Здания и их устойчивость при пожаре / Roytman - Zdaniya i ikh ustoychivost pri pozhare 2013

изгибаемых элементов. Он зависит от соотношения площадей сечения опорной и пролетной арматуры одного класса, т. е. от соотношения равнодействующих усилий, воспринимаемых арматурой на опорах

и в пролете Nsup .

Nl

С увеличением этого отношения предел огнестойкости элементов повышается. Если данное соотношение составляет величину порядка 0,25, то увеличение предела огнестойкости статически неопределимого элемента по сравнению со статически определимыми составляет 10 %, при соотношении 0,5 – увеличение достигает 25 %, при соотношении 1,0 – 50 %, при соотношении 2,0 – 150 %.

Влияние статической неопределимости конструкций на предел огнестойкости должно учитываться при соблюдении следующих требований:

–не менее 20 % требуемой на опоре верхней арматуры должно проходить над серединой пролета;

–верхняя арматура над крайними опорами неразрезной системы должна заводиться на расстояние не менее 0,4l в сторону пролета от опоры

изатем постепенно обрываться (l – длина пролета);

–вся верхняя арматура над промежуточными опорами должна продолжаться к пролету не менее чем на 0,15l и затем постепенно обрываться [77].

Таким образом, с точки зрения огнестойкости выгодно увеличивать армирование опорных сечений.

Рассматриваемая схема возникновения предельного равновесия балки, защемленной на опорах, предполагает наличие трех пластических шарниров как необходимого и достаточного условия для оценки несущей способности балки в условиях пожара. Но на практике не исключены случаи таких конструктивных решений элементов, при которых пластические шарниры на опорах могут не возникнуть. В этом случае огнестойкость конструкции будет определяться предельным моментом наиболее опасного сечения.

Разрушение статически определимых изгибаемых элементов может происходить не только по растянутой зоне, но и по сжатому бетону. В этом случае сжатая зона разрушается раньше начала резкого увеличения деформаций температурной ползучести растянутой арматуры. Такой характер разрушения изгибаемых элементов происходит из-за криволинейного распределения температуры по высоте сечения. Разрушение такого типа характерно для переармированных изгибаемых железобетонных элементов, работающих в условиях эксплуатации при предельно допустимых нагрузках. Потеря несущей способности происходит от хрупкого разрушения сжатой зоны бетона при сравнительно небольших деформациях растянутой арматуры.

241

8.1.2.Сжатые железобетонные конструкции

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 толщины защитного слоя бетона.

В условиях пожара по сечению колонн наблюдается перепад температур порядка 800–1 000 °С с наименьшей температурой в центре сечения. Поэтому фактическая прочность бетона по сечению колонн изменяется от первоначальной величины (при 20 °С) до нуля (при критической температуре и выше). Это и определяет поведение колонн в условиях пожара.

Неравномерность нагрева вызывает перераспределение напряжений по сечению колонны. Температурные напряжения возрастают при увеличении температурного перепада между средней частью сечения колонны

иповерхностью ее обогрева (20–30 мин). В начальный период обогрева наблюдается удлинение колонны. Устойчивость колонны в начальной стадии пожара не снижается в связи с тем, что сечение колонны сохранено

ив средней части несколько разгружено.

Дальнейшее развитие пожара приводит к нагреву защитного слоя бетона до 600–800 °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 деформаций ползучести, усадки, снижения прочности. Это вызывает увеличение напряжений в центре сечения колонны, слабо нагретый бетон сохраняет прочность и упругость.

После 1–1,5 ч огневого воздействия колонны начинают укорачиваться. Спустя 2–3 ч высота нагретых колонн примерно равна их высоте в нагруженном состоянии до пожара. Нагруженные слои бетона и рабочая арматура, нагретые до температуры выше 550 °С, теряют прочность и в дальнейшей работе практически участия не принимают. Колонна ведет себя аналогично бетонной. Колонны укорачиваются с возрастающей скоростью до момента их обрушения.

Колонны с продольным армированием разрушаются под действием огня с отпаданием защитного слоя, выпучиванием рабочей арматуры

ираздроблением бетона в ядре сечения, как правило, в средней части по высоте.

Наступление предельного состояния колонн с косвенной арматурой характеризуется не выпучиванием продольной рабочей арматуры, а пластическим течением образцов. Скорость нагрева бетона по сечению колонн размером 30×30 см с косвенным армированием в течение 2,5 ч такая же, как

иу элементов с гибкой арматурой. Однако в дальнейшем она вырастает

ик моменту разрушения колонн с косвенным армированием ядро сечения

242

прогревается до 450–500 °С, в то время как у элементов с гибкой арматурой – до 150 °С. Критическая температура бетона на границе ядра сечения выше, поэтому огнестойкость косвенно армированных элементов

в1,5–2 раза выше, чем у колонн с гибкой арматурой.

Впрактике современного строительства все более широкое применение находят колонны из высокопрочного бетона. Проведенные огневые испытания колонн из высокопрочного бетона на крупном заполнителе из гранита, армированных вязаными каркасами с симметричным расположением четырех продольных стержней из арматуры класса А(400)А-III (марка стали 35 ГС) диаметром 12 и 18 мм (µ = 0,52 % и µ = 1,13 %), позволили установить следующее.

Предел огнестойкости колонн наступал в результате исчерпания прочности на сжатие бетона, температура которого в центре сечения составляла 150–170 °С, а по боковым граням – 900–950 °С.

Предел огнестойкости этих колонн зависел и от уровня рабочей нагрузки, с увеличением которой предел огнестойкости колонн уменьшался.

Косвенное армирование увеличивает огнестойкость колонн. Средний предел огнестойкости колонн с косвенным армированием на 19 % больше, чем у колонн без косвенного армирования.

Разрушение колонн происходило при сравнительно малых деформациях, что свидетельствует о низкой деформативности высокопрочного бетона в условиях пожара.

Внецентренно сжатые колонны работают на сжатие с изгибом аналогично железобетонным балкам.

8.1.3.Растянутые железобетонные элементы

Характерной особенностью поведения в условиях пожара растянутых железобетонных элементов является то, что предельное состояние, обусловливаемое работой на растяжение, наступает в момент, когда прочность арматуры снижается до величины, равной напряжению от нормативной нагрузки.

8.1.4.Предварительно напряженные железобетонные конструкции

При огневом воздействии в предварительно напряженных железобетонных конструкциях происходят дополнительные потери предварительного напряжения под действием: температурной усадки и ползучести бетона на уровне продольной арматуры; релаксации напряжений в арматуре за счет ее температурной ползучести; разности температурных деформаций бетона и арматуры; снижения модуля упругости арматуры при нагреве.

243

Учет дополнительных потерь предварительного напряжения в арматуре необходим при расчете деформаций, образования трещин и при решении вопроса о возможности дальнейшего использования изгибаемых железобетонных элементов после пожара.

При огневом воздействии бетон на уровне продольной арматуры интенсивно прогревается и происходит температурная усадка бетона. Деформации температурной усадки обычного бетона даже при кратковременном нагреве больше, чем при нормальной температуре. Величина потерь предварительного напряжения от температурной усадки σcs принимается 40 МПа [4].

Потери предварительного напряжения арматуры от релаксации напряжений в ней за счет развития пластических деформаций при нагреве зависят от величины напряжений в арматуре и температуры ее нагрева.

Предварительное напряжение в продольной стержневой горячекатаной арматуре класса А(600)А-IV через 30 мин огневого воздействия исчерпывается полностью. Балки, армированные высокопрочной проволокой периодического профиля класса Вр1500 (Вр-II), сохраняют предварительное напряжение дольше, в течение 45 мин нагрева. Это объясняется большей величиной предварительного напряжения в проволочной арматуре по сравнению с горячекатаной стержневой.

Потери предварительного напряжения при нагреве выше 200 °С происходят в основном за счет релаксации напряжений в арматуре и разности температурного расширения арматуры и бетона, величина которых в среднем составляет соответственно 35 и 50 % общей потери для стержневой арматуры, 50 и 38 % – для высокопрочной проволоки.

Испытания, проведенные на образцах с напрягаемой и ненапрягаемой арматурой, позволили сделать вывод, что предварительное напряжение арматуры не влияет на предел огнестойкости изгибаемых элементов при разрушении по растянутой арматуре.

При разрушении изгибаемого элемента в растянутой зоне из-за снижения прочности стали с повышением температуры критическая температура нагрева напряженной арматуры будет одновременно являться критической и для ненапряженной арматуры. Однако напряженная и ненапряженная арматуры из стали одной марки с равной площадью поперечного сечения при нагреве до одинаковой температуры будут иметь разные деформации.

К началу текучести обе арматуры будут иметь разные деформации. Но предел огнестойкости, как показывают результаты испытаний, не зависит от абсолютной величины полных деформаций арматуры, а зависит от снижения прочности стали и от интенсивности развития полных деформаций при нагреве.

244

При разрушении изгибаемого элемента по растянутой арматуре предварительное напряжение арматуры не влияет на предел огнестойкости, но отдаляет момент раскрытия трещин.

8.1.5.Несущие и самонесущие стены

Если несущие стены зданий и сооружений выполняются из железобетона, то в условиях пожара их огнестойкость нельзя считать заведомо обеспеченной.

Сопротивляемость стен огню существенно зависит от их толщины

ирабочей нагрузки. Уменьшение толщины сечения элемента и увеличение нагрузки существенно снижают сопротивляемость стен огню [49].

Подтверждением влияния этих факторов на огнестойкость несущих железобетонных стен являются результаты огневых испытаний стен толщиной 120–180 мм при проценте армирования всего сечения 0,06–0,8 %

инагрузке 130–1670 кН/м.

На рис. 8.4 представлены изменения пределов огнестойкости железобетонных стен в зависимости от нагрузки, процента армирования и схемы опирания [49].

Результаты испытаний [49] позволили сделать вывод, что при одностороннем огневом воздействии разрушение стен происходит по одной из трех основных схем:

1. С необратимым развитием прогиба в сторону обогреваемой поверхности стены и ее разрушением в середине высоты по нагретой арматуре или «холодному» бетону. Эта схема характерна для гибких стен, у которых гибкость λ = l0 / h > 16, где l0 – расчетное значение высоты стены; h – толщина стены.

2. С прогибом элемента вначале в сторону обогрева, а на конечной стадии – в противоположную с разрушением в середине высоты сечения по нагретому бетону или «холодной» растянутой арматуре.

3. С переменой направления прогиба аналогично второй схеме, но разрушение стены происходит в приопорных зонах по бетону «холодной» поверхности или наклонным сечениям.

Вторая и третья схемы характерны для стен с гибкостью λ < 16 и платформенным опиранием. При платформенном опирании панелей ограничивается свобода поворотных сечений. Это уменьшает деформацию стен при температурном воздействии. Поэтому стены с жестким платформенным опиранием имеют предел огнестойкости больше, чем панели с шарнирным опиранием (примерно в два раза), независимо от схемы разрушения элемента.

Уменьшение процента армирования стен снижает предел огнестойкости стен с шарнирным опиранием (на 25–30 %) и практически не влияет на огнестойкость стен с платформенным опиранием.

245

0 100 200 300 400 500 600 ч

Рис. 8.4. Пределы огнестойкости сплошных несущих стен толщиной h = 140 мм

взависимости от действующей нагрузки Nn, процента армирования µ (бетон на гранитном щебне, класс бетона В40) и схемы опирания:

а– платформенное опирание через слой цементного раствора;

б– жесткое платформенное опирание

При двухстороннем нагревании стен (межкомнатные стены) конструкция работает на «центральное» сжатие и поэтому предел ее огнестойкости не ниже, чем в случае одностороннего обогрева.

Огнестойкость самонесущих и несущих панелей нормируется в зависимости от конструктивного исполнения, толщины или наименьшего размера сечения и степени нагруженности. Защита узлов крепления панелей должна обеспечивать их прочность в течение времени, равного требуемому пределу огнестойкости конструкции.

Несущая способность подобных конструкций в условиях пожара определяется не столько прочностными характеристиками бетона и стали, сколько деформацией элемента. Конструкция из центрально-сжатой превращается во внецентренно сжатую с увеличивающимся во времени эксцентриситетом. Значение и направление прогиба зависят от гибкости элемента, способа опирания его концов, нагрузки, перепада температур по сечению стены и упругопластических свойств материалов.

246

8.2.Конструктивные способы повышения огнестойкости железобетонных конструкций

Повышение предела огнестойкости железобетонных конструкций может быть достигнуто различными способами, в том числе и конструктивными. К числу таких способов можно отнести: увеличение толщины защитного слоя бетона; применение теплоизолирующих покрытий и специальных бетонов; применение арматурной стали с более высокой критической температурой нагрева; обоснованное увеличение в процессе проектирования сечений элементов конструкций; изменение статической схемы элемента; изменение условий обогрева и т. д.

Как известно, защитный слой бетона для рабочей арматуры должен обеспечивать совместную работу арматуры с бетоном на всех стадиях работы конструкции, а также защиту арматуры от внешних атмосферных, температурных и тому подобных воздействий. Толщина защитного слоя бетона нормируется и назначается в зависимости от вида конструкций (плиты, стены, балки, ребра и т. д.).

Увеличение толщины защитного слоя бетона уменьшает скорость нагрева арматуры, тем самым повышая огнестойкость железобетонных плит. Более эффективным оказывается применение специальных штукатурок (с использованием асбеста, перлита, вермикулита и т. п.). Даже при небольшой толщине таких штукатурок (1,5–2 см) огнестойкость железобетонных плит может быть увеличена в несколько раз.

От величины защитного слоя бетона и его теплотехнических свойств зависит работа железобетонных прогонов, ригелей и балок в условиях пожара.

Поведение сжатых элементов в условиях пожара также зависит от эффективной работы защитного слоя бетона.

Чтобы обеспечить требуемую огнестойкость колонн, необходимо добиться совместной работы ядра сечения колонны и защитного слоя бетона при нагреве. Наиболее надежный способ создания таких условий – установка проволочной сетки между рабочей арматурой и поверхностью колонн (в защитном слое бетона) или установка косвенного армирования в виде сеток по сечению колонны.

Применение косвенного армирования увеличивает предел огнестойкости железобетонных колонн с гибкой арматурой в 1,5–2 раза, за исключением гибких колонн и при больших эксцентриситетах приложения нагрузки.

Существенного увеличения огнестойкости колонн можно добиться путем увеличения процента армирования, а также перемещением части арматуры от периферии к центру [4, 59, 60].

247

Таким образом, увеличение процента армирования на 5,76 % увеличило Пф в 1,3–1,4 раза. Перемещение 50 % арматуры от периферии к центру увеличивает Пф в 1,5 раза.

Характер разрушения железобетонных элементов зависит от степени снижения прочностных и деформативных свойств бетона и арматуры с ростом температуры в условиях пожара. На предел их огнестойкости существенное влияние оказывает начальная прочность бетона и его влажность, размеры и конфигурация поперечного сечения, внешняя нагрузка и характер ее приложения и др.

Повышение прочности и модуля упругости бетона приводит к увеличению пределов огнестойкости. Так, увеличение возраста бетона с 75 до 400 сут повышает огнестойкость балок в 1,25 раза.

При воздействии высоких температур в условиях пожара более влажный бетон прогревается медленнее за счет испарения воды. Повышение огнестойкости массивных сечений железобетонных конструкций, обладающих более высоким влагосодержанием, происходит вследствие расхода тепла на теплоту парообразования.

При огневом воздействии более толстые плиты деформируются меньше, чем тонкие. С уменьшением относительной высоты сжатой зоны деформации растянутой арматуры к моменту разрушения сжатого бетона увеличиваются. Подобный эффект получается и при уменьшении процента армирования.

Тонкостенные элементы железобетонных плит в условиях пожара разрушаются по бетону сжатой зоны. Это объясняется неравномерным нагревом по сечению. На приопорных участках тонкостенных плит в начальной стадии огневого воздействия образуются наклонные трещины, вызванные действием главных растягивающих напряжений, обусловленных воздействием внешней нагрузки и температуры. Характерным для разрушения железобетонных плит по наклонным сечениям является небольшое раскрытие наклонных трещин и незначительный прогиб элемента. Анкеровка элементов не нарушается.

В ребристых плитах с ребрами вверху хрупкому разрушению по бетону способствует неразвитая сжатая зона бетона, его низкая прочность и отсутствие сжатой арматуры.

Для повышения огнестойкости тонкостенных плит, разрушающихся по сжатому бетону, необходимо увеличить ширину сжатой зоны (ребер плиты), армировать бетон сжатой арматурой, устанавливать вертикальные стальные каркасы на приопорных участках с шагом хомутов не более 100 мм. Возможно применение бетонов более высоких классов и преднапряжение арматуры.

248

Значительное повышение пределов огнестойкости (в 2–2,5 раза) составных плит достигается за счет подвесного потолка, выполняющего роль защитного экрана.

Огнестойкость сжатых элементов значительно повышается с увеличением их поперечного сечения.

На огнестойкость железобетонных конструкций существенное влияние оказывают способы опирания и сочленения элементов конструкций.

Огнестойкость статически определимых балок в основном определяется размерами сечения и скоростью нагрева рабочей арматуры.

В неразрезных балках во время пожара происходит перераспределение усилий вследствие изменения их напряженного состояния. Например, в двухпролетной неразрезной балке с жесткой опорой посередине и шарнирным опиранием на концах при пожаре происходит перераспределение моментов. В результате неравномерного нагрева по сечению балки возникает температурная кривизна, приводящая к выгибу свободно опертых концов и разгрузке крайних опор. Средняя опора при этом дополнительно нагружается. Это приводит к увеличению отрицательного момента на средней опоре и к уменьшению положительного момента в пролетах. Но рабочая арматура над средней опорой прогревается медленнее, так как расстояние от обогреваемой грани сечения до центра тяжести арматуры значительно больше, чем в пролетах.

Пределы огнестойкости защемленных балок в 2–2,5 раза выше, чем у свободно опертых, поскольку такая балка полностью разрушится лишь в момент образования третьего пластического шарнира в сечении, где действует максимальный изгибающий момент.

К конструктивным решениям, направленным на повышение несущей способности железобетонных конструкций, также можно отнести следующие:

–изменение схемы обогрева конструкций при возможном пожаре;

–применение защитных устройств, включающих теплозащитные покрытия;

–применение специальных бетонов, например жаростойких;

–уменьшение нагрузки на конструкцию.

Например, снижение рабочих напряжений в растянутой арматуре на 1 % увеличивает время сопротивления железобетонного элемента (плиты) огню на 1,33 %.

Большое значение имеет защита узлов и сочленений железобетонных конструкций в условиях пожара от прямого воздействия огня.

Металлические сочленения в виде закладных деталей, анкеров и других элементов соединений защищаются слоем бетона или другим материалом. При этом толщина защитного слоя подбирается с таким расчетом,

249

чтобы предел огнестойкости защищаемой детали или узла был не менее предела огнестойкости основной несущей конструкции. Стыки, а также швы в ограждающих конструкциях герметизируются.

Монтажные соединения панелей всех типов выполняют сваркой стальных закладных деталей и заполнением бетоном швов между плитами. В продольных боковых гранях плит предусматривают впадины, предназначенные для образования (после замоноличивания швов) прерывистых шпонок, обеспечивающих совместную работу плит на сдвиг в вертикальном и горизонтальном направлениях. При таком соединении сборных элементов перекрытия представляют собой жесткие горизонтальные диафрагмы.

8.3.Поведение каменных конструкций при воздействии пожара

При пожаре каменные конструкции начинают разрушаться, как правило, с линии вертикальных швов. По мере увеличения нагрузки возникают трещины большой протяженности. Кладка расслаивается на отдельные столбики, которые разрушаются при возникновении эксцентриситета приложения нагрузки при продольном изгибе, что ведет к раздроблению камня.

Огнестойкость каменных конструкций зависит от их конструктивного исполнения, сечения, теплофизических свойств каменных материалов и способов обогрева.

Каменные конструкции работают в основном на сжатие и бывают несущими и самонесущими. Обладая хорошими теплофизическими свойствами и массивностью, каменные конструкции хорошо сопротивляются воздействию огня в условиях пожара.

Конструкции, выполненные из глиняного кирпича, обладают высоким пределом огнестойкости и являются надежной преградой распространению пожара. В отличие от обыкновенного глиняного кирпича эффективные (пористый, дырчатый, щелевой, пустотелый) кирпичи обладают меньшей плотностью и более низким коэффициентом теплопроводности. Кирпичные конструкции в условиях пожара удовлетворительно выдерживают температуру 700–900 °С, не разрушаясь и практически не снижая своей прочности. Наблюдаются только поверхностные повреждения кладки в виде волосных трещин и отслаивания тонких слоев.

Широко применяемые в строительстве конструкции из силикатного кирпича обладают такими же пределами огнестойкости, как и из глиняного кирпича, так как их теплофизические характеристики одинаковы. В условиях пожара силикатный кирпич уступает глиняному по прочности.

250