Разрушение бетона при пожаре

Обновлено: 06.05.2024


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).


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.

ПРЕДИСЛОВИЕ

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.

Замечания и предложения просьба направлять по адресу: Москва, 109389, 2-я Институтская, д. 6, НИИЖБ.

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; t 1 - предел огнестойкости панели при хрупком разрушении бетона; t 2 - то же, без хрупкого разрушения бетона; - температура в помещении в момент t 1 ; - то же в момент t 2

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 хруп кого 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

* 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.

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

К΄ 1 = К 1 + b , (2)

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


Цели и задачи разработки, а также использования стандартов организаций в РФ установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании», а правила разработки и оформления - ГОСТ Р 1.0-2004 «Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения» и ГОСТ Р 1.4-2004 «Стандартизация в Российской Федерации. Стандарты организаций. Общие положения»

Сведения о стандарте:

1 Разработан и внесен лабораторией температуростойкости и диагностики бетона и железобетонных конструкций НИИЖБ - филиалом ФГУП «НИЦ «Строительство» и группой специалистов (д-р техн. наук А. Ф. Милованов, кандидаты техн. наук В. В. Соломонов, И. С. Кузнецова, инж. О. П. Баранова).

2 Рекомендован к принятию конструкторской секцией научно-технического совета НИИЖБ от 13 июля 2006 г.

3 Утвержден и введен в действие приказом и. о. генерального директора ФГУП «НИЦ Строительство» от 20 октября 2006 г. № 156.

«МДС 21-2.2000 «Методические рекомендации по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций».

«Пособия по определению пределов огнестойкости конструкций, пределов распространения огня и групп возгораемости материалов» в части железобетонных конструкций.

«Рекомендаций по защите бетонных и железобетонных конструкций от хрупкого разрушения при пожаре».

«Рекомендаций по проектированию многопустотных плит перекрытий с требуемым пределом огнестойкости».

«Рекомендаций по расчету пределов огнестойкости бетонных и железобетонных конструкций».

Стандарт организации «Правила по обеспечению огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций» разработан в соответствии с требованиями СНиП 52-01 и СНиП 21-01, норм международных организаций по стандартизации и нормированию.

Основными отличиями положений СТО от разработанных ранее рекомендаций, инструкций и пособий являются:

приоритетность требований СНиП 52-01 и СНиП 21-01 по сравнению с другими нормативными требованиями;

применимость противопожарных требований к объектам защиты на стадии проектирования, строительства и эксплуатации, включая реконструкцию и ремонт;

главные требования к бетону и арматуре, к диаграммам деформирования бетона на сжатие и арматуры на сжатие и растяжения от огневого воздействия при температурах до 800 °С как в нагретом состоянии во время пожара, так и в охлажденном состоянии после пожара;

конструктивные требования, повышающие пределы огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций;

основные требования к расчету огнесохранности железобетонных конструкций, поврежденных пожаром, с целью установления возможности их дальнейшей эксплуатации.

Приведенные методы расчета пределов огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций позволяют устанавливать их уже при проектировании в соответствии с классификацией, принятой в СНиП 21-01.

Настоящий стандарт разработан как дополнение и уточнение СНиП 21-01, СНиП 52-01 и распространяется на проектирование, строительство, техническое обследование и реконструкцию после пожара зданий и сооружений из железобетона.

Данный стандарт содержит основные положения по расчету огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций. Он дает возможность на стадии проектирования оценить пределы огнестойкости железобетонных конструкций, проверить их соответствие требованиям СНиП 21-01 и установить огнесохранность железобетонных конструкций после пожара. В основу стандарта положены экспериментальные и теоретические исследования, выполненные НИИЖБ, ГУП ВНИИПО, МГСУ, СГСУ, а также материалы международных организаций: Европейского комитета по стандарту ( CEN), Международного совета по строительству ( CIB), Международной организации по стандартизации ( ISO), Международного совета лабораторий по испытанию строительных материалов и конструкций ( RILEM), Международной федерации по конструктивному бетону ( FIB).

В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие нормативные документы:

СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия

СНиП 21-01-97* Пожарная безопасность зданий и сооружений

СНиП 52-01-2003 Бетонные и железобетонные конструкции

СП 52-101-2003 Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры

СП 52-102-2004 Предварительно напряженные железобетонные конструкции Инструкция по расчету фактических пределов огнестойкости железобетонных конструкций на основе новых требований СНиП

ГОСТ 12.1.033-81 ССБТ. Пожарная безопасность. Термины и определения

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

ГОСТ 30403-96 Конструкции строительные. Метод определения пожарной опасности

СТ СЭВ 383-87 Пожарная безопасность в строительстве. Термины и определения

НПБ 233-96 Здания и фрагменты зданий. Метод натурных огневых испытаний. Общие требования

МГСН 4.19-2005 Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий комплексов в городе Москве

МГСН 4.04-94 Многофункциональные здания и комплексы

ТСН 102-00 Железобетонные конструкции с арматурой классов А500С и А400С

EN 1992-1-2 Structural Fire Design

В настоящем стандарте, за исключением специально оговоренных случаев, приняты термины и определения, приведенные в СТ СЭВ 383 и ГОСТ 12.1.033.

4.1 Согласно СНиП 21-01 строительные конструкции характеризуются огнестойкостью.

Показателем огнестойкости является предел огнестойкости. Предел огнестойкости строительных конструкций устанавливается по времени в минутах наступления одного или последовательно нескольких, нормируемых для данной конструкции, признаков предельных состояний:

- потери несущей способности R;

- потери теплоизолирующей способности I;

- потери целостности Е.

Пределы огнестойкости строительных конструкций и их условные обозначения устанавливают по ГОСТ 30247.1.

4.2 Здания и сооружения, а также их части, выделенные противопожарными стенами и перекрытиями (пожарные отсеки), подразделяются по степеням огнестойкости (табл. 4.1).

К несущим элементам здания или сооружения относятся конструкции, обеспечивающие его общую устойчивость и геометрическую неизменяемость: несущие стены, колонны, балки перекрытий, ригели, фермы, рамы, арки, связи, диафрагмы жесткости и т.п. К пределу огнестойкости несущих элементов здания, выполняющих одновременно функции ограждающих конструкций, например к несущим стенам, помимо предела огнестойкости по несущей способности R, должны предъявляться дополнительные требования по потере изолирующей способности I и потере целостности Е.

Степень огнестойкости здания

Предел огнестойкости железобетонных строительных конструкций, мин, не менее

Несущие элементы здания

Наружные ненесущие стены

Перекрытия междуэтажные (в том числе чердачные и над подвалами)

Элементы бесчердачных покрытий

настилы, плиты (в том числе с утеплителем)

фермы, балки, прогоны

марши и площадки лестниц

* Для зданий высотой более 100 м предел огнестойкости, как правило, устанавливается R 240.

** Для зданий высотой менее 100 м предел огнестойкости устанавливается REI 180, EI 180.

*** Предел огнестойкости Е 60 устанавливается только для наружных стен.

Здания и сооружения с несущими конструкциями из железобетона подразделяют по степени огнестойкости:

- особая - многофункциональные, высотные здания и здания-комплексы;

- I степень - ограждающие конструкции выполнены из железобетона и применяются листовые и плитные негорючие материалы;

- II степень - покрытия выполнены из стальных конструкций;

- III степень - применены перекрытия деревянные, защищенные штукатуркой или негорючим листовым, плитным материалом, а также для зданий каркасного типа с элементами каркаса из стальных конструкций и с ограждающими конструкциями из профилированных листов или других негорючих материалов со слабогорючим утеплителем группы Г1.

4.3 Предел огнестойкости противопожарных преград (стены и перекрытия) для зданий особой степени огнестойкости устанавливают REI 180; при высоте здания более 100 м - REI 240; для зданий I, II и III степеней огнестойкости - REI 150.

4.4 За предел огнестойкости железобетонных конструкций принимают время в минутах от начала огневого стандартного воздействия до возникновения одного из предельных состояний по огнестойкости:

- по потере несущей способности R конструкций и узлов (обрушение или недопустимый прогиб в зависимости от типа конструкций);

- по теплоизолирующей способности I - повышение средней температуры на необогреваемой поверхности до 160°С или в любой другой точке этой поверхности до 180°С по сравнению с температурой конструкции до нагрева, или прогрев до 220°С независимо от температуры конструкции до огневого воздействия ( ГОСТ 30247.1);

- по целостности E - образование в конструкции сквозных трещин или сквозных отверстий, через которые проникают продукты горения или пламя.

Для несущих железобетонных конструкций (балки, прогоны, ригели, колонны) предельным состоянием по огнестойкости является потеря несущей способности конструкции R.

