Под огнестойкостью понимают способность строительных конструкций сопротивляться разрушениям в условиях пожара в течение заданного промежутка времени, называемого пределом огнестойкости. Аналитический расчет предела огнестойкости строительных конструкции по потере несущей способности состоит из двух задач: теплотехнической и статической (прочностной). Целью теплотехнической задачи является определение распределения температур по сечению конструкции при пожаре, целью прочностной части задачи — оценка несущей способности конструкции с учетом изменения физико-механических свойств материалов в результате воздействия высоких температур.
Ключевые слова: огнестойкость, несущая способность, теплотехническая задача, колонна, пожар, стандартный режим пожара.
Целью данной работы является анализ методики расчета приведенной в [1] и определение предела огнестойкости по критерию R — потере несущей способности аналитическим методом по действующим нормам.
Исходные данные для расчета:
В качестве объекта анализа выбрана железобетонная колонна сечением 500 х 500 мм, расчетная длина колонны: l0=0,9l=3780 мм.
Нормативная нагрузка на колонну: Nн=3000 кН;
Бетон: тяжелый, на силикатном заполнителе класса В25, Rb=14,5 МПа; 
МПа [2].
Арматура класса А400, Rs=Rsc=350МПа, 
Мпа [2]; используется 4 продольных стержня диаметром 25 мм, расчетная площадь армирования As=19,63 см2. Расстояние от края арматуры до поверхности колонны Y= 0,0475 м.
Теплотехническая задача
Целью теплотехнической задачи является расчет температур прогрева бетона и арматуры при воздействии стандартного пожара в заданные моменты времени.
Решим теплотехническую задачу огнестойкости для рассматриваемой конструкции. Рассмотрим воздействие четырехстороннего пожара в момент времени 
;
Рис. 1. Схема воздействия пожара на колонну
Значение коэффициента температуропроводности прогреваемого слоя для тяжелого бетона колонны принимаем:
; [1, табл. 9.3.2]
Значения коэффициентов φ1 и φ2 при плотности бетона 
: φ1=0,62; φ2=0,5; [1, табл. 9.3.2]
Поскольку сечение колонны и воздействие пожара на колонну симметрично, рассмотрим арматурный стержень, расположенный между обогреваемыми поверхностями 1 и 3 [1].
Значение параметра l определим по формуле:
;
Значение параметров 
, 
определим по формуле:
Определим значение параметра r по формуле:
;
Так как
, исходя из условия 
принимаем 
, таким образом определим значение прогрева арматуры T при 
:
°C
Далее, определим площадь бетона, сохраняющего прочность в расчетный момент времени .
Значение критической температуры прогрева для бетона на силикатном заполнителе 
°C [1, табл. 9.3.6].
Определим значение параметра r в середине обогреваемой поверхности по формуле:
Так как r>1, значение параметра r принимается равным
, исходя из формулы 
значение 
также принимается 
Параметр r для обогреваемой поверхности 3 определяется по формуле:
;
Определим толщину слоя, прогретого до критической температуры по формуле:
м;
Значение параметра с определяется по формуле:
;
Значение параметра rуг в углу колонны:
;
Толщина прогретого слоя в углу колонны:
;
Далее, определим значение b0 по формуле:
,
Определим рабочую площадь сечения колонны в момент времени пожара :
м2, где 
— значение поправки на дополнительное увеличение толщины прогретого слоя материала в углах сечения определяется по формуле:
,
Сторона рабочего сечения бетона 
в момент времени определяется исходя из рабочей площади:
м;
Прочностная задача
Целью решения прочностной задачи является определение несущей способности элемента в заданный момент времени с учетом уменьшения рабочего сечения в следствие воздействия пожара.
Определим коэффициент продольного изгиба для сжато-изгибаемого элемента (колонны) с учетом воздействия пожара и уменьшения рабочего сечения бетона:
, 
;
Снижение несущей способности арматуры при пожаре учитывается коэффициентом условий работы
[1] при 
°C.
Тогда несущая способность колонны в момент времени :
Таким образом, несущая способность элемента в момент времени меньше нормативной нагрузки на колонну, соответственно разрушение колонны происходит менее, чем за 1,5 часа воздействия пожара.
Для определения момента времени разрушения колонны рассмотрим несущую способность в момент времени 
и построим линейный график снижения несущей способности.
Решение для момента времени ведется аналогично первой части расчета. Таким образом:
, ,
Значение прогрева арматуры T при
:
Столь малое значение температуры прогрева арматуры обусловлено толщиной защитного слоя (60 мм).
;
Параметр r>1, соответственно значение параметра r принимается равным ,, аналогично первой части расчета.
Толщина слоя, прогретого до критической температуры:
м
Значение параметра с определяется по формуле:
;
Значение параметра rуг вычисляется аналогично первой части расчета:
;
Толщина прогретого слоя в углу колонны:
м,
Рабочая площадь сечения колонны в момент времени :
м2,
значение поправки:
,
Сторона рабочего сечения бетона в момент времени определяется исходя из рабочей площади:
м
Прочностная задача
, 
Коэффициент условий работы арматуры при
°C 
[5, табл. 9.3.7].
Тогда несущая способность колонны в момент времени 
:
Во втором случае несущая способность через 30 минут после начала пожара больше, чем нормативная нагрузка на колонну и колонна не разрушается. Разрушение наступает в момент времени 30–90 минут с момента возгорания.
Рис. 2. График снижения несущей способности в зависимости от продолжительности пожара
Таким образом, построив линейный график зависимости несущей способности от продолжительности пожара, можно определить предел огнестойкости. Пределу огнестойкости по потере несущей способности соответствует момент времени, когда несущая способность при огневом воздействии
, из графика делаем вывод, что предел огнестойкости рассматриваемого элемента по несущей способности составляет 78 минут, что соответствует R78 по действующей нормативной документации [3]. Стоит отметить, что учет огневого воздействия по изложенной методике ведется c учетом режима «стандартного» пожара, т. к. реальный процесс зависит от множества факторов (величина воздухообмена в очаге горения, температурный режим, величина пожарной нагрузки и т. д.), которые весьма сложно учесть аналитически. Для более комплексного рассмотрения вопроса рекомендуется моделировать температурные воздействия в расчетных программах, например ansys, abaqus.
Литература:
- Ройтман В. М. Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируемых зданий, М., 2001
- СП 63.13330.2012 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52–01–2003 (с Изменениями N 1, 2, 3)
- СТО 36554501–006–2006 Правила по обеспечения огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций, М., 2006
