Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 8
1.1 Актуальность темы 8
1.2. Принципы оценки огнестойкости конструкций и зданий. 9
1.3. Основные факторы, влияющие на пределы огнестойкости железобетонных и каменных конструкций 18
1.4. Изменение в процессе эксплуатации факторов, определяющих огнестойкость конструкции 23
1.5 Концепция оценки огнестойкости эксплуатируемых и реконструируемых зданий 32
1.6 Цель и задачи исследования 35
2. Методы и средства исследования 39
2.1. Метод оценки огнестойкости эксплуатируемых и реконструируемых зданий 39
2.2. Метод оценки эксплуатационных пределов огнестойкости с использованием коэффициента утраты огнестойкости 42
2.3 Метод расчета эксплуатационных пределов огнестойкости железобетонных плит 43
2.3.1 Общие положения 43
2.3.2 Расчет по потере несущей способности 44
2.3.3 Расчет по потере теплоизолирующей способности «I» 46
2.4 Методы оценки состояния конструкций зданий в условиях их эксплуатации, перед реконструкцией и после пожара 49
2.4.1 Общие подходы к обследованию состояния конструкций зданий 49
2.4.2 Методы и средства оценки состояния конструкций при обследовании 53
2.4.3 Особенности оценки состояния конструкций здания при пожаре 59
3. Исследование влияния состояния железобетонных плит на параметры, определяющие их огнестойкость 61
3.1 Оценка влияния коррозии рабочей арматуры железобетонных плит на коэффициент условий работы при пожаре этой арматуры 61
3.2 Оценка влияния коррозии рабочей арматуры железобетонных плит на критическую температуру нагрева арматуры при пожаре 66
4. Использование результатов проведенных исследований для решения практических задач 73
4.1 Расчет эксплуатационного предела огнестойкости и коэффициента утраты огнестойкости железобетонной плиты перекрытия реконструируемого здания 73
4.1.1 Расчет эксплуатационного предела огнестойкости плиты по признаку «R» - потере несущей способности 74
4.1.2 Расчет эксплуатационного предела огнестойкости плиты по признаку «I» - потере теплоизолирующей способности 75
4.1.3 Расчет коэффициента утраты огнестойкости плиты 77
4.2 Оценка огнестойкости реконструируемого здания с устройством надстройки 78
4.3 Обследование состояния конструкции здания Консультативно- диагностической поликлиники МЦ УД Президента РФ 88
4.4 Оценка состояния строительных конструкций после пожара в офисном помещении здания Детской клинической больницы №38, г.Москва 106
Общие выводы 113
Список использованной литературы 116
- Основные факторы, влияющие на пределы огнестойкости железобетонных и каменных конструкций
- Метод оценки эксплуатационных пределов огнестойкости с использованием коэффициента утраты огнестойкости
- Оценка влияния коррозии рабочей арматуры железобетонных плит на критическую температуру нагрева арматуры при пожаре
- Обследование состояния конструкции здания Консультативно- диагностической поликлиники МЦ УД Президента РФ
Введение к работе
В связи с необходимостью массовой реконструкции зданий и сооружений городов и населенных пунктов, проблема совершенствования и развития методов оценки огнестойкости эксплуатируемых и реконструируемых зданий, с целью сокращения материальных потерь и числа жертв от пожаров, имеет большое социальное, экономическое и научно-методическое значение.
Научно-методические аспекты такого рода оценок до настоящего времени были разработаны недостаточно.
Дело в том, что до настоящего времени оценка огнестойкости зданий производилась на основе справочных данных о пределах огнестойкости основных конструкций зданий, полученных при стандартных огневых испытаниях до начала их эксплуатации.
Существующие на данный момент нормативные и рекомендательные документы /40, 51, 57, 59, 61/ посвящены, в основном, оценке проектных значений пределов огнестойкости конструкций, а вопросы, связанные с оценкой и расчетами эксплуатационных значений огнестойкости конструкций, зданий и сооружений либо отсутствуют, либо освящены недостаточно полно.
В Московском Государственном Строительном Университете была разработана /65/ общая концепция оценки огнестойкости эксплуатируемых и реконструируемых зданий. Однако многие вопросы инженерных методов проведения такого рода оценок требовали дальнейшей разработки и развития.
Данная работа выполнялась в связи с назревшей необходимостью дальнейшего развития методов оценки огнестойкости эксплуатируемых зданий и сооружений, с учетом их реконструкций, в т.ч. с устройством надстройки дополнительных этажей.
Целью диссертационной работы является, таким образом, разработка инженерных методов оценки огнестойкости реконструируемых зданий. Автор выносит на защиту:
метод оценки огнестойкости эксплуатируемых и реконструируемых зданий, с учетом надстройки дополнительных этажей; метод оценки эксплуатационных пределов огнестойкости строительных конструкций на основе понятия о коэффициенте утраты огнестойкости;
методы расчета эксплуатационных пределов огнестойкости железобетонных плит по признакам несущей способности и теплоизолирующей способности;
зависимости, определяющие влияние коррозии рабочей арматуры железобетонных плит на значения коэффициента условий работы арматуры при пожаре;
базовые примеры расчета эксплуатационных пределов огнестойкости железобетонных плит и их коэффициента утраты огнестойкости по признакам «R» - потере несущей способности и «I» - потере теплоизолирующей способности;
результаты технического обследования реконструируемого здания, поврежденного пожаром, с соответствующими выводами и рекомендациями.
Научная новизна работы представлена:
разработкой методов расчета эксплуатационных пределов огнестойкости и коэффициентов утраты огнестойкости железобетонных плит реконструируемых зданий; методикой оценки влияния коррозии рабочей арматуры железобетонных плит на коэффициент условий работы арматуры при пожаре;
зависимостью между уменьшением диаметра рабочей арматуры
железобетонных плит при их эксплуатации и специальной поправкой
к значению коэффициента условий работы арматуры при пожаре;
анализом возможностей повышения огнестойкости эксплуатируемых
конструкций реконструируемых зданий.
Практическая ценность работы заключается в том, что:
разработаны методы инженерной оценки огнестойкости
эксплуатируемых строительных конструкций зданий, сооружений, с
учетом возможности их реконструкции и устройства надстройки;
получены необходимые справочные данные для такого рода оценок, в
т.ч. зависимости, определяющие влияние коррозии рабочей арматуры
железобетонных плит при их эксплуатации, на коэффициент условий
работы арматуры при пожаре.
Реализация результатов работы.
Результаты и основные положения работы:
использованы в практике технической экспертизы эксплуатируемых
зданий при оценке их состояния, возможности реконструкции, в т.ч. с
устройством надстройки;
включены в проектные, учебно-методические пособия;
используются в учебном процессе МГСУ при подготовке инженеров и
бакалавров по дисциплинам «Чрезвычайные ситуации в
технобиосфере», «Безопасность жизнедеятельности», в курсах
«Пожарная безопасность и охрана труда» при повышении
квалификации инженерно-технических работников в сфере
строительства и жилищно-коммунального хозяйства.
Апробация работы.
Результаты работы изложены в статье «Оценка огнестойкости
реконструируемых зданий» в журнале «Пожаровзрывобезопасность», №4,
1999(с.43-48).
Работа рассматривалась на заседаниях кафедры Охраны труда и была представлена в виде доклада на Международной научно-практической конференции «Критические технологии в строительстве», Москва, октябрь 1998г.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, четырех глав, общих выводов. Списка литературы. Работа в целом изложена на 124 страницах, в том числе 39 рисунков, 10 таблицы, 102 наименования литературных источников.
Работа выполнялась на кафедре Охрана труда Московского Государственного Строительного Университета под руководством профессора, доктора технических наук Ройтмана В.М.
В процессе выполнения исследований, автор использовал данные, полученные на кафедре Железобетонных конструкций МГСУ (проф. Забегаев А.В., Бедов А.И.), результаты разработок кафедры Градостроительства МГСУ (проф. Алексеев Ю.В., инженер-конструктор Комарова И.М.), работал в составе бригад по обследованию технического состояния зданий при их реконструкции и после пожара (к.т.н. Исайкин А.С., к.т.н. Старчевский А.В, ЗАО «ИНЖЕНЕРСТРОЙ» при МГСУ).
При обсуждении результатов работы много ценных соображений и замечаний были высказаны проф. Коптевым Д.В., Баратовым А.Н., Пчелинцевым В. А.
Автор выражает искреннюю признательность всем специалистам, способствовавшим успешному завершению работы.
Основные факторы, влияющие на пределы огнестойкости железобетонных и каменных конструкций
Результаты исследований влияния различных факторов на огнестойкость строительных конструкций проводится в большом количестве работ/1, 12, 15, 19,28,36,42,43,49,59-61,68,71,91-102/.
В данном разделе будут рассмотрены факторы, влияющие на пределы огнестойкости железобетонных и каменных конструкции в силу того, что именно эти конструкции, имеющие наибольшие значения долговечности, продолжают выполнять своё функциональное назначение и после ремонтов, реконструкции, перепрофилирования здания или сооружения.
В работах /15, 43, 69, 98/, рассмотрены основные факторы, влияющие на огнестойкость железобетонных конструкций.
Отмечается, что современные железобетонные конструкции ввиду большого разнообразия применяемых материалов и конструктивных решений по-разному сопротивляются воздействию пожара. Предел огнестойкости конструкций уменьшается с увеличением нагрузки.
Наиболее напряженное сечение конструкции, как правило, определяет величину её предела огнестойкости. Предел огнестойкости по несущей способности конструкции тем выше, чем меньше отношение обогреваемого параметра сечения ее элементов к площади.
Предел огнестойкости несущей способности статически неопределимых конструкций, как правило, выше предела огнестойкости аналогичных статически определимых конструкции за счет перераспределения усилий на менее нагруженные и прогретые элементы.
Потеря несущей способности железобетонных конструкции в общем случае зависит от свойств бетона, арматуры и вида конструкции.
В работе /69/ была произведена оценка влияния различных факторов на огнестойкость изгибаемых железобетонных конструкций. Результаты этой оценки были представлены в виде диаграммы (см. рис.1.3.).
Исходные данные для построения диаграммы были взяты из пособия /49/ и проведенного в /69 / вычислительного эксперимента. Поз 1, 1а , 16, 1в, рис. 1.3.отражают влияние на огнестойкость плит величины механической нагрузки согласно п. 2.20 /49/. Влияние на огнестойкость плит наличия пустот поперек пролета или ребро «вверх» (поз. 2 рис. 1.3.) получено согласно п. 2.27 /49/. Влияние класса арматуры на огнестойкость плит (поз. 3, За, 36, Зв, рис. 1.3.) определялось по п. 2.18 /49/. Влияние наличия у плит ребер «вниз» или коробчатого сечения в соответствии с классом арматуры отражено поз. 4, 4а, 46, 4в, рис. 1.3. согласно п. 2.18.2 /49/. Поз. 5, 5а, 56, 5в, рис. 1.3. отражает влияние статической схемы работы элемента в зависимости от соотношения площади сечения арматуры над опорой Fn и в пролете F"p, согласно табл. 1, приведенной в /49/.
Рассмотрение полученной диаграммы показывает, что (см. рис. 1.3): 1. В настоящее время, согласно Пособию /49/, следует учитывать влияние на огнестойкость конструкций таких параметров, чье влияние соответствует изменению коэффициента огнестойкости не менее чем 0,95; 2. Наибольшее влияние, согласно Пособию /49/, на огнестойкость изгибаемых элементов оказывает механическая нагрузка (поз.1 рис.1.3.); 3. Полученные в данной работе результаты (поз.6 рис.1.3.) свидетельствуют о том, что условия нагрева могут влиять на огнестойкость плит в пределах, значительно превышающих минимальные изменения огнестойкости равные 0,95, которые должны учитываться при инженерных оценках огнестойкости согласно /49/, и, таким образом, наряду с механической нагрузкой являются самым опасным фактором, влияние которого следует специально учитывать при оценке огнестойкости конструкций. Факторы, влияющие на огнестойкость каменных конструкций, подробно рассмотрены в работах /15, 33/. Отмечается, что несущие стены теряют свою огнестойкость после снижения прочности материала в период нагревания. Ненесущие стены утрачивают свою огнестойкость после потери теплоизолирующей способности.
Метод оценки эксплуатационных пределов огнестойкости с использованием коэффициента утраты огнестойкости
В работе /65/ было предложено понятие о «коэффициенте утраты огнестойкости» конструкций в процессе их эксплуатации. Физический смысл этой характеристики заключается в том, что она характеризует отношение значения эксплуатационного предела огнестойкости конструкции к ее проектному пределу огнестойкости. Так как «эксплуатационный предел огнестойкости» конструкций зависит от ее технического состояния, то и коэффициент утраты огнестойкости будет являться функцией ее технического состояния. Значения коэффициентов утраты огнестойкости различных конструкций, в зависимости от технического состояния этих конструкций, по мере накопления такого рода информации, могут быть использованы для оценки эксплуатационных пределов огнестойкости конструкций зданий. В этом случае метод оценки огнестойкости конструкций будет включать в себя следующие операции: Определение категории технического состояния эксплуатируемой конструкции (W) по результатам технического обследования реконструируемого здания; Определение значения «коэффициента утраты огнестойкости» конструкции (C?rss) в зависимости от категории ее технического состояния (W) с помощью справочных данных; Определение значения «проектного предела огнестойкости» рассматриваемой конструкции \tes] с помощью справочных данных или аналитического расчета; Определение искомого значения «эксплуатационного предела огнестойкости» (t xp J конструкции с помощью выражения: Пример использования данного метода для оценки эксплуатационных пределов огнестойкости железобетонных плит приведен в разделе 4.1.2 данной диссертации.
В разделе 3.2 диссертации представлены результаты определения значений утраты огнестойкости железобетонных плит в зависимости от их технического состояния. Организация и проведение натурных огневых испытаний строительных конструкций на огнестойкость требуют значительных материальных затрат и времени. Это не позволяет достаточно быстро находить приемлемые решения по требуемой огнестойкости конструкций на стадии проектирования новых зданий, их конструкции, перепрофилирование и т.д./15, 98/. В связи с этими, исследователи уделяют большое внимание разработке методов расчета строительных конструкций на огнестойкость /15, 43, 59, 65, 67, 69/. В настоящее время расчет строительных конструкций на огнестойкость производится по двум предельным состояниям /15, 98/: по потере несущей способности; по потере теплоизолирующей способности. Сущность расчета строительных конструкций на огнестойкость заключается в определении времени воздействия пожара tf на конструкцию, при котором конструкция утрачивает свою несущую или теплоизолирующую способность /15, 69, 91, 92, 98/. Так как высокотемпературное воздействие пожара на строительные конструкции вызывает снижение прочности, деформации, уменьшение рабочего сечения, прогрев элементов до недопустимой температуры, то в общем случае, расчет конструкций на огнестойкость требует решения двух задач: 1. Теплотехническая задача огнестойкости - расчет температур прогрева различных элементов, сечений рассматриваемой конструкции в различные моменты времени воздействия пожара и определение момента времени (предела огнестойкости конструкции t ct) наступления предельного состояния конструкции по потере теплоизолирующей способности «I»; 2. Прочностная задача огнестойкости - расчет изменения несущей способности рассматриваемой конструкции в зависимости от прогрева ее сечений, элементов при пожаре и определение момента времени (предела огнестойкости tfrct), наступления предельного состояния конструкций по потере несущей способности «R». Таким образом, результаты решения теплотехнической задачи огнестойкости служат исходными данными для последующего решения прочностной задачи огнестойкости. В данной работе за основу предлагаемого метода положены аналитические решения, изложенные в /59/, полученные для случая воздействия «стандартного» пожара на неограниченную плиту (случай одномерного теплового потока). Расчетная схема такой задачи представлена на рис.2.2. где: ared - приведенное значение коэффициента температуропроводности бетона плиты, м /час; ф! и ф2 - коэффициенты, зависящие от плотности бетона; Ts - критическая температура прогрева при пожаре рабочей арматуры плиты, С; 5 - расстояние от обогреваемой при пожаре поверхности плиты до ближайшего к ней края рабочей арматуры, м; ds - диаметр рабочей арматуры плиты, м. Для расчета значений эксплуатационных пределов огнестойкости железобетонных плит в выражение (2.4) необходимо ввести новые обозначения для тех параметров, которые зависят от технического состояния конструкции в процессе ее эксплуатации.
