2. Железобетонные конструкции, эксплуатируемые в условиях систематического воздействия высоких технологических температур

1. Расчетные характеристики бетона и арматуры при нагреве

Железобетонные конструкции отдельных цехов промышленных зданий могут подвергаться систематическому воздействию технологических температур выше 50 °C (литейные, электроплавильные и аналогичные горячие цехи).

При систематическом воздействии технологической температуры до 200 °С применяют обычный железобетон, на портландцементе (или шлакопортландцементе); если температура выше 200 °С, применяют специальный жаростойкий бетон.

Ниже рассматриваются конструкции из обычного тяжелого бетона.

Прочность бетона при систематическом нагреве под влиянием нарушения структуры бетона снижается. С повышением температуры до 200 °С снижение прочности при сжатии может достигать 30 - 40%, что должно учитываться в расчетах конструкций.

Значения расчетных и нормативных сопротивлений бетонов умножают на коэффициенты: γ_b, γ_bt - учитывающие снижение сопротивления бетона сжатию и растяжению при кратковременном нагреве; γ_bl, γ_btl - то же, при длительном нагреве. Значения коэффициентов в зависимости от температуры нагрева бетона от 50 до 200 °С приведены в таблице 1.

Таблица 1. Значения коэффициентов, учитывающих снижение расчетных и нормативных сопротивлений и модули упругости бетона в условиях систематического воздействия технологических температур

Коэффициент	Значение при температуре нагрева, °C
	50	60	100	200
γb	1	0,9	0,85	0,7
γbt	1	0,85	0,8	0,6
γbl	1	0,8	0,7	0,5
γbtl	1	0,75	0,65	0,35
βb	1	0,9	0,8	0,7

Деформативность бетона при систематическом нагреве увеличивается под влиянием снижения модуля упругости бетона, значение которого принимается равным:

E_bt = E_bβ_b (1)

Значения коэффициента β_b в зависимости от температуры нагрева приведены в таблице 1.

Температурная усадка бетона возникает при первом нагреве и является необратимой деформацией, которая увеличивается с повышением температуры нагрева:

ε_sl = a_slt(2)

Коэффициент температурной усадки при нагреве до 100°С принимают a_sl = 2,5∙10^-6, при нагреве до 200 °С - a_sl = 2,25∙10^-6 (рисунок 2).

Рисунок 2. Диаграмма температурных деформаций бетона.

1 – температурное расширение; 2 – суммарная температурная деформация при первом нагреве; 3 – деформации при повторных нагревах и охлаждениях; 4 – деформация при охлаждении после первого нагрева; 5 – температурная усадка

Температурное расширение бетона является обратимой деформацией, которая пропорциональна температуре нагрева:

ε_t = a_tt(2)

Коэффициент температурного расширения при нагреве до 100°С принимают a_t = 12,5∙10^-6, при нагреве до 200 °С — a_t = 11,75∙10^-6.

Суммарная температурная деформация бетона при нагреве (см. рис. XVII.4):

(3)

Коэффициент суммарной температурной деформации при нагреве до 100°С принимают a_bt = 10∙10^-6, при нагреве до 200 °С — a_bt = 9.5∙10^-6.

Нормативное значение плотности тяжелого бетона, высушенного до постоянной массы, принимается равным 2300 кг/м³, а нормативное значение средней плотности железобетона - 2400 кг/м³.

Для армирования железобетонных конструкций, работающих в условиях систематического воздействия технологических температур до 200 °С, применяют арматурные стали, предусмотренные для обычных условий, но с учетом дополнительных требований. Чтобы не утрачивался эффект упрочнения холодным деформированием, максимальная температура нагрева проволочной арматуры классов Bp-I, В-II, Вр-II, а также арматурных канатов не должна превышать 150 °С.

При циклическом режиме нагрева предварительно напряженных конструкций, армированных проволочной арматурой или изделиями из нее, температура нагрева арматуры не должна превышать 100 °С. Под циклическим нагревом подразумевается такой режим, при котором не менее чем раз в сутки температура нагрева конструкции может изменяться более чем на 30 % или не менее чем раз в неделю на 100 %. При более высокой температуре нагрева расчетные характеристики обыкновенной арматурной проволоки в сварных сетках и каркасах принимают такими же, как для арматуры класса A-I.

Прочность стержней и проволочной арматуры при нагреве снижается на 5 - 15 %. Расчетные и нормативные сопротивления арматуры умножают на коэффициенты γ_s, γ_sl, учитывающие снижение сопротивления арматуры при кратковременном и длительном нагреве (таблица 2).

Модуль упругости стальной арматуры при нагреве до 200°С снижается незначительно (на 4%). В расчетах его принимают:

E_st = E_sβ_s (4)

Значения β_s приведены в таблице 2.

Таблица 2.Значение коэффициентов для учета снижения расчетных и нормативных сопротивлений и модуля упругости стальной арматуры в условиях систематического воздействия технологических температур

Арматура	Коэффициент	Значение при температуре нагрева, °С
		50	100	200
Классов A-I, А-II, арматурная проволока всех видов и канаты	γs	1	0,96	0,85
	γsl	1	0,95	0,85
	ast	11∙10-6	11.5∙10-6	12∙10-6
Стержневая классов А-III, A-IV	γs	1	1	0,95
	γsl	1	1	0,85
	ast	12∙10-6	12.5∙10-6	13∙10-6
Всех видов	βs	1	1	0,96

Температурный коэффициент линейного расширения стальной арматуры a_st в зависимости от вида арматуры и температуры нагрева принимают по табл. 2. В железобетонных элементах с трещинами принимают среднее значение температурного расширения арматуры в бетоне:

a_stm = a_bt + (a_st – a_bt)k (5)

Коэффициент k зависит от процента армирования продольной арматурой и принимается по таблице 3.

Таблица 3.Значения коэффициента k

Процент армирования	<0,2	0,2	0,4	0,7	1	2	3
Коэффициент k	0	0,2	0,55	0,7	0,8	0,95	1

Полная величина потерь предварительного напряжения арматуры складывается из основных потерь при нормальной температуре и дополнительных потерь, вызванных действием температуры. Дополнительные потери принимаются равными:

а) 30 % потерь от ползучести бетона при нормальной температуре;

б) дополнительным потерям от релаксации напряжений в арматуре

(6)

Здесь t_s - температура нагрева арматуры при эксплуатации; t₀ - температура арматуры после натяжения, которая может приниматься равной 20 °С.

Диаметр рабочей арматуры при температуре ее нагрева до 100 °С рекомендуется принимать не более 25 мм, а при температуре ее нагрева до 200 °С - не более 20 мм.

Анкеровка рабочей арматуры при температуре ее нагрева более 100°С увеличивается на пять диаметров анкеруемых стержней. Кроме того, к каждому растянутому продольному стержню следует приваривать не менее двух поперечных стержней.

Толщина защитного слоя бетона для рабочей арматуры при температуре нагрева 100 - 200 °С должна увеличиваться на 5 мм и приниматься не менее 1,5 диаметра рабочей арматуры.

Прочность сцепления арматуры с бетоном при нагреве до 200 °С и последующем охлаждении практически не снижается.