ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ КОЛОННЫ В ПК ЛИРА-САПР

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрен теплотехнический расчет железобетонной колонны в программном комплексе ЛИРА-САПР, позволяющий оценить температурные поля и напряженно-деформированное состояние конструкции при воздействии высоких температур.

Ключевые слова: теплотехнический расчет, огнестойкость.

При пожаре железобетонные колонны подвергаются интенсивному нестационарному нагреву, как правило, с трех или четырех сторон [2, 7]. Температура на поверхности может достигать 1000 – 1100 °C при стандартном пожаре, а периферийные слои сечения прогреваются значительно сильнее внутренних. Температурный перепад по сечению колонны может составлять 800 – 900 °C, что приводит к неравномерному снижению прочностных и деформационных характеристик бетона и арматуры [3, 9]. Для достоверной оценки предела огнестойкости колонны необходимо выполнить теплотехнический расчет – определить нестационарное температурное поле в сечении и, с учетом температурных коэффициентов, оценить несущую способность нагретого элемента. Современные программные комплексы, в частности ПК ЛИРА САПР, позволяют решать такие задачи в единой среде проектирования.

Цель данной работы – систематизировать методику теплотехнического расчета железобетонной колонны в ПК ЛИРА САПР и показать ее практическую реализацию на примере типового сечения.

Влияние высокотемпературного нагрева на работу колонны

При пожаре наружные слои колонны нагреваются быстрее и теряют прочность, вследствие чего напряжения перераспределяются на менее нагретое ядро сечения. Внецентренное сжатие (даже при изначально центральном приложении нагрузки) усиливается из-за температурного прогиба. В работе [7] отмечено, что для колонн, внецентренно сжатых со случайным эксцентриситетом, возможно разрушение в результате потери устойчивости. Кроме того, с ростом температуры снижается прочность сцепления арматуры с бетоном: для гладкой арматуры – уже при 250 °C, для рифленой – при температуре выше 600 °C. Периодический профиль арматуры обеспечивает более высокую огнестойкость.

Основные факторы снижения несущей способности колонны при нагреве:

• уменьшение прочности бетона на сжатие (при 500 °C – до 0,5, при 800 °C – практически до нуля);
• снижение предела текучести арматуры (при 400 °C – на 20 %, при 600 °C – более чем на 50 %);
• неравномерные температурные деформации, вызывающие дополнительные самоуравновешенные напряжения;
• потеря устойчивости стержня при больших температурных прогибах.

Нормативная база теплотехнического расчета

Расчет огнестойкости железобетонных конструкций в РФ регламентируется следующими документами:

• СП 468.1325800.2019 «Бетонные и железобетонные конструкции. Правила обеспечения огнестойкости и огнесохранности» [2];
• СТО 36554501-006-2006 «Правила по обеспечению огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций» [11];
• СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции» [1];
• МДС 21-2.2000 (методические рекомендации) [10].

В этих документах приведены зависимости теплофизических свойств бетона и арматуры от температуры (коэффициенты теплопроводности, теплоемкости, относительные прочности). Для выполнения расчетов в ПК ЛИРА САПР эти зависимости могут быть заданы в табличном или аналитическом виде.

Моделирование теплотехнической задачи в ЛИРА САПР

В ПК ЛИРА САПР для решения нестационарных задач теплопроводности используется признак схемы 15 (задача теплопроводности). Геометрия поперечного сечения колонны импортируется из DXF-файла или создается встроенными средствами. Контур разбивается на треугольные или четырехугольные конечные элементы (пластины) с помощью триангуляции.

Рассмотрим изополя температур для сечения 300х300 при нагреве (рис. 1).

Рисунок 1. Изополя температур для сечения 300х300 при нагреве

На рис. 1 представлены изополя температур в поперечном сечении колонны 300×300 мм, полученные для различных моментов стандартного пожара (30, 60, 90 и 120 минут). Моделирование выполнялось при четырехстороннем нагреве с использованием стандартного температурного режима.

Начальная стадия (30 мин). В первые полчаса воздействия наиболее резкий перепад температур фиксируется вблизи наружных поверхностей. На обогреваемых гранях показатели достигают 800 °C, однако уже на расстоянии 30–40 мм от грани они снижаются до 150–200 °C. Угловые зоны прогреваются интенсивнее за счет подвода тепла с двух сторон – так называемый «угловой эффект» приводит к тому, что температура в углах превышает значения на серединах граней.

Через 60 минут. Тепловой фронт смещается вглубь. На поверхности фиксируется около 930 °C, а на глубине 50–60 мм – 300–400 °C. Четко выделяется область, где бетон нагрет выше критической отметки 500 °C. Глубина проникновения этой изотермы составляет 35–40 мм.

После 90 минут. Температурное поле становится более сглаженным. Наружные грани прогреваются примерно до 1000 °C, а центр сечения достигает 150–200 °C. Глубина залегания изотермы 500 °C увеличивается до 45–50 мм от поверхности. Это подтверждает инерционность прогрева массивных железобетонных элементов.

Исход нагрева через 120 минут. Наступает состояние, близкое к квазистационарному. Центральная область разогрета до 250–300 °C, а зона с температурой свыше 500 °C распространяется на 50–60 мм вглубь.

Изменение свойств бетона при нагреве носит необратимый характер и обусловлено несколькими физико-химическими процессами: испарением свободной и связанной воды, разложением гидроксида кальция, нарушением структуры цементного камня, образованием микротрещин из-за температурных напряжений.

