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

возникает эксцентриситет еf = Z / 2. В этом случае элементы работают на растяжение с изгибом или сжатие с изгибом, а их предел огнестойкости определяется так же, как для элементов, работающих в условиях сложного сопротивления.

При определении предельной глубины обугливания Zcr для оценки предела огнестойкости центрально-сжатого элемента (из условия устойчивости), обогреваемого с четырех сторон, изгибаемого элемента из условия прочности по касательным напряжениям и устойчивости плоской формы деформирования (рис. 9.6), а также элементов, работающих в условиях сложного сопротивления, обогреваемых с трех или четырех сторон, необходимо построить график зависимости значений напряжений δf (τf) от расчетных значений глубины обугливания Z.

N N

h

l

b

Рис. 9.6. Потеря устойчивости плоской формы деформирования изгибаемого деревянного элемента

Оценка предела огнестойкости деревянных элементов в этом случае выполняется в такой последовательности:

– произвольно задаются расчетными значениями глубины обуглива-

ния Z1, …, i = Zf1, …, i + δ ≤ 0,25b при b ≤ h;

– в зависимости от схемы обогрева (см. табл. 9.4 и рис. 9.5) определяют

отношенияh / b (b / h) иZ1, …, i / h (Z1, …, i / b), аспомощьюграфиковнарис. 2.1 – 2.6 (прил. 2) находят значения коэффициентов η1, …, i, учитывающих изме-

нение геометрических характеристик (А, W, I, S);

–вычисляют значения коэффициентов (φf1, …, i, φм1, …, i, Kfжм1, …, i, ξf1, …, i), зависящих от изменения расчетной глубины обугливания Z1, …, i и входящих

врасчетные формулы;

–в пределах заданных значений глубины обугливания определяют ве-

личины напряжений σf1, …, i(τf1, …, i) или параметра Yf1, …, i, используемого при расчете устойчивости деформирования плоской формы сжатоизгибаемого элемента;

301

– строят график зависимости σf1, …, i(τf1, …, i) – Z1, …, i или Yf1, …, i – Z1, …, i; для предельного состояния, при котором σf(τf) = Rf, а также для равенства

Yf = 1 с помощью построенного графика находят значение предельной глубины обугливания Zcr;

– далее по формуле (9.5) определяют предел огнестойкости деревянного элемента.

В том случае, если значения напряжений σf (τf), найденные при расчетной глубине обугливания Z = 0,25b(b ≤ h), меньше значения расчетного сопротивления Rf, за предельную глубину обугливания принимается вели-

чина Zcr = 0,25b.

Предел огнестойкости поперечно изгибаемого деревянного элемента,

атакже элемента, работающего в условиях сложного сопротивления, устанавливается по минимальному значению предела огнестойкости, вычисленного из условия прочности по нормальным и касательным напряжениям,

атакже из условия устойчивости плоской формы деформирования.

Ниже приведены формулы для расчета значений нормальных σf1, …, i

икасательных τf1, …, i напряжений, параметра Yf1, …, i, а также коэффициентов

игеометрических характеристик, зависящих от расчетных значений глу-

бины обугливания Z1, …, i.

Для центрально-сжатого элемента (из условия устойчивости) при обогреве по всему периметру значение нормального напряжения будет равно

σf 1,..., i	Nn	,	(9.14)
	φf 1, ..., i AηA1, ..., i

где φf1, …, i – значения коэффициента продольной устойчивости; А – площадь сечения до пожара.

В формуле (9.14) значения коэффициента φf1,…,i вычисляются в зависимости от значений гибкости λf1, …, i [4]:

при λf1, …, i ≤ 90 – упругопластическая стадия работы

	φf 1, ..., i 1 0,625		λf 1, ..., i	2	;	(9.15)
			100

при λf1, …, i > 90 – упругая стадия работы
φf 1, ..., i	4	000	,	(9.16)
	2
	λf 1, ..., i

где λf1, …, i = l0 / if1, …, i (l0 – расчетная длина элемента; if1, …, i, – значения радиуса инерции).

