В последнее десятилетие в России увеличивается количество объектов промышленно-гражданского назначения с применением предварительно-напряженных монолитных железобетонных перекрытий с натяжением арматуры на бетон после бетонирования — так называемая в иностранных источниках технология пост-напряжения (post-tensioning). Терминология на английском языке приводится, так как в европейских странах и США данная технология широко применяется уже начиная с 60-70х годов и наработан соответствующий опыт и нормативная документация.
Несмотря на явное упоминание в современных отечественных нормах [1] и литературе [2] об эффективности применения систем перекрытий с натяжением канатов на бетон, внедрение «пост-напряжения» в нашей стране ограничивается различными организационными, психологическими, методологическими вопросами, которые возникают у потенциальных Заказчиков и проектных организаций, в том числе отсутствием или неполнотой необходимой информации по обеспечению огнестойкости таких конструкций. В качестве примера можно привести указание норм [3] об ограничении температуры напрягаемой арматуры не более 100оС. Далее будет показано, что при таких температурах влиянием огневого воздействия на огнестойкость канатов можно и вовсе пренебречь, так как, при обеспечении в канатах такой температуры, нет необходимости и в расчете перекрытий на огнесохранность, т.к. потерь предварительного напряжения в канатах не происходит [11].
Основным направлением применения «пост-напряженных» перекрытий являются общественные здания — многофункциональные торгово-развлекательные комплексы, паркинги и офисные здания. Первые и вторые характеризуются довольно большими площадями пожарных отсеков, последние в основном выполняются многоэтажными, что приводит к повышению требований по огнестойкости к перекрытиям — границам отсеков – до значений огнестойкости по несущей способности REI150-REI180.
Рассмотрим опыт зарубежного нормирования огнестойкости «пост-напряженных» безбалочных сплошных перекрытий. Так согласно данным [4] американского института пост-напряжения (PTI) и в соответствии с нормами IBC 2003 [5] возможны три принципиальных подхода к данной проблеме: непосредственные испытания, табличный подход и расчет по аналитическим зависимостям. Натурные испытания регламентируются нормами [6], в которых установлены требования по размерам испытываемых конструкций, требования к продолжительности испытаний, схеме приложения температурной нагрузки и критерии признания соответствия конструкции требованиям по огнестойкости.
На основании натурных испытаний нормы [5] содержат данные по минимальным толщинам плит перекрытия и величинам защитного слоя для пост-напряженных перекрытий. Так, к примеру, для бетонов с силикатным заполнителем минимальная толщина плиты для огнестойкости R180 составляет 6.2 дюйма — 157мм. Минимальная величина защитного слоя канатов установлена для плит со свободно опертыми краями и защемленными, средние пролеты перекрытий приравниваются к защемленным элементам, крайние пролеты к свободно опертым. Так для средних пролетов перекрытий для обеспечения огнестойкости R180 необходим защитный слой по оси арматуры 1 дюйм — 25,4мм; для крайних пролетов 2 дюйма — 50,8мм. При этом, в зоне анкеровки канатов данные значения защитного слоя рекомендуется увеличить на 0,5 дюйма — на 12,7мм. Приводятся данные о влиянии высоких температур на напрягаемую арматуру. Согласно данным института пост-напряжения [4] при достижении температуры 800оF по Фаренгейту (около 450оС) прочность канатов уменьшается в два раза.
Расчет огнестойкости по аналитическим зависимостям в разделе 720 IBC 2003 [5] для большинства перекрытий дает значения выше, чем в таблицах при той же величине защитного слоя [4].
В европейских нормах EN 1992-1-2:2004 [7] подход к обеспечению огнестойкости «пост-напряженных» перекрытий аналогичен рассмотренному в американских нормах. Так для сплошных безбалочных предварительно-напряженных железобетонных перекрытий для обеспечения огнестойкости R180 установлена минимальная толщина плиты 200мм и защитный слой по оси канатов 45мм. Интересны графические зависимости температуры в толще бетона при различных длительностях воздействия, для толщины плиты 200мм при длительности 180 минут на глубине 50мм температура составляет около 480оС. Согласно данным таблицы 3.3 [7] коэффициент уменьшения прочности канатов на разрыв при температуре 400оС равен 0,5 — уменьшение прочности канатов в два раза. В той же таблице приведен коэффициент уменьшения прочности бетона при температуре 100оС — он равен 0,99, что означает потерю прочности на 1 процент.
Отечественная система регулирования огнестойкости перекрытий [8], [18] принципиально имеет подход аналогичный зарубежным: испытания конструкций [9], табличные данные [10,11], расчет по аналитическим зависимостям [11,12].
Совершенно не правильным будет полагать, что отечественные нормативы не имеют данных по обеспечению огнестойкости перекрытий с напрягаемой арматурой в виде канатов. К примеру, в Пособии [10] для перекрытий, защемленных по контуру, для обеспечения огнестойкости R180 (3 часа) установлено значение защитного слоя 40мм, что при учете для канатов коэффициента 0,8 (п.2.18 [10]) приводит к значению 50мм — аналогично нормам США [5] и близким к значениям в европейских нормах [7].
Указания по аналитическим расчетам, данные по температурам в плитах в зависимости от длительности огневого воздействия, критические температуры приведены в рекомендациях [11]. Так для толщины плиты 200мм температура прогрева на глубине 60мм от низа плиты составляет около 450оС — что близко к данным европейских норм [7]. Критической температурой для канатной арматуры предлагается считать 410оС [11].
Очень интересны результаты аналитических расчетов огнестойкости выполненные для безбалочного перекрытия [12], при этом в качестве нагрузок рассматриваются только постоянные и длительные временные нагрузки, сочетание нагрузок является особым. Согласно этим данным, огнестойкость перекрытия толщиной 200мм с ненапрягаемым армированием в виде нижней сетки ф16А400 с шагом 200/200мм и защитным слоем 33мм до оси и в виде верхней сетки ф12А400 с шагом 200/200мм с защитным слоем до оси 28мм составила не менее R150, что гораздо выше табличных данных [10]. Учитывая выводы [5] и [7] об отсутствии принципиальных различий между огнестойкостью обычных перекрытий и предварительно-напряженных, можно предположить, что реальная огнестойкость перекрытий с напрягаемой арматурой будет выше, чем при использовании табличных данных американских, европейских и отечественных норм [10].
В процессе конструирования перекрытий с напрягаемой канатной арматурой инженер-конструктор в любом случае предусматривает установку нижней конструктивной арматурной сетки из ненапрягаемой стержневой арматуры, которая располагается с защитным слоем в свету от 20-30 мм. С учетом минимального диаметра такой арматуры 12мм (в двух направлениях 24мм) и половины расстояния до оси напрягаемой арматуры 8мм получаем минимальное значение защитного слоя до оси канатов 52 — 62 мм. Таким образом, даже без выполнения специальных мероприятий огнестойкость «пост-напряженных» перекрытий составляет не менее R120 – R150.
Выполним аналитический расчет огнестойкости по несущей способности для безбалочного перекрытия с сеткой колонн 9х9м толщиной 250мм из бетона В30. Ненапрягаемое армирование выполнено в виде верхних и нижних сеток ф12А500С с шагом 200/200мм. Таким образом, для сечений шириной 1м площадь ненапрягаемой арматуры составляет по 5,65 см2 для верхней и нижней сетки. Защитный слой до центра тяжести обычной арматуры составляет 36мм (30мм в свету).
Напрягаемое армирование выполнено в виде пучков из 4-х канатов ф15,2мм типа К-7 каждый, выполненных в плоских каналообразователях высотой 50мм, расположенных в надколонных полосах. Применяются высокопрочные канаты по EN 10138 ф15,2мм с напряжением разрыва 1860МПА и площадью 140мм2 каждый. На ширине 9м находится три пучка по 4 каната — всего 12 канатов. Площадь напрягаемой арматуры для сечений шириной 1м составит: Ар = 12*140 / 9 = 1,87см2. После натяжения канатов выполняется инъецирование каналов цементным раствором — канаты получают сцепление с бетоном. Защитный слой до оси канатов 72мм.
Для расчета максимальной нагрузки воспринимаемой перекрытием при длительности пожара 180 минут воспользуемся рекомендациями [11]. Сначала определим температуру бетона и арматуры и получим значения нормативных сопротивлений бетона сжатию и арматуры растяжению.
Для сечений на опорах: температура растянутой обычной и канатной арматур менее 100оС; температура сжатого бетона 800оС. Нормативное сопротивление растяжению обычной нижней арматуры Rsn = 500МПа; нормативное сопротивление растяжению канатов Rpn = 1640МПа – условный предел текучести при остаточном удлинении 0,2% [15]; нормативное сопротивление на сжатие бетона Rbnt = Rbnt*γbt = 22*0,6 = 13,2МПа.
Для сечений посередине пролета получаем температуру обычной нижней арматуры 580оС; температуру канатной арматуры 400оС; температура сжатого бетона менее 100оС. Нормативное сопротивление растяжению обычной нижней арматуры Rsnt = Rsn*γst = 500*0,39 = 195МПа; нормативное сопротивление растяжению канатов Rpnt = Rpn*γst = 1640*0,65 =1066МПа; нормативное сопротивление на сжатие бетона Rbn = 22МПа.
Так как применены канаты со сцеплением с бетоном мы воспользуемся методом предельного равновесия, что позволит нам не учитывать моменты в статически неопределимой конструкции от огневого воздействия и отпора канатов при натяжении [11].
Высота сжатой зоны в опорном сечении:
х1 = (Rsn*As + Rpn*Ap) / (Rbnt*b) = (500*5,65*10-4 + 1640*1,87*10-4) / (13,2*1) = 0,045м.
Высота сжатой зоны в пролетном сечении:
х1’ = (Rsnt*As + Rpnt*Ap) / (Rbn*b) = (195*5,65*10-4 + 1066*1,87*10-4) / (22*1) = 0,014м.
Проверку прочности ведем по формуле:
q*L2*(L1-2c)2 / 8 < 0,5* (Rsn*As*z1s’ + Rpn*Ap* z1p’) * L2 + (Rsnt*As*z1s + Rpnt*Ap * z1p) * L2 + 0,5* (Rsn*As*z1s’ + Rpn*Ap* z1p’) * L2,
где q = (8,75+1,8) = 10,55кН/м2 – интенсивность нормативных постоянных и временной длительной нагрузки на перекрытия;
L1 и L2 – пролеты перекрытия в осях;
c = 0,3 – расстояние от центра колонн до пластических шарниров;
z1s = h0 – 0,5*x = 0,25 – 0,036 – 0,5*0,014 = 0,207м – плечо обычной арматуры в пролетном сечении;
z1s’ = h0 – 0,5*x’ = 0,25 – 0,036 – 0,5*0,045 = 0,191м – плечо обычной арматуры в опорном сечении;
z1p = h0 – 0,5*x = 0,25 – 0,072 – 0,5*0,014 = 0,171м – плечо канатной арматуры в пролетном сечении;
z1р’ = h0 – 0,5*x’ = 0,25 – 0,072 – 0,5*0,045 = 0,155м – плечо канатной арматуры в опорном сечении.
Левая часть формулы проверки: 10,55*9*(9-2*0,3)2 / 8 = 837кНм
Правая часть формулы: 0,5*(500*103*5,65*10-4*0,207+1640*103*1,87*10-4*0,171)*9 + (195*103*5,65*10-4*0,207+1066*103*1,87*10-4*0,171)*9+0,5*(500*103*5,65*10-4*0,191+1640*103*1,87*10-4*0,155)*9 = 499 + 512 + 456 = 1467кНм
Как видно 837кНм < 1467кНм, таким образом, огнестойкость перекрытия по несущей способности обеспечена.
В случае применения канатов без сцепления с бетоном (моностренды) необходимо учесть следующие особенности расчета огнестойкости: сопротивление канатов растяжению принимаются равным установившемуся напряжению в канатах после протекания всех потерь [16], что для многих случаев составит около 700-800 МПа, что на 30-40% меньше сопротивления канатов со сцеплением; необходимо использовать упругий статический расчет и учитывать дополнительные изгибающие моменты от разницы температуры по высоте сечения; при расчете на температурное воздействие необходимо использовать жесткости элементов с учетом трещинообразования; необходимо учитывать «вторичные» моменты от натяжения канатов (secondary moments [4]).
Также необходимо отметить, что в случае применения канатов без сцепления с бетоном, появляется возможность достаточно простым способом заменить или натянуть отдельные канаты, получившие повреждения в процессе пожара [4].
Выводы.
- Для предварительной оценки огнестойкости «пост-напряженных» перекрытий по несущей способности R до выхода новых табличных данных предлагается пользоваться данными, приведенными в Пособии [10].
- Для исключения перерасхода бетона при назначении величины защитного слоя необходимо применять аналитические методы расчета огнестойкости [11], рассматривая в качестве нагрузок нормативные значения постоянных и длительных временных нагрузок [12].
При этом, в случае применения методов предельного равновесия необходимо применять канаты со сцеплением с бетоном и обеспечивать конструктивные требования [14]: не менее 20% требуемой верхней арматуры над колоннами должно проходить в середине пролета; над средними колоннами вся верхняя арматура должна продолжаться за колонну не менее чем на 15% от длины пролета; над крайними колоннами верхняя арматура должна быть продолжена на величину 40% от длины пролета в сторону края здания; количество непрерывной и заводимой за колонну арматуры может быть обеспечено суммарной площадью канатной и ненапрягаемой стержневой арматуры.
При применении канатов без сцепления с бетоном усилия в элементах перекрытия необходимо определять с помощью статических расчетов в упругой постановке методом конечных элементов или методом замещающих рам [13], при этом необходимо учитывать моменты в статически-неопределимой конструкции от разницы температуры по высоте сечения и от натяжения канатов. - Даже без выполнения специальных мероприятий из-за конструктивных особенностей расположения канатов в арматурном каркасе огнестойкость «пост-напряженных» перекрытий по несущей способности составляет не менее R150 – R
- В случае применения канатов без сцепления с бетоном (типа «моностренды) необходимо обеспечить армирование из обычной стержневой арматуры в количестве не менее чем в разделе 18 [17].