СП 468.1325800.2019 Действует

Сжатые элементы (колонны, стены)

8.17 Отдельно стоящие колонны, как правило, подвергаются воздействию пожара с четырех сторон. Колонны, находящиеся в стенах, могут подвергаться огневому воздействию пожара с одной, двух и трех сторон.

При расчете огнестойкости колонн ветровые и крановые нагрузки (при их наличии) не учитывают.

Огневое воздействие вызывает неравномерное распределение температуры в бетоне по поперечному сечению колонны. Периферийные слои бетона прогреваются значительно больше, чем внутренние, что приводит к снижению прочности и сильному развитию деформаций бетона у краев сечения колонны. Менее нагретый бетон центральной части сечения обладает большей прочностью и меньшей деформативностью. Разрушение колонн происходит по менее нагретому, более прочному бетону при деформации сжатия, близкой к предельной.

В арматуре, расположенной у краев сечения колонны, при высоких температурах нагрева развиваются большие пластические деформации, и она перестает воспринимать усилия от внешней нагрузки, которые передаются на менее нагретый бетон в центральной части колонны.

8.18 Расчет по прочности при четырехстороннем огневом воздействии прямоугольных сечений внецентренно сжатых колонн с арматурой, расположенной у противоположных в плоскости изгиба сторон сечения, при эксцентриситете продольной силы е0 ≤ h/30 и гибкости λ = l0/ht ≤ 20 производят по формуле

Nult,t ≤ φ(Rbnt Ared + Rsct As,tot), | (8.23)

где Ared приведенная площадь сечения, которую определяют по формуле (8.8);

As,tot площадь всей продольной арматуры в сечении.

8.19 Коэффициент продольного изгиба φ колонн прямоугольного и круглого сечений при нагреве следует принимать в зависимости от отношения расчетной длины колонны l0 к приведенным высоте ht или диаметру dt по таблице 8.1.

Таблица 8.1

Таблица 8.1l0/ht | 6 12 | 16 | 20 l0/dt | 5 10 | 14 | 17 φ для тяжелого бетона | 0,90 | 0,80 | 0,70 φ для конструкционного керамзитобетона | 0,85 | 0,68 | 0,55

Площадь приведенного круглого сечения

Ared = 0,785dt2 = 0,785 (d 2аt)2. | (8.24)

Приведенную высоту сечения колонны ht определяют по формуле (8.5) или (8.7).

Глубину прогрева бетона at для круглой колонны находят по рисунку 8.2, принимая dt = 0,9bt, и найденное значение at умножают на коэффициент 1,11.

8.20 Расчет по прочности прямоугольных сечений внецентренно сжатых колонн при огневом воздействии производят из условия

Nn·e ≤ Rbnt bt xt (h0t 0,5хt) + Rsct A's (h0 a'). | (8.25)

Высоту сжатой зоны определяют по формуле (рисунок 8.5)

при  = хt / h0t ≤ R

xt = (Nn + Rsnl As Rsct As) / Rbnt bt; | (8.26)

при  = хt / h0t > R

| (8.27)

При четырехстороннем воздействии пожара приведенную рабочую высоту сечения определяют по формуле h0t = h a at .

Приведенную ширину bt в формулах (8.25)(8.27) определяют по формуле (8.2).

а при трехстороннем; б при четырехстороннем обогреве и расчете на огнестойкость Рисунок 8.5 Схема усилий и эпюра напряжений в сечении, нормальном к продольной оси внецентренно сжатого железобетонного элемента

8.21 Эксцентриситет или расстояние от точки приложения продольной силы Nn до центра тяжести сечения растянутой или менее сжатой арматуры колонны при огневом воздействии определяют по формуле

е = е0 η + 0,5 (h0 а') + et , | (8.28)

Первые два слагаемых в формуле (8.28) определяются по пункту 8.1.14 СП 63.13330.2018 с учетом изменения прочностных и деформативных характеристик бетона и арматуры при нагреве. При этом модуль упругости бетона Еbt определяют по формуле (5.3) в центре тяжести приведенного сечения, модуль упругости арматуры Еst по формуле (5.7).

et дополнительный эксцентриситет (или прогиб) от огневого воздействия при одно-, двух- или трехстороннем неравномерном нагреве по высоте сечения внецентренно сжатой колонны определяют по формуле

et = a (αst ts αbt tb) l02 / 8h0t. | (8.29)

При четырехстороннем нагреве et = 0.

