонн; Те - температура воздуха неаварийного помещения
Рис. 1. Схемы нагружения и обогрева колонн при пожаре
В статье рассматриваются колонны марки ЭКР-30-С14 (по PC 2273-85) высотой 3 м и сечением 0,4×0,4 м, с одинаковыми схемами армирования (четыре арматурных стержня в угловых зонах сечения и стальной сердечник прямоугольного сечения), нагруженные одинаковой нормативной нагрузкой - сжимающей силой 12,763 МН, приложенной со случайным эксцентриситетом е = 1,33 см. Колонны различаются только схемами обогрева при пожаре.
За предел огнестойкости колонн принимают промежуток времени от начала огневого воздействия до возникновения предельного состояния - потери устойчивости или полного разрушения.
Для рассматриваемых конструкций здания особой степени огнестойкости установлен требуемый предел огнестойкости R 180.
Расчет фактического предела огнестойкости конструкции по потере несущей способности R состоит из двух частей: теплотехнической и статической. В теплотехнической части вычисляется распределение температуры по сечению колонны для различных моментов времени от начала огневого воздействия на ее обогреваемую поверхность по заданному режиму. При этом распределение температуры по высоте конструкций принимается равномерным. В статической части расчета определяются параметры напряженно-деформированного состояния конструкции при совместном воздействии на нее нормативной силовой нагрузки и температуры, а также момент ее разрушения или потери - устойчивости.
Огнестойкость конструкций рассчитывается по нормативным сопротивлениям бетона и стали, сниженным с учетом температуры нагрева по данным МДС 21-2.2000 [10].
Теплотехническая часть расчета.
В качестве примера на рис. 2 показан вид окна с исходными данными, вводимыми при построении теплотехнической расчетной схемы для сталежелезобетонной колонны марки ЭКР-30-С14. В левой части окна вводятся тип расчетной подобласти из однородного материала (прямоугольник, круг и т. д.), ее координаты, наименование материала. При этом программа выбирает из банка данных теплофизические характеристики для указанного материала.
Tf - температура газовой среды, воздействующей на обогреваемые поверхности колонны; I, II,..., V - характерные точки расчетной области, для которых строятся расчетные зависимости температуры от времени
Рис. 2. Вид окна программного комплекса «Огнестойкость», используемого для введения исходных данных и построения теплотехнической расчетной схемы (вариант трехстороннего обогрева)
В процессе заполнения данных в левой части окна в его правой части происходит автоматическое построение расчетной схемы рассматриваемой конструкции.
Теплотехническая расчетная схема такой конструкции для трехстороннего обогрева приведена на рис 2. Результаты теплотехнического расчета выводятся в виде окон. На рис. 3а представлено температурное поле (распределение температуры) в расчетном сечении конструкции через 3 ч огневого воздействия для схемы трехстороннего обогрева.
Подобные распределения температуры могут быть выведены для любого момента от начала огневого воздействия. Температурные поля показаны в виде изополос различного цвета. Расположенная рядом с изображением изополос цветная шкала позволяет оценить характер распределения температуры по сечению и глубину прогрева конструкции.
Зависимость от времени температуры в характерных точках расчетного сечения данной конструкции, обозначенных римскими цифрами на расчетной схеме (см. рис. 2), дана на рис. 3б.
Рис. 3. Температурное поле в сечении сталежелезобетонной колонны через 180 мин огневого воздействия (а) и зависимость от времени температуры в характерных точках ее расчетного сечения (б), обозначенных римскими цифрами на рис. 2, при трехстороннем обогреве по стандартному температурному режиму
Можно видеть, что характер распределения температуры по сечению колонны значительно различается для разных схем ее обогрева и во всех случаях определяется массивным высокотеплопроводным стальным сердечником прямоугольного сечения.
Наиболее интенсивно прогревается колонна при четырехстороннем обогреве и наименее интенсивно - при одностороннем. В первом случае температура в центре сечения (точка V) через 3 ч огневого воздействия по стандартному режиму достигает 550 °С, а во втором - только до 200 °С.
Результаты теплотехнического расчета используют в статическом расчете, в ходе которого определяют параметры напряженно-деформированного состояния конструкции в каждый момент времени от начала огневого воздействия на нее и зависимость от времени предельного значения внутренних силовых факторов.
Статическая часть расчета.
В связи с тем, что сжимающая сила приложена с эксцентриситетом, колонна находится в состоянии продольного изгиба. Изгибающий момент равен произведению сжимающей силы на эксцентриситет.
Расчет несущей способности колонн рассматриваемого типа в обычных условиях эксплуатации здания (до пожара) произведен по методике, изложенной в Руководстве [11].
Результаты статического расчета колонны при одновременном действии продольной силы, изгибающего момента и нагрева по вышеприведенным схемам иллюстрирует рис. 4.
