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

слой древесины обладает более низкими, по сравнению с необугленной древесиной, теплофизическими характеристиками: коэффициентом теплопроводности λtem, удельной теплоемкостью Сtem. Процесс обугливания происходит последовательно, распространяясь от поверхностных слоев в глубь сечения элемента, что приводит к уменьшению его размеров.

Скорость обугливания различных пород древесины колеблется в пределах от 0,6 до 1,0 мм/мин и зависит от изменения и продолжительности температурного режима пожара, плотности и влажности древесины, количества сторон обогрева деревянного элемента, а также размеров его сечения и шероховатости поверхности. С увеличением плотности, влажности древесины и размеров сечения деревянного элемента скорость обугливания снижается, а с увеличением температуры нагревающей среды при пожаре, притока воздуха, количества сторон обогрева сечения и шероховатости поверхности их плоскостей скорость обугливания древесины возрастает. По сравнению с клеёной древесиной скорость обугливания цельной древесины выше. С увеличением продолжительности температурного воздействия скорость обугливания древесины снижается. Для элементов прямоугольного сечения скорость обугливания древесины зависит от отношения высоты сечения h к его ширине b. Так, при обогреве элемента с трех сторон при h / b = 1 (квадратное сечение) скорость обугливания боковых граней равна скорости обугливания нижней грани (Vбок = Vниз), а для отношения h / b = 3,4 Vниз = 1,3 Vбок. Согласно работе [49], при расчете пределов огнестойкости деревянных конструкций при воздействии в «стандартном» режиме пожара скорость обугливания древесины принимается постоянной. Для древесины (ель, сосна) с влажностью не более 9 % значения скорости обугливания цельной и клеёной древесины даны в табл. 9.1.

			Таблица 9.1
Скорость обугливания древесины
Наименьший размер	Скорость обугливания древесины V, мм/мин
сечения конструкции, мм
	клеёной		цельной
120 мм и более	0,6		0,8
Менее 120 мм	0,7		1,0

Изменение глубины обугливания древесины Z в зависимости от времени ее нагрева τ имеет линейный характер. При этом значение глубины обугливания равно

Z = τV.

(9.1)

Защита поверхности элементов деревянных конструкций огнезащитными составами и материалами задерживает начало обугливания древесины и не влияет на скорость ее обугливания. В элементах прямоугольного сечения более интенсивно обугливаются углы сечений, скругление которых наблюдается через 10–15 мин после начала карбонизации древесины.

291

При тепловом воздействии на элементы деревянных конструкций кроме уменьшения размеров рабочего сечения в результате обугливания древесины наблюдается снижение ее прочности и упругих характеристик.

Неравномерное распределение температуры по сечению приводит к тому, что величины механических и теплофизических характеристик в различных точках данного сечения изменяются неодинаково. Зависимость изменения прочности и модуля упругости необуглившейся древесины от температуры, по результатам проведенных исследований, показана на рис. 9.2 [47].

Предел прочности, МПа

150

100

50

E 103

1МПа20

,

		упругости
		15
	2	Модуль10
	3
		8

МПа

0	50	100	0	50	100
Температура нагрева, С				Температура нагрева, С
	а				б

30

	,	25
	прочности
		20
	Предел	15
		10	20	40	60	80	100	120 140
				Температура нагрева, С

в

Рис. 9.2. Зависимость механических характеристик древесины (1, 2 и 3-го сортов) от температуры:

а – прочность; б – модуль упругости; в – прочность на изгиб

При температуре 230–250 °С древесина полностью теряет способность сопротивляться действующим нагрузкам. Толщина слоя древесины, прогретой до температуры 230–250 °С и находящейся за фронтом обугливания в пределах зоны 1 (см. рис. 9.1), составляет 5–6 мм. Распределение температуры от фронта обугливания к центру сечения массивных клеёных

292

деревянных элементов, меняющейся в пределах от 300 °С до первоначальной температуры в условиях эксплуатации по гиперболическому закону, приведено на рис. 9.3 [49].

Температура, С

300

200

100

1

2

0 12,5 25,0 37,5 50,0

Расстояние от фронта обугливания, мм

Рис. 9.3. Распределение температуры от фронта обугливания к центру сечения клеёного деревянного элемента при тепловом воздействии:

1 – в пределах 30 мин; 2 – в пределах 60 мин

При «стандартном» режиме пожара толщина такого слоя древесины формируется в течение 1–1,5 ч, продвигаясь с перемещением фронта обугливания вглубь сечения элемента, сохраняет свою длину в пределах 40–55 мм.

Для оценки прочности древесины в конструкциях, находящихся в условиях пожара, используются расчетные сопротивления Rf, величины которых для среднего значения температуры в необуглившейся части сечения, равной 80 °С, в зависимости от напряженного состояния и сортности древесины определяются по табл. 9.2.

Таблица 9.2

Расчетные сопротивления Rf для определения фактических пределов огнестойкости деревянных конструкций

		Расчетные сопротивления
Напряженное состояние		для древесины, МПа
		1-го сорта	2-го сорта	3-го сорта
Изгиб Rfw		29	26	18
Сжатие и смятие вдоль волокон древесины Rfc		26	23	16
Растяжение вдоль волокон древесины Rft		20	15	–
Растяжение поперек волокон древесины Rftt		1,1	1,1	–
Скалываниевдоль волокондревесиныRfqs	цельной	3,7	3,2	2,9
	клеёной	1,3	1,2	1,1

293

Значения этих величин получены с учетом экспериментальных результатов финских исследователей. Так как фактический предел огнестойкости строительных конструкций определяется как среднее арифметическое значение результатов испытаний отдельных образцов конструкций, значения расчетных сопротивлений Rf устанавливались, исходя из среднестатистических значений пределов прочности древесины, работающей в различных условиях напряженного состояния [49].

При сравнении значений Rf в табл. 9.2 с величинами нормативных сопротивлений для различных сортов древесины, указанных в нормах [16], оказывается, что Rf = RH, за исключением скалывания вдоль волокон клеёной древесины.

9.3.Методика расчета огнестойкости несущих деревянных конструкций

Для различных типов несущих и ограждающих конструкций, выполненных из древесины и материалов на ее основе, экспериментальным путем были получены значения пределов огнестойкости и пределов распространения огня [43, табл. 12 и 14]. Эти данные могут быть использованы при выполнении проектов зданий и сооружений с применением деревянных конструкций, а также во время проведения противопожарной экспертизы подобных объектов. Однако необходимо учесть, что в этих таблицах не указаны причины и места разрушений рассматриваемых деревянных конструкций при огневом воздействии. К таким причинам относятся уровень нагрузки, действующей на конструкцию, и вид напряженного состояния. Отсутствие этих данных затрудняет более точную оценку возможности применения рассматриваемых типов деревянных конструкций при строительстве объектов с точки зрения требований противопожарных норм, а также разработку мероприятий по их огнезащите. Кроме того, в указанных таблицах предоставлена далеко не вся номенклатура конструкций, изготовленных из клеёной или цельной древесины, которые применяются в практике строительства. В связи с этим в ряде случаев возникает необходимость оценить несущую способность и предел огнестойкости деревянных конструкций расчетным путем.

Изменение в условиях пожара прочностных, а для древесины и геометрических характеристик сечений приводит к снижению несущей способности элементов и узлов деревянных конструкций. Нормальные и касательные напряжения в сечениях элементов при этом увеличиваются. Предельное состояние элемента деревянных конструкций при пожаре наступает в случае достижения нормальными (касательными) напряжениями от нормативной нагрузки значения величины нормируемой прочности (расчетного сопротивления) или снижения несущей способности элемента до величины внутреннего силового фактора.

294

На рис. 9.4 показаны графики изменения напряжений в сечении элемента от глубины обугливания древесины и снижения их несущей способности от времени действия пожара.

f ( f)	Mf (Nf)

f ( f) = Rf

Mf (Nf) = Mn(Nn)

	0		Z	0
		Zcr			cr
	а
					б

Рис. 9.4. Зависимость величины напряжений в сечении от расчетной глубины обугливания (а) и несущей способности от времени действия пожара (б)

Предельное состояние деревянных конструкций, элементов и их соединений определяется следующими равенствами:

σ τf Rf ;	(9.2)
M f N f Mn Nn ,	(9.3)

где σf (τf) – нормальные (касательные) напряжения в расчетном сечении от действия нормативных нагрузок; Rf – расчетное сопротивление для определения предела огнестойкости; Mf (Nf) – несущая способность элемента или конструкции; Mn(Nn) – силовые факторы в расчетном сечении от действия нормативных нагрузок.

Для расчета предела огнестойкости деревянных элементов вводят понятие расчетная глубина обугливания древесины Z.

Рабочее сечение деревянного элемента, при достижении которого в результате обугливания наступает предельное состояние, называется критическим, а расчетная глубина обугливания Z = Zcr называется предельной [4]. При этом предельная глубина обугливания равна

Zcr = Zf.cr + δ,

(9.4)

гдеZf.cr – толщинаобуглившегосяслоядревесины, мм; δ– толщинадревесины, находящейсяподуглистымслоемипрогретойдотемпературы230–250 °С.

295

Вторая составляющая расчетной глубины обугливания δ связана с тем, что при температуре 230–250 °С древесина полностью теряет способность выдерживать действующие нагрузки. Толщина слоя древесины δ, находящейся при данной температуре за фронтом обугливания, составляет 5 мм, т. е. за фронтом обугливания имеется слой древесины, который не сопротивляется действующим на элемент нагрузкам.

Фактический предел огнестойкости деревянного элемента

или конструкции из условия потери их несущей способности равен:
Пф = τ0 + τcr = 4 + (Zcr – δ) / V = 4 + Zf.cr / V,	(9.5)

где τ0 – время от начала огневого воздействия на древесину температуры при пожаре до ее самовоспламенения, принимается по табл. 9.3; τcr – время от начала самовоспламенения (начало обугливания) древесины до наступления предельного состояния при пожаре, мин; δ – толщина слоя древесины, прогретой до значений температуры 230–250 °С и находящейся за фронтом обугливания (в расчетах принимается 5 мм).

В том случае, если Zcr ≤ δ, то Пф = Zcrτ0 / δ. Для древесины с различными способами огнезащитызначение τ0 существенновозрастает (см. табл. 9.3).

Таблица 9.3

Время до начала самовоспламенения (активного обугливания) древесины в зависимости от способа огнезащиты

	Способ огнезащиты		Время τ0,
			мин
	Поверхностная обработка антипиренами		5
	(огнебиозащитный состав «КСД-А» (марка 1) с расходом 400 г/м2)
	Гипсокартонный лист:	ГКЛ (δ = 10 мм), ГОСТ 6266–89	11
		ГКЛ (δ = 12,5 мм), ГОСТ 6266–89	14
	Песчано-цементная штукатурка		30
	толщиной 20–25 мм по металлической сетке
	Полужесткая негорючая минераловатная плита		30
	толщиной 50 мм (ГОСТ 9573–89)
	Асбестоцементноперлитовый плоский лист толщиной 10–12 мм		15
	Вспучивающиеся покрытия:	«ВПД» (4 слоя), ГОСТ 25130–82	8
		огнезащитное фосфатное покры-
			8
		тие «ОФП-9» (2 слоя), ГОСТ 23790
	Глубокая пропитка огнебиозащитным	составом	10
	«КСД-А» (марка 1) с привесом сухих солей 40 кг/м3
	Древесина без огнезащиты (влажность от 2 до 12 %)		3–4

Как видно из формулы (9.5), для определения предела огнестойкости деревянного элемента необходимо знать значение предельной глубины обугливания Zcr, которую можно определить, используя зависимость «напряжение – расчетная глубина обугливания» (см. рис. 9.4, а) и равенство (9.2). При определении предела огнестойкости узловых соединений элементов деревянной конструкции используется зависимость «несущая способность – время действия пожара» (см. рис. 9.4, б) и равенство (9.3).

296

В условиях пожара из-за обугливания древесины происходит изменение геометрических характеристик расчетного сечения деревянного элемента или конструкции. Прямоугольное сечение высотой h и шириной b (при h ≤ b) имеет следующие геометрические характеристики: площадь А, момент сопротивления W, момент инерции I, статический момент S. При обогреве этого сечения с трех или четырех сторон (рис. 9.5) изменение геометрических характеристик учитывается соответствующими коэффи-

циентами: ηA3, ηW3, ηI3, ηS3 и ηA4, ηW4, ηI4, ηS4. Коэффициент изменения геометрической характеристики сечения при пожаре определяется следую-

щим образом:

η	геометрическаяхарактеристикаприпожаре	1.	(9.6)
	геометрическаяхарактеристикадопожара

На рис. 9.5 показаны различные схемы обогрева деревянных элементов и конструкций в условиях пожара.

										tв
		y								y
	Zf
								Z	Zf
	x		x
f								f	x
h h					tв		h h
tв							tв			r
Z				t ≈ 230 C
		y						Z
										y
	Z	bf	Z						Z	bf
		b			t ≥ 280–300 C					b
		tв								tв
	Схема 1						tв		Схема 2
							y
			Z
					Zf		x	tв
		h	f		x
	tв		h
							r
								t ≈ 230 C
			Z
					Z		bfy Z

b

tв

Схема 3

Рис. 9.5. Схемы обогрева деревянных элементов и конструкций в условиях пожара

297

Зависимость значений η от расчетной глубины обугливания Z и размеров сечения h и b для различных схем обогрева сечения деревянного элемента показана в виде графиков [4, прил. 2 (рис. 2.1–2.6)].

С помощью этих графиков определяется предельная глубина обугливания древесины Zcr, величина которой не должна превышать 0,25 наименьшего размера сечения до пожара, что соответствует штрихпунктирной линии и области на графиках, расположенной ниже этой линии. При использовании этих графиков необходимо учитывать, что в зависимости от схемы обогрева, а для таких геометрических характеристик, как А, а также W, I, S относительно осей x или y, значения соответствующего коэффициента η рассматриваются в виде функции η = f(h / b; Z / h) или η = f(b / h; Z / b). Эти данные в зависимости от схем обогрева прямоугольного сечения (см. рис. 9.5) приведены в табл. 9.4.

Таблица 9.4

Коэффициент η как функция отношений h / b; Z / h и b / h; Z / b в зависимости от схемы обогрева прямоугольного сечения

Геометрическая	Коэффициент η
характеристика	Обогрев с трех сторон	Обогрев с четырех сторон
	ηA3 = f(h / b; Z / h)	ηA4 = f(h / b; Z / h)
A	Схема 1, рис. 9.3; рис. 2.1 (прил. 2)	Схема 3, рис. 9.3;
	Схема 2, рис. 9.3; рис. 2.1 (прил. 2)	рис. 2.5 (прил. 2)
	ηW3 = f(h / b; Z / h)	ηW4 = f(h / b; Z / h)
Wx	Схема 1, рис. 9.3; рис. 2.1 (прил. 2);	Схема 3, рис. 9.3;
	Схема 2, рис. 9.3; рис. 2.2 (прил. 2)	рис. 2.5 (прил. 2)
	ηW3 = f(b / h; Z / b)	ηW4 = f(b / h; Z / b)
Wy	Схема 1, рис. 9.3; рис. 2.2 (прил .2);	Схема 3, рис. 9.3;
	Схема 2, рис. 9.3; рис. 2.1 (прил. 2)	рис. 2.5 (прил. 2)
	ηIx = f(h / b; Z / h)	ηI4 = f(h / b; Z / h)
Ix	Схема 1, рис. 9.3; рис. 2.3 (прил. 2)	Схема 3, рис. 9.3;
	Схема 2, рис. 9.3; рис. 2.2 (прил. 2)	рис. 2.6 (прил. 2)
	ηI3 = f(b / h; Z / b)	ηI4 = f(b / h; Z / b)
Iy	Схема 1, рис. 9.3; рис. 2.2 (прил. 2)	Схема 3, рис. 9.3;
	Схема 2, рис. 9.3; рис. 2.3 (прил. 2)	рис. 2.6 (прил. 2)
	ηS3 = f(h / b; Z / h)	ηS4 = f(h / b; Z / h)
Sx	Схема 1, рис. 9.3; рис. 2.3 (прил. 2)	Схема 3, рис. 9.3;
	Схема 2, рис. 9.3; рис. 2.4 (прил. 2)	рис. 2.6 (прил. 2)

Предельная глубина обугливания для составных сечений деревянных элементов, выполненных из отдельных брусьев, при ширине зазора, превышающей 7 мм, определяется с учетом уменьшения размеров в результате

298

обугливания каждого из элементов составного сечения. При несимметричном обогреве центрально- и внецентренно нагруженных деревянных элементов необходимо учитывать смещение центра тяжести сечения в результате обугливания относительно точки приложения внешнего продольного усилия.

Порядок определения предела огнестойкости для центрально-растя- нутых, центрально-сжатых (из условия прочности) деревянных элементов при обогреве сечения с четырех сторон и поперечно изгибаемых (из условия прочности) по нормальным напряжениям при обогреве элементов

стрех или четырех сторон выполняется в такой последовательности:

–в зависимости от характера работы деревянного элемента определяется значение коэффициента снижения геометрической характеристики η;

–в зависимости от схемы обогрева (см. рис. 9.5) и данных в табл. 9.4 находят отношение h / b или b / h;

–используя графики прил. 2 (рис. 2.1–2.6), с учетом геометрической характеристики, входящей в формулу для определения коэффициента η,

вычисляют значение отношения Zcr / h (Zcr / b) и, умножив это отношение на h или b, находят значение Zcr;

–по формуле (9.4) вычисляют искомый предел огнестойкости деревянного элемента.

В том случае, если точка пересечения параметров η и h / b (b / h) на графиках в прил. 2 (рис. 2.1–2.6) находится на штрихпунктирной линии или расположена ниже этой линии, значение предельной глубины обугливания Zcr принимается равным 0,25 наименьшего размера сечения деревянного элемента до пожара.

Покажем на примере порядок определения значений коэффициента η для центрально-растянутых и центрально-сжатых (из условия прочности) деревянных элементов, обогреваемых с четырех сторон. Используя равенство (9.2), получаем:

для центрально-растянутого элемента
σft Rft ;	(9.7)
для центрально-сжатого элемента (из условия прочности)
σft Rfc .	(9.8)

Представим значения нормальных напряжений в виде равенств:

σft	Nn	; σfc	Nn	.
	AnηA4		AnηA4

Согласно равенству (9.2),

Nn	Rft ;	Nn	Rfc ,
AnηA4		AnηA4

299

η σn .

Rf

где Nn – усилие растяжения или сжатия от нормативной нагрузки; Аn – площадь сечения элемента до пожара нетто; Rft и Rfc – расчетные сопротивления для определения предела огнестойкости растянутых и сжатых деревянных элементов, значения которых даны в табл. 9.2.

Отсюда значения коэффициента ηА4, учитывающего уменьшение площади сечения при пожаре для центрально-растянутого и центрально-сжатого (изусловия прочности) деревянных элементов, соответственноравны:

ηA4		Nn				σn	;		(9.9)
		An Rft
						Rft
ηA4		Nn				σn		.	(9.10)
		An Rfc
						Rfc

Аналогично значения коэффициентов ηW3 и ηW4, учитывающих уменьшение момента сопротивления деревянного элемента (из условия прочности изгибаемого элемента по нормальным напряжениям), обогреваемого с трех или четырех сторон, равны:

η		Mn					σn		;		(9.11)
W 3		W R	fW				R	fW
		n
η		Mn					σn			,	(9.12)
W 4		W R	fW				R	fW
		n

где Мn – изгибающий момент в сечении от нормативной нагрузки; Wn – момент сопротивления сечения элементов до пожара нетто; RfW – расчетное сопротивление для определения предела огнестойкости изгибаемых деревянных элементов, значение которого дано в табл. 9.2.

При отсутствии ослаблений в расчетном сечении значения Аn и Wn в формулах (9.9)–(9.12) приравниваются к площади А и моменту сопротивления W сечения брутто.

Таким образом, для рассмотренных случаев значение коэффициента изменения геометрической характеристики деревянного элемента в условиях пожара можно выразить общей формулой через напряжение в сечении от действия нормативной нагрузки, определяемое в зависимости от характера работы элемента, и расчетное сопротивление для определения предела огнестойкости Rf:

(9.13)

При обугливании растянутого или сжатого элемента, обогреваемого с трех сторон, между линией действия усилия растяжения или сжатия Nn и осью, проходящей через центр тяжести необугленного сечения элемента,

300