В статье анализируются причины и факторы устойчивости зданий в условиях пожара и, в частности, огнестойкости строительных конструкций. Обоснованы факторы сохранения несущей способности бетона и исключение взрывообразной потери целостности (хрупкого разрушения бетона). Охарактеризован ряд способов увеличения огнестойкости железобетонных строительных конструкций.
Ключевые слова: пожарная безопасность, огнестойкость, несущие конструкции, здания, обнаружение, технологии, объект защиты.
«Обеспечение устойчивости зданий в условиях пожара и, в частности, огнестойкости строительных конструкций остается весьма актуальной задачей. Это связано с применением в строительстве новых видов конструкций, которые обычно рассчитываются по всем правилам строительной механики, но разрушаются при пожаре в течение нескольких минут» 9. К числу таких конструкций относятся, в первую очередь, конструкции с несущими элементами из металла без огнезащиты, железобетона с недостаточным защитным слоем бетона до арматуры или повышенной влажностью, что может вызвать «хрупкое» (взрывообразное) разрушение бетона.
Термин «несущие строительные конструкции» определен в [1]. Несущие строительные конструкции классифицируются по назначению, т. е. выполняемым функциям в здании, и по исполнению, т. е. в зависимости от материалов или композитов, из которых они изготовлены.
«По назначению железобетонные конструкции можно разделить на две группы: собственно несущие и ограждающие конструкции. Несущие конструкции, которые только воспринимают нагрузку, как правило, имеют стержневую форму (за исключением арок). К ним относятся такие элементы, как колонны, ригели, балки и т. п. В этих элементах происходит концентрация напряжений от внутренних и внешних нагрузок здания, поэтому, при сравнительно небольших сечениях, они имеют большую прочность, благодаря применению высокопрочных материалов. В нормах пожарной безопасности к этим элементам предъявляются требования, касающиеся потери несущей способности» 2.
Материальные потери на пожарах в основном обусловлены разрушением конструкций зданий и сооружений. Конструкции жилых домов, производственных цехов, гидротехнических, нефтедобывающих подземных сооружений в основном изготавливаются из бетона и железобетона. Эти строительные материалы отвечают таким требованиям, как прочность, жесткость, долговечность возможность придать конструкции сложной формы. Но из-за разных обстоятельств в зданиях и сооружениях возникают пожары. Основным разрушающим фактором, действующим на конструкцию в условиях пожара, является величина температуры и ее градиент [8].
При пожарах в жилых и административных зданиях температура в помещении достигает 1100 С. в промышленных и складских помещениях при горении жидкостей и пенопластов температура поднимается до 1200 С. Температура горения сжиженных газов равна 1600 С, а газообразного водорода — более 2000 С. в начальной стадии пожара нагреваются поверхности конструкций. Интенсивность прогрева конструкций и величина градиента температуры по ее толщине зависят от многих факторов: величины температуры продуктов горения, условий теплообмена между поверхностью конструкции и внешней средой, теплофизических характеристик материалов, из которых изготовлена конструкция, времени прогрева и др.
Как известно за предел огнестойкости строительных конструкций принимается время их нагрева при стандартных испытаниях до возникновения одного из трех предельных состояний огнестойкости [3]: по признаку потери несущей способности; по признаку потери целостности; по признаку потери теплоизолирующей способности.
При оценке несущей способности конструкции в условиях пожара необходимо учитывать термонапряженное состояние конструкции обусловлено изменением температуры, величиной температурного градиента и временем нагрева. Температурные напряжения, возникающие в конструкциях, можно изучать независимо от механических напряжений, поскольку вследствие линейности уравнений термоупругости полные величины напряжений получают путем сложения температурных и механических напряжений. В начальной стадии нагрева бетона проходит испарение химически несвязанной воды, что даже несколько повышает его прочность. При 250–350 С наблюдается образование трещин от температурного уплотнения бетона, при 350–450 С образуются трещины от различных температурных деформаций цементного камня.
Другим существенным фактором сохранения несущей способности бетона является исключение взрывообразной потери целостности (хрупкого разрушения бетона). Ее внешнее проявление заключается в том, что во время пожара через 6–10 мин после начала огненного действия почти непрерывно от обогревающей поверхности бетонных конструкций откалываются пластинки материала площадью 0,04–0,05 м 2 и толщиной 0,005–0,015 м. Куски поверхностного слоя бетона улетают при этом в отдаление 10–15м. в результате конструкция теряет несущую способность, что может привести к разрушению всего здания. Взрывообразная потеря целостности обусловливается повышенной влажностью бетона (тяжелый бетон — более 3,5 %, легкий — 5 %) или является следствием перехода уже существующих перед нагревом трещин в структуре бетона из равновесного состояния в неравновесное и спонтанное их развитие под действием температурных напряжений [4].
Откол от конструкции больших (иногда до нескольких квадратных метров) частей бетона происходит на всей поверхности воздействия пламени или на отдельных его участках. При этом в ряде случаев оголяется арматура и образуются сквозные отверстия. Конструкция может полностью разрушиться через 15–60 минут взаимодействия с опасным воздействием огня. Это разрушение имеет место при действии пламени на сплошные и слоистые железобетонные стены, перекрытия, балки, колонны и фермы (рис. 1).
Рис. 1. Последствия негативного воздействия высоких температур при пожаре
Огнезащита несущих железобетонных конструкций является одним из основных мероприятий, направленных на обеспечение пожарной безопасности и огнестойкости зданий и сооружений.
При строительстве многофункциональных объектов широкое применение находят конструкционные бетоны (класс прочности С30/35). Применение которых позволяет проектировать конструкции с меньшим сечением, что приводит к снижению общего веса сооружения и расходов на строительство.
«Известен ряд способов увеличения огнестойкости железобетонных строительных конструкций, включая тот, о котором говорится выше, наращивание толщины защитного слоя бетона до рабочей арматуры и различного рода облицовки. Однако применение этих способов имеет ряд существенных недостатков — увеличение массы конструкций, возникновению дополнительной нагрузки на несущие конструкции, сокращение полезной площади помещений здания» 5.
Таким образом, влияние огня на элементы несущих конструкций может привести к следующим основным последствиям: а) снижение механических свойств бетона и арматуры; б) разрушение бетона вследствие его растрескивания или сколов (например, защитного слоя); в) образования температурно-усадочных и силовых трещин; г) потери предварительного напряжения арматуры; д) ухудшение условий совместной работы бетона и арматуры.
Литература:
- Абашкин А. А., Карпов А. В., Ушаков Д. В., Фомин М. В., Гилетич А. Н., Комков П. М., Самошин Д. А. Пособие по применению «Методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности» — М.: ВНИИПО, 2014. — 226 с.
- Бубнов, В.М., Карпов А. С. «Огнестойкость железобетонных конструкций»: учеб. пособие / В. М. Бубнов, А. С. Карпов. — Москва: Академия ГПС МЧС России, 2009. — 76 с.
- Газдиев А. М., Кузьмин А. А., Романов Н. Н. Автоматизация определения предела огнестойкости металлических конструкций по потере несущей способности // Научно-аналитический журнал «Вестник Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России». 2022. № 2. URL: https://cyberleninka.ru/ (дата обращения: 21.03.2023).
- Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре:: учебник / В. Н. Демехин, И. Л. Мосалков, Г. Ф. Плюснина [и др.]. — М.: Академия ГПС МЧС России, 2003. — 656 с.
- Методика расчета режимов прогрева строительных конструкций в условиях внутреннего пожара / Н. Н. Романов [и др.] // Вестник международной академии холода. 2021. № 1. С. 84–93.
- Надежность железобетонных плит перекрытий в условиях пожаров / И. В. Костерин, С. В. Муслакова, В. И. Присадков [и др.] // Пожарная безопасность. — 2016.– № 3. — С. 94–97.
- Соломонов, В. В. Обеспечение огнестойкости и огнесохранности при проектировании монолитных железобетонных перекрытий высотных зданий / В. В. Соломонов, И. С. Кузнецова // Пожарная безопасность в строительстве — 2011 — № 1 — С. 32–34.
- Федоров А. В., Кузьмин А. А., Романов Н. Н., Минкин Д. А. Метод оценки эффективности огнезащиты стальных конструкций на объектах нефтегазового комплекса в условиях открытого пожара // Научно-аналитический журнал «Вестник Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России». 2017. № 2. URL: https://cyberleninka.ru/ (дата обращения: 04.05.2023).
- Яковлев, А. И. Расчет огнестойкости строительных конструкций / А. И. Яковлев. — Москва: Стройиздат, 1988. — 143 с.
