Влияние температуры на огнестойкость и прочность строительных материалов и конструкций

При проектировании и строительстве зданий и сооружений необходимо помнить, что они должны быть прочными и устойчивыми как в нормальных условиях эксплуатации, так и в условиях возможного пожара при воздействии высоких температур. Пожарная безопасность в процессе проектирования зданий и сооружений достигается прежде всего подбором несущих элементов и строительных конструкций' с определенным пределом огнестойкости и возгораемостью.

Согласно указанному в СНиП II-A. 5—70 определению, под пределом огнестойкости строительных конструкций понимается период времени (в часах) от начала испытания конструкции на огнестойкость до возникновения одного из следующих признаков: образования в конструкциях сквозных трещин; повышения температуры на необогреваемой (противоположной воздействию огня) поверхности конструкции в среднем более чем на 140 или в любой точке этой поверхности более чем 180° С (по сравнению с температурой конструкции до испытания), или более 220° С независимо от температуры конструкции до испытания потери конструкцией несущей способности, сопровождающейся обрушением.

При огневых испытаниях наружных несгораемых стен образование сквозных трещин или достижение указанных выше температур на поверхности, противоположной воздействию огня, за признак наступления предела огнестойкости не принимаются. Для навесных, самонесущих стеновых панелей за признак потери несущей способности следует также принимать разрушение узлов крепления панелей к несущим конструкциям здания.

Предел огнестойкости для строительных конструкций является критерием для характеристики их огнестойкости, т. е. способности сохранять прочность в условиях пожара.

При проектировании и строительстве зданий предел огнестойкости конструкций должен определяться по СНиП II-A. 5—70.
Обычно для всех конструктивных элементов пределы огнестойкости устанавливаются экспериментально в огневых испытательных установках по методике, разработанной ВНИИПО. По методике при испытании создаются условия, близкие к реальным на пожарах. На конструкции зданий в условиях пожара действуют такие основные разрушительные факторы, как высокая температура, резкие колебания температуры от воздействия на раскаленные поверхности конструкций воды при тушении пожара и др. Конструкции в натуральную величину помещают в специальные камеры и подвергают нагреванию под воздействием на них нормативной нагрузки. Тепловой режим в камерах поддерживается по стандартной кривой (рис. 1), полученной в результате опытных исследований температурных режимов пожаров и экспериментов при сжигании веществ с теплотой горения порядка 4000— 5000 ккал/кг. Такой стандартный тепловой режим соответствует характеру нарастания температуры от пожара в жилых и общественных зданиях.

Предел огнестойкости строительных конструкций устанавливается в зависимости от времени воздействия одного из трех указанных выше признаков.

Отклонения от температуры в камере огневого испытания допускаются в пределах ±10%.

Рис. 1. Стандартная кривая, характеризующая нарастание температуры от пожара в здании в зависимости от времени горения.

На графике температурного режима площадь, заключенная между осью абсцисс и температурной кривой, полученной за период испытания, не должна отличаться более чем на ±5% от площади под температурной кривой, показанной на рис. 1.
Такие ограждения конструкции, как несущие и ненесущие стены, перегородки, перекрытия, двери, окна и т. п. при испытании подвергаются одностороннему воздействию огнем, а колонны и т. п.— воздействию огнем со всех сторон. Воздействием воды после нагрева испытываются только те конструкции, огнестойкость которых более 0,5 ч.
Механическая прочность и размеры подлежащих испытанию образцов конструкций должны соответствовать принятым в проекте. Образцы несущих конструкций испытываются только под воздействием принятой по проекту нагрузкой с такой же схемой размещения, как в проекте. Исключение составляют лестничные марши, которые испытываются под нагрузкой от собственного веса. Проекту должны соответствовать узлы сопряжений испытываемых конструкций, стыки, крепление, технология изготовления и др.

Для подвергнутых испытанию конструкций предел огнестойкости определяется как среднее арифметическое результатов испытаний не менее двух образцов с тем условием, что показатели самого высокого и самого низкого пределов огнестойкости двух испытанных образцов не будут отличаться более чем на 15%.

При температурном воздействии на строительные материалы их прочность зависит от сырья и технологии приготовления. Например, красный кирпич (обычный), изготовляемый из глины, обжигается и приобретает прочность при температуре 900° С. Технология изготовления красного кирпича придает ему положительные качества: он хорошо выдерживает высокие температуры и медленно прогревается; он разрушается только с поверхности, что почти не изменяет прочность. Такой кирпич до наступления критических температур (между 900 и 1100° С) способен сохранить свою прочность. Это наиболее совершенный несгораемый строительный материал.

Силикатный кирпич, пеносиликат и другие силикатные изделия по способности противостоять высоким температурам уступают красному кирпичу. Путем экспериментального испытания установлено, что критическая температура этих строительных материалов для несущих конструкций с коэффициентом запаса 2 составляет около 700, а для ненесущих конструкций — около 900° С. При этих температурах предел прочности снижается до 80% первоначального. При температуре 700° С силикатный кирпич дает большие трещины. Уже при температуре до 600° С в силикатном кирпиче диссоциируется гашеная известь и увеличивается в объеме кремнезем, что резко снижает прочность кирпича. Резкое снижение критических температур и прочности происходит и при воздействии на прогретые силикатные изделия водой.

1 На огнестойкость бетонов влияют, прежде всего, вид заполнителя и марка цемента. Экспериментально установлено, что бетон с гранитным заполнителем при температуре 200° С имеет максимальную прочность, которая возрастает в 1,5 раза по сравнению с прочностью при нормальных температурных условиях. При дальнейшем нагревании, особенно при температурах 400—500° С , прочность его резко падает, а при 600° С она составляет примерно 60% первоначальной. При 800° С наступает почти полное разрушение бетона, происходящее вследствие различных коэффициентов теплового расширения заполнителей из гранитных пород. Принято считать, что бетоны с гранитными заполнителями могут сохранять рабочие функции в конструкциях при температурах до 500° С. У бетонов с известковыми заполнителями такая прочность сохраняется при температурах до 700° С. Причем, при температуре до 400° С их прочность составляет 138% первоначальной при 3-часовом прогреве, а при 8-часовом — 117%. При дальнейшем прогреве прочность бетона уменьшается и составляет (проц.): при 500°С — 120, при 600° С — 92 и при 800° С — всего 34 первоначальной прочности. На огнестойкость железобетонных конструкций, кроме таких общих факторов, как марка стали в арматуре, толщина защитного слоя арматуры, процент армирования и др., в значительной степени влияют специфические особенности работы различных конструкций. Например, для колонн, арматура которых и бетон работают на сжатие, предел огнестойкости зависит от площади сечения, теплотехнических показателей материала колонны, коэффициента изменения прочности бетона при действии высоких температур и соответствующей ему критической температуры. Чтобы повысить предел огнестойкости таких колонн, необходимо увеличивать площадь сечения, толщину защитного слоя, применять облицовки с низким коэффициентом теплопроводности, а также снижать нагрузки на колонны.

Предел огнестойкости свободно опертых балок и плит зависит от критической температуры стали арматуры, теплотехнических показателей бетона и толщины защитного слоя арматуры. У панелей, свободно опертых по контуру, предел огнестойкости значительно выше, чем у таких же конструкций, опертых только по двум концам, и зависит от соотношения пролетов опертых по контуру плит. Наибольший предел огнестойкости в этом случае имеют плиты квадратной формы.
Предел огнестойкости жестко заделанных железобетонных изгибаемых конструкций зависит главным образом от площади рабочего сечения, подбора бетона с высокими критическими температурами и низким коэффициентом температуропроводности, ширины и высоты ребер балок и других конструкций.

Стальные конструкции под воздействием высоких температур при достижении критической температуры (предел текучести стали снижается до величины рабочих напряжений) деформируются и теряют рабочие качества. Незащищенные металлические конструкции при температуре 600° С становятся практически неработоспособными. Критическая температура статически неопределимых каркасных металлических конструкций сравнительно низкая и не превышает 350° С. В результате этого предед, огнестойкости незащищенных стальных конструкций очень низкий —0,25—0,5 ч.

Деревянные конструкции по способности противостоять действию высоких температур характеризуются скоростью прогорания толщины древесины (в среднем 0,6—1 мм/мин). Скорость прогорания древесины увеличивается при наличии в ней трещин и щелей. По мере образования на поверхности древесины слоя из угля скорость ее прогорания уменьшается. Температура воспламенения древесины 270—300° С, а при наличии условий для аккумуляции тепла она снижается до 130°С.

Кроме огнестойкости строительных материалов и конструкций, определяющей капитальность зданий, большое значение имеет способность возгораться. Под возгораемостью понимают способность строительных материалов и конструкций сопротивляться воспламенению при действии на них тепловых источников.