Для плит с такими параметрами, в основном, являются толщина защитного слоя 5, диаметр рабочей арматуры ds, значение критической температуры прогрева рабочей арматуры при пожаре Tscr. Обозначим dgXp - эксплуатационное значение диаметра рабочей арматуры плиты, 8ехр - эксплуатационное значение толщины защитного слоя бетона и Tscr exp - эксплуатационное значение критической температуры прогрева рабочей арматуры плиты при пожаре. С учетом обозначений, формула для расчета эксплуатационного предела огнестойкости железобетонных плит по потере несущей способности будет иметь вид:
Оценка влияния коррозии рабочей арматуры железобетонных плит на критическую температуру нагрева арматуры при пожаре
Критическая температура нагрева при пожаре Тг рабочей арматуры железобетонных конструкций является важнейшим показателем, используемым при расчетной оценке огнестойкости этих конструкций /12, 15,43,59,65,70,90,91,95,98/. Для изгибаемых железобетонных элементов, критическая температура нагрева при пожаре Тг их рабочей арматуры растянутой зоны, характеризует такую температуру нагрева Ts, при которой, для заданного уровня рабочих напряжений ys в арматуре, ее деформация достигает предельного значения, соответствующего наступлению предельного состояния элемента по потере несущей способности l8s т = 8S т] , (см.рис.3.1). Значения Тг для различных арматурных сталей в зависимости от уровня напряжений ys в арматуре при стандартном режиме прогрева, были получены /15, 91/ в результате многолетних исследований (1970-1988гг). Методика этих испытаний состояла в следующем /91/: образцы арматурных сталей предварительно нагружались до заданного уровня растягивающего напряжения GS и затем подвергались нагреванию со скоростью 3 С/мин, что соответствовало прогреву рабочей арматуры железобетонных плит при стандартном огневом воздействии и толщине защитного слоя бетона 30мм; во время этого испытания измерялся характер деформаций образца в зависимости от температуры нагрева и уровня напряженного состояния. Уровень напряженного состояния арматуры представлялся в виде коэффициента ys /91/: По результатам опытов строились /91/ кривые роста полных деформаций 8S т образцов в зависимости от температуры Ts и степени нагружения ys:
Опыты показали /15, 91/, что при значениях 8 т 3%, скорость полных деформаций сталей достигает предельных значений (см.рис.3.1), вследствии резкого увеличения ползучести. Это означает, что температура нагрева стали Ts, при которой, для заданного уровня нагружения ys, достигается эта предельная деформация, принимается в качестве критической температуры стали при пожаре Исходя из этой картины поведения арматурной стали при пожаре, было принято /91/, «что при значении 8S т=3% достигается предел прочности нагретой стали». Это означает, что при 8S т=3% напряжение в сечении образца as будет иметь смысл предела прочности стали Rs т в нагретом состоянии. В такой трактовке коэффициент ys = —— приобретает смысл коэффициента условий работы стали при пожаре ys т (3.2); зависящий от критической температуры нагрева стали Тг: Зависимость (3.9) заложена в справочные данные /59/ как характеристика прочности арматурных сталей при пожаре. В связи с этим необходимо отметить, что исходя из физического механизма процессов, происходящих в строительных материалах при пожаре, более правильным было бы представление зависимости (3.9) в виде: Это подтверждается сложившейся методикой расчетов изгибаемых железобетонных элементов на огнестойкость /59/. Согласно этой методике, сначала решается прочностная задача огнестойкости. Из решения этой задачи определяется значение коэффициентаys. Затем, из справочных данных /59/, исходя именно из вида зависимости (3.10), определяют значение критической температуры нагрева арматурной стали Тг. На последнем этапе расчета решается теплофизическая задача огнестойкости элемента - определение времени прогрева его рабочей арматуры при пожаре до критической температуры Тг. Как уже было отмечено в разделе 3.1 данной работы, в условиях эксплуатации сечение рабочей арматуры может уменьшаться за счет коррозии. В разделе 3.1 было показано, что процессы коррозии могут весьма существенно повлиять на значения коэффициента у хр или ygXp. Очевидно, что исходя из соотношения (3.10), процессы коррозии рабочей арматуры изгибаемых железобетонных элементов будут оказывать соответствующее влияние и на значения критической температуры нагрева при пожаре арматурных сталей Тг. В связи с этим, возникает необходимость оценить возможное влияние коррозии арматуры железобетонных плит на ее критическую температуру прогрева при пожаре.
