Огнестойкость железобетонных и металлических конструкций

Железобетонные конструкции благодаря небольшой теплопроводности довольно хорошо сопротивляются воздействию пожара. Однако они не могут беспредельно противостоять пожару. Современные железобетонные конструкции, как правило, вы­полняют тонкостенными, без монолитной связи с другими элементами здания, что ограничивает их способности нести свои рабочие функции в условиях пожара до 1 ч, а иногда и менее. Еще меньшим пределом 1 огнестойкости обладают увлажненные железобетонные конструкции. Если повышение влажности конструкции до 3,5% увеличивает предел огнестойкости, то дальнейшее повышение влажности бетона объемной массой более 1200 кг/м³ при кратковременном действии пожара может вызвать взрывообразное разрушение бетона и привести к быстрому разрушению конструкции.

Рис. 23.5. Схема установки на огневую печь образца горизон­тальной ограждающей кон­струкции:

1— огневая печь; 2 — образец; 3, 4 — термопары (термопару 4 следует рас­полагать на границе ближайшего к огневой лечи слоя, выполненного из сгораемого или трудносгораемого ма­териала); 5 — уплотнение из мине­ральной ваты; 6 —проем огневой печи; 7 — контрольная зона; 8 — граница контрольной зоны

Рис. 23.6. Схема установки на огневую печь образца вертикальной ограждающей кон­струкции:

1 — огневая печь; 2 — образец; 3, 4 — термопары (тер­мопару следует располагать на гранте ближайшего к огневой печи слоя, выполненного из сгораемого или трудносгораемого материала); 5 — уплотнение из ми­неральной ваты; 6 — проем огневой печи; 7 — контрольная зона; 8 — граница контрольной зоны

Предел, огнестойкости по признаку по­тери несущей способности зависит от вида и статической схемы опирания конст­рукции. Однопролетные, свободно опер­тые изгибаемые элементы (балочные, плиты, панели и настилы перекрытий, балки, прогоны) при действии пожара разрушаются в результате нагревания продольной нижней рабочей арматуры до определенной критической температуры. Предел огнестой­кости этих конструкций зависит от толщины защитного слоя нижней ра­бочей арматуры, величины рабочей нагрузки и теплопроводности бе­тона. У балок и прогонов предел огнестойкости зависит еще от ширины сечения.

При одних и тех же конструктивных параметрах предел огнестойко­сти балок меньше, чем плит, так как при пожаре балки обогреваются с трех сторон (со стороны нижней и двух боковых), а плиты — только со стороны одной поверхности.

Наилучшей арматурной сталью, с точки зрения огнестойкости, является сталь класса A-III марки 25Г2С. Критическая температура этой стали в момент наступления предела огнестойкости конструкции, загруженной нормативной нагрузкой, составляет 570°С.

Предел огнестойкости многопустотных и тонкостенных (ребрами вверх) настилов и панелей перекрытий примерно на 20% меньше предела огнестойкости панелей и плит сплошного сечения.

Выпускаемые заводами крупнопустотные предварительно напряжен­ные настилы из тяжелого бетона с защитным слоем 20 мм и стержневой арматурой из стали класса А-IV (марок 30 ХГ2С, 80С) имеют предел

огнестойкости 1 ч, что позволяет использовать данные настилы в жилых зданиях.

Плиты и панели сплошного сечения из обычного железобетона при защитном слое 10 мм имеют пределы огнестойкости: арматура из стали классов A-I и А-Н — 0,75 ч; A-III (марка 25Г2С) —1 ч. В ряде случаев тонкостенные изгибаемые конструкции (пустотные ребристые панели и настилы, ригели и балки при ширине сечения см и менее, не имеющие вертикальных каркасов у опор) при действии шара могут разрушаться преждевременно по косому сечению у шор. Такой характер разрушения предотвращают путем установки приопорных участках данных конструкций вертикальных каркасов длиной не.менее 1/₄ пролета.

Плиты, опертые по контуру, имеют предел огнестойкости значительно выше, чем простые изгибаемые элементы.

Статически неопределимые балки и балочные плиты при нагревании утрачивают несущую способность в результанте разрушения опорных пролетных сечений. Сечения в пролете разрушаются в результате снижения прочности нижней продольной арматуры, а опорные сечения — следствие потери прочности бетона в нижней сжатой зоне, прогревающейся до высоких температур. Скорость прогрева этой зоны зависит размеров поперечного сечения. Поэтому огнестойкость статически неопределимых балочных плит зависит от их толщины, а балок — от щирины и высоты сечения. При больших размерах поперечного сечения предел огнестойкости рассматриваемых конструкций значительно выше, статически определимых (однопролетные свободно опертые балки и плиты), и в ряде случаев (у толстых балочных плит, у балок, имеющих 1ьную верхнюю опорную арматуру) практически не зависит от толщины защитного слоя у продольной нижней арматуры.

Колонны из бетона на гранитном щебне обладают меньшей огнестойкостью (~ на 20%), чем колонны на заполнителе из известнякового щебня. Это объясняется тем, что кварц. входящий в состав гранита, разрушается при температуре 570°С, а из­вестняки начинают разрушаться при температуре начала их обжига — 800°С.

При пожарах, как правило, стены обогреваются с одной стороны и поэтому прогибаются или в сторону обогреваемой поверхности, или в обратном направлении.

Стена из центральносжатой конструкции превращается во внецент-ренно сжатую с увеличивающимся во времени эксцентриситетом. В этих условиях огнестойкость несущих стен в большей степени зависит от нагрузки и их толщины. С увеличением нагрузки и уменьшением тол­щины стены предел ее огнестойкости уменьшается, и наоборот.

С увеличением этажности зданий нагрузка на стены возрастает, юэтому для необходимой огнестойкости толщину несущих поперечных jtch в жилых зданиях принимают равной: в 5— 9-этажных домах — 12 см, в 12-этажных — 14 см, в 16-этажных— 16 см, в домах высотой 5олее 16 этажей — 18 см и более.

Одно-, двух- и трехслойные самонесущие панели наружных стен подвергаются действию небольших нагрузок, поэтому огнестойкость этих стен обычно удовлетворяет противопожарным требованиям.

Испытаниями на огнестойкость стен из тяжелого и легкого бетона толщиной от 12 до 20 см установлено, что у стен при одностороннем воздействии высокой температуры образуется значительный темпера­турный прогиб, направленный в сторону нагревания (при проценте армирования всего сечения от 0,06 до 0,8 и нагрузке от 8 до 160 т/м);

изменяется схема работы эле­мента: из центрально сжатого он превращается во внецентренно сжатый со все увеличи­вающимся эксцентриситетом. Величина прогиба зависит от гибкости элемента, способа его опирания, нагрузки, перепада температуры по сечению и упругопластических свойств ма­териалов. Огнестойкость стен определяется потерей их несу­щей способности (разруше­нием в нагретом состоянии); признак же обогрева «холод­ной» поверхности стены до 140°С не является характер­ным. Предел огнестойкости стен находится в зависимости от рабочей нагрузки (запаса

прочности конструкции), рис 23.7. Разрушение стен от одностороннего воздействия огня происходит по одной из трех схем: 1) с необратимым развитием прогиба в сторону обогреваемой поверхности стены и ее разрушением в середине высоты по нагретой арматуре или «холодному» бетону 2) с прогибом элемента в начале в сторону нагревания, а на конечной

стадии в противоположном направлении; разрушение — в середине

высоты по нагретому бетону или по «холодной» (растянутой) арматуре;

3) с переменой направления прогиба, но разрушение стены происходи

в приопорных зонах по бетону «холодной» поверхности или по косым

течениям.

Рис. 23.7. Предел огнестойкости шарнирно – опортых железобетонных стен: 1 —стена толщиной 14,5 см с процентом армирования 0,75 и кубиковой прочностью бетона 37-10⁶ Н/м²; 2 — стена толщиной 12,5 см с процентом армирования 0,09 и кубиковой прочностью бетона 37-10⁶ Н/м²

Первая и третья схемы характерны для стен с меньшей гибкостью и платформенно опертых. Если ограничить свободу поворота опорных

сечений стены, как это имеет место при платформенном опирании, то предел огнестойкости увеличивается. Так, платформенное опирание стен (на несмещаемые плоскости) увеличивало предел огнестойкости в среднем в два раза по сравнению с шарнирным опиранием независимо от схемы разрушения элемента.

Уменьшение процента армирования стен при шарнирном опирании снижает предел огнестойкости; при платформенном же опирании изменение в обычных пределах армирования стен на их огнестойкость практически не влияет. При нагревании стены одновременно с двух сторон межкомнатные стены) у нее не возникает температурного прогиба, конструкция продолжает работать на центральное сжатие, и поэтому предел огнестойкости не ниже, чем в случае одностороннего обогрева.

В строительстве применяют металлические конструкции, выполненные из стали, чугуна, сплавов алюминия. Наиболее распространены конструкции из сталей различных классов и марок. Стальные конструкции значительно легче и удобнее при монтаже, чем равные по несущей способности железобетонные конструкции. Однако в условиях пожара под действием высокой температуры стальные конструкции часто обрушиваются. Последствия пожаров, а также испытания на огнестойкость показали, что большинство стальных конструкций деформируется и теряет устойчивость и несущую способность через 15 мин интенсивного воздействия на них пожара или при гневом испытании. Несколько дольше сопротивляются воздействию огня толстостенные стальные конструкции, а также конструкции с большими запасами прочности.

В тех случаях, когда в проектируемом здании возможен пожар продолжительностью более 15 мин и требуется сохранить стальные, конструкции здания, необходима зашита таких конструкций от огня.