Содержание

Поведение железобетонных конструкций в условиях пожара

Поведение бетонных конструкций при пожаре

Авторы: Заместитель генерального директора по науке Демёхин В.Н.,

Исполнительный директор Демёхин Н.В.

Особенности поведения любых конструкций при пожаре, в первую очередь, основываются на поведении строительных материалов из которых они состоят.

Под поведением строительных материалов в условиях пожара понимают комплекс физико-химических превращений, приводящих к изменению состояния и свойств материала под влиянием интенсивного высокотемпературного нагрева.

На рис. 1. показана обобщенная схема, в которой перечислены основные факторы, процессы и последствия, которые могут характеризовать поведение различных материалов в условиях пожара.

Для того чтобы понять, какие изменения происходят в структуре материала, как меняются его свойства, т.е. как влияют внутренние факторы на поведение материала в условиях пожара, необходимо хорошо знать материал — его происхождение, сущность технологии изготовления, состав, начальную структуру и свойства.

Свойствами, характеризующими поведение строительных материалов в условиях пожара называют способность материалов реагировать на воздействие внешних и внутренних факторов: силовых, влажностных, температурных и др.

Все свойства материалов взаимосвязаны. Они зависят от вида, состава, строения материала. Ряд из них оказывает более существенное, другие — менее существенное влияние на пожарную опасность и поведение материалов в условиях пожара.

Применительно к изучению и объяснению характера поведения строительных материалов в условиях пожара следует, в качестве основных, отразить следующие свойства:

Физические свойства: объемная масса, плотность, пористость, гигроскопичность, водопоглощение, водопроницаемость, парогазопроницаемость.

2. Механические свойства: прочность, деформативность.

Теплофизические свойства: теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность, тепловое расширение, теплостойкость.

Бетоны относятся к группе безобжиговых искусственных каменных материалов, получаемых в результате затвердевания смеси вяжущего вещества, воды и заполнителя (мелкого — кварцевого песка и крупного — из горных пород либо отходов промышленности).

Их классифицируют по объемной массе на:

особо тяжелые — объемная масса — 2500. 6000 кг/м 3 (заполнитель — чугун, свинец) применяют для сооружений биологической защиты;

тяжелые (обычные) — объемная масса — 2200. 2500 кг/м 3 (крупный за полнитель из тяжелых горных пород в виде щебня, гравия и мелкий — кварцевый песок) — применяют для несущих строительных конструкций;

облегченные — объемная масса — 1900. 2200 кг/м 3 — то же;

легкие — объемная масса 1200. 1800 кг/м 3 — на легких крупных заполнителях из природных и искусственных каменных материалов, и мелкого — песка; применяют для несущих и ограждающих конструкций;

особо легкие — объемная масса — 1200 кг/м 3 — без крупного заполнителя; применяют в основном для ограждающих конструкций.

Особо легкие (ячеистые) бетоны получают путем введения в раствор вяжущего пенообразователя (пенобетон), либо газообразователя (газобетон).

После затвердевания бетона определяют класс бетона по прочности путем механического испытания на сжатие образцов.

Существуют классы бетона по прочности от В-1 до В-60.

Среднее значение коэффициента теплопроводности тяжелых бетонов: 1,7, легких и ячеистых: 0,16. 0,64 Вт/м.°С.

Бетон применяют при производстве сборных и монолитных железобетонных конструкций.

Железобетон от бетона отличается наличием стальной арматуры, воспринимающей растягивающие усилия от внешних нагрузок, которые бетон не воспринимает, т.к. его прочность при
растяжении очень незначительна.

Изучением поведения каменных материалов в условиях пожара занимались в течение нескольких десятилетий многие исследователи нашей страны: М.Я.Ройтман, Н.И.Зенков, К.Д.Некрасов, А.Ф.Милованов, В.М.Ройтман, В.В.Жуков, А.Т.Апостолов, Е.А.Мешалкин, В.Н.Демёхин и др.

Поскольку бетон является композиционным материалом, его поведение при нагреве зависит от поведения цементного камня, заполнителя и их взаимодействия. Мы рассмотрели в отдельности поведение при нагреве цементного камня, природных каменных материалов, отметим лишь особенности взаимодействия компонентов бетона при нагреве.

Одна из особенностей — химическое соединение при нагреве до 200°С гидроксида кальция с кремнеземом кварцевого песка (этому способствуют условия, аналогичные тем, что создают в автоклаве для быстрого твердения бетона: повышенное давление, температура, влажность воздуха). В результате такого соединения образуется дополнительное количество гидросиликатов кальция. Кроме того, при этих же условиях происходит дополнительная гидратация клинкерных минералов цементного камня. Все это способствует некоторому повышению прочности (рис. 2, кривая — 1).

При нагреве бетона выше 200°С возникают противоположно направленные деформации претерпевающего усадку вяжущего и расширяющегося заполнителя, что снижает прочность бетона (рис. 3) наряду с деструктивными процессами, происходящими в вяжущем и заполнителе.

Расширяющаяся влага при температурах от 20 до 100°С давит на стенки пор, и фазовый переход воды в пар также повышает давление в порах бетона, что приводит к возникновению напряженного состояния, снижающего его прочность. По мере удаления свободной воды прочность бетона может возрастать (рис. 3). При прогреве образцов бетона, заранее высушенных в сушильном шкафу при температуре 105. 110°С до постоянной массы, физически связанная вода отсутствует, поэтому такого резкого снижения прочности в начале нагрева не наблюдается (рис. 3).

При остывании бетонов после нагрева прочность, как правило, практически соответствует прочности при той максимальной температуре, до которой образцы были нагреты. У отдельных видов бетона она несколько снижается при остывании за счет более длительного нахождения материала в нагретом состоянии, что способствовало более глубокому протеканию в нем негативных процессов (рис. 2).

Деформативность бетона по мере прогрева увеличивается за счет увеличения его пластичности (рис. 4).

Мы рассмотрели изменение прочности бетона при нагревании в ненагруженном состоянии, что не характерно для работы несущих конструкций. Поэтому, начиная с 70-х годов во ВНИИПО МВД РФ
проводят испытания при нагреве нагруженных образцов бетона. При этом измеряют величины относительных суммарных деформаций (свободного расширения и сжатия под действием внешней нагрузки) и температуру (критическую), при которой происходит разрушение (утрата целостности) образца.

Как видно из рис.5, по мере повышения нагрузки уменьшаются деформации расширения и увеличиваются деформации сжатия, а разрушение (утрата целостности) образцов происходит при меньших температурах и деформациях, чем при малых нагрузках.

Эта величина всегда меньше единицы (по физическому смыслу — относительное напряжение от внешней нагрузки). Методика таких испытаний не позволяет зафиксировать увеличение прочности материала в начале нагрева, даже если оно и имеет место. Это видно из рис.6 — по результатам опытов построен график в диапазоне температур от 550 до 820 °С, т.к. величина относительного напряжения λ_δ в опытах изменялась в интервале от 0,3 до 0,7.

Из рис.6 видно, что, чем выше относительная нагрузка на образец, тем при меньшей критической температуре он разрушится. По этой зависимости исследователи делают вывод, что с увеличением
температуры прочность бетона падает при испытании в напряженном состоянии. Кроме того, строительные конструкции из тяжелого бетона (железобетона) склонны к взрывообразной потере целостности
(взрывообразному разрушению) при пожаре. Это явление наблюдается у конструкций, материал которых имеет влагосодержание выше критической величины, при интенсивном подъеме температуры при пожаре. Чем плотнее бетон, ниже его паропроницаемость, больше микропор, тем он более склонен к возникновению такого явления, несмотря на более высокую прочность. Легкие и ячеистые бетоны с объемной массой ниже 1200 кг/м3 не склонны к взрывообразной потере целостности.

Каменные материалы не горят в условиях пожара, но одни более, другие менее существенно снижают
прочность. Поэтому в зависимости от области их применения в строительстве осуществляют подбор природных и изготовление искусственных каменных материалов с необходимыми свойствами.

Поведение изгибаемых железобетонных элементов в условиях пожара.

Плиты в зданиях и сооружениях выполняют одновременно ограждающие и несущие функции. В зависимости от местоположения плит для них будут различные предельные состояния по огнестойкости. Так, для плит покрытий предельным состоянием по огнестойкости является только потеря несущей способности (R). Для плит перекрытий предельными состояниями могут быть R, E, I, т.е. по потере несущей способности (R), теплоизолирующей (Е) способностей и по потере целостности (I).

Многочисленные огневые испытания показывают, что предельным состоянием огнестойкости для большинства плит перекрытий в современных зданиях является предельное состояние по потере несущей способности. Это объясняется тем, что благодаря конструктивной особенности сборных элементов перекрытия, отдельно выполняющих функции пола, звукоизоляции, несущей части и потолка, другие предельные состояния по огнестойкости в большинстве случаев не успевают полностью проявиться за кратковременный период воздействия пожара. Испытания плит на огнестойкость, проводимы по стандартному температурному режиму, подтверждают это [2].

Сплошные железобетонные плиты, армированные горячекатаной стержневой арматурой, с сильно развитой сжатой зоной, ребристые плиты с мощными продольными ребрами, армированными по всей длине горячекатаной стержневой арматурой и двойными вертикальными каркасами из обычной холоднотянутой проволоки, теряют свою несущую способность по нормальному сечению в пролете в результате образования пластического шарнира. Такой же характер разрушения наблюдается и у многопустотных плит с круглыми пустотами, армированных стержневой продольной арматурой и вертикальными каркасами на приопорных участках, равных ј пролета плиты. При этом потеря несущей способности аналогичных плит, армированных высокопрочной проволокой, происходит по нормальному сечению гораздо раньше. Необходимо обратить внимание на поведение в условиях пожара тонкостенных элементов железобетонных плит. Под действием температурных напряжений, возникающих из — за неравномерного прогрева по сечению, они разрушаются по бетону сжатой зоны. На приопорных участках тонкостенных плит в начальной стадии огневого воздействия образуются опасные наклонные трещины, появляющиеся под действием главных растягивающих напряжений от воздействия внешней нагрузки и температуры. Этим объясняется характер разрушения — хрупкое скалывание или срез бетона сжатой зоны по наклонной плоскости.

Предел огнестойкости плит междуэтажных сборных плит сборных перекрытий наступает, как правило, вследствие потери несущей способности. Обрушение железобетонных перекрытий в условиях пожара происходит либо в результате образования пластического шарнира в растянутой зоне, либо в результате разрушения бетона сжатой зоны до образования пластического шарнира.

Большие прогибы железобетонных перекрытий, разрушающихся в результате образования пластического шарнира в растянутой зоне, указывает на интенсивное снижение жесткости элементов с увеличением температуры.

Необходимо учитывать, что предел огнестойкости изгибаемых конструкций, разрушающихся в результате образования пластического шарнира, должен определяться временем начала текучести растянутой арматуры, а не временем их фактического разрушения, т.к. после образования пластического шарнира конструкция может разрушаться без дополнительного нагрева, т.е. спустя некоторое время после прекращения огневого воздействия [2].

Исследования натурных пожаров, а также изучение результатов экспериментов показывают, что поведение железобетонных балок в условиях пожара обусловлено факторами, аналогичными для плоских плит. Однако непосредственное сравнение поведения балок и плит неправомерно. Это объясняется тем, что балочные конструкции в условиях пожара обогреваются с трех сторон. Кроме того, отличительной особенностью балок по сравнению с плоскими конструкциями является наличие арматуры в сжатой зоне. При двух- и трехмерном потоке тепла сечения элементов прогреваются интенсивнее, чем при одномерном, особенно углы балок. Во всех случаях происходит нагревание сжатой зоны бетона, что влияет на прочность и деформативность бетона и арматуры сжатой зоны [2].

В статически определимых балках прогрев продольных арматурных стержней до критической температуры приводит к образованию пластического шарнира в сечении, где действует M_n,max , что и является причиной разрушения балки, то есть наступления ее предела огнестойкости.

Существенное влияние на поведение балок в условиях пожара оказывает способ их опирания. Опыты показывают, что при свободных шарнирных опорах и при абсолютно жестком закреплении концов балок они имеют минимальную огнестойкость.

Статически неопределимые изгибаемые конструкции при нагреве снижают свою несущую способность за счет уменьшения прочности опорных и пролетных сечений. Прочность пролетных сечений, как и в случае статически определимых элементов, уменьшается в результате нагревания растянутой арматуры. Снижение прочности опорных сечений происходит вследствие прогрева бетона и арматуры сжатой зоны до высоких температур.

В условиях пожара в статически неопределимых стержневых элементах при заделке их опор происходит перераспределение моментов за счет возникновения отрицательного температурного момента вследствие перепада температур по высоте сечения и отсутствии свободы поворота сечений. Из — за перепада температур балка стремится изогнуться вниз, чему препятствует заделка на опорах. Возникающий температурный момент уменьшает момент в пролете и увеличивает соответственно моменты на опорах. [2].

Поведение сжатых железобетонных колонн в условиях пожара зависит от схемы обогрева, размеров поперечного сечения, величины эксцентриситета приложения внешней нагрузки, коэффициента и вида армирования, а также эффективной работы защитного слоя бетона. [2]

В процессе пожара по сечению колонн наблюдается перепад температур порядка 800 — 100 0 С с наименьшей температурой в центре сечения. Поэтому фактическая прочность бетона по сечению колонн изменяется от первоначальной величины при 20 0 С до нуля при критической температуры и выше. Это и определяет поведение колонн в условиях пожара.

Неравномерность прогрева вызывает перераспределение напряжений по сечению колонны. Температурные напряжения возрастают при увеличении температурного перепада между средней частью сечения колонны и поверхностью ее обогрева (20 — 30 мин). В начальный период обогрева наблюдается удлинение колонн. Устойчивость колонны в начальной стадии пожара не снижается в связи с тем, что сечение колонны сохранено и в средней части несколько разгружено.

Дальнейшее развитие пожара приводит к прогреву защитного слоя бетона до 600 — 800 0 С. Это приводит к уменьшению температурных напряжений в сечении колонны. Наиболее прогретые части сечения бетона и рабочая арматура у поверхности колонны разгружаются за счет развития температурной ползучести, усадки, снижения прочности и деформативности. Это вызывает увеличение напряжений в центре сечения колонны, слабо нагретый бетон сохраняет прочность и упругость.

После 1 — 1.5 часа огневого воздействия колонны начинают укорачиваться. Спустя 2 — 3 часа высота нагретых колонн примерно равна их высоте в нагруженном состоянии до пожара. Нагруженные слои бетона и рабочая арматура, нагретые до температуры выше 600 0 С, теряют прочность и в дальнейшей работе практически участия не принимают. Колонна ведет себя аналогично бетонной. Колонны укорачиваться с возрастающей скоростью до момента их обрушения.

Характер разрушения железобетонных колонн с продольной гибкой и косвенной арматурой отличается от характера разрушения элементов только с продольным армированием.

Колонна с продольным армированием разрушаются под действием огня с отпаданием защитного слоя, выпучиванием рабочей арматуры и раздроблением бетона в ядре сечения, как правило, в средней части по высоте [2].

ОГНЕСТОЙКОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Факторы, влияющие на огнестойкость железобетонных конструкций

Огнестойкость железобетонных конструкций зависит от многих факторов: конструктивной схемы, размеров конструкции, уровня эксплуатационных нагрузок, толщины защитных слоев бетона, типа арматуры, вида бетона и его влажности и др.

В условиях пожара предел огнестойкости железобетонных конструкций наступает, как правило, за счет снижения прочности бетона при его нагреве, теплового расширения и температурной ползучести арматуры, возникновения сквозных отверстий или трещин в сечениях конструкций, а также в результате утраты теплоизолирующей способности.

Наиболее чувствительными к воздействию пожара являются изгибаемые железобетонные конструкции: плиты, балки, ригели, прогоны. Их предел огнестойкости обычно находится в пределах R50- R90 [7, 9-13].

Такое относительно небольшое значение пределов огнестойкости изгибаемых железобетонных элементов объясняется тем, что рабочая арматура растянутой зоны этих конструкций, которая вносит основной вклад в их несущую способность, защищена от пожара лишь тонким защитным слоем бетона. Это и определяет быстроту прогрева рабочей арматуры конструкции до критической температуры.

Огнестойкость сжатых железобетонных элементов исчерпывается при пожаре за счет снижения прочности, поверхностных, наиболее прогреваемых слоев бетона, сопротивления рабочей арматуры при нагреве.

Для железобетонных колонн предел огнестойкости находится в пределах R90-R240.

Меры по повышению пределов огнестойкости железобетонных конструкций

Во время пожара защитный слой бетона замедляет прогрев арматуры до критической температуры. Поэтому одним из основных мероприятий по повышению пределов огнестойкости железобетонных конструкций является увеличение защитного слоя бетона у рабочей арматуры.

Толщину защитного слоя железобетонной конструкции можно регулировать также, если применять огнезащитные покрытия из других материалов: известково-цементные, гипсовые, вермикулитовые и другие покрытия.

При необходимости увеличения пределов огнестойкости железобетонных конструкций до значений более 150 мин можно рекомендовать следующие мероприятия:

• увеличение толщины защитного слоя бетона до 50 мм и более;
• облицовка огнезащитными материалами;
• снижение пожарной нагрузки в помещении;
• снижение механической нагрузки на конструкцию;
• применение рабочей арматуры с более высокой критической температурой прогрева при пожаре.

Особенно необходимо обращать внимание на эти возможности регулирования огнестойкости строительных конструкций при использовании различных типов сталебетонных колонн, применяемых в высотном строительстве. Дело в том, что при прямом воздействии пожара на наружные металлические элементы такого рода конструкций несущая способность наружных металлических элементов сталебетонных конструкций будет исчерпана при температуре прогрева примерно 500 °С, т.е. через 9—12 мин после начала огневого воздействия пожара [7, 9—13].

Колонны и балки с жесткой арматурой, расположенной в середине сечения, имеют значительно больший предел огнестойкости по потере несущей способности по сравнению с колоннами и балками, армированными стержневой арматурой, расположенной около обогреваемой поверхности.

В балках, при расположении арматуры разного диаметра и на разных уровнях, арматуру большего диаметра следует располагать дальше от обогреваемой при пожаре поверхности.

Исследования показали, что предел огнестойкости статически неопределимой железобетонной конструкции больше предела огнестойкости статически определимой конструкции на 75%, если площадь сечения арматуры на опоре, где действует отрицательный момент, больше, чем в пролете, в 1,25 раза; на 100%, если в 1,5 раза; на 125%, если в 1,75 раза и на 150%, если в 2 раза [9—13].

При решении практических задач, когда возникает необходимость в увеличении предела огнестойкости конкретной железобетонной конструкции, необходимо иметь в виду, что значения пределов огнестойкости, определенные путем проведения стандартных огневых испытаний, получены для случая воздействия на испытуемую конструкцию нормативной нагрузки и температурного режима, так называемого «стандартного» пожара.

Если в реальных условиях проектируемого объекта температурные воздействия при возможном пожаре и рабочие нагрузки будут отличаться от условий стандартного огневого испытания, то и огнестойкость этих конструкций будет отличаться от значений пределов огнестойкости, полученных при стандартных испытаниях.

Эти соображения также можно использовать для повышения огнестойкости конструкций. Например, если рабочая нагрузка на конструкцию вдвое меньше ее нормативного значения, то предел огнестойкости конструкции увеличивается в среднем на 25%.

Обеспечение стойкости железобетонных конструкций против взрывообразной потери целостности в условиях пожара

В условиях пожара, испытаний строительных конструкций на огнестойкость, сушке и первом разогреве тепловых агрегатов, в ряде случаев наблюдается явление внезапной, взрывообразной потери целостности (ВПЦ) материалов прогреваемых конструкций [7]. В ряде работ [9—13] этот вид разрушения называется также «хрупким разрушением бетона».

Наблюдения реальных пожаров и огневых испытаний бетонных конструкций показывают, что явление ВПЦ бетона при пожаре выглядит следующим образом (рис. 1.10, 1.11): уже на 9—15й мин огневого воздействия от обогреваемых поверхностей бетонных конструкций, с сильными звуковыми эффектами (хлопки, треск), начинают отлетать куски бетона на расстояние до 10—15 м.

Это приводит к быстрому уменьшению рабочего сечения конструкции, разрушению защитного слоя бетона, оголению рабочей арматуры конструкции, возникновению сквозных трещин и отверстий, резкому уменьшению предела огнестойкости всей конструкции, повышению риска быстрого наступления прогрессирующего разрушения всего объекта в целом.

Особенность явления взрывообразной потери целостности (ВПЦ) материалов строительных конструкций при пожаре состоит в его «аномальности». Аномальность этого явления в том, что оно проявляется внезапно при высокотемпературном прогреве конструкций, у которых ранее это явление в аналогичных условиях могло не наблюдаться.

В связи с этим возникновение и развитие ВПЦ в условиях пожара крайне нежелательно и требует правильного понимания механизма этого опасного для зданий явления, принятия специальных мер его диагностики и профилактики.

В работах [9—13] обращалось внимание, что это явление в силу внезапности его возникновения на начальных стадиях развития пожара представляет большую опасность и по этой причине явилось

Рис. 1.10. Железобетонная стеновая панель после огневого испытания на огнестойкость

предметом специальных исследований как в России, так и за рубежом.

Правильное понимание механизма этого явления, возможность оценивать стойкость конструкций и зданий против прогрессирующего разрушения, с учетом возможности ВПЦ, имеют большое значение для обеспечения пожарной безопасности зданий и сооружений.

Изучение взрывообразного разрушения материалов строительных конструкций при воздействии пожара [9—13] позволило выделить

Рис. 1.11. Наступление предела огнестойкости железобетонного объемного блока здания в результате взрывообразного разрушения бетона при пожаре [7]

основные признаки и факторы, сопутствующие возникновению

• капиллярно-пористая структура материала конструкции;
• наличие определенного, «критического» уровня начального вла- госодержания материала конструкции, при заданной интенсивности теплового воздействия;
• наличие определенной «критической» интенсивности теплового воздействия при заданном уровне начального влагосодержания материала;
• послойный, периодически повторяющийся во времени характер потери целостности материала конструкции со стороны ее обогреваемых поверхностей, сопровождающийся разлетом осколков и звуковыми эффектами (хлопки, треск).

В свете исследований [9—13] механизм взрывообразной потери целостности (ВПЦ) материалов строительных конструкций в условиях пожара может быть описан следующим образом (рис. 1.12).

Высокотемпературное воздействие пожара на строительную конструкцию, имеющую некоторый начальный уровень влагосодержа- ния, приводит к возникновению по сечению конструкции в общем случае четырех зон, характеризуемых различным характером процессов тепло- и влагопереноса (см. рис. 1.12):

• сухая зона материала конструкции, прилегающая к ее обогреваемым поверхностям, где влага в порах и капиллярах уже испарилась и удалилась за счет процессов тепло- и влагопереноса в другие зоны материала конструкции;
• зона испарения влаги, в которой температура в порах и капиллярах материала достигла температуры испарения влаги, что приводит к возникновению избыточного давления пара в этой зоне и развитию процессов влагопереноса в сторону как обогреваемых, так и необогреваемых поверхностей конструкции;
• зона повышенного влагосодержания материала конструкции, которая находится за зоной испарения влаги, в которой, в результате развития процесса влагопереноса из зоны испарения, влагосодер- жание материала начинает превышать начальное;
• зона начального влагосодержания, в которой процессы влагопереноса еще не наблюдаются.

Развитие в прогреваемой конструкции процессов тепло- и влагопереноса приводит к возникновению в зоне материала, примыкающей к ее обогреваемым поверхностям, высоких перепадов температуры, давления, влагосодержания (см. рис. 1.12, а).

Именно в этой, относительно узкой зоне материала отмечается [9—13] наибольшая скорость накопления нарушений (см. рис. 1.12, б), наибольшая их концентрация. Границами этой зоны, с одной стороны, являются прогреваемые поверхности конструкций, а с другой стороны — граница зоны испарения внутри прогреваемого тела.

По мере прогрева конструкции зона испарения влаги продвигается все дальше вглубь ее сечения. Сопротивление выходу пара через слой сухого материала, отделяющего зону испарения, с избыточным давлением пара, от нагреваемых поверхностей конструкций, будет расти (см. рис. 1.12,а). Это приводит к дальнейшему увеличению давления пара в зоне испарения, интенсификации процессов фильтрационного переноса влаги, росту градиентов температуры, влагосодержания, избыточного давления. В комплексе с воздействием механической нагрузки это приводит к резкой интенсификации накопления нару-

Рис. 1.12. Схема взрывообразной потери целостности материалами конструкций при воздействии пожара [7]:

а — распределение температуры Цх, т), давления Р(х, т), влагосодержания U(x, т) по сечению прогреваемого объекта в момент времени возникновения единичного акта ВПЦ; б — распределение степени разрушения К(х, т) материала конструкции в момент времени возникновения единичного акта ВПЦ; в — протекание единичного акта ВПЦ;

7 — сухая зона материала; 2 — зона испарения влаги; 3 — зона повышенного влагосодержания; 4 — зона начального влагосодержания

шений в структуре материала на границе сухой зоны и зоны испарения влаги и возникновению на границе этих зон максимальных значений степени разрушении материала (см. рис. 1.12, в).

Изучение механизма ВПЦ позволило предложить ряд мер по повышению стойкости материала конструкции против взрывообразной потери целостности в условиях воздействия пожара [9—13]:

• повышение уровня пожарной безопасности объекта путем обеспечения возможности ликвидации пожара на начальной стадии его развития;
• недопущение и устранение возможных причин увеличения вла- госодержания материала конструкции выше допустимой (за счет нарушения условий нормальной эксплуатации железобетонных конструкций — аварии систем водоснабжения, водоотведения, протечки, нарушение гидроизоляции конструкций и т.д.);
• контроль расчетной относительной влажности воздуха в помещении;
• устройство огнезащитных покрытий на поверхности конструкций, нагреваемых в условиях пожара;
• применение специальных добавок в составе материала конструкции, повышающих его стойкость к ВПЦ.

Особенности инженерного расчета железобетонных конструкций на огнестойкость

Расчет пределов огнестойкости железобетонных конструкций по потере несущей способности R состоит из решения двух задач:

• теплофизической: определения прогрева конструкции в условиях воздействия пожара;
• прочностной: определения изменения несущей способности конструкции в зависимости от ее прогрева при пожаре и определения значения предела огнестойкости конструкции ту. (времени от начала воздействия пожара до потери несущей способности конструкции).

Расчет предела огнестойкости железобетонных конструкций по потере теплоизолирующей способности / будет включать решение только теплофизической задачи: определения времени ту прогрева при пожаре необогреваемой поверхности конструкции до регламентируемой критической температуры [7].

Инженерные оценки пределов огнестойкости железобетонных конструкций могут осуществляться с помощью использования справочных данных об огнестойкости конструкций, результатов вычислительных экспериментов, отражающих поведение отдельных строительных конструкций при воздействии пожара и упрощенных методик.

Инженерные методы решения теплофизической задачи огнестойкости для железобетонных конструкций

Для проведения инженерных расчетов прогрева сечений бетонных и железобетонных конструкций при воздействии «стандартного» пожара общую сложную математическую модель теплофизической задачи огнестойкости необходимо упрощать.

При расчете температур прогрева сечений рассматриваемых конструкций следует учитывать изменение характеристик теплопереноса материалов конструкций (коэффициента теплопроводности X, коэффициента удельной теплоемкости с в зависимости от температуры прогрева).

Коэффициент теплопроводности X бетона и арматуры [Вт/(м • °С)] допускается определять по формуле

Удельную теплоемкость бетона и арматуры [кДж/(кг • °С)] допускается определять по формуле

В виде такого рода линейных зависимостей значения теплофизических характеристик материалов приводятся в справочниках, которые используются в расчетах конструкций на огнестойкость (табл. 1.4).

Теплофизические характеристики материалов

Поведение бетонных конструкций при пожаре

Особенности поведения любых конструкций при пожаре основываются, в первую очередь, на поведении строительных материалов, из которых они состоят. На рис. 1 показана обобщенная схема, в которой перечислены основные факторы, процессы и последствия, которые могут характеризовать поведение различных материалов в условиях пожара.

Чтобы понять, какие изменения происходят в структуре материала и как меняются его свойства, т. е. как влияют внутренние факторы на поведение материала в условиях пожара, необходимо хорошо знать материал — его происхождение, сущность технологии изготовления, состав, начальную структуру и свойства (рис. 1).

Свойствами, характеризующими поведение строительных материалов в условиях пожара, называют способность материалов реагировать на воздействие внешних и внутренних факторов: силовых, влажностных, температурных и др.

Применительно к изучению и объяснению характера поведения строительных материалов в условиях пожара следует, в качестве основных, выделить физические, механические и теплофизические свойства.

Физические свойства: объемная масса, плотность, пористость, гигроскопичность, водопоглощение, водопроницаемость, парогазопроницаемость.
Механические свойства: прочность и деформативность.

Теплофизические свойства: теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность, тепловое расширение и теплостойкость.

Их классифицируют по объемной массе:
— особо тяжелые — объемная масса 2 500–6 000 кг/м3 (заполнитель — чугун, свинец), применяют для сооружений биологической защиты;
— тяжелые (обычные) — объемная масса 2 200–2 500 кг/м3 (крупный заполнитель из тяжелых горных пород в виде щебня или гравия, мелкий — кварцевый песок), применяют для несущих строительных конструкций;
— облегченные — объемная масса 1 900–2 200 кг/м3, применяют для несущих строительных конструкций;
— легкие — объемная масса 1 200–1 800 кг/м3 (на легких крупных заполнителях из природных и искусственных каменных материалов и мелкого песка), применяют для несущих и ограждающих конструкций;
— особо легкие — объемная масса 1 200 кг/м3 (без крупного заполнителя), применяют в основном для ограждающих конструкций.

Особо легкие (ячеистые) бетоны получают путем введения в раствор вяжущего пенообразователя (пенобетон) либо газообразователя (газобетон).
После затвердевания бетона определяют класс бетона по прочности (путем механического испытания на сжатие образцов).
Существуют классы бетона по прочности — от В-1 до В-60.
Среднее значение коэффициента теплопроводности тяжелых бетонов — 1,7, легких и ячеистых — 0,16–0,64 Вт/м °С.
Бетон применяют при производстве сборных и монолитных железобетонных конструкций.
Железобетон отличается от бетона наличием стальной арматуры, воспринимающей растягивающие усилия от внешних нагрузок, которые бетон не воспринимает, т. к. его прочность при растяжении очень незначительна.
Изучением поведения каменных материалов в условиях пожара занимались в течение нескольких десятилетий многие исследователи нашей страны: М. Я. Ройтман, В. М. Ройтман, Н. И. Зенков, К. Д. Некрасов, А. Ф. Милованов, В. В. Жуков, А. Т. Апостолов, Е. А. Мешалкин, В. Н. Демёхин и др.

Характер поведения каменных материалов в условиях пожара в принципе аналогичен для всех материалов, отличаются лишь количественные показатели. Специфические особенности обусловлены действием внутренних факторов, присущих анализируемому материалу (при анализе поведения материалов в идентичных условиях действия внешних факторов). Поскольку бетон является композиционным материалом, его поведение при нагреве зависит от поведения цементного камня, заполнителя и их взаимодействия.

Мы рассмотрели в отдельности поведение при нагреве цементного камня и природных каменных материалов, а теперь отметим лишь особенности взаимодействия компонентов бетона при нагреве.

Одна из особенностей — химическое соединение при нагреве до 200 °С гидроксида кальция с кремнеземом кварцевого песка (этому способствуют условия, аналогичные тем, что создают в автоклаве для быстрого твердения бетона: повышенное давление, температура, влажность воздуха). В результате такого соединения образуется дополнительное количество гидросиликатов кальция. Кроме того, при этих же условиях происходит дополнительная гидратация клинкерных минералов цементного камня. Все это способствует некоторому повышению прочности (рис. 2, кривая 1).

При нагреве бетона выше 200 °С возникают противоположно направленные деформации претерпевающего усадку вяжущего и расширяющегося заполнителя, что снижает прочность бетона (рис. 3) наряду с деструктивными процессами, происходящими в вяжущем и заполнителе.

Расширяющаяся влага при температурах от 20 до 100 °С давит на стенки пор, и фазовый переход воды в пар тоже повышает давление в порах бетона, что приводит к возникновению напряженного состояния, снижающего его прочность. По мере удаления свободной воды прочность бетона может возрастать (рис. 3). При прогреве образцов бетона, заранее высушенных в сушильном шкафу при температуре 105–110 °С до постоянной массы, физически связанная вода отсутствует, поэтому такого резкого снижения прочности в начале нагрева не наблюдается (рис. 3).

При остывании бетонов после нагрева прочность, как правило, практически соответствует прочности при той максимальной температуре, до которой образцы были нагреты. У отдельных видов бетона она при остывании несколько снижается за счет более длительного нахождения материала в нагретом состоянии, что способствовало более глубокому протеканию в нем негативных процессов (рис. 2).

Деформативность бетона по мере прогрева увеличивается за счет увеличения его пластичности (рис. 4).

Мы рассмотрели изменение прочности бетона при нагревании в ненагруженном состоянии, что нехарактерно для работы несущих конструкций. Поэтому, начиная с 70-х гг. во ВНИИПО МВД РФ проводят испытания при нагреве нагруженных образцов бетона. При этом измеряют величины относительных суммарных деформаций (свободного расширения и сжатия под действием внешней нагрузки) и температуру (критическую), при которой происходит разрушение (утрата целостности) образца.

Как видно из рис. 5, по мере повышения нагрузки уменьшаются деформации расширения и увеличиваются деформации сжатия, а разрушение (утрата целостности) образцов происходит при меньших температурах и деформациях, чем при малых нагрузках.

По результатам таких испытаний строят графики зависимости температуры (критической), при которой произошла утрата целостности образца, от величины относительной нагрузки на него при огневом испытании. Строят их в виде, показанном на рис. 6, и называют величину λδ относительной прочностью либо коэффициентом изменения прочности бетона при нагреве. Эта величина всегда меньше единицы (по физическому смыслу — относительное напряжение от внешней нагрузки). Методика таких испытаний не позволяет зафиксировать увеличение прочности материала в начале нагрева, даже если оно и имеет место. Это видно из рис. 3, 6 — по результатам опытов построен график в диапазоне температур от 550 до 820 °С, т. к. величина относительного напряжения λδ в опытах изменялась в интервале от 0,3 до 0,7.

Из рис. 6 видно: чем выше относительная нагрузка на образец, тем при меньшей критической температуре он разрушится. По этой зависимости исследователи делают вывод, что с увеличением температуры прочность бетона падает при испытании в напряженном состоянии. Кроме того, строительные конструкции из тяжелого бетона (железобетона) склонны к взрывообразной потере целостности (взрывообразному разрушению) при пожаре. Это явление наблюдается у конструкций, материал которых имеет влагосодержание выше критической величины, при интенсивном подъеме температуры при пожаре. Чем плотнее бетон, ниже его паропроницаемость и больше микропор, тем он более склонен к возникновению такого явления несмотря на более высокую прочность.

Легкие и ячеистые бетоны с объемной массой ниже 1 200 кг/м3 не склонны к взрывообразной потере целостности.

Каменные материалы не горят в условиях пожара, но одни более, другие менее существенно снижают прочность. Поэтому подбор природных или изготовление искусственных каменных материалов с необходимыми свойствами зависит от области их применения в строительстве.

Автор: В. Н. Демехин, Н. В. Демехин
Дата: 08.10.2011
Журнал Стройпрофиль 7-11
Рубрика: бетоны и жби: технологии, оборудование

Хороший выбор. Посетил данный сайт и решил заказать в туалет светлые двери, покрытые эмалью.

Поведение сжатых конструкций в условиях пожара

При пожаре колонны могут подвергаться обогреву с 1-ой, 2-х, 3-х и 4-х сторон.

Рассмотрим обогрев с 4-х сторон. При обогреве колонны температура её поверхности интенсивно растёт, но средние слои нагреваются медленнее, т. к. по толщине колонны возникает градиент температуры. При этом наружные слои бетона расширяются, но этому препятствует внешняя нагрузка. В результате возникают температурные напряжения между средними и наружными слоями поперечного сечения конструкции, что способствует разрушение бетона.

Если наружные слои бетона прогреваются выше t > 600 градусов, то предел их прочности становится ниже напряжений от внешней нагрузки, и эти слои в работе колонны практически перестают участвовать по восприятию внешней нагрузки. Поэтому нагрузку воспринимает лишь бетон центральной части поперечного сечения колонны, т. е. условно её в это время можно считать не железобетонной, а бетонной.

Разрушение колонны от нагрузки происходит в виде поперечной деформации («выпучивание») рабочей (продольной) арматуры и далее раздробления центральной бетонной части поперечного сечения и излом колонны (как правило, по середине).

Колонны с косвенным армированием характеризуются «невыпучиванием» рабочей арматуры (т. к. этому мешает косвенная — поперечная арматура), а пластичным течением колонны (ползучесть). Причём предел огнестойкости этих колонн больше, чем предел огнестойкости колонн без косвенного армирования (эксперименты ВНИИПО – в 1,5 раза).

Увеличение коэффициента армирования m, перемещение части рабочей арматуры к центру поперечного сечения так же повышают предел огнестойкости колонны.

Существенное влияние на повышение предела огнестойкости колонны оказывает сохранность и надежность защитного слоя из бетона (эффективный способ – установка проволочной сетки по высоте колонны между рабочей арматурой и поверхностью колонны).

У внецентренно нагруженных (изгибаемых) колонн предел огнестойкости определяется временем прогрева рабочей (внешней) арматуры до критической температуры (предел огнестойкости таких колонн меньше предела огнестойкости центрально сжатых колонн). При больших эксцентриситетах приложения нагрузки фактором, определяющим предел огнестойкости колонны, является толщина защитного слоя из бетона у внешней (растянутой) арматуры.

Особенностью поведения колонн в условиях пожара является возможность потери их устойчивости в результате продольной деформации (прогиба). Наступление предела огнестойкости колонны при продольной деформации (превышающей значения H100) происходит при отношении свободной длины колонны к наименьшему размеру её поперечного сечения более 15.

Рассмотрим особенности поведения железобетонных стен в условиях пожара. Напряжение возникающие в железобетонных стенах в зданиях повышенной этажности могут достигать до 10 МПа и, если толщина стеновой панели невелика, то при больших нагрузках на стену (в сочетании с увеличивающимся эксцентриситетом их приложения) возникает возможность потери устойчивости стены в результате поперечной деформации (прогиба).

Стеновые панели могут опираться на фундаментную балку (платформенное опирание) и на нижние панели (шарнирное опирание). В первом случае предел огнестойкости панели больше предела огнестойкости панели при шарнирном опирании, т. к. при этом ограничена свобода перемещения узла связи панели.

Внешние факторы, влияющие на поведение сжатых железобетонных конструкций в условиях пожара:

1. Схема обогрева (количество обогреваемых сторон).

2. Скорость и время нарастания температуры (температурный режим пожара).

3. Величина внешней (рабочей) нагрузки на конструкцию.

4. Характер опирания (фактор справедлив для стеновых панелей).

5. Характер приложения внешней нагрузки (центрально сжатая или внецентренно сжатая — с эксцентриситетом).

Внутренние факторы:

1. Толщина защитного слоя из бетона, его теплофизические свойства (коэффициент теплопроводности) и начальное влагосодержание.

2. Размеры поперечного сечения конструкции.

3. Величина критической температуры рабочей арматуры.

4. Характер армирования.

5. Отношение длины конструкции к размерам ее поперечного сечения (толщина стены). Чем оно больше, тем больше вероятность раннего наступления предела огнестойкости конструкции по потере её устойчивости.