Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

Кафедра «Безопасность жизнедеятельности»

РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА

по дисциплине: «Здания и сооружения и их устойчивость при пожаре»

Тема: «Расчеты пределов огнестойкости строительных конструкций»

Руководитель проекта

Мухамеджанова Е.Я.

Разработал студент группы

Подгол А.А.

Омск 2013



Содержание

• Введение
• 1. Определение требований к огнестойкости и пожарной опасности строительных конструкций здания
• 2. Расчет фактического предела огнестойкости металлической фермы покрытия
• 3. Расчет фактического предела огнестойкости деревянной балки покрытия
• 4. Расчет фактического предела огнестойкости железобетонных конструкций
• 4.1 Расчет фактического предела огнестойкости железобетонной плиты перекрытия
• 4.2 Расчет фактического предела огнестойкости железобетонной колонны
• 5. Проверка соответствия огнестойкости и пожарной опасности строительных конструкций противопожарным требованиям и предлагаемые технические решения по повышению их огнестойкости
• Список используемой литературы
• Приложение


Введение

Дисциплина «Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре» представляет комплекс фундаментальных тем инженерных строительных дисциплин, на основе которых рассматриваются вопросы стойкости строительных материалов в условиях пожара, огнестойкости строительных конструкций, устойчивости зданий и сооружений при пожаре и других вопросов, необходимых для подготовки инженера пожарной безопасности.

Целью курсового проекта является проверка соответствия фактической степени огнестойкости и класса конструктивной пожарной опасности здания противопожарным требованиям СНиП и разработка технических решений по повышению огнестойкости строительных конструкций.

Учитывая, что в современном строительстве зданий и сооружений в основном используются железобетонные, стальные, деревянные конструкции, при выполнении курсового проекта есть возможность приобрести некоторый навык проверки соответствия параметров их огнестойкости противопожарным требованиям СНиП и разработки обоснованных предложений по их огнезащите. При этом он закрепляет знания по второму разделу дисциплины, в котором основное внимание уделено огнестойкости конструкций из перечисленных материалов.

Таблица 1. Исходные данные для первого пожарного отсека ( прил. 2 табл. 2.1 [13])

Длина здания L1, м	Ширина здания L2, м	Категория пожарной опасности	Количество этажей
240	24	В	8

Таблица 2. Исходные данные для второго пожарного отсека (прил. 3 табл. 3.1 [13])

Назначение	Площадь, м2	Категория склада	Кол-во этажей
Склад крепежных деталей в сгораемой упаковке	3800	В	1



Таблица 3. Исходные данные для фермы III ФС 24-3,85 (прил. 2 табл. 2.1;табл. 2.2.2 [13])

Номер узла	Обозначение элемента	Вид профиля; размеры сечения, мм	Длина l, мм	Марка стали	Толщина соединительной пластины , мм	Усилие N, кН
1	2	3	4	5	6	7
4	С1 02=03	L 90х8 L 12х10	3085 3000	Вст 3 пс6 14Г2	10 10	-176 -721

Таблица 4. Исходные данные для балки покрытия (прил. 3 табл. 3.1 [13])

Расчет ный пролет L, м	Размеры поперечного сечения, мм	Полная расчетная нагрузка на балку q, кПа	Шаг балок аб, м	Сорт древесины	Количество обогреваемых сторон	Длина балки, на которой произошло обрушение связей lpc, м	Номера узлов опирания балок и крепления элементов связи
	Высота h	Ширина Вб
15	1020	160	4,0	3	2	4	6,0	1;5

Таблица 5. Исходные данные для железобетонной плиты с круглыми пустотами (прил. 4 табл. 4.2 [13])

Размеры плиты bxhxl, м	Вес плиты Р, кН	Средняя плотность бетона о, кг м-3	Класс бетона по прочности «В»	Влажность бетона W, %	Толщина защитного слоя бетона аз, мм	Количество и диаметр арматурных стержней d, мм	Нормативная нагрузка qn, кН м-2
1,49х0,22хх5,76	27,1	2500	20	3,2	20	516	4,4



Таблица 6. Исходные данные для железобетонной колонны (прил. 4 табл. 4.1 [13])

Ширина b и высота h поперечно-го сечения (b = h), м	Вид и класс бетона по прочности «В»	Влажность W, %	Толщина защитного слоя бетона аз, мм	Количество и диаметр арматурных стержней, мм	Шаг сеток поперечного армирования S, мм
0,3	30	2,2	20	6? 16	350

Таблица 7. Исходные данные для железобетонной сплошной плиты перекрытия (прил. 4 табл. 4.5 [13])

Вид бетона	Толщина плиты пл, мм	Ширина плиты b, м	Толщина защитного слоя з, мм	Класс арматуры, количество стержней и их диаметр, мм
Тяжелый на гранитном щебне	270	1,5	34	А-I 432

Таблица 8. Исходные данные для железобетонного ригеля перекрытия (прил. 4 табл. 4.3 [13])

Вид бетона	Ширина балки в центре расположения несущей арматуры, мм	Толщина защитного слоя для арматуры	Класс арматуры, количество и диаметр стержней, мм
		Нижнего первого ряда 1, мм	Второго ряда 2, мм
Тяжелый на гранитном щебне	230	22	45	Ат-V 422 + 322



Таблица 9. Исходные данные для железобетонной ребристой плиты покрытия (прил. 4 табл. 4.4 [13])

Вид бетона	Ширина плиты b, м	Ширина ребра плиты bр, мм	Толщина защитного слоя арматуры, мм	Класс арматуры, количество и диаметр стержней, мм
			До боковой грани w	До нижней грани
				з1	з2	з3
Тяжелый на гранитном щебне	3,0	130	29	30	-	-	А-III 128

Таблица 10. Исходные данные для кирпичных наружных стен (прил. 4 табл. 4.6 [13])

Конструктивное решение стены из материалов	Толщина стены, см
Силикатного кирпича	6,5

Графическая часть курсового проекта

III ФС 24 - 3, 85

Рис.1. Геометрическая схема стальной фермы покрытия III ФС 24 - 3, 85 и схема заданного узла фермы



1. Определение требований к огнестойкости и пожарной опасности строительных конструкций здания

Как уже отмечалось ранее, здание состоит из двух пожарных отсеков.

Класс функциональной пожарной опасности в соответствии с п.5.21* [1] для первого пожарного отсека - Ф 5.1; для второго пожарного отсека - Ф 5.2. колонна огнестойкость пожарный железобетонный

Определим требования к огнестойкости и пожарной опасности строительных конструкций первого пожарного отсека здания. Здание производственное, четырехэтажное, категория пожарной опасности - А (см. исходные данные табл.1). Площадь этажа S в пределах пожарного отсека равна

S = L₁L₂ = 240 24 = 5760 м². (1.1)

где: L₁ и L₂ - соответственно длина и ширина здания, м. (см. исходные данные табл.1).

В соответствии с табл. 5 [2] требуемая степень огнестойкости здания - III; требуемый класс конструктивной пожарной опасности - С0.

Определим требования к огнестойкости и пожарной опасности строительных конструкций второго пожарного отсека здания.

Площадь этажа в пределах пожарного отсека равна 3800 м². (см. исходные данные табл.2).

В соответствии с табл. 1 [3] требуемая степень огнестойкости здания - I-II; требуемый класс конструктивной пожарной опасности - С0.Требуемую степень огнестойкости для всего здания определять не требуется, так как в связи с наличием противопожарной стены между отсеками огонь не сможет перейти из одной части здания в другую, а в случае горения всего здания пожар в каждом отсеке будет рассматриваться как отдельный. Поэтому фактические показатели огнестойкости строительных конструкций должны соответствовать требуемым для конструкций только тех отсеков, в которых они располагаются.

В соответствии с табл. 4 [1] выберем требуемые пределы огнестойкости к основным конструкциям здания, которые приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Требуемые пределы огнестойкости основных строительных конструкций здания (из табл. 4 [1])

Степень огнестойкости здания	Предел огнестойкости строительных конструкций, не менее
	Несущие элементы здания	Наружные ненесущие стены	Перекрытия междуэтажные (в том числе чердачные и над подвалами)	Элементы бесчердачных покрытий	Лестничные клетки
				Настилы (в том числе с утеплителем)	Фермы, балки, прогоны	Внутренние стены	Марши и площадки лестниц
II	R 90	Е 15	REI 45	RE 15	R 15	REI 90	R 60

В соответствии с табл. 5 [1] выберем требуемые классы конструктивной пожарной опасности основных строительных конструкций здания, которые приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Требуемые классы конструктивной пожарной опасности основных строительных конструкций здания (из табл. 5 [1])

Класс конструктивной пожарной опасности здания	Класс пожарной опасности строительных конструкций, не ниже
	Несущие стержневые элементы (колонны, ригели, фермы и др.)	Стены наружные с внешней стороны	Стены, перегородки, перекрытия и бесчердачные покрытия	Стены лестничных клеток и противопожарные преграды	Марши и площадки лестниц в лестничных клетках
C0	K0	K0	K0	K0	K0



Из табл. 1 [4] в соответствии с требуемыми классами конструктивной пожарной опасности выберем требования к основным строительным конструкциям здания, которые приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.3. Требуемые показатели к основным строительным конструкциям здания (из табл. 1 [4]).

Класс пожарной опаснос-ти конструк-ций	Допускаемый размер повреждения конструкций, см	Наличие	Допускаемые характеристики пожарной опасности поврежденного материала *
		теплового эффекта	Горе-ния	Группа
	Вертикаль-ных	Горизонталь-ных			Горючес-ти	Воспламе-няемости	Дымообразую-щей способности
К0	0	0	н.д.	н.д.	-	-	-

Условные обозначения: н.д. не допускается н.р. не регламентируется

Далее будут определены фактические пределы огнестойкости основных строительных конструкций проектируемого здания, проведена проверка соответствия их требованиям норм, а также предложены мероприятия по повышению огнестойкости этих конструкций в случае не соблюдения условий пожарной безопасности.



2. Расчет фактического предела огнестойкости металлической фермы покрытия

Высокая теплопроводность металла позволяет выполнить расчет стальных несущих конструкций по времени прогрева конструкции до критической температуры. Для каждого из элементов фермы следует определить величину критической температуры, то есть решить статическую задачу, а затем решить теплотехническую задачу по определению предела огнестойкости конструкции.

Статический расчет

Расчет растянутых элементов заданного узла фермы

Расчет производится из условия снижения прочности (предела текучести стали) до величины напряжения, возникающего в элементе от внешней (нормативной, рабочей) нагрузки.

В рассматриваемом узле ( рис.1 прил.1) растянутых стержней нет.

Расчет сжатых элементов заданного узла фермы

Несущая способность сжатых элементов исчерпывается при критических напряжениях, меньших, чем предел текучести. Это объясняется тем, что сжатые элементы теряют эксплуатационные качества не от разрушения сечения, а от потери устойчивости (выпучивания) стержня, поэтому сжатые элементы рассчитывают на устойчивость с учетом коэффициента ц (коэффициента продольного изгиба).

В связи с выше сказанным расчет производится по потере устойчивости (выпучивания) сжатых элементов. Этот расчет можно провести по двум методикам:

1. Расчет элементов на устойчивость с учетом коэффициента продольного изгиба ц.