Обследование состояния конструкции здания Консультативно- диагностической поликлиники МЦ УД Президента РФ
Обследуемое здание 3-х этажное, с подвалом. Имеет размеры в плане 27,8x10,3м (рис.4.9). Расположено по адресу: г.Москва, Старопанский пер., д.З, стрЗ. Ориентировочный возраст здание составляет 80-100 лет. Наружные стены - кирпичные. Внутренние поперечные стены, служащие опорами для перекрытий, выполнены в виде кирпичных подпружных арок. Эти же арки развязывают продольные стены здания. Перекрытия над подвалом и 1-м этажом представляют собой пологие кирпичные своды крестового типа. Перемычки над оконными и дверными проемами кирпичные, арочного типа. Крыша деревянная, стропильная. Состояние здания по наружному осмотру: на фасадах имеются трещины, свидетельствующие о неравномерных осадках фундаментов. Благоустройство участка - осуществлено. Результаты обследования фундаментов.
Конструкция фундаментов определялась проводкой 3-х шурфов со стороны подвала (рис. 4.3а). Общие виды и разрезы по шурфам представлены на рис.4.36-4.6. Фундаменты выполнены из кирпича глиняного обыкновенного на сложном растворе. со Глубина заложения подошвы фундаментов составляет в шурфе №1 -0,5м от пола подвала, или 3,85 м ниже уровня земли, в шурфах №2 и №3 -0,95м от пола подвала или 4,3 м от уровня земли. Ширина подошвы равна 1,04 м для стены по оси 1 и 1,1м для стен по осям А, Б, 2-4. Прочность материалов фундаментной кладки определялась неразрушающим методом с помощью склерометра MEM П-53 на участках, вскрытых шурфами. На основании статистической обработки результатов измерений рекомендуется принять марку кирпича равной М 75, раствора -М4-М10. При этом расчетное сопротивление кладки фундамента сжатию согласно СНиП 11-22-81, табл. 2 следует принять равным 7-9кгс/см. Под подошвой фундаментов находятся пески средней крупности. Дефекты, деформации фундаментов. Трещин, расслоений кладки на вскрытых участках фундамента не обнаружено. По косвенным признакам-трещинам по фасадам здания (см. рис.4.8, 4.9) - можно сделать вывод о том, что фундаменты здания испытывают неравномерную осадку. Вертикальная и горизонтальная гидроизоляция стен подвала не обнаружена. Измеренная с помощью влагомера ВСКМ-12+ (ГОСТ 21718-84) относительная влажность стен подвала равна 12%, что существенно выше нормальной (2-2,5%). Причина высокой влажности - периодическое подтопление подвала (со стороны стены по оси 1) утечками из водонесущих коммуникаций. Результаты обследования стен. Конструкция стен. Стены подвала и 1-го этажа сложены из кирпича глиняного обыкновенного на известковом растворе. Система кладки - цепная, готическая. Толщина стен в уровне 1-го этажа составляет 0.83 - 0,85 м. Поперечные внутренние стены подвала и 1-го этажа представляют собой подпружные кирпичные арки, поддерживающие своды перекрытий. Оконные и дверные перемычки также имеют арочную конструкцию. Прочность кирпича глиняного обыкновенного, определенная неразрушающим методом с помощью склерометра MEM П-53, соответствует марке М75, известкового раствора - М10. Расчетное сопротивление кирпичной кладки сжатию составляет при этом 9,0 кгс/см . Места замеров прочности выбирались на участках с хорошим качеством кладки. Влажность стен 1-го этажа, замеренная в разных точках, не превышает 2,5%, что соответствует норме.