Для колонн с несмещающимися заделками на двух концах (без поворота) l0 = 0,5l; а = 0,55.

Для колонн с несмещающимися заделками на двух концах с податливым ограниченным поворотом l0 = 0,8l; а = 0,7.

Для колонн с шарнирными опорами на двух концах l0 = l; а = 1,0.

Коэффициент αbt принимают по таблице 5.3 в зависимости от температуры бетона менее нагретой сжатой грани сечения и αst по таблице 5.7 в зависимости от температуры арматуры у нагреваемой грани.

8.22 Эксцентриситет, или расстояние от точки приложения продольной силы Nn до центра тяжести сечения растянутой или менее сжатой арматуры колонны при четырехстороннем огневом воздействии, допускается определять по формуле

, | (8.30)

где Еb1 определяют по формуле (12.7);

Jred по формуле (8.125) СП 63.13330.2018 с учетом формулы (12.6).

8.23 Расчет огнестойкости колонн при косвенном армировании следует выполнять по формуле (8.23) или (8.25), подставляя в них вместо Rbn приведенную призменную прочность бетона Rbn,red, определенную с учетом влияния огневого воздействия на нормативные сопротивления арматурной стали сетки или спирали.

8.24 Железобетонные несущие стены сплошного сечения гибкостью λ ≤ 83 (l0/ht ≤ 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, так как он направлен в обогреваемую сторону и уменьшает эксцентриситет приложения продольной сжимающей силы.

8.25 При одностороннем огневом воздействии и с жестким опиранием стены прочность внецентренно сжатых плоских элементов при приложении продольной силы с большим эксцентриситетом (рисунок 8.6), когда ξ = хt /h0t ≤ ξR, определяют по формулам (8.25)(8.27), в которых вместо bt принимают b=1000 мм.

а расчетные размеры стены; б схема разрушения стены при одностороннем огневом воздействии; в схема сечения стены при расчете огнестойкости Рисунок 8.6 Железобетонная стена с ограниченным поворотом опорных сечений

8.26 В условиях пожара двухсторонний обогрев железобетонной стены не всегда происходит. В случае одновременного нагревания с двух сторон в железобетонной стене практически не возникает температурного прогиба (эксцентриситета et), и стена работает на сжатие. Предел огнестойкости по потере несущей способности R такой стены будет выше, чем при одностороннем нагреве.

Растянутые элементы

8.27 В несущих конструкциях ферм и арок присутствуют железобетонные элементы, которые работают на центральное и внецентренное растяжения. Как правило, эти элементы во время пожара обогреваются со всех сторон.

8.28 Оценку предела огнестойкости по потере несущей способности R растянутых прямоугольных железобетонных элементов при всестороннем огневом воздействии производят из условия

Nn ≤ Nult,t , | (8.31)

где Nn продольная растягивающая сила от нормативной внешней нагрузки;

Nult,t предельное значение продольной силы, которое может быть воспринято элементом, определяемое по формуле

при центральном растяжении

Nult,t = ΣRsnt Astot , | (8.32)

где Astot  площадь сечения всей продольной растянутой арматуры;

при внецентренном растяжении и продольной силе, приложенной между усилиями в арматуре S и S' (рисунок 8.7а)

Nn e ≤ Rsnt A's (h0 a'); | (8.33) Nn e' ≤ Rsnt As (h0 a'); | (8.34)

при продольной силе, приложенной за пределами расстояния между усилиями в арматуре S и S' (рисунок 8.7, б)

Nult,t e ≤ Rbnt bt xt (h0t 0,5хt) + Rsct A's (h0 а'). | (8.35) а продольная сила приложена между усилиями в арматуре As и A's; б продольная сила приложена за пределами расстояния между усилиями в арматуре As и A's Рисунок 8.7 Схема усилий и эпюра напряжений в сечении, нормальном к продольной оси внецентренно растянутого железобетонного элемента, при четырехстороннем воздействии пожара при расчете огнестойкости

0588S10-01164

Высота сжатой зоны при нагреве xt равна

xt = (Rsnt As Rsct A's – Nn) / Rbnt bt. | (8.36)

Если хt > ξR h0t, в формулу (8.39) подставляют хt = ξR h0t.

Эксцентриситет продольной силы или расстояние е от растягивающей продольной силы до равнодействующей усилий в арматуре определяют по формуле (8.28) без коэффициента η, так как нет дополнительного продольного изгиба от растягивающей силы, и без дополнительного эксцентриситета продольной силы еt, так как при всестороннем огневом воздействии нет дополнительного выгиба от неравномерного нагрева.

Железобетонные элементы при действии поперечных сил

8.29 Расчет огнестойкости по потере прочности железобетонных элементов при действии поперечных сил в условиях огневого воздействия проводят на основе модели наклонных сечений по 8.1.318.1.34 СП 63.13330.2018. При этом в формулах вместо значения b принимают значение bt (рисунок 8.8), определяемое по формуле (8.2). Значения коэффициентов условий работы γbt и γbtt принимают по средней температуре бетона поперечного сечения.

Рисунок 8.8 - Схема усилий при расчете железобетонных элементов по наклонному сечению на действие поперечных сил при трехстороннем нагреве

Расчет железобетонных элементов на продавливание

8.30 При одностороннем воздействии пожара снизу расчет на продавливание плоских железобетонных элементов (плит) производят согласно 8.1.46 СП 63.13330.2018 с учетом нормативных сопротивлений растяжению бетона Rbtnt и поперечной арматуры Rswt.

Учет влияния высокотемпературного воздействия на бетон производят по формуле (5.2). При этом значение коэффициента условий работы бетона на растяжение при нагреве γbtt принимают по среднеарифметическому значению средних температур нагрева бетона элементарных участков, на которые разбивают сечение плиты по высоте (рисунок 8.9).

Учет влияния высокотемпературного воздействия на поперечную арматуру производят по формуле (5.9). Коэффициент условий работы арматуры при нагреве γst принимают по таблице 5.6 для максимального значения температуры поперечной арматуры.

1 – расчетное поперечное сечение; 2 – контур расчетного поперечного сечения; 3 – температурная кривая нагрева бетона по высоте плиты; 4 – средняя температура элементарного участка; 5 пирамида продавливания Рисунок 8.9 – Условная модель для расчета плиты на продавливание при одностороннем огневом воздействии снизу

Статически неопределимые конструкции

8.31 В статически неопределимых изгибаемых элементах из монолитного железобетона (плитах, балках, ригелях и колоннах) предел огнестойкости по потере несущей способности R необходимо определять с учетом жесткости узлов сопряжения элементов и специфики схем разрушения. В многопролетных многоэтажных зданиях и сооружениях при локальном пожаре в одном пролете или на одном этаже взаимодействие отдельных монолитно сопряженных элементов может приводить к возникновению дополнительных усилий в других пролетах, где пожар не происходил.

8.32 Усилия в статически неопределимой конструкции от нагрузки и огневого воздействия при пожаре определяют по формулам строительной механики как в упругой системе.

Перемещения в основной системе, вызванные воздействием температуры в i-м направлении, равны

| (8.37)

где Mi и Ni изгибающий момент и продольная сила в сечении х-элемента основной системы от действия в i-ом направлении соответствующей единичной силы;

(1/r)tx, εtx температурные кривизна и деформация х-элемента, вызванные огневым воздействием.

8.33 Температурный изгибающий момент от неравномерного нагрева по высоте сечения элемента, заделанного на опорах, а также в замкнутых рамах кольцевого, квадратного и прямоугольного очертаний, имеющих одинаковое сечение, определяют по формуле

Mt = (1/r)t D, | (8.38)

где (1/r)t температурная кривизна;

D жесткость сечения в предельной по прочности стадии.

Продольные температурные деформации в железобетонном элементе могут вызывать напряжения сжатия при несмещаемых опорах и увеличение эксцентриситета сжимающей силы в колоннах от температурного удлинения ригеля.

8.34 В элементах статически неопределимых железобетонных конструкций от силовых и огневых воздействий происходит перераспределение усилий. Расчет в упругой системе является базовым для учета перераспределения усилий методом предельного равновесия.

Перераспределение усилий происходит от развития пластических деформаций арматуры в бетоне, образования и раскрытия трещин в момент исчерпания несущей способности элемента системы. Усилия в каждом элементе конструкции ограничены предельными условиями, с достижением которых деформации этих элементов могут значительно возрастать, образовывая пластические шарниры. Пластические шарниры превращают статически неопределимую конструкцию в статически определимую, в которой рост деформаций происходит без возрастания усилий. Статически неопределимую конструкцию в состоянии предельного равновесия следует представлять разделенной на части пластическими шарнирами.

8.35 В статически неопределимом изгибаемом железобетонном элементе, заделанном на опорах, от одностороннего огневого воздействия снизу возникает отрицательный температурный момент Mt, который приводит к образованию пластических шарниров (трещин) на опорах, где моменты от нагрузки и температурного перепада по высоте сечения суммируются (рисунок 8.10).

а момент от равномерно распределенной нагрузки; б температурный момент от огневого воздействия; в моменты, действующие в элементе перед образованием первых пластических шарниров на опорах; г суммарный момент при образовании пластического шарнира в пролете Рисунок 8.10 Моменты в статически неопределимом элементе

8.36 Температурные усилия влияют на образование пластических шарниров, но значения температурных моментов снижаются на 50 % из-за развития пластических деформаций бетона и арматуры, нагретых до высоких температур. Момент образования пластического шарнира на опоре определяется по формуле

Мош = Мо + 0,5Mt, | (8.39)

где Мош, – момент образования опорного пластического шарнира;

Мо и Mt – опорные моменты от нагрузки и нагрева соответственно.

В пролете момент от нагрузки снижается из-за образования температурного момента другого знака. После образования опорных пластических шарниров железобетонный элемент превращается в статически определимую конструкцию. Температурный момент в пролете уменьшается, и остается только момент от нагрузки. Полное разрушение элемента происходит при образовании пластического шарнира в середине пролета, когда резко увеличиваются пластические деформации арматуры при более высоких значениях нагрузки и температуры нагрева, чем в статически определимой балке.

8.37 Снижение прочности опорных сечений происходит из-за прогрева сжатого бетона и арматуры до высоких температур.

При трехстороннем нагреве опорного сечения статически неопределимых балок бетон сжатой зоны нижней и боковых граней сечения, нагретый до температуры выше критической, выключается из работы. Прочность опорных сечений снижается, в основном, за счет нагрева бетона сжатой зоны до критической температуры и, вследствие этого, уменьшения рабочей высоты сечения (рисунок 8.11).

Глубина прогрева бетона at до критической температуры у нагреваемых граней сечения балки находится по рисунку 5.1.

Рисунок 8.11 Схема усилий и эпюра напряжений в опорном сечении, нормальном к продольной оси изгибаемого статически неопределимого железобетонного элемента, при трехстороннем обогреве сжатой зоны при пожаре и расчете огнестойкости

8.38 Прочность пролетных сечений снижается от нагрева растянутой арматуры до критической температуры.

Разрушение сечений происходит от снижения нормативного сопротивления нагретой арматуры до рабочих напряжений. Преждевременного разрушения сжатой зоны пролетных сечений до начала увеличения пластических деформаций арматуры не происходит, так как она находится под действием меньших усилий, чем до начала огневого воздействия. Прочность пролетных сечений статически неопределимых железобетонных балок при трехстороннем огневом воздействии вычисляют по формуле (8.10).0588S10-01164

8.39 Предел огнестойкости по потере несущей способности R статически неопределимого изгибаемого элемента обеспечивается при выполнении условий:

в пролетном сечении

Mn ≤ Mult,t, | (8.40)

где Mn – нормативный изгибающий момент от внешней нагрузки (постоянной и временной длительной);

Mult,t несущая способность железобетонной конструкции при пожаре длительностью, равной значению предела огнестойкости по потере несущей способности R;

в опорном сечении

Mо + 0,5Mt ≤ Mult,t, | (8.41)

где Mо – нормативный момент от внешней нагрузки в опорном сечении (постоянной и временной длительной);

Mt температурный изгибающий момент, определяемый по формуле (8.38).

8.40 При проектировании статически неопределимых изгибаемых конструкций предел огнестойкости по потере несущей способности R рассчитывают следующим образом.

8.40.1 Устанавливают вид огневого воздействия на несущий элемент и значение нормируемого предела огнестойкости по потере несущей способности.

8.40.2 Из статического расчета для каждого элемента от действия нормативных постоянных и временных длительных нагрузок находят их неблагоприятное сочетание.

8.40.3 Теплотехническим расчетом или по приложениям А и Б от воздействия стандартного пожара длительностью (в минутах), соответствующей значению нормируемого предела огнестойкости, находят значения температур нагрева и коэффициентов условий работы бетона и арматуры в поперечном сечении элемента.

8.40.4 Производят расчет по прочности пролетного сечения элемента из условия (8.40). Если условие прочности пролетного сечения соблюдается, то производят расчет по прочности для опорного сечения элемента.

8.40.5 Определяют температурные моменты в опорных сечениях изгибаемых элементов, суммируют их с моментами от нагрузки и проверяют условие прочности опорного сечения (8.41).

8.40.6 Если условия прочности (8.40) и (8.41) выполняются, то предел огнестойкости статически неопределимого элемента обеспечен. Если одно из условий не выполняется, то производят перерасчет огнестойкости с внесением изменений в конструкцию сечения элемента, для которого условие прочности не выполняется (путем увеличения толщины защитного слоя, диаметра арматуры и т.д.).

8.41 В общем случае расчет предела огнестойкости по потере несущей способности статически неопределимой конструкции осуществляется методом предельного равновесия в зависимости от схемы разрушения системы в целом, когда она превратится в кинематический механизм.

8.42 При расчете на прочность сечений железобетонных элементов в условиях огневого воздействия возможно применение метода конечных элементов.

Несущую способность элемента в нормальном расчетном сечении определяют суммой несущей способности отдельных конечных элементов (бетонных и арматурных), на которые разбивается сечение. Оценка несущей способности каждого элемента (бетонного и арматурного) основывается на предварительном выявлении степени изменения прочностных и деформативных свойств бетона и арматуры в сечении рассматриваемого элемента при заданной длительности температурного воздействия в условиях стандартного пожара. При этом прочность и деформативность бетона и арматуры в каждом конечном элементе устанавливают по температуре в центре элемента, который одновременно является узлом координатной сетки, накладываемой на поперечное сечение конструкции при определении температурного поля по 6.2.

В расчете учитываются только конечные бетонные элементы, расположенные в сжатой зоне. Конечные арматурные элементы учитываются полностью, независимо от расположения в сжатой или растянутой зонах сечения.

Высота сжатой зоны сечения в первом приближении задается значением, равным (0,4–0,5)h0, и в дальнейшем корректируется на основе условия предельного равновесия конструкции в рассматриваемом промежутке времени воздействия стандартного температурного режима пожара.

8.43 При проверке прочности сечений статически неопределимых железобетонных элементов в условиях огневого воздействия допускается использовать упрощенный метод расчета, когда в сечении железобетонного элемента не учитывается слой бетона, нагретый свыше критической температуры нагрева бетона по 8.7.

8.44 В поэлементном расчете огнестойкости воздействие температурных деформаций учитывается только в поперечном сечении вследствие появления температурного градиента от неравномерного нагрева по толщине конструкций, а воздействием осевого или плоскостного температурного расширения пренебрегают. Граничные условия на опорах и в пролетах конструкций считаются неизменными в течение всего пожара и принимаются из статического расчета конструкций при нормальной температуре (проектные усилия).

Расчет плиты безбалочного перекрытия

8.45 Для безбалочного железобетонного перекрытия в виде плоской плиты сплошного сечения с жестким опиранием на колонны, при одностороннем воздействии пожара снизу предел огнестойкости определяют методом предельного равновесия путем расчета прочности на излом по продольной и поперечной полосам (рисунок 8.12).

а – с образованием параллельных краю плиты пластических шарниров; б – с образованием перпендикулярных краю пластических шарниров; 1 – линейный пластический шарнир около колонн с раскрытием трещины сверху плит; 2 – линейный пластический шарнир в середине пролета с раскрытием трещины снизу плиты Рисунок 8.12 – Схема излома плиты в безбалочном перекрытии при одностороннем воздействии пожара снизу

При расчете на излом отдельной поперечной или продольной полосы плиты предполагается, что в рассматриваемой полосе плиты образуются линейные пластические шарниры, параллельные оси этой полосы: один линейный пластический шарнир в пролете с раскрытием трещины снизу плиты и по одному линейному пластическому шарниру у колонн с раскрытием трещин сверху плиты.

В консольном свесе плиты, выступающем за крайний ряд колонн, принимается, что пластический шарнир не образуется, если свес консоли не более 0,25l1. Если свес консоли больше, то производят дополнительный расчет по формуле (8.42) на излом плиты у консоли колонн с образованием дополнительного пластического шарнира, параллельного краю перекрытия.

Для конструкций, симметричных относительно середины рассматриваемой полосы, проверку прочности средних панелей ведут из условия

| (8.42)

где q – интенсивность нормативной постоянной и временной длительной нагрузок, равномерно распределенных по полосе на 1 пог. м с коэффициентом перегрузки γf = 1;

l1, l2 – расстояния между рядами колонн в перпендикулярном направлении и вдоль рассматриваемой полосы (рисунок 8.12);

с – расстояние от крайних пластических шарниров до ближайших к ним рядов колонн;

AsI, A'sI – площади верхней растянутой арматуры в левом и правом опорных пластических шарнирах в пределах одной плиты;

Аs1 – площадь нижней растянутой арматуры в среднем пролетном пластическом шарнире в пределах одной плиты;

zI, z1, z'I – плечи внутренней пары сил в левом, среднем и правом пластических шарнирах соответственно, которые определяют по формуле

zI = h0 0,5xi,t, | (8.43)

где высота сжатой зоны в правом и левом опорных пластических шарнирах определяется по формулам

| (8.44)

В формуле (44) Rbnt определяют по формуле (5.1), принимая значения γbt по таблице 5.1 в зависимости от средней температуры бетона сжатой зоны. Допускается значение γbt принимать равным единице при замене h0 на h0t, которое определяют по формуле (8.9).

Высота сжатой зоны в среднем пролетном пластическом шарнире равна

| (8.45)

В формуле (8.44) Rsnt определяют по формуле (5.5), принимая значения γst по таблице 5.6 в зависимости от температуры арматуры на уровне ее оси.

0588S10-01164

Температуру бетона и арматуры определяют теплотехническим расчетом или по приложениям А и Б для требуемого предела огнестойкости.

Если условие (8.42) выполняется, то требуемый предел огнестойкости обеспечен. Сжатую арматуру в пластических шарнирах не учитывают.

При применении квадратных или прямоугольных в плане капителей с наклоном нижней части капители не менее 45° расчет на излом плит производят при расположении опорных пластических шарниров по месту перелома очертания капителей. При этом в формуле (8.42) значение с = lk / 2, где lk – длина капители.

Плиты, опертые по контуру

8.46 При одностороннем огневом воздействии снизу огнестойкость плит перекрытия, работающих в двух направлениях и монолитно связанных с балками, определяют кинематическим способом метода предельного равновесия. Предполагают, что плита разламывается на плоские звенья, соединенные между собой по линиям излома пластическими шарнирами (рисунок 8.13).

а – схема излома плиты; б –- направления действия предельных моментов; 1 – 4 – номера звеньев; 1', 2' – шарниры соответственно пролетные и опорные Рисунок 8.13 – К расчету плиты, опертой по контуру

При равномерно распределенной нагрузке и неизменном по длине пролета армировании предел огнестойкости плиты определяют из условия