Несущие стены

5.20. Железобетонные несущие стены сплошного сечения с гибкостью λ ≤ 83(l₀/h_t ≤ 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, если он направлен в обогреваемую сторону и уменьшает эксцентриситет приложения продольной сжимающей силы.

При одностороннем огневом воздействии и с жестким опиранием стены прочность внецентренно сжатых плоских элементов при приложении продольной силы с большим эксцентриситетом (рис. 5.21), когда ξ = x/h_0t ≤ξ_R, определяют по формулам (5.31) - (5.33).

Расчетный предел огнестойкости железобетонных стен при контактном опирании на упруго-податливое основание при растворных швах толщиной 20 мм умножается на коэффициент упругой податливости 0,75; при швах толщиной 5 мм, заполненных цементно-песчаной пастой, - 0,85.

Условные обозначения:

_____________ при a/D_cir= 0,05

------------------- при a/D_cir= 0,10

Рис. 5.20. Графики несущей способности внецентренно сжатых элементов круглого сечения

Рис. 5.21.Железобетонная стена с ограниченным поворотом опорных сечений

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

В условиях пожара двухсторонний обогрев железобетонной стены не всегда возможен. Однако при нагревании одновременно с двух сторон в железобетонной стене практически не возникает температурного прогиба и стена продолжает работать на сжатие. Предел огнестойкости R такой стены, возможно, будет выше, чем при одностороннем нагреве, но он должен быть проверен расчетом.

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА

Пример 9.Дано. Железобетонная колонна сечением 1200×1200 мм; бетон тяжелый класса В30; R_bn = 22,0 МПа; арматура класса А400 36Ø40; R_sc = 355 МПа; колонна высотой 4,0 м находится в подземном этаже высотного здания; защитный слой бетона 30 мм; предел огнестойкости по потере несущей способности установлен R240.

Требуется определить фактический предел огнестойкости по потере несущей способности.

Рис. 5.22. К примеру 9. Армирование колонны

а - по проекту; б - по расчету огнестойкости; t - распределение темпера туры в бетоне по оси стороны колонны (ось х-х)

Расчет.По проекту арматура расположена вдоль нагреваемых поверхностей колонны (рис. 5.22, а)на расстоянии 50 мм до оси арматуры. При четырехстороннем огневом воздействии все стержни арматуры будут сильно нагреваться. По рис. Б.7 приложения Б находим температуру оси каждого стержня при длительности стандартного пожара 240 мин в каждой четверти сечения, интерполируя температуру сторон с 200 мм до 600 мм.

4Ø40 t_s = 890°C A'_s = 5·10³ мм² γ_st = 0,05;

8Ø40 t_s = 750 °С A'_s = 10·10³ мм² γ_st = 0,16;

8Ø40 t_s = 680 °С A'_s = 10·10³ мм² γ_st = 0,25;

16Ø40 t_s = 660 °С A'_s = 20·10³ мм² γ_st = 0,28.

Коэффициент условия работы арматуры γ_st находим по табл. 2.8 в зависимости от температуры арматуры. Находим глубину прогрева тяжелого бетона на силикатном заполнителе до критической температуры t_b,cr = 500 °С по рис. 5.3,а - a_t = 65 мм. Приведенная высота сечения по формуле (5.6) h_t = h - 2a_t = 1200 - 2·65 = 1070 мм. Приведенная площадь сечения колонны по формуле (5.7) равна А_red = 0,9·1,070·1,070= 1,03 м².

Колонна имеет жесткую заделку на двух концах. Расчетная длина колонны равна l₀ = 0,5·l = 2 м. Приведенная высота колонны h_0t = h - a - a_t = 1200 - 50 - 65 = 1085 мм. Гибкость колонны λ = l₀/h_0t = 2/1,085 = 1,84 < 20. Расчет прочности при четырехстороннем огневом воздействии проводим по формуле (5.29), в которой φ = 1,0:

R_bn А_red = 22·1,03·10⁶ = 22,66·10⁶ Н;

R_sct А_s,tot = 355 (0,05·5 + 0,16·10 + 0,25 10 + 0,28·20)10³ = 3,53 10⁶ Н.

Нагрузку, которую может воспринять колонна при пожаре длительностью 240 мин, равна

N = 22,66·10⁶ + 3,53·10⁶ = 26,19 10⁶ Н.

Эта нагрузка меньше нормативной нагрузки (30·10⁶ Н) до пожара. Предел огнестойкости R240 колонна при таком армировании не обеспечивает. Для повышения предела огнестойкости необходимо распределить арматуру по всему поперечному сечению колонны (рис. 5.22, б).

При расположении арматуры по всему поперечному сечению колонны арматура прогреется:

4Ø40 до t_s = 890°C A'_s = 5·10³ мм² γ_st = 0,05;

8Ø40 до t_s = 680 °С A'_s = 10·10³ мм² γ_st = 0,25;

8Ø40 до t_s = 660 °С A'_s = 10·10³ мм² γ_st = 0,28;

4Ø40 до t_s = 280°C A'_s = 5·10³ мм² γ_st = 1,0;

8Ø40 до t_s = 250 °С A'_s = 10·10³ мм² γ_st = 1,0;

4Ø40 до t_s = 150 °С A'_s = 5·10³ мм² γ_st = 1,0.

Колонна воспринимает нагрузку

N= 22,66·10⁶ + 3,55 (0,05·5 + 0,25·10 + 0,28·10 + 1·20)10³ = 31,73·10⁶ Н.

Эта нагрузка больше нормативной (30·10⁶ Н) и колонна при расположении арматуры по всему поперечному сечению обеспечивает предел огнестойкости по потере несущей способности R240.

Пример 10.Дано. Железобетонная колонна сечением 600×600 мм. Бетон тяжелый класса В35; R_bn = 35,5 МПа; арматура класса А500 25Ø36; R_sc = 400 МПа; высота этажа 3,9 м; усилия от нормативных нагрузок N_n = 10420 кН; М_п = 24,6 кН·м (Рис. 5.23).

Рис. 5.23.К примеру 10. Распределение температуры в бетоне и арматуре колонны 600×600 мм при четырехстороннем стандартном пожаре длительностью 180 мин

Требуется определить расчетом обеспечение колонной предела огнестойкости по потере несущей способности R180 при четырехстороннем огневом воздействии.

Расчет.Арматурные стержни равномерно распределены по сечению колонны: по 5 стержней на каждой стороне. Расстояние от нагреваемых сторон колонны до 1-го ряда стержней 60 мм, до 2-го ряда - 180 мм и до центрального стержня - 300 мм. Из рис. Б.7 приложения Б для колонны сечением 400×400 мм и длительностью стандартного пожара 180 мин находим температуру нагрева всех стержней в колонне сечением 600×600 мм с помощью интерполяции. По табл. 2.8 в зависимости от температуры нагрева арматуры находим коэффициент условия работы γ_st

1Ø36 t_s = 50 °С A'_s = 1018 мм² γ_st = 1,0;

4Ø36 t_s = 110 °С A'_s = 4072 мм² γ_st = 1,0;

4Ø36 t_s = 150 °С A'_s = 4072 мм² γ_st = 1,0;

12Ø36 t_s = 480°С A'_s = 12216 мм² γ_st = 0,54;

4Ø36 t_s = 700°С A'_s = 4072 мм² γ_st = 0,20.

ΣR_sctA_s,tot = 400(1018·1 + 4072·1 + 4072·1 + 12216·0,54 + 4072·0,20) =

= 400·16573 = 6,6·10⁶·Н.

Глубина прогрева тяжелого бетона на силикатном заполнителе по рис. 53,а до критической температуры t_b,cr = 500 °С - a_t =50 мм. Приведенная высота сечения по формуле (5.6) h_t = h - 2a_t = 600 - 2·50 = 500 мм. Приведенная площадь сечения бетона колонны по формуле (5.7) равна A_red = 0,9·0,5·0,5 = 0,23 м².

R_bnA_red = 35,5·23·10⁶ = 5,87·10⁶ Н.

Эксцентриситет продольной силы по формуле (5.35) равен

Эксцентриситет продольной силы не превышает случайный эксцентриситет, максимальное значение которого составило h/30 = 600/30 = 20 мм, принимаем e₀ = 20 мм.

Расчетная высота колонны при жесткой заделке на одной опоре и податливой заделке на другой опоре l₀ = 0,7l = 0,7·3,9 = 2,75 м. Эта высота колонны меньше l₀ =20h_t =20·0,5 = 10,0 м. При действии продольной силы, приложенной со случайным эксцентриситетом е₀ = h/30 и при е₀ < 20h_t расчет производится из условия (5.29), в котором коэффициент φ определяют по формуле φ = (φ_b + 2(φ_sb - φ_b)α_s,но принимают не более φ_sb. Площадь всей арматуры А_s,tot =25·1018 = 25450 мм². Площадь промежуточных стержней А_s,mt = 15·1018 = 15270 мм²

Коэффициент и φ_sb = φ. При l₀/h_t = 2,75/0,5 = 5,5 по табл. 5.2 φ = 0,93.

Сжимающая продольная сила, которую может выдержать колонна при пожаре, равна

N = 0,93(5,87 + 6,6)10⁶= 11,6·10⁶ Н = 11600 кН > 10420 кН.

При воздействии стандартного пожара длительностью 180 мин колонна выдерживает силу большую, чем сила от нормативной нагрузки до пожара, следовательно, предел огнестойкости по потере несущей способности R180 колонна обеспечивает.

Пример 11.Дано. Железобетонная колонна высотой 4,8 м круглого сечения диаметром D_cir =450 мм, а = 40 мм; бетон класса В25; R_bn = 18,5 МПа, Е_b = 3·10⁴ МПа; продольная арматура класса А400 10Ø20; R_sc = 355 МПа; A_s,tot = 3140 мм²; продольная сила и момент в верхнем опорном сечении от нормативных постоянных и временных длительных нагрузок N_n = 1700 кН; М_п = 60,0 кН·м.

Требуется проверить несущую способность колонн при длительности стандартного пожара 90 мин.

Расчет.Верхнее сечение колонны расположено у податливой заделки, согласно п. 5.14 расчетная длина колонны l₀ = l = 4,8 м. Глубину прогрева до критической температуры тяжелого бетона на силикатном наполнителе находим по рис. 5.3, принимая b = 1,1d = 1,1·450 = 495 мм, а_t = 32·1,1 = 35 мм (п. 5.14). Приведенный диаметр колонны D_cir,t = D_cir - 2a_t = 450 - 2·35 = 380 мм; r_t = r - a_t = 225 - 35 = 190 мм; r_s = r - а = 225 - 40 = 185 мм.

По формуле (5.35) определяем эксцентриситет продольной силы

Определяем жесткость D по формуле (5.38). Для этого вычисляем:

М₁ = М_п + N_n·r_t= 60 + 1700·0,19 = 417 кН·м.

В связи с учетом в расчете огнестойкости только кратковременного действия нагрузок М₁= М_l1и по формуле (5.40) φ₁ = 2. Так как принимаем δ_е = 0,15.

Момент инерции бетонного сечения и всей продольной арматуры

Температуру нагрева арматуры определяем по рис. Б.7 приложения Б по оси стороны колонны сечением 400×400 мм при длительности стандартного пожара 90 мин на расстоянии от нагреваемой поверхности до оси арматуры t_s = 408·1,1 = 448 °С (см. п. 5.14). По табл. 2.8 для этой температуры находим значения коэффициентов γ_st = 0,73 и β_s = 0,83. Расчет ведем по приведенному сечению и в формуле (5.38) Е_bt = Е_b β_b. При t_b =200 °С β_b = 0,7.

