Повышенных и высоких технологических температур

● В условиях систематического воздействия повышенных и высоких технологических температур работают железобетонные конструкции промышленных зданий горячих производств (литейные, электроплавильные цеха и т. п.), а также железобетонные дымовые трубы, фундаменты доменных печей, ограждения тепловых агрегатов и др. Повышенными называют технологические температуры в диапазоне 50...200°С, высокими — свыше 200 °С.

Бетонные и железобетонные конструкции, подвергающиеся действию повышенных температур, проектируют из обычного бетона, высоких температур — из специального жаростойкого бетона. Применяемые классы по прочности на сжатие обычных тяжелых бетонов В15...В50, жаростойких В15...В40. Для жаростойких бетонов установлена нормами предельно допустимая температура применения, составляющая в зависимости от состава бетона 700... 1400 °С. При более высоких температурах необходимо устраивать специальный защитный слой (футеровку). При нагреве более чем на 50°С происходит снижение прочности бетона; оно тем больше, чем выше температура и чем длительнее нагрев. Это явление учитывается умножением расчетных сопротивлений бетона сжатию и растяжению соответственно на коэффициенты условий работы γ_b. Например, для обычного тяжелого бетона при t=70°C γ_b=0,85, а при t=300°С γ_b = 0,65 при кратковременном нагреве и γ_b = 0,55 при длительном. С повышением температуры прочность бетона при растяжении падает быстрее, чем при сжатии. При высоких температурах имеет также место повышение деформативности бетона за счет увеличения упругих деформаций, что учитывается путем умножения начального модуля упругости Е_b на коэффициент β_b. Значения γ_b и β_b приведены в [8].

Выбор арматурных сталей следует производить в зависимости от типа конструкций, необходимости предварительного напряжения, температуры нагрева, условий возведения и эксплуатации сооружения. При эксплуатационной температуре менее 400 °С применяют в основном те же классы арматуры, что и в обычных условиях. При t>400°С используют стержневую арматуру, а для закладных деталей — прокат из жаростойких сталей. При действии повышенных и высоких температур прочность и модуль упругости арматуры, как и бетона, снижаются, хотя и в меньшей степени. Степень снижения предела текучести зависит от класса стали, температуры и длительности ее действия и учитывается в расчетах умножением расчетного сопротивления на коэффициент условий работы γ_s. Например, для стали класса A-III при t = 50°С γ_s=l, при t = 300°С и кратковременном нагреве γ_s = 0,85, при длительном γ_s = 0,75. Модуль упругости арматуры заметно снижается при t>300°С. Снижение E_s учитывается коэффициентом β_s.

Для обеспечения надежной работы железобетонных конструкций, работающих в условиях повышенных и высоких температур, наряду с общими конструктивными требованиями необходимо выполнение некоторых дополнительных. Например, толщина защитного слоя в конструкциях из обычного бетона, эксплуатируемых при t>100°С, увеличивается на 5 мм и должна быть не менее 1,5d арматуры, диаметр продольной растянутой и сжатой арматуры не должен превышать при температуре арматуры до 100°С — 28 мм, 100...200°С — 25 мм, 200...300°С — 20 мм. При температурах выше 400°С рабочую арматуру устанавливают с ненагреваемой стороны.

Расчетная схема конструкций или сооружений должна быть выбрана так, чтобы растягивающие напряжения в элементах возникали с менее нагретой стороны. Расчет железобетонных конструкций, работающих в условиях повышенных и высоких температур, производят по предельным состояниям, причем помимо обычных нагрузок в расчетные сочетания вводится один из следующих основных видов температурных воздействий: кратковременный нагрев (первый разогрев конструкции до расчетной температуры); длительный нагрев (воздействие расчетной температуры в период эксплуатации). В обоих случаях возможен равномерный нагрев всего сечения, вызывающий одновременное удлинение всех волокон железобетонного элемента, и неравномерный, когда температуры у противоположных граней различные и элемент помимо продольной деформации получает искривление. Распределение температуры по высоте сечения при постоянном тепловом режиме устанавливается на основании теплотехнического расчета [8].

Температурные воздействия в статически определимых конструкциях не вызывают дополнительных усилий, поэтому их расчет по несущей способности производят только на силовые воздействия обычными методами, учитывается лишь снижение расчетных характеристик бетона и арматуры при длительном нагреве. В статически неопределимых системах лишние связи препятствуют свободной температурной деформации элементов, вызывая дополнительные усилия, величина которых зависит от жесткости элемента. Поэтому статически неопределимые конструкции рассчитывают как на действие кратковременного нагрева, когда возникают наибольшие усилия от действия температуры (при наибольшей жесткости), так и на длительный нагрев, когда снижается жесткость и усилия, но одновременно падает и прочность бетона и арматуры.

Значения дополнительных усилий от температурных воздействий определяют по известным формулам строительной механики, при этом деформации железобетонных элементов, вызванные действием температуры, вычисляются с учетом особенностей работы железобетона [8]. Геометрические характеристики сечений (у, S_red, I_red) определяют, приводя все сечение бетона и арматуры к ненагретому, более прочному бетону. При действии высоких температур на внецентренно сжатые элементы эксцентриситет внешней силы может увеличиваться за счет выгиба от температурного воздействия f_t, что должно быть учтено расчетом.

При расчете по второй группе предельных состояний влияние высоких температур сильнее всего сказывается на деформациях и прогибах элемента, которые определяются через кривизны методами строительной механики. Кривизны обычных железобетонных элементов определяют с учетом моментов от кратковременного и длительного нагрева. При расчете по образованию трещин также следует учитывать влияние высоких температур, Расчет по раскрытию трещин производят по формуле (7.17), в которой к значению σ_s/E_s добавляются деформации арматуры от нагрева в сечении с трещиной с учетом влияния температуры [8].