Прочность бетона после пожара

Обновлено: 21.05.2024

БЕТОННЫЕ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Правила обеспечения огнестойкости и огнесохранности

Concrete and reinforced concrete structures. Rules for ensuring of fire resistance and fire safety

Дата введения 2020-06-11

Предисловие

Сведения о своде правил

1 ИСПОЛНИТЕЛЬ - АО "НИЦ "Строительство" - Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона им.А.А.Гвоздева (НИИЖБ им.А.А.Гвоздева)

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 465 "Строительство"

3 ПОДГОТОВЛЕН к утверждению Департаментом градостроительной деятельности и архитектуры Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации (Минстрой России)

6 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего свода правил соответствующее уведомление будет опубликовано в установленном порядке. Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте разработчика (Минстрой России) в сети Интернет

Введение

Свод правил разработан АО "НИЦ "Строительство" (руководитель работы - канд. техн. наук И.С.Кузнецова, главный консультант - д-р техн. наук, профессор А.Ф.Милованов, исполнители: В.Г.Рябченкова, Ю.С.Рянзина).

1 Область применения

Настоящий свод правил устанавливает требования к проектированию бетонных и железобетонных конструкций, обеспечивающие огнестойкость и огнесохранность при воздействии стандартного температурного режима пожара.

Свод правил распространяется на бетонные и железобетонные конструкции жилых, общественных и производственных зданий.

Свод правил не распространяется на:

- на конструкции из жаростойких бетонов;

- конструкции из фибробетонов;

- конструкции из полимербетонов;

- конструкции из бетонов крупнопористой структуры.

2 Нормативные ссылки

В настоящем своде правил использованы нормативные ссылки на следующие документы:

ГОСТ 27751-2014 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения

ГОСТ 30247.0-94 (ИСО 834-75) Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования

ГОСТ 30247.1-94 Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции

ГОСТ 31310-2015 Панели стеновые трехслойные железобетонные с эффективным утеплителем. Общие технические условия

ГОСТ 31937-2011 Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния

ГОСТ Р 52544-2006 Прокат арматурный свариваемый периодического профиля классов А500С и В500С для армирования железобетонных конструкций. Технические условия

СП 2.13130.2012 Системы противопожарной защиты. Обеспечение огнестойкости объектов защиты (с изменением N 1)

СП 14.13330.2018 СНиП II-7-81* Строительство в сейсмических районах

СП 20.13330.2016 СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия (с изменениями N 1, N 2)

СП 63.13330.2018 СНиП 52-01-2003 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения

СП 329.1325800.2017 Здания и сооружения. Правила обследования после пожара

СП 432.1325800.2019 Покрытия огнезащитные. Мониторинг технического состояния

Примечание - При пользовании настоящим сводом правил целесообразно проверить действие ссылочных документов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте федерального органа исполнительной власти в сфере стандартизации в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный документ, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого документа с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого документа с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего свода правил в ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный документ отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку. Сведения о действии сводов правил целесообразно проверить в Федеральном информационном фонде стандартов.

3 Термины и определения

В настоящем своде правил применены следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 высокотемпературное воздействие пожара: Воздействие температур свыше 200°С на строительные конструкции при пожаре, при котором возникают температурные напряжения, могут меняться физико-механические и упругопластические свойства материалов конструкций и уменьшаться работоспособное сечение элемента.

3.2 высокотемпературный нагрев: Нагрев конструкции свыше 200°С при воздействии пожара.

3.3 кратковременный высокотемпературный нагрев: Однократное высокотемпературное воздействие пожара на конструкцию продолжительностью от нескольких минут до нескольких часов.

конструктивный способ огнезащиты: Облицовка объекта огнезащиты материалами или иные конструктивные решения по его огнезащите.

нормируемый (требуемый) предел огнестойкости железобетонной конструкции: Значение предела огнестойкости.

огнестойкость строительной конструкции: Способность строительной конструкции сохранять несущие и (или) ограждающие функции в условиях пожара.

