Потенциальная пожароопасность зданий и сооружений

Пожарная опасность зданий и сооружений

Потенциальная пожарная опасность зданий и сооружений определяется количеством и свойствами материалов, находящихся в здании, а также пожарной опасностью строительных конструк­ций, которая зависит от горючести материалов, из которых они выполнены, и способности конструкций сопротивляться воздей­ствию пожара в течение определенного времени, т.е. от ее огне­стойкости. Пожарная опасность здания определяется вероят­ностью возникновения пожара, а также его продолжительностью и температурой.

Продолжительность и температурный режим пожаров

Пожары возникают от различных причин и, как правило, приносят значительные потери материальных ценностей, а в ряде случаев приводят и к гибели людей. В одних случаях возникнове­ние пожаров связано с нарушением противопожарного режима или неосторожным обращением с огнем, а в других - следствием нарушения мер пожарной безопасности при проектировании и строительстве здания.

Во взрывопожароопасных цехах пожары являются следстви­ем взрывов в помещениях или производственных аппаратах, ем­костях или трубопроводах. Взрывы и связанные с ними пожары возникают при освоении новых технологических процессов, ново­го производственного оборудования. Нередко причиной пожаров и взрывов бывает неправильная оценка категории пожаровзрывоопасности помещений из-за недостаточной изученности свойств сырья, полуфабрикатов, готовой продукции, определяющих их взрыво- и пожароопасные характеристики.

Пожары, как правило, возникают в каком-либо одном месте и в дальнейшем распространяются по горючим материалам и кон­струкциям здания. Исключения составляют случаи взрывов про­изводственного оборудования, в результате которых пожары могут одновременно возникать в нескольких местах, а также случаи умышленного поджога.

Очень распространенной причиной пожара в процессе строительства зданий является нарушение правил пожарной без­опасности при проведении газо- или электросварочных работ. Известно много случаев возникновения пожаров от неосторожно­го применения электросварки на предпусковых стройках, когда основное оборудование уже было установлено. Такие пожары, как правило, приносили большие убытки.

Продолжительность любого пожара т, (ч) можно опреде­лить, если известно количество горючего вещества и скорость его выгорания в данных условиях, используя следующую зависимость: t = N / n

где N - количество горючего вещества, кг/м²;

n - скорость выгорания данного вещества, кг/м² • ч.

Несмотря на кажущуюся простоту определения продолжи­тельности пожара, вопрос этот представляет значительную слож­ность, так как скорость выгорания данного вещества не является величиной постоянной и зависит от условий притока воздуха в зону горения, а также от степени измельченности вещества и условий его размещения.

Но главным недостатком этого метода определения продол­жительности пожара является то, что им не учитывается такой важный фактор, как температура пожара. На рис.3.1 приведены температурные кривые, полученные при горении различных мате­риалов в количестве 50 кг/м².

Различные значения температур были зафиксированы и на реальных пожарах. Если при пожарах в подвальных помещениях, продолжавшихся по 5 - 6 часов температура не превышала 800°С, то в квартирах жилых зданий продолжительность пожаров редко превышала 1-1,5 часа, однако при этом температура достигала 1000-1100°С.

Во время пожаров в театральных зданиях и крупных уни­версальных магазинах наблюдалась температура около 1200°С, а продолжительность пожаров в ряде случаев превышала 2-3 часа. Еще более высокая температура отмечалась во время пожаров в производственных и складских зданиях, в которых перерабатыва­лось или хранилось большое количество твердых горючих мате­риалов и горючих жидкостей. Так, при пожаре склада горючих жидкостей и смазочных материалов, продолжавшемся свыше 2 часов, температура достигала 1300°С.

Практика показывает, что продолжительность пожара может колебаться в значительных пределах, однако в большинстве слу­чаев она не превышает 2-3 часа.

Данные о температуре на реальных пожарах были положены в основу температурных режимов, принятых стандартами ряда государств для испытаний строительных конструкций зданий на огнестойкость. В 1966 г. Международной организацией по стан­дартизации была рекомендована стандартная температурная кри­вая (рис. 3.2), которая принята в качестве температурного режима для испытаний строительных конструкций на огнестойкость и регламентирована СНиП.

1200 1000 800 600 400 200
Рис.3.1. Изменение температуры во времени при горении: 1 - бумаги в рулонах, 2 - хлопка в кипах, 3 - древесины в брусках сечением 50х50 мм, 4 - автомобильных шин, 5 - полистирола	0 1 2 3 4 5 6 Т Рис.3.2. Стандартная температурная кривая пожара, принятая для проведения испытаний материалов и конструкций: t = 345 lg (8t + 1) + tнач , где: t - время испытания, мин.; tнач - начальная температура, °С

Из сравнения рис.3.1 и 3.2 можно заметить, что стандартная температурная кривая, в основу которой положены данные о по­жарах в жилых зданиях, существенно отличается от температур­ных кривых, полученных при горении различных веществ в помещении. Фактические температуры на реальных пожарах могут быть выше или ниже указанных стандартной температурной кри­вой, которую следует рассматривать лишь в качестве усредненно­го температурного режима, необходимого для сопоставления дан­ных об огнестойкости строительных конструкций.

Таким образом, для расчетов требуемых пределов огнестой­кости оказывается целесообразным определять не фактическую продолжительность пожара, а так называемую расчетную, выра­женную в часах стандартного температурного режима, принятого для испытаний строительных конструкций на огнестойкость.

Приближенное значение расчетной продолжительности по­жара может быть определено при помощи эмпирической форму­лы, полученной на основании результатов экспериментальных работ по выявлению закономерностей горения различных видов твердых и жидких веществ в помещениях

где - F_пом, F_ок - площади помещения и оконных проемов, м²;

q₁, q₂, … q_m - количество каждого вида горючего вещества, кг/м²;

n₁ , n₂ … n_m - ы, учитывающие скорость выго­рания веществ, кг/м² • ч.

Эта зависимость справедлива, если отношение F_пом / F_ок находится в пределах 4-10, а отношение ширины проема к его высоте равно 1 : 2. Допустимость простого суммирования продол­жительности горения каждого из материалов, находящихся в помещении, можно объяснить тем, что интенсивность горения каждого вещества лимитируется постоянством отношения F_пом / F_ок, так как горение возможно только при соответствующем поступлении воздуха к очагу горения.

ы n в этой формуле численно равны количеству горючего вещества, при сгорании которого в помещении, имеющем указанные выше соотношения, продолжительность пожара будет составлять 1 час стандартного температурного режима.

Для ряда веществ значения этих ов получены экспериментальным путем и составляют (в кг/м² ч):

Бензин, керосин, ксилол и большинство других горючих жидкостей ...15

Трансформаторное масло, мазут ... 20

Каучук, полистирол ... 25

Резина, резинотехнические изделия, органическое стекло, капрон ... 35

Ацетатный шелк, этрол ацетилцеллюлозный, целлофан, автомобильные шины ... 40

Древесина, деревянная мебель ... 56

Текстолит, триацетат ... 60

Линолеум, штапель и хлопок разрыхленные, карболитовые изделия ... 120

Бумага в кипах ... 300

Хлопок в кипах ... 600

В последние годы профессорами, докторами технических наук Кошмаровым Ю.А., Молчадским И.С. и другими учеными проведены теоретические и экспериментальные исследования процессов горения в условиях пожаров. Значительные успехи до­стигнуты в области исследования начальной стадии пожара, а также физического и математического моделирования процессов массотеплопереноса в условиях пожаров. Эти исследования по­зволили с достаточной для практических целей точностью про­гнозировать процесс развития пожара в зависимости от особенно­стей воздухообмена в помещении, количества и вида пожарной нагрузки, под которой подразумеваются находящиеся в помеще­нии горючие материалы, а также теплотехнических характеристик ограждающих конструкций помещения.

В соответствии со СНиП 21-01-97 "Пожарная безопасность зданий и сооружений" Материалы, Конструкции, Здания и помещения характеризуются:

а) пожарная опасность – свойства, способствующие возникновению и распространению опасных факторов пожара;

б) огнестойкость – свойства, способствующие сопротивлению возникновения опасных факторов пожара.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ХАРАКТЕРИЗУЮТСЯ ТОЛЬКО ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТЬЮ.

ГОРЮЧЕСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Межгосударственным стандартом "Материалы строитель­ные. Методы испытаний на горючесть" (ГОСТ 30244 - 94), в со­ответствии с рекомендациями Международной организации по стандартизации (ISO / ТК - 92), строительные материалы, в зави­симости от значения параметров горючести, подразделены на негорючие (НГ) и горючие (Г).

Определение горючести строительных материалов осу­ществляют экспериментальным путем. Для каждого испытания изготавливают пять образцов цилиндрической формы следующих размеров: диаметр (45+0,-2)мм, высота (50±3)мм.

Установка для испытаний (рис. 3.3) состоит из печи, поме­щенной в теплоизолирующую среду; конусообразного стабилиза­тора воздушного потока; защитного экрана, обеспечивающего тягу; держателя образца и устройства для введения держателя об­разца в печь; станины, на которой монтируется печь.

Продолжительность испытания составляет 30 минут. Температура в печи до помещения образца должна составлять. 750°С, а средняя температура стенок 835°С. Температурный режим кон­тролируется термопарами.

После окончания испытания образец охлаждают в эксика­торе и взвешивают.

По результатам испытаний дают заключение о горючести материала.

К негорючим относят материалы в том случае, если во время испытания прирост температуры в печи за счет горения образца не превысил 50°С, потеря массы образца была не более 50%, а продолжительность устойчивого пламенного горения не более 10 с.

Строительные материалы, не удовлетворяющие хотя бы од­ному из указанных значений параметров, относятся к горючим.

Установка для испытания строительных материалов на горючесть:

1 - станина, 2 - изоляция, 3 - огнеупорная труба, 4 - порошок окиси магния, 5 - обмотка, 6 - заслонка, 7 - стальной стержень, 8 - ограничитель, 9 - термопары, 10 - стальная труба, 11 - держа­тель образца, 12 - печная термопара, 13, 14 - изоляция, 15 - труба из асбестоцемента, 16 - уплотнение, 17 - стабилизатор потока воздуха

3.2.1. ГРУППЫ ГОРЮЧЕСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Горючие строительные материалы в зависимости от значе­ний параметров горючести подразделяют на четыре группы горю­чести:

Г1 - слабогорючие,

Г2 – умеренногорючие,

ГЗ - нормальногорючие,

Г4 – сильногорючие.

Материалы следует относить к определенной группе горючести при условии соответствия всех значений параметров, установленных табл.3.1 для этой группы.

Таблица 3.1

Группа горючести материала	Параметры горючести
	Температура дымовых газов Т, 0С	Степень повреждения по длине, %	Степень повреждения по массе, %	Продолжительность самостоятельного горения tсг, сек.
Г1	<135	<65	<20	0
Г2	<235	<85	<50	<30
Г3	<450	>85	<50	<300
Г4	>450	>85	>50	>300

Примечание: Для материалов групп горючести Г1, Г2, ГЗ не до­пускается образование кипящих капель расплава при испытании.

Метод ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРУППЫ ГОРЮЧЕСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ применяют для всех однородных и слоистых горючих строительных материалов, в том числе применяемых в качестве отделочных и облицовочных, а также лакокрасочных покрытий.

Для каждого испытания изготовляют 12 образцов длиной 1000 мм, шириной 190 мм. Толщина образцов должна соответ­ствовать толщине материала, применяемого в реальных условиях, но не более 70 мм.

Образцы для стандартного испытания материалов, приме­няемых только в качестве отделочных и облицовочных, а также для испытания лакокрасочных покрытий, изготовляют в сочета­нии с негорючей основой. Способ крепления должен обеспечи­вать плотный контакт поверхностей материала и основы. Толщи­на лакокрасочных покрытий должна соответствовать принятой в технической документации, но иметь не менее четырех слоев.

Для несимметричных слоистых материалов с различными поверхностями изготовляют два комплекта образцов с целью экс­понирования обеих поверхностей. При этом группу горючести материала устанавливают по худшему результату.

Основной частью установки, изображенной на рис. 3.4, яв­ляется вертикальная шахтная печь, выполненная из огнеупорного материала. Установка состоит из камеры сжигания, системы по­дачи воздуха в камеру сжигания, газоотводной трубы, вентиляционной системы для удаления продуктов сгорания.

Рис.3.4. Вертикальная шахтная печь: камера сжигания, 2 - держатель образца, 3 - образец, 4 - газовая горелка, 5 - вентилятор подачи воздуха

В камере сжи­гания устанавливают держатель образцов, источник зажигания, диафрагму. Держатель образца состоит из четырех прямоугольных рам, расположенных по периметру источника зажигания. Источ­ником зажигания является газовая горелка, состоящая из четырех отдельных сегментов. Система подачи воздуха состоит из вентиля­тора, ротаметра и диафрагмы и должна обеспечивать поступление в нижнюю часть камеры сжигания равномерно распределенного по ее сечению потока воздуха в количестве (10±1,0) м³/мин и при температуре не менее 20°С.

После окончания испытания измеряют длину отрезков не­поврежденной части образцов и определяют остаточную массу образцов. Неповрежденную часть образцов, оставшуюся на держа­теле, взвешивают.

По результатам обработки данных трех испытаний опреде­ляется среднее значение температуры дымовых газов, продолжи­тельности самостоятельного горения, степени повреждения по длине и по массе. На основании этих данных по таблице, приве­денной в начале параграфа, определяют группу горючести мате­риала (Г1, Г2, ГЗ или Г4).

ВОСПЛАМЕНЯЕМОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Для оценки степени пожарной безопасности горючих материалов определяют их способность воспламенения под воздействием лучистой теплоты. Для этой цели ГОСТ 30402-96 дает классификацию го­рючих материалов в зависимости от величины критической по­верхностной плотности теплового потока (КППТП), т.е. мини­мального значения этой плотности, при котором возникает устойчивое пламенное горение материала.

Горючие строительные материалы, в зависимости от вели­чины КППТП, подразделяют на три группы воспламеняемости:

• В1 – трудновоспламеняемые - если величина КППТП равна или больше 35 кВт/м²;

• В2 - умеренновоспламеняемые - больше 20, но меньше 35 кВт/м²;

• ВЗ - легковоспламеняемые - меньше 20 кВт/м².

Сущность метода испытания состоит в определении пара­метров воспламеняемости материала при заданных стандартом уровнях воздействия на поверхность образца лучистого теплового потока и пламени от источника зажигания.

Для испытаний изготавливают 15 образцов, имеющих форму квадрата со стороной 165 мм и толщиной не более 70 мм. Мате­риалы, применяемые только в качестве отделочных и облицовоч­ных, а также лакокрасочные покрытия изготавливают в сочетании с негорючей основой.

Испытание на воспламеняемость материалов проводят на установке, схема которой приведена на рис.3.5. Установка состоит из опорной станины, подвижной платформы, источника лучисто­го теплового потока (радиационная панель), системы зажигания, состоящей из вспомогательной стационарной газовой горелки, подвижной горелки с системой перемещения, а также вспомога­тельного оборудования.

Рис.3.5 Установка для испытания материалов на воспламеняемость:

1 - радиационная панель, 2 - защитная плита, 3 - подвижная платформа, 4 - противовес, 5 - рычаг, 6 - вытяжной зонт

Основной частью установки является радиационная панель, которая состоит из кожуха с теплоизолирующим слоем и нагрева­тельного элемента мощностью 3 кВт.

Испытания проводят в течение 15 мин или до воспламене­ния образца. Целью испытания является определение величины критической поверхностной плотности теплового потока (КППТП), при которой возникает устойчивое пламенное горение материала, на основании чего устанавливается группа воспламе­няемого материала.

ГРУППЫ МАТЕРИАЛОВ ПО РАСПРОСТРАНЕНИЮ ПЛАМЕНИ ПО ПОВЕРХНОСТИ (Эти группы устанавливаются только для поверхностных слоев кровли, полов, ковровых покрытий):

РП1 – нераспространяющие;

РП2 – слабораспространяющие;

РП3 – умереннораспространяющие;

РП4 – сильнораспространяющие;

ГРУППЫ МАТЕРИАЛОВ ПО ДЫМООБРАЗУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ:

Д1- с малой дымообразующей способностью;

Д2- с умеренно дымообразующей способностью;

Д3- с высокой дымообразующей способностью;

ГРУППЫ МАТЕРИАЛОВ ПО ТОКСИЧНОСТИ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ:

Т1 – малоопасные;

Т2 – умеренноопасные;

Т3 – высокоопасные;

Т4 – чрезвычайно опасные;

СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ХАРАКТЕРИЗУЮТСЯ:

а) пожарной опасностью (классы)

б) огнестойкостью (предел огнестойкости)

Классы пожарной опасности:

К0 - непожароопасные

К1 - малопожароопасные

К2 - умереннопожароопасные

К3 - пожароопасные

Класс устанавливается по ГОСТ 30403-96 №Конструкции строительные. Методы определения пожарной опасности"

Огнестойкость строительных конструкций

Под огнестойкостью понимают способность строительной конструкции сопротивляться воздействию высокой температуры в условиях пожара и выполнять при этом свои обычные эксплуата­ционные функции. Огнестойкость относится к числу основных характеристик конструкций и регламентируется Строительными нормами и правилами.

Время, по истечении которого конструкция теряет несущую или ограждающую способность, называют пределом огнестой­кости и измеряют в часах от начала испытания конструкции на огнестойкость до наступления одного из предельных состояний:

R – потеря несущей способности определяется об­рушением конструкции или возникновением предельных дефор­маций.

Е – потеря целостности (ограждающих функ­ций). Потеря целостности наступает вследствие образова­ния в конструкциях сквозных трещин или отверстий, через кото­рые в соседнее помещение проникают продукты горения или пламя.

I – потеря теплоизолирующей способности определяется повышени­ем температуры на необогреваемой поверхности конструкции в среднем более чем на 140°С или в любой точке этой поверхности более чем на 180°С в сравнении с температурой конструкции до испытания.

Предел огнестойкости колонн, балок, арок и рам опреде­ляется только потерей несущей способности конструкций и узлов (R). Для наружных несущих стен и покрытий - потеря несущей способности и целостности (R, Е). Для наружных ненесущих стен - потеря целостности (Е). Для ненесущих внутренних стен и пере­городок – потеря целостности и теплоизолирующей способности (Е, I). Для несущих внутренних стен и противопожарных преград – все три предельных состояния - R, Е, I. Для окон – только потеря целостности (Е).

Определение фактических пределов огнестойкости строи­тельных конструкций в большинстве случаев осуществляют экс­периментальным путем. Основные положения методов испытаний конструкций на огнестойкость изложены в ГОСТ 30247.0-94 "Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестой­кость. Общие требования" и ГОСТ 30247.1-94 "Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции"

Сущность метода испытания конструкций на огнестойкость сводится к тому, что образец конструкции, выполненный в нату­ральную величину, нагревают в специальной печи и одновремен­но подвергают воздействию нормативных нагрузок. При этом определяют время от начала испытания до появления одного из признаков, характеризующих наступление предела огнестойкости конструкции.

Температура в огневой камере печи t изменяется во времени по "стандартной" температурной кривой (рис. 3.2), которая может быть выражена зависимостью:

t = 345 lg (8t + 1) + t_нач ,

где t - время от начала испытания, мин.; t_нач - начальная температура, °С.

Отклонение от температур, регламентируемых стандартной кривой, допускается в пределах 10% в течение 30 мин испытания и 5% - в последующее время.

Температуру в печи измеряют не менее чем в трех точках с помощью термопар. Горячие спаи термопар располагают на рас­стоянии 10 см от обогреваемой поверхности конструкции.

Нагревание испытываемых образцов соответствует реальным условиям работы конструкции и возможному направлению воз­действия огня в случае пожара.

При испытании – колонны обогревают с четырех сторон; балки – с трех; покрытия и перекрытия – со стороны нижней поверхности; стены, перегород­ки, двери – с одной стороны.

Испытаниям подвергаются не менее двух одинаковых об­разцов серийного изготовления или специально изготовленных. Перед испытанием образцы оборудуют приборами для измерения температур и деформаций.

Условия подогрева и особенности опытного образца обус­ловливают конструкцию испытательных установок (рис.3.6), пред­ставляющих собой огневые печи, в которых создается заданный температурный режим с помощью сжигания жидкого или газооб­разного топлива. Печи оборудуют приборами для измерения тем­пературы, а также устройствами для опирания, закрепления и нагружения опытных конструкций.

Рис. 3.6. Установка для испытания строительных конструкций на огнестойкость:

а - стен без нагрузки, б - перекрытий под нагрузкой, в - колонн и стен под нагрузкой; 1 - огневая камера, 2 - опытный образец, 3 - вагонетка, 4 - нагрузка

Огнестойкость каменных конструкций

Огнестойкость каменных конструкций зависит от их сече­ния, конструктивного исполнения, теплофизических свойств ка­менных материалов и способов обогрева.

По восприятию нагрузок все каменные конструкции, без применения в них каких-либо других материалов, работают толь­ко на сжатие и подразделяются на несущие и самонесущие. Благо­даря своей массивности и теплофизическим показателям камен­ные конструкции обладают хорошим сопротивлением действию огня в условиях пожара.

Высоким пределом огнестойкости обладают глиняные кир­пичные конструкции. В условиях пожара кирпичные конструкции удовлетворительно выдерживают нагревание до 900°С, не снижая практически своей прочности и не обнаруживая признаков раз­рушения.

При нагревании до 800°С наблюдаются только поверхност­ные повреждения кладки в виде волосяных трещин и отслаивания тонких слоев. Конструкции, выполненные из глиняного кирпича, являются надежной преградой против распространения возник­шего пожара. Предел огнестойкости конструкций из силикатного кирпича по прогреву такой же, как и из керамического кирпича. Это объясняется их одинаковыми теплофизическими характери­стиками. Однако по изменению прочности при действии высокой температуры силикатный кирпич уступает глиняному.

Огнестойкость стальных конструкций

При прогреве стальных конструкций до "критической температуры" в материале начинают развиваться деформации ползучести значительной величины. Материал как бы течет. Но это не является плавлением стали (температура плавления стали – 1600…1700^оС).

Критическая температура начала развития деформаций ползучести для стальных конструкций принята 550⁰С. При этом для разных сталей она может несколько отличаться в ту или иную сторону.

Следует отметить, что температура, при которой начинают развиваться деформации ползучести, а также их скорость нарастания, существенно зависят от уровня нагружения конструкции. При нагрузках близких к предельным, деформации ползучести могут развиваться и при температурах 350 … 400⁰С, а при малых нагрузках конструкции могут сохранить свою форму и при температурах близких к 1000⁰С. На следующем рисунке даны графики испытаний различных арматурных сталей при разных уровнях нагружения.

Кривые полных деформаций арматуры при на­греве по режиму типа "стандартного" пожара и различной сте­пени нагружения γ_s: А) – класса А-I (Ст3); Б) – класса А-II(Ст5); В) – класса А-III (Ст25Г2С); Г) – класса А-III (Ст35ГС)

Огнестойкость железобетонных конструкций

Железобетонные конструкции благодаря их негорючести и сравнительно небольшой теплопроводности довольно хорошо со­противляются воздействию агрессивных факторов пожара. Однако они не могут беспредельно сопротивляться пожару. Современные железобетонные конструкции, как правило, выполняют тонко­стенными, без монолитной связи с другими элементами здания, что ограничивает их способность осуществлять свои рабочие функции в условиях пожара до 1 ч, а иногда и менее. Еще меньшим преде­лом огнестойкости обладают увлажненные железобетонные кон­струкции. Если повышение влажности конструкции до 3,5% уве­личивает предел огнестойкости, то дальнейшее повышение влаж­ности бетона плотностью более 1200 кг/м³ при кратковременном действии пожара может вызвать взрыв бетона и быстрое разруше­ние конструкции.

Предел огнестойкости железобетонной конструкции зависит от размеров ее сечения, толщины защитного слоя, вида, количества и диаметра арматуры, класса бетона и вида заполнителя, нагрузки на конструкцию и схемы ее опирания.

Предел огнестойкости ограждающих конструкций по про­греву - противоположной огню поверхности на 140°С (перекрытия, стены, перегородки) зависит от их толщины, вида бетона и его влажности. С увеличением толщины и уменьшением плотности бетона предел огнестойкости возрастает.

Предел огнестойкости по признаку потери несущей способ­ности зависит от вида и статической схемы опирания конструк­ции. Однопролетные свободно опертые изгибаемые элементы (балочные плиты, панели и настилы перекрытий, балки, прогоны) при действии пожара разрушаются в результате нагревания про­дольной нижней рабочей арматуры до предельной критической температуры. Предел огнестойкости этих конструкций зависит от толщины защитного слоя нижней рабочей арматуры, класса арма­туры, рабочей нагрузки и теплопроводности бетона. У балок и прогонов предел огнестойкости зависит еще от ширины сечения.

При одних и тех же конструктивных параметрах предел ог­нестойкости балок меньше, чем плит, так как при пожаре балки обогреваются с трех сторон (со стороны нижней и двух боковых граней), а плиты - только со стороны нижней поверхности.

Наилучшей арматурной сталью с точки зрения огнестой­кости является сталь класса А-III марки 25Г2С. Критическая тем­пература этой стали в момент наступления предела огнестойкости конструкции, загруженной нормативной нагрузкой, составляет 570°С.

Выпускаемые заводами крупнопустотные предварительно напряженные настилы из тяжелого бетона с защитным слоем 20 мм и стержневой арматурой из стали класса А-IV имеют предел огнестойкости 1 ч, что позволяет использовать данные настилы в жилых зданиях.

Плиты и панели сплошного сечения из обычного железобе­тона при защитном слое 10 мм имеют пределы огнестойкости:

арматура из стали классов А-I и А-II - 0,75 ч; А-III (марки 25Г2С) - 1 ч.

В ряде случаев тонкостенные изгибаемые конструкции (пустотные и ребристые панели и настилы, ригели и балки при ширине сечения 160 мм и менее, не имеющие вертикальных кар­касов у опор) при действии пожара могут разрушаться прежде­временно по косому сечению у опор. Такой характер разрушения предотвращают путем установки на приопорных участках данных конструкций вертикальных каркасов длиной не менее 1/4 пролета.

Плиты, опертые по контуру, имеют предел огнестойкости значительно выше, чем простые изгибаемые элементы. Эти плиты армированы рабочей арматурой в двух направлениях, поэтому их огнестойкость зависит дополнительно от соотношения арматуры в коротком и длинном пролетах. У квадратных плит, имеющих данное соотношение, равное единице, критическая температура арматуры при наступлении предела огнестойкости составляет 800°С.

С увеличением соотношения сторон плиты критическая температура уменьшается, следовательно, снижается и предел ог­нестойкости. При соотношениях сторон более четырех предел ог­нестойкости практически равен пределу огнестойкости плит, опертых по двум сторонам.

Статически неопределимые балки и балочные плиты при нагревании утрачивают несущую способность в результате разру­шения опорных и пролетных сечений. Сечения в пролете разру­шаются в результате снижения прочности нижней продольной арматуры, а опорные сечения - вследствие потери прочности бе­тона в нижней сжатой зоне, нагревающейся до высоких темпера­тур. Скорость прогрева этой зоны зависит от размеров поперечно­го сечения, поэтому огнестойкость статически неопределимых балочных плит зависит от их толщины, а балок - от ширины и высоты сечения. При больших размерах поперечного сечения предел огнестойкости рассматриваемых конструкций значительно выше, чем статически определимых конструкций (однопролетные свободно опертые балки и плиты), и в ряде случаев (у толстых балочных плит, у балок, имеющих сильную верхнюю опорную арматуру) практически не зависит от толщины защитного слоя у продольной нижней арматуры.

Колонны. Предел огнестойкости колонн зависит от схемы приложения нагрузки (центральное, внецентренное), размеров поперечного сечения, процента армирования, вида крупного за­полнителя бетона и толщины защитного слоя у продольной арма­туры.

Разрушение колонн при нагревании происходит в результа­те снижения прочности арматуры и бетона. Внецентренное при­ложение нагрузки уменьшает огнестойкость колонн. Если нагруз­ка приложена с большим эксцентриситетом, то огнестойкость ко­лонны будет зависеть от толщины защитного слоя у растянутой арматуры, т.е. характер работы таких колонн при нагревании та­кой же, как и простых балок. Огнестойкость колонны с малым эксцентриситетом приближается к огнестойкости центрально-сжатых колонн. Колонны из бетона на гранитном щебне облада­ют меньшей огнестойкостью (на 20%), чем колонны на известковом щебне. Это объясняется тем, что гранит начинает разрушать­ся при температуре 573°С, а известняки начинают разрушаться при температуре начала их обжига 800° С.

Стены. При пожарах, как правило, стены обогреваются с одной стороны и поэтому прогибаются или в сторону пожара, или в обратном направлении. Стена из центрально-сжатой конструк­ции превращается во внецентренно сжатую с увеличивающимся во времени эксцентриситетом. В этих условиях огнестойкость не­сущих стен в значительной степени зависит от нагрузки и от их толщины. С увеличением нагрузки и уменьшением толщины сте­ны ее предел огнестойкости уменьшается, и наоборот.

С увеличением этажности зданий нагрузка на стены воз­растает, поэтому для обеспечения необходимой огнестойкости толщину несущих поперечных стен в жилых зданиях принимают равной (мм): в 5... 9-этажных зданиях - 120, 12-этажных - 140, 16-этажных - 160, в домах высотой более 16 этажей - 180 и более.

Однослойные, двухслойные и трехслойные самонесущие панели наружных стен подвергаются действию небольших нагру­зок, поэтому огнестойкость этих стен обычно удовлетворяет про­тивопожарным требованиям.

Несущая способность стен при действии высокой темпера­туры определяется не только изменением прочностных характери­стик бетона и стали, но главным образом деформативностью эле­мента в целом. Огнестойкость стен определяется, как правило, потерей несущей способности (разрушением) в нагретом состоя­нии; признак же обогрева "холодной" поверхности стены на 140° С не является характерным. Предел огнестойкости находится в зависимости от рабочей нагрузки (запаса прочности конструк­ции). Разрушение стен от одностороннего воздействия происхо­дит по одной из трех схем:

1) с необратимым развитием прогиба в сторону обогреваемой поверхности стены и ее разрушением в середине вы­соты по первому или второму случаю внецентренного сжатия (по нагретой арматуре или "холодному" бетону);

2) с прогибом элемента в начале в сторону нагревания, а на конечной стадии в противоположном направлении; раз­рушение - в середине высоты по нагретому бетону или по "холодной" (растянутой) арматуре;

3) с переменной направления прогиба, как и в схеме 1, но разрушение стены происходит в приопорных зонах по бетону "холодной" поверхности или по косым сечениям.

Первая схема разрушения характерна для гибких стен, вто­рая и третья - для стен с меньшей гибкостью и платформенно опертых. Если ограничить свободу поворота опорных сечений стены, как это имеет место при платформенном опирании, уменьшается ее деформативность и поэтому предел огнестойкости увеличивается. Так, платформенное опирание стен (на не смещаемые плоскости) увеличивало предел огнестойкости в среднем в два раза по сравнению с шарнирным опиранием независимо от схемы разрушения элемента.

Уменьшение процента армирования стен при шарнирном опирании снижает предел огнестойкости; при платформенном же опирании изменение в обычных пределах армирования стен на их огнестойкость практически не влияет. При нагревании стены од­новременно с двух сторон (межкомнатные стены) у нее не возни­кает температурного прогиба, конструкция продолжает работать на центральное сжатие и поэтому предел огнестойкости не ниже, чем в случае одностороннего обогрева.

Основные принципы расчета огнестойкости железобетонных конструкций

Огнестойкость железобетонных конструкций утрачивается, как правило, в результате потери несущей способности (обруше­ния) за счет снижения прочности, теплового расширения и тем­пературной ползучести арматуры и бетона при нагревании, а так­же вследствие прогрева не обращенной к огню поверхности на 140° С. По этим показателям - предел огнестойкости железобетон­ных конструкций может быть найден расчетным путем.

В общем случае расчет состоит из двух частей: теплотехни­ческой и статической.

В теплотехнической части определяют температуру по сече­нию конструкции в процессе ее нагревания по стандартному тем­пературному режиму. В статической части вычисляют несущую способность (прочность) нагретой конструкции. Затем строят график (рис. 3.7) снижения ее несущей способности во времени. По этому графику находят предел огнестойкости, т.е. время на­гревания, по истечении которого несущая способность конструк­ции снизится до рабочей нагрузки, т.е. когда будет иметь место равенство:

М_рt (N_рt) = М_n(М_n), где М_рt (N_рt) - несущая способность изгибаемой (сжатой или внецентренно сжатой) конструкции;

М_n(М_n), - изгибающий момент (продольное усилие) от нор­мативной или другой рабочей нагрузки.

Огнестойкость деревянных конструкций

Огнестойкость деревянных конструкций в основном определяется их скоростью выгорания. Скорость выгорания (или обугливания) равна:

– 1 мм/мин для конструкций, выполненных из тонких досок и брусков (толщиной до 100 мм);

– 0.7 мм/мин для конструкций, выполненных из толстых досок и брусков (толщиной более 100 мм).

Пропитка деревянных конструкций антипиренами увеличивает их огнестойкость на 4 … 5 минут.

Например.

Несущую способность деревянной стойки в общем случае можно записать в виде: ,

где N – сжимающая сила; φ – коэффициент продольного изгиба; F = а·b – площадь поперечного сечения; а и b – размеры сторон прямоугольного сечения стойки; m – коэффициент условия работы; R – расчетное сопротивление древесины.

При выгорании древесины со скоростью v размер поперечного сечения стойки уменьшается со временем t по формуле F(t) = (a – 2vt)(b – 2vt). При этом изменяется и коэффициент продольного изгиба. Следовательно, несущая способность стойки во время пожара определяется соотношением: . Решая это уравнение относительно t можно определить предел огнестойкости деревянной стойки.