6.5. Поведінка залізобетонних конструкцій за умов пожежі

Вогнестійкість залізобетонних конструкцій визначається зміною міцності та пружно–пластичних властивостей бетону (див. розділ 5) та арматурної сталі в умовах короткочасної дії високих температур. Враховуючи наявність великої кількості специфічних особливостей поведінки залізобетону в умовах механічного навантаження та особливості, що з’являються під час його нагрівання в тих же умовах, можна зазначити що руйнування має характер, зумовлений накопиченням ушкоджень у вигляді тріщин. Поява тріщин та їх розвиток спричиняє різний перерозподіл внутрішніх зусиль для різних функціональних елементів залізобетонних конструкцій. Умовно можна розділити на елементи, які працюють в умовах стискання (колони, стойки та ін.), елементи, які працюють на згин (балки, ригелі, плити перекриттів та ін.), елементи, які працюють в умовах сумісної дії деформацій (елементи каркасів, рам, ферм та ін.).

Для працюючих на згин вільно опертих по двох сторонах (статично визначених) залізобетонних елементів конструкцій вирішальним фактором, що визначає необоротне зниження їх міцності та жорсткості в умовах пожежі є поведінка за даних умов арматурних сталей. При вогневій дії пожежі на зігнутий елемент на початкових стадіях відбувається прогрівання внутрішніх шарів бетону, при цьому в цих шарах відбувається закриття тріщин за рахунок температурного розширення. Із зростанням температури у внутрішніх шарах відбувається нагрів арматури і при досягненні нею температури 450–500С арматурна сталь набуває стану текучості, тобто зростання деформацій при сталих внутрішніх зусиллях. При цьому на фоні додаткового зменшення міцності бетону внаслідок нагрівання втрачається стійкість тріщин и вони починають розвиватись. При подальшому зростанні тріщин під вогневою дією пожежі найбільші з них розвиваються у магістральні. В місцях найбільших ушкоджень у стиснутій зоні зімкнуті береги магістральних тріщин обминаються і роздроблюються, а арматура ще більше пластично деформується при сталому зусиллі. У результаті утворюється локальна зона великих пластичних деформацій. Таке явище подібне до утворення пластичного шарніру у металевих конструкціях. Після цього відбувається обвалення елементу. В деяких випадках обвалення може спричинити розрив арматурних стержнів.

На рис. 6.5 показані елементи залізобетонних конструкцій після їхньої руйнації під вогневою дією пожежі.

а.

б.

Рис. 6.5. Результат вогневої дії пожежі на: а – залізобетонну колону; б – залізобетонний ригель.

Зважаючи на вищевказане, можна зазначити, що вогнестійкість зігнутих елементів (див. розділ 3), визначається часом прогріву робочої арматури до критичної температури, що відповідає тому моменту, коли опір арматури знижується до величини напружень, які виникають в ній від нормативного навантаження. Окрім того, велике значення для збереження монолітності залізобетону при нагріванні має величина зчеплення сталевої арматури з бетоном. І нарешті суттєвий вплив на поведінку залізобетону при нагріванні має зниження модуля пружності сталі при нагріванні.

Варто відзначити, що зчеплення звичайного бетону з гладкою арматурою при нагріванні до 100°С зберігається на рівні 75% від початкової величини, а при 450°С це зчеплення практично повністю порушується. Для арматури періодичного профілю при температурі до 250°С зчеплення з бетоном не знижується, а при температурі 450°С воно складає близько 75% від початкової величини.

Для центрально та відцентрово стиснутих залізобетонних елементів втрата несучої здатності в умовах пожежі обумовлена нерівномірним по перетину елемента зниженням міцності і зростанням повзучості бетону при нагріванні. При вогневій дії пожежі на початкових стадіях пожежі в стиснутих елементах також відбувається закриття тріщин внаслідок температурного розширення. Після цього температурні напруження зростають і найбільш прогріті зовнішні шари накопичують ушкодження при зменшенні їхньої міцності. Це приводить до того, що для їх деформування потрібне набагато менше зусилля. Таким чином, основну частину навантаження сприймає менш ушкоджена внутрішня частина. При цьому стиснутий елемент може перейти до деформації поздовжнього згину. Подальше накопичення ушкоджень приводить до локального подрібнення бетону. В місці найбільшої кількості пошкоджень бетон випучується разом з арматурними стержнями і можна вважати, що в цьому місці утворюється пластичний шарнір. Після цього може відбутися обвалення стиснутого елементу.

Узагальнюючи вищезазначене, можна казати, що межа вогнестійкості наступає в зв’язку зі скороченням роботоздатного перетину бетону до величини, при якій виникає той чи інший граничний стан.