302

Согласно нормам [16] расчетная длина элемента l0 = μl, где μ – коэффициент, зависящий от закрепления элемента на опорах (рис. 9.7); l – геометрическая длина элемента.

N N N N N

l

l0=2,2l

l0=l l0=0,8l l0=0,65l l0=0,5l

Рис. 9.7. Расчетная длина сжатого элемента в зависимости от закрепления его на опорах

Значения радиуса инерции сечения вычисляются по формуле

i f 1, ..., i	IηI1, ..., i	,	(9.17)
	AηA1, ..., i

где I – момент инерции; А – площадь сечения до пожара.

Для прямоугольного сечения высотой h и шириной b значения радиуса инерции равны:

относительно оси х

if 1, ..., i 0,289h	ηI1, ..., i		;		(9.18)
относительно оси y	ηA1, ..., i
		ηI1, ..., i
if 1, ..., i 0,289b				,	(9.19)
		ηA1, ..., i

где значения коэффициентов ηI1, …, i и ηA1, …, i, учитывающих геометрических характеристик (I, А), определяются по на рис. 2.1–2.6 (прил. 2).

Для поперечно изгибаемого элемента проведем расчет. Из условия прочности по касательным напряжениям

τf 1, ..., i	QnSηS1, ..., i
		,
	IηI1, ..., i b kZ1, ..., i

изменение

графикам

(9.20)

где Qn – поперечная сила в расчетном сечении от нормативной нагрузки; S – статический момент брутто сдвигаемой части поперечного сечения элемента относительно нейтральной оси до пожара (S = bh2 / 8 – для прямоугольного сечения относительно оси x); I – момент инерции брутто

303

поперечного сечения элемента относительно нейтральной оси до пожара (I = bh3 / 12 – для прямоугольного сечения относительно оси х); b – ширина сечения элемента; k – коэффициент, равный 2 (для схемы обогрева 1 и 3 на рис. 9.5) и равный 1 (для схемы обогрева 2 на рис. 9.5); Z1, …, i – расчет-

ные значения глубины обугливания (Z1, …, i ≤ 0,25b при b ≤ h); ηS1, …, i, ηI1, …, i – значения коэффициентов, учитывающих изменение геометрических харак-

теристик сечения (S, I), определяемых по табл. 9.4, графикам на рис. 2.2, 2.3, 2.4, 2.6 (прил. 2).

Из условия устойчивости плоской формы деформирования

σf 1, ..., i		M		,	(9.21)
		n
	φ	Wη
		fм1, ..., i	W1, ..., i

где Мn – максимальное значение изгибающего момента на рассматриваемом участке lfp; φfм1, …, i – значения коэффициента, учитывающего устойчивость плоской формы деформирования; W – момент сопротивления расчетного сечения до пожара брутто относительно нейтральной оси (W = bh2 / 6 – для прямоугольного сечения шириной b и высотой h относительно нейтральной оси x); ηW1, …, i – значения коэффициента, учитывающего изменение геометрической характеристики W, определяются по графикам на рис. 2.1, 2.2, 2.5 (прил. 2).

Значения коэффициента φfм1, …, i в формуле (9.21) для элемента прямоугольного сечения шириной b и высотой h, не имеющего закреплений из плоскости по растянутой от изгибающего момента кромке, равны

	φfм1, ..., i 250	b kZ1, ..., i 2	K fфK fжм1, ..., i	,	(9.22)
		h nZ1, ..., i lfp
	где Kfф – коэффициент, зависящий		от формы изгибающих		моментов

на участке lfp и определяемый по формулам, приведенным в табл. 9.5; Kfжм1, …, i – значения коэффициента, учитывающего переменную высоту сечения изгибаемого элемента, определяются по табл. 9.5 (Kfжм1, …, i = 1 для элементов с постоянной высотой сечения); lfp – длина участка между точками изгибаемого элемента, подкрепленными связями из плоскости; n = 1 для схемы обогрева 1; n = 2 для схем обогрева 2 и 3 (рис. 9.5); k = 2 для схем обогрева 1 и 3; k = 1 для схемы обогрева 2 (рис. 9.5).

В том случае, если значение произведения φfм1, …, i ηW1, …, i ≥ 1 – устойчивость плоской формы деформирования по формуле (9.21) можно не проверять.

При определении по табл. 9.5 значений параметра βf1, …, i необходимо учитыватьизменениевысотысеченийизгибаемогоэлементаhf1, …, i = h –nZf1, …, i в результате обугливания сторон прямоугольного сечения при различных схемах его обогрева.

304

αf Mn

Таблица 9.5

Значения коэффициентов Kfф и Kfжм1, …, i, используемых при расчете устойчивости плоской формы деформирования изгибаемых элементов прямоугольного сечения

Kfф

Kfжм1, …, i

при закреплении

f

f

Форма эпюры

только по концам

h

f

h

f

f

f

моментов

участка lfp

β

h

β

h

lfp

lfp / 2

lfp / 2

n

M

1

0,5f

0,5f

lfp

n

M

1,75 – 0,75αf

1

0,5

3 f

lfp

0 < αf ≤ 1

f

f

n

2

1

1

M

c

lfp / 2 c

c

c

1,35 + 1,45

l fp

l fp

2 2

3 2

l fp

f

f

n

M

1,13

0,5f

2f

5

lfp

n

M

2,54

0,25f

0,5f

lfp

9.4.Огнезащита элементов деревянных конструкций и их узлов

Пожарная опасность деревянных конструкций может быть снижена в результате их огнезащитной обработки пропиточными и окрасочными составами, а также использования защитных конструктивных мероприятий.

При необходимости предел огнестойкости деревянных элементов конструкции и узлов их соединения может быть повышен путем увеличения размеров их сечения, применения огнезащитных покрытий, в том числе вспучивающихся при нагреве, а также теплоизолирующих материалов и облицовок, в том числе пиломатериалов.

305

Наибольший интерес с практической точки зрения представляют огнезащитные лаки, которые сохраняют декоративные качества древесины, предохраняют ее от воспламенения и в совокупности с водостойкими покрытиями могут эксплуатироваться в атмосферных условиях. Огнезащитные лаки представляют собой тонкослойные покрытия с толщиной до 3 мм, состоящие из различного рода полимеров и функциональных добавок [65]. Огнезащитные лаки обладают высокой эластичностью и адгезией к поверхности. Наиболее эффективные огнезащитные лаки при высокой температуре способны к образованию вспененного теплоизолирующего слоя на поверхности деревянной конструкции [65].

При этом эффективность вспучивающихся огнезащитных покрытий определяется, прежде всего, как обеспечением вспучиваемости и стабильности угольного слоя при действии высоких температур, так и обеспечением адгезии к древесине и сохранения декоративных и огнезащитных свойств при их длительной эксплуатации.

Для получения I группы огнезащитной эффективности по ГОСТ Р 53292–2009 расход лаков при нанесении может составлять 300 г/м2 и выше [66]. При более высоких расходах покрытия возможно существенное снижение пожарной опасности древесины строительных конструкций,

аименно достижение:

–группы горючести Г1 (слабогорючие);

–группы воспламеняемости В1 (трудновоспламеняемые) [66]. Одним из наиболее применяемых видов огнезащитной обработки

древесины является пропитка ее антипиренами. Возможны следующие способы обработки древесины антипиренами:

–пропитка без внешнего давления (диффузионная и поверхностная пропитка);

–пропитка вымачиванием (замачивание древесины в растворе антипирена и метод горячехолодных ванн);

–пропитка с внешним давлением (пропитка с торца и пропитка в автоклавах).

Отечественные и зарубежные огнезащитные составы для поверхност-

ной обработки способны обеспечивать I группу огнезащитной эффективности при расходе в среднем 300–400 г/м2 [66].

Эффективными способами огнезащиты древесины являются методы пропитки в горячехолодных ваннах и автоклавной глубокой пропитки. Способ горячехолодных ванн получил широкое промышленное применение в качестве основного способа пропитки строительных деталей из древесины на ряде крупных деревообрабатывающих комбинатов.

Глубокая пропитка применяется только для элементов конструкций, выполненных из цельной древесины. Для изготовления клеёной конструкции доски, подверженные глубокой пропитке в антипиренах, трудно склеить, поэтому клеёные элементы обрабатываются окрасочными составами и составами для поверхностной пропитки.

306

При правильно подобранном составе антипиренов и режимах глубокой пропитки древесина может переводиться в разряд слабогорючих (Г1) и умеренногорючих (Г2) материалов. Кроме того, глубокая пропитка антипиренами может обеспечивать перевод древесины в группу материалов РП1 (нераспространяющие пламя по поверхности) по ГОСТ Р 51032–97, группу материалов В1 (трудновоспламеняемые) по ГОСТ 30402–96, группу материалов Д2 (с умеренной дымообразующей способностью)

по ГОСТ 12.1.044–89 п. 4.18. [65].

С учетом вышесказанного, элементы дощатого каркаса в ограждающих конструкциях обязательно подвергаются глубокой пропитке антипиренами, а клеёные ребра должны пройти поверхностную обработку огнезащитными составами.

Огнезащита листов фанеры различными составами малоперспективна из-за ее расклеивания в условиях пожара. В целях удержания фанерных обшивок, приклеенных к каркасу, в проектном положении рекомендуется дополнительно использовать оцинкованные шурупы.

В целях исключения выпадения минераловатного утеплителя в плитах покрытия, защищающего деревянные ребра и верхнюю обшивку от непосредственного воздействия огня, рекомендуется использовать стальные сетки (сетка рабица или просечно-вытяжная) или полосовую сталь сечением 8×25 мм, обработанные огнезащитным покрытием, которые располагаются между утеплителем и нижней обшивкой панели (рис. 9.8). Стальные полосы устанавливаются с шагом 300–400 мм и крепятся к деревянному каркасу шурупами длиной не менее 70 мм, а место крепления должно быть защищено минераловатным утеплителем. Такое решение позволяет обеспечить предел огнестойкости плит покрытий в пределах 24–30 мин [4].

	300–400
	Доска	Обшивка
	торцевая
	Стальная	Ребро
	полоса	Утеплитель

Рис. 9.8. Расположение стальных полос, удерживающих при пожаре минераловатный утеплитель в проектном положении

307

Как уже отмечалось, особую опасность в пожарном отношении представляют утепленные ограждающие конструкции, имеющие вентиляционные продухи, способствующие распространению огня по конструкциям. Для уменьшения возможных размеров пожара в зданиях в вентилируемых ограждающих конструкциях должно быть предусмотрено устройство противопожарных диафрагм из негорючих и слабогорючих материалов.

Противопожарные диафрагмы в ограждающих конструкциях устраиваются вдоль и поперек здания (рис. 9.9), что позволяет разделить покрытие на отдельные отсеки.

2

1

6 000

Рис. 9.9. Устройство противопожарных диафрагм в деревянных кровельных покрытиях здания:

1 – продольная диафрагма; 2 – поперечная диафрагма

Согласно требованиям противопожарных норм [4], площадь таких отсеков не должна превышать 54 м2. В продольном направлении здания диафрагма устанавливается вдоль конька, а в поперечном – вдоль несущих конструкций покрытия с шагом не более 6 м. Конструкция продольной диафрагмы (рис. 9.10, а) выполняется с применением досок, подвергнутых глубокой пропитке антипиренами, асбестоцементных, цементно-стружеч- ных или гипсоволокнистых листов. Поперечные противопожарные диафрагмы выполняются в стыках ограждающих конструкций с применением минеральной ваты (рис. 9.10, б). Для облегчения устройства противопожарных диафрагм рекомендуется применять ограждающие конструкции, позволяющие организовать вентиляцию в поперечном направлении здания.

Конструктивное решение плит покрытий размерами 1,5×6 м, снижающее их пожарную опасность, было разработано ЦНИИЭП зрелищных зданий и спортивных сооружений, а затем использовано при строительстве крытого катка в г. Архангельске [4]. Продольные ребра несущего каркаса – плиты (рис. 9.11) сечением 210×75 мм – были склеены из досок толщиной 34 мм и обработаны огнезащитным покрытием ОФП-9 на фосфатной основе.

308

3		4	2
	2
			1

1

б

а

Рис. 9.10. Конструкция противопожарных диафрагм:

а– продольных; б – поперечных:

1– несущая конструкция покрытия; 2 – ограждающая конструкция; 3 – продольная противопожарная диафрагма; 4 – поперечная противопожарная диафрагма

5

3

340

750
750		4
750
2		5 980
7
1	1
210
75	75 75	75
	1 470	6

Рис. 9.11. Плита покрытия, разработанная ЦНИИЭП для зрелищных зданий и спортивных сооружений:

1 – продольные ребра; 2 – поперечные ребра; 3 – обрешетка; 4 – продух; 5 – утеплитель; 6 – нижняя обшивка; 7 – стальные полосы

В качестве утеплителя применялись минераловатные плиты толщиной 100–120 мм, уложенные между продольными ребрами. Между нижней обшивкой и утеплителем находились стальные полосы, прикрепленные к продольным ребрам и удерживающие утеплитель в проектном положении.

309

Нижняя обшивка была выполнена из асбестоцементноперлитовых листов, а верхняя – из стали. Поперечные ребра в плите, опирающиеся на продольные, позволяли организовать поперечное проветривание конструкции, торцы которой были закрыты глухими диафрагмами. Огневые испытания таких плит, проведенные во ВНИИПО, показали, что конструкция сохраняет свою несущую способность во время пожара в течение 45 мин [4].

Огнезащита балок, изготовленных из цельной древесины, выполняется с помощью глубокой или поверхностной пропитки антипиренами, а клеёные балки защищаются окрасочными составами. Клеефанерные балки, наиболее опасные в пожарном отношении, можно защищать минераловатными плитами толщиной 50 мм (рис. 9.12), удерживаемыми в рабочем положении дополнительными слоями фанеры [4].

						3
2	3	2	2	3	2	2	2
		4			4

1	1	1	1	1	1
	а		б		в

Рис. 9.12. Конструктивная огнезащита клеефанерных балок:

а – с одиночной стенкой; б – с двойной стенкой; в – коробчатого сечения: 1 – деревянный пояс; 2 – фанерная стенка; 3 – минераловатная плита на клею; 4 – дополнительные фанерные стенки, удерживающие минераловатные плиты в проектном положении

Такая защита позволяет увеличить предел огнестойкости клеефанерных балок до 24 мин. Если позволяют условия эксплуатации внутренних помещений здания, более эффективной защитой клеёных и клеефанерных балок может служить подвесной потолок, выполненный из негорючих или горючих (Г1, Г2) материалов (рис. 9.13).

Применение подвесного потолка также эффективно для огнезащиты металлодеревянных ферм. В том случае, если условия технологических процессов исключают применение подвесного потолка, деревянные и стальные элементы фермы, а также ее узлы необходимо подвергнуть обработке огнезащитными составами.

Огнезащита поверхностей деревянных элементов арок и рам выполняется аналогично огнезащите балок. Наиболее опасными в пожарном отношении являются узлы таких конструкций, выход которых из строя определяет

310