Дефекты бетона после пожара
Обновлено: 30.04.2024
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОЦЕНКЕ СВОЙСТВ БЕТОНА ПОСЛЕ ПОЖАРА
УТВЕРЖДЕНЫ директором НИИЖБ 30 ноября 1984 г.
Печатается по решению секции коррозии и спецбетонов НТС НИИЖБ Госстроя СССР от 9 июля 1984 г.
Методические рекомендации содержат основные положения по оценке структуры и физико-механических свойств тяжелого бетона, бетонных и железобетонных конструкций после пожара. Рассмотрены последовательность проведения обследования, операции и приборы для определения температуры нагрева бетона, изменений в его структуре, прочности и деформативности.
Предназначены для инженерно-технических работников проектных и строительных организаций, органов пожарного надзора при проведении обследований зданий и сооружений после пожара.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Значительная часть убытков от пожаров в жилых, общественных и промышленных зданиях и сооружениях падает на стоимость строительных конструкций, в том числе бетонных и железобетонных.
Эти убытки можно сократить за счет частичного или полного восстановления поврежденных огнем бетонных и железобетонных конструкций зданий и сооружений, а также за счет сокращения сроков обследования и ускоренного ввода после пожара промышленных объектов в эксплуатацию.
Для решения этой проблемы необходимо иметь научно-обоснованные методы оценки прочности, деформативности и структуры бетона после пожара.
Настоящие Методические рекомендации составлены на основании результатов исследований, проведенных в рамках международного сотрудничества советскими и польскими специалистами.
Методические рекомендации разработаны НИИЖБ Госстроя СССР (д-р техн.наук В.В.Жуков, кандидаты техн. наук В.В.Соломонов, З.М.Ларионова, А.А.Гусев, инж. Н.П.Леднева) и Институтом строительной техники ИТБ ПНР (д-р, доц. Р.Кшивоблоцка-Ляуров, мгр. инж. А.Ярмонтович).
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. После пожара в зависимости от значения температуры и длительности огневого воздействия бетон изменяет свои прочностные и деформативные свойства, изменяется его структура.
1.2. В настоящих Методических рекомендациях изложены основные положения по оценке свойств бетона после огневого воздействия с учетом изменения и взаимосвязи его физико-механических и физико-химических свойств.
1.3. Оценка состояния бетона после пожара производится представителями проектных институтов (по чьим проектам построены и должны восстанавливаться объекты) совместно с представителями предприятия (цеха), архитекторами, смотрителями зданий, представителями строительно-монтажных организаций с привлечением для сложных и ответственных случаев специалистов из специализированных научно-исследовательских подразделений.
2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОГНЕВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
2.1. Пожары в зданиях и сооружениях характеризуются следующей продолжительностью: в жилых и административных зданиях 1-2 ч (температура в очаге пожара 1000-1100 °С), в театральных сооружениях и крупных универсальных магазинах 2-3 ч (t=1100-1200 °С), в ряде производственных помещений пожар может длиться до 4-6 ч (t=1200-1400 °С).
2.2. Значение температуры нагрева бетона в сечении бетонных и железобетонных конструкций зависит от температуры в очаге пожара, геометрии элемента, местоположения конструкции по отношению к очагу пожара, а также длительности огневого воздействия.
3. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ СВОЙСТВ БЕТОНА ПОСЛЕ ПОЖАРА
3.1. Обследование бетона в бетонных и железобетонных конструкциях после пожара рекомендуется проводить в два этапа: предварительный и детальный.
3.2. Перед предварительным обследованием подробно изучается проектно-техническая документация (рабочие чертежи, результаты статических расчетов, документы на дополнительные строительные работы и т.д.).
3.3. В ходе предварительного обследования составляется перечень конструкций, подвергшихся огневому воздействию, и выявляются конструкции, находящиеся в аварийном состоянии, с целью их ограждения, ограничения действующих на них нагрузок или полного их разрушения; намечаются участки и составляется программа для детального обследования бетона в конструкциях, определяется объем и последовательность подготовительных работ для проведения детального обследования (расчистка завалов, изготовление подмостей, временных опор, устройство дополнительного освещения и т.д.); проводится ориентировочная оценка температуры нагрева бетона в конструкциях и соответственно его остаточная прочность.
3.4. Ориентировочная температура нагрева бетона по сечению бетонного или железобетонного элемента может быть определена косвенным путем в зависимости от длительности пожара и температуры нагрева поверхности бетона, которая устанавливается по его цвету (до 300 °С - естественный, 300-600 °С - от розового до красноватого, 600-900 °С - от темно-серого до темно-желтого, выше 900 °С - желтый), температуры плавления материалов, оказавшихся рядом с поверхностью бетона во время пожара (свинец - 300 . 350 °С, цинк - 400 °С, алюминий и его сплавы - 650 °С, стекло литое и листовое - 700 . 800 °С, латунь, бронза, медь - 900 . 1000 °С, чугун - 1000 . 1200 °С) и др.
3.5. Во время обследования рекомендуется производить предварительную оценку прочности бетона методом пластической деформации с помощью эталонного молотка Кашкарова (в соответствии с ГОСТ 22690.2-77) или аналогичных инструментов (молотка Физделя, приборов типа ХПС и КМ с шариковым наконечником и др.). Для этого с участка удаляется нарушенный во время пожара бетон и проводится зачистка поверхности.
3.6. Площадь участка испытания должна быть не менее 0,01 м. Прочность бетона следует определять в наиболее ответственных сжатых элементах, в зонах наиболее интенсивного огневого воздействия. За исходную прочность может быть принята прочность бетона аналогичных конструкций, расположенных вне зоны пожара или некоторых участков поврежденных огнем конструкций.
3.7. О дефективности структуры бетона после пожара свидетельствует тон звука при простукивании: неплотный бетон издает глухой звук, а при наличии отслоений - дребезжащий. Ненарушенный бетон издает звонкое звучание.
3.8. Главной целью детального обследования бетонных и железобетонных конструкций является уточнение данных (полученных во время предварительного обследования), необходимых для полного восстановления этих конструкций. Более точно, при помощи физико-химических методов, устанавливаются температура прогрева элементов по сечению и соответственно остаточные прочностные и деформативные характеристики бетона, глубина разрушенного слоя бетона.
3.9. Данные об изменении прочности, начального модуля упругости, коэффициента Пуассона различных видов бетона в зависимости от температуры их нагрева приведены в прил.1-4.
3.10. Физико-химические анализы применяют в случае, когда невозможно определить температуру нагрева бетона физико-механическими методами.
3.11. Для выполнения физико-химических анализов из поврежденных огнем конструкций следует отобрать пробы бетона массой не менее 500 г (желательно 1 кг). Пробы отбирают послойно, начиная с поверхности элемента вглубь до неповрежденного огнем слоя. Для всех анализов необходим контрольный образец ненагретого (неповрежденного) бетона.
С каждого участка обследования берут 3 пробы-близнеца, помещают в герметически закрываемые сосуды (бюксы, эксикаторы) и маркируют. Порошкообразные высолы собирают с поверхности бетона в пробирки и маркируют.
3.12. Физико-химические параметры, используемые в качестве оценочных критериев для бетона, можно условно разделить на три группы, в зависимости от места выполнения анализов.
I группа - анализы выполняют на месте пожара по критериям оценки макроструктуры:
II группа - анализы выполняют в условиях заводской лаборатории по следующим критериям:
продолжительность действия соляной кислоты,
количество гидратной воды.
III группа - анализы выполняют в условиях специализированной лаборатории НИИ по критериям оценки
потеря массы по термограммам;
количество клинкерных зерен в шлифах;
размер линий CS и Са(ОН) на рентгенограммах;
размер эффектов Са(ОН) и СаСО на термограммах;
показатель светопреломления цементирующей массы;
средняя ширина трещин;
средний размер пор в шлифах;
пористость в шлифах;
поры по данным ртутной порометрии;
микротвердость цементного камня;
3.13. Предварительный результат получают на месте пожара по визуальному обследованию конструкции и обнаружению на бетоне трещин, отслоений, высолов. В условиях лаборатории бетон оценивают сначала по трем доступным критериям. Например, сцепление составляющих, количество гидратной воды, размер эффектов на термограммах. Далее проводят оценку по остальным критериям. Хорошие показатели дают замеры микротвердости, но они возможны в условиях специализированной лаборатории.
3.14. Температуру нагрева бетона по его макроструктуре устанавливают следующим образом.
С помощью ручной лупы (увеличение в 4 раза и более) или стереоскопического бинокулярного микроскопа МБС-2 (увеличение от 3,5 до 88 раз) в свежем сколе бетона выделяют по цвету и структуре характерные зоны (слои). В каждой зоне определяют сцепление составляющих (наличие или отсутствие зазоров по периметру зерен заполнителей), трещиноватость (наличие, количество, ширина раскрытия, направление распространения трещин), оплавленность (степень заполнения неровностей скола бетона стекловидной массой расплава).
3.1. Детальное обследование железобетонных конструкций, которое выполняет эксперт или группа экспертов*, целесообразно проводить в следующей последовательности:
ознакомиться с пострадавшим объектом;
выполнить обследование конструкций с целью выяснения их состояния после пожара;
выполнить обследование конструкций, в наибольшей степени пострадавших от действия высокой температуры во время пожара;
составить и передать администрации предприятия, где произошел пожар, заключение.
* В дальнейшем - эксперт.
3.2. Эксперту, прибывшему на место пожара, прежде всего следует ознакомиться со следующей документацией:
актом предварительного обследования здания после пожара;
актом о пожаре, составленном органами МВД СССР;
рабочими чертежами конструкций;
актами на скрытые работы.
3.3. Эксперту перед началом детального обследования конструкций необходимо обойти здание, осмотреть помещения, где произошел пожар, и ознакомиться с:
общим состоянием здания после пожара, отмечая трещины, дефекты, смещения и разрушения конструкций снаружи здания;
состоянием помещений, намечая пути детального обследования, необходимые дополнительные работы для его выполнения (устройство лестниц, подмостей, освещения), и меры по технике безопасности, необходимые при обследовании.
3.4. При детальном обследовании строительных конструкций эксперту следует отмечать не только дефекты и разрушения конструкций, которые являются следствием пожара, но и любые несоответствия конструкций требованиям ГОСТов и СНиП. Последнее может также служить причиной усиления этих конструкций или замены их на новые.
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
4.1. Конструкции, получившие дефекты и повреждения, по несущей способности и эксплуатационным свойствам могут быть отнесены к одному из следующих состояний в соответствии с "Методическими рекомендациями по классификации дефектов и повреждений в несущих железобетонных конструкциях промышленных зданий" (Харьков: Харьковский ПромстройНИИпроект, НИИЖБ, 1984):
состояние I - нормальное. Усилия в элементах и сечениях не превышают допустимых по расчету. Дефекты и повреждения, препятствующие нормальной эксплуатации или снижающие несущую способность или долговечность отсутствуют;
состояние II - удовлетворительное. По несущей способности и условиям эксплуатации соответствует состоянию I. Имеются дефекты и повреждения, которые могут снизить долговечность конструкции. Необходимы мероприятия по защите конструкции;
состояние III - непригодное к нормальной эксплуатации. Конструкция перегружена или имеются дефекты и повреждения, свидетельствующие о снижении ее несущей способности. Однако на основании поверочных расчетов и анализа повреждений можно гарантировать ее сохранность на период усиления (в необходимых случаях с разгрузкой, установкой страховочных опор или принятия других мер безопасности);
состояние IV - аварийное. То же, что и при состоянии III, однако, на основании поверочных расчетов и анализа дефектов и повреждений нельзя гарантировать сохранность конструкций на период усиления, особенно если возможен хрупкий характер разрушения. Необходимо вывести людей из зоны возможного обрушения, произвести немедленную разгрузку, устройство страховочных опор, ограждений и других мер безопасности.
4.2. Эксперту необходимо обследовать все железобетонные конструкции здания, где произошел пожар, пользуясь схемой классификации железобетонных конструкций по их состоянию после пожара (табл. 3). Окончательные выводы о состоянии конструкции делают после анализа совокупности всех факторов.
При оценке состояния конструкции следует обратить особое внимание на возможность наличия скрытых трещин в вертикальных стенках между отверстиями многопустотных плит перекрытий. Обнаруживаются эти трещины по их выходу на нижнюю поверхность бетонной плиты в виде трещины и простукиванием стенок через нижнюю поверхность и сравниванием звука: звонкий - нет трещин в ребре, глухой есть. В последнем необходима проверка на одной-двух плитах разбивкой бетона у трещины на поверхности плиты, осмотром стенки между отверстиями.
4.3. Если конструкция относится к состоянию III, то необходимо ее подробное дополнительное обследование.
5. ОБСЛЕДОВАНИЕ НАИБОЛЕЕ ПОСТРАДАВШИХ ОТ ПОЖАРА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
5.1. Обследование наиболее пострадавших от пожара конструкций целесообразно выполнять в следующей последовательности:
оценить параметры пожара (максимальную среднюю температуру среды в помещении во время пожара, фактическую и эквивалентную длительность интенсивного горения во время пожара);
определить максимальную температуру нагрева бетона и арматуры конструкций во время пожара;
определить прочность и дефекты бетона, арматуры после пожара.
Таблица 3
Качественная и количественная характеристики фактора при состоянии конструкции
Рекомендованы к изданию решением секции коррозии и спецбетонов Научно-технического совета НИИЖБ Госстроя СССР.
Содержат основные положения по методам предварительного обследования зданий, сооружений, а также строительных конструкций после пожара; детального обследования, усиления и восстановления железобетонных конструкций, разрушенных пожаром.
Для инженерно-технических работников предприятий, научно-исследовательских и проектных организаций, выполняющих обследование, разработку проектов восстановления зданий и строительных конструкций после пожара, а также для работников Госпожнадзора.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Высокая температура в здании или сооружении* при пожаре приводит к частичному или полному разрушению строительных конструкций. После пожара необходимо оценить состояние конструкций, чтобы сделать заключение о возможности и методах их восстановления. Это заключение выполняется на основании обследования здания и конструкций.
Рекомендации составлены в помощь организациям и специалистам, проводящим обследования здания и конструкций после пожара: администрации предприятий, где произошел пожар, с целью информации ее о методах предварительного обследования зданий и конструкций сразу после пожара и решения вопроса о дальнейших мерах по ликвидации последствий пожара; специалистам, которые должны выполнить детальное обследование бетонных и железобетонных конструкций с целью выдачи заключения о возможности дальнейшей эксплуатации здания, необходимости и возможности его восстановления; работникам проектных организаций для составления проекта восстановления здания или конструкций.
В основу настоящих Рекомендаций положены экспериментальные и теоретические исследования, а также обобщенный практический опыт обследования здания после пожара лаборатории огнестойкости бетонных и железобетонных конструкций НИИЖБ Госстроя СССР. Использованы также данные ВНИИПО, МИСИ им. В.В. Куйбышева, Симферопольского филиала ДИСИ, Волгоградского ИСИ, КуИСИ.
Настоящие Рекомендации разработаны НИИЖБ Госстроя СССР (д-р техн. наук проф. В.В. Жуков, кандидаты техн. наук В.В. Соломонов, А.А. Гусев, Ю.В. Максимов, В.И. Агаджанов, В.В. Фигаровский, инженеры Ю.Д. Рыбаков, Т.В. Михайлова, Е.Н. Шустова, А.В. Гамаюнов, И.Ф. Баленко, Г.А. Григорян, П.С. Султыгова, А.В. Пчелинцев) совместно с Симферопольским филиалом ДИСИ (канд. техн. наук Э.Ф. Панюков и инж. Ю.П. Линченко) и Волгоградским ИСИ (канд. техн. наук В.И. Шевченко).
Замечания и предложения просьба направлять в НИИЖБ по адресу: Москва, 109389, 2-я Институтская ул., д. 6.
* В дальнейшем - здании.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
1.1. Рекомендации предназначены для использования при предварительном обследовании зданий, детальном обследовании железобетонных конструкций после воздействия на них высокой температуры во время пожара, разработке проекта восстановления здания или конструкций.
1.2. Сразу после пожара директору предприятия, где произошел пожар, необходимо приказом назначить комиссию для предварительного обследования.
В комиссию следует включить: представителя администрации предприятия (председатель комиссии), инженера-строителя, инженера по технике безопасности, электрика и специалиста по газовому хозяйству.
В комиссию целесообразно пригласить представителя Госпожнадзора.
Комиссии следует закончить свою работу через 1-2 дня после пожара до назначения, если необходимо, местной или технической комиссии в соответствии с "Положением о порядке расследования причин аварий (обрушений) зданий, сооружений, их частей и конструктивных элементов" (М., Стройиздат, 1974).
1.3. Предварительное обследование проводят с целью:
выяснения возможности пребывания в здании людей и выполнения технологического процесса, для которого здание предназначено;
выявления, ликвидации или ограждения опасных для людей зон, полностью или сильноразрушенных конструкций;
принятия решения о дальнейших мерах, направленных к полной ликвидации последствий пожара: а) собственными силами; б) с приглашением представителей научно-исследовательских и проектных организаций для проведения детального обследования и разработки проекта восстановления здания или конструкций;
подготовки предварительных материалов и выполнения работ для проведения детального обследования конструкций (данных, характеризующих пожар, мест для устройств подмостей, лестниц, освещения).
1.4. Детальное обследование железобетонных конструкций после воздействия на них высокой температуры может быть выполнено научно-исследовательской или проектной организацией по строительству. Для обследования конструкций в особо сложных случаях (конструкций уникальных зданий; предварительно напряженных, сборно-монолитных железобетонных конструкций; конструкций с неясной схемой работы, особенно после частичного разрушения конструкции; зданий, в которых возникают трудности установления температурного режима пожара, температуры нагрева материала конструкции, его физико-механических и теплотехнических характеристик) целесообразно пригласить представителей НИИЖБ Госстроя СССР.
Специалисты, которые выполняют детальное обследование железобетонных конструкций, могут входить в состав технической или местной комиссии, расследующей причины последствий пожара, или действовать самостоятельно по согласованию с администрацией предприятия, где произошел пожар.
1.5. Детальное обследование железобетонных конструкций выполняют с целью:
составления и передачи администрации предприятия, где произошел пожар, заключения о возможности дальнейшей эксплуатации здания, необходимости и возможности восстановления здания и конструкций;
получения данных для администрации предприятия, где произошел пожар, о прочности материала конструкций, на которые действовала высокая температура, об изменении расчетной схемы конструкций, ее габаритов и размеров.
1.6. Специалистам (экспертам), обследующим конструкции, следует работать совместно с представителем проектной организации, которая будет разрабатывать проект восстановления здания и конструкций.
Желательно, чтобы в обследовании здания и конструкций после пожара принимала участие проектная организация, которая это здание проектировала и осуществляла авторский надзор при его строительстве.
Эксперту в заключении следует привести необходимые проектной организации данные для разработки проекта восстановления:
перечень конструкций, которые следует заменить на новые конструкции, восстановить или усилить;
характеристики прочности бетона и арматуры после пожара, изменение расчетной схемы, размеров и габаритов конструкций по сравнению с проектными;
рекомендации по методам восстановления и усиления конструкций*;
рекомендации по разбору "завалов" полностью или частично разрушенных конструкций*;
схемы частично разрушенных конструкций с указанием дефектов и их характеристик*.
* Эти данные приводятся в заключении только в случае необходимости по просьбе администрации обследуемого предприятия и по согласованию с экспертом.
1.7. Перед разработкой проекта восстановления здания или конструкций необходимо дать экономическую оценку целесообразности проведения намечаемых работ по методике разд. 10 настоящих Рекомендаций.
1.8. При проведении обследований, разработке проекта восстановления и строительства необходимо соблюдать правила техники безопасности и пожарной безопасности.
2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ОБСЛЕДОВАНИЕ ЗДАНИЙ ПОСЛЕ ПОЖАРА
2.1. Комиссии в составе, указанном в п. 1.2, надлежит обследовать все помещения, в которых произошел пожар, строительные конструкции этих помещений и здание в целом.
2.2. В ходе предварительного обследования комиссия должна составить таблицу (прил. 1), в которой необходимо указать:
места расположения обследуемых помещений и их привязку к планам и разрезам проекта здания;
полностью или частично разрушенные во время пожара конструкции; при этом дается краткая характеристика разрушения;
возможность нахождения людей в обследованных частях здания, на конструкциях и под ними.
2.3. В ходе обследования комиссии следует получить следующие сведения о пожаре, необходимые для дальнейшего детального обследования конструкций:
время обнаружения пожара, начала интенсивного горения (вспышки), полной ликвидации пожара;
продолжительность интенсивного горения во время пожара (от начала интенсивного горения до начала снижения температуры пожара);
средства тушения пожара (вода, пена и т.д.);
место нахождения очага пожара;
максимальную среднюю температуру среды во время пожара.
Кроме того, комиссия должна установить места, где необходимо сделать подмости и освещение для проведения детального обследования.
2.4. Комиссии надлежит составить акт предварительного обследования (прил. 2), который утверждается директором предприятия, где произошел пожар.
В акте указывают:
краткую характеристику здания;
характеристики температурного режима по данным пожарного подразделения и натурного обследования предметов в помещении, где был пожар;
положение очага пожара;
средства тушения пожара;
аварийные помещения и конструкции;
необходимость приглашения экспертов для детального обследования;
перечень работ, которые необходимо выполнить до прибытия экспертов;
состояние электрической проводки, газовой и водопроводной сетей.
2.5. Директору предприятия, где произошел пожар, на основании акта предварительного обследования следует издать приказ о принятии необходимых мер по технике безопасности при эксплуатации пострадавших помещений, об их охране, если необходимо, и о назначении ответственных за выполнение этих мероприятий.
2.6. Характеристики температурного режима пожара (время обнаружения пожара, начало и продолжительность его интенсивного горения, максимальная средняя температура в помещении во время пожара, место нахождения очага пожара) и средства тушения пожара принимают на основании акта о пожаре.
2.7. Натурные данные о максимальной средней температуре в помещении во время пожара комиссия может получить на основании оценки температуры, при которой изменился внешний вид и форма отдельных предметов, оставшихся после пожара (табл. 1), температуры оплавления материалов строительных конструкций (табл. 2).
2.8. Натурные данные о длительности пожара комиссия может получить на основании изучения обгорелых кусков древесины.
Длительность пожара tп определяется из выражения:
tп = d /v, мин,
где d - толщина выгоревшей древесины, см; v - скорость горения древесины, см/мин, равная 0,06 см/мин - для легкой и сухой древесины и 0,04 см/мин - для плотной и влажной.
2.9. Если комиссия не может сделать окончательного вывода о состоянии конструкций в помещении, где произошел пожар, необходимо запретить пребывание людей в этом и примыкающих к нему помещениях до прибытия эксперта. Для этой цели издается специальный приказ директора предприятия, в котором указываются ответственный за охрану помещений и мероприятия по технике безопасности.
Таблица 1
Конструкции или их части, предметы
Материал, из которого изготовлены конструкции или их части, предметы
Характеристика изменения внешнего вида и формы
Температура, °С, при которой произошло изменение внешнего вида, формы предмета или части конструкций
Элементы зачеканки стыков, гидроизоляционные прокладки, обмотки кабеля
Скругление углов или образование капель
Элементы пайки, гальванизированные предметы
Небольшие детали машин, фурнитура туалетов, детали строительных конструкций, посуда
1.1. При пожаре в зданиях и сооружениях, в которых применяются бетонные и железобетонные конструкции, возможно хрупкое разрушение бетона. Разрушение бетона происходит внезапно, быстро и поэтому является наиболее опасным.
1.2. Хрупкое разрушение бетона начинается, как правило, через 5-20 мин от начала огневого воздействия и проявляется как откол от нагреваемой поверхности конструкции кусков бетона в виде площадок площадью примерно от 1 см 2 до 0,5-1 м 2 и толщиной от 1 мм до 5 см. Разрушение бетона может продолжаться в течение всего огневого воздействия до полного разрушения конструкции.
Хрупкое разрушение бетона может сопровождаться звуковым эффектом в виде легкого хлопка, треска различной интенсивности или «взрыва». При хрупком разрушении бетона возможен разлет кусков весом до нескольких килограммов на расстояние до 10-20 м.
1.3. Хрупкое разрушение бетона при пожаре может очень быстро привести к разрушению бетонных или железобетонных конструкций. В этом случае предел огнестойкости конструкций может оказаться значительно ниже требуемого вследствие уменьшения размера бетонного сечения конструкции, уменьшения толщины или
полной ликвидации защитного слоя рабочей арматуры, а также образования сквозного отверстия. Уменьшение размера поперечного сечения несущей вертикальную нагрузку колонны или панели при их одностороннем нагреве приводит к увеличению напряжений в оставшейся части сечения как за счет снижения величины ее площади, так и за счет появления дополнительного изгибающего момента (рис. 1).
Уменьшение толщины или откол защитного слоя несущей арматуры в железобетонных балках приводит к быстрому прогреву этой арматуры до критической температуры (500-700 °С) и разрушению конструкции (рис. 2).
Уменьшение толщины ограждающей конструкции приводит к резкому увеличению температуры ее ненагреваемой поверхности до критической (180-220 °С) и в результате - к достижению предела огнестойкости конструкции.
Рис. 1. Влияние хрупкого разрушения бетона на предел огнестойкости несущей железобетонной панели при одностороннем воздействии огня
a - схема панели с нагрузкой (Р); б - график зависимости температуры внутри помещения (Тп при пожаре от времени (t); 1 - панель; 2 - отколовшийся кусок бетона; t1 - предел огнестойкости панели при хрупком разрушении бетона; t2 - то же, без хрупкого разрушения бетона; - температура в помещении в момент t1; - то же в момент t2
Вследствие хрупкого разрушения бетона в ограждающей конструкции сразу или через некоторое время может появиться сквозное отверстие и конструкция не будет являться преградой распространению огня из одного помещения в другое (рис. 3). При появлении сквозного отверстия в конструкции достигается предел ее огнестойкости.
1.4. При пожаре очень часто начало хрупкого разрушения бетона не совпадает с разрушением всей конструкции, происходящим значительно позже. В ряде случаев, несмотря на хрупкое разрушение бетона, конструкция еще длительное время может сопротивляться воздействию огня. При этом предел ее огнестойкости может быть вполне достаточным и удовлетворять требованиям нормативных документов.
При оценке последствии хрупкого разрушения бетона при пожаре и влияния его на предел огнестойкости бетонных и железобетонных конструкций необходимо в каждом конкретном случае рассматривать возможность разрушения и предел огнестойкости каждой отдельной конструкции.
1.5. Хрупкое разрушение бетона при пожаре наиболее опасно для несущих конструкций, особенно для конструкций с небольшим поперечным сечением, воспринимающих большие нагрузки. Их преждевременное разрушение может вызвать обрушение других конструкций или здания (сооружения) в целом. Особое внимание следует обратить на возможность хрупкого разрушения бетона несущих колонн и панелей нижних этажей и подвалов многоэтажных зданий.
Рис. 2. Влияние хрупкого разрушения бетона на предел огнестойкости несущей железобетонной балки
а - схема балки; б - график зависимости температуры внутри помещения и температуры рабочей арматуры от времени; 1 - балка; 2 - рабочая арматура; 3 - отколовшийся кусок бетона; 4 - зависимость температуры внутри помещения от времени; 5 - то же, арматуры при хрупком разрушении бетона; 6 - то же, арматуры без хрупкого разрушения бетона
Рис. 3. Влияние хрупкого разрушения бетона на предел огнестойкости ограждающей железобетонной конструкции
а - схема ограждающей конструкции; б - график зависимости температуры внутри помещения А, где произошел пожар, от времени; 1 - потолок (перекрытие); 2 - пол; 3 - ограждающая конструкция; 4 - отколовшийся кусок бетона; А, В - помещения, которые разделяет конструкция; 7 - зависимость температуры внутри помещения А от времени; 8 - то же, при хрупком разрушении бетона; 9 - то же, на поверхности ограждающей конструкции со стороны помещения Б, когда нет хрупкого разрушения бетона
1.6. Причиной хрупкого разрушения бетона при пожаре является переход уже существующих до нагрева или вновь образовавшихся при нагреве трещин в структуре бетона из равновесного состояния в неравновесное и спонтанное их развитие (рис. 4) под действием напряжений.
Рис. 4. Схема распределения напряжений у трещины, вызывающей откол бетона при его хрупком разрушении
1 - поперечное сечение бетонного элемента; 2 - трещина; 3 - траектория движения трещины; 4 - эпюра температур; σр - растягивающие напряжения от фильтрации пара; σсж - сжимающие напряжения от неравномерного распределения температуры по толщине сечения элемента и от внешней нагрузки; h - толщина элемента
Рис. 5. Диаграмма состояния бетона
R υ T - относительные напряжения в начале образования новых трещин; R υ T - относительные напряжения в начале развития магистральных трещин; I - точка максимальных напряжения; II - точка неустойчивого состояния бетона; 1 - восходящая ветвь диаграммы состояния бетона; 2 - то же, нисходящая; 3 - деформация ребер или элементов заделки тонкостенной конструкции после перехода бетоном точки максимальных напряжений; ε1 - относительные деформации в момент появления новых трещин; ε2 - то же, в начале развития магистральных трещин, R - относительные напряжения; ε - относительные деформации
1.7. Хрупкость бетона характеризуется величиной Δ R у (рис. 5), равной разности относительных напряжений в параметрических точках О. Я. Берга * на диаграмме состояния бетона
Гвоздев А. А. Структура бетона и некоторые особенности его механических свойств. - В кн.: Прочность, структура, изменения и деформации бетона. М., Стройиздат, 1978.
Δ R х = R υ Т - R о Т, (1)
где Δ R х - характеристика хрупкости бетона;
R о Т - относительное напряжение в начале образования новых трещин;
R υ Т - относительное напряжение в начале развития магистральных трещин.
Чем меньше величина Δ R х , тем больше опасность хрупкого разрушения бетона при пожаре. Следовательно, чем раньше в бетоне появляются новые трещины (т.е. чем меньше величина R о Т ), тем бетон менее хрупок.
Наиболее хрупкой составляющей бетона является цементный камень. Мелкий и крупный заполнители делают бетон менее хрупким, так как способствуют появлению мелких трещин на стадии изготовления, транспортирования и хранения конструкций и препятствуют развитию крупных магистральных трещин при загружении внешней нагрузкой (включая и собственный вес конструкции) и нагреве.
1.8. При анализе хрупкого разрушения бетона при пожаре можно использовать основные положения механики хрупкого разрушения. В этом случае характеристикой бетона при его хрупком разрушении является коэффициент псевдоинтенсивности напряжений в устье трещины (К1) равный
где К 1 - коэффициент интенсивности напряжений однородного материала, Мн м -3 / 2 ;
К΄ 1 - коэффициент псевдоинтенсивности напряжений неоднородного материала, Мн · м -3 / 2 ;
b - положительная функция, учитывающая влияние заполнителей в бетоне на развитие трещины (аналогично влиянию зоны пластичности в пластичных материалах), Мн · м -3/2 .
Чем больше значение К΄ 1 , тем материал лучше сопротивляется развитию в нем трещин.
Для экспериментального определения величины К΄ 1 можно пользоваться существующей методикой *.
* Черепанов Г. П. Механика хрупкого разрушения. Изд. «Наука», М., 1974 (с. 192, табл. 4.1, п. 4);
Kiyoshl Okada and Wataru Koyanagi . Effect of aggregate on the fracture process of concrete. Proc. Int. Conf. Mech. Behav. Mater. Kyoto, 1972, vol. 4, p. 72-83.
Коэффициент псевдоинтенсивности напряжений ( К΄ 1 ) пропорционален характеристике хрупкости бетона ( Δ R х ); оба эти показателя связаны с эффективной поверхностной энергией и вязкостью разрушения бетона. Эти параметры являются характеристиками, оценивающими сопротивление бетона (как материала) хрупкому разрушению.
1.9. Хрупкое разрушение бетона является также следствием действия на него напряжений, вызванных нагревом и внешней нагрузкой и приводящих к переходу трещины из равновесного в неравновесное состояние.
При пожаре наибольшее влияние на хрупкое разрушение бетона оказывают: собственные температурные напряжения от градиента температуры по сечению элемента, напряжения от статической неопределимости конструкции, от внешней нагрузки и от фильтрации пара через структуру бетона.
1.10. Хрупкому разрушению бетона при пожаре может способствовать раскол при нагреве крупных заполнителей.
При анализе причин разрушения бетона и подборе состава бетона, который бы не разрушался при пожаре, необходимо проверить возможность разрушения крупного заполнителя по методике, приведенной в прил. 1.
1.11. Хрупкое разрушение тонкостенных элементов железобетонных конструкций при нагреве может произойти вследствие потерн устойчивости, которая связана с наличием в диаграмме состояния бетона падающей ветви. Эта потеря устойчивости происходит при жестких ребрах или элементах заделки, окружающих тонкостенный элемент, а также при местном нагреве тонкостенной конструкции, когда не нагретые участки играют роль жесткой обоймы.
Такой особый вид потери устойчивости в характерной точке II на диаграмме состояния бетона (см. рис. 5) известен из литературы *. Как правило, он сопровождается быстро протекающим хрупким разрушением материала с характерным сильным звуком, часто напоминающим взрыв.
* Dougill T. W. The relevance of the established method of structural fire testing to reinforced concrete. Applied materials research. October. 1966, p . 235-239.
Для предотвращения при пожаре хрупкого разрушения бетона тонкостенных конструкций необходимо ограничивать их толщину в соответствии с указаниями третьего раздела, настоящих Рекомендаций.
1.12. Хрупкое разрушение бетона при пожаре зависит от структуры бетона, его состава, влажности, температуры, граничных условий конструкции и внешней нагрузки, т.е. оно зависит как от материала (бетона), так и от вида бетонной или железобетонной конструкции.
1.13. Необходимо контролировать возможность хрупкого разрушения бетона при пожаре и влияние его на предел огнестойкости бетонных и железобетонных конструкций, предусматривать в случае необходимости меры по борьбе с хрупким разрушением бетона и конструкции в целом.
Опасность хрупкого разрушения бетона практически может быть сведена к минимуму при выполнении специальных мероприятий.
2.1. При разработке новых составов бетонов или усовершенствовании уже существующих необходимо оценить возможность хрупкого разрушения бетона при пожаре.
2.2. Возможность хрупкого разрушения бетона при пожаре для бетонов нормального твердения оценивается по величине критерия хрупкого разрушения ( F ), который определяется по формуле
где ασ t - коэффициент линейной температурной деформации бетона, 1/град;
E σ t - модуль упругости нагретого бетона, Мн/м 2 ;
ρ - плотность бетона в сухом состоянии, кг/м 3 ;
а - коэффициент пропорциональности, равный 1,16 · 10 -2 Вт · м 5/2 /кг;
К΄ 1 - коэффициент псевдоинтенсивности напряжений неоднородного материала, Мн · м -3/2 ;
П - общая пористость, м 3 /м 3 ;
λ - коэффициент теплопроводности бетона, Вт/(м.град);
W э о - объемная эксплуатационная влажность бетона, м 3 /м 3 . Значения коэффициентов аσ t , Еσ , ρ, λ определяют по таблицам прил. 2 для средней температуры бетона 200-300 °С.
Коэффициент псевдоинтенсивности напряжений (К΄1) принимают по данным табл. 1 в зависимости от вида и количества заполнителей (для бетона на портландцементе).
Количество крупного заполнителя, %
Значения К΄1 для бетонов нормального твердения, Мн·м -3/2
После ликвидации горения приходится определять температуры на участках повреждения строительных конструкций по следам пожара.
Вследствие огневого воздействия материалы, из которых изготовлены строительные конструкции и оборудование, оказавшиеся в зоне действия высоких температур, претерпевают различные изменения.
Последние сопровождаются характерными признаками, которые выражаются в изменении физических, химических и механических свойств веществ и материалов, в развитии деформации, разрушении или в полном уничтожении (выгорании) частей здания.
При этом вещества и материалы, зафиксировавшие воздействие температуры на них, выступают в качестве естественных термоиндикаторов.
Естественные термоиндикаторы подразделяют на меняющие цвет при определенной (критической) температуре, плавящиеся, выкипающие или выгорающие при заданной температуре, характеризующие определенное состояние частей здания, строительных конструкций и оборудования после огневого воздействия соответствующей мощности.
Некоторые естественные термоиндикаторы обладают свойствами «запоминать» температуры по сечению, длине и высоте строительных конструкций. К ним относится распространенные строительные материалы – бетон, дерево, пластмассы.
« Во время пожара возможны различные сочетания факторов, влияющих на температурный режим и поведение строительных конструкций. »
К числу основных факторов, определяющих разрушительные последствия пожара на здание, относятся:
- пожарно-техническая характеристика здания;
- размер нагрузок на элементы строительных конструкций;
- длительность воздействия пламени или высокой температуры;
- температурный режим по участкам здания (с учетом условий газообмена в зонах горения и охлаждающего действия огнетушащих средств).
Характерные признаки, свидетельствующие о воздействии на конструкции высокой температуры, определяются, с одной стороны, конкретными условиями горения и зависят в основном от характеристики и длительности воздействия теплового импульса, а с другой – от вида термоиндикатора.
Рассмотрим приемы определения температур, которым подверглись при пожаре материалы и конструкции. Поведение бетона при нагреве определяется изменением его составляющих — заполнителя и цементного камня.
К наиболее общим признакам, по которым можно судить о температуре, действовавшей на бетон, относятся:
- изменение цвета и закопчение;
- снижение тона звука при простукивании;
- отслаивание и отколы;
- взрывообразные и местные разрушения;
- изменение прочностных и деформативных характеристик, физико-химических свойств;
- оплавление и следы огневой эрозии бетона.
Цвет бетона изменяется в зависимости от вида заполнителя и вяжущего. При температуре до 300 С тяжелый бетон принимает розовый оттенок, при 400–600 С – красноватый, при 900–1000 С – бледно-серый.
В зоне интенсивного горения с температурами более 800 С сильной закопченности бетона, как правило, не бывает, так как сажа полностью выгорает. В зоне действия повышенных и умеренно высоких температур (100–400 С) может происходить значительное оседание сажи.
При простукивании молотком можно установить степень повреждения огнем структуры бетона. Неповрежденный бетон имеет высокий тон звука, с увеличением степени разрушения бетона звук становится глухим. После воздействия температур более 600 С молоток при уларе сминает бетон на поверхности образца.
⇒ Часть сечения образца, прогретая свыше 500 С, при уларе средней силы откалывается.
При воздействии умеренно высоких (200–400 С) и высоких температур (400–800 С) разрушение бетона носит или относительно спокойный, или взрывообразный характер.
При относительно спокойном разрушении происходит температурное расшатывание бетона. Это объясняется тем, что в тяжелом бетоне коэффициент линейного температурного расширения заполнителей изменяется в больших пределах, вследствие чего сцепление заполнителей с цементным камнем при умеренно высоких температурах резко снижается.
Микротрещины в бетоне образуются при температуре 300–400 С. При дальнейшем росте температур возникают макротрещины. После нагрева бетона до 500 «С трещины увеличиваются настолько, что становятся видны невооруженным глазом. Ширина температурно-усадочных трещин при этом менее 0,1 мм.
После воздействия температур 400–800 С трещины развиваются интенсивнее. Ширина раскрытия поверхностных трещин 0,5–1 мм. Образцы, прогретые до центра сечения температурами свыше 700 С, после охлаждения разрушаются. Увлажнение образцов бетона, нагретого до 600 С, приводит к их полному разрушению.
Взрывообразное разрушение бетона в период пожара происходит в статически неопределимых, преднапряженных и тонкостенных элементах, а также в железобетонных конструкциях, изготовленных из автоклавных, пропаренных и высокопрочных бетонов.
⇒ В условиях пожара бетон взрывается через 10–20 мин после начала интенсивного огневого воздействия на железобетонные конструкции.
Взрывообразное разрушение может происходить непрерывно в радиусе очага пожара на поверхности конструкций, подверженных воздействию огня. Взрыв наиболее поражает участки железобетонных конструкций, на которые непосредственно воздействует пламя.
Взрывообразное разрушение бетона возникает, как правило, при быстром нагреве поверхности элемента (непосредственное воздействие пламени, жесткий температурный режим, высокая плотность теплового потока).
При этом температура на поверхности бетона 700–900 С. В случае умеренного повышения температуры взрыв бетона происходит при 1000–1200 С и выше.
Конструкции, находившиеся под воздействием повышенных и высоких температур (до 700 С), можно определить по изменению скорости распространения ультразвука (рис. 1) при известной прочности поврежденного бетона и длительности огневого воздействия.
Температуру нагрева свыше 200 С в зависимости от изменения физического состояния бетона или его химического состава можно определить методом термического анализа.
Во время пожаров с высокой плотностью теплового потока возможно оплавление некоторых составляющих бетона. Так, при температуре 1100-1150 С происходит оплавление керамзита, при 1300– 1500 С – полевых шпатов, входящих в состав гранитного заполнителя, при 1700–1710 С – кремнезема; при 2000–2050 С – глинозема.
Рис. 1. Номограмма для определения температуры нагрева тяжелого бетона класса В 15 в зависимости от его остаточной прочности и скорости распространения ультразвука.
На развитие термической эрозии бетона существенное влияние оказывает огневое воздействие с высокими 400–800 С, а ещё большее – умеренно яростными температурами 800–1200 С. При температуре свыше 1200 С защитный слой бетона интенсивно растрескивается, легкоплавкие и тугоплавкие составляющие бетона плавятся.
Во время огневого воздействия со сверхвысокими температурами огневая эрозия бетона принимает катастрофический характер. Это явление происходит вследствие плавления не только тугоплавких, но и огнеупорных составляющих бетона.
Таким образом, по следам термической эрозии бетона можно судить о степени его нагрева после пожара:
Читайте также: