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

3.5.2.Крыши

Крыши – наружные (венчающие здание) несущие и ограждающие конструкции, в состав которых входят несущие элементы, паро- и теплоизоляционные слои, кровля (гидроизоляция). По структуре крыши разделяют на чердачные и бесчердачные (совмещенные).

Чердачные крыши устраивают в основном в жилых домах и некоторых типах сельскохозяйственных зданий. Чердак, используемый для размещения инженерных коммуникаций или бытовых нужд, отделяет чердачное перекрытие от собственно крыши, в состав которой входят кровля (гидроизоляция) и несущие элементы, поддерживающие кровлю в заданном положении.

Бесчердачные крыши устраивают в гражданских, производственных и сельскохозяйственных зданиях. Особенностью таких крыш является совмещение всех слоев в единой конструкции (рис. 3.34). Поэтому бесчердачные крыши называют совмещенными покрытиями.

5 3

2

6

а

4

5

2

1

6

1

б

Рис. 3.34. Совмещенные покрытия гражданских зданий:

а – невентилируемое; б – вентилируемое:

1 – плита перекрытия; 2 – утеплитель; 3 – стяжка; 4 – кровельная панель; 5 – гидроизоляция; 6 – пароизоляция

Совмещенные покрытия могут быть невентилируемыми и вентилируемыми. Устройство невентилируемых покрытий (рис. 3.34, а) допускается в районах с расчетной зимней температурой до −30 °С во избежание промерзания конструкции.

111

Совмещенное вентилируемое покрытие отличается от невентилируемого наличием воздушного пространства над утеплителем. Вентиляция этого пространства для удаления из утеплителя излишней влаги осуществляется воздухом, поступающим через продухи в наружных стенах (рис. 3.34, б).

В промышленных и сельскохозяйственных зданиях применяют преимущественно невентилируемые плоскостные совмещенные покрытия, несущими элементами в которых служат железобетонные или металлические балки или фермы, реже рамы или арки, а ограждающими элементами – панели из бетона или других материалов.

3.6.Лестницы и лестничные клетки

Лестницы – вертикальные коммуникации. Они используются в зданиях высотой в два и более этажей и предназначаются для связи между этажами, эвакуации людей и организации доступа пожарных к очагу пожара.

По функциям, выполняемым во время пожара, различают лестницы, предназначенные для эвакуации людей, и пожарные лестницы.

Конструкции лестниц, предназначенных для эвакуации людей, должны обеспечивать удобство и безопасность движения, быть огнестойкими и индустриальными.

По расположению в здании лестницы делят на внутренние закрытые (в лестничных клетках), внутренние открытые и наружные.

В состав лестниц входят площадки (этажные и промежуточные) и марши (совокупность ступеней между площадками) (рис. 3.35).

2

		Пол 2-го этажа
1	3
			1 650
	300	300	650
		150
			1
	3	150

2

3 000 Пол 1-го этажа

Рис. 3.35. Двухмаршевая лестница в разрезе:

1 – промежуточная площадка; 2 – этажная площадка; 3 – марш

112

По количеству маршей лестницы бывают: одномаршевые, двухмаршевые, трехмаршевые (рис. 3.36).

Одномаршевая

Двухмаршевая

Рис. 3.36. Одномаршевая и двухмаршевая лестницы

Если лестницы служат для эвакуации людей, то по требованиям пожарной безопасности их ограждают со всех четырех сторон и сверху огнестойкими ограждениями, образующими отдельное помещение – лестничную клетку.

По материалам лестницы различают: деревянные, бетонные, железобетонные, металлические. Наиболее огнестойкими, а потому и наиболее распространенными являются железобетонные лестницы.

По способу изготовления различают сборные и монолитные лестницы. Монолитные железобетонные лестницы применяют главным образом в театрах, дворцах культуры, клубах и других общественных зданиях в тех

случаях, когда лестнице придается нетиповое решение. Устройство таких лестниц требует сложной опалубки и проведения всех работ по их возведению на строительной площадке.

113

4.Особенностиповедения ипожарная опасность строительных материалов, конструкций, зданий, сооружений

4.1.Основные факторы, определяющие поведение строительных материалов в условиях пожара

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

На материалы строительных конструкций в условиях обычной эксплуатации зданий и сооружений воздействует большое количество факторов, которые могут приводить к изменению их состояния и свойств:

–механические нагрузки;

–метеорологические факторы (солнечная радиация, температура, влажность воздуха, ветер, атмосферные осадки и т. д.).