2. Из условия снижения модуля упругости стали до критической величины (что приводит к недопустимому прогибу элемента).

Сжатыми элементами (в соответствие с табл. 3 прил. 1) являются стержни: С1, О2 и О3.

Расчет на устойчивость с учетом коэффициента продольного изгиба ц

Рассчитываем предел огнестойкости сжатых элементов фермы из условия устойчивости с учетом коэффициента продольного изгиба.

Определим гибкость в вертикальном направлении прогиба элементов фермы:

(2.1)

(2.2)

где l_x - расчетная длина элемента в вертикальном направлении прогиба (табл. 2.1), мм;

i_x - радиус инерции поперечного сечения элемента относительно оси «x» (п.1.1.4. [5]), мм.

Таблица 2.1. Расчетная длина элемента при его различных направлениях прогиба (п. 1.5.[5])

Направление прогиба	Расчетная длина элемента, мм
	С1	О2=О3
Вертикальное	lx = 0,8 l = 2472	lx = l = 3000
Горизонтальное	ly = l = 3090	ly = l = 3000

Определим гибкость в горизонтальном направлении прогиба элементов фермы:



(2.3)

(2.4)

где l_y - расчетная длина элемента в горизонтальном направлении прогиба (табл. 2.1), мм;

i_y - радиус инерции поперечного сечения элемента относительно оси «y» (п. 1.1.4. [5]), мм. При определении i_y следует учесть, что расстояние между уголками, из которых составлен элемент фермы, равно толщине соединительной пластины (д_f), к которой они приварены с двух сторон (п. 1.6. [5]).

Максимальная величина гибкости элемента фермы принимается равной наибольшей из гибкостей элемента в вертикальном и горизонтальном направлениях, то есть:

_max(C1) = 125,10;

_max(О2=О3) = 88,50.

Коэффициент продольного изгиба элемента фермы принимается в зависимости от _max (если _max ? 40, то = 1; если _max > 40, то = 0,95) и равен:

для _max(C1) = 125,10 > 40 (С1) = 0,95;

для _max(О2=О3) = 88,5 > 40 (О2=О3) = 0,95.

Таким образом,

_(С1) = _(Р3) = = 0,95.

Усилия, воспринимаемые элементами от нормативной нагрузки, равны



(2.5)

(2.6)

Определим коэффициент изменения предела текучести стали при критической температуре нагрева сжатых элементов фермы из условия прочности с учетом коэффициента продольного изгиба:

(2.7)

(2.8)

Расчет из условия снижения модуля упругости стали до критической величины

Для расчета определим коэффициент изменения модуля упругости стали элементов фермы:

(2.9)

(2.10)



где = 3,14;

Е_n - нормативное значение модуля упругости стали, равное 2,06 • 10¹¹ Па (табл.63 [6]);

J_min - минимальное значение момента инерции поперечного сечения элемента, м⁴, равное:

J_min(С1) = i_min(С1)² 2А_(С1) (2.11)

J_min(С1) = (2,47 10^-2)² (2 8,63 10^-4)= 102,30 10^-8 м⁴ ;

J_min(О2=О3) = i_min(О2=О3)² 2А_(О2=О3) (2.12)

J_min(О2=О3) = (3,39 10^-2 )² (2 17,2 10^-4)= 390,33 10^-8 м⁴ ,

где i_min - минимальное значение радиуса инерции поперечного сечения элемента из значений i_x и i_y, м, то есть:

i_min(C1) = 2,47 10^-2 м (п.1.1.4 [5]);

i_min(О2=О3) = 3,39 10^-2 м (п.1.1.4 [5]).

По графику (п. 1.4 [5]) определяем числовые значения критической температуры t_cr в зависимости от величин _ytcr и _е (для сжатых элементов). Полученные данные сведем в таблицу 2.2:

Таблица 2.2. Значения критической температуры t_cr в зависимости от величин _ytcr и _е

	Элементы фермы
	Сжатые
	О2=О3	С1
ytcr	0,57	0,34
е	0,512	0,614
tcr, C	510 550	600 700

Примечание: в числителе - t_cr, найденная в зависимости от _ytcr;

в знаменателе - t_cr, найденная в зависимости от _е.

Для теплотехнического расчета берутся минимальные значения t_cr, то есть:

t_cr(О2=О3) = 510 C;

t_cr(С1) = 600 C.

Теплотехнический расчет

Определим толщину сечения элементов фермы, приведенных к толщине пластины (рис. 2.1.):

, (2.13)

где А - площадь поперечного сечения элемента фермы, м² ; В узлах фермы каждый элемент выполнен из двух уголков (рис 2.1.). Размеры уголка находятся (прил.1 табл.3). Площадь одного уголка принимается по п. 1.1.4 [5];

U - длина обогреваемого периметра сечения элемента фермы, м (каждый уголок обогревается со всех четырех полок);

U =2•(4 b_f)= 8b_f, (2.14)

где b_f - ширина полки уголка, м (п. 1.1.4 [5]).

Таким образом,



(2.15)

(2.16)

(2.17)

С использованием графиков изменения температуры нагрева незащищенных стальных пластин от времени нагрева и приведенной толщины металла при стандартном температурном режиме пожара (п. 1.2. [5]) строим графики изменения температуры стержней заданного узла фермы от времени их нагрева (рис.2 прил.1). Для каждого элемента по графикам определяем значения времени прогрева до критической температуры, то есть утраты их несущей способности. Найденные значения сведем в таблицу 2.3.

Таблица 2.3. Время прогрева до критической температуры элементов фермы

	Элемент фермы
	О2	О3	С1
Время прогрева до критической температуры , мин	10	10	9

Таким образом, фактический предел огнестойкости фермы П_ф принимают равным минимальному значению времени утраты несущей способности элементов фермы, то есть П_ф = 9 мин (для элемента Р2).

Ввиду того, что элементы являются негорючими, то фактический класс пожарной опасности конструкций в соответствии с табл. 1 [4] принимаем К0.



3. Расчет фактического предела огнестойкости деревянной балки покрытия

Определять требования к балке по огнестойкости будем расчетным методом с учетом действующей на балку нормативной нагрузки.

Нормативная нагрузка на 1 погонный метр длины балки:

q_n = q a_б / _f (3.1)

q_n = 3,2 3 / 1,2 = 8 кН/ м.

В случае, если не известна длина балки, на которой произошло обрушение связей l_рс или l_рс = 0,5 • L, то кНм, в противном случае

(3.2)

Изгибающий момент от действия нормативной нагрузки в сечении балки, находящемся на расстоянии l_pc :

кНм.

Поперечная сила от нормативной нагрузки:

(3.3)

кН.

От действия силы Q_n в опорных сечениях конструкции возникают максимальные касательные напряжения.

Коэффициент изменения прочности по нормальным напряжениям:



(3.4)

где W - момент сопротивления для прямоугольного сечения , равный:

W = В_б h² / 6 (3.5)

W = 140 980² / 6 = 22,41 10⁶ мм³ = 22,41 10^-3 м³;

R_fw - расчетное сопротивление древесины изгибу при нагреве, равное 26 МПа (п. 2.1. [5] для сорта древесины 2).

Определим критическую глубину обугливания, при достижении которой наступает предельное состояние конструкции по огнестойкости (_n = R_fw), при действии нормальных напряжений.

По монограмме п.2.3.1 [5] для числа обогреваемых сторон 4,

h / В_б = 980 / 140 = 7 и _w = 0,17 определяем, что:

z_crw = 0,25 В_б (3.6)

z_crw = 0,25 136 = 32 мм (так как найденная точка лежит ниже штрихпунктирной линии).

Коэффициент изменения прочности по касательным напряжениям:

(3.7)

где R_fqs - расчетное сопротивление древесины скалыванию, равное 1,1 МПа (п. 2.1. [5]для сорта древесины 2).

Определим критическую глубину обугливания, при достижении которой наступает предельное состояние конструкции по огнестойкости (_n = R_fqs), при действии касательных напряжений.

По монограмме п.2.3.2 [5] для числа обогреваемых сторон 4,

h / В_б = 980 / 140 = 7 и _a = 0,6 определяем, что

z_crа = 0,025• h (3.8)

z_crа = 0,025 980 = 25 мм.

Из двух значений, z_crw и z_crа , выбираем наименьшее, таким образом

z_cr = 24,5 мм.

Определим время при пожаре от начала воспламенения древесины до наступления предельного состояния конструкции по огнестойкости:

_cr = z_cr / (3.9)

_cr = 25 / 0,6 = 40,83 мин ,

где скорость обугливания древесины, равная для сечения 980х140 мм и клееной древесины 0,6 мм / мин (п.2.2 [5]).

Фактический предел огнестойкости и фактический предел распространения пламени по балке составляют:

П_ф = _зо + _cr (3.10)

П_ф = 5 + 40,83 = 45,83 мин = 0,76 ч ,

где _зо - время задержки обугливания, то есть время при пожаре от начала воздействия температуры на древесину до ее воспламенения, равное 5 мин ([7] стр 21).

l_доп 25 см для незащищенной древесины [8], что будет соответствовать в соответствии с табл. 1 [4] фактическому классу пожарной опасности конструкций К3.

Поперечный разрез второго пожарного отсека здания, схема связей каркаса, общий вид и поперечный разрез балки, а также технические решения, обеспечивающие огнезащиту опорного узла балки и узлов соединения элементов связей с балкой представлены на рис. 3 5 прил.1.

4. Расчет фактического предела огнестойкости железобетонных конструкций

Как правило, предел огнестойкости железобетонной конструкции достигается в результате потери ею несущей способности (обрушения) за счет снижения прочности (температурной ползучести) арматурной стали и бетона при нагревании достижения первого предельного состояния по огнестойкости, либо вследствие потери (утраты) теплоизолирующей способности (прогрева конструкции выше допустимой температуры) второе предельное состояние конструкции; по огнестойкости, а также в результате потери (утраты) сплошности (целостности, плотности) ограждающей конструкции третье предельное состояние конструкции по огнестойкости.

Для самонесущих и несущих железобетонных конструкций (конструкций наружных стен, плит покрытия, балок, ферм, колонн) пределы огнестойкости определяют по потере несущей способности.

При определений пределов огнестойкости строительных конструкций в общем случае необходимо решить две части задачи: теплотехническую и статическую. Теплотехническая часть имеет целью определить температуры по сечению конструкции во время воздействия на нее стандартного температурного режима.

В статической части вычисляют изменение несущей способности (прочности) нагретой конструкции с учетом изменения свойств бетона и арматуры при высоких температурах общая расчетная схема. Затем строят график изменения несущей способности конструкции во времени. Время нагрева конструкции, по истечение которого несущая способность снизится до величины нормативной (рабочей) нагрузки, является пределом ее огнестойкости.



4.1 Расчет фактического предела огнестойкости железобетонной плиты перекрытия

Для решения статической части задачи форму поперечного сечения железобетонной плиты перекрытия с круглыми пустотами (прил.1 рис. 6.) приводим к расчетной тавровой.

Определим изгибающий момент в середине пролета от действия нормативной нагрузки и собственного веса плиты:

(4.1)

Нм,

где q^/_n - нормативная нагрузка на 1 погонный метр плиты, равная:

(4.2)

Н/м.

Расстояние от нижней (обогреваемой) поверхности панели до оси рабочей арматуры составит:

(4.3)

мм,

где d - диаметр арматурных стержней, мм.

Среднее расстояние составит:



(4.4)

мм,

где А - площадь поперечного сечения арматурного стержня (п. 3.1.1. [5]), мм².

Определим основные размеры расчетного таврового поперечного сечения панели:

ширина: b_f = b = 1,49 м;

высота : h_f = 0,5•(h П)

h_f = 0,5•(220 - 162) = 29 мм;

расстояние от не обогреваемой поверхности конструкции до оси арматурного стержня h_o = h - a

h_o = 220 - 29 = 191 мм.

Определяем прочностные и теплофизические характеристики бетона:

нормативное сопротивление по пределу прочности R_bn = 22 МПа (табл. 12 [10] или п. 3.2.1 [5] для бетона класса В30); коэффициент надежности _b = 0,83 [11]; расчетное сопротивление бетона по пределу прочности

R_bu = R_bn /_b

R_bu = 22 / 0,83 = 26,4 МПа;

коэффициент теплопроводности

_t = 1,2 - 0,00035•Т_ср (4.5)

_t = 1,2 - 0,00032 •733 = 0,95 Вт м^-1К^-1 (п. 3.2.3. [5]),

где Т_ср - средняя температура при пожаре, равная 723 К;

удельная теплоемкость



С_t = 710 + 0,84• Т_ср (4.6)

С_t = 720 + 0,8 · 733 = 1347,32 Дж кг^-1 К^-1 (п. 3.2.3. [5]);

приведенный коэффициент температуропроводности:

(4.7)

м²с^-1;

коэффициенты, зависящие от средней плотности бетона К = 39 с^0,5 и К₁ = 0,5 (п.3.2.8, п.3.2.9. [5]).

Определяем высоту сжатой зоны плиты:

(4.8)

м =10,04мм.

Определяем напряжение в растянутой арматуре от внешней нагрузки в соответствии с прил. 4:

так как х_t = 10,04 мм h_f = 30,5 мм, то

(4.9)

МПа,

где As - суммарная площадь поперечного сечения арматурных стержней в растянутой зоне поперечного сечения конструкции, равная для 3 стержней 14 мм 462 мм² (п. 3.1.1. [5]).

Определим критическое значение коэффициента изменения прочности арматурной стали:

(4.10)

,

где R_su - расчетное сопротивление арматуры по пределу прочности, равное:

R_su = R_sn / _s (4.11)

R_su = 590 / 0,9 = 652,52 МПа

(здесь _s - коэффициент надежности для арматуры, принимаемый равным 0,9 [11]);

R_sn - нормативное сопротивление арматуры по пределу прочности, равное 590 МПа (табл. 19 [10] или п. 3.1.2 [5]).

Получили, что _stcr 1. Значит, напряжения от внешней нагрузки в растянутой арматуре превышают нормативное сопротивление арматуры. Следовательно, необходимо снизить напряжение от внешней нагрузки в арматуре. Для этого увеличим число арматурных стержней панели 14мм до 5. Тогда A_s =769 10^-6 (п. 3.1.1. [5]).

МПа,

.

Определим критическую температуру нагрева несущей арматуры в растянутой зоне.

По таблице п. 3.1.5. [5] с помощью линейной интерполяции определяем, что для арматуры класса А-IV, марки стали 35 ГС и _stcr = 0,97.

t_stcr = 400C.

Время прогрева арматуры до критической температуры для плиты сплошного поперечного сечения будет являться фактическим пределом огнестойкости.

(4.12)

с = 0,89 ч,

где Х - аргумент функции ошибок Гаусса (Крампа), равный 0,64 (п.3.2.7. [5]) в зависимости от величины функции ошибок Гаусса (Крампа), равной:

(4.13)

(здесь t_н - температура конструкции до пожара, принимаем равной 20С).

Фактический предел огнестойкости плиты перекрытия с круглыми пустотами составит:

П_ф = 0,9 (4.14)

П_ф = 0,89 0,9 = 0,8 ч,

где 0,9 - коэффициент, учитывающий наличие в плите пустот.

Так как бетон - негорючий материал, то, очевидно, фактический класс пожарной опасности конструкции К0.



4.2 Расчет фактического предела огнестойкости железобетонной колонны

Определяем прочностные характеристики материалов:

(4.15)

МПа,

где: R_sn - нормативное сопротивление арматурной стали сжатию (табл. 19 [10] или п. 3.1.2. [5]);

_а=0,9 - коэффициент надежности по материалу для арматуры [12], [11].

R_bn = 11 МПа (табл. 12 [10] или п. 3.2.1 [5]);

R_bu = R_bn / 0.83

R_bu = 13,15 МПа,

где: R_ит - нормативное сопротивление (призменная прочность) бетона осевому сжатию (табл. 12 [10]);

_а=0,83 - коэффициент надежности по материалу для бетона [11].

Определяем теплофизические характеристики бетона (п. 3.2.3. [5]):

_t = 1,2 - 0,00035 723 = 0,95 Вт/м К;

с_t = 710 + 0,84 723 = 1344,32 Дж/кг К;

(4.16)

м²/с.

Определим площадь арматурных стержней (п. 3.1.1. [5]):

А_s = 3214 мм² = 3214 10^-6 м².

Для расчета N_t = f () задаемся интервалами времени ₁ = 0 ч; ₁ = 1 ч; ₁ = 2 ч.

Вычисляем N_t при ₁ = 0 ч.

N_t,0 = _t (R_bu b h + R_su A_s) (4.17)

N_t,0 = 0,87(13,25 0,4 0,4 + 655,6 3214 10^-6) = 3,78 МН,

где: _t = 0,87 (п. 3.2.10. [5]) при l₀/b = 6,9/0,4 = 17,2.

Вычисляем N_t при ₂ = 1 ч, предварительно решив теплотехническую часть задачи огнестойкости, т.е. определив температуру арматурных стержней и размеры ядра поперечного сечения колонны.

Определим критерий Фурье:

(4.18)

,

где К = 37,2 с^0,5 (п. 3.2.8. [5]).

Определим относительное расстояние:

(4.19)

,

где х = у = 0,5h - a - 0.5d = 0.5 • 0,4 - 0,034 - 0,5 • 0,032 = 0,15 м.

Определяем относительную избыточную температуру (п. 3.2.4. [5]):

И_х = И_у = 0,76.

Тогда t_x=0,16,y=0 = t_y=0,16,x=0 = 1250 - (1250 - t_н)И = 1250 - (1250 - 20)0,76 = 315?С.

Определяем температуру арматурных стержней (с учетом всестороннего обогрева колонны):

(4.20)

?С,

где t_В = 925?С (п.3.1.3. [5]) или t_В = 345lg (0.133 ф + 1) + t_H;

С использованием п.3.1.5. [5] интерполяцией определяем г_st = 0.79.

Для определения размеров ядра поперечного сечения необходимо определить о_я,х , предварительно вычислив температуру в центре «ядра»:

t_x=0 = t_y=0 = 1250 - (1250 - t_н)И_ц;

Величину И_ц определяем по п.3.2.5. [5] при F_ox / 4 = 0.021 / 4 = 0.0053; И_ц = 1;

t_x=0 = t_y=0 = 1250 - (1250 - 20)1.0 = 20?С.

Определяем относительную температуру на границе «ядра» поперечного сечения колонны:

(4.21)

,

где t_bcr = 500?С при < 4 (п.3.2.6. [5]).

По графику (п.3.2.4. [5]) при F_o,x = 0.021 и И_я,х = 0,61 определяем о_я,х = 0,19.

Определяем размеры «ядра» поперечного сечения:



(4.22)

м.

Определяем несущую способность колонны через ₂ = 1 ч:

N_t,ф = ц_t (R_buA_я + R_suA_sг_st) (4.23)

N_t,ф = 0,83(13,25 • 0,36 • 0,36 + 655,6·3214 • 10^-6 • 0,79) = 2,78 МН,

где ц_t = 0,83, т.к. l₀ / b_я = 6,9 / 0,36 = 19,1.

Для интервала времени ₃ = 2 ч:

; (4.24)

о = 0,3;

И_х = И_у = 0,64;

t_x=0,16 = t_y=0,16 = 1250 - (1250 - 20) 0,64 = 461?С;

?С;

г_st = 0.14 (п.3.1.5. [5], табл. 1.2. [12]);

F_ox / 4 = 0.43 / 4 = 0.01075; И_ц = 0,995;

t_x=0 = t_y=0 = 1250 - (1250 - 20) 0,9985 = 21?С;

.

По графику (п. 3.2.4. [5]) при F_o,x = 0.043 и И_я,х = 0,62 определяем о_я,х = 0,27.

м;

N_t,2 = 0,79(13,25 • 0,32 • 0,32 + 655,6·3214 • 10^-6 • 0,14) = 1,3 МН,

где ц_t = 0,79, т.к. l₀ / b_я = 6,9 / 0,32 = 21,56.

Для определения фактического предела огнестойкости строим график изменения несущей способности колонны от времени нагрева (прил.1 рис. 8) при:

ф₁ = 0 N_t1 = 3,68 МН;

ф₂ = 1 ч N_t2 = 2,8 МН;

ф₁ = 2 ч N_t3 = 1,3 МН.

По графику (прил.1 рис. 8) фактический предел огнестойкости

П_ф = 1,6 ч.



5. Проверка соответствия огнестойкости и пожарной опасности строительных конструкций противопожарным требованиям и предлагаемые технические решения по повышению их огнестойкости

Для каждого пожарного отсека проверяемого здания в первом разделе были определены нормативные показатели огнестойкости и пожарной опасности.

Фактические пределы огнестойкости некоторых строительных конструкций здания были определены расчетным методом. Для того, чтобы проверить соответствие строительных конструкций и здания в целом требованиям норм определим фактические пределы огнестойкости остальных конструкций с использованием пособия [8].

Определение фактического предела огнестойкости сплошных плит перекрытия

В соответствии с исходными данными (прил.1 табл.7) по табл.8 [8] определяем, что фактический предел огнестойкости и фактический предел распространения пламени по конструкции соответственно составляют: П_ф = 1,1 ч и ввиду того, что конструкция является негорючей, то фактический класс пожарной опасности конструкций в соответствии с табл. 1 [4] принимаем К0.

Определение фактического предела огнестойкости железобетонных ригелей перекрытия

В соответствии с исходными данными (прил.1 табл.8) по табл.6 [8] определяем, что фактический предел огнестойкости и фактический предел распространения пламени по конструкции соответственно составляют: П_ф = 1 ч и ввиду того, что конструкция является негорючей, то фактический класс пожарной опасности конструкций в соответствии с табл. 1 [4] принимаем К0.

Определение фактического предела огнестойкости железобетонных ребристых плит покрытия

В соответствии с исходными данными (прил.1 табл.9) по табл.8 [8] определяем, что фактический предел огнестойкости и фактический предел распространения пламени по конструкции соответственно составляют: П_ф = 2 ч и ввиду того, что конструкция является негорючей, то фактический класс пожарной опасности конструкций в соответствии с табл. 1 [4] принимаем К0.

Определение фактического предела огнестойкости кирпичных несущих стен

В соответствии с исходными данными (прил.1 табл.10) по табл.10 [8] определяем, что фактический предел огнестойкости и фактический предел распространения пламени по конструкции соответственно составляют: П_ф < 0,5 ч и ввиду того, что конструкция является негорючей, то фактический класс пожарной опасности конструкций в соответствии с табл. 1 [4] принимаем К0.

Теперь необходимо сравнить данные о требуемых (допустимых) (см. табл. 1.1, 1.2 данного пособия) и фактических значениях параметров огнестойкости всех строительных конструкций здания.

Строительные конструкции соответствуют требованиям норм по пределу огнестойкости при соблюдении условия:

П_ф?П_тр,

где: П_ф - фактический предел огнестойкости, мин;

П_тр - требуемый предел огнестойкости, мин.

Предусмотренные проектом строительные конструции отвечают требованиям норм по классу пожарной опасности, если их класс пожарной опасности К_ф соответствует классу пожарной опасности, установленному нормами К_тр, и в случае, если проектом предусматривается использование менее пожароопасных строительных конструкций.

Для удобства все данные внесем в таблицу (см. табл. 5.1 и 5.2.)



Таблица 5.1. Проверка соответствия показателей огнестойкости и пожарной опасности строительных конструкций и первого противопожарного отсека здания противопожарным требованиям норм

Вид основных конструк-ций	Требуется (допускается) СниП	Ссылка на нормы	Принято в проекте	Основание
	Отр	Стр	Птр, мин	Ктр		Пф	Кф	Сф	Оф
Несущие стены	IV	C0	R 15	K 0	таб. 5 [2]; таб. 4* [1]; таб. 5* [1]	30	K 0	С0	I	Т. 10 [8]
Колонны			R 15	K 0	То же	78	K 0	С0	III	По расчету
Балки (ри гели) перекры-тий			R 15	K 0	То же	60	K 0	С0	I	Т. 6 [8]
Плиты перекры-тий с круглыми пустотами			REI15	K 0	То же	51,6	K 0	С0	II	По расчету
Металли-ческие фермы покрытия			R 15	K 0	То же	7,8	K 0	С0	V	По расчету
Ребристые плиты покрытия			RE 15	K 0	То же	120	K 0	С0	I	Т. 8 [8]

Таблица 5.2. Проверка соответствия показателей огнестойкости и пожарной опасности строительных конструкций и второго противопожарного отсека здания противопожарным требованиям норм

Вид основных конструк-ций	Требуется (допускается) СниП	Ссылка на нормы	Принято в проекте	Основание
	Отр	Стр	Птр, мин	Ктр		Пф	Кф	Сф	Оф
Несущие стены	IV	C0	R 15	K0	таб. 1 [3]; таб. 4* [1]; таб. 5* [1]	30	K 0	С0	I	Т. 10 [8]
Колонны			R 15	K0	То же	78	K 0	С0	III	По расчету
Деревян-ные балки покрытия			R 15	K0	То же	46,2	K 3	С2	I	По расчету
Ребристые плиты покрытия			RE 15	K0	То же	120	K 0	С0	I	Т. 8 [8]

На основании данных, приведенных в табл. 5.1 можно сделать вывод о необходимости разработки технических решений для повышения огнестойкости металлической фермы покрытия первого пожарного отсека и деревянной балки покрытия второго пожарного отсека.

Выбор и обоснование способа огнезащиты металлической фермы покрытия

Без технико-экономического расчета в качестве способов огнезащиты можно принять следующие: нанесение вспучивающейся краски, фосфатного покрытия, штукатурки и другие.

На графиках (п. 1.11.1 - 1.11.3 [5]) показано изменение температуры нагрева элементов фермы различной толщины, обработанных огнезащитным покрытием. Поэтому для определения фактического предела огнестойкости защищенной конструкции П_фз необходимо иметь данные о t_cr (t_cr = 420 С (табл. 2.2)) и рассчитать приведенную толщину стальной пластины (берем элемент Р2):

(5.1)

мм.

Эффективность огнезащитного средства оценивается отношением фактического предела огнестойкости защищенной конструкции П_фз к аналогичному показателю для незащищенной конструкции П_ф, то есть



. (5.2)

Эффективность огнезащитного средства оценивается также с экономической точки зрения (величина защитного слоя покрытия, его стоимость, способ нанесения, условия эксплуатации и т.д.).

Результаты расчетов сведем в таблицу 5.3.

Таблица 5.3. Оценка эффективности огнезащитных покрытий

Вид огнезащиты	Толщина слоя покрытия с, мм	Пфз, мин	Пф, мин	К	Вывод
ОФП	20	45	6	7,5
ОВПФ-1	8	50		8,3	Более подходящее
ОВП-2	12	60		10
ЦПШ	20	45		7,5
ГПШ	20	55		9,1
ЦП-СШ	20	27		4,5

Требуемый предел огнестойкости фермы составляет 0,25 ч или 15 мин (табл.1.1). Как видно из таблицы 5.1 любое из огнезащитных покрытий сможет обеспечить выполнение условия пожарной безопасности. Однако, имея толщину слоя 8 мм, покрытие ОВПФ-1 является наиболее эффективным с экономической точки зрения.

Таким образом, П_ф = 50 мин, что удовлетворяет требованиям.

Выбор и обоснование способа огнезащиты деревянной балки покрытия и узлов соединения

Огнезащиту конструкций из древесины можно осуществить с помощью покрытия их огнезащитными красками, обмазками, глубокой пропиткой антипиренами, а также оштукатуривания с толщиной штукатурки не менее 2 см и другими способами. В данном случае предлагается предусмотреть конструктивную защиту балок негорючими или трудногорючими листовыми материалами.

Рекомендуется для этих целей использовать гипсокартонные листы, пределы огнестойкости перегородок из которых следующие (п.2.6 [5]):

14 мм П_ф = 0,25 ч;

2 х 14 мм П_ф = 0,70 ч;

3 х 14 мм П_ф = 1,25 ч;

4 х 14 мм П_ф = 1,60 ч.

Так как предел огнестойкости деревянной балки соответствует требованиям норм (табл. 5.1), поэтому достаточно использовать гипсокартонные литы толщиной 14 мм, что позволит привести в соответствие фактический класс пожарной опасности данной конструкции К_ф классу пожарной опасности, установленному нормами К_тр = К0.

Стальные элементы в опорных узлах балок не воспринимают усилия, а служат для фиксации конструкций в проектном положении. Время потери несущей способности незащищенных стальных креплений, согласно [8] составляет 0,5 часа.

Выход из строя в условиях пожара этих элементов может привести к потере балками своего проектного положения. Поэтому желательно защищать эти элементы от прямого воздействия высоких температур. Открытие стальные детали рекомендуется защищать вспучивающейся огнезащитной краской, либо закрывать трудносгораемыми или несгораемыми материалами (цементно-стружечными плитами, антипирированными досками, древесно-стружечными плитами с покрытием ОФП-9 и т.д.). Вариант огнезащиты опорного узла балки представлен на рис. 5 прил.1.

Другие требования к конструкциям здания

Требования к железобетонной плите перекрытия с круглыми пустотами

Напряжения от внешней нагрузки в растянутой арматуре рассматриваемой плиты превышают ее нормативное сопротивление по прочности. Это означает, что обрушение конструкции произойдет при температуре ниже средней температуры пожара (723 К), то есть без условий пожара. Так как по заданию требуется оценить поведение плиты при пожаре, то необходимо обеспечить для нее достаточную несущую способность, такую, чтобы при сравнительно неопасных условиях обрушения не произошло. Для этого уменьшим напряжения от внешней нагрузки в растянутой арматуре путем изменения конструктивных особенностей плиты - увеличим количество арматурных стержней 12 с 5 до 6.



Список используемой литературы

1. СНиП 21-01-97* Пожарная безопасность зданий и сооружений. М.: Госстрой России, 1999. - 15 с.

2. СНиП 31-03-2001 Производственные здания. М.: Госстрой России, 2001. - 11 с.

3. СНиП 31-04-2001 Складские здания. М.: Госстрой России, 2001. - 5 с.

4. ГОСТ 30403-96 Конструкции строительные. Метод определения пожарной опасности.

5. Шелегов В.Г., Кузнецов Н.А. Строительные конструкции. Справочное пособие по дисциплине «Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре» - Иркутск.: ВСИ МВД России, 2001. - 73 с.

6. СНиП II-23-81*. Стальные конструкции. / Минстрой России. - М.: ГП ЦПП, 1995. - 96 с.

7. Мосалков И.Л., Мальцев Г.В., Фролов А.Ю. Методические указания к выполнению контрольной работы №2 по дисциплине «Здания, сооружения и их поведение в условиях пожара» (для слушателей факультета заочного обучения). - М.: ВИПТШ МВД СССР, 1991. - 96 с.

8. Пособие по определению пределов огнестойкости конструкций, пределов распространения огня по конструкциям и групп возгораемости материалов (к СНиП II-2-80), ЦНИИСК им. Кучеренко. - М.: Стройиздат, 1985. - 56 с.

9. ГОСТ 30247.0-94 Конструкции строительные. Методы испытания на огнестойкость. Общие требования. М.: МТКС, 1995. - 9 с.

10. СНиП 2.03.01-84*. Бетонные и железобетонные конструкции. / Минстрой России. - М.: ГП ЦПП, 1995. - 80 с.

11. Рекомендации по расчету пределов огнестойкости железобетонных конструкций. НИИЖБ - М.: Стройиздат, 1986. - 40 с.

12. Яковлев А.И. Расчет огнестойкости строительных конструкций. - М.: Стройиздат, 1988. - 143 с.

13. Шелегов В.Г., Чернов Ю.Л. «Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре» Пособие по выбору исходных данных на курсовое проектирование. - Иркутск.: ВСИ МВД России, 2001. - 84 с.

14. Шелегов В.Г., Кузнецов Н.А. «Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре» Пособие по изучению теоретического курса дисциплины. - Иркутск.: ВСИ МВД России, 2002. - 191 с.

15. Лукинский В.М., Демехин В.Н. и др. Методические рекомендации по выполнению курсового проекта по дисциплине «Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре». - СПбВПТШ МВД РФ, 1997. - 192с., ил.



Приложения

Приложение 1

Графическая часть курсового проекта

3000

Рис.1. Геометрическая схема стальной фермы покрытия VI-ФС 18-4,40 и схема заданного узла фермы

Продолжение 2

t, С

700

600

500 7,72 мм

400 6,40 мм

300 5,39 мм

200

100

0 10 20 30 , мин

Рис.2. Изменение температуры стержней заданного узла фермы в зависимости от времени прогрева

Продолжение 3

Рис.3. Поперечный разрез второго пожарного отсека здания

L = 12000 В_б = 160

Рис. 4. Общий вид и поперечный разрез деревянной балки покрытия

Продолжение 4

I I - I

b

50

100

I

250

Рис. 5. Вариант огнезащиты опорного узла 1 балки при опирании на стену

Продолжение 5

b = 1490

Рис. 6. Общий вид и поперечный разрез железобетонной плиты с круглыми пустотами

Продолжение 6

Рис. 7. Схема поперечного сечения колонны

Продолжение 7

Рис. 8. Изменение несущей способности колонны во время «стандартного» пожара

Размещено на Allbest.ru