Расчет прогрева железобетонных ферм

Стропильные предварительно напряженные железобетонные фермы марки ФС 24II-4B с пролетом 24 м (шаг 6 м) серии ПК-01-129/68 изготовле­ны из бетона В 30 на известняковом заполнителе. В качестве ра­бочей арматуры применена высокопрочная холоднотянутая проволока диаметром 5 мм класса Вр-II. Поперечное сечение, наиболее слабого к воздействию пожара, элемента фермы – его нижнего пояса представлено на рис.2.12.

Рис.11.4. Сечение нижнего пояса ферм

Нагрев холоднотянутой предварительно напряженной арматуры приводит к потере предварительного напряжения. Необратимое сни­жение предварительного напряжения начинается уже при температу­ре арматуры 100 ⁰С. С увеличением температуры от 245 до 300 ⁰С величина температурной ползучести стали увеличивается более чем в два раза. Это приводит к полной потере предварительного на­пряжения арматуры. При прогреве предварительно напряженного элемента с высокопрочной холоднотянутой арматурой выше 150-200⁰С и последующем остывании его под нагрузкой появляются необратимые деформации. Величина этих деформаций (необратимых прогибов) яв­ляется недопустимой с точки зрения возможности дальнейшей эксп­луатации предварительно напряженных конструкций [7,19-38].

Нас интересует температурное поле нижнего пояса ферм на время 2,5 часового развития пожара. К этому времени произошло обрушение фермы Ф_о, находившейся над очагом пожара, а также двух рядов плит перекрытия ПКЖ-6. В результате выделяющееся при пожаре тепло стало уходить в образовавшийся проем (размером 24x12 м) и дальнейший подъем температуры среды в отсеке склада каучука прекратился.

Расчет прогрева нижнего пояса ферм производим согласно методике разработанной в [19-36].

При этом одномерный прогрев определяется по формуле:

(4)

где – температура обогреваемой поверхности, определяется из табл. 2.1.

В данном случае имеет место двумерный прогрев, поэтому расчет прогрева арматуры производим по формуле:

, (5)

где – температура поверхности; – температура в точке по координате x и y , соответственно; – начальная температура.

В табл. 11.2. представлены рассчитанные значения температуры среды к 2, 5 часам развития пожара. Для этой температуры определялся коэффици­ент теплоотдачи /19-36/ и число Био. С учетом полученных значе­ний температуры среды и чисел Био по методике изложенной в разделе 2.6 определялась максимальная температура поверхности нижнего пояса ферм. Резуль­таты этих расчетов представлены в табл. 11.2.

Таблица 11.2

Номер фермы	0	5,6	4,7	3,8	2	1
Температура среды, 0С	485	430	365	305	270	250
α, Вт/м2 0С	35,5	31,3	26,9	23,5	21,6	20,7
Критерий Био (Bi)	4,41	3,88	3,34	2,92	2,68	2,57
Температура поверхности, 0С	378	318	248	201	172	155

Так как температура поверхности ферм в среднем равна 485⁰С, то расчетные значения теплофизических характеристик железобетона примем при средней температуре /92/

t_ср = 0,5 (485+0) = 242,5 ⁰С.

Получим λ_ср= 1,163 (0,98-0,00047ּ 242,5) =1,007 Вт/(мּ⁰С),

с_ср= 4,1868(0,17+0,0002ּ 242,5) =0,915, кДж/(кгּ⁰С),

ρ_с = 2250 кг/м³; w0 = 2,5%.

Значение определяем по формуле

, (6)

где w0 - эксплуатационная влажность бетона, %.

Следовательно

м²/час

Рассчитываем значение критерия Фурье

.

Рассчитываем безразмерное расстояние от центра сечения до центра пучка арматуры по оси x и y, соответственно

.

Для полученных значений безразмерных координат и F₀ по графику (рис.2.3) определяем значение θ

.

Определяем прогрев пучка арматуры фермы Ф_о. По формуле (2.38) рассчитываем одномерный прогрев арматуры по осям х и у. Получим

t_x = 378-0,43 (378) = 215,5 ⁰С; t_у = 378-0,4(378)= 226,8 ⁰С.

По формуле (2.50) рассчитываем значение температуры пучка арматуры нижнего пояса фермы Ф_о, после 2,5 часового огневого воздействия (время обрушения фермы)

⁰С.

Прогрев арматуры оставшихся ферм необходимо рассчитывать с учетом коэффициента тепловой инерции, который определяется по формуле /91/

, (7)

где t – время огневого воздействия, час; – расстояние от поверхности нагрева до центра напрягаемой арматуры, м; h – половина толщины сечения, м.

Значение коэффициента тепловой инерции по осям х и у, согласно формуле(2.56), равно

т^и_х = 2,5/ 2,5-(0,047/0,I25)² = 1,06; (8)

т^и_y = 2,5/ 2,5-(0,042/0,125)² =1,05. (9)

Определяем прогрев пучка арматуры ферм Ф_5,6. Одномерный прогрев по оси х рассчитываем по формуле (2.38)

t_х = 318-0,43 (318) = 181,3 ⁰С,

с учетом коэффициента тепловой инерции (2.57) получим

t_х = (181,3) 1,06 = 192,1 ⁰С.

Одномерный прогрев по оси у рассчитываем по формуле (2.38)

t_у = 318-0,4 (318) = 190,8 ⁰С,

с учетом коэффициента тепловой инерции (2.58) получим

t_у = (190,8) 1,05 = 200,3 ⁰С.

Таким образом, максимальная температура арматуры ферм равна

t_{Ф5,6 =} 318 - (318-192,1) (318-200,3) ₌ 271,4 ⁰С.

(318-0)

Расчет прогрева предварительно напряженной арматуры нижнего пояса остальных ферм производим аналогичным образом.

Для ферм Ф_4,7^:

t_х = 248 - 0,43 (248) = 141,4 ⁰С,

с учетом коэффициента тепловой инерции

t_х = (141,4) 1,06 = 149,9 ⁰С;

t_y = 248-0,4 (248) = 148,8 ⁰С,

с учетом коэффициента тепловой инерции

t_у = (148,8) 1,05 = 156,24 ⁰С.

Следовательно,

t_{Ф4,7 =} 248 - (248-149,9) (248-156,24) ₌ 211,7 ⁰С.

(248-0)

Для ферм Ф_3,8 :

t_х = 201-0,43 (201) = 114,6 ⁰С,

с учетом коэффициента тепловой инерции

t_х = (114,6) 1,06 = 121,4 ⁰С;

t_y = 201-0,4 (201) = 120,6 ⁰С,

с учетом коэффициента тепловой инерции

t_y = (120,6) 1,05 = 126,6 ⁰С.

Следовательно,

t_{ф3,8 =} 201-(201-121,4) (201-126,6) ₌ 171,5 ⁰С.

(201-0)

Для фермы Ф₂:

t_х = 172-0,43 (172) = 98,0 ⁰С,

с учетом коэффициента тепловой инерции

t_х = (98) 1,06 = 103,9 ⁰С.

t_у =172-0,4 (172) = 103,2 ⁰С,

с учетом коэффициента тепловой инерции

t_у = (103,2) 1,05 = 108,4 ⁰С.

Следовательно,

t_ф2= 172 - (172-103,9) (172-108,4) ₌146,8 ⁰С

(172-0)

Для фермы Ф₁:

t_х = 155-0,43 (155) = 88,4 ⁰С,

с учетом коэффициента тепловой инерции

t_х = (88,4) 1,06 = 93,6 ⁰С,

t_y = 155-0,4 (155) = 93,0 ⁰С,

с учетом коэффициента тепловой инерции

t_y = (93,0) 1,05 = 97,6 ⁰С.

Следовательно,

t_ф1= 155 - (155-93,6) (155-97,6) ₌ 132,3 ⁰С.

(155-0)

Полученные значения максимальных температур позволяют сде­лать следующие выводы. В процессе огневого воздействия предвари­тельно напряженная арматура нижнего пояса ферм Ф₅ и Ф₆ прогре­лась до температуры 271,4 ⁰С, что выше допустимой (200⁰С). Это ста­вит под сомнение возможность их дальнейшей эксплуатации. Максима­льная температура предварительно напряженной арматуры нижнего по­яса ферм Ф₄ и Ф₇ (211,7⁰С) близка к предельно допустимой, поэто­му возможность дальнейшей эксплуатации этих ферм необходимо рас­сматривать с учетом фактических деформаций, наличия трещин после пожара. В остальных фермах максимальная температура арматуры не превышает (171,5 ⁰С), что значительно ниже предельно допустимой.

Температура прогрева при пожаре предварительно напряженной арматуры фермы Ф₀ составляет 313 ⁰С. Полученная в результате расчета температура арматуры значительно выше критической температуры для ар­матурной проволоки класса Вр-II. Отсюда можно сделать вывод, что обрушение фермы Ф₀ произошло из-за прогрева предварительно напряженной арматуры нижнего пояса фермы до кри­тической температуры, вызывающей полную потерю предварительного напряжения арматуры и необратимую потерю жесткости.

Таким образом, проведенное исследование, включающее изуче­ние материалов о характере развития и тушения пожара в отсеке склада каучука, изучение проектной документации, обследование состояния конструкций после пожара, в частности наличие и характер трещин и сколов бетона, расчет температурного режима по объему отсека склада во время пожара, определение фактических прогибов ферм после пожара, расчет максимального прогрева предварительно напряженной арматуры ферм во время пожара, а также испытание остаточной прочности бетона и арматурной стали позволяет сделать следующий вывод. Фермы Ф₅,Ф₆, подвергшиеся в период развития и тушения пожара интенсивному огневому воздействию с прогревом предварительно напряженной арматуры выше до 271,4 ⁰С, а также ферма Ф₇ с прогревом арматуры до 211,7 ⁰С и имеющие после пожара деформации (прогибы), превышающие нормативное значение, а также значительные трещины и сколы бетона (Ф₆), требуют замены или усиления. Фер­мы Ф₁ - Ф₄ и Ф₈, подвергшиеся незначительному прогреву и не имеющие недопустимых прогибов, трещин и разрушений, пригодны к дальнейшей эксплуатации.

Контрольные вопросы

1. Назовите причину возникновения пожара в складе каучука?

2. Каким образом происходило развитие пожара; средства тушения пожара?

3. Как рассчитывался температурный режим пожара в складе каучука?

4. Каким способом рассчитывался прогрев нижнего пояса железобетонных ферм?

5. По какому признаку определялась возможность дальнейшей эксплуатации ферм после пожара?