Огнестойкость сжатых железобетонных элементов

Огнестойкость колонн. Для колонн характерен нагрев с четырёх сторон, при этом периферийные слои нагреваются значительно сильнее, чем внутренние, и температурный перепад по сечению может достигать 800…900°С. В процессе нагрева происходит перераспределение напряжений с более нагретых слоёв на менее нагретые, имеющие меньшую деформативность; наружные слои бетона и рабочая арматура постепенно перестают участвовать в восприятии нагрузки.

Колонны, сжатые со случайным эксцентриситетом, могут разрушаться при нагреве как вследствие исчерпания прочности нормального сечения (при достижении предельной сжимаемости в центральном наименее нагретом участке бетона), так и вследствие потери общей устойчивости. Первый случай характерен для массивных и сильно нагруженных колонн, а второй – для более гибких и слабонагруженных. Продольная арматура в колонне, нагруженной со случайным эксцентриситетом, слабо влияет на огнестойкость, так как её нагрев приводит к перераспределению усилий с арматуры на внутренние слои бетона; огнестойкость таких колонн может быть повышена в основном за счёт увеличения размеров сечения.

С увеличением эксцентриситета сжимающего усилия огнестойкость колонн снижается, поскольку возрастает роль растянутой арматуры, защищённой от прогрева, как и в изгибаемых элементах, лишь тонким слоем бетона. Огнестойкость таких колонн может быть повышена увеличением размеров сечения и толщины защитного слоя у растянутой арматуры.

Повышение процента армирования при уменьшении размеров сечения в обоих случаях приводит к снижению огнестойкости, поскольку бетон при этом заменяется менее надёжной (в отношении огнестойкости) арматурой.

Рекомендуемые размеры сечения железобетонных колонн, нагруженных со случайным эксцентриситетом, приведены в табл. 5.4.

Таблица 5.4

Пределы огнестойкости железобетонных колонн при нагреве с четырёх сторон (табл. 14 [16])

Вид бетона	Ширина колонны b и расстояние до оси арматуры a	Минимальные размеры (мм) железобетонных колонн с пределами огнестойкости, мин
R30	R60	R90	R120	R180	R240
Тяжёлый	b
a
Лёгкий (1200 кг×м^-3)	b
a
Примечание. Данные относятся к колоннам, нагруженным со случайным эксцентриситетом, с гибкостью l 0/ b £ 25 (l 0 – расчётная длина), армированием не более 3%

 

При малых эксцентриситетах удаётся добиться повышения огнестойкости колонн перемещением части арматуры от периферии к центру (рис. 5.1). После переноса половины стержней арматуры в центральную часть сечения огнестойкость колонн, нагруженных осевым усилием, повышается до 45% [26].

Рис. 5.1. Колонна повышенной огнестойкости (предложение НИИЖБ). 50% стержней перенесены вглубь сечения, защитный слой армирован противооткольной сеткой

Косвенное армирование в виде сеток или спиралей повышает сопротивление бетона сжатию за счёт ограничения поперечных растягивающих деформаций, однако поперечные стержни сеток способствует более интенсивному прогреву сечения, образуя тепловые мостики. Проведённые во ВНИИПО экспериментальные и численные исследования позволили выявить, что для огнестойкости колонн положительное влияние первого фактора оказывается более существенным, чем негативное влияние второго. Косвенное армирование c шагом сеток 80 мм увеличивало предел огнестойкости железобетонных колонн примерно в 1,5…2 раза, за исключением гибких колонн и колонн с большими эксцентриситетами приложения нагрузки, поэтому в Пособии (п. 2.22 [22]) отражено увеличение предела огнестойкости колонн с косвенным армированием в 1,5 раза. В то же время, в экспериментальных исследованиях НИИЖБ увеличение пределов огнестойкости колонн с косвенным армированием при шаге сеток 250 мм составляло не более 20%, и этот показатель был внесён в соответствующий нормативный документ (п. 10.4 [12]).

Огнестойкость трубобетонных колонн (колонн в виде стальной трубы, заполненной бетоном) полностью определяется временем прогрева стальной трубы до критической температуры. При отсутствии специальной защиты предел огнестойкости трубобетонной колонны составляет, по данным ВНИИПО, не более 20 мин. Исчерпание их огнестойкости происходит вследствие потери устойчивости.

Огнестойкость железобетонных стен может быть исчерпана как вследствие прогрева необогреваемой поверхности до недопустимой температуры (I), так и в результате разрушения (R) по арматуре или бетону нормального сечения, или наклонного сечения (возле опор). У шарнирно-опёртых стен (применяемых, как правило, редко) предел огнестойкости по признаку R оказывается примерно в два раза ниже, чем у стен с платформенным опиранием.

При нагреве стен большой гибкости (при отношении расчётной длины к толщине l ₀/ h > 16) происходит необратимое развитие прогиба в сторону обогреваемой поверхности; при малой гибкости (l ₀/ h < 16) стена вначале деформируется с прогибом в сторону обогреваемой поверхности, а затем, когда пластические деформации нагретого бетона под нагрузкой превысят его температурное расширение, стена начинает деформироваться в обратном направлении. Рекомендуемые размеры сечения железобетонных стен приведены в табл. 5.5.

Таблица 5.5

Пределы огнестойкости железобетонных стен (табл. 16 [16])

Вид бетона	Толщина стены h и расстояние до оси арматуры a	Минимальные размеры (мм) сплошных железобетонных стен с пределами огнестойкости, мин
RI30	RI60	RI90	RI120	RI180	RI240
Тяжёлый	h
a
Лёгкий (1200 кг×м^-3)	h
a
Примечание. Данные относятся к стенам, у которых сжимающее усилие находится в средней трети толщины; гибкость l 0/ h £ 20 (l 0 – расчётная длина); сжимающие напряжения в бетоне не превышают 30% расчётного сопротивления сжатию Rb

 

При нагреве стены с двух сторон предел огнестойкости не будет меньше, чем при одностороннем обогреве, но в реальной практике двухсторонний обогрев встречается очень редко.