9.1. Повышение предела огнестойкости железобетонных конструкций

Огнестойкость железобетонных конструкций утрачивается в основном из-за потери несущей способности (обрушения) или появления необратимой деформации, исключающей ее дальнейшую эксплуатацию, за счет снижения прочности, температурной ползучести и теплового расширения бетона и арматуры при нагревании в условиях пожара.

Повышение фактических пределов огнестойкости железобетонных конструкций производится с целью обеспечения в течение определенного времени несущей и ограждающей способности, а также для того, чтобы они были пригодными к повторной нормальной эксплуатации после воздействия на них реальных пожаров и проведения соответствующего ремонта, что, как показывает практика, дает большой экономический эффект.

Повышение фактических пределов огнестойкости железобетонных конструкций можно достигнуть следующими способами:

а) увеличением предела огнестойкости конструктивными методами в процессе их проектирования и изготовления с учетом реальных условий эксплуатации конструкции;

б) обеспечением требуемых пределов огнестойкости путем нанесения теплозащитных покрытий;

в) изменением условий обогрева при пожаре, в том числе с помощью применения защитных устройств типа подвесных потолков;

г) применением вспучивающихся огнезащитных покрытий.

Предел огнестойкости центрально-сжатых колонн с гибкой арматурой зависит от сечения колонн, теплотехнических характеристик материала колонн, коэффициента изменения прочности бетона при действии высоких температур и соответствующей ему критической температуры. Поэтому для увеличения пределов огнестойкости колонн рекомендуются следующие решения: увеличение площади сечения колонны; выбор бетона с меньшим коэффициентом температуропроводности; снижение нагрузки на колонну; выбор бетона с более высокой критической температурой, что достигается подбором вяжущих веществ и соответствующих заполнителей для бетонов, а также применением жаростойких бетонов; изменение условий обогрева колонн.

В начальный период пожара на поверхности сечений колонн возникают дополнительные температурные сжимающие напряжения, что приводит к разрушению защитного слоя бетона и значительному снижению огнестойкости колонн. Это явление наиболеее характерно для сжатых элементов из тяжелого бетона, изготовленного с использованием гранитного и кварцевого заполнителей; менее заметно – в бетонах, изготовленных с использованием в качестве заполнителя известняка, керамзита и доменного шлака. Колонны из бетона на известняковом щебне обладают большей огнстойкостью (на 20 %), чем колонны на гранитном щебне. Это объясняется тем, что известняки разрушаются при температуре 800 ⁰С, а кварц, входящий в состав гранита, начинает разрушаться уже при температуре 573 ⁰С. Критическая температура для тяжелого бетона на гранитном заполнителе составляет 500 ⁰С, а на известняковом заполнителе для конструкционного керамзитобетона – 600 ⁰С.

Согласно [21,45,47], наиболее надежным способом обеспечения требуемого предела огнестойкости колонн является обеспечение совместной работы ядра сечения колонны и защитного слоя бетона при нагреве, что достигается установкой проволочной сетки между рабочей арматурой и поверхностью колонн (в защитном слое бетона) или установкой косвенного армирования в виде сеток по сечению колонны. Существенного увеличения огнстойкости колонн можно добиться путем увеличения процента армирования, а также перемещением части арматуры от перефирии к центру. В [47] отмечается, что при испытании на огнестойкость монолитных железобетонных колонн увеличение армирования на 5,76 % увеличило предел огнестойкости в 1,3 – 1,4 раза. Перемещение 50 % арматуры от перефирии к центру увеличивает фактический предел огнестойкости в 1,5 раза.

Увеличения предела огнестойкости можно достичь также за счет повышения прочности и модуля упругости бетона. Например, увеличение возраста бетона с 75 до 400 суток повышает огнстойкость балок в 1,25 раза [47].

Увеличение пределов огнестойкости свободно опертых плит и балок может быть достигнуто путем увеличения толщины защитного слоя бетона, снижения коэффициента его температуропроводности, нанесения штукатурок или облицовок из малотеплопроводных материалов, уменьшения нагрузки и выбора арматуры с более высокой критической температурой. С этой точки зрения низколегированная арматура Ст.25Г2С и Ст.35ГС обладает известными преимуществами по сравнению с холоднотянутой высокопрочной и горячекатаной арматурой. Критическая температура нагрева этих сталей в момент наступления предела огнестойкости конструкции, загруженнной нормативной нагрузкой, составляет 570-580 ⁰С [45]. Одним из существенных мер увеличения предела огнестойкости свободно опертых конструкций является их замоноличивание.

У жестко заделанных изгибаемых конструкций, как было показано, толщина защитного слоя при определении пределов огнестойкости не имеет решающего значения. Здесь увеличение пределов огнестойкости достигается главным образом путем увеличения толщины плит, высоты и ширины ребер балок, а также путем подбора бетона с более высокими критическими температурами и более низкими показателями коэффициента температуропроводности. Резкое увеличение пределов огнестойкости железобетонных балок и прогонов может быть достигнуто путем создания условий обогрева только нижней грани. С этой точки зрения железобетонные перекрытия с заполнением пустотелыми блоками имеют существенные преимущества по сравнению с обычными ребристыми конструкциями. Существенное повышение пределов огнестойкости железобетонных перекрытий и покрытий может быть достигнуто с помощью подвесных огнезащитных потолков.

Металлические сочленения в виде закладных деталей и анкеров защищаются слоем бетона или другим материалом. При этом толщина защитного слоя подбирается с таким расчетом, чтобы предел огнестойкости защищаемой детали или узла был не менее предела огнестойкости основной несущей конструкции. Стыки, а также швы в ограждающих конструкциях герметизируются. Подробно эти вопросы рассмотрены в [47].

Взрывообразное разрушение бетона. При воздействии высоких температур на железобетонные конструкции возможно хрупкое (взрывоопасное) разрушение бетона, которое начинается, как правило, через 5 – 20 минут и сопровождается сильными хлопками и разлетом бетонных осколков на десятки метров. Вследствие уменьшения рабочего сечения или нагревания обнажившейся рабочей арматуры до критических температур строительные конструкции утрачивают несущую способность. При экспериментальном исследовании огнестойкости железобетонных панелей и колонн отмечались случаи взрывообразного разрушения поверхностных слоев бетона на площади до 200 см² и толщиной до 0,5 – 1 см. В ряде случаев наблюдалось отслоение бетона на глубину до 4 – 6 см. Куски отслаивающегося бетона отлетали при этом на расстояние до 10 – 15 м. В тонкостенных элементах конструкций возможно образование сквозных отверстий, с полной потерей ограждающей способности.

Хрупкое разрушение бетона при пожаре зависит от структуры бетона, его состава, влажности, скорости повышения температуры внутри конструкции, условий обогрева конструкции и внешней нагрузки.

Взрывоопасное разрушение бетона, как правило, наблюдается при влажности более 5 %, при влажности в пределах 3,5 – 5 % разрушение носит преимущественно местный характер, а при влажности менее 3 % взрывы не отмечаются.

Взрывоопасному разрушению подвержены бетоны с крупным заполнителем (гранит, известняк), бетоны без крупного заполнителя, армоцементы, силикальцит и легкие бетоны на керамзите с плотностью 1300-1800 кг/ м³. Бетон с крупным диабазовым заполнителем плотностью 2200-2400 кг/м³ подвержен взрывообразному разрушению при влажности более 2,5 %.

Для сведения к минимуму возможность взрывоопасного разрушения бетона необходимо учитывать вышеуказанные факторы, приводящие к разрушению бетона. С этой же целью рекомендуется применение легких бетонов плотностью менее 1250 кг/м³. Предусматриваются также меры по регулированию температур на пожаре: в начальной стадии понижение темпа нарастания температур с помощью автоматических систем пожаротушения позволяет исключить взрывоопасное разрушение бетона. Конструктивные решения включают применение составов бетонов с ограниченным расходом вяжущего (не более 400 кг цемента на 1 м³ бетонной смеси); нанесение поверхностного слоя на конструкции из малотеплопроводных материалов небольшой плотности толщиной до 2 см, что должно уменьшить темп прогрева бетона; применение поперечных сечений конструкций без выступающих углов (колонн круглого сечения или со срезанными углами вместо прямоугольного или квадратного сечения) и другие способы, изложенные в [21-23, 45].

В [46] анализируются методы повышения предела огнестойкости железобетонных конструкций при проектировании многофункциональных высотных зданий. Учитывая специфику высотных зданий, а также время, необходимое для ликвидации возможных пожаров, к высотным сооружениям предъявляются повышенные требования по пределам огнестойкости (до REI 240). Сравниваются традиционные и перспективные способы и материалы для обеспечения требуемых пределов огнестойкости железобетонных конструкций. В результате проведенных исследований наиболее перспективными считаются волокнистые и облегченные не волокнистые огнезащитные покрытия на основе неорганического связующего, а также тонкослойные вспучивающиеся огнезащитные краски.

Увеличение предела огнестойкости железобетонных конструкций традиционными методами с применением бетона и стали с лучшими термопрочностными характеристиками, с увеличением защитного слоя для арматуры или массивности сечения, с применением облицовки из кирпича и цементно-песчаной штукатурки позволяет добиться предела огнестойкости конструкции до 2,5 часов. Однако такой способ огнезащиты иногда технически невозможен либо приводит к неоправданному удорожанию строительства, способствует значительному утяжелению несущих конструкций.

Использование огнезащиты в виде листовых и плитных облицовок и экранов позволяет повысить предел огнестойкости железобетонных конструкций до 2,5 часов. Данные материалы применяются для обеспечения огнезащиты конструкций несложной формы, в основном перегородок.

Облегченные не волокнистые огнезащитные составы и покрытия на их основе обеспечивают предел огнестойкости конструкций из железобетона до 4 часов. Они применяются для отделки транспортных тоннелей и конструкций любой конфигурации, эксплуатирующихся в атмосфере с повышенной влажностью и содержанием оксидов азота и углерода при значительном перепаде температур. Преимущества данного вида огнезащиты таковы: небольшая масса; достаточно высокая механическая прочность и прочность связей с основой; длительный срок эксплуатации; возможность нанесения на поверхности сложной конфигурации; возможность окраски гидрофобными, декоративными и другими составами; устойчивость к действию атмосферных явлений, воды, противоледных реагентов и моющих растворов. Однако такие покрытия имеют большую толщину, требуют нанесения дополнительных защитных составов.

Тонкослойные вспучивающиеся огнезащитные покрытия выполняют те же функции, что и другие способы огнезащиты. Однако масса первых значительно меньше, что позволяет рекомендовать их к применению в высотном строительстве. Причем трудозатраты по нанесению вспучивающихся огнезащитных покрытий на поверхность железобетона примерно в два раза ниже, чем при использовании других традиционных способов огнезащиты.

В [21,31,46,47] представлены результаты исследований по огнезащите серийно выпускаемых многопустотных железобетонных панелей перекрытий, предназначенных для промышленного и гражданского строительства. Обычно они имеют фактический предел огнестойкости не более 1 часа. Огнезащитные материалы могут быть нанесены как на изготовленные в заводских условиях готовые конструкции, так и после их установки в проектное положение. В качестве огнезащиты, наносимой на нижнюю, обращенную к огню поверхность, использовались следующие материалы: огнезащитный состав (покрытие) "Эсма-Б"; минераловатные плиты "СОМЫТ 150 W" и клей "СОМЫТ ОШЕ"; огнезащитный состав (покрытие) "ОП-2000".

Огнезащитные покрытия "Эсма-Б" наносилось механизированным способом равномерными слоями, средней толщиной 23 мм. В течение 2,5 огневого воздействия напрягаемая (рабочая) арматура прогрелась до 375 ⁰C и достигла критического значения, определенного в соответствии с классом и маркой арматурной стали. На нагреваемой поверхности панелей перекрытий на момент окончания опытов зафиксирована температура до 85 ⁰C, что значительно ниже нормативной.

Минераловатные плиты "СОМЫТ 150" толщиной 30 мм, одна из поверхностей которых покрывается сеткой из стекловолокна, наклеивались на нижнюю поверхность панелей перекрытий с помощью клея. Для фиксации минераловатных плит использовались стальные оцинкованные гвозди. В течение 2,5-часового огневого воздействия напрягаемая арматура прогрелась до 281 ⁰C и не достигла критического значения. Температура необогреваемой поверхности достигла 44 градусов.

Огнеупорный состав "ОП-2000" приготавливался из сухой смеси и водного раствора клея ПВА (соотношение клея в растворе составляло 1:10). Средняя толщина огнезащитного покрытия составляет 51 мм. В течение 4-часового огневого воздействия напрягаемая арматура нагревалась до 253 ⁰C и не достигла критических значений, определенных в соответствии с классом и маркой арматуры. На необогреваемой поверхности температура достигла 57 ⁰C.

Таким образом, наиболее перспективным способом повышения предела огнестойкости железобетонных конструкций является применение вспучивающихся огнезащитных покрытий, так как они существенно снижают нагрузку на перекрытия, фермы, балки и другие конструкции; существенно снижают трудозатраты по нанесению огнезащитных составов на обрабатываемую поверхность. В зависимости от предела огнестойкости конструкции толщина сухого слоя вспучивающихся красок может составлять 0,5 – 3,0 мм. Предлагаемые виды огнезащиты железобетонных конструкций является эффективным средством повышения предела огнестойкости, их можно использовать как при строительстве, так и при реконструкции зданий и сооружений .