Введение к работе
Актуальность проблемы. В нашей стране за один день, проис-содит в среднем около 400 пожаров, уничтожается ценностей почти і& I млн.руб., погибает 23 и ешё большее количество человек травмируется. Материальные и людские потери из-за обрушения конструкций связаны с недостаточным качеством проектирования, ізготовления и монтажа при возведении зданий. Если конструкция лмеет требуемую нормами огнестойкость, предполагается, что. покар будет ликвидирован до её обрушения. В этом случае ушерб от южара будет локальным, а здание после ремонта может-эксплуатироваться. В противном случае, ушерб, нанесенный огнем, будет увеличен разрушением конструкции, преждевременно исчерпавшей огнестойкость и вызвавшей механическое обрушение смежных частей здания или сооружения. Потери в таких случаях могут возрасти во лного раз. Для избежания этого необходимы методы расчёта огнес-^ гойкости, обеспечивающие проектирование конструкций с гарантированным соответствием требованиям противопожарных норм.
Нагрев при пожаре снижает эксплуатационные качества строительных конструкций. Это происходит вследствие ухудшения физико-механических свойств и условий совместной работы материалов, /меньшения геометрических размеров сечений и изменения схемы заботы элементов конструкций в результате интенсивного неравномерного нагрева. Опыт обследования зданий и сооружений показывает, что во многих случаях технически возможно и экономически целесообразно использовать строительные конструкции после пожара. Это'даёт ощутимый народно-хозяйственный эффект: экономятся материалы, трудовые ресурсы, сокращается срок ввода объекта в эксплуатацию.
Обследование зданий и сооружений, поврежденных пожаром, с
- z -
научно обоснованной оценкой пригодности конструкций к дальнейшей эксплуатации - задача большой сложности. Она включает оценку результатов воздействия на конструкцию неконтролируемого процесса горения - пожара, т.е. ситуации, включавшей ряд вероятностных событий и зависящей от множества факторов. Широкая номенклатура железобетонных конструкций, значительный диапазон применяемых видов и классов бетона и арматуры существенно увеличивает сложность решения задачи.
Настоящая работа выполнялась в соответствии с программой Госстроя СССР по решению научно-технической проблемы "Пожарная безопасность зданий и сооружений" 0.55.16.ОН, .планом важнейших научно-исследовательских работ, создания и внедрения новой техники в области градостроительства и архитектуры Госгражданстроя СССР - проблема 0.55.04.02, программой Госстроя СССР "Полносборные крупнопанельные здания" - госзаказ № 4-21-0085-88.
Цель работы состояла в создании методики оценки пригодности железобетонных конструкций, подвергавшихся пожару, к дальнейшей эксплуатации .на основе изучения закономерностей изменения Сво материалов и условий их взаимодействия от нагрева при пожаре. Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:
изучены особенности совместной работы арматуры и бетона при нагреве конструкций в режиме пожара и после остывания для различных технологических, конструкяивнше и эксплуатационных условий;
разработана методика оценки прочности анкеровки арматуры в бетоне при нагреве железобетонного элемента и после его остывания;
выполнена экспериментальная оценка огнестойкости железобетонных элементов, их несущей способности, трещиностойкости и
_з -
«формаций после воздействия пожара для различных условий рабо-ы и видов материалов;
разработана методика расчёта несушей способности, треиш-остойкости и деформаций железобетонных конструкций, подвергав-ихся пожару, с учётом особенностей взаимодействия арматуры и етона;
предложена методика оценки социально-экономической эффек-ивности проектирования строительных конструкций с гарантирован-ой огнестойкостью.
Автор защищает:
-
Результаты исследований сцепления ненапрягаемой стержне-ой и напрягаемой стержневой, проволочной, канатной арматуры в яжелых и легких бетонах различных составов и классов для ряда ехнологических,конструктивных и эксплуатационных условий при агреве конструкций в режиме пожара и после остывания;
-
Результаты исследований огнестойкости железобетонных лементов, их несущей способности, трешиностойкости и деформа-ий после нагрева и остывания;
-
Методику расчёта огнестойкости железобетонных конструк-ий с учётом особенностей анкеровки арматуры в бетоне, рекомен-ации по нормированию коэффициентов надежности и коэффициентов словий работы материалов, принципы проектирования конструкций
требуемой огнестойкостью. '
4. Методику расчёта несушей способности, трешиностойкости
деформаций железобетонных конструкций, подвергавшихся пожару;
-
Рекомендации по обследованию и восстановлению зданий и ооружений, поврежденных пожаром; v.
-
Методику оценки социально-экономической эффективности роектирования железобетонных конструкций с гарантированной ог-естойкостью.
Научная новизна. Получены новые данные об огнестойкости предварительно напряженных и без предварительного напряжения балок и плит, их несущей способности, трешиностойкости и дефор-мативности после нагрева и остывания с разрушением по наклонным сечениям из-за проскальзывания арматуры, от действия изгибающего момента или поперечной силы при различных уровнях на-гружения и режимах нагрева.
Исследованы особенности сцепления всех основных видов арматуры в тяжелом и легком бетоне при нагреве конструкций в ре-
жиме пожара и после остывания для ряда технологических, конст^-руктивных и эксплуатационных условий. Получены новые данные о влиянии температуры арматуры в месте её контакта с бетоном на прочность и деформативность сцепления для основных видов обычни ной и напрягаемой арматуры с различной толщиной эапштного слоя бетона, интенсивностью косвенного и поперечного армирования в зоне анкеровки. Рассмотрены бетоны классов ВІ5-Б60 различного возраста, влажности и состава на распространенных видах заполнителей с приготовлением бетонных смесей, имеющих различное водоцементное отношение, а также пластифицирующими добавками.
Предложен метод определения напряжений в узлах железобетонных элементов с самоанкерувдейся арматурой и сложным напряженно-деформированным состоянием.
Предлзаена методика оценки социально-экономической эффективности проектирования железобетонных конструкций с гарантированные соответствием требованиям противопожарных норм. Обоснованы дифференцированные значения коэффициентов надежности по материалам при расчёте огнестойкости конструкций в зависимости от их назначения и ответственности. Разработана система коэффициентов условий работы материалов для расчёта огнестойкости железобетонных конструкций и расчёта несушей способности, трети-
остойкосги и деформаций железобетонных конструкций, учитываю-іих изменение сцепления арматуры с бетоном вследствие нагрева іри пожаре.
Рекомендован порядок обследования и проведения испытаний елезобетонных конструкций, поврежденных пожаром, на основе бобтения сушествуюших методов и опыта экспертизы производственное и гражданских зданий, пострадавших от пожара.
Практическое значение работы состоит в предотвращении слу-аев гибели и травматизма людей на пожарах из-за прекдевремвн-ого обрушения конструкций, снижении материальных потерь за чёт повышения надежности проектирования конструкций с гаранти-ованной огнестойкостью, повышении экономической эффективности бследования и восстановления зданий и сооружений, поврежденных ожаром.
Реализация работы. Разработаны совместно с ИИИЖБ Госстроя ССР "Рекомендации по проектированию многопустотных плит переритий с требуемой огнестойкостью. - М. : НИМБ Госстроя СССР, Э87, - 27 с." Эти рекомендации и другие предложения автора по асчёту огнестойкости железобетонных конструкций использованы гіШП реконструкции городов при разработке конструкций серии .090.1-1 (крупнопанельные здания), серия 1.020-1/ 83 '(каркаете здания) и при оценке огнестойкости усовершенствованных уз-эв сопряжений и элементов конструкций серии 1.090.1-І.
Результаты исследований и предложения по обследованию,' ис-атаниям и расчёту несушей способности, прогибов и трешиностой-эсти железобетонных конструкций после пожара учтены в "Рекомен-ациях по обследованию зданий и сооружений, поврежденных пожаром ШШВ Госстроя СССР. -IL: Стройиэдат, 1987. -GO с", размотанных с участием автора. Результаты работы использованы при бследовании и восстановлении ряда объектов, пострадавших от по-
- б -
жара, в том числе: сыееительно-прессового и трансформаторного цехов электродного завода, склада сырья и битумного цеха кар-тонно-рубероидных заводов, химического цеха и завода хромовых кож кожевенно-обувного объединения, административного, здания и др. Получен экономический эффект свыше 2,7 млн.руб.
Разработаны совместно с НИШБ Госстроя СССР "Рекомендации по определению социально-экономической эффективности проектирования строительных конструкций с гарантированной огнестойкостью и восстановления зданий и сооружений, поврежденных пожаром /НИИЖБ Госстроя СССР, СФ ДИСИ. - Ы.: 1989. - 43 с".
Составленное автором пособие "Восстановление зданий и сооружений, поврежденных пожаром /СФ ДИСИ. - К.: УМК ВО, 1989. -123 с", рекомендовано ЛІ0 УССР и Минвузом УССР для проектировщиков и эксплуатационных служб.
Апробация работы и публикации. Основные материалы диссертации доложены и обсуждены на всесоюзных совещаниях и семинарах по огнестойкости строительных конструкций, зданий и сооружений: Москва, 1982, Москва, 1985; Пенза, 1988; Москва, 1988; на Всесоюзных, Республиканских и региональных конференциях по прогнозированию прочности и дефорыативности бетона и железобетона методами механики разрушения и др. Севастополь, 1908; Новосибирск, 1983, 1985, 1986, 1987; Симферополь, 1988; Севастополь, 1989; на конференциях ВУЗа: Днепропетровск, 1982, Симферополь, 1977 -1989 ежегодно. Экспонат "Огнестойкая железобетонная конструкция" был представлен на ВДНХ УССР. А.с. Г6І7ІІ2 ЫКИ4 Е04В 1/94.
Основное содержание работы опубликовано в монографии, пособии и 46 статьях.
Материалы, представленные автором в диссертации, разрабатывались как самостоятельно, так и совместно с консультируемыми им соискателями ассистентами Линченко Ю.П., Алексеенко В.Н.
ри выполнении работы методическую и консультативную помощь называл'заведующий лабораторией "Жаростойких бетонов и огне-тойкости железобетонных конструкций" НИИЖБ Госстроя СССР док-ор техн.наук профессор В.В.Жуков.
Объём работы: диссертация состоит из введения, шести глав, аключения, библиографии и приложения. Работа изложена на II странигах текста, кроме того она содержит 62 рисунка,
I таблицу, список литературы из 294 наименований и приложение а 17 страницах.
Состояние проблемы. Систематическое исследование свойств гпользуемых для железобетона материалов при нагреве выполняли ШШ Госстроя СССР, ВНИИПО МВД СССР, МВД им. В.В.Куйбышева, ШПИТеплопроект.ВВДШ МВД СССР, НИПЙСиликатбетона, Волгоград-тРі, Куйбьшевский, Харьковский ИСИ, Львовский политехнический ютитут и др.
Основополагающими в оценке свойств бетона при нагреве яв-шгся работы К.Д.Некрасова, В.И.Мурашева, А.И.Яковлева, Г.Д. иманова, А.Ф.Милованова, В.В.Жукова, В.А.Макагонова, В.И.Шев-жко.
Свойства бетона и арматуры при нагреве исследовали многие іенне как в нашей стране, так и за рубежом.
В диссертации выполнен анализ результатов опубликованных следований (свыше 60 отечественных и 30 зарубежных). Большин-бо исследователей делают идентичные выводы об изменении проч-істи бетона вследсіхше нагрева в зависимости от ряда факторов, загруженного бетона при нагреве прочность снижается меньше, !М у незагруженного; при охлаждении после нагрева снижение ючности продолжается; у пропаренного бетона снижение прочнос-і меньше, чем у бетона естественного твердения; водоцементное 'ношение в пределах 0,3 - 0,6 не оказывает влияния на изменение
прочности; незначительно влидаие также возраста бетона, если он не менее 3 месяцев; с повышением расхода цемента снижение прочности интенсивнее; на изменение прочности бетона влияет вид крупного заполнителя, порода. Кубиковая прочность бетона при нагреве до 300 С повышается, при более высоких температурах интенсивно снижается. Ряд исследователей отмечает, что после остывания бетон, нагретый свыше 500С, со временем разрушается полностью. В отличие от кубиковой призменная прочность начинает снижаться уже при температуре 60С. В диссертации вскрыты причины этого различия. Снижение кратковременной прочности бетона вследствие нагрева существенно меньше, чем снижение длительной прочности. Следовательно, коэффициенты условий работы бетона для расчёта огнестойкости конструкций, оценивающего их несущую способность на несколько часов, неприемлемы для расчёта конструк ций, предназначенных к дальнейшей-эксплуатации после воздействия пожара. Прочность бетона на растяжение снижается вследствие нагрева значительнее, чем прочность на сжатие.
Деформативные характеристики бетона изменяются вследствие нагрева быстрее прочностных. Модуль деформаций уменьшается, предельные деформации возрастают. Это обуславливает перераспределение напряжений по сечениям элемента во время нагрева и при повторных его загружениях после остывания, перераспределение усилий по длине элемента, а также между элементами конструкций; снижение жесткости сечений и элементов при нагреве.
Нагревание загруженного элемента приводит к последующему повышению жесткости сечений при догружении после остывания, так как большая часть неупругих деформаций проявляется при нагреве.
Стержневые арматурные стали в результате нагрева повышают свою прочность, некоторые при нагреве до 500-60С С, при более высоких температурах их прочность резко снижается. Арматурная
:олоднотянутая проволока и канаты из неё снижает прочность при меньших температурах нагрева, начиная со 150 С. Модуль упругости арматурных сталей при нагреве снижается, быстронатекаюшие іеформации. ползучести увеличиваются.
Характеристики бетона и арматуры при циклическом технологи-ієском нагреве и разовом кратковременном в режиме пожара сутест-эенно различаются. Для расчёта огнестойкости конструкций и рас-«та конструкций, подлежащих дальнейшей эксплуатации после покара необходимо установить соответствующие значения расчётных. сарактеристик бетона и арматуры.
Надежность железобетона определяется не только свойствами материалов, но и условиями их совместной работы, доминирующую золь в которой играет сцепление. Сцепление арматуры с бетоном ізучали многие исследователи. Основополагающими являются работы 1.Н.Байкова, А.А.Гвоздева, С.А.Дмитриева, Н.И.Карпенко, К.В.Ми-сайлова, В.И.Мурашова, А.А.Оатула, А.И.Семенова, М.М.Холмянского Ізучению этого вопроса посвяшено множество работ как у нас, так 1 за рубежом.
На основании этих исследований установлено, что сцепление арматуры с бетоном обуславливает большое количество факторов и а основном: класс арматуры, состояние поверхности, контактирующей с бетоном; уровень предварительного напряжения арматуры и гехнология передачи усилия с арматуры на бетон; вид и состав бе-гона, технология приготовления и укладки бетонной смеси; условия твердения бетона и его возраст к моменту предварительного обжатия или эагружения конструкций; характер бетонной обоймы вокруг арматуры: толщина защитном слоя, вид эакладял деталей, интенсивность косвенного и поперечного армирования; положение арматуры во время укладки бетонной смеси; условия работы эле-
- 10 -мента (растяжение, сжатие, изгиб, кручение и т.п.); стадия работы элемента (изготовление - передача усилия предварительного напряжения арматуры на бетон, транспортировка, эксплуатация); интенсивность внешнего воздействия (статическое, динамическое,. тепловое и др.); ряд других факторов, в меньшей степени влияют: на сцепление. -
Физико-механические и реологические свойства бетона и арме туры при нагреве изменяются, что также влияет на их сцепление. В работе рассмотрены результаты немногочисленных на сегодняшний день экспериментальных исследований сцепления в условиях нагрева и после остывания. Эти исследования выполняли: Зату-ловский З.Д., Ильин Н.А., Милованов A.., Прядко В.М., Салманов Г.Д., Шахов И.И., Яковлев А.И. и.др.; за рубежом Анис А:, Бернетт Э., Дэвис Г., Загер X., Райхел В., Ростази и др.
Интенсивное развитие пластических деформаций арматуры при нагреве приводит к ослаблению контакта с бетоном. С повы шением температуры нарастание различия значений коэффициентов расширения бетона и стали вызывает дополнительные напряжения сдвига между ними в железобетонных конструкциях. Свойства стали при охлаждении в значительной мере восстанавливаются, а бето на, наоборот, продолжают ухудшаться, что предопределяет дальнейшее нарушение контакта между ними.
Опасность нарушения анкеровки арматуры в бетоне возра& тает, что необходимо учитывать при расчёте наклонных сечений на действие изгибающего момента концевых участков, сечений в зонах обрыва рабочей арматуры. Изменение прочности и дефор-мативности сцепления- влечет за .с-осбой изменение трешиностой-кости и деформаций элементов. Уменьшение' прочности бетона снижает трешиностойкость, а уменьшение модуля деформаций и
-II -
ізрастание предельной растяжимости повышает за счёт более лного включения в работу арматуры. Ухудшение сцепления уве-ічивает ширину раскрытия трешин, а повышение деформатив-істи бетона-уменьшает.
Результатом рассмотренных исследований явились многочис-інньїе предложения по использованию эмпирических зависимостей іепления от ряда факторов. Были выполнены и экспериментально (оретические обобшения, следствием которых явились технические юрии сцепления (ТТС).
ТГС, разработанная школой проф. Холмянского М.М. основана і едином законе сцепления, а ТГС Челябинского политехнического [статута (школа проф. Оатула А.А.) - на дифференцированном іконе сцепления.
В настояшее время ряд предложений ТТС входит в нормативные ікументьі, составляя главным образом качественную основу норм, лользуюших часто прямые результаты опытов. Недостатком этих юрий является го, что они не учитывают поперечные напряжения іаимодействия арматуры с бетоном.
Этого удаётся избежать в модели, разработанной проф. Кар-інко Н.И., которая позволяет учитывать наличие контактных тре-
!Н.
Модель представляет систему конических оболочек переменной юоты и толщины, передающих усилия от арматуры на внешнюю бе-інную оболочку. Несмотря на некоторые условности, модель проф. ірпенко Н.И. на сегодня признается наиболее совершенной, полно 'ражаюшей особенности контакта арматуры с бетоном и механику юцесса их взаимодействия.
Широкие возможности по оценке напряженно-деформированного >стояния бетона вне зоны контакта арматуры и бетонной обо->чки открывает применение общего решения контактных задач
теории упругости, предложенного проф. Александровым А.Н.
При высокотемпературном нагреве решение существенно усложняется, однако основной принцип его был сохранен и предложен метод реализации, обобщающий контактную и тепловую задачи;