В железобетонных конструкциях, в которых наблюдается хрупкое разрушение по сжатому бетону (колонны с малым эксцентриситетом, изгибаемые переармированные элементы), за потерю несущей способности принимается полное разрушение конструкции во время пожара.

Изгибаемые, внецентренно сжатые и растянутые с большим эксцентриситетом элементы характеризуются развитием больших необратимых деформаций арматуры и бетона, и за потерю несущей способности принимается развитие прогиба еще до того, как наступит полное разрушение.

4.5 Расчет предела огнестойкости железобетонной конструкции по потере несущей способности R состоит из теплотехнической и статической частей.

Теплотехнический расчет должен обеспечить время предела огнестойкости, по истечении которого арматура нагревается до критической температуры или сечение бетона конструкции сокращается до предельного значения при воздействии на нее стандартного температурного режима.

Статический расчет должен обеспечить защиту железобетонной конструкции от разрушения, а также от потери устойчивости при совместном воздействии нормативной нагрузки и стандартного температурного режима.

4.6 Предел огнестойкости железобетонной конструкции по теплоизолирующей способности I должен быть обеспечен теплотехническим расчетом. Найденные значения температуры на необогреваемой поверхности должны быть менее предельно допустимой температуры нагрева (см. п. 4.4).

4.7 Предел огнестойкости по целостности E (образование сквозных отверстий или сквозных трещин) возникает в железобетонных конструкциях из тяжелого бетона с влажностью более 3,5 % и из легкого бетона с влажностью более 5,0 % и плотностью более 1200 кг/м 3 , а также в плитах, стенах и стенках двутавровых балок при двустороннем нагреве бетона в расчетном сечении выше его критической температуры.

Потеря целостности при хрупком разрушении бетона резко снижает предел огнестойкости железобетонной конструкции, поэтому целесообразно применять бетоны с ограничением расхода цемента, низким В/Ц и с более низким коэффициентом температурного расширения заполнителя.

4.8 Испытаниями было установлено, что разрушения железобетонных конструкций при огневом высокотемпературном нагреве происходят по тем же схемам, что и при нормальной температуре. Поэтому для расчета предела огнестойкости по потере несущей способности железобетонной конструкции используют те же уравнения равновесия и деформации, из которых выводят формулы для статического расчета.

Статический расчет предела огнестойкости по потере несущей способности основывают на общих требованиях расчета железобетонных конструкций по предельным состояниям первой группы в соответствии со СНиП 52-01, СП 52-101, при нормативных нагрузках и нормативных сопротивлениях бетона и арматуры при огневом воздействии, и с учетом дополнительных указаний, изложенных в настоящем стандарте.

4.9 За нормативную нагрузку принимают непродолжительное действие постоянных и временных длительных нагрузок с коэффициентом надежности по нагрузке γ f = 1 ( СНиП 2.01.07), которые существенно влияют на напряженное состояние железобетонной конструкции при пожаре. В тех случаях, когда нельзя установить значение усилий от нормативной нагрузки, разрешается принимать их равными 0,7 от расчетных. Расчетная схема приложения нормативной нагрузки должна соответствовать проекту.

4.10 Несущая способность железобетонных конструкций при огневом воздействии зависит от изменения свойств бетона и арматуры с ростом температуры. Во многих случаях при определении предела огнестойкости вычисляют усилие, которое может воспринять сечение элемента при требуемом пределе огнестойкости. Если это усилие равно или больше расчетного, то требуемый предел огнестойкости обеспечен.

Решение статической задачи по оценке огнестойкости иногда сводится к определению значения критической температуры нагрева растянутой арматуры, поскольку она не зависит от результатов теплотехнической задачи.

Решение теплотехнической задачи выполнимо лишь для конкретных промежутков времени с начала нагрева. Поэтому нахождение условий предельного состояние строится на принципе последовательных приближений для заранее известных промежутков времени. В итоге предел огнестойкости определяется либо графически, либо аналитически в результате решений уравнений предельного состояния.

Вычисленные пределы огнестойкости железобетонных конструкций должны быть не менее требуемых значений.

4.11 При проектировании многофункциональных высотных зданий, комплексов и сооружений, относящихся к первому ответственному уровню надежности, отказы которых после пожара могут привести к тяжелым экономическим и экологическим последствиям, а также тех конструкций, восстановление которых потребует больших технических сложностей и затрат, необходимо обеспечить их огнесохранность после пожара.

