Konstrukcje żelbetowe w warunkach pożarowych

Aktualnie, w Polsce ochrona przeciwpożarowa jest integralną częścią budownictwa, a działania mające na celu zapewnienia bezpieczeństwa pożarowego są prowadzone na etapie projektowania i realizacji nowych obiektów budowlanych oraz podczas eksploatacji istniejących. Mimo stałego wzrostu zainteresowania problematyką bezpieczeństwa pożarowego zapewnienie ochrony przeciwpożarowej nadal jest najczęściej w Polsce realizowane na bazie spełnienia wymagań przepisów, a wiedza wielu inżynierów budownictwa na temat wpływu pożaru na konstrukcje budowlane jest niepełna. Przedmiotem niniejszej publikacji jest analiza zachowania się konstrukcji żelbetowych w warunkach pożarowych oraz kryteria dokonywanych przez projektanta ocen odporności ogniowej. Jest to niezbędne do stworzenia bezpiecznych warunków ewakuacji użytkowników w wymaganym przez normy i przepisy czasie. Autor prezentuje ponadto informacje na temat przebiegu pożaru i jego oddziaływania na konstrukcje oraz na temat podwyższania odporności ogniowej konstrukcji żelbetowych i ich oceny po pożarze. Zasadniczym celem autora było spójne przedstawienie wiedzy wystarczającej do efektywnego projektowania konstrukcji żelbetowych z uwagi na warunki pożarowe, metodami opartymi na rozpatrywaniu pożaru jako wyjątkowej sytuacji projektowej. Projektowanie konstrukcji „na pożar” jest jednak obarczone znacznie większą niepewnością od projektowania na zwykłe warunki. Zatem, aby projektowanie „na pożar” było w pełni świadome, należy mieć jak najszerszą wiedzę na temat możliwego przebiegu tego zjawiska i jego oddziaływania na elementy konstrukcyjne, wpływu wysokiej temperatury na pogorszenie właściwości mechanicznych betonu i stali oraz zjawisk zachodzących w betonie konstrukcji narażonych na warunki pożarowe. Książka jest skierowana przede wszystkim do projektantów konstrukcji budowlanych. Ponadto będzie interesująca dla reprezentantów środowiska naukowego z zakresu budownictwa oraz praktyków: kierowników budowy, przedstawicieli nadzoru budowlanego, osób zajmujących się eksploatacją obiektów budowlanych. Stanowić także dobry materiał do uzupełniający dla studentów i absolwentów pożarnictwa.

Spis treści

Wykaz oznaczeń 9 1. Wprowadzenie 13 2. Bezpieczeństwo pożarowe konstrukcji 17 2.1. Podstawy formalno-prawne 17 2.2. Pożar w budynku 20 2.2.1. Powstawanie, rozwój i przebieg pożaru 20 2.2.2. Normowe zależności czas–temperatura 26 2.2.3. Zaawansowane normowe modele pożaru 28 2.2.4. Modelowanie rzeczywistego przebiegu pożaru 31 2.3. Odporność ogniowa konstrukcji 32 2.3.1. Istota pojęcia odporność ogniowa, stawiane wymagania 32 2.3.2. Określenie odporności ogniowej na podstawie badań 35 2.3.3. Określenie odporności ogniowej na podstawie wymagań eurokodów 39 3. Pożar jako wyjątkowa sytuacja projektowa 45 3.1. Istota rozpatrywania pożaru jako wyjątkowej sytuacji projektowej, etapy analizy 45 3.2. Scenariusz pożarowy 48 3.3. Oddziaływania mechaniczne w sytuacji pożaru 52 3.4. Temperatura w przekrojach elementów narażonych na warunki pożarowe 57 4. Wpływ wysokiej temperatury na właściwości mechaniczne stali zbrojeniowej 63 4.1. Model normowy 63 4.2. Odkształcenia zbrojenia w temperaturze pożarowej, wykorzystanie modelu normowego do zaawansowanych analiz konstrukcji 67 4.3. Wykorzystanie modelu normowego do obliczeń prowadzonych metodami uproszczonymi 76 4.4. Model normowy w świetle wyników badań i innych wymagań 79 5. Wpływ wysokiej temperatury na beton 87 5.1. Badania betonu w wysokiej temperaturze 87 5.2. Cechy mechaniczne ogrzewanego betonu w ujęciu normowym 90 5.3. Przemiany zachodzące w betonie pod wpływem działania wysokiej temperatury 94 5.4. Wpływ wytrzymałości betonu na jego reakcję na działanie wysokiej temperatury 97 5.5. Wpływ rodzaju kruszywa i cementu 99 5.6. Odpryskiwanie termiczne betonu 101 5.7. Odkształcalność betonu w warunkach pożarowych 107 5.8. Wytrzymałość ogrzewanego betonu po ochłodzeniu 118 5.9. Wpływ naprężeń ściskających występujących w ogrzewanym betonie 121 5.10. Zmniejszenie wytrzymałości ogrzewanego betonu wg zaleceń amerykańskich 123 6. Uproszczone metody obliczania nośności elementów żelbetowych 125 6.1. Uwagi ogólne 125 6.2. Metoda Izotermy 500°C 126 6.2.1. Założenia 126 6.2.2. Określenie położenia izotermy 500°C i temperatury zbrojenia 130 6.2.3. Określenie nośności przekroju zredukowanego 136 6.3. Pozostałe, uproszczone metody obliczeń 138 6.3.1. Metoda Strefowa 138 6.3.2. Uproszczone metody obliczeń elementów ścinanych i skręcanych 140 6.3.3. Uproszczona metody obliczeń belek i płyt 141 7. Zapewnienie odporności ogniowej elementów zginanych 143 7.1. Projektowanie przy wykorzystaniu tablic 143 7.1.1. Podstawowe założenia i zakres stosowania tablic podanych w eurokodzie 143 7.1.2. Płyty 145 7.1.3. Belki 147 7.1.4. Tablice podane w normie amerykańskiej 150 7.2. Obliczenie nośności przekroju elementów zginanych metodą Izotermy 500°C 152 7.2.1. Równania równowagi przekroju 152 7.2.2. Graniczna wysokość strefy ściskanej przekroju 155 7.2.3. Odległość osiowa zbrojenia, jaką należy przyjąć do obliczeń 160 7.3. Przykłady obliczeń nośności ogniowej elementów zginanych 163 7.3.1. Uwagi ogólne 163 7.3.2. Płyta jednoprzęsłowa ogrzewana od strony strefy rozciąganej 163 7.3.3. Płyta wspornikowa ogrzewana od spodu (od strony strefy ściskanej) 167 7.3.4. Stosunkowo słabo zbrojona belka żelbetowa ogrzewana od strony strefy rozciąganej 170 7.3.5. Belka wspornikowa ogrzewana od spodu (od strony strefy ściskanej) 173 7.3.6. Belka wspornikowa wg punktu 7.3.5. – obliczenia metodą Strefową 176 7.3.7. Intensywnie zbrojona belka żelbetowa ogrzewana ze wszystkich stron 177 7.3.8. Obliczenia belki wg punktu 7.3.7 przy założeniu, że ogrzewane jest tylko zbrojenie 182 7.3.9. Belka dwuprzęsłowa 185 7.4. Reakcja elementów zginanych na warunki pożarowe w świetle wyników badań 188 7.4.1. Uwagi ogólne 188 7.4.2. Zmniejszenie nośności elementów 188 7.4.3. Deformacje elementów i zmiany ich sztywności 194 7.5. Wskazówki do prowadzenia zaawansowanych analiz konstrukcji statycznie niewyznaczalnych 198 8. Zapewnienie odporności ogniowej elementów ściskanych 201 8.1. Projektowanie przy wykorzystaniu tablic 201 8.1.1. Podstawowe założenia 201 8.1.2. Metody podane w tekście eurokodu 201 8.1.3. Prognozowanie nośności ogniowej słupów z uwzględnieniem efektów drugiego rzędu wg eurokodu 204 8.1.4. Wymagania stawiane w przepisach amerykańskich 205 8.2. Obliczenia nośności słupów metodą Izotermy 500°C 206 8.2.1. Założenia i równania równowagi przekroju 206 8.2.2. Dodatkowe problemy mogące powstać podczas określenia nośności elementów ściskanych narażonych na warunki pożarowe 210 8.3. Przykłady obliczeń nośności ogniowej elementów ściskanych 214 8.3.1. Uwagi ogólne 214 8.3.2. Przekrój słupa ogrzewanego ze wszystkich stron, obciążonego siłą usytuowaną w pobliżu osi 214 8.3.3. Przekrój słupa ogrzewanego ze wszystkich stron, obciążonego siłą usytuowaną poza przekrojem 223 8.3.4. Przekrój słupa ogrzewanego od strony zbrojenia mniej ściskanego, obciążonego siłą usytuowaną w pobliżu osi 227 8.3.5. Przekrój słupa ogrzewanego od strony zbrojenia bardziej ściskanego, obciążonego siłą usytuowaną w pobliżu osi 232 8.3.6. Uproszczona analiza wpływu efektów drugiego rzędu na słup narażony na warunki pożarowe, przeprowadzona na podstawie połączenia założeń metody Izotermy 500°C z założeniami metody Nominalnej sztywności 236 8.3.7. Uproszczona analiza wpływu efektów drugiego rzędu na słup narażony na warunki pożarowe przeprowadzona na podstawie połączenia założeń metody Izotermy 500°C z założeniami metody Nominalnej krzywizny 244 8.3.8. Przekrój słupa o większych wymiarach przekroju, ogrzewanego ze wszystkich stron, obciążonego siłą usytuowaną w pobliżu osi 247 8.3.9. Przekrój słupa o dużych wymiarach przekroju, ogrzewanego ze wszystkich stron, obciążonego siłą usytuowaną w pobliżu osi 254 8.4. Wyniki przykładowych obliczeń w świetle Wymagań tabelarycznych i wyników badań 260 8.4.1. Obliczenia nośności przekroju słupa o wymiarach 30 × 30 cm 260 8.4.2. Obliczenia z uwzględnieniem wpływu efektów drugiego rzędu wg eurokodów 262 8.4.3. Wpływ wymiarów przekroju słupa na wynik obliczeń jego nośności ogniowej 265 8.4.4. Wyniki obliczeń w świetle Wymagań tabelarycznych uwzględniających wyboczenie 266 8.4.5. Badania eksperymentalne nośności ogniowej słupów 267 8.5. Uwagi końcowe 274 9. Nośność ogniowa strefy przypodporowej 277 9.1 Ścinanie 277 9.1.1. Uwagi ogólne 277 9.1.2. Przykład obliczenia nośności ogniowej na ścinanie belki swobodnie podpartej ogrzewanej od spodu 279 9.1.3. Przykład obliczenia nośności ogniowej na ścinanie belki wspornikowej ogrzewanej od spodu 281 9.2. Przebicie 283 9.2.1. Wymagania normowe 283 9.2.2. Nośność ogniowa na przebicie w świetle doświadczeń praktycznych, wyników badań i obliczeń 284 9.2.3. Zapewnienie nośności ogniowej na przebicie przy długim czasie pożaru 287 9.2.4 Obliczeniowa ocena nośności na przebicie w warunkach pożarowych metodami uproszczonymi 288 Literatura 293