Огнестойкость зданий: роль конструктивных узлов в железобетонных рамах

Повреждения, вызванные пожарами в строительных объектах, приводят к потерям, которые составляют около 15–20% от общего объёма ущерба. В связи с этим, актуальным становится изучение методов уменьшения материальных потерь, вызванных пожарами, а также повышение пожарной безопасности строительных элементов и оценка их дальнейшего использования после пожара. Кроме того, при разработке строительных решений важно прежде всего обеспечить безопасность и здоровье людей. С увеличением числа строительных объектов и усложнением их структур особое внимание уделяется огнестойкости зданий.

Железобетонные конструкции, широко используемые в строительстве, более устойчивы к высоким температурам во время пожаров, в отличие от металлических и деревянных конструкций. Однако несмотря на высокий предел огнестойкости, железобетонные элементы изменяют свои характеристики во время и после пожара. Суть проблемы огнестойкости заключается в скорости потери качественных характеристик строительными материалами и конструкциями при воздействии огня. Самые опасные пожары часто происходят в промышленных и складских зданиях, где присутствуют горючие и легковоспламеняющиеся материалы, а также сжиженный газ, при этом температура огня может достигать 1200–1600°С.

Технический регламент по пожарной безопасности устанавливает требования к огнестойкости и классу пожарной опасности конструктивных элементов. Бетон, являясь негорючим материалом, относится к наивысшему классу пожарной опасности К0. Что касается огнестойкости железобетонных элементов, они демонстрируют лучшую устойчивость к огню. Огнестойкость железобетонных конструкций зависит от различных факторов, включая их конструктивную схему, геометрию, уровень рабочих нагрузок, толщину защитных слоев бетона, тип арматуры, качество бетона и его влажность, среди прочего.

Во время пожара предел огнестойкости железобетонных элементов достигается из-за уменьшения прочности бетона при нагреве, теплового расширения и температурной деформации арматуры, появления сквозных отверстий или трещин в конструкциях, а также из-за потери теплоизолирующих свойств. Это приводит к быстрому ухудшению несущей способности конструкции во время пожара. Предел огнестойкости конструкции достигается в момент, когда её несущая способность понижается до уровня рабочих нагрузок.

Существующие современные методы оценки огнестойкости железобетонных конструкций включают экспериментальные и теоретические подходы. Тем не менее, экспериментальный метод имеет свои недостатки, так как требует проведения громоздких и дорогостоящих испытаний, что иногда затрудняет своевременную оценку огнестойкости новых строительных элементов. Теоретический подход является более перспективным и экономичным, и в нашей стране активно развиваются расчётные методы оценки огнестойкости. Эти расчёты в общем виде заключаются в оценке распределения температур по сечению конструкции в условиях пожара (теплотехническая часть) и в расчёте несущей способности нагретой конструкции (статическая часть).

Однако теория огнестойкости строительных конструкций ещё недостаточно разработана, и даже опытным инженерам сложно спроектировать качественную огнезащиту для конструктивных элементов. Первым шагом, с которым сталкивается практикующий инженер, является определение распределения температур в сечениях материала строительной конструкции через определённые промежутки времени, что подразумевает решение задачи нестационарного нагрева материала в условиях пожара.

Для достижения необходимой точности, численные методы, особенно с применением компьютерных технологий, часто обеспечивают эффективное приблизительное решение.

Основная задача расчёта строительных конструкций на огнестойкость – это определение времени, когда под воздействием пожара конструкции теряют свою грузоподъемность или изоляционные свойства. Огнестойкость конструкции с точки зрения утраты грузоподъемности определяется как время, в течение которого под влиянием температуры пожара несущая способность конструкции уменьшается до уровня действующих на неё рабочих нагрузок. Эти зависимости были выведены в ходе многолетних специализированных экспериментальных исследований для всех основных строительных материалов.

Исследования выявили, что устойчивость обычных строительных материалов при нагревании в пожарных условиях снижается после достижения определенной температуры. В настоящее время эти данные применяются как справочные при расчёте строительных конструкций на огнестойкость. Так, критическая температура прогрева материала конструкции во время пожара – это температура, при которой материал теряет способность противостоять воздействию пожара. Этот показатель является одним из ключевых в теории расчёта строительных конструкций на огнестойкость.

При этом расчёт огнестойкости строительных конструкций включает две задачи:

1. Прочностная задача огнестойкости: определение нормативной рабочей нагрузки на рассматриваемую конструкцию, затем определение соответствующего коэффициента условий работы материалов конструкции при пожаре и их критической температуры нагрева при данном уровне рабочей нагрузки;
2. Теплофизическая задача огнестойкости: установление момента времени воздействия пожара на конструкцию, когда ключевые элементы нагреваются до критической температуры.

Таким образом, важно разрабатывать более универсальные методы оценки времени устойчивости объектов во время пожара, которые учитывали бы особенности комбинированного воздействия, включая пожар. Вопрос обеспечения безопасности зданий и сооружений при пожарах становится особенно важным в нашей стране, где строительный сектор особенно уязвим для таких воздействий.

Множество работ, как в России, так и за рубежом, посвящены изучению коррозионной устойчивости бетонных и железобетонных конструкций. Тем не менее, вопрос интеграции коррозионных процессов с огнестойкостью в единую систему пока остается нерешенным. Существующие публикации часто являются фрагментарными, поверхностными или прикладными. Наиболее разработанным в этом направлении является подход, предложенный профессором Ройтманом В.М. В своих работах он предлагает в рамках концепции комплексной безопасности строительства включать меры защиты от комбинированных особых воздействий (CHE) и ввести понятия проектного предела огнестойкости конструкции (до начала эксплуатации), эксплуатационного предела огнестойкости (в зависимости от технического состояния в процессе эксплуатации) и коэффициента утраты огнестойкости эксплуатируемой конструкции, который определяется как отношение эксплуатационного предела огнестойкости к проектному значению.

где  – эксплуатационный предел огнестойкости конструкции;

 – проектный предел огнестойкости.

Изменяясь в пределах от 1,0 (состояние новой конструкции) до 0 (в случае полного износа) данный коэффициент позволяет определить фактические пределы огнестойкости ЖБК на любом этапе эксплуатации.

В ходе обширных исследований, проведенных в Академии ГПС МЧС России с применением вычислительных методов и компьютерного анализа, было подтверждено предположение о том, что коэффициент потери огнестойкости железобетонных конструкций слабо зависит от их типа, свойств бетона или геометрических особенностей, но в значительной степени определяется категорией технического состояния. В железобетонных балках, степень коррозии арматуры (обозначаемая как DOC – степень коррозии), определяемая как отношение оставшейся массы ржавой арматуры к ее первоначальной массе, ведет к уменьшению огнестойкости. Установлена формула, согласно которой процентное снижение огнестойкости (%) равно 100 минус 2,4 умноженное на DOC (в процентах).

При этом, уже при DOC, равном 0,05 (5%), сцепление снижается более чем на 50%. Так, в процессе использования железобетонные конструкции подвергаются воздействию различных агрессивных сред, вызывающих коррозию бетона и арматуры, физическим воздействиям, приводящим к износу, а также влиянию разнообразных биологических организмов. Эти факторы способствуют возникновению дефектов, ухудшению рабочих характеристик конструкций и, как следствие, снижению их огнестойкости. Однако существующие нормативы не отражают эту проблематику, делая их непригодными для оценки огнестойкости эксплуатируемых железобетонных конструкций.

В качестве решения этой проблемы, профессор Ройтман В.М. предлагает использовать коэффициент потери огнестойкости (C_f,r), исследования подтвердили, что он мало зависит от типа конструкции, ее геометрических параметров и свойств бетона, а важно техническое состояние. Учитывая множество факторов, влияющих на ЖБК в процессе эксплуатации и их комбинации, и то, что категория технического состояния, ограниченная только несущей способностью, не может отражать все эти изменения, предлагается детальное изучение влияния каждого фактора на огнестойкость в рамках концепции коэффициента потери огнестойкости. Это подход позволит интегрировать многочисленные результаты исследований, посвященных огнестойкости эксплуатируемых ЖБК, их коррозии и износу, и использовать коэффициент потери огнестойкости для анализа поведения железобетонных конструкций при любых воздействующих факторах на любом этапе их жизненного цикла.