За огнесохранность железобетонной конструкции принимают такое ее состояние, при котором остаточная прочность или необратимые деформации обеспечивают надежную работу после стандартного пожара. Расчет огнесохранности железобетонной конструкции после пожара ведется при расчетных нагрузках и расчетных сопротивлениях бетона и арматуры после огневого воздействия.

4.12 Предел огнестойкости железобетонной конструкции наступает при прогреве рабочей арматуры в конструкции до критической температуры, а также при нагреве бетона в расчетном сечении выше его критической температуры.

Критическая температура для тяжелого бетона на силикатном заполнителе составляет 500 °С, на карбонатном заполнителе - 600 °С и для конструкционного керамзитобетона – 600 °С. Критическая температура нагрева арматуры ts, cr характеризует стадию образования пластического шарнира в растянутой зоне железобетонных конструкций и наступление предела огнестойкости при огневом воздействии.

Критическая температура нагрева арматуры ts, cr, при которой образуется пластический шарнир и наступает предел огнестойкости, ориентировочно равна для арматуры класса:

А240, А300 - 510 °С,

А500, А540 - 520 °С,

Вр1200 - Вр1500, К1400 и К1500 - 410 °С.

4.13 Расчет огнестойкости и огнесохранности рекомендуется производить по приведенному сечению, когда сечение элемента разбивается на малые характерные участки, нагретые до различных температур, и каждый малый участок приводится к ненагретому бетону с учетом соответствующих понижающих характеристик прочности бетона. При этом расчетная площадь приведенного сечения бетона может ограничиваться изотермой критических температур нагрева бетона tb, cr.

Бетон

5.1 Нормативные Rbn и расчетные Rb, Rb, ser сопротивления бетона осевому сжатию (призменная прочность) и растяжению Rbtn, Rbt и Rbt, ser, начальный модуль упругости Е b и модуль деформации бетона при сжатии Е bτ следует принимать по действующим нормативным документам.

При пожаре железобетонные конструкции в нагруженном состоянии подвергаются высокотемпературному огневому воздействию, которое изменяет свойства бетона. Изменение нормативного и расчетного сопротивлений бетона на осевое сжатие с увеличением температуры учитывается коэффициентом условий работы бетона γ bt:

Значение коэффициента условия работы γ bt принимают по средней температуре бетона при расчете по формулам:

сжатой зоны - ( 8.9, 8.10, 8.24 - 8.26, 8.39, 8.40);

сжатой полки - ( 8.15, 8.16, 8.17);

сжатого ребра - ( 8.16, 8.17);

поперечного сечения - ( 8.22, 8.56);

по температуре крайнего волокна - ( 5.6, 5.7);

по температуре в зоне анкеровки - ( 8.14).

Значение коэффициента условий работы бетона на сжатие γ bt разрешается принимать равным единице (γ bt = 1) при нагреве бетона до критической температуры (п. 4.12) и γ bt = 0 при нагреве бетона выше критической температуры.

При расчете огнестойкости и огнесохранности по деформационной модели и с помощью компьютерных программ необходимо учитывать изменение коэффициента условий работы бетона γ bt на всем диапазоне температур нагрева бетона.

При этом расчет ведется по геометрическому сечению бетона. Значения коэффициента условий работы бетона на сжатие γ bt принимают по табл. 5.1 в зависимости от температуры бетона.

5.2 Нормативные Rbtn и расчетные Rbt и Rbt, ser сопротивления бетона растяжению при огневом воздействии также изменяются. Изменение сопротивлений бетона растяжению с увеличением температуры нагрева учитывают коэффициентом условий работы бетона на растяжение γ btt

Rbtnt = Rbtnγ btt ; Rbtt = Rbtγ btt ; Rbt,ser,t = Rbt,serγ btt ( 5.2)

При расчете на поперечную силу (формулы 8.58, 8.62, 8.64) значения коэффициента γ btt принимают по средней температуре бетона сечения; при расчете усилия в зоне анкеровки ( 8.14) - по температуре анкерующего стержня арматуры. Значения коэффициента γ tt принимают: при 50 °С - 0,80; 100 °С - 0,75; 150 °С - 0,70; 200 °С - 0,65; 300 °С - 0,50; 400 °С - 0,35; 500 °С -0,20, 600 °С - 0,05.

Значение коэффициентов γ bt , β b и φ b , cr для бетона при температуре,°С

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.

Читайте также: