Поведение сжатых конструкций в условиях пожара
При пожаре колонны могут подвергаться обогреву с 1-ой, 2-х, 3-х и 4-х сторон.
Рассмотрим обогрев с 4-х сторон. При обогреве колонны температура её поверхности интенсивно растёт, но средние слои нагреваются медленнее, т. к. по толщине колонны возникает градиент температуры. При этом наружные слои бетона расширяются, но этому препятствует внешняя нагрузка. В результате возникают температурные напряжения между средними и наружными слоями поперечного сечения конструкции, что способствует разрушение бетона.
Если наружные слои бетона прогреваются выше t > 600 градусов, то предел их прочности становится ниже напряжений от внешней нагрузки, и эти слои в работе колонны практически перестают участвовать по восприятию внешней нагрузки. Поэтому нагрузку воспринимает лишь бетон центральной части поперечного сечения колонны, т. е. условно её в это время можно считать не железобетонной, а бетонной.
Разрушение колонны от нагрузки происходит в виде поперечной деформации («выпучивание») рабочей (продольной) арматуры и далее раздробления центральной бетонной части поперечного сечения и излом колонны (как правило, по середине).
Колонны с косвенным армированием характеризуются «невыпучиванием» рабочей арматуры (т. к. этому мешает косвенная - поперечная арматура), а пластичным течением колонны (ползучесть). Причём предел огнестойкости этих колонн больше, чем предел огнестойкости колонн без косвенного армирования (эксперименты ВНИИПО – в 1,5 раза).
Увеличение коэффициента армирования m, перемещение части рабочей арматуры к центру поперечного сечения так же повышают предел огнестойкости колонны.
Существенное влияние на повышение предела огнестойкости колонны оказывает сохранность и надежность защитного слоя из бетона (эффективный способ – установка проволочной сетки по высоте колонны между рабочей арматурой и поверхностью колонны).
У внецентренно нагруженных (изгибаемых) колонн предел огнестойкости определяется временем прогрева рабочей (внешней) арматуры до критической температуры (предел огнестойкости таких колонн меньше предела огнестойкости центрально сжатых колонн). При больших эксцентриситетах приложения нагрузки фактором, определяющим предел огнестойкости колонны, является толщина защитного слоя из бетона у внешней (растянутой) арматуры.
Особенностью поведения колонн в условиях пожара является возможность потери их устойчивости в результате продольной деформации (прогиба). Наступление предела огнестойкости колонны при продольной деформации (превышающей значения H\100) происходит при отношении свободной длины колонны к наименьшему размеру её поперечного сечения более 15.
Рассмотрим особенности поведения железобетонных стен в условиях пожара. Напряжение возникающие в железобетонных стенах в зданиях повышенной этажности могут достигать до 10 МПа и, если толщина стеновой панели невелика, то при больших нагрузках на стену (в сочетании с увеличивающимся эксцентриситетом их приложения) возникает возможность потери устойчивости стены в результате поперечной деформации (прогиба).
Стеновые панели могут опираться на фундаментную балку (платформенное опирание) и на нижние панели (шарнирное опирание). В первом случае предел огнестойкости панели больше предела огнестойкости панели при шарнирном опирании, т. к. при этом ограничена свобода перемещения узла связи панели.
Внешние факторы, влияющие на поведение сжатых железобетонных конструкций в условиях пожара:
1. Схема обогрева (количество обогреваемых сторон).
2. Скорость и время нарастания температуры (температурный режим пожара).
3. Величина внешней (рабочей) нагрузки на конструкцию.
4. Характер опирания (фактор справедлив для стеновых панелей).
5. Характер приложения внешней нагрузки (центрально сжатая или внецентренно сжатая - с эксцентриситетом).
Внутренние факторы:
1. Толщина защитного слоя из бетона, его теплофизические свойства (коэффициент теплопроводности) и начальное влагосодержание.
2. Размеры поперечного сечения конструкции.
3. Величина критической температуры рабочей арматуры.
4. Характер армирования.
5. Отношение длины конструкции к размерам ее поперечного сечения (толщина стены). Чем оно больше, тем больше вероятность раннего наступления предела огнестойкости конструкции по потере её устойчивости.