На рис. 4 показана полученная расчетом при описанных ранее исходных данных зависимость от времени предельных значений изгибающего момента, который способна воспринимать без разрушения сталежелезобетонная колонна в условиях пожара *. Кроме того, приведены значения действующего на колонну момента.
______________
* Значения предельного момента получены интегрированием по площади сечения колонны элементарных моментов (произведений предельных напряжений на расстояние соответствующих элементарных площадок от нейтральной линии сечения) с учетом их зависимости от температуры, показанной на рис. 3.
Рис. 4. Зависимость от времени предельного (1) и действующего (2) изгибающего момента М в сечении внецентренно сжатой колонны при четырехстороннем (а), трехстороннем (б) и одностороннем (в) обогреве
Сравнивая между собой предельные и действующие силовые факторы, можно определить запасы прочности колонны в каждый момент времени и момент наступления ее предельного состояния при огневом воздействии по стандартному температурному режиму - предел огнестойкости.
При четырехстороннем обогреве предельный момент, снижаясь, достигает уровня действующего в сечении изгибающего момента на 115 мин от начала огневого воздействия по стандартному режиму (при этом запас прочности по сжимающей силе составляет 1,57).
Таким образом, фактический предел огнестойкости сталежелезобетонной колонны при четырехстороннем огневом воздействии составляет R115.
На рис. 4б и 4в дана зависимость от времени предельного и действующего изгибающего момента в сечении сталежелезобетонной колонны при трехстороннем и одностороннем обогреве, полученная с учетом соответствующих температурных полей. Можно видеть, что при трехстороннем обогреве фактический предел огнестойкости колонны повысился по сравнению со случаем ее четырехстороннего обогрева и составил R126. При одностороннем обогреве колонны ее фактический предел огнестойкости больше требуемого (см. рис. 4в).
Из анализа полученных результатов следует, что фактический предел огнестойкости колонн значительно зависит от схемы их обогрева при пожаре. При прочих равных условиях колонны с односторонним обогревом удовлетворяют предъявляемым требованиям по огнестойкости, а колонны с трех- и четырехсторонним обогревом им не удовлетворяют.
Таким образом, разработанная методика расчета фактических пределов огнестойкости железобетонных строительных конструкций (в том числе конструкций с жесткой арматурой) дает возможность с достаточной для практики точностью учесть их сложное поведение в условиях пожара. Использование методики в составе разрабатываемой нормативной базы, которая может быть основой для проектирования высотных зданий и подземных сооружений не только в Москве, но и в России, а также ее применение на практике, позволяет инвесторам, проектировщикам и строителям успешно решать проблему повышения пожарной безопасности уникальных зданий и сооружений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дмитриев А.Н. Комфорт и безопасность - необходимые качества высотных комплексов // Глобальная безопасность. 2006. № 1.
2. Левченко А.Н., Дмитриев А.Н., Федунец Б.И. Создание технологии строительства коллекторных тоннелей без вторичной обделки с применением футеровки на основе полимерных материалов.: Сб. тр. Междун. конф. «Технологии, машины, оборудование и нормативное обеспечение для подземного и высотного строительства». М.: Тоннельная ассоциация, 2006.
3. Давыдкин Н.Ф., Страхов В.Л. Огнестойкость конструкций подземных сооружений / Под ред. И.Я. Дормана. М.: Информационно-издательский центр «ТИМР», 1998.
4. Давыдкин Н.Ф., Страхов В.Л., Каледин Вл.О. Метод конечных элементов в расчетах огнестойкости неоднородных конструкций сложной структуры и формы // Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций. 1996. № 3, 4.
5. Davidkin N.F., Strakhov V.L, Kaledin V.О., Krutov A.M. Estimation of Fire- Resistance Limits in Building Structures for Underground Facilities // Fire and explosion hazard of substances and venting of deflagrations: Second International Seminar. Moscow, 1997.
6. Давыдкин Н.Ф., Страхов В.Л., Панкина С.Ф., Дорман И.Я. Особенности расчета огнестойкости конструкций подземных сооружений // Подземное пространство мира. 1998. № 2, 3.
7. Давыдкин Н.Ф., Страхов В.Л. Расчет пределов огнестойкости для железобетонных односводчатых конструкций четырехъярусной подземной автостоянки // Подземное пространство мира. 1997. № 4.
8. Яковлев А.И. Расчет огнестойкости строительных конструкций. М.: Стройиздат, 1988.
9. Милованов А.Ф. Стойкость железобетонных конструкций при пожаре. М.: Стройиздат, 1998.
10. МДС 21-2.2000. Методические рекомендации по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций / ГУП НИИЖБ. М., 2000.
11. Руководство по проектированию железобетонных конструкций с жесткой арматурой / НИИЖБ Госстроя СССР. М., 1978
(Журнал «Промышленное и гражданское строительство» № 6 2007 г.)