Огнестойкость железобетонных конструкций

Железобетонные конструкции благодаря их негорючести и сравнительно небольшой теплопроводности довольно хорошо сопротивляются воздействию агрессивных факторов пожара. Однако они не могут беспредельно сопротивляться пожару. Современные железобетонные конструкции, как правило, выполняют тонкостенными, без монолитной связи с другими элементами здания, что ограничивает их способность осуществлять свои рабочие функции в условиях пожара до 1 ч, а иногда и менее. Еще меньшим пределом огнестойкости обладают увлажненные железобетонные конструкции. Если повышение влажности конструкции до 3,5% увеличивает предел огнестойкости, то дальнейшее повышение влажности бетона плотностью более 1200 кг/м³ при кратковременном действии пожара может вызвать взрыв бетона и быстрое разрушение конструкции.

Предел огнестойкости железобетонной конструкции зависит от размеров ее сечения, толщины защитного слоя, вида, количества и диаметра арматуры, класса бетона и вида заполнителя, нагрузки на конструкцию и схемы ее опирания.

Предел огнестойкости ограждающих конструкций по прогреву — противоположной огню поверхности на 140 °C (перекрытия, стены, перегородки) зависит от их толщины, вида бетона и его влажности. С увеличением толщины и уменьшением плотности бетона предел огнестойкости возрастает.

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 предельной критической температуры. Предел огнестойкости этих конструкций зависит от толщины защитного слоя нижней рабочей арматуры, класса арматуры, 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 граней), а плиты — только со стороны нижней поверхности.

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

Выпускаемые заводами крупнопустотные предварительно напряженные настилы из тяжелого бетона с защитным слоем 20 мм и стержневой арматурой из стали класса А-IV 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 А-I и А-II — 0,75 ч; А-III (марки 25Г2С) — 1 ч.

В ряде случаев тонкостенные изгибаемые конструкции (пустотные и ребристые панели и настилы, ригели и балки при ширине сечения 160 мм и менее, не имеющие вертикальных каркасов у опор) при действии пожара могут разрушаться преждевременно по косому сечению у опор. Такой характер разрушения предотвращают путем установки на приопорных участках данных конструкций вертикальных каркасов длиной не менее ¼ пролета.

Плиты, опертые по контуру, имеют предел огнестойкости значительно выше, чем простые изгибаемые элементы. Эти плиты армированы рабочей арматурой в двух направлениях, поэтому их огнестойкость зависит дополнительно от соотношения арматуры в коротком и длинном пролетах. У квадратных плит, имеющих данное соотношение, равное единице, критическая температура арматуры при наступлении предела огнестойкости составляет 800 °C.

С увеличением соотношения сторон плиты критическая температура уменьшается, следовательно, снижается и предел огнестойкости. При соотношениях сторон более четырех предел огнестойкости практически равен пределу огнестойкости плит, опертых по двум сторонам.

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

Колонны. Предел огнестойкости колонн зависит от схемы приложения нагрузки (центральное, внецентренное), размеров поперечного сечения, процента армирования, вида крупного заполнителя бетона и толщины защитного слоя у продольной арматуры.

Разрушение колонн при нагревании происходит в результате снижения прочности арматуры и бетона. Внецентренное приложение нагрузки уменьшает огнестойкость колонн. Если нагрузка приложена с большим эксцентриситетом, то огнестойкость колонны будет зависеть от толщины защитного слоя у растянутой арматуры, т. е. характер работы таких колонн при нагревании такой же, как и простых балок. Огнестойкость колонны с малым эксцентриситетом приближается к огнестойкости центрально-сжатых колонн. Колонны из бетона на гранитном щебне обладают меньшей огнестойкостью (на 20%), чем колонны на известковом щебне. Это объясняется тем, что гранит начинает разрушаться при температуре 573 °C, а известняки начинают разрушаться при температуре начала их обжига 800° С.

Стены. При пожарах, как правило, стены обогреваются с одной стороны и поэтому прогибаются или в сторону пожара, или в обратном направлении. Стена из центрально-сжатой конструкции превращается во внецентренно сжатую с увеличивающимся во времени эксцентриситетом. В этих условиях огнестойкость несущих стен в значительной степени зависит от нагрузки и от их толщины. С увеличением нагрузки и уменьшением толщины стены ее предел огнестойкости уменьшается, и наоборот.

С увеличением этажности зданий нагрузка на стены возрастает, поэтому для обеспечения необходимой огнестойкости толщину несущих поперечных стен в жилых зданиях принимают равной (мм): в 5… 9-этажных зданиях — 120, 12-этажных — 140, 16-этажных — 160, в домах высотой более 16 этажей — 180 и более.

Однослойные, двухслойные и трехслойные самонесущие панели наружных стен подвергаются действию небольших нагрузок, поэтому огнестойкость этих стен обычно удовлетворяет противопожарным требованиям.

Несущая способность стен при действии высокой температуры определяется не только изменением прочностных характеристик бетона и стали, но главным образом деформативностью элемента в целом. Огнестойкость стен определяется, как правило, потерей несущей способности (разрушением) в нагретом состоянии; признак же обогрева «холодной» поверхности стены на 140° С не является характерным. Предел огнестойкости находится в зависимости от рабочей нагрузки (запаса прочности конструкции). Разрушение стен от одностороннего воздействия происходит по одной из трех схем:

• 1) с необратимым развитием прогиба в сторону обогреваемой поверхности стены и ее разрушением в середине высоты по первому или второму случаю внецентренного сжатия (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 переменной направления прогиба, как и в схеме 1, но разрушение стены происходит в приопорных зонах по бетону «холодной» поверхности или по косым сечениям.

Первая схема разрушения характерна для гибких стен, вторая и третья — для стен с меньшей гибкостью и платформенно опертых. Если ограничить свободу поворота опорных сечений стены, как это имеет место при платформенном опирании, уменьшается ее деформативность и поэтому предел огнестойкости увеличивается. Так, платформенное опирание стен (на не смещаемые 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.

Основные принципы расчета огнестойкости железобетонных конструкций Огнестойкость железобетонных конструкций утрачивается, как правило, в результате потери несущей способности (обрушения) за счет снижения прочности, теплового расширения и температурной ползучести арматуры и бетона при нагревании, а также вследствие прогрева не обращенной к огню поверхности на 140° С. По этим показателям — предел огнестойкости железобетонных конструкций может быть найден расчетным путем.

В общем случае расчет состоит из двух частей: теплотехнической и статической.

В теплотехнической части определяют температуру по сечению конструкции в процессе ее нагревания по стандартному температурному режиму. В статической части вычисляют несущую способность (прочность) нагретой конструкции. Затем строят график (рис. 3.7) снижения ее несущей способности во времени. По этому графику находят предел огнестойкости, т. е. время нагревания, по истечении которого несущая способность конструкции снизится до рабочей нагрузки, т. е. когда будет иметь место равенство: М_рt (N_рt) = М_n(М_n), где М_рt (N_рt) — несущая способность изгибаемой (сжатой или внецентренно сжатой) конструкции;

М_n(М_n), — изгибающий момент (продольное усилие) от нормативной или другой рабочей нагрузки.