Постоянное воздействие этих факторов на материалы строительных

конструкций зданий и сооружений приводит к постепенной утрате их эксплуатационных качеств (износу). Время, в течение которого строительные объекты сохраняют необходимое для нормальной эксплуатации состояние и свойства, определяется как их долговечность. Обычно долговечность современных зданий и сооружений может составлять десятки

идаже сотни лет.

Вусловиях пожара в помещениях зданий и сооружений на материалы строительных конструкций начинают действовать дополнительные, гораздо более опасные факторы, например:

– высокая температура в очаге пожара;

– время (продолжительность) нахождения материала под воздействием высокой температуры;

– физические и физико-химические процессы, которые возникают

иразвиваются в структуре строительных материалов под действием опасных факторов пожара и приводят к быстрой утрате ими своих эксплуатационных качеств.

Причем в условиях пожара скорость утраты материалами конструкций своих эксплуатационных качеств становится настолько высокой, что это может привести к их полному разрушению в течение нескольких десятков минут.

114

4.1.1.Физические процессы

Процессы теплопереноса. При возникновении и развитии пожара в помещениях зданий и сооружений материалы строительных конструкций оказываются в среде с очень высокой температурой. Начинается развитие процесса теплопереноса в материалах строительных конструкций, как правило, имеющего нестационарный характер. Поэтому основными показателями, характеризующими развитие этого процесса, является температура материала t и время τ воздействия этой температуры. Параметрами, необходимыми для количественной оценки протекания процесса теплопереноса и расчета изменения основного показателя t при пожаре, являются теплофизические характеристики материала (λ, С, а).

Процессы влагопереноса. Материалы строительных конструкций в своем большинстве являются системами капиллярно-пористых тел, которые всегда содержат в своей структуре некоторое количество влаги. Прогрев влажных материалов строительных конструкций в условиях пожара приводит к резкой интенсификации процессов влагопереноса, которые развиваются совместно с процессами теплопереноса (процессы тепловлагопереноса). Внутри структуры материала возникают резкие перепады температур, влагосодержания, избыточных давлений испаряющейся внутри материала влаги. В результате резко увеличивается скорость накопления повреждений в структуре материала, что в ряде случаев приводит к взрывообразному разрушению материалов конструкций.

Размягчение свойственно преимущественно аморфным материалам при нагреве, в частности, отдельным видам полимеров (термопластичных). Этот процесс приводит к повышению их пластичности (текучести) и, соответственно, к снижению упругости, прочности, повышению деформативности.

Меньше, чем аморфные материалы, процессу размягчения при нагреве подвержены кристаллические материалы (металлы, искусственные каменные материалы). Однако даже незначительное повышение пластичности при нагревании в нагруженном состоянии способствует развитию температурной ползучести этих материалов. Основным показателем рассматриваемого процесса является температура размягчения.

Изменение агрегатного состояния у кристаллических материалов – фазовый переход из твердого состояния в жидкое (и обратно) происходит при определенной температуре плавления. Температура плавления совпадает с температурой затвердевания. При этом в процессе плавления или затвердевания температура материала не изменяется. Данный процесс, во-первых, приводит к снижению прочности материалов до нуля. Во-вторых, пары и газы, которые при этом выделяются, могут оказаться горючими.

115

4.1.2.Химические процессы

Дегидратация – химическая реакция отщепления от молекулы вещества химически связанной воды:

СаSO4 · 2H2O = CaO4 · 0,5H2O + 1,5H2O.

Этот процесс, например, характерен для ряда природных каменных материалов, в частности гипса, а также для искусственных каменных материалов, изготовленных на минеральных вяжущих веществах, и др.

Дегидратация молекул компонентов приводит к усадке материала, например, цементного вяжущего в искусственных каменных материалах (бетоне, асбестоцементе). В то же время другие компоненты композиционных материалов (например, бетонов) могут расширяться, что приводит к возникновению внутренних усилий в материале, созданию его напряженного состояния, накоплению повреждений и разрушению (снижению прочности).

Диссоциация – расщепление (распад) молекул. Эта химическая реакция свойственна природным каменным материалам, например, при температуре порядка 900 °С протекает реакция диссоциации известняка (карбоната кальция)

СаСО3 = СаО + СО2.

Диссоциация характерна также для минеральных вяжущих веществ, которые являются основой искусственных каменных материалов. Эта реакция приводит к снижению объемной массы, прочности материала, увеличению его пористости.

Термическое разложение твердых материалов – процесс разрыва химических связей с образованием более простых компонентов (твердых, жидких, газообразных) при повышении температуры (каждого материала – до определенного значения). Причем с повышением температуры скорость химических реакций возрастает. Термическое разложение является чрезвычайно сложным процессом, зависящим от множества параметров. Этот процесс можно разделить на три разновидности:

1.Термическая деструкция, при которой сложные молекулы распадаются на более простые звенья.

2.Пиролиз – процесс глубокого расщепления продуктов деструкции вплоть до образования простейших молекул.

3.Термоокислительное разложение при участии кислорода воздуха.

Процесс термоокислительного разложения носит выраженный экзотермический характер и зачастую приводит к воспламенению материала. Процесс разложения материалов при повышенных температурах сопровождается образованием газообразных, жидких веществ, обладающих

116

токсичным действием. Для большинства материалов наиболее типичным компонентом продуктов разложения и горения являются токсические продукты горения (оксид и диоксид углерода (СО, СО2) и др.).

Таким образом, и химические процессы приводят к разрушению (снижению прочности) материалов и другим негативным последствиям, в частности горению.

4.1.3.Физико-химические процессы

Основной физико-химический процесс с участием органических строительных материалов в условиях пожара – процесс горения.

Глубоко и всесторонне этот процесс, его законы и теоретические основы рассматривают при изучении дисциплины «Теоретические основы процессов горения».

Горение – сложный физико-химический процесс превращения горючих материалов в продукты горения, сопровождающийся выделением тепла и света.

Процесс горения включает совокупность составляющих его процессов – воспламенение, распространение пламени, тепловыделение, дымовыделение.

Воспламенение – процесс принудительного зажигания горючей смеси, т. е. инициирование горения источником зажигания.

Горение строительных материалов в условиях пожара сопровождается процессом распространения пламени.

Распространение пламени является непрерывным процессом, происходящим за счет тепла, высвобождающегося в результате химической реакции и передвигающегося к несгоревшей части поверхности материала.

Тепловыделение является следствием процесса горения материалов в условиях пожара. Выделяющееся тепло идет частично на нагрев несгоревшей части горящего материала (на подготовку ее к горению), других горючих материалов, составляющих пожарную нагрузку помещения, на нагрев (теплоперенос) негорючих материалов строительных конструкций.

Дымовыделение также является сопутствующим процессом горения. На пожарах, как правило, горение происходит при недостатке окислителя, что приводит к образованию продуктов неполного сгорания и дымовыделению. Дым представляет собой аэрозоль, состоящий как из твердых (сажи, золы), так и жидких частиц. Оптические свойства дыма характеризуются способностью поглощать и рассеивать свет, что является причиной снижения видимости в задымленном пространстве и ограничения возможности эвакуации людей при пожаре.

117

Интенсивность дымообразования определяется химической природой материала, а задымление помещений зависит от количества дымообразующих материалов, условий развития пожара, воздействия тепловых потоков от очага пожара и времени. Дым обычно содержит токсичные продукты горения.

4.2.Поведениевусловияхпожара различных строительных материалов

4.2.1.Особенности поведения каменных материалов в условиях пожара

Характер поведения каменных материалов в условиях пожара в принципе одинаков для всех материалов, отличаются лишь количественные показатели. Специфические особенности обусловлены действием внутренних факторов, присущих анализируемому материалу.

Природные каменные материалы

Мономинеральные горные породы (гипс, известняк, мрамор и др.)

при нагреве ведут себя более спокойно, чем полиминеральные. В начале нагрева они претерпевают свободное тепловое расширение, освобождаясь от физически связанной влаги в порах материала. Это не приводит, как правило, к снижению прочности и даже может наблюдаться ее рост при спокойном удалении свободной влаги. Затем в результате действия химических процессов дегидратации (если материал содержит химически связанную влагу) и диссоциации материал претерпевает постепенное разрушение (снижение прочности практически до нуля).

Полиминеральные горные породы ведут себя в основном аналогично мономинеральным, за исключением того, что при нагреве возникают значительные напряжения, обусловленные различными величинами коэффициентов теплового расширения у компонентов, входящих в состав горной породы. Это приводит к разрушению (снижению прочности) материала.

Проиллюстрируем особенности поведения мономинеральных и полиминеральных горных пород при нагреве на примере двух материалов: известняка и гранита.

Известняк – мономинеральная горная порода, состоящая из минерала кальцита СаСО3. Нагревание кальцита до 600 °С не вызывает значительных изменений минерала, а сопровождается лишь его равномерным расширением. Выше 600 °С (теоретическая температура 910 °С) начинается диссоциация кальцита по реакции СаСО3 = СаО + СО2, в результате которой образуются углекислый газ (до 44 % по массе от исходного материала) и рыхлый низкопрочный оксид кальция, что вызывает

118

необратимое снижение прочности известняка. При испытании материала при нагреве, а также после нагрева и остывания в ненагруженном состоянии Н. И. Зенковым [4] было установлено, что при нагревании известняка до 600 °С происходит увеличение его прочности на 78 % в связи с удалением физически связанной (свободной) влаги из микропор материала. Затем прочность снижается: при 800 °С она достигает первоначальной, а при 1 000 °С прочность составляет всего 20 % от начальной.

Следует иметь в виду, что в процессе охлаждения большинства материалов после высокотемпературного нагрева продолжается изменение (чаще – снижение) прочности. Снижение прочности известняка до первоначальной происходит после нагрева до 700 °С с последующим остыванием (в горячем состоянии до 800 °С).

Поскольку процесс диссоциации СаСО3 протекает со значительным поглощением тепла (178,5 кДж/кг), образующийся при этом пористый оксид кальция обладает малой теплопроводностью, слой СаО создает на поверхности материала теплозащитный барьер, несколько замедляющий дальнейший прогрев известняка вглубь.

В результате контакта с водой при тушении пожара (либо влагой из воздуха после остывания материала) повторно происходит реакция гидратации образовавшейся при высокотемпературном нагреве и остывшей негашеной извести СаО:

СаО + Н2О = Са(ОН)2 + 65,1 кДж.

Образующийся при этом гидроксид кальция увеличивается в объеме и представляет собой рыхлый и непрочный материал, который легко разрушается.

Рассмотрим теперь поведение гранита при нагревании. Поскольку гранит – полиминеральная горная порода, состоящая из полевого шпата, кварца и слюды, его поведение в условиях пожара будет во многом определяться поведением этих компонентов. Установлено, что график зависимости коэффициента изменения прочности гранита от температуры можно условно разделить на несколько участков, отражающих характер проходящих в граните процессов (рис. 4.1):

1. После нагревания гранита до 200 °С и последующего остывания наблюдается увеличение прочности на 60 %, связанное со снятием внутренних напряжений, возникших в период образования гранита в результате неравномерного охлаждения расплавленной магмы, и разницы величины коэффициентов температурного расширения минералов, составляющих гранит. Кроме того, увеличение прочности в некоторой степени обусловлено удалением свободной влаги из микропор гранита.

119

2.При температуре выше 200 °С начинается постепенное снижение прочности, которое объясняется возникновением новых внутренних напряжений, связанных с различием коэффициентов термического расширения минералов.

3.Значительное снижение прочности гранита наступает уже при температуре выше 575 °С из-за изменения объема кварца, претерпевающего модификационное превращение (β-кварц в α-кварц). При этом в граните невооруженным глазом можно обнаружить образование трещин. Однако суммарная прочность гранита в рассмотренном температурном интервале еще остается высокой: при 630 °С предел прочности гранита равен начальному значению.

4.В диапазоне температур 750–800 °С и выше продолжается снижение прочности гранита за счет дегидратации и диссоциации минералов полевого шпата и слюды, а также модификационного превращения α-кварца

вα-тридимит при 870 °С. При этом в граните образуются более глубокие

трещины. Предел прочности гранита при 800 °С составляет всего 35 % от первоначального значения. Установлено, что скорость прогрева оказывает влияние на изменение прочности гранита. Так, при быстром (одночасовом) нагреве прочность его начинает снижаться после 200 °С, в то время как после медленного (восьмичасового) – лишь с 350 °С.

Относительная прочность Rtem / R20

1,6

1,2

0,8

0,4

0	200	400	600	800
		Температура t, °C

Рис. 4.1. Изменение относительной прочности гранита после нагрева до заданных температур в ненагруженном состоянии

ипоследующего остывания:

–после одночасового нагрева;

–после восьмичасового нагрева [4]

120