Разработка инженерно-технических решений по повышению устойчивости при пожаре здания автотранспортного предприятия г. Владивостока

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ Тема:

Разработка инженерно-технических решений по повышению устойчивости при пожаре здания автотранспортного предприятия г. Владивостока Слушателя третьей группы капитана внутренней службы Потоцкого Кирилла Юрьевича Руководитель преподаватель Шелегов Владимир Георгиевич, АННОТАЦИЯ Дипломного проекта слушателя третьей группы капитана внутренней службы Потоцкого Кирилла Юрьевича Руководитель преподаватель, Шелегов В.Г.

Кафедра Пожарной безопасности технологических процессов, зданий и сооружений Тема: Разработка инженерно-технических решений по повышению устойчивости при пожаре здания автотранспортного предприятия г. Владивостока.

Пояснительная записка на 84 листах Графическая часть

1. Схема расположения строительных конструкций.

2. Железобетонная колонна. Расчетное сечение. Схема обогрева.

3. Железобетонная балка. Расчетное сечение. Схема обогрева.

4. Железобетонная плита перекрытия. Расчетное сечение. Схема обогрева.

5. Методика расчета железобетонных конструкций. Мероприятия по восстановлению несущей способности.

6. Графики снижения несущей способности железобетонных конструкций.

7. Разрезы 1−1 и 2−2;

8. План на отм. 0.000;

9. .Колонна;

10. Ферма покрытия;

11. .Исходные данные для теплотехнического расчета;

Методы защиты и усиления железобетонных конструкций.

Краткое содержание проекта и предложения:

В первом разделе описан технологический процесс производства и его пожарная опасность цеха газового сырья производства ДМФА. Дан анализ конструктивных, объемно-планировочных решений, проведена экспертиза эвакуационных путей и выходов, противодымной защиты на предмет выполнения противопожарных требований норм и правил.

Второй раздел посвящен обследованию технического состояния несущих конструкций здания. Описаны основные причины разрушения железобетонных конструкций с учетом срока эксплуатации.

В третьем разделе произведен расчет пределов огнестойкости железобетонной колонны, балки и ребристой плиты перекрытия без учета и с учетом срока эксплуатации, и сделаны выводы об огнестойкости конструкций и их соответствии требованиям противопожарных норм.

На основании выводов, в 4-ом разделе, разработаны предложения по восстановлению несущей способности этих конструкций и повышению их огнестойкости.

• Введение
• 1. Конструктивные решения здания производственной базы ВПОПТ г. Владивостока
• 1.1 Характеристика объекта
• 1.2 Пожарная опасность производства
• 1.3 Конструктивные решения здания ВПОПТ г. Владивостока
• 1.4 Экспертиза строительных конструкций
• 2. Обследование технического состояния каркаса здания с диагностикой их дефектов
• 2.1 Агрессивная среда и ее влияние на несущую способность железобетонных конструкций
• 2.2 Изменение прочности бетона от воздействия технических масел
• 2.3 Состояние железобетонных конструкций и их дефекты
• 2.4 Причины и характер разрушения железобетонных конструкций
• 3. Расчет пределов огнестойкости строительных конструкций с учетом воздействия агрессивной среды
• 3.1 Выбор конструкций для расчета
• 3.2 Основы расчета фактических пределов огнестойкости железобетонных конструкций
• 3.3 Расчет фактических пределов огнестойкости железобетонных конструкций с учетом воздействия агрессивных сред
• 3.3.1 Расчет фактического предела огнестойкости железобетонной фермы покрытия
• 4. Мероприятия по восстановлению несущей способности железобетонных конструкций и защите их от коррозии
• 4.1. Защита железобетонных конструкций от коррозии
• 4.1.1 Степень агрессивного воздействия среды
• 4.1.2 Основные требования к материалам и конструкциям
• 4.1.3 Защита от коррозии поверхностей железобетонных конструкций
• 4.1.4 Подготовка поверхности железобетонных конструкций перед проведением ремонтно-восстановительных работ
• 4.2 Восстановление несущей способности железобетонных конструкций
• 4.2.1 Усиление железобетонной колонны
• 4.2.1.1 Расчет фактического предела огнестойкости усиленной железобетонной колонны
• 4.2.2 Усиление железобетонной фермы
• 4.2.2.1 Расчет фактического предела огнестойкости усиленной железобетонной фермы
• Выводы
• Литература

Как показывает практика, бетонные и железобетонные конструкции являются наиболее широко используемыми в практике современного строительства. Они могут выполнять роль ограждающих и несущих конструкций в зданиях различного функционального назначения. Очевидно, что эти конструкции могут эксплуатироваться в условиях с различной окружающей средой, так для Приморского края и других регионов Дальнего Востока наиболее характерна эксплуатация бетонных и железобетонных конструкций во влажной среде. Как показывают результаты исследований, проводимых на кафедре пожарной безопасности технологических процессов, зданий и сооружений ФГОУ ВПО ВСИ МВД России, именно условия эксплуатации в значительной степени определяют несущую способность конструктивных элементов зданий и сооружений.

В соответствии со СНиП 2.03.11−85 «Защита строительных конструкций от коррозии» при проектировании бетонных и железобетонных конструкций, предназначенных для эксплуатации в агрессивной среде, их коррозионную стойкость следует обеспечивать применением коррозионно-стойких материалов, добавок, повышающих коррозионную стойкость бетона и его защитную способность для арматуры, снижением проницаемости бетона технологическими приемами, установлением требований к категории трещиностойкости, ширине расчетного раскрытия трещин, толщине защитного слоя бетона. В случае недостаточной эффективности названных выше мер должна быть предусмотрена защита поверхности конструкции, но зачастую эти требования не выполняются. Исследования причин обрушения железобетонных конструкций зданий промышленного назначения показали, что одной из основных причин снижения их прочности является коррозирующее воздействие агрессивных сред, то есть на железобетоне появляются различные дефекты в виде трещин, сколов защитного слоя, коррозии рабочей арматуры (рёбер и сеточного армирования). В связи с этим возрастают затраты на ремонт и реконструкцию зданий и сооружений.

Обследование здания производственной базы муниципального пассажирского автотранспортного предприятия г. Владивостока (МУПВ ВПОПАТ-1) показало, что за период эксплуатации на бетонных и железобетонных конструкциях появились различные видимые повреждения из-за неблагоприятного воздействия на них окружающих факторов (воздушной среды, условий эксплуатации и т. д.), поэтому огнестойкость этих конструкций необходимо принимать с учетом их технического состояния.

В связи с вышесказанным возникла необходимость в изучении влияния агрессивной среды на эти конструкции, оценке их огнестойкости (как в нормальных условиях, так и с учетом срока эксплуатации), а также разработка мероприятий по защите, ремонту и реконструкции железобетонных элементов, подвергнутых воздействию агрессивных сред. Это позволит снизить затраты на ремонт и реконструкцию здания, позволит увеличить срок эксплуатации строительных конструкций и, как следствие, отразится на сроке эксплуатации всего здания в целом и на его долговечности.

1. Конструктивные решения здания базы автотранспортного предприятия

1.1 Характеристика объекта

Муниципальное унитарное предприятие города Владивостока «Владивостокское производственное объединение пассажирского автотранспорта № 1» (МУПВ ВПОПАТ-1) представляет собой единый специализированный комплекс для технического обеспечения работоспособности и надежности подвижного состава расширяющегося парка муниципальных автобусов. Предприятие является одним из лучших в крае по технической оснащенности, наличию производственных площадей, соответствию государственным стандартам, санитарным нормам и правилам охраны труда.

В настоящее время парк автомобилей насчитывает 75 автобусов и 14 автомобилей хозтехобслуживания.

Производственная база рассчитана на проведение всех видов обслуживания, планово-предупредительного ремонта автобусов всех модификаций, а также технических ремонтов автобусов, троллейбусов и их агрегатов, в том числе и двигателей внутреннего сгорания (ДВС) у автобусов агрегатно-постовым методом с минимальными затратами времени на ремонт.

В процессе технического обслуживания и текущего ремонта автобусов производится:

ежедневное обслуживание, включающее контроль, направленный на обеспечение безопасности движения, а также работы по поддержанию надлежащего внешнего вида, заправку топливом, маслом и охлаждающей жидкостью, санитарную уборку и мойку автобусов;

техническое обслуживание № 1 (ТО-1): смазка, контрольно-диагностические и крепежные работы;

техническое обслуживание № 2 (ТО-2): регулировочные и другие работы, направленные на выявление неисправностей и ухудшения параметров, влияющих на экономию топлива, автошин, отрицательное воздействие на окружающую среду;

текущий ремонт: замена неисправных узлов и агрегатов на постах ТР и ремонт их в подсобных цехах и участках.

Кроме того, в целях сокращения расходов на капитальный ремонт, уменьшения транспортных расходов при перевозке ДВС с АРМ и сокращения простоев автобусов в ремонте, автотранспортное предприятие производит на своей базе также капитальный ремонт ДВС всех марок.

Здание ВПОПАТ № 1 г. Владивостока состоит из 2-х зон: зоны ТО-2, размерами 48 м на 18 м и высотой 6,24 м и зоны ТР размерами 36 м на 42 м и высотой здания 12 м. Фундаменты бутово-ленточные, плиты покрытия железобетонные. Крыша совмещенная, покрытие толевое. Полы цементные. Оконные проемы двойные глухие, створные, дверные проемы филенчатые, ворота деревянные. Каркас здания выполнен из железобетонных конструкций, стены и перегородки выполнены из кирпича. Отопление водяное от местной котельной, вентиляция приточно-вытяжная, водоснабжение на хозяйствено-питьевые нужды осуществляется от внутреннего хозяйственно-питьевого водопровода, запитанного от городской сети. Освещение электрическое. По пожарной опасности согласно [2,3,4] здание относится к категории «В».

Основное производство включает в себя следующие участки: пост ТО-1, зону ТО-2, зона ТР (посты текущего ремонта, а также цеха по ремонту снятых узлов и агрегатов), комплекс капитального ремонта ДВС.

Вспомогательный комплекс включает в себя: контрольно-технический пункт АТП (ОТК), ЕО — уборка и мойка автобусов на постах двух поточной механизированной мойки, автозаправочный пункт с маслохозяйством, шиномонтажный участок, центральный склад для складирования новых запасных частей и склад оборотных агрегатов для хранения и выдачи узлов и агрегатов, поступивших после ремонта из подсобных цехов, малярное отделение, участок мойки узлов и агрегатов, служба подготовки производства, столярный участок, отдел главного механика, собственная котельная.

Для выполнения ТО-2 и ТР в здании имеются 8 тупиковых постов со смотровыми ямами и специальными подъемниками, четыре проездных поста, также оснащенных смотровыми ямами и один пост с гидравлическим подъемником. На участках ТО и ТР для подъемно-транспортных работ предусмотрены кран-балки и консольные краны, имеются гидравлические домкраты. Снабжение сжатым воздухом осуществляется от компрессорных установок.

Агрессивное воздействие, вызывающее коррозию железобетонных конструкций на данном объекте, оказывается наличием машинных масел, а также влиянием влажного морского климата, наличием в воздухе большого количества различных солей.

1.2 Пожарная опасность производства

Пожарная опасность автотранспортных предприятий обусловлена тем, что в процессе производства обращается большое количество легковоспламеняющихся и горючих жидкостей, способных образовывать взрывоопасные концентрации, а также наличием других горючих веществ и материалов (таких, как древесина, каучук, другие синтетические материалы). Ниже приведены характеристики основных веществ и материалов, обращающихся в здании АТП г. Владивостока согласно [5]:

дизельное топливо — легковоспламеняющиеся или горючие жидкости. Молярная масса от 203,6 до172,3. Плотность от 788 до 921 кг/м³; температура кипения 150−348⁰С; температура вспышки 37−110С; температура воспламенения около 112С; температура самовоспламенения 210−370С; нижний концентрационный предел распространения пламени 0,5−0,6%; температурные пределы распространения пламени: нижний 35−99С, верхний 75−155С;

бензин — легковоспламеняющаяся бесцветная жидкость; температура вспышки -35С; температура самовоспламенения 375С; температурные пределы распространения пламени: нижний -35С, верхний 17С; плотность около 700 кг/м³;

покрышка автомобильной шины (каркас с протектором) — горючий материал, плотность 1147 кг/м3; температура воспламенения 440С; температура тления отсутствует. При непрерывном нагревании образца размером 0,125Ч0,125Ч0,125 м в течение 96 ч при 240С материал не самовозгорается;

древесина сосновая — горючий материал. Влажность 9%, плотность 414−510 кг/м3; теплота сгорания — (18 731−20 853) кДж/кг. Показатель горючести более 2,1; температура воспламенения 255С; температура самовоспламенения 399С; склонна к тепловому самовозгоранию; температура тления при самовозгорании 295С; нижний концентрационный предел распространения пламени 34 г/м3; максимальное давление взрыва 520 кПа; максимальная скорость нарастания давления взрыва 5,5 МПа/с; коэффициент дымообразования 717 м2/кг при 400С; токсичность продуктов горения 35,52,7 г/м3 при 400 С;

масло моторное (М-8Г₂К и М-10Г₂К) — температура вспышки 205С; температура застывания -15С; вязкость при 100С 11 мм²/с;

масло трансмиссионное (ТС-15К) — температура вспышки 180С; температура застывания -25С; плотность 930 кг/м³.

В нормальных условиях образование взрывоопасных концентраций и выход их наружу невозможен. Образование взрывоопасной концентрации в объеме помещения возможно при аварийной ситуации или при нарушении технологического регламента. Реальную пожарную опасность представляют также баки для слива отработанного масла.

По статистике пожаров, происшедших на автотранспортных предприятиях, основными их причинами явились:

нарушение правил хранения подвижного состава;

нарушение правил эксплуатации электрооборудования;

нарушение правил проведения газо-электросварочных и других огневых работ;

нарушение противопожарного режима.

Также возможным источником воспламенения может послужить: самовозгорание промасляной одежды и ветоши.

Основными путями распространения пожара будут являться: розливы ЛВЖ и ГЖ; горючие вещества и материалы, находящиеся в подвижном составе (покрышки автомобильных шин, внутренняя обшивка салонов, сидения и т. д.); горючие материалы в отделке помещений; обмотка электрических проводов, кабелей и другие.

В случае возникновения пожара работа подразделений ГПС будет осложняться быстрым распространением пожара, интенсивным дымовыделением, необходимостью быстрой эвакуации подвижного состава, наличием большого количества токсичных продуктов горения, что вызовет необходимость использования средств индивидуальной защиты органов дыхания.

1.3 Экспертиза строительных конструкций здания

Владивостокское муниципальное пассажирское автотранспортное предприятие построено по проекту, выполненному проектным институтом ГИПРО Автотранс и введено в эксплуатацию в 1978 году. Как говорилось выше основное здание состоит из 2-х основных зон: зоны ТО-2, размерами 48 м на 18 м и высотой 6,24 м и зоны ТР размерами 36 м на 42 м и высотой здания 12 м. Здание каркасное, из сборного железобетона. Наружные стены выполнены из обычного глиняного кирпича.

Колонны железобетонные, сечением 400Ч400 мм, толщина защитного слоя арматуры 30 мм. Покрытие сборное железобетонное из плит, расположенных ребрами вниз, толщина защитного слоя арматуры 30 мм. Фермы покрытия железобетонные сечением нижнего пояса 250Ч200 мм. Толщина наружных кирпичных стен 51 см. Внутренние перегородки толщиной 12 см выполнены из обыкновенного глиняного кирпича. В качестве утеплителя использованы жесткие минераловатные плиты толщиной 100 мм. Оконные проемы двойные глухие, створные; дверные проемы филенчатые, ворота деревянные. Кровля выполнена слоем гравия, втопленного в битум — 10 мм, 3 слоя бетона по горячей битумной мостике, цементно-песчаная стяжка — 16 мм, утеплитель — минватные плиты, пароизоляция — горячим битумом за 2 раза. Полы цементные.

В соответствии с [2,6] здание относится к классу функциональной пожарной опасности Ф5.1.

Согласно технологического регламента производства, в данном здании предусматривается категория «В» по взрывопожарной и пожарной опасности [2,3,4]. Для проверки соответствия произведем расчет.

Для того, чтобы можно было отнести здание к категории «В», необходимо, чтобы:

здание не должно относиться к категориям «А» или «Б»;

суммарная площадь помещений с категориями по взрывопожарной и пожарной опасности «А, Б и В» не должна превышать 5% от площади всех помещений (10%, если в здании отсутствуют помещения с категориями «А» и «Б»).

Площадь всех помещений составляет

S_пом= 42 32 = 1344 м².

Суммарная площадь помещений, относящихся к категориям «А, Б и В» составляет S_{А, Б, В} = 978 м², что составляет:

Следовательно, здание можно отнести к категории «В» по взрывопожарной и пожарной опасности.

В соответствии с [7,8] требуемая степень огнестойкости здания — III, требуемый класс конструктивной пожарной опасности здания — С0.

Тогда, в соответствии с [2,6] требуемые пределы огнестойкости основных строительных конструкций должны быть не ниже представленных в таблице 1.1, а классы пожарной опасности строительных конструкций не должны превышать указанные в таблице 1.2:

Таблица 1.1

Требуемые пределы огнестойкости конструкций

Таблица 1.2

Требуемые классы пожарной опасности конструкций

Для того, чтобы выполнялось условие безопасности, необходимо, чтобы фактические пределы огнестойкости конструкций и классы пожарной опасности были не ниже требуемых, т. е. должны выполняться следующие условия:

П_Ф П_ТР (1.1)

К_Ф К_ТР (1.2)

Определив фактический предел огнестойкости конструкций, мы сможем определить фактическую степень огнестойкости здания в целом, а также зная классы пожарной опасности строительных конструкций можно определить класс конструктивной пожарной опасности здания. Для того, чтобы здание соответствовало требованиям норм, должны соблюдаться следующие условия:

О_Ф О_ТР (1.3)

С_Ф С_ТР (1.4)

Произведем проверку соответствия фактической степени огнестойкости и класса конструктивной пожарной опасности рассматриваемого в дипломном проекте здания требованиям строительных норм и правил.

По пособию к СНиП II-2−80 [9], а также по [2,6,10,11] определим фактический предел огнестойкости конструкций и фактическую степень огнестойкости здания в целом. Результаты экспертизы строительных конструкций представлены в табл. 1.3.

По результатам проведенной экспертизы строительных конструкций можно сделать вывод, что фактическая степень огнестойкости здания — II, класс конструктивной пожарной опасности здания С0, что соответствует требованиям норм. Условия безопасности (1.3−1.4) выполняется.

Таблица 1.3

Проверка соответствия показателей огнестойкости и пожарной опасности строительных конструкций и здания в целом противопожарным требованиям норм

2. Обследования технического состояния несущих конструкций здания с диагностикой их дефектов

2.1 Характеристика среды, воздействующей на железобетонные конструкции

Для Приморского края наиболее характерна эксплуатация бетонных и железобетонных конструкции во влажной окружающей среде. Близость крупнейшего водного бассейна и влияние охлажденного зимой материка, создают специфические, суровые климатические условия. Летом господствуют южные, юго-западные ветра, дующие с океана на материк, сопровождающиеся сравнительно высокими температурами, пасмурной погодой, высокой влажностью, большим количеством тумана и дождей. Климатические условия характеризуются обильными туманами и дождями в летнее время, тайфунами в осеннее и бесснежной зимой с резкими изменениями температуры в течении нескольких дней (от -5С до — 30С), сильными ветрами и высокой солнечной радиацией в зимнее время. Эти особенности климата предъявляют высокие требования к морозостойкости бетона.

Морозостойкость бетона, противостояние проникновению в него и воздействию на арматуру агрессивных сред можно достичь улучшением его структуры. Процесс твердения цемента в бетоне приводит к образованию прочного конгломерата сложной структуры. Капиллярно-пористая структура цементного камня, и бетона в целом, его высокоразвитая внутренняя поверхность, в значительной степени определяют интенсивность коррозийных процессов, проницаемость и морозостойкость, а в целом и долговечность бетона.

Структура бетона складывается из суммарных факторов, но главная, основополагающая характеристика — структурная пористость, зависящая от плотности укладки бетона, водопотребности цемента и бетонной смеси, а также гранулометрического состава наполнителей. Структурная пористость бетона практически определяет все его свойства, влияющие на долговечность.

На степень стойкости бетона к воздействию агрессивной среды также оказывает существенное влияние общая, крупная пустотность бетона, образующаяся при неплотной укладке бетона и большого количества воды в бетонной смеси. Всякое ускорение отвердения бетона посредством термообработки, приводит к увеличению микропористости бетона в результате интенсивного испарения свободной воды, что ведет к снижению коррозийной стойкости.

Тонкий защитный слой, его растрескивание, ведут к проникновению влаги к арматуре и интенсивной коррозии стали, в следствии чего, появлению большого количества продуктов коррозии (ржавчины) и их расширяющего воздействия на поверхностный слой бетона.

Помимо влажностных факторов воздуха Приморского края, на долговечность, прочность и огнестойкость железобетонных конструкций здания автотранспортного предприятия оказывает негативное влияние машинное масло, находящееся на предприятии в большом количестве.

Результаты исследований, проводимых на кафедре пожарной безопасности технологических процессов, зданий и сооружений ВСИ МВД России, показывают, что технические масла существенно влияют на прочностные свойства железобетона.

С течением времени пары масла и влаги пропитывают железобетонные конструкции на глубину вплоть до арматуры и далее, тем самым, разрушая защитный слой конструкции и приводя к коррозии арматуры. Здание автотранспортного предприятия эксплуатируется более 30 лет и уже хорошо видны последствия воздействия агрессивных сред на железобетонные конструкции.

2.2 Изменение прочности бетона от воздействия технических масел

1. Влияние различных минеральных масел на бетоны В последние годы вопросам о воздействии технических масел на бетон уделяется большое внимание. Выводы, сделанные ранее, основывались на недостаточно обширных результатах исследований и имели противоречивый характер, хотя правильно оценивалось вредное воздействие масел на бетон.

Было доказано, что вид масла не имеет существенного значения, а также что снижение прочности бетона происходит за счёт остающихся в маслах смол или добавленных специально присадок. Эти вещества адсорбируются в микродефектах бетона, на контактах цементного камня с заполнителем и арматурой, оказывают расклинивающее действие, снижают прочность бетона и сцепление с арматурой.

По данным, полученным при испытании бетона на различных предприятиях, можно сделать вывод, что прочность промасленных бетонов на 15−50% ниже, чем не промасленного, в зависимости от плотности и марки, а так же от длительности воздействия масел.

Время воздействия масла на бетон влияет на прочность, однако, минеральные масла не оказывают химического воздействия на составляющие бетон материалы.

С понижением прочности бетона его проницаемость для масел повышается, а потеря прочности увеличивается, также увеличивается модуль упругости. При этом видимых признаков разрушения не проявляется. Бетон на смешанных цементах более подвержен воздействию масел. Снижение сцепления бетона, пропитанного маслом с арматурой гладкого профиля доходит до 60%, а с арматурой периодического профиля примерно равно снижению прочности бетона. Несмотря на значительное снижение прочности бетона на сжатие, ползучесть его уменьшается, а модуль упругости повышается на 14−18,5%. Набухание в воде или усадки в сухих условиях в промасленном бетоне не происходит.

Кроме того, в бетоне, пропитанном маслом, прекращается (дополнительная) дальнейшая гидратация цементного камня, вокруг которого создаются гидрофобные масляные плёнки, прекращающие доступ влаги к ним, в результате низкого значения поверхностного натяжения масла.

2. Влияние поверхностно-активных веществ (ПАВ), содержащихся в маслах, на прочность бетонов Бетон, как было указано выше, под воздействием минерального масла значительно снижает прочность. Механизм этого воздействия следующий. Поверхностно-активные вещества, содержащиеся почти во всех минеральных маслах, попадая в микродефекты бетона, вызывают адсорбционное понижение его прочности и, кроме того, оказывают расклинивающее воздействие, что в свою очередь также снижает и прочность бетона. Установлено, что чем больше внутренних микродефектов пористого тела занято поверхностно — активными веществами, тем сильнее их воздействие.

При действии масла большую роль играют содержащиеся в них малые добавки ПАВ, которыми в нефтяных средах являются высокомолекулярные полярные смолы. Адсорбция активной среды в пористых телах протекает с образованием адсорбционных слоёв в объёме тела путём поверхностной диффузии (миграции) по микрои макро капиллярам.

Проникновение адсорбционно-активной среды в микро капилляры цементного камня проходит при высокой скорости, сопоставимой со скоростью двухмерной миграции поверхностно — активных молекул в микротрещины.

В зависимости от вязкости адсорбционно-активной среды миграция её в поровое пространство цементного камня или бетона будет осуществляться по капиллярам различных диаметров с различной скоростью.

Скорость заполнения пор и капилляров цементного камня и бетона, свободных от жидкой фазы, значительно велика и заполнение их будет происходить быстро. Но, ввиду того, что большое количество капилляров в цементном камне и бетоне заполнено жидкой фазой, проникновение нефтяных сред в растворы и бетоны связано с вытеснением ими водных сред жидкой фазы цементного камня из капилляров и микродефектов структуры. В зависимости от радиуса капилляра и вида среды скорость проникновения нефтяных сред через водные среды будет различна.

В структуре цементного камня, имеющего в своём составе 48% кварцевого наполнителя, адсорбционно-активная среда нарушает целостность структуры в контактах между цементным камнем и микро наполнителями, что в дальнейшем определяет значительное снижение прочности нарушает целостность структуры в контактах между цементным камнем и микро наполнителями, что в дальнейшем определяет значительное снижение прочности в структурах подобного вида.

В зависимости от присутствия в углеводородной среде полярных групп, эффект разупрочнения цементного камня и бетона будет проявляться тем быстрее, чем большее количество полярных групп находится в среде.

В технических маслах находится большее количество полярных групп, чем у других представителей углеводородных нефтяных сред.

Для производства нефтяных масел в нашей стране используются в основном сернистые нефти Урало-Волжского района и нефти Западной Сибири. Эти нефти по своему химическому составу и свойствам обеспечивают получение масел с высокими эксплуатационными качествами.

Действие адсорбционно-активных нефтяных углеводородных сред на растворы и бетоны зависит от наличия в их составе серои азотосодержащих полярных смол, остающихся после переработки соответствующих нефтепродуктов, а также от наличия присадок, имеющих в своём составе функциональные полярные группы, добавляемых к нефтепродуктам для улучшения отдельных свойств. При отсутствии таких групп среда является инактивной по отношению к растворам и бетонам и не вызывает эффекта разупрочнения во времени.

Все марки масла уменьшают прочность практически одинаково, а вазелиновое масло, не имеющее практически ПАВ (около 2%) присадок, в течение 3,5 лет не снизило прочности бетона. Наоборот, отработанное масло автол привело к снижению прочности бетона на 60% уже через 1,5 года.

Следует сделать вывод, что прочность бетона уменьшалась только в тех случаях, когда нефтепродукты имеют в своём составе смолы, являющиеся ПАВ, способными снижать твёрдость и прочность пористых материалов.

Действие адсорбционно-активных углеводородных сред на бетоны характеризуется в первую очередь нарушением контактов у раздела фаз между цементным камнем и заполнителем, а затем нарушением контактов в поликристаллических сростках цементного камня.

Петрографические, рентгеноструктурные, электронно-микроскопические исследования бетона, длительное время выдержанного в масле, наличие новообразований не показали. Следовательно, снижение прочности бетона вызвано не химическим воздействием на состояние бетона, а процессами физико-химической механики (адсорбционным понижением прочности бетона ПАВ и их расклинивающими действиями). Медленное снижение прочности бетона можно объяснить тем, что смолы, постепенно накапливаясь в микродефектах, уменьшают его прочность. Когда все микродефекты заполнены ПАВ, прочность бетона стабилизируется.

Для экстренного определения прочности промасленного бетона предлагается формула 2.1.

МПа (2.1)

где:

R₀ — первоначальная прочность, МПа;

t — продолжительность воздействия масла на бетон, годы;

0,1 — коэффициент, показывающий интенсивность снижения прочности во времени при обильном попадании масла на бетон.

Данную формулу можно применять в течение 7−8 лет после начала пропитки бетона маслами. Использование этой формулы рекомендуется при обильном попадании масла на бетон и железобетон.

Установлено, что при длительном воздействии масла на бетон (более года), он под действием температуры 250…350С, в первые 30 минут, имеет свойство взрывоопасно разрушаться. Это объясняется тем, что масло проникшее в бетон при нагревании до 100…200С расширяется закрывает (заклинивает) поры и капилляры бетона, в это же время начинается активное испарение химически свободной воды по всему объему бетона, однако выход из него пара по вышеуказанной причине затруднен. Это приводит к увеличению избыточного давления в сечении бетона и, как следствие, увеличению температуры кипения воды. Устанавливается динамическое равновесие между температурой прогрева и интенсивностью испарения воды. Однако, при прогреве бетона до 250…350С, образовавшиеся в нем микротрещины сливаются в более крупные и наступает момент, когда происходит выход пара из всего объема бетона. При резком внутриобъемном снижении давления, влага, нагретая свыше 100С вскипает, происходит бурный переход ее из жидкого состояния в газообразное и это сопровождается динамическим ударом, отколом крупных частей бетона.

2.3 Причины и характер разрушения бетонных и железобетонных конструкций

Коррозию и стойкость бетона на портландцементе и его разновидностей исследуют уже много лет. По мере улучшения качества цемента и накопления знаний о его твердении, появилась необходимость детального изучения коррозионных процессов, влияющих на долговечность бетонных конструкций и усилению мер против их разрушений. Одновременно в лабораториях Дальневосточного политехнического института и ДальНИИСа проводились исследования, которые позволили установить постоянные и переменные факторы (внешние и внутренние), влияющие на коррозию и долговечность железобетонных конструкций промышленных и производственных зданий под воздействием внешней среды в условиях южного побережья Приморского края.

К основным из них относятся:

- качество составных частей бетона, включающих в себя качество цемента, заполнителя и наличие добавок, повышающих коррозионную стойкость бетона;

— методы укладки, уплотнения бетона, характер его твердения (естественное или ускоренное при помощи термообработки);

— свойства бетона, включающие в себя плотность и пористость, прочность, водопоглощение, морозостойкость (которые полностью зависят от образовавшейся структуры бетона);

— наличие и величина начальной коррозии арматуры в бетоне и марка ее стали;

— наличие достаточного слоя защиты по толщине и плотности бетона до арматуры;

— характер среды, в которой эксплуатируются железобетонные конструкции, т. е. вид и влажность грунта, характер грунтовых вод, влажность воздуха, резкое изменение температуры воздуха, особенности климата региона (частота ливневых дождей, сила ветра, величина солнечной радиации и т. д.);

— конструктивные особенности здания при устройстве наружного или внутреннего водоотвода дождевой воды, правильность устройства дренажа, исправность кровель и парапетов и т. д.

Все перечисленные факторы, влияющие на коррозию и общую долговечность железобетонных сооружений, касаются ограждающих и несущих конструкций, соприкасающихся с окружающей средой.

Разрушения некоторых конструктивных элементов могут возникнуть по следующим причинам:

— нарушение целостности кровельного покрова, неправильной заделки мягкой кровли у карнизов, парапетов и вентиляционных шахт (в связи с чем под воздействием обильных атмосферных осадков, периодического замораживания разрушается бетон и коррозирует арматура несущих элементов покрытия зданий и сооружений);

— недостаточные по выносу карнизы зданий с неорганизованным водостоком, в результате чего от намокания разрушаются панельные железобетонные и даже кирпичные стены;

— отсутствие и недостаточная защита цокольных панелей специальной штукатуркой, неверно выполненный дренаж по периметру здания;

— нарушение закладки фундамента (как правило приводит к образованию трещин и разрушению стен, колон и других несущих конструкций);

— наличие других случаев разрушения ограждающих и несущих конструкций объясняется индивидуальными для каждого случая причинами (повышенная вибрация от технологического оборудования, резкий перепад температур внутри и снаружи здания, механическая и динамическая нагрузка на конструкции и т. п.).

При визуальном осмотре железобетонных изгибаемых конструкций (балок, ригелей, плит покрытия и перекрытия) часто наблюдаются трещины, возникающие в результате не только коррозионного ослабления конструкций, но и по ряду других причин, которые можно разделить в следующей последовательности:

— трещины от силовых воздействий в растянутой зоне железобетонных конструкций;

— от усадки бетона;

— от температурных воздействий;

— от нарушения анкеровки арматуры;

— раскалывание уже уплотненной бетонной смеси в результате излишнего вибрирования;

— в предварительно напряженных элементах (трещины возникают в момент неправильного отпуска натяжения арматуры и передачи напряжения на бетон);

— от коррозии арматуры (что считается наиболее опасным).

2.4 Состояние железобетонных конструкций и их дефекты

Железобетонные конструкции, применяемые в практике строительства Приморского края, наиболее подвержены воздействию влажного морского воздуха (в совокупности с другими видами агрессивного воздействия), что способствует разрушению бетона, т. е. более раннему износу конструкций и всего здания в целом.

Причинами быстрого развития коррозии бетона являются:

нарушение технологического процесса производства;

замена одних строительных материалов другими, не предназначенными для строительства в данном регионе из-за специфических климатических условий;

отсутствие контроля за уборкой различных разливов масла и других жидкостей, вызывающих коррозию бетона (что наиболее характерно для данного автотранспортного предприятия).

Вышеперечисленные причины приводят к значительному снижению несущей способности конструкций, в связи с чем, возникает необходимость в капитальном ремонте здания (как правило, раньше намеченного срока).

За период эксплуатации здания автотранспортного предприятия г. Владивостока многие железобетонные конструкции были подвержены воздействию агрессивной среды, арматура в некоторых местах оголена. Несмотря на это, капитальный ремонт здания не производился, ранее проводимые ремонты имели косметический характер, что не давало должного эффекта.

В здании ремонта и технического обслуживания более всего подвержены коррозии колонны (от воздействия технического масла), а также элементы покрытия, плиты и фермы (от воздействия влажного морского климата). Проникновение масляных паров в конструкциях, происходит в основном через швы, разделки в сборных конструкциях, места, где пробиты сквозные отверстия и закреплено оборудование.

Колонны имеют повреждения в большей части на участках технического обслуживания и ремонта; плиты и фермы покрытия имеют повреждения возле въездных ворот и местах повреждения рубероидной кровли, где хорошо прослеживаются подтеки, отложения солей и мелкие трещины на защитном слое бетона.

3. Расчет огнестойкости строительных конструкций

3.1 Выбор конструкций для расчета

Для проведения расчета, осмотренные железобетонные конструкции, по выявленным дефектам, можно подразделить на:

отсутствие видимых дефектов и повреждений, указывающих на снижение несущей способности и уменьшение срока эксплуатации, необходимость в ремонтно-восстановительных работах на момент осмотра;

защитный слой бетона по отношению к арматуре на отдельных участках снижен и требуется проведение восстановительных работ;

существующие повреждения железобетонных конструкций свидетельствуют о явном снижении несущей способности и пригодности к эксплуатации, что связано с капитальным ремонтом конструкций.

Необходимая стойкость бетонных и железобетонных конструкций может быть достигнута только в случае, если будет осуществлен комплекс мероприятий по защите этих конструкций, повышения их долговечности и расчетного срока службы сооружения, обусловленного моральным старением оборудования и возможностями капитальных ремонтов при наименьших затратах.

Во вновь построенных промышленных зданиях и сооружениях, при соблюдении всех строительных норм и технических условий на производство работ, начальная безремонтная долговечность строительных конструкций в условиях Приморского края должна быть не менее 10−15 лет без текущего ремонта и не менее 25−50 лет без капитального ремонта.

Изучение прочностных свойств бетона в исследуемых конструкциях предполагает 2 подхода: использование разрушающих и неразрушающих методов.

Традиционные методы изучения прочностных свойств конструкций из бетона и железобетона, связанные с разрушением образцов материала и отдельных элементов конструкций, не способны в полной мере дать ответ на вопрос о действительном состоянии конструкций. Эти методы практически не применимы для изучения работы эксплуатируемых сооружений, не способны обеспечить сплошной контроль, являются сложными в исполнении и дорогостоящими.

В связи с этим неразрушающие методы изучения прочностных свойств бетона и железобетона являются приоритетными. Неразрушающие методы контроля параметров эксплуатационных качеств (ПЭК) зданий и сооружений приведены на рисунке 3.1. Недостатком данных методов является то, что для их исполнения требуется проведение специальных, зачастую сложных мероприятий по технике безопасности, а также сложной регистрирующей и дозиметрической аппаратуры и специально подготовленного персонала. Кроме того, эти методы применимы для исследования выпускаемых конструкций и сложны в применении при обследовании конструкций уже построенных зданий и сооружений.

В связи с этим широко используются методики оценки состояния железобетонных конструкций по внешним признакам [17, 18, 19].

Осмотр основных несущих железобетонных конструкций показал, что их состояние условно можно оценивать по критериям, приведенным в табл. 3.1.

Если предположить, что оценка «1» соответствует предаварийному состоянию конструкции, то оценка «0» — аварийному состоянию, при котором отмечается существенное снижение несущей способности железобетонных конструкций. Такие конструкции подлежат обязательной замене или усилению.

Для расчетов фактических пределов огнестойкости железобетонных конструкций рассматриваемого здания с учетом срока эксплуатации выберем наиболее поврежденные конструкции. По приведенными выше критериями оценки их состояние соответствует оценкам «2», «3» и «4».

Таблица 3.1

Критерии оценки состояния основных несущих железобетонных конструкций

К таким конструкциям относятся: железобетонные колонны, фермы покрытия, ребристые плиты покрытия.

Рис. 3.1 Неразрушающие методы определения контроля параметров эксплуатационных качеств

3.2 Основы расчета фактических пределов огнестойкости железобетонных конструкций Для оценки фактической огнестойкости железобетонных конструкций на момент обследования воспользуемся результатами, полученными на кафедре пожарной безопасности технологических процессов зданий и сооружений, учитывающие срок эксплуатации, их техническое состояние, степень и интенсивность воздействия окружающей среды.

Для этого рекомендуется выполнение ряда этапов:

1. Установить срок эксплуатации конструкций здания.

2. Определить наличие агрессивных сред:

агрессивная среда отсутствует;

воздействие одной агрессивной среды;

воздействие двух и более агрессивных сред.

3. Определить степень агрессивного воздействия на строительные конструкции [21,22]:

неагрессивная;

слабоагрессивная;

среднеагрессивная;

сильноагрессивная.

4. Определить интенсивность воздействия:

разовое воздействие;

циклическое воздействие;

постоянное воздействие.

5. Определить глубину проникновения агрессивной среды в конструкцию:

поверхностное воздействие;

пропитка на глубину защитного слоя;

глубокая пропитка.

6. Установить срок воздействия агрессивной среды:

малой — до 10 лет;

средней — от 10 до 20 лет;

высокой — свыше 20 лет.

7. Определить техническое состояние (степень повреждения) железобетонных конструкций [17]:

неповрежденные;

слабоповрежденные;

среднеповрежденные;

сильноповрежденные;

— конструкции в аварийном состоянии.

В качестве исходного параметра следует принять фактический предел огнестойкости (П_ф0), определенный расчетом, без учета срока эксплуатации. Учет срока эксплуатации и воздействие агрессивной среды устанавливается произведение П_ф0, на поправочные коэффициенты К₁ и К₂ [20]:

П_ф = П_ф0^. К₁^. К₂

К₁ — коэффициент учитывающий срок эксплуатации, степень повреждения конструкции и агрессивное воздействие;

К₂ — коэффициент учитывающий степень агрессивного воздействия.

В случае двух и более агрессивных сред (П_фо) умножаем на К₁ и К₂ для других сред, П_ф = П_фо^. К₁^. К_2,1^. К_1,2^. К_2,2…К_1п^. К_2п

Степень воздействии агрессивных сред на незащищенные железобетонные конструкции в производственных зданиях, предлагаю оценивать по показателям, приведенным в табл. 3.1.

Для оценки огнестойкости железобетонных конструкций за основу возьмем этот метод, и расчетом определим фактическую огнестойкость железобетонных конструкций на момент проектирования.

Таблица 3.2

Оценка степени агрессивного воздействия среды на незащищенные железобетонные конструкции при их эксплуатации

3.3 Расчет фактических пределов огнестойкости железобетонной колонны

Исходные данные для расчета:

Размеры сечения: ширина b = 400 мм, высота h = 400 мм; длина l = 4000 мм; бетон класса B30 на гранитном щебне (R_bn = 22 МПа [23, 24]); плотность = 2400 кг/м³; влажность w = 3%; арматура — 4 стержня диаметром 25 мм, класс арматуры А-III, (R_sn = 390 МПа [23, 24]); толщина защитного слоя a_l = 30 мм; нормативная нагрузка, действующая на конструкцию N_n = 2000 кН.

Сечение колонны для расчета огнестойкости представлено на рисунке 3.2.

Несущую способность сжатого элемента определяют из условия:

(3.1)

Где R_sn — нормативное сопротивление арматурной стали сжатию, таблица 19 [23]; R_bn нормативное сопротивление сжатию бетона, таблица 12 [23];

A_b — площадь рабочего сечения бетона, м²;

A_s — суммарная площадь арматуры, м²;

г_st — коэффициент снижения прочности стали при нагревании;

ц — коэффициент продольного изгиба, зависящий от отношения l₀/b_t.

Рис. 3.2 Расчетное сечение колонны Коэффициент продольного изгиба для нагретых колонн следует принимать в зависимости от отношения расчетной длины l₀ к наименьшему размеру стороны приведенного прямоугольного сечения b_t.

При l₀/b_t=4/0,4=10; ц=0,98

R_bn=22,0 МПа [23]; R_sn=390 МПа [23]

г_st=1 [23]; A_s=1964 мм² п. 3.1.1 [23]

Расчет будем производить для различных моментов времени пожара, пока нормативная нагрузка не превысит расчетную (т.е. произойдет обрушение данной конструкции).

Выполним расчет на момент времени пожара 0.5 ч.

Теплотехнический расчет.

Определяем значения коэффициентов ц₁ и ц₂: табл.9.3.3. [11], п 3.2.9 при с=2400 кг/м^3, ц₁ =0,63 ч^½; ц₂=0,5.

Определяем значение приведенного коэффициента температуропроводности прогреваемого слоя бетона колонны по формуле:

(3.2)

Где и С — расчетные средние коэффициенты теплопроводности и теплоемкости бетона, вычисляются для температуры 450 °C;

W_b — весовая эксплуатационная влажность бетона, в кг/кг;

— плотность сухого бетона, кг/м³ (при 3% влажности составит с=2328 кг/м³).

Вт/(м•єС)

кДж/(кг•єС) Тогда приведенный коэффициент температуропроводности составит:

м²/ч Определяем значения параметра l (толщина прогрева слоя бетона в метрах) по формуле:

(3.3)

где ф — время, ч.

Толщину слоя бетона, прогретого до t_b,cr у третьей обогреваемой поверхности определяют:

(3.4)

Для этого вычислим:

(3.5)

(3.6)

(3.7)

Так как r>1, то принимаем r=1.

где t_b,cr=500єС.

Определяем значение толщины критически прогретого слоя бетона у середины прогреваемой поверхности:

м

a_t1 — толщина слоя прогретого бетона до t_b,cr в углу сечения, которую вычисляют по формуле:

(3.8)

Определяем значение толщины критически прогретого слоя бетона в углу колонны:

м Площадь, ограниченную изотермой t_b,cr, определяют по формуле:

A=F=ш (2c)² (3.9)

Для этого определим:

b=h/2 — a_lt=0.4/2 — 0.042=0,177;

ш=b/c — 0.2=0.177/0.191 — 0.2=0.727;

A=F=0.727•(2· 0,191)²=0,106 м².

Тогда сторона рабочего сечения м.

Температуру бетона и арматуры в прямоугольной колонне при четырехстороннем огневом воздействии, когда взаимно параллельные первая и вторая, третья и четвертая поверхности обогреваются, определяют по формуле:

(3.10)

Определяем значения параметров, , и .

При определении температуры прогрева арматуры воспользуемся формулой:

(3.11)

Где x_i — расстояние в метрах от рассматриваемой точки бетона в сечении до i-ой обогреваемой поверхности;

₁, ₂ — коэффициенты, зависящие от плотности бетона;

Y_i — расстояние в метрах от i-й обогреваемой поверхности до оси арматуры;

d_s — диаметр арматуры, м.

Определяем относительные расстояния по формуле:

(3.12)

Так как и, то согласно (3.12), принимаем

Определяем значение температуры прогрева арматур при ф = 0,5 ч. по формуле (3.10):

Статический расчет.

Несущая способность колонны при пожаре определяется по формуле:

(3.13)

Где _tem — коэффициент, учитывающий гибкость элемента, длительность загружения и армирование [23], м.

А_bt — площадь сечения бетона при температуре (берется из теплотехнического расчета), м²;