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

Интенсивное строительство автодорожных тоннелей в г. Москве и других уникальных объектов потребовало проведение экспериментальных работ по определению эффективности огнезащитных покрытий для эстакад и тоннелей. В силу своих эксплуатационных свойств в подземных автодорожных сооружениях тоннельного типа, как правило, находят применение монолитные и сборные конструкции из железобетона.

В связи с особыми условиями эксплуатации таких объектов возникают специфические факторы, влияющие на огнестойкость этих конструкций помимо рабочей нагрузки: повышенная влажность, непосредственный контакт с грунтом, химическое действие отработавших газов, вибрация и т. д.

На основе проведенных исследований, а также анализа нормативнотехнической литературы была разработана «Методика определения огнезащитной эффективности средств огнезащиты железобетонных конструкций автодорожных тоннельных сооружений» [53]. В соответствии с требованиями данной методики проведены огневые испытания для железобетонных конструкций Лефортовского (рис. 5.8) и Краснопресненского тоннелей третьего транспортного кольца.

Рис. 5.8. Огневые испытания на огнестойкость фрагмента обделки Лефортовского тоннеля

Опыт огневых испытаний показал, что традиционные методы определения пожарной опасности навесных фасадных конструкций недостаточны для оценки их реальной пожарной опасности, возникающей вследствие использования в системах утепления горючих материалов. На основе серии натурных огневых испытаний наружных систем утепления специалистами ФГУ ВНИИПО МЧС России и ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко [53] разработан стандарт, в котором устанавливаются классы пожарной опасности

191

наружных стен зданий с внешней стороны при наличии: систем внешней изоляции, отделки толщиной более 0,5 мм, оклейки и облицовки. Условия огневых испытаний имитируют тепловое воздействие на фасад здания факела пламени из окна помещения с очагом пожара и учитывают возможное влияние конструкции стены и (или) отделки, а также системы утепления на распространение опасных факторов пожара.

На рис. 5.9 показан момент подготовки к огневым испытаниям образца системы навесного вентилируемого фасада «Фибро-Фасад».

Рис. 5.9. Общий вид установки огневых испытаний с образцом навесной фасадной системы «Фибро-Фасад»

В настоящее время огневые испытания на огнестойкость проводятся, как правило, для конструкций, которые не испытывались ранее и для которых нет официально утвержденной методики расчета.

На практике обычно для оценки огнестойкости конструкций используют обобщенные результаты огневых испытаний, представленные в специальных справочных пособиях [43, 44, 51, 56] в виде банка данных по огнестойкости различных конструкций. С помощью этих пособий можно быстро и просто определить фактические пределы огнестойкости строительных конструкций.

Все большее распространение получают и расчетные методы оценки значений фактических пределов огнестойкости конструкций. В практике проектирования расчетные методы позволяют быстро и с меньшими материальными затратами, по сравнению с огневыми испытаниями, определить пределы огнестойкости ряда конструкций [4, 5, 29, 30, 45–59].

192

6.Основы теории расчета огнестойкости строительных конструкций

6.1.Общие принципы расчета огнестойкости строительных конструкций

Организация и проведение натурных испытаний конструкций на огнестойкость требует значительных материальных затрат и времени. В ряде случаев это замедляет принятие решения в области оценки огнестойкости конструкций на стадии проектирования зданий и сооружений, а также затрудняет качественную оценку влияния различных факторов на поведение конструкций в условиях пожара [4, 29, 30, 46–51, 53–59].

В связи с этим возникла необходимость в более оперативных и экономичных расчетных методах оценки огнестойкости [4, 29, 30, 46–51, 53–59].

Принципы расчета огнестойкости строительных конструкций были заложены в работах В. И. Мурашева, А. И. Яковлева, А. Ф. Милованова, K. Kordina, T. Harmathy и др. [46, 47, 50–59].

Расчетная оценка огнестойкости конструкций, согласно этим принципам, производится по двум показателям:

–по потере несущей способности конструкции (R);

–по потере теплоизолирующей способности (I).

Сущность расчета огнестойкости конструкций заключается в определении момента времени, по истечении которого в условиях воздействия пожара конструкции утрачивают свои несущие или теплоизолирующие способности.

Расчетная оценка огнестойкости конструкций в общем случае заключается в решении трех задач [51]:

1.Расчет температурного режима пожара в помещении, ограждаемого рассматриваемыми конструкциями (теплофизическая задача).

2.Расчет нагрева рассматриваемых строительных конструкций в зависимости от температурного режима пожара в помещении и времени наступления предельного состояния конструкции по признаку I (утрата конструкцией в условиях пожара теплоизолирующей способности) (теплофизическая задача).

3.Оценка снижения несущей способности рассматриваемой конструкции в результате нагрева в условиях пожара и определение времени до наступления предельного состояния конструкции по признаку R (прочностная задача).

193

При расчетной оценке значений пределов огнестойкости конструкций, которая проводится с учетом «стандартного» режима пожара, надобность в решении первой задачи отпадает, так как температурный «стандартный» режим пожара уже известен (см. формулу (5.2)). Эта формула и используется в качестве исходной информации для последующего решения второй и третьей задач.

Общая схема расчета огнестойкости строительных конструкций на примере плиты приведена на рис. 6.1, а, б, в.

Рис. 6.1, б отражает схему решения теплофизической (теплотехнической) задачи огнестойкости. Рис. 6.1, в отражает схему решения прочностной (статической) задачи огнестойкости.

	T(x = , f)	T(x = h, f)
		X
	а		h
	T

Tf ( f)

Tf ( f)

Несущая способность

конструкции Ф и величина

нормативных нагрузок на нее Температура T

Nн(Mн)

Tcr(x = )

Tcr(x = h)

б

Ф( = 0)

Nн(Mн)

в

			Tcr(x = )
	T(x = , f)	T(x = , f)
		T(x=h, f) ≥ Tcr(x=h)
	T(x = h, f)
	Время воздействия τ	= fr(R)	Т = fr(L)

Несущая способность конструкции в обычных условиях

Ф[T( )]

Ф[T( )] ≤ Nн(Mн)

= fr(R)

Время воздействия τ

Рис. 6.1. Общая схема расчета огнестойкости конструкций (на примере железобетонной плиты):

а– расчетная схема задачи по оценке огнестойкости;

б– решение теплофизической (теплотехнической) задачи огнестойкости;

в– решение прочностной задачи огнестойкости

194

Теплотехническая задача (рис. 6.1, б) имеет целью определить изменение температуры в расчетных сечениях элемента или конструкции под влиянием температурного режима пожара. Для решения этой задачи используются уравнения нестационарной теплопроводности в твердых телах с учетом изменения температурной зависимости теплофизических характеристик материалов, из которых выполнена конструкция. Решение теплотехнической задачи позволяет сразу определить предел огнестойкости для условия наступления предельного состояния I. Этот тип задач характерен для оценок огнестойкости ограждающих конструкций.

Расчет огнестойкости конструкций по предельному состоянию I заключается в общем случае в решении двух теплофизических задач (рис. 6.1, б): расчет температурного режима пожара в помещении Тf (τf) и расчет температуры необогреваемой поверхности конструкции Т(x = h, τf) в зависимости от времени действия пожара τf.

Огнестойкость конструкции в этом случае определяется из условия:

если Т(х = h, τf) = Tcr(x = h), то τf = Пф(I),

(6.1)

где Tcr(x = h) – нормируемое значение критической температуры нагрева необогреваемой поверхности конструкции в условиях пожара; h – координата необогреваемой поверхности конструкции; Пф(I) – значение предела огнестойкости конструкциипо потере теплоизолирующей способности.

Расчет огнестойкости конструкций по предельному состоянию R (утрате несущей способности) требует в общем случае предварительного решения первой и второй теплофизических задач огнестойкости.

В результате решения теплофизических задач определяют изменение температуры Т(х = δ, τf) сечений, объемов, элементов конструкции, которые обеспечивают ее несущую способность во времени воздействия пожара.

Эти результаты служат исходными данными для последующего решения прочностной задачи огнестойкости: определения изменения несущей способности конструкции Ф в различные моменты времени воздействия пожара τf (рис. 6.1, в).

При решении прочностной (статической) задачи огнестойкости вычисляют несущую способность конструкций Ф в различные моменты времени воздействия пожара τf с учетом изменения прочностных и деформационных свойств материалов в зависимости от температуры нагрева при пожаре.

Огнестойкость конструкции по признаку потери несущей способности Пф(R) определяется как момент времени воздействия пожара τf, при котором несущая способность Ф[T(τf)] конструкции снизится до величины действующих на нее рабочих нагрузок Nн(Mн) (рис. 6.1, в).

195

Огнестойкость конструкции в этом случае определяется из условия:

если Ф[Т(τf)] ≤ Nн (Мн), то τf = Пф(R),

(6.2)

где Nн – продольная сила; Mн – изгибающий момент от действия нормативной рабочей нагрузки.

Несущая способность элементов строительных конструкций определяется из уравнений предельного равновесия в зависимости от схемы разрушения с учетом изменения прочностных и деформационных характеристик материалов конструкций под воздействием пожара [4, 29, 30, 46–51, 53–59].

Расчеты огнестойкости строительных конструкций являются одной из разновидностей расчета предельных состояний конструкций [4, 29, 30, 46–51, 53–59].

Втеории расчета предельных состояний строительных конструкций особенности работы материалов в конструкциях учитываются с помощью различных коэффициентов условий работы [4, 45–59]. К факторам, обусловливающим введение коэффициентов условий работы, относятся: особенности использования материалов конструкций, особенности изготовления и эксплуатации конструкций и т. д.

Обычно необходимость использования дополнительных коэффициентов условий работы материалов конструкций связана с необходимостью учета особых нагрузок на них.

Например, при расчетах огнестойкости (способности сопротивляться воздействию пожара) строительных конструкций используется коэффици-

ент условий работы материала конструкции при пожаре γТ [4, 45–59].

Этот коэффициент учитывает особенности изменения сопротивления обычных строительных материалов при высокотемпературном воздействии пожара.

Всоответствии с этим подходом коэффициенты условий работы материалов обычных конструкций при пожаре представляют собой зави-

симость между отношением сопротивления нагретого материала R(T)

кначальному сопротивлению R и температурой их нагрева Т (рис. 6.2).

Вотносительномвидеэтизависимостиможнопредставитьтак(рис. 6.2):

γТ = R(T) / R =ƒ(Т),

(6.3)

где γТ – коэффициент условий работы материала при пожаре; R(T) – прочность материала при температуре Т; R – начальная прочность материала.

Например, для арматурных сталей, коэффициент условий работы при пожаре γsТ представляет собой зависимость между относительным сопротивлением арматуры Rs(T) и температурой ее нагрева T (рис. 6.2):

γsТ = Rs(T) / Rs = ƒ(Т).

(6.4)

196

материала	ре
работы
	T
Коэффициент условий	при пожа

1,0			2
0,8		3			1
0,6
0,4
0,2
0
100	200	300	400	500	600	700	800

Температура нагрева материала T, C

Рис. 6.2. Изменение значений коэффициента условий работы при пожаре различных материалов строительных конструкций в зависимости от температуры нагрева (обработка данных [51]):

1 – стержневая арматура А-111; 2 – тяжелый бетон с крупным заполнителем из карбонатных пород;

3 – тяжелый бетон с крупным заполнителем из силикатных пород

Зависимости типа (6.3), (6.4) для всех основных строительных материалов были получены в результате многолетних специальных экспериментальных исследований [46, 50, 56–58, 59].

Эти исследования показывают, что сопротивление обычных материалов строительных конструкций при нагреве в условиях пожара до определенной температуры начинает быстро уменьшаться (см. рис. 6.2).

В настоящее время эти зависимости используются в качестве справочных данных при расчетах огнестойкости строительных конструкций

[4, 5, 29, 30, 46–59].

Огнестойкость строительных конструкций в ряде случаев удобно оценивать с помощью показателя критическая температура нагрева материалов Тcr в условиях пожара.

Критической температурой нагрева материала конструкции при пожаре называется такая температура нагрева материала конструкции, при которой материал утрачивает способность сопротивляться воздействию пожара.

Понятие критической температуры нагрева материалов конструкций является одним из базовых показателей, используемых в теории расчета огнестойкости строительных конструкций [4, 5, 29, 30, 46–59].

197

При использовании этого показателя расчет огнестойкости строительных конструкций также включает в себя решение двух задач:

1. Прочностная задача огнестойкости – определение нормативной рабочей нагрузки на рассматриваемую конструкцию, значений коэффициентов условий работы материалов конструкции при пожаре и соответствующих значений их критической температуры нагрева в этих условиях.

2. Теплофизическая задача огнестойкости – определение момента времени воздействия пожара на строительную конструкцию, при котором ключевые элементы конструкции прогреваются до критической температуры.

Например, при расчетах пределов огнестойкости изгибаемых железобетонных конструкций по потере несущей способности решение задачи сводится к определению времени воздействия пожара τ, в течение которого температура нагрева рабочей арматуры растянутой зоны конструкции Тs(τ) достигнет критического значения Tscr.

Тогда предел огнестойкости конструкции по признаку утраты несущей способности R определяется из следующего условия:

если Тs(τ) ≥ T cr , то τ = Пф(R),	(6.5)
s

где Тs(τ) – температура нагрева рабочей арматуры растянутой зоны изгибаемого железобетонного элемента в момент времени τ развития пожара; Tscr – критическая температура нагрева рабочей арматуры растянутой зоны

конструкции; Пф(R) – значение предела огнестойкости конструкции по потере несущей способности.

Особенностью расчета пределов огнестойкости строительных конструкций является то, что значение критической температуры нагрева материала конструкции при оценках огнестойкости конструкций имеет фиксированное значение, соответствующее расчетному уровню нормативной рабочей нагрузки на эту конструкцию.

Данные об изменении прочностных и деформационных характеристик материалов конструкций в условиях пожара имеют определяющее, исключительно важное значение для практической реализации методов расчета огнестойкости конструкций.

Практика показывает, что сама возможность расчета огнестойкости конструкций оказывается неразрывно связанной с проблемой оценки изменения этих характеристик материалов в условиях высокотемпературного воздействия пожара.

В связи с этим существующие подходы к расчетной оценке огнестойкости конструкций в основном различаются в интерпретации данных о характеристиках материалов конструкций и их изменений в условиях пожара [4, 5, 29, 30, 46–59].

198

Для решения прочностной задачи огнестойкости обычно используется такая последовательность операций расчета:

–задаютсяотдельнымипериодамивременинагреваконструкцииτ, …, τi;

–решают теплофизическую задачу огнестойкости и для заданных пе-

риодов времени τ, …, τi определяют температуру в расчетных сечениях конструкций;

–определяют для этих же промежутков времени τ, …, τi изменение несущей способности конструкции Ф[T(τ)], …, Ф[T(τi)] с учетом изменения прочностных характеристик материала;

– строится график снижения несущей способности конструкции во времени Ф[T(τ)], …, Ф[T(τi)];

– по этому графику определяется значение предела огнестойкости конструкции Пф, т. е. времени, при достижении которого несущая способность конструкции Ф[T(τ)] снизится до величины внутренних силовых факторов Nн(Mн) от нормативной нагрузки.

Для конструкций, выполняющих одновременно несущие и ограждающие функции, необходимо определить время от начала пожара до наступления предельного состояния по несущей и теплоизолирующей способности, а за предел огнестойкости принять минимальное из полученных значений.

Примеры инженерных решений по оценке огнестойкости различных конструкций с учетом различных условий пожара приведены в разд. 7–10.

6.2.Основные расчетные схемы воздействия пожара на конструкции

Расчетную оценку огнестойкости конструкций обычно производят, используя три основные расчетные схемы воздействия пожара на конст-

рукции (рис. 6.3) [4].

Расчетная схема 1 (рис. 6.3, а, б) используется для оценки предела огнестойкости по потере теплоизолирующей способности вертикальных и горизонтальных ограждающих конструкций (перегородки, плиты перекрытий, внутренние стены). Согласно данной схеме, предел огнестойкости конструкции наступит в момент времени τf = Пф(I), когда при заданных условиях высокотемпературного воздействия и теплофизических характеристиках материала температура на необогреваемой поверхности конструкции T(x = h, τf), изменяясь от начального значения Tн, станет равной допустимому значению Tcr(x = h) (рис. 6.1, б).

Расчетная схема 2 (рис. 6.3, в, г, д) используется для расчета предела огнестойкости незащищенных и защищенных металлических, железобетонных, деревянных изгибаемых конструкций. При этом решается задача по определению времени, по истечении которого в расчетных элементах конструкцийустановитсякритическаятемпературавсоответствиисуравнением(6.2).

199

		tо.п					tн.п
				х
tв						tо.п
				tн.п
					б		tв
	а	tв	у				у
		х	х		tв	х	х	tв
tв					tв
			tв			tcr
	в				г	tв	у
		tв	у				tв
			у
							у

у

tв	х	х	tв	х			х	tв
	д	у	Критическое			у
			сечение
		tв	е		tв

Рис. 6.3. Основные расчетные схемы воздействия пожара на строительные конструкции, используемые при определении фактических пределов

огнестойкости конструкций:

а, б – вертикальные и горизонтальные ограждающие конструкции (расчетная схема 1); в, г, д – металлические, железобетонные и деревянные балки (расчетная схема 2); е – колонны (расчетная схема 3)

Вариант 2-й расчетной схемы, приведенный на рис. 6.3, д, используется для определения предела огнестойкости строительной конструкции по критической площади ее сечения.

Существуют конструкции (расчетная схема 3, рис. 6.3, е), предельное состояние которых при пожаре наступает в результате потери их несущей способности из-за уменьшения размеров рабочего сечения

врезультате воздействия пожара. К таким конструкциям относятся, в частности, деревянные конструкции, размеры сечений которых уменьшаются

врезультате обугливания древесины.

200