По формуле (5.37) критическая сила

Коэффициент η по формуле (5.36) равен:

Момент от нормативной нагрузки с учетом прогиба - (формула (5.52))

М =1700·0,035·1,54 = 92 кН·м.

Прочность сечения проверяем из условия (5.53) с помощью графика на рис. 5.20. Определяем площадь приведенного бетонного сечения

М = 0,33·18,5·113354·191 = 132 кН·м > 92 кН·м.

При воздействии стандартного пожара длительностью 90 мин прочность круглой колонны обеспечена и она выдерживает предел огнестойкости по потере несущей способности R90.

Пример 12.Дано. Простенок длиной 1500 мм и шириной 300 мм; бетон класса В25; R_bn = 25,5 МПа, Е_b = 34,5·10³ МПа; армирование симметричное A_s = A'_s = 10Ø36 = 10179 мм², а = а' = 60 мм; арматура класса А500; R_sn = 500 МПа; R_sc = 400 МПа; E_s = 2·10⁵ МПа; нормативная нагрузка на простенок N_n = 4000 кН, М_п = 20,0 кН·м; расчетная высота простенка l₀ = 0,7·3900 = 2730 мм.

Требуется определить расчетом прочность простенка при пределе огнестойкости по потере несущей способности R180.

Расчет.Простенок подвергается одностороннему огневому воздействию длительностью 180 мин. По рис. А.2 приложения А для стены высотой 200 мм находим глубину прогрева бетона до критической температуры 500 °С - a_t= 53 мм и температуру арматуры при а =60 мм t_s = 460 °С и γ_st = 0,58 (табл. 2.8). Нагрев бетона на толщине 300 мм находим экстраполяцией: температура арматуры около холодной поверхности t'_s= 55 °С и по табл. 2.8 γ'_st = 1,0; β'_s = 0,92. При t_bm = 200°С β_bt =0,7.

Находим размеры приведенного сечения простенка

h_t = h - а_t = 300 - 53 = 247 мм; h₀ = h - а = 300 - 60 = 240 мм;

b_t = b - 2a_t= 1500 - 2·53 = 1394 мм;

h_0t = h - а - a_t = 300 - 60 - 53 = 187 мм.

Гибкость простенка

Эксцентриситет продольной силы определяют с учетом прогиба простенка от продольного изгиба и от неравномерного нагрева по высоте сечения по формуле (5.34). Для определения прогиба от продольного изгиба сначала определяем коэффициент φ₁при М₁= М_l1

по формуле (5.40) φ₁ = 2;

Так как

Жесткость сечения простенка по формуле (5.39) равна

Условная критическая сила по (5.37)

Коэффициент учета прогиба простенка η по формуле (5.36) равен

От неравномерного нагрева по толщине простенка образуется температурный прогиб, который увеличивает эксцентриситет продольной силы, так как он направлен в одну сторону прогиба от продольной силы, формула (5.43). По табл. 2.9 при t_s = 460 °С коэффициент α_s = 13,8·10^-6 °С^-1. По табл. 2.4 при t_b = 50 °С коэффициент α_bt = 9·10^-6 °С^-1.Прогиб простенка от неравномерного нагрева по высоте сечения

Общий эксцентриситет

е = 5·1,18 + 0,5(240 - 60) + 21 = 116,9 мм.

Момент от нормативной нагрузки

M_n = N·e = 4000·0,1169 = 467 кН·м.

Определяем высоту сжатой зоны сечения по формуле (5.33), так как по формуле (5.32) ξ > ξ_R. По табл. 5.1 при арматуре класса А500С ξ_R = 0,493.

Расчет прочности прямоугольного сечения простенка при огневом воздействии 180 мин производится из условия (5.31).

M = 25,5·1394·108(187 - 0,5·57) + 400·1,0·10179(187 - 60) = 859 кН·м > 467 кН·м.

Следовательно, простенок обеспечивает предел огнестойкости по потере несущей способности R180.