Разрушение бетона при пожаре

Обновлено: 05.10.2022

Исследование процесса разрушения бетонных изделий при пожаре с учетом их взрывообразной потери целостности

Статья подготовлена на основе диссертации, в которой поднимались вопросы огнестойкости бетонных конструкций, взрывообразной потери целостности бетонных изделий. Диссертация была написана Е.А. Мешалкиным в 1979 году и, как оказывается, не потеряла актуальности и в наши дни.

Основные положения, вошедшие в диссертационную работу:

  • методы и средства регистрации разрушения изделий из капиллярно-пористых материалов в условиях воздействия агрессивных факторов и определения фильтрационных характеристик этих материалов;
  • результаты экспериментального исследования процессов разрушения тяжелых бетонов на цементном вяжущем в зависимости от ряда технологических и экспериментальных факторов в условиях «стандартного» пожара с учетом специфики протекания явления их взрывообразной потери целостности;
  • метод оценки стойкости бетонных изделий к взрывообразной потере целостности при пожаре;
  • результаты оценки стойкости некоторых видов конструкций из тяжелого бетона к взрывообразной потере целостности.

11.tif

Фото 1. Колонна на отм. 348,80 м после трехстороннего огневого воздействия. Разрушение узла соединения сборной и монолитной частей. Выгиб арматурных стержней

Еще в 1979 году отмечалось, что, несмотря на большой опыт исследований в области огнестойкости конструкций, практика продолжает ставить перед исследователями все новые проблемы. Одной из таких проблем является взрывообразная потеря целостности бетонных изделий. «Внешнее проявление взрывообразной потери целостности состоит в том, что во время пожара или при испытаниях на огнестойкость уже через 5-10 минут после начала теплового воздействия почти непрерывно от обогреваемой поверхности бетонных конструкций откалываются пластинки материала площадью 0,04-0,05 м2 и толщиной 0,005-0,015 м. Куски откалывающегося бетона отлетают при этом с хлопками и треском на расстояние 10-15 м. В результате конструкции преждевременно утрачивают свою несущую способность сжатые элементы (например, колонны) – в результате резкого уменьшения рабочего сечения, а изгибаемые элементы (плиты перекрытий) – из-за быстрого нагревания растянутой рабочей арматуры до критической температуры».

Актуальность вопроса повышения стойкости железобетонных конструкций к огневому воздействию и, в частности, их стойкости к взрывообразному (хрупкому) разрушению подтверждается и сегодня, а количество пожаров как в мире, так и в России (только у нас около 150 тысяч в год) все еще велико.

По данным Всемирного центра пожарной статистики, убытки от пожаров составляют в развитых странах до 2% от их национального дохода. Изучение результатов пожаров – явное свидетельство того, что в некоторых случаях разрушение конструкций произошло именно по причине оголения арматурного каркаса вследствие взрывообразного разрушения бетона.

Как пример данного явления можно указать на пожар на Ирганайской ГЭС (2010 г.), который привел к деструкции бетона и потере им первоначальной прочности на сжатие на глубину до 270 мм (по результатам испытаний кернов).

12.tif

Фото 2. Разрушение силовой арматуры и бетона плиты перекрытия над очагом пожара №1 в зоне сопряжения плиты со стенкой генератора ГА-1. Наблюдается эффект расплавления металла в бетоне (характерно для нагрева конструкций до 1400°С).

Оказалось, что применяемые методы исследования изменения прочностных и деформативных характеристик бетона при огневом воздействии «не дают информации о процессах в структуре материала и тем более не предназначены для исследования такого сложного и специфического явления, как взрывообразная потеря целостности (ВПЦ) бетона, которая протекает в условиях резко нестационарных процессов тепло- и влагопереноса, сопровождающихся фазами превращения содержащейся в материале влаги, неравномерным распределением температур и влагосодержаний внутри материала, возникновением градиента избыточного давления и т.д.».

Основными источниками информации о поведении бетона при пожаре являлись стандартные испытания конструкций на огнестойкость. Результаты таких испытаний показали:

  • «взрывообразная потеря целостности происходит с 5-10-й минуты от начала высокотемпературного воздействия и часто продолжается до 40-50-й минуты;
  • повышенное влагосодержание бетона в конструкциях является одним из основных факторов, определяющих склонность изделия к ВПЦ, которая наблюдается в широком интервале влагосодержаний (от 2% до 4%);
  • склонность бетона к ВПЦ определяется также типом применяемого заполнителя;
  • в нагруженном состоянии ВПЦ происходит при меньших значениях влагосодержания бетона, что говорит о существенном влиянии нагрузки на склонность изделия к ВПЦ».

Исследования авторов показали, что начальное влагосодержание бетона при вводе здания в эксплуатацию в 2-5 раз превосходит допустимую величину (1-2% по СНиП ПА.771) и может достигать 12%, при этом сорбционная влажность эксплуатируемых конструкций из тяжелого бетона может составлять до 6,5%, а процесс потери излишней влаги превышеат 4-5 лет (на примерах исследований в Риге, Магнитогорске, Минске и Мурманске).

«Существующие подходы к оценке явления ВПЦ основаны на:

  • статической (чисто механической) концепции разрушения, которая рассматривает разрушение бетона как мгновенный акт, наступающий при достижении рабочими напряжениями в материале некоторого критического значения прочности. Теория, основанная на этой концепции, получила название «теория предельных состояний». Однако в ряде случаев такая теория не позволяет объяснить наблюдаемые в действительности явления, обусловленные внутренними процессами (ВПЦ бетонных изделий при высокотемпературном воздействии);
  • кинетической концепции разрушения».

Отмечая сложность процессов тепло- и влагопередачи при интенсивном высокотемпературном воздействии, кратко можно так сформулировать предлагаемые учеными «статические» объяснения причин «взрыва» бетона в рассматриваемых условиях:

  • во влажном бетоне – это рост давления паров до некоторой разрушающей величины (0,7-2,0 МПа);
  • в высушенном бетоне – это достижение температурными напряжениями некоторого критического значения.

Кинетическая, температурно-временная трактовка получает все большее распространение. Критическая величина критерия повреждаемости в некоторой точке считается критерием разрушения в рассматриваемой точке. В этой связи ВПЦ бетонных изделий при пожаре определяется как периодически повторяющаяся во времени зональная потеря целостности со стороны обогреваемых поверхностей, являющаяся конечной стадией накопления нарушений структуры материала в зонах потери целостности за счет комбинированного воздействия термических, силовых и влажностных стимуляторов разрушения.

Была предложена система оценки стойкости бетонных изделий к взрывообразной потере целостности в условиях пожара, которая включала 11 направлений, среди которых:

  • исследование механизма ВПЦ, понимание источников прочности и разрушения изделий в рассматриваемых условиях;
  • выбор и обоснование параметров и показателей стойкости к ВПЦ;
  • анализ основных факторов, влияющих на процесс разрушения материалов и конструкций при высокотемпературном воздействии;
  • установка взаимосвязи между факторами, влияющими на разрушение изделий, и показателями стойкости к ВПЦ;
  • разработка практических требований исходя из области возможного использования материалов и конструкций;
  • разработка системы количественной оценки стойкости к ВПЦ, включающей в себя методы и средства диагностики, разработку объективной шкалы прочности и др.

При разработке шкалы стойкости к ВПЦ, в соответствии со сложившимися представлениями, а также имеющимися данными ВНИИПО по результатам натурных испытаний конструкций на огнестойкость, было принято деление материалов и изделий по стойкости к ВПЦ на три класса:

  • I класс (стойкие к ВПЦ) – материалы и конструкции, которые в условиях пожара не склонны к ВПЦ в диапазоне возможных при пожаре влагосодержаний, интенсивностей теплового воздействия, нагрузок и т.д.,
  • II класс – склонные к ВПЦ в интервале эксплуатационных влагосодержаний только в нагруженном состоянии.
  • III класс – склонные к ВПЦ в интервале эксплуатационных влагосодержаний при отсутствии нагрузок.

Была проведена широкая серия огневых экспериментов во ВНИИПО для проверки предлагаемого метода оценки стойкости бетонных изделий к хрупкому разрушению при огневом воздействии. Испытывались бетоны с различными заполнителями. Испытания 6 плит проводились через год после изготовления, и они показали, что бетон образцов разрушался с эффектом «взрыва» уже через 9-15 минут огневого воздействия. При этом в нижней полке образовывались сквозные отверстия.

Последующая серия испытаний, через 2 года после изготовления плит и хранения их в отапливаемом помещении, с влажностью бетона 1,5-3%, дала такие же результаты.

На фото 3 – один из результатов испытаний.

13.tif

Фото 3. Вид плиты (модели нижней полки коробчатого настила) после взрывообразной потери целостности при испытаниях на огнестойкость

Проведенный анализ теоретико-экспериментальных исследований показал, что основные факторы, в той или иной мере оказывающие влияние на стойкость бетонных изделий к ВПЦ, можно подразделить на группы: технологические, конструктивные, эксплуатационные в обычных условиях эксплуатации и эксплуатационные в аварийных условиях эксплуатации.

Разработка мероприятий по регулированию стойкости к ВПЦ может осуществляться в трех направлениях:

  • воздействие на процесс разрушения материала прогреваемого изделия в стадии накопления нарушений, предшествующей возникновению актов ВПЦ;
  • воздействие на развитие магистральной трещины на заключительном этапе разрушения материала конструкции в условиях пожара;
  • комплексное воздействие на процесс разрушения материала конструкции как в стадии накопления нарушений, так и в стадии потери изделием целостности.

Основные мероприятия, связанные с воздействием на конструктивные факторы:

  • введение специальных защитных элементов в бетонные конструкции. Достаточно эффективным средством является нанесение теплоизоляционного слоя из базальтового волокна на поверхность изделия, а также другие решения;
  • перфорирование поверхностей конструкции для стравливания избыточного давления, создаваемого при испарении содержащейся в бетоне влаги;
  • введение элементов, препятствующих развитию процесса разрушения материала при его интенсивном прогреве;
  • дополнительное армирование поверхностного слоя бетона сварными сетками с различными размерами ячеек.

Тут следует отметить, что Е.А. Мешалкин практически предвосхитил разработанные позже требования Еврокода-2 «Проектирование железобетонных конструкций», а именно части EN 1992-1-2 «Общие правила определения огнестойкости». Данный документ в п. 6.2 рекомендует для защиты бетона от хрупкого разрушения при пожаре применять указанные выше методы (более подробно – в статье «Российское противопожарное законодательство и требования по обеспечению огнестойкости железобетонных строительных конструкций» – см. стр. 38).

Основные мероприятия, связанные с воздействием на эксплуатационные факторы:

  • территориальное зонирование применяемых в строительстве конструкций по влажностным поясам;
  • дифференцированное применение конструкций в зданиях и сооружениях в зависимости от требуемого предела огнестойкости и фактически возможной интенсивности высокотемпературного воздействия в условиях пожара;
  • ограничение области применения конструкций и материалов с учетом климатических зон и влажностного режима в помещении.

Проверка эффективности рекомендуемых или используемых в практике мероприятий по регулированию стойкости к ВПЦ бетонных изделий в условиях пожара должна производиться путем экспериментального определения фактических значений показателя стойкости к ВПЦ и сравнения их с требуемыми значениями этого параметра согласно шкале классов стойкости к ВПЦ.

Е.А. МЕШАЛКИН,

доктор технических наук, профессор, академик НАН ПБ, профессор Академии Государственной противопожарной службы МЧС, председатель правления Федеральной Палаты пожарно-спасательной отрасли;

генеральный директор компании «ПРОЗАСК» (Противопожарная защита строительных конструкций), член комитета Федеральной Палаты пожарно-спасательной отрасли

Стойкость бетона при пожаре

Бетон – это особая смесь из воды, цемента, песка и других наполнителей. Затвердев, этот искусственный камень приобретает прочность, долговечность и отличную стойкость. Стойкость бетонного состава определяется его невосприимчивостью к влаге, различным температурным перепадам, не теряя при этом своих прочностных свойств. У этого строительного материала низкий предел горючести, что не влечет за собой распространения пожара при воздействии на него повышенных нагревов. Бетонным постройкам, зданиям и сооружениям, за счет качеств раствора, обеспечивается отличная огнестойкость. Изделия из бетона обладают не только огнестойкостью, но и высокой жаростойкостью.


Отличие огнестойкости от жаростойкости

Огнестойкость бетона – это качество, позволяющее стройматериалу противостоять повышенным температурам недолговременно, например, во время пожара. Жаростойкость – это сохранение свойств бетонного раствора при долговременном действии на него большой температуры, например, при использовании конструкций для теплообработки разнообразных изделий. Всем бетонам присуща огнестойкость, чего нельзя сказать о жаростойкости, этим качеством обладает далеко не каждый застывший раствор.

Несмотря на то, что бетон – пожаробезопасный и огнестойкий строительный материал, он все равно поддается большим температурным градусам. Огни, воздействующие на него в течение короткого времени, не способны привести к повреждению прочностных характеристик материала, но если огонь имеет продолжительное влияние на бетонные изделия, тогда происходит их повреждение. Если температура двести пятьдесят градусов, тогда бетон теряет свою прочность всего на двадцать пять процентов, а если в пределах пятисот градусов – стройматериал подвергается полному разрушению.

Бетонный состав, горючесть которого низкая, имеет повышенную прочность и стойкость к огненным влияниям, но может разрушиться и потерять свои прочностные характеристики как при пожаре, так и неправильном обращении с подогретым составом. Таким образом, резкое увлажнение или охлаждение уже подогретой смеси, влечет за собой образование трещин, разрушений, которые не поддаются устранению, а также ослабеванию арматурной конструкции, служащих для укрепления построек.

Горение отрицательно сказывается на структуре бетона, она разрушается и разлагается на составляющие компоненты цементного камня.

Жаростойкость бетонного состава получается путем введения в раствор специальных добавок на основе алюминия и кремния. Эти составляющие позволяют избегать плавления, горения в момент пожара и других разрушений бетонных конструкций при повышенных температурных режимах. Что касается огнестойкости, то она достигается путем добавления заполнителей в процессе приготовления раствора.

Воздействие высоких температур на бетонный состав


Температурные режимы, воздействующие на бетонный состав, в пределах 250 – 300 градусов влекут за собой разрушение структуры и уменьшение прочностных характеристик цементного камня. Когда на градуснике отметка достигает пятисот пятидесяти градусов по Цельсию, имеющиеся в бетоне песок и щебень подвергаются растрескиванию, если превышает 550 градусов – бетонные конструкции полностью разрушаются.

Повышение температурных показателей непосредственно влияет на прочность бетонного состава. Таким образом, при укладке и застывании раствора повышение отметки на градуснике может повлиять на прочность бетона, возраст которого начинается от семи суток и более. Происходит это из-за ускоренной гидратации, в результате чего достигается несовершенная физическая структура с большим количеством незаполненных пор. По результатам опытов было замечено, что при повышенных температурных показателях прочность бетонного раствора на высшем уровне в первые дни, после схватывания состава, но уже на четвертые сутки прочностные характеристики значительно опускаются. Чтобы улучшить прочность раствора, в него добавляют хлористый кальций, который способен повысить стойкость к повышенным температурным показателям.

Жароупорные бетоны

Жароупорный бетонный раствор основан на портландцементе, с помощью которого смесь из песка, щебня, цемента и воды способна выдерживать повышенные температурные показатели до тысячи градусов по Цельсию и выше. Помимо основных составляющих бетона и портландцемента, в него также входит алюминиевая добавка мелких фракций и кремниевая. Добавки в растворе позволяют связывать гашеную известь, которая образуется при гидратации цементного камня. Жароупорный строительный материал из смеси цемента, песка, щебня и воды также имеет в своем составе следующие заполнители, которые предотвращают плавление, деформацию и разрушение бетонных изделий даже в момент пожара:

  • андезит;
  • кирпичный щебень;
  • шамот;
  • доменный шлак;
  • базальт;
  • туф.

В зависимости от наполнителей определяется максимальный температурный режим жароупорного бетона. Приготовить такой раствор можно и собственноручно на строительной площадке.

Огнестойкость конструкций из железобетона


Предел огнестойкости по теплоизолирующей способности плит.

На огнестойкость железобетонных конструкций влияют следующие параметры:

  • нагрузка на постройку;
  • толщина защитного яруса;
  • размеры сечения сооружений;
  • количество и диаметр арматурный конструкций.

Чем меньше плотность используемого материала и чем больше его толщина, тем выше предел огнестойкости, который зависит и от вида опоры для конструкции, и от статической схемы. Исходя из этого, строители должны произвести расчет по огнестойкости ж/б конструкций, прежде чем приступать к их заливке. Конструкции, которые имеют горизонтальное положение, поддаются разрушениям под действием нагрева нижней арматуры, поэтому предел нагрева, прежде всего, зависит от класса арматурной конструкции, способности материала проводить тепло и от размеров слоя защиты.

Горизонтальные конструкции – это балочные плиты, балки, настилы и панели, прогоны и др. Конструкции, которые имеют тонкие стены и поддаются изгибаниям – это настилы, ригели, балки, панели ребристые и пустотелые. Огнестойкость колонн основана на следующих показателях:

  • процент армирования;
  • нагрузка на конструкции;
  • вид крупнофракционного заполнителя;
  • размер сечения под прямым углом относительно продольной оси;
  • толщина слоя защиты на арматуре.

В процессе заливки колонн следует обязательно придерживаться инструкции. Колонны разрушаются в результате открытого огненного пламени при снижении прочностных характеристик бетонного раствора и арматурной конструкции.

Огнестойкость ячеистых бетонов


Ячеистый бетон представляет собой пористый искусственный материал, который используется в строительстве различных зданий и сооружений. В его состав входят минеральные вяжущие и кремнеземистые заполнители. Применяют ячеистый строительный материал из смеси цемента, песка, щебня и воды для теплоизоляции помещений, им утепляют железобетонные плиты и перекрытия, используют легкий бетон для теплозащиты поверхности различных оборудований, трубопроводов, которые используются при температурных режимах свыше четырехсот и даже семисот градусов по Цельсию.

Огнестойкость ячеистого бетона выше, если плотность строительного материала минимальна, таким образом, предельные показатели огнестойкости газоблоков и других изделий из пористого стройматериала повышены.

По исследованиям и опытам, которые проводили в шведском и финском учебном заведении, определена прочность ячеистого бетонного состава, которая изменяется при нагревании следующим образом:

  • происходит увеличение прочностных характеристик до восьмидесяти пяти процентов, если температурные показатели не выше четырехсот градусов по Цельсию;
  • понижение прочностных характеристик до изначальных происходит при разогреве материала до семисот градусов по Цельсию;
  • снижение прочности ячеистого бетонного состава на восемьдесят шесть процентов осуществляется при разогреве строительного материала до тысячи градусов и не более при этом прочностной показатель принимает стабильность.

Можно сделать вывод, что предельные значения огнестойкости ячеистых блоков достигают девятисот градусов по Цельсию, когда обычный бетонный состав начинает терять свои основные части прочности при значении от четырехсот до семисот градусов. Таким образом, ячеистый бетон наиболее популярен при возведении зданий и сооружений, где требуются повышенные показатели пожаробезопасности.

Заключение

Бетон представляет собой строительный материал, который обладает отличными прочностными характеристиками, имеет повышенные показатели огнестойкости и при добавлении в состав бетонного раствора специальных наполнителей, приобретает жаростойкость. На огнестойкость и жаростойкость бетонного раствора влияют различные показатели и факторы, например, материал, который используется в качестве наполнителя, или же конструкции, которые возводят из строительного материала на основе песка, цемента, щебня и воды.

Различия между огнестойкостью и жаростойкостью очевидны. В первом случае бетонные конструкции имеют возможность противостоять повышенным температурным показателям в течение непродолжительного времени, а при жаростойкости строительного материала, бетонные конструкции сохраняют прочностные характеристики долговременно.

СТО 36554501-006-2006 Правила по обеспечению огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций


Цели и задачи разработки, а также использования стандартов организаций в РФ установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании», а правила разработки и оформления - ГОСТ Р 1.0-2004 «Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения» и ГОСТ Р 1.4-2004 «Стандартизация в Российской Федерации. Стандарты организаций. Общие положения»

Сведения о стандарте:

1 Разработан и внесен лабораторией температуростойкости и диагностики бетона и железобетонных конструкций НИИЖБ - филиалом ФГУП «НИЦ «Строительство» и группой специалистов (д-р техн. наук А. Ф. Милованов, кандидаты техн. наук В. В. Соломонов, И. С. Кузнецова, инж. О. П. Баранова).

2 Рекомендован к принятию конструкторской секцией научно-технического совета НИИЖБ от 13 июля 2006 г.

3 Утвержден и введен в действие приказом и. о. генерального директора ФГУП «НИЦ Строительство» от 20 октября 2006 г. № 156.

«МДС 21-2.2000 «Методические рекомендации по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций».

«Пособия по определению пределов огнестойкости конструкций, пределов распространения огня и групп возгораемости материалов» в части железобетонных конструкций.

«Рекомендаций по защите бетонных и железобетонных конструкций от хрупкого разрушения при пожаре».

«Рекомендаций по проектированию многопустотных плит перекрытий с требуемым пределом огнестойкости».

«Рекомендаций по расчету пределов огнестойкости бетонных и железобетонных конструкций».

Введение

Стандарт организации «Правила по обеспечению огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций» разработан в соответствии с требованиями СНиП 52-01 и СНиП 21-01, норм международных организаций по стандартизации и нормированию.

Основными отличиями положений СТО от разработанных ранее рекомендаций, инструкций и пособий являются:

приоритетность требований СНиП 52-01 и СНиП 21-01 по сравнению с другими нормативными требованиями;

применимость противопожарных требований к объектам защиты на стадии проектирования, строительства и эксплуатации, включая реконструкцию и ремонт;

главные требования к бетону и арматуре, к диаграммам деформирования бетона на сжатие и арматуры на сжатие и растяжения от огневого воздействия при температурах до 800 °С как в нагретом состоянии во время пожара, так и в охлажденном состоянии после пожара;

конструктивные требования, повышающие пределы огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций;

основные требования к расчету огнесохранности железобетонных конструкций, поврежденных пожаром, с целью установления возможности их дальнейшей эксплуатации.

Приведенные методы расчета пределов огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций позволяют устанавливать их уже при проектировании в соответствии с классификацией, принятой в СНиП 21-01.

1 Область применения

Настоящий стандарт разработан как дополнение и уточнение СНиП 21-01, СНиП 52-01 и распространяется на проектирование, строительство, техническое обследование и реконструкцию после пожара зданий и сооружений из железобетона.

Данный стандарт содержит основные положения по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций. Он дает возможность на стадии проектирования оценить пределы огнестойкости железобетонных конструкций, проверить их соответствие требованиям СНиП 21-01 и установить огнесохранность железобетонных конструкций после пожара. В основу стандарта положены экспериментальные и теоретические исследования, выполненные НИИЖБ, ГУП ВНИИПО, МГСУ, СГСУ, а также материалы международных организаций: Европейского комитета по стандарту ( CEN), Международного совета по строительству ( CIB), Международной организации по стандартизации ( ISO), Международного совета лабораторий по испытанию строительных материалов и конструкций ( RILEM), Международной федерации по конструктивному бетону ( FIB).

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие нормативные документы:

СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия

СНиП 21-01-97* Пожарная безопасность зданий и сооружений

СНиП 52-01-2003 Бетонные и железобетонные конструкции

СП 52-101-2003 Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры

СП 52-102-2004 Предварительно напряженные железобетонные конструкции Инструкция по расчету фактических пределов огнестойкости железобетонных конструкций на основе новых требований СНиП

ГОСТ 12.1.033-81 ССБТ. Пожарная безопасность. Термины и определения

ГОСТ 30247.1-94 Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции

ГОСТ 30403-96 Конструкции строительные. Метод определения пожарной опасности

СТ СЭВ 383-87 Пожарная безопасность в строительстве. Термины и определения

НПБ 233-96 Здания и фрагменты зданий. Метод натурных огневых испытаний. Общие требования

МГСН 4.19-2005 Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий комплексов в городе Москве

МГСН 4.04-94 Многофункциональные здания и комплексы

ТСН 102-00 Железобетонные конструкции с арматурой классов А500С и А400С

EN 1992-1-2 Structural Fire Design

3 Термины и определения

В настоящем стандарте, за исключением специально оговоренных случаев, приняты термины и определения, приведенные в СТ СЭВ 383 и ГОСТ 12.1.033.

4 Общие требования

4.1 Согласно СНиП 21-01 строительные конструкции характеризуются огнестойкостью.

Показателем огнестойкости является предел огнестойкости. Предел огнестойкости строительных конструкций устанавливается по времени в минутах наступления одного или последовательно нескольких, нормируемых для данной конструкции, признаков предельных состояний:

- потери несущей способности R;

- потери теплоизолирующей способности I;

- потери целостности Е.

Пределы огнестойкости строительных конструкций и их условные обозначения устанавливают по ГОСТ 30247.1.

4.2 Здания и сооружения, а также их части, выделенные противопожарными стенами и перекрытиями (пожарные отсеки), подразделяются по степеням огнестойкости (табл. 4.1).

К несущим элементам здания или сооружения относятся конструкции, обеспечивающие его общую устойчивость и геометрическую неизменяемость: несущие стены, колонны, балки перекрытий, ригели, фермы, рамы, арки, связи, диафрагмы жесткости и т.п. К пределу огнестойкости несущих элементов здания, выполняющих одновременно функции ограждающих конструкций, например к несущим стенам, помимо предела огнестойкости по несущей способности R, должны предъявляться дополнительные требования по потере изолирующей способности I и потере целостности Е.

Степень огнестойкости здания

Предел огнестойкости железобетонных строительных конструкций, мин, не менее

Несущие элементы здания

Наружные ненесущие стены

Перекрытия междуэтажные (в том числе чердачные и над подвалами)

Элементы бесчердачных покрытий

настилы, плиты (в том числе с утеплителем)

фермы, балки, прогоны

марши и площадки лестниц

* Для зданий высотой более 100 м предел огнестойкости, как правило, устанавливается R 240.

** Для зданий высотой менее 100 м предел огнестойкости устанавливается REI 180, EI 180.

*** Предел огнестойкости Е 60 устанавливается только для наружных стен.

Здания и сооружения с несущими конструкциями из железобетона подразделяют по степени огнестойкости:

- особая - многофункциональные, высотные здания и здания-комплексы;

- I степень - ограждающие конструкции выполнены из железобетона и применяются листовые и плитные негорючие материалы;

- II степень - покрытия выполнены из стальных конструкций;

- III степень - применены перекрытия деревянные, защищенные штукатуркой или негорючим листовым, плитным материалом, а также для зданий каркасного типа с элементами каркаса из стальных конструкций и с ограждающими конструкциями из профилированных листов или других негорючих материалов со слабогорючим утеплителем группы Г1.

4.3 Предел огнестойкости противопожарных преград (стены и перекрытия) для зданий особой степени огнестойкости устанавливают REI 180; при высоте здания более 100 м - REI 240; для зданий I, II и III степеней огнестойкости - REI 150.

4.4 За предел огнестойкости железобетонных конструкций принимают время в минутах от начала огневого стандартного воздействия до возникновения одного из предельных состояний по огнестойкости:

- по потере несущей способности R конструкций и узлов (обрушение или недопустимый прогиб в зависимости от типа конструкций);

- по теплоизолирующей способности I - повышение средней температуры на необогреваемой поверхности до 160°С или в любой другой точке этой поверхности до 180°С по сравнению с температурой конструкции до нагрева, или прогрев до 220°С независимо от температуры конструкции до огневого воздействия ( ГОСТ 30247.1);

- по целостности E - образование в конструкции сквозных трещин или сквозных отверстий, через которые проникают продукты горения или пламя.

Для несущих железобетонных конструкций (балки, прогоны, ригели, колонны) предельным состоянием по огнестойкости является потеря несущей способности конструкции R.

В железобетонных конструкциях, в которых наблюдается хрупкое разрушение по сжатому бетону (колонны с малым эксцентриситетом, изгибаемые переармированные элементы), за потерю несущей способности принимается полное разрушение конструкции во время пожара.

Изгибаемые, внецентренно сжатые и растянутые с большим эксцентриситетом элементы характеризуются развитием больших необратимых деформаций арматуры и бетона, и за потерю несущей способности принимается развитие прогиба еще до того, как наступит полное разрушение.

4.5 Расчет предела огнестойкости железобетонной конструкции по потере несущей способности R состоит из теплотехнической и статической частей.

Теплотехнический расчет должен обеспечить время предела огнестойкости, по истечении которого арматура нагревается до критической температуры или сечение бетона конструкции сокращается до предельного значения при воздействии на нее стандартного температурного режима.

Статический расчет должен обеспечить защиту железобетонной конструкции от разрушения, а также от потери устойчивости при совместном воздействии нормативной нагрузки и стандартного температурного режима.

4.6 Предел огнестойкости железобетонной конструкции по теплоизолирующей способности I должен быть обеспечен теплотехническим расчетом. Найденные значения температуры на необогреваемой поверхности должны быть менее предельно допустимой температуры нагрева (см. п. 4.4).

4.7 Предел огнестойкости по целостности E (образование сквозных отверстий или сквозных трещин) возникает в железобетонных конструкциях из тяжелого бетона с влажностью более 3,5 % и из легкого бетона с влажностью более 5,0 % и плотностью более 1200 кг/м 3 , а также в плитах, стенах и стенках двутавровых балок при двустороннем нагреве бетона в расчетном сечении выше его критической температуры.

Потеря целостности при хрупком разрушении бетона резко снижает предел огнестойкости железобетонной конструкции, поэтому целесообразно применять бетоны с ограничением расхода цемента, низким В/Ц и с более низким коэффициентом температурного расширения заполнителя.

4.8 Испытаниями было установлено, что разрушения железобетонных конструкций при огневом высокотемпературном нагреве происходят по тем же схемам, что и при нормальной температуре. Поэтому для расчета предела огнестойкости по потере несущей способности железобетонной конструкции используют те же уравнения равновесия и деформации, из которых выводят формулы для статического расчета.

Статический расчет предела огнестойкости по потере несущей способности основывают на общих требованиях расчета железобетонных конструкций по предельным состояниям первой группы в соответствии со СНиП 52-01, СП 52-101, при нормативных нагрузках и нормативных сопротивлениях бетона и арматуры при огневом воздействии, и с учетом дополнительных указаний, изложенных в настоящем стандарте.

4.10 Несущая способность железобетонных конструкций при огневом воздействии зависит от изменения свойств бетона и арматуры с ростом температуры. Во многих случаях при определении предела огнестойкости вычисляют усилие, которое может воспринять сечение элемента при требуемом пределе огнестойкости. Если это усилие равно или больше расчетного, то требуемый предел огнестойкости обеспечен.

Решение статической задачи по оценке огнестойкости иногда сводится к определению значения критической температуры нагрева растянутой арматуры, поскольку она не зависит от результатов теплотехнической задачи.

Решение теплотехнической задачи выполнимо лишь для конкретных промежутков времени с начала нагрева. Поэтому нахождение условий предельного состояние строится на принципе последовательных приближений для заранее известных промежутков времени. В итоге предел огнестойкости определяется либо графически, либо аналитически в результате решений уравнений предельного состояния.

Вычисленные пределы огнестойкости железобетонных конструкций должны быть не менее требуемых значений.

4.11 При проектировании многофункциональных высотных зданий, комплексов и сооружений, относящихся к первому ответственному уровню надежности, отказы которых после пожара могут привести к тяжелым экономическим и экологическим последствиям, а также тех конструкций, восстановление которых потребует больших технических сложностей и затрат, необходимо обеспечить их огнесохранность после пожара.

За огнесохранность железобетонной конструкции принимают такое ее состояние, при котором остаточная прочность или необратимые деформации обеспечивают надежную работу после стандартного пожара. Расчет огнесохранности железобетонной конструкции после пожара ведется при расчетных нагрузках и расчетных сопротивлениях бетона и арматуры после огневого воздействия.

4.12 Предел огнестойкости железобетонной конструкции наступает при прогреве рабочей арматуры в конструкции до критической температуры, а также при нагреве бетона в расчетном сечении выше его критической температуры.

Критическая температура для тяжелого бетона на силикатном заполнителе составляет 500 °С, на карбонатном заполнителе - 600 °С и для конструкционного керамзитобетона – 600 °С. Критическая температура нагрева арматуры ts, cr характеризует стадию образования пластического шарнира в растянутой зоне железобетонных конструкций и наступление предела огнестойкости при огневом воздействии.

Критическая температура нагрева арматуры ts, cr, при которой образуется пластический шарнир и наступает предел огнестойкости, ориентировочно равна для арматуры класса:

А240, А300 - 510 °С,

А500, А540 - 520 °С,

Вр1200 - Вр1500, К1400 и К1500 - 410 °С.

4.13 Расчет огнестойкости и огнесохранности рекомендуется производить по приведенному сечению, когда сечение элемента разбивается на малые характерные участки, нагретые до различных температур, и каждый малый участок приводится к ненагретому бетону с учетом соответствующих понижающих характеристик прочности бетона. При этом расчетная площадь приведенного сечения бетона может ограничиваться изотермой критических температур нагрева бетона tb, cr.

5 Свойства бетона и арматуры при огневом воздействии и после него

Бетон

сжатой зоны - ( 8.9, 8.10, 8.24 - 8.26, 8.39, 8.40);

сжатой полки - ( 8.15, 8.16, 8.17);

сжатого ребра - ( 8.16, 8.17);

поперечного сечения - ( 8.22, 8.56);

по температуре крайнего волокна - ( 5.6, 5.7);

по температуре в зоне анкеровки - ( 8.14).

Как определяется жаростойкость бетона?

При пожаре свойства железобетонных конструкций проявляют себя в огнеупорности и жаростойкости. Температура плавления бетона равна 1100—2000 °C в зависимости от внутреннего состава, добавленного в раствор. Начиная с 200 °C, происходит снижение прочности и растрескивание, но материал довольно огнестойкий и медленно модифицируется за счет малой скорости нагревания поверхности. Тепло выделяется в процессе испарения воды при разрушении целостности цемента, таким образом позволяя сопротивляться непродолжительному влиянию высоких температур. Для строительства рекомендуется использовать бетон с жаростойкими характеристиками.


Содержание

Воздействие высоких температур на бетон

Разрушение материала происходит послойно за счет ослабления прочности и давления паров, проникающих в поры конструкции. Структура видоизменяется вследствие высокой температуры в различных диапазонах:

  • Если температура при пожаре не достигла 200 °C, сжатие конструкции не происходит. При 250 °C и низкой влажности наступает стадия хрупкого разрушения.
  • При воздействии жара до 350 °C на поверхности бетона образуются трещины от усадки материала.
  • При температурном режиме, достигающем 450 °C, трещины возникают уже в зависимости от состава цемента и его характеристик.
  • Температура свыше 573 °C разрушает структуру бетонного слоя из-за изменения свойства α-кварца в β-кварц, увеличивая объем.
  • Температурные режимы от 750 °C приводят к полному разрушению бетона.

Бетонные части при пожаре не стоит поливать водой, так как это ведет к растрескиванию материала с разрушением верхнего слоя защиты, обнажая арматуру.

Температура плавления бетонных конструкций


В зависимости от температуры, которая воздействует на материал, происходит деформация и изменение цвета.

В журнале Civil Engineering в 2010 году были опубликованы методы определения критических температур и деформаций для решения вопросов огнеупорности. Согласно этому, расплав каждого элемента, который находится в составе цементного камня, меняется в зависимости от наличия даже небольшого количества примеси. По внешнему состоянию определяют температуру плавления:

  • Не достигая отметки в 300 °C, цвет конструкции становится розовым, на верхний слой налипает сажа.
  • При 600 °C окрашивается в красный, выгорает сажа.
  • При более высоких температурных режимах бетон становится бледным.

Самыми уязвимыми частями при пожаре считают изгибаемые элементы: балки, плиты и ригели. Арматура в этих конструкциях покрыта тонким слоем бетона. Поэтому эта часть быстро прогревается до критических температур и разрушается. Согласно предоставленной информации строительной документации по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций, ее остаточную прочность после стандартного пожара считают допустимой при сохранении основных характеристик. Расчет проводят на основании расчетных нагрузок, сопротивлении бетонного слоя и арматуры. При постройках зачастую делают искробезопасный пол. Покрывают его эпоксидной основой или полиуретаном.

Особенности огнестойких бетонов

Жаростойкий бетон производят с помощью материалов, которые под воздействием высоких температур не меняют свои характеристики. Для повышения жаропрочности применяют следующие методы:

  • Исключая плавление, горение и другие разрушения, в раствор вводят алюминиевые и кремниевые составляющие.
  • Для получения стандартной плотности до 600 МПа/см² домешивают в состав портландцемент.
  • Добавляют в смесь пористые вулканические или искусственные огнеупорные породы.

В состав ячеистых бетонов входит заполнитель на минеральной кремниевой основе. Так как кремний имеет свойство жаропонижения, то этот материал наиболее часто используют при строительстве с повышенными требованиями пожароопасности. Помимо этого, огнестойкие виды применяют для изготовления камер горения, тепловых электростанций и прочее.

Уровень огнестойкости железобетонных конструкций и колон

ЖБ конструкции с тонкими стенками в основном не имеют единой монолитной связи с другими частями. Они способны выдерживать температуру пламени и осуществлять свои основные функции на протяжении 1 часа. Максимальный уровень огнестойкости обусловлен размерами сечения конструкции, вида арматуры, качества класса бетона, выбранного вида заполнителя, защитного бетонного слоя и нагрузки, которую выдерживает конструкция.

Предел стойкости перекрытий, стен и колонн зависит от качества цементного раствора, его характеристик и толщины конструкций. Максимально крепкой считают сталь с температурными нагрузками до 1570 °C. Огонь наклоняет стены при возгораниях в сторону за счет прогревания с одной стороны. Чем больше нагрузка и меньше толщина слоя, тем ниже уровень сопротивляемости. Колонны могут сопротивляться действию разрушений за счет приложения нагрузки (центральной или вне ее центра), количества и качества крупного заполнителя, объема арматуры и защитного слоя из бетона.

Читайте также: