В условиях пожара

Поведение изгибаемых конструкций

Железобетона в условиях пожара

Причины разрушения (снижения прочности)

Длительное воздействие пожара на железобетон приводит в итоге к его разрушению. Основные причины разрушения железобетона следующие:

1. Нарушение сцепления между бетоном и арматурой.

2. Снижение прочности арматурной стали.

3. Снижение прочности бетона.

Поведение основных компонентов железобетона (бетона и стальной арматуры) ранее рассматривались в темах №№ 3, 4.

Относительно первой причины разрушения железобетона в условиях пожара следует иметь в виду, что гладкая арматура класса А-I легко утрачивает прочность сцепления с бетоном (при температуре 250 ⁰C прочность сцепления снижается вдвое). Это объясняется различием коэффициентов температурного линейного расширения стали и бетона. Свой вклад вносит в это и гладкая поверхность арматуры. Чтобы конструкция обладала достаточным пределом огнестойкости, необходимо в процессе её изготовления предусматривать установку специальных закладных деталей, увеличивающих прочность сцепления арматуры с бетоном.

Арматура периодического профиля лучше работает при нагреве в сочетании с бетоном. Утрата прочности её сцепления с бетоном происходит при температуре t > 600 ⁰C. До 600 ⁰C прочность сцепления превышает первоначальную, т. к. у рифленой арматуры имеются выступы; удаление влаги из бетона вызывает его усадку, а арматура при этом расширяется. В этом случае можно обойтись и без закладных деталей.

При пожаре и натурных испытаниях изгибаемые конструкции, в частности плиты, обогреваются снизу. Полки ребристых плит (где расположена рабочая арматура), претерпевают двусторонний обогрев (снизу и сбоку), что приводит к более интенсивному прогреву рабочей арматуры. Балки (ригели) могут обогреваться как с одной стороны, так и с трех сторон.

Предел огнестойкости плит перекрытия может наступить по каждому из 3-х предельных состояний конструкций по огнестойкости, балок - лишь по первому предельному состоянию - в результате прогрева рабочей арматуры до критической температуры, что приводит к деформации конструкции (прогибу выше допустимой величины – (1\15L длины пролёта), либо образованию «пластического шарнира» (излома конструкции в середине пролёта, либо у опоры – для неразрезных плит). Это происходит в результате снижения предела текучести (временного сопротивления) растянутой арматуры (температурная ползучесть – нарастание деформации при нагреве при постоянной величине нагрузки), что вызывает интенсивное раскрытие трещин в бетоне и ускорение прогрева арматуры.

Особенностью тонкостенных плит является их разрушение при пожаре возле опор. В этих местах при нагреве появляются наклонные трещины в результате действия поперечной силы. В итоге может произойти срез (скалывание) плиты по наклонному сечению (по аналогии с деревянной балкой – тема № 16).То же самое можно отнести к многопустотным панелям, ребристым плитам, статически неопределимым (неразрезным) многопролетным балкам. Статически неопределимые балки в условиях пожара сохраняют дольше свою несущую способность, чем статически определимые. Это связано с частичной передачей усилий, воспринимаемых арматурой в пролёте, растянутой арматуре над опорой (перераспределением величины моментов - уменьшением пролётного и увеличением опорного), в результате большого температурного расширения нижних слоев сечения конструкции при нагреве.

Статически неопределимые балки, защемлённые по концам, ведут себя следующим образом (рис. 3.2): в начале нагрева (в первые 5-15 мин стандартного испытания конструкции на огнестойкость) происходит перераспределение изгибающих моментов - снижение изгибающего момента в пролёте и увеличение на опоре в результате температурного расширения нижней части балки и создания дополнительных распорных усилий на стены.

Рис. 3.2. Изменение усилий, воспринимаемых балкой от