По данным температурных полей, через 30 минут нагрева приповерхностный слой (глубиной до 20 мм) прогревается до 300–400 °C. При такой температуре прочность бетона на сжатие снижается на 20–30% по сравнению с исходной. Однако центральное ядро колонны (область на расстоянии более 50 мм от грани) остается практически холодным (менее 100 °C), поэтому общая несущая способность снижается незначительно.

Через 60 минут зона с температурой 500 °C (критическая отметка, при которой прочность падает примерно вдвое) проникает на глубину 35–40 мм. Бетон в этом слое теряет до 50% прочности, а при 600 °C – до 70–80%. На глубине 50–60 мм температура составляет 300–400 °C, что соответствует потерям 20–30%.

Через 120 минут изотерма 500 °C смещается на 50–60 мм, а центральная область прогревается до 250–300 °C. Таким образом, к этому моменту большая часть сечения (кроме самого ядра) находится в состоянии существенного ослабления.

Модуль упругости бетона при нагреве до 300 °C снижается примерно на 30–40%, а при 500 °C – на 50–60%. Это приводит к росту продольных деформаций колонны при неизменной нагрузке.

Для арматуры класса А500 основным фактором снижения несущей способности является потеря предела текучести при нагреве выше 400 °C. На практике выделяют следующие пороговые значения:

400–450 °C – начало заметного падения предела текучести (до 20%);

500–520 °C – снижение примерно на 50%;

600 °C – потеря более 90% прочности.

Сцепление с бетоном. Для рифленой арматуры класса А500 потеря сцепления становится значительной при температурах выше 600 °C. При 700–800 °C сцепление падает практически до нуля. Поскольку через 90 минут нагрева температура арматуры превышает 600 °C, можно считать, что к этому моменту совместная работа арматуры и бетона прекращается. Это подтверждается характером разрушения – при длительности пожара более 90 минут разрушение происходит хрупко, без признаков текучести арматуры.

Заключение

В результате выполнения теплотехнического расчета железобетонной колонны сечением 300×300 мм в ПК ЛИРА-САПР и анализа полученных температурных полей, а также изменения физико-механических свойств бетона и арматуры при высокотемпературном нагреве, можно сформулировать следующие основные выводы.

1. Характер распределения температурного поля. При четырехстороннем стандартном пожаре в колонне 300×300 мм формируется ярко выраженное нестационарное температурное поле с максимальным градиентом в приповерхностной зоне (до 42 °С/мм в первые 30 минут). Глубина прогрева до критической температуры 500 °C составляет 35–40 мм через 60 минут и увеличивается до 50–60 мм через 120 минут. Угловой эффект приводит к более интенсивному нагреву угловых зон, что необходимо учитывать при конструировании поперечного армирования.

2. Бетон класса В30 теряет до 30% прочности в слое глубиной до 20 мм уже через 30 минут нагрева. Через 60 минут зона с температурой 500 °C (потеря прочности около 50%) проникает на глубину 35–40 мм, а через 120 минут ослабленная зона распространяется на 50–60 мм, при этом центральное ядро прогревается до 250–300 °C, что соответствует снижению прочности на 20–30%. Модуль упругости бетона к этому моменту уменьшается на 50–60%, что ведет к росту продольных деформаций колонны.

3. Для арматуры класса А500 критический порог 500 °C (потеря 50% несущей способности) достигается через 50–55 минут нагрева. При расположении стержней на расстоянии 36 мм от грани (армирование 1%) температура через 60 минут составляет 557 °C, через 90 минут – 727 °C (потеря более 90% прочности). Сцепление арматуры с бетоном практически полностью утрачивается при температурах выше 600 °C, что наступает между 60 и 90 минутами пожара.

4. Интегральная оценка показывает, что в интервале 0–30 минут колонна сохраняет более 85% исходной несущей способности. В интервале 30–60 минут происходит резкое падение (до 50–60% от исходной) за счет совместной деградации бетона и арматуры. При длительности пожара более 60 минут арматуру можно считать полностью выключенной из работы, а несущая способность определяется только бетонным ядром и не превышает 30–40% от исходной.

Список литературы:

1. СП 63.13330.2018 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения.
2. СП 468.1325800.2019 Бетонные и железобетонные конструкции. Правила обеспечения огнестойкости и огнесохранности.
3. Милованов А.Ф. Стойкость железобетонных конструкций при пожаре. Стройиздат. 1998.
4. Орлова С.С., Панкова Т.А., Затинацкий С.В. Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре.
5. Нальгиев Р.И. Поведение железобетонных строительных конструкций в условиях пожара.
6. Ройтман В.М., Приступюк Д.Н. Особенности оценки стойкости зданий и сооружений из железобетонных конструкций при комбинированных особых воздействиях с участием пожара.
7. Куранов Д.В., Стародубцев А.Е. Оценка влияния воздействия высоких температур при пожарах на поврежденные железобетонных конструкции.
8. Тамразян А.Г., Звонов Ю.Н. К оценке резервов несущей способности железобетонных плит в условиях пожара.
9. Курлапов Д.В. Воздействия высоких температур пожара на строительные конструкции.
10. МДС 21-2.2000 Методические Рекомендации по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций.
11. СТО 36554501-006-2006 Правила по обеспечению огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций / ФГУП 17 НИЦ Строительство.