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

Состав сертифицируется в соответствии с нормативными требованиями. Состав наносится на стальные поверхности, обработанные грунтами типа ГФ, а также на негрунтованные поверхности.

Огнезащитный состав ОЗС-МВ позволяет отказаться от значительного количества ручных работ в строительстве, так как заменяют оштукатуривание по металлической сетке, что позволяет экономить дефицитные материалы (сталь, цемент, известь и др.), осуществлять работы по огнезащите механизированными средствами, сократить удельный расход материалов для огнезащиты.

В настоящее время используются также огнезащитные покрытия типа ОВПФ-Л, «Экран-М».

Огнестойкие подвесные потолки

Огнестойкие подвесные потолки являются эффективным средством повышения огнестойкости металлических конструкций, покрытий и перекрытий.

Особенно целесообразны подвесные потолки для огнезащиты ферм и структур. Непосредственная защита каждого элемента этих конструкций облицовками или вспучивающимися покрытиями трудоемка и недостаточно надежна, так как трудно осуществима в узловых соединениях элементов конструкций. Устройство подвесного огнезащитного потолка обеспечивает бо́льшую защиту, так как между потолком и защищаемой конструкцией создается воздушный зазор, который дополнительно повышает ее предел огнестойкости.

Наиболее простым и дешевым подвесным потолком является потолок из минераловатных плит, уложенных на стальную сетку или различные штукатурки по сетке. Сетка с помощью стальных стержней, расположенных с шагом 0,8–1 м, подвешивается к нижнему поясу ферм или структур. Наружная поверхность потолка закрывается декоративным материалом. При толщине плит 50–80 мм подвесной потолок повышает предел огнестойкости ферм и структур до 45–60 мин.

Конструктивное решение подвесного потолка с применением гипсокартонных листов показано на рис. 7.10. Конструкция потолка состоит из металлического каркаса, облицовки и крепежных элементов.

Толщина подвесных потолков, включающих каркас и облицовку, составляет от 40 до 84 мм. Расстояние от экранов до плоскости защищаемой поверхности – 80–350 мм. В качестве облицовок защитных экранов подвесных потолков используются: гипсобетонные плиты толщиной 14 мм; утяжеленные и облегченные гипсокартонные перфорированные плиты толщиной 30 мм с заполнением минеральной ватой и наклейкой алюминиевой фольги; декоративные гипсовые плиты толщиной 20 мм; минераловатные плиты; минераловатные плиты на синтетическом связующем толщиной 30 мм.

231

7

5	3

6

1

2

1

4

Рис. 7.10. Конструкция огнезащитного подвесного потолка:

1 – швеллер из листовой стали; 2 – гипсокартонный лист; 3 – хомут; 4 – самонарезной винт; 5 – подвеска; 6 – пружина подвески;

7 – защищаемая стальная конструкция

Использование таких подвесных потолков позволяет обеспечить предел огнестойкости металлических конструкций до 45–120 мин.

Наиболее надежными конструкциями потолка являются такие, которые имеют облицовки и герметичные стыки. Устройство в подвесном потолке отверстий и проемов снижает его огнезащитную способность. Например, устраиваемая для целей вентиляции сквозная перфорация площадью 2,7 % в плитах потолка снижает его огнезащитную способность в два раза.

Расчет фактического предела огнестойкости металлических конструкций с учетом огнезащитной облицовки выполняется в такой последовательности: в рамках статического (прочностного) расчета, в зависимости от характера работы конструкции или ее элементов, определяется значение критической температуры tсr без учета их огнезащиты; в рамках теплотехнического расчета вычисляется приведенная толщина металла с учетом его огнезащиты tred0 и по графикам определяется значение фактического предела ог-

нестойкости Пф = f (tcr; tred0).

Значения приведенной толщины защищенной металлической конструкции, обогреваемой со всех сторон, определяются в зависимости от конфигурации ее сечения [50].

232

x

		y		о		о
					о
				y
				δ
				x h
				y
				δ		б
о	x b	y			о
			x	о

а

		tf		y			о
				tf
	tw	h	x		x		h
о	о
					tw
		tf		b			о
в
			о	г		о

Рис. 7.11. Расчет предела огнестойкости металлических конструкций

сучетом их огнезащитной облицовки и в зависимости от вида сечения:

а– коробчатое; б – труба; в, г – двутавр

Для коробчатого сечения с огнезащитной облицовкой (рис. 7.11, а) значение приведенной толщины равно

	tred 0	=	tred.xh + tred.yb	,	(7.18)
			h + b

где tred.х и tred.y – значения приведенной толщины при обогреве конструкции вдоль осей х и y; h – высота; b – ширина.

В формуле (7.18) значения tred.х и tred.у соответственно равны:

t

= δ

h δy

0, 25K

δ2

;

(7.19а)

о

red.x

x h + δо

о h + δо

t

= δ

h δ

x 0, 25K

δ2

,

(7.19б)

red.y

о

о b + δо

y h + δо

где δx и δy – толщина стенок вдоль осей х и y; δо – толщина огнезащитной облицовки.

233

Значение коэффициента Kо в формулах (7.19а) и (7.19б):

Kо =	Cоρо	,	(7.20)
	Cстρст

где Со и Сст – начальные значения удельной теплоемкости огнезащитной облицовки и стали; ρо и ρст – средняя плотность огнезащитной облицовки и стали.

Приведенная толщина сечения трубы равна

			= δ	d δ	0, 25K		δ2	,	(7.21)
	t						о
		red 0		d + δ		о d + δо

где δ – толщина стенки сечения трубы; d – наружный диаметр трубы; δо – толщина огнезащитной облицовки.

В случае сплошного круглого сечения значение tred0 определяется по формуле (7.21) при δ = 0,5d , где d – диаметр сечения.

Приведенная толщина для двутаврового сечения высотой h в случае облицовки толщиной δо по контуру (рис. 7.11, в) для полок толщиной tf будет равна

для стенки толщиной tw –		tred = 0,5tf ;						(7.22)
tred = 0, 5tw	h 1, 5t f		0, 25Kо	δ2			.	(7.23)
					о
	h 2t f	δо		h 2t	f	δо

Далее в расчетах в качестве tred0 используется минимальное значение tred, вычисленное по формулам (7.22), (7.23).

Приведенная толщина для двутаврового сечения высотой h и шириной полки bf , в случае использования облицовки толщиной δо с воздушным зазором между стенкой двутавра и облицовкой (рис. 7.11, г) вычисля-

ется по формулам (7.18)–(7.20), при этом: δx = 0,5tw; δy = tf ; b = bf.

Вычислив значение приведенной толщины tred0, в зависимости от вида и толщины огнезащитнойоблицовки (рис. 7.11), по графикам прил. 1 (данные ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко) определяют значение фактического предела огнестойкости металлической конструкции или ее элементов, обогреваемых в «стандартном» температурном режиме пожара.

234

8.Огнестойкость железобетонных и каменных конструкций

8.1.Поведениеразличныхжелезобетонныхконструкций при воздействии пожара

8.1.1.Изгибаемые железобетонные конструкции Железобетонные плиты

Многочисленные огневые испытания железобетонных плит на огнестойкость [4, 49, 53, 58, 59] свидетельствуют о том, что исчерпание ресурса огнестойкости для большинства плит происходит при наступлении предельного состояния в виде потери несущей способности. Это объясняется тем, что другие предельные состояния по огнестойкости для этих конструкций в большинстве случаев не успевают полностью проявиться за кратковременный период воздействия пожара из-за наличия в конструкции перекрытия, элементов полов, звукоизоляции, несущей части и потолка.

На рис. 8.1 представлены результаты испытаний железобетонных плит на огнестойкость, позволяющие наблюдать характерную картину поведения этих конструкций в условиях пожара. Конструкции подвергались стандартному огневому воздействию снизу (пунктирные кривые на графиках рис. 8.1). Во время огневого воздействия на испытуемые плиты замерялось развитие температуры нагрева рабочей арматуры растянутой зоны плит ts , температуры необогреваемой поверхности плит t0 и прогиба кон-

струкции ƒ (см. соответствующие кривые на графиках рис. 8.1). Обработка результатов огневых испытаний плит включала в себя:

–фиксацию (на полученных кривых развития прогиба плит) допусти-

мых в условиях пожара значений прогибов fп = l / 30, где l – пролет плиты

(см. рис. 8.1);

–фиксацию момента времени огневого испытания плит, при котором наблюдалось наступление допустимого прогиба плиты. Этот прогиб принимался как признак наступления предельного состояния плиты по потере

еенесущей способности из-за развития недопустимой деформации. Этот момент времени огневого испытания плиты и характеризовал ее предел огнестойкости по потере несущей способности;

–определение значений температуры рабочей арматуры растянутой зоны испытуемых плит, которые соответствовали моментам времени наступления допустимого прогиба конструкции (см. рис. 8.1).

235

	0	fнач
	40
	60
	120
, мм	160		f9
Прогиб	200
	240	tв
	280
	320
	360
	400
	0	10	20

t0

		230		37(19)
	f8	ts	tв

ts8
	ПШ9
ts9		ПШ8

t0,	t0,	8
	9

30	40	50	60	70	80
	Время, мин

1000

900
800
700
600	, С
500	Температура
400

300

200

100

0

90

Рис. 8.1. Результаты испытания на огнестойкость многопустотных плит перекрытия без предварительного напряжения

Полученные значения температуры нагрева рабочей арматуры растянутой зоны плит, соответствующие наступлению предельно допустимого прогиба конструкции, рассматривались как значения критической температуры нагрева рабочей арматуры растянутой зоны плит.

Значения критической температуры нагрева рабочей арматуры растянутой зоны плит являются важнейшей информацией, отражающей особенности поведения этого типа конструкций при воздействии пожара и используемой для расчетов огнестойкости этих конструкций.

Результаты проведенных огневых испытаний свидетельствуют о том, что сплошные и ребристые (ребрами вверх) предварительно напряженные плиты из бетона на мелком известняковом щебне при свободном опирании по двум противоположным сторонам, испытывая действия равномерно распределенной нагрузки, к моменту разрушения имели прогибы

236

соответственно 40, 30, 39 см (т. е. имели прогибы более допустимых значений l / 30). При этом температура нагрева растянутой арматуры достигла 500 °С, температура же на необогреваемой поверхности плит оказалась равной 100 °С [4].

Поскольку в условиях пожара плиты подвергаются воздействию высокой температуры снизу, уменьшение их несущей способности происходит в основном за счет снижения сопротивления и деформации нагревающейся растянутой арматуры. Сжатые бетон и арматура нагреваются слабо. Как правило, рассматриваемые элементы (статически определимые изгибаемые свободно лежащие плиты, панели, настилы перекрытий) разрушаются в результате образования пластического шарнира в сечении с максимальным изгибающим моментом за счет снижения предела прочности нагревающейся растянутой арматуры до величины рабочих напряжений

вее сечении. При этом происходит резкое увеличение температурной ползучести арматуры, интенсивное раскрытие трещин в растянутой зоне, уменьшение высоты сжатой зоны бетона до минимума, при котором происходит разрушение сжатого бетона и обрушение конструкции. Образование пластического шарнира происходит при критической температуре арматуры. В результате образования пластического шарнира в железобе-

тонных плитах с расчетным пролетом l0 = 5,5–6,5 м, высотой сечения h = 10–25 см при нагреве величина прогиба f = 0,8l0 / h.

Таким образом, огнестойкость плит сборных железобетонных перекрытий при пожарах зависит от способа армирования, вида применяемой арматуры, формы поперечного сечения, толщины защитного слоя бетона.

Представляет интерес поведение в условиях пожара плит, опертых по контуру (рис. 8.2). Плиты, свободно опертые по контуру, деформируясь

вдвух направлениях в условиях пожара, превращаются в пространственную конструкцию вследствие изменения статической схемы работы при комбинированном воздействии нагрева и нормативной нагрузки. Через некоторый промежуток времени нагрева средняя часть таких плит оказывается растянутой на всю толщину, а сжатая зона отодвигается ближе к контуру, в результате чего плиты сильно провисают. Центр тяжести растянутой арматуры, расположенной по дуге провисания, смещается вниз по отношению к точке приложения равнодействующей сжимающих усилий по контуру плит. В результате происходит увеличение плеча внутренней пары сил в рассматриваемых расчетных сечениях плиты по осям 0х и 0y, что вызывает ее своеобразное упрочнение. Подобная пространственная схема работы свободно опертых по контуру плит в условиях огневого воздействия приводит к увеличению критической температуры нагрева всей растянутой арматуры [4].

237

As2

As1

y

0	1
	l

h0tem2

l2

Сжатая зона

h0tem1

Hось

c

h0, 1

Hось

h0, 2

c

Рис. 8.2. Изменение статической схемы работы плит, опертых по контуру, в условиях пожара

Железобетонные балки

Исследования натурных пожаров, а также изучение результатов экспериментов показывают, что поведение железобетонных балок в условиях пожара обусловлено теми же факторами, что и поведение плоских плит. Однако имеются и существенные отличия (рис. 8.3).

Это объясняется тем, что балочные конструкции в условиях пожара обогреваются с трех сторон. Кроме того, отличительной особенностью балок по сравнению с плоскими конструкциями является наличие арматуры в сжатой зоне. При двухмерном прогреве сечения элементов прогреваются интенсивнее, чем при одномерном, особенно углы балок. Это приводит к более интенсивному нагреву сжатой зоны бетона, что влияет на прочность и деформации бетона и арматуры сжатой зоны.

238

	F	150	F
	340
150	2 16 Aт-V		2 6 A-I

f
	10			1
	20
	30	f						Ш4
								Ш3
			2
	40
	50				Ш1
мм					Ш2
	60
,
Прогиб	70
	80
	90	ts
	100	1
	110
	120		2
	f, мм
	10	20	30	40	50	60	70	80

Время, мин

Температура, С

ts.cr

600

500

400

300

200

100

90

Рис. 8.3. Изменение во время огневых испытаний температуры нагрева и прогибов f при трехстороннем обогреве балки из тяжелого бетона (Rb = 21 МПа, арматура класса Ат-V):

1 – предварительно напряженной; 2 – обычной

239

Встатически определимых балках прогрев продольных арматурных стержней до критической температуры приводит к образованию пластиче-

ского шарнира в сечении, где действует Мn.max, что и является причиной разрушения балки, т. е. наступления ее предела огнестойкости.

Существенное влияние на поведение балок в условиях пожара оказывает способ их опирания. Опыты показывают, что при свободных шарнирных опорах и при абсолютно жестком закреплении концов балок они имеют минимальную огнестойкость.

Статически неопределимые изгибаемые конструкции при нагреве снижают свою несущую способность за счет уменьшения прочности опорных и пролетных сечений. Прочность пролетных сечений, как и для статически определимых элементов, уменьшается в результате нагревания растянутой арматуры. Снижение прочности опорных сечений происходит вследствие прогрева бетона и арматуры сжатой зоны.

Вусловиях пожара в статически неопределимых стержневых элементах, при заделке их опор, происходит перераспределение моментов за счет возникновения отрицательного температурного момента вследствие перепада температур по высоте сечения и отсутствия свободы поворота сечений. Из-за перепада температур балка стремится изогнуться вниз, чему препятствует заделка на опорах. Возникающий температурный момент уменьшает момент от рабочей нагрузки в пролете и увеличивает соответственно моменты на опорах.

Вбалках, армированных с учетом этих моментов, уже через 10–15 мин нагрева отрицательный температурный момент приводит к образованию пластических шарниров на опорах. После образования пластических шарниров на опорах элемент превращается в статически определимую конструкцию с известными моментами на опорах.

Полное разрушение конструкции произойдет при образовании третьего пластического шарнира в пролете, когда в нагретой до высоких температур пролетной растянутой арматуре резко увеличиваются деформации температурной ползучести.

Перераспределение усилий, как видим, положительно сказывается на огнестойкости заделанных на опорах балок. Пролетная сильно нагретая арматура разгружается, вследствие чего пластический шарнир в пролете образуется при более высоких температурах этой арматуры, чем это имеет место у статически определимых балок. С пролетной арматуры усилия передаются на опорную растянутую арматуру, которая расположена у верхней грани конструкции и нагревается слабее. Поэтому предел огнестойкости статически неопределимых элементов существенно выше, чем у простых

240