Понятие несущей способности строительных конструкций, показатели снижения несущей способности сечений деревянных конструкций при пожаре

Огнестойкость строительных конструкций характеризуется пределом огнестойкости П. Под пределом огнестойкости понимают время, по истечении которого конструкция теряет несущую или ограждающую способность. Потеря несущей способности означает обрушение строительной конструкции при пожаре. Потеря ограждающей способности означает прогрев конструкции при пожаре до температур, превышение которых может вызвать самовоспламенение веществ, находящихся в смежных помещениях, или образование в конструкции трещин, через которые могут проникать в соседние помещения продукты горения.

Надежность, долговечность и устойчивость зданий и сооружений являются определяющими показателями эффективности работ по их проектированию, строительству, реконструкции и эксплуатации. Невыполнение этих норм и отсутствие информации о нарушениях может обернуться огромным экономическим ущербом, людскими жертвами и многими другими неблагоприятными последствиями. Поэтому своевременное обследование строительных конструкций, проведение обмерных работ, проверка обеспечения несущей способности объектов, проходка шурфов и организация других инженерных работ, способствующих объективному обследованию зданий и сооружений и выявлению негативных процессов, являются важными этапами строительства и эксплуатации объектов.

В пожарном отношении древесина относится к сгораемым материалам. Она быстро воспламеняется и распространяет огонь. С другой стороны, древесина за счет обугливания обладает значительной инертностью горения, особенно в элементах конструкций большого сечения. Благодаря этому при горении такие элементы довольно долго могут сохранять предел огнестойкости, не теряя несущей способности. Скорость обугливания или потеря рабочего сечения конструкции при горении не превышает 0,7 мм в минуту. Вот почему деревянные конструкции при пожаре противостоят разрушению дольше, чем металлические или железобетонные, которые могут обрушиться в первые 15-20 минут пожара из-за температурных деформаций металла, его текучести. Металлические конструкции под действием огня могут терять прочностные показатели. Воздействие высоких температур на бетон или цементный камень (в том числе штукатурку и пр.) предопределяет дегидратацию гидрата окиси кальция. Это само по себе снижает несущую способность, а при тушении пожара водой или просто при контакте с влажным воздухом происходит обратная реакция. Продукт гидратации увеличивается в объеме до двух раз с разрушением поверхностного слоя, что обусловливает проникновение пламени внутрь конструкции.
Несмотря на сказанное выше, противопожарные нормы часто становятся преградой для использования деревянных конструкций в строительных объектах. Основная задача при использовании древесины и древесных материалов - снизить возгораемость конструкций. Это достаточно эффективно достигается химическими и другими мерами защиты: нанесением на поверхность конструкций необходимого количества специальных составов или покрытий, задерживающих горение древесины. Современные методы огнезащиты позволяют увеличить стойкость деревянных элементов зданий до двух часов.

Вопрос 17. Огнестойкость железобетонных конструкций зависит от их конструктивной схемы, способа загружения, интенсивности и продолжительности температурных воздействий, а также от теплофизических свойств бетона.Причины наступления пределов огнестойкости железобетонных конструкций во многом определяются характером их работы в условиях пожара. Для конструкций, в которых предельное состояние обусловливается работой на растяжение, предел огнестойкости наступает в момент, когда предел текучести (прочности) арматуры от нагревания снижается до величины, равной напряжению от нормативной нагрузки. Для конструкций, предельное состояние которых обусловливается работой на сжатие, предел огнестойкости наступает в момент, когда работоспособное сечение бетона уменьшается до определенной (критической) величины. В результате снижения прочностных характеристик при прогреве материала конструкций их несущая способность становится равной внешней нагрузке. В ряде случаев эти факторы в условиях пожара оказывают одновременное влияние на уменьшение несущей способности конструкции.

Железобетонными конструкциями, выполняющими ограждающие функции, являются навесные стены, ненесущие стены и перегородки. Предел огнестойкости таких конструкций определяется по потере теплоизолирующей способности или потере плотности и зависит от конструктивного исполнения, толщины или наименьшего размера сечения.При платформенном опирании панелей ограничивается свобода поворота опорных сечений, что уменьшает их деформацию при температурном воздействии. Поэтому панели с платформенным опиранием имеют предел огнестойкости больше, чем панели с шарнирным опиранием. Уменьшение процента армирования стен снижает предел огнестойкости панелей с шарнирным опиранием и практически не влияет на огнестойкость панелей с платформенным опиранием.

Огнестойкость самонесущих и несущих панелей нормируется в зависимости от конструктивного исполнения, толщины или наименьшего размера сечения и степени нагруженности.

Предел огнестойкости железобетонных перекрытий и покрытий зависит от конструктивного исполнения, степени нагруженности, теплофизических и прочностных свойств материалов, из которых выполнены конструктивные элементы. Огнестойкость элементов железобетонных конструкций утрачивается, как правило, в результате потери несущей способности (обрушения) при снижении прочностных характеристик арматуры и бетона в условиях пожара.

Предел огнестойкости изгибаемых свободно опертых элементов железобетонных конструкций в большей степени зависит от прогрева растянутой рабочей арматуры до критической температуры, при которой прочностные характеристики материала снижаются до рабочих напряжений. На критическую температуру влияют марка и класс стали.На время прогрева рабочей арматуры до критической температуры влияет толщина защитного слоя бетона и условия нагрева конструкции на пожаре.При одинаковой толщине защитного слоя более интенсивно прогревается рабочая арматура в элементах конструкций, имеющих большее отношение обогреваемого периметра к сечению конструкции, что уменьшает предел огнестойкости таких конструкций.

При одинаковых внешних геометрических размерах сечении конструкции и условиях обогрева на предел огнестойкости железобетонных элементов влияет также массивность конструкции. С увеличением массы конструкции, при всех прочих равных условиях, увеличивается ее теплоемкость, что повышает в некоторой степени предел огнестойкости. Все рассмотренные факторы учитываются при нормировании пределов огнестойкости с вободно опертых железобетонных изгибаемых элементов.

Предел огнестойкости свободно опертых плит сплошного сечения нормируется в зависимости от класса и марки продольной растянутой арматуры и толщины защитного слоя бетона, измеряемого от нижней грани плиты до центра тяжести растянутой арматуры.

Предел огнестойкости ребристых свободно опертых железобетонных элементов, (плит с продольными несущими ребрами «вниз», балок, ригелей, прогонов) нормируется в зависимости от класса и марки продольной растянутой арматуры, наименьшего размера обогреваемого сечения, а также расстояния от нижней или боковых граней сечения конструкции до центра тяжести продольной растянутой арматуры.

Несколько по-иному ведут себя в условиях пожара защемленные железобетонные элементы (плиты, ригели, балки).При одинаковой нагрузке и нормальных условиях эксплуатации рабочая арматура у защемленных железобетонных плит малой толщины испытывает в расчетных сечениях меньшие напряжения по сравнению со свободно опертыми за счет перераспределения изгибающих моментов.

Плиты, опертые по контуру, имеют предел огнестойкости, значительно больший по сравнению со свободно опертыми плитами по двум сторонам. Это объясняется тем, что в условиях пожара они в результате деформации превращаются в пространственные конструкции с изменением статической схемы работы. Средняя часть плит оказывается растянутой на всю толщину, а сжатая зона отодвигается ближе к контуру.

За предел огнестойкости изгибаемых предварительно напряженных железобетонных элементов принимается время нагрева продольной арматуры до температуры 200-300°С, что значительно меньше, чем для горячекатаных сталей. При нагреве холоднотянутой высокопрочной проволоки до температуры 250-300°С вследствие ползучести проволоки полностью снимается предварительное напряжение, конструкция превращается в обычную с необратимыми прогибами, эксплуатация которой становится недопустимой. Предел огнестойкости предварительно напряженных элементов примерно в два раза меньше предела огнестойкости элементов, армированных обычной горячекатаной сталью, холоднотянутой низкоуглеродистой проволокой, а также низколегированной сталью.

По способу нагружения железобетонные колонны подразделяют на внецентренно-сжатые и центрально-сжатые. Внецентренно-сжатые колонны работают на сжатие с изгибом аналогично железобетонным балкам. Их фактический предел огнестойкости не нормируется, а определяется расчетным методом. Как правило, предельное состояние таких конструкций в условиях пожара вызывается нагревом растянутой рабочей арматуры до значений критической температуры.

Предел огнестойкости Центрально-сжатых конструкций наступает в результате снижения прочностных характеристик бетонного камня. При температурном воздействии в условиях пожара наружные слои бетона начинают терять, прочность из-за температурных напряжений между связующим и заполнителем и обезвоживания цементного камня. Несущее сечение колонны начинает уменьшаться, а напряжения в нем возрастать, так как внешняя нагрузка остается без изменения. Предельное состояние колонны, характеризующее наступление предела огнестойкости, появляется при напряжениях сжатия в несущем сечении колонны (критическом), близких к нормативным.

Центрально-сжатые колонны во время огневых испытаний разрушаются хрупко, как правило, в средней части по высоте. Предел огнестойкости центрально-сжатых железобетонных колонн нормируется в зависимости от сечения и нагрузки.

Методы повышения огнестойкости железобетонных конструкций

Конструктивные решения и применениематериалов (бетона и стали) с лучшими термопрочностными характеристиками. К конструктивным решениям относятся следующие: увеличение сечения конструкций; снижение нагрузок на несущие конструкции; увеличение толщины защитного слоя продольной растянутой арматуры для элементов конструкций, работающих на изгиб и растяжение; изменение способа опирания конструкций; изменение условий обогрева. Бетон на известняковом заполнителе имеет некоторые преимущества перед бетоном на гранитном заполнителе. Из арматурных сталей по термопрочностным характеристикам лучшей является горячекатаная низколегированная сталь периодического профиля - марки 25Г2С.

Следует обращать внимание на защиту узлов крепления и навески панелей, а также герметизацию стыков между панелями. Защита узлов крепления, а также заделка зазоров в местах примыкания навесных и самонесущих стен к частям здания должна обеспечивать предел огнестойкости, равный требуемому пределу огнестойкости конструкций.