3.7 огнесохранность строительной конструкции: Способность строительной конструкции сохранять после пожара несущие и (или) ограждающие функции, характеризует состояние ремонтопригодности конструкции без ее усиления после пожара.

3.8 поврежденный слой бетона: Поврежденный пожаром, ослабленный слой бетона, легко удаляемый при простукивании поверхностей железобетонных конструкций молотком (вручную, без применения электроинструментов).

пожар: Неконтролируемое горение, причиняющее материальный ущерб, вред жизни и здоровью граждан, интересам общества и государства.

3.10 повышенная температура: Температура воздействия на бетонные и железобетонные конструкции в интервале от 50°С до 200°С включительно.

предел огнестойкости конструкции (заполнения проемов противопожарных преград): Промежуток времени от начала огневого воздействия в условиях стандартных испытаний до наступления одного из нормированных для данной конструкции (заполнения проемов противопожарных преград) предельных состояний.

предельное состояние конструкции по огнестойкости: Состояние конструкции, при котором она утрачивает способность сохранять несущие и/или ограждающие функции в условиях пожара.

3.13 предел огнестойкости по потере несущей способности (R): Предельное состояние несущей строительной конструкции при пожаре вследствие ее обрушения или возникновения предельных деформаций.

Примечание - Предельные деформации определяют по ГОСТ 30247.1-94 (приложение А).

3.14 предел огнестойкости по потере теплоизолирующей способности (I): Предельное состояние несущей и (или) ограждающей строительной конструкции при пожаре вследствие повышения температуры на необогреваемой поверхности конструкции в среднем более чем на 140°С, или в любой другой точке этой поверхности более чем на 180°С в сравнении с температурой конструкции до испытания, или более 220°С независимо от температуры конструкции до испытания.

3.15 предел огнестойкости по потере целостности (E): Предельное состояние несущей и (или) ограждающей строительной конструкции при пожаре в результате образования в конструкции сквозных трещин или отверстий, через которые на необогреваемую поверхность проникают продукты горения или пламя.

3.16 собственный предел огнестойкости железобетонной конструкции: Предел огнестойкости, который обеспечивается при проектировании за счет параметров железобетонного сечения конструкции (геометрия сечения, армирование, толщина защитного слоя бетона, классы бетона и арматуры), без применения средств огнезащиты.

средство огнезащиты: Огнезащитный состав или материал, обладающий огнезащитной эффективностью и предназначенный для огнезащиты различных объектов.

стандартный температурный режим пожара: Логарифмическая зависимость "температура - длительность пожара".

3.19 фактический предел огнестойкости железобетонной конструкции: Предел огнестойкости, которым обладает существующая (эксплуатируемая) бетонная или железобетонная конструкция, в том числе с учетом ее технического состояния и наличия огнезащитных покрытий.

3.20 критическая температура нагрева арматуры: Температура нагрева растянутой арматуры, при которой происходит обрушение изгибаемой железобетонной конструкции при пожаре.

4 Общие положения по обеспечению огнестойкости железобетонных конструкций

4.1 При проектировании должны быть подтверждены пределы огнестойкости железобетонных конструкций для установления возможности их применения в зданиях и сооружениях заданной степени огнестойкости по СП 2.13130. Классификация зданий, сооружений и пожарных отсеков по степени огнестойкости и порядок определения степени огнестойкости установлены в [1, статьи 30, 87].

Даже бетону – самому востребованному сегодня стройматериалу – необходима защита от огня. Эта «глыба» под воздействием критичных температур становится хрупкой, может «взрываться», разбрасывая весомые кусочки. Врагом при пожарах становится влага (внутри конструкций, вода для пожаротушения). Как вычисляют огнестойкость железобетонных конструкций, что берут в расчет, чем покрывают поверхности, чтобы не дать пламени нанести ущерб?

Зачем это нужно?

Кажется, что прочному камнеподобному материалу не страшно пламя. Однако при серьезных возгораниях бетон (железобетон) может стать довольно хрупким. Одна из причин – изменение под действием высоких температур линейных размеров самого бетона, «начиняющей» его арматуры.

Другой фактор – влага. Закипая под действием сильного жара, она провоцирует взрывное откалывание кусочков материала. Так, в бетоне с повышенной влажностью разрушительный процесс начинается спустя пять-двадцать минут, масса осколков может быть значительной, их разлет – составлять несколько метров.

Угрожает материалу и вода, которой гасят пламя при пожарах – из-за разницы термической деформации разных участков бетонных конструкций на их поверхности появляются большие сколы, трещины, обнажаются элементы усиления.

«Слабым звеном» под атакой огня оказываются деформационные швы. В целях гидроизоляции их обычно заделывают полимерными горючими герметиками. Последние быстро прогорают, переставая быть преградой для пламени, раскаленного воздуха.

Огнезащита бетона призвана:

предупредить возгорание путем увеличения временного предела начала пожара (пороговое значение во многом зависит от качества, толщины слоя самой огнезащиты);
сократить объем площади, на которой распространяется пламя, уменьшить скорость «расползания» огня.

Требования к огнестойкости

Согласно федеральному закону от 2008 года, выделены одиннадцать вероятных нижних пределов огнестойкости конструкций, применяемых в строительстве. Первый – ненормируемый, последний составляет 360 минут. Искомый предел для каждой конкретной конструкции, ее составляющих, установлен, исходя из их практического предназначения.

Предел огнестойкости для отдельного элемента значит срок наступления одного или нескольких крайних состояний. Буквой R, к примеру, обозначают утрату несущей способности. Значение Е подразумевает потерю целостности перегородки либо похожих изолирующих секций, I описывает потерю теплозащитной способности специальных экранов. То есть, предел R120 значит, что элемент под действием огня не должен терять прочность, обрушиваться как минимум в течение двух часов (120 минут).

Помимо того, есть требования по СНиП (строительным нормам и правилам). Так, согласно документу 21-01-97, здания делят на пять степеней огнестойкости. Каждая степень «внутри» подразделяется по типам конструкции (несущие элементы, ненесущие стены, лестничные марши, т.п.). Существуют методические рекомендации расчета данного параметра, созданные на основе соответствующих нормативов.

Методы защиты

К методам огнезащиты бетона относят применение материалов, способных стать действенным противотермическим экраном. Для этого используют:

специальную лакокрасочную продукцию;
разные виды термоизоляционной штукатурки;
легкие негорючие плиты, изготовленные из вспученного вермикулита;
рулонную защиту.

Наиболее востребованными в силу несложности, удобства работ являются краски и штукатурки.

Лакокрасочное покрытие

Часто огнезащита железобетонных конструкций обеспечивается нанесением на них специальных красок. Их главное достоинство – отсутствие дополнительной нагрузки на элементы, простота нанесения, обработки труднодоступных участков. Исходя из химических, физических характеристик, их делят на две категории:

Вспучивающиеся. Когда на такую краску действует открытое пламя, она в десять–сорок раз (показатель зависит от свойств состава) «растет» в объеме. Помимо того, при пожарах такое покрытие разлагается, сильно поглощая тепло. Вместе с тем идет выделение негорючих газов, благодаря которым образуется накоксованная пена, предохраняющая бетонные поверхности от нагревов на период, достаточный для ликвидации возгораний.
Невспучивающиеся. Не расширяются под действием больших температур. Обычно производятся на основе вермикулита (минерала из класса силикатов). Наносятся на полы, стены, балки, колонны из бетона, т.п.

Такую продукцию подразделяют зависимо от того, для каких работ – внешних или внутренних – она будет использоваться. В первом случае краска устойчива к погодному воздействию, ее нередко наносят внутри неотапливаемых помещений с высокими показателями влажности. Составы могут быть прозрачными (сохраняют фактуру материала), цветными (для полов, стен). Для полов, чтобы повысить износостойкость покрытия, практикуют нанесение двухкомпонентной краски. Особая лакокрасочная продукция – довольно недорогое решение. Она способны защитить конструкции на 150 минут.

Термоизоляционная штукатурка

Не менее популярным решением в огнезащите ЖБИ является применение особых штукатурных составов, паст, наносимых на железобетонные перекрытия ручными приспособлениями либо путем торкретирования (послойного «напыления» с помощью сжатого воздуха). Они способны обеспечивать огнестойкость конструкций до 4 часов.

В подобных смесях не допускается использование в качестве связующих цемента кварцевого песка. Дело в том, что при температуре 550 идет выделение из цемента гашеной извести (гидроксида кальция), из-за чего поверхность покрытия дает трещины, а штукатурка больше не может эффективно противостоять пламени.

В современных пастах, смесях как связующее используют гипс, жидкое силикатное стекло, пуццолановые портландцементы. В качестве заполнителей производители предпочитают термостойкие вермикулит, горную муку (диатомит), тому подобные материалы. Главным минусом штукатурок считается их низкая влагостойкость (это касается легких смесей с перлитом и вермикулитом, вяжущим компонентом гипсом). Лучшими характеристиками обладают составы с минеральными волокнами (плюс – не несут дополнительной конструкционной нагрузки).

Примечание. При нанесении слой штукатурки не должен быть больше четырех сантиметров, пасты – не толще одного сантиметра.

Технология огнезащиты

Огнезащиту бетонных (железобетонных) конструкций продумывают еще на этапе проектных работ. Ведут расчет огнестойкости, исходя из:

типа бетона, его влажности;
толщины арматурных элементов;
геометрии используемых опор, частей перекрытия;
предела нагрузок;
толщины огнезащитного покрытия.

Выверив эти данные, выбирают вариант защиты – краску, штукатурку, рулонные, листовые материалы. Эффективность избранного метода тестируют в лабораторных условиях. Бетон, покрытый огнезащитным слоем, «пропекают», нагревая до определенного температурного предела.

Примечание. Проведение расчетов, самих работ по огнезащите лучше доверить профессиональным проектировщикам, строителям.

Заключение

Огнезащита железобетона – комплекс мероприятий, регулирующийся рядом государственных нормативов. От того, насколько грамотно он выполнен, зависит, устоят ли конструкции в случае пожара, финальный урон для зданий. Такие типы защиты, как краска, штукатурные смеси и пасты, считаются пассивными противопожарными мерами.

Главная цель их использования– не давать огню возможности быстро распространится, предотвратить разрушение сооружений. Нужный подход определяют при проектировании зданий, его эффективность проверяют лабораторными тестами. Вычисления рекомендуют доверить профи, ведь необходимо учесть ряд факторов.

Бетон – это особая смесь из воды, цемента, песка и других наполнителей. Затвердев, этот искусственный камень приобретает прочность, долговечность и отличную стойкость. Стойкость бетонного состава определяется его невосприимчивостью к влаге, различным температурным перепадам, не теряя при этом своих прочностных свойств. У этого строительного материала низкий предел горючести, что не влечет за собой распространения пожара при воздействии на него повышенных нагревов. Бетонным постройкам, зданиям и сооружениям, за счет качеств раствора, обеспечивается отличная огнестойкость. Изделия из бетона обладают не только огнестойкостью, но и высокой жаростойкостью.

Отличие огнестойкости от жаростойкости

Огнестойкость бетона – это качество, позволяющее стройматериалу противостоять повышенным температурам недолговременно, например, во время пожара. Жаростойкость – это сохранение свойств бетонного раствора при долговременном действии на него большой температуры, например, при использовании конструкций для теплообработки разнообразных изделий. Всем бетонам присуща огнестойкость, чего нельзя сказать о жаростойкости, этим качеством обладает далеко не каждый застывший раствор.

Несмотря на то, что бетон – пожаробезопасный и огнестойкий строительный материал, он все равно поддается большим температурным градусам. Огни, воздействующие на него в течение короткого времени, не способны привести к повреждению прочностных характеристик материала, но если огонь имеет продолжительное влияние на бетонные изделия, тогда происходит их повреждение. Если температура двести пятьдесят градусов, тогда бетон теряет свою прочность всего на двадцать пять процентов, а если в пределах пятисот градусов – стройматериал подвергается полному разрушению.

Бетонный состав, горючесть которого низкая, имеет повышенную прочность и стойкость к огненным влияниям, но может разрушиться и потерять свои прочностные характеристики как при пожаре, так и неправильном обращении с подогретым составом. Таким образом, резкое увлажнение или охлаждение уже подогретой смеси, влечет за собой образование трещин, разрушений, которые не поддаются устранению, а также ослабеванию арматурной конструкции, служащих для укрепления построек.

Горение отрицательно сказывается на структуре бетона, она разрушается и разлагается на составляющие компоненты цементного камня.

Жаростойкость бетонного состава получается путем введения в раствор специальных добавок на основе алюминия и кремния. Эти составляющие позволяют избегать плавления, горения в момент пожара и других разрушений бетонных конструкций при повышенных температурных режимах. Что касается огнестойкости, то она достигается путем добавления заполнителей в процессе приготовления раствора.

Воздействие высоких температур на бетонный состав

Температурные режимы, воздействующие на бетонный состав, в пределах 250 – 300 градусов влекут за собой разрушение структуры и уменьшение прочностных характеристик цементного камня. Когда на градуснике отметка достигает пятисот пятидесяти градусов по Цельсию, имеющиеся в бетоне песок и щебень подвергаются растрескиванию, если превышает 550 градусов – бетонные конструкции полностью разрушаются.

Повышение температурных показателей непосредственно влияет на прочность бетонного состава. Таким образом, при укладке и застывании раствора повышение отметки на градуснике может повлиять на прочность бетона, возраст которого начинается от семи суток и более. Происходит это из-за ускоренной гидратации, в результате чего достигается несовершенная физическая структура с большим количеством незаполненных пор. По результатам опытов было замечено, что при повышенных температурных показателях прочность бетонного раствора на высшем уровне в первые дни, после схватывания состава, но уже на четвертые сутки прочностные характеристики значительно опускаются. Чтобы улучшить прочность раствора, в него добавляют хлористый кальций, который способен повысить стойкость к повышенным температурным показателям.

Жароупорные бетоны

Жароупорный бетонный раствор основан на портландцементе, с помощью которого смесь из песка, щебня, цемента и воды способна выдерживать повышенные температурные показатели до тысячи градусов по Цельсию и выше. Помимо основных составляющих бетона и портландцемента, в него также входит алюминиевая добавка мелких фракций и кремниевая. Добавки в растворе позволяют связывать гашеную известь, которая образуется при гидратации цементного камня. Жароупорный строительный материал из смеси цемента, песка, щебня и воды также имеет в своем составе следующие заполнители, которые предотвращают плавление, деформацию и разрушение бетонных изделий даже в момент пожара:

андезит;
кирпичный щебень;
шамот;
доменный шлак;
базальт;
туф.

В зависимости от наполнителей определяется максимальный температурный режим жароупорного бетона. Приготовить такой раствор можно и собственноручно на строительной площадке.

Огнестойкость конструкций из железобетона

Предел огнестойкости по теплоизолирующей способности плит.

На огнестойкость железобетонных конструкций влияют следующие параметры:

нагрузка на постройку;
толщина защитного яруса;
размеры сечения сооружений;
количество и диаметр арматурный конструкций.

Чем меньше плотность используемого материала и чем больше его толщина, тем выше предел огнестойкости, который зависит и от вида опоры для конструкции, и от статической схемы. Исходя из этого, строители должны произвести расчет по огнестойкости ж/б конструкций, прежде чем приступать к их заливке. Конструкции, которые имеют горизонтальное положение, поддаются разрушениям под действием нагрева нижней арматуры, поэтому предел нагрева, прежде всего, зависит от класса арматурной конструкции, способности материала проводить тепло и от размеров слоя защиты.

Горизонтальные конструкции – это балочные плиты, балки, настилы и панели, прогоны и др. Конструкции, которые имеют тонкие стены и поддаются изгибаниям – это настилы, ригели, балки, панели ребристые и пустотелые. Огнестойкость колонн основана на следующих показателях:

процент армирования;
нагрузка на конструкции;
вид крупнофракционного заполнителя;
размер сечения под прямым углом относительно продольной оси;
толщина слоя защиты на арматуре.

В процессе заливки колонн следует обязательно придерживаться инструкции. Колонны разрушаются в результате открытого огненного пламени при снижении прочностных характеристик бетонного раствора и арматурной конструкции.

Огнестойкость ячеистых бетонов

Ячеистый бетон представляет собой пористый искусственный материал, который используется в строительстве различных зданий и сооружений. В его состав входят минеральные вяжущие и кремнеземистые заполнители. Применяют ячеистый строительный материал из смеси цемента, песка, щебня и воды для теплоизоляции помещений, им утепляют железобетонные плиты и перекрытия, используют легкий бетон для теплозащиты поверхности различных оборудований, трубопроводов, которые используются при температурных режимах свыше четырехсот и даже семисот градусов по Цельсию.

Огнестойкость ячеистого бетона выше, если плотность строительного материала минимальна, таким образом, предельные показатели огнестойкости газоблоков и других изделий из пористого стройматериала повышены.

По исследованиям и опытам, которые проводили в шведском и финском учебном заведении, определена прочность ячеистого бетонного состава, которая изменяется при нагревании следующим образом:

происходит увеличение прочностных характеристик до восьмидесяти пяти процентов, если температурные показатели не выше четырехсот градусов по Цельсию;
понижение прочностных характеристик до изначальных происходит при разогреве материала до семисот градусов по Цельсию;
снижение прочности ячеистого бетонного состава на восемьдесят шесть процентов осуществляется при разогреве строительного материала до тысячи градусов и не более при этом прочностной показатель принимает стабильность.

Можно сделать вывод, что предельные значения огнестойкости ячеистых блоков достигают девятисот градусов по Цельсию, когда обычный бетонный состав начинает терять свои основные части прочности при значении от четырехсот до семисот градусов. Таким образом, ячеистый бетон наиболее популярен при возведении зданий и сооружений, где требуются повышенные показатели пожаробезопасности.

Заключение

Бетон представляет собой строительный материал, который обладает отличными прочностными характеристиками, имеет повышенные показатели огнестойкости и при добавлении в состав бетонного раствора специальных наполнителей, приобретает жаростойкость. На огнестойкость и жаростойкость бетонного раствора влияют различные показатели и факторы, например, материал, который используется в качестве наполнителя, или же конструкции, которые возводят из строительного материала на основе песка, цемента, щебня и воды.

Различия между огнестойкостью и жаростойкостью очевидны. В первом случае бетонные конструкции имеют возможность противостоять повышенным температурным показателям в течение непродолжительного времени, а при жаростойкости строительного материала, бетонные конструкции сохраняют прочностные характеристики долговременно.

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).

РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ЗАЩИТЕ БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ОТ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ ПРИ ПОЖАРЕ

Рекомендованы к изданию решением секции теории бетона и железобетона Ученого совета НИИЖБ Госстроя СССР.

Рекомендации содержат основные положения по защите бетонных и железобетонных конструкций от хрупкого разрушения при пожаре. Рассмотрены причины этого вида разрушения, методы оценки хрупкости бетона при нагреве; приведена методика проверки возможности хрупкого разрушения бетона, бетонных и железобетонных конструкций при пожаре, а также технологические и конструктивные мероприятия по их защите от хрупкого разрушения.

Предназначены для инженерно-технических работников проектных и научно-исследовательских организаций.

В последние годы при пожарах все чаще наблюдается хрупкое разрушение бетона в бетонных и железобетонных конструкциях. Объясняется это тем, что в строительстве шире стали применяться конструкции из бетонов повышенной прочности или прошедших тепловлажностную обработку, с тонкостенными и предварительно-напряженными элементами.

В связи с этим в нашей стране (в НИИЖБ, ВНИИПО, НИПИсиликатобетон, ВНИИстром, МИСИ) и за рубежом были проведены значительные экспериментальные и теоретические исследования по изучению хрупкого разрушения бетона при пожаре.

Рекомендации разработаны на основании результатов этих исследований НИИЖБ Госстроя СССР (доктором техн. наук профессором К.Д.Некрасовым, канд. техн. наук В.В.Жуковым и инж. В.Ф.Гуляевой).

Целью настоящей работы является оказание помощи специалистам при разработке новых видов бетонных и железобетонных конструкций, в которых возможность хрупкого разрушения бетона при пожаре была бы уменьшена или исключена. Рекомендации могут быть использованы также для анализа причин хрупкого разрушения бетона при огневых испытаниях и при пожаре.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

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 лещадок площадью примерно от 1 см до 0,5-1 м 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).

Рис.1. Влияние хрупкого разрушения бетона на предел огнестойкости несущей железобетонной панели при одностороннем воздействии огня

а - схема панели с нагрузкой (); б - график зависимости температуры внутри помещения ( при пожаре от времени (); 1 - панель; 2 - отколовшийся кусок бетона; - предел огнестойкости панели при хрупком разрушении бетона; - то же, без хрупкого разрушения бетона; - температура в помещении в момент ; - то же в момент

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).

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

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.

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.

Рис.3. Влияние хрупкого разрушения бетона на предел огнестойкости ограждающей железобетонной конструкции

а - схема ограждающей конструкции; б - график зависимости температуры внутри помещения , где произошел пожар, от времени; 1 - потолок (перекрытие); 2 - пол; 3 - ограждающая конструкция; 4 - отколовшийся кусок бетона; , - помещения, которые разделяет конструкция; 7 - зависимость температуры внутри помещения от времени; 8 - то же, при хрупком разрушении бетона; 9 - то же, на поверхности ограждающей конструкции со стороны помещения когда нет хрупкого разрушения бетона

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 последствий 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.

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; - растягивающие напряжения от фильтрации пара; - сжимающие напряжения от неравномерного распределения температуры по толщине сечения элемента и от внешней нагрузки; - толщина элемента

1.7. Хрупкость бетона характеризуется величиной (рис.5), равной разности относительных напряжений в параметрических точках О.Я.Берга* на диаграмме состояния бетона

, (1)

где - характеристика хрупкости бетона;

- относительное напряжение в начале образования новых трещин;

- относительное напряжение в начале развития магистральных трещин.

* Берг О.Я. Физические основы теории прочности бетона и железобетона. М., Госстройиздат, 1962.

Гвоздев А.А. Структура бетона и некоторые особенности его механических свойств. - В кн.: Прочность, структура, изменения и деформации бетона. М., Стройиздат, 1978.

Рис.5. Диаграмма состояния бетона

* - относительные напряжения в начале образования новых трещин; * - относительные напряжения в начале развития магистральных трещин; I - точка максимальных напряжений; 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; - относительные деформаций в момент появления новых трещин; - то же, в начале развития магистральных трещин; - относительные напряжения; . ** - относительные деформации

* Соответствует оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных.

** Брак оригинала. - Примечание изготовителя базы данных.

Чем меньше величина , тем больше опасность хрупкого разрушения бетона при пожаре. Следовательно, чем раньше в бетоне появляются новые трещины (т.е. чем меньше величина ), 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 загруженни 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 () равный

, (2)

где - коэффициент интенсивности напряжений однородного материала, Мн·м;

- коэффициент псевдоинтенсивности напряжений неоднородного материала, Мн·м;

- положительная функция, учитывающая влияние заполнителей в бетоне на развитие трещины (аналогично влиянию зоны пластичности в пластичных материалах), Мн·м.

Чем больше значение , тем материал лучше сопротивляется развитию в нем трещин.

Для экспериментального определения величины можно пользоваться существующей методикой*.

* Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. Изд. "Наука", М., 1974 (с.192, табл.4.1, п.4);

Kiyoshi 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 () пропорционален характеристике хрупкости бетона (); 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 конструкций, 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 потери 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 ненагретые 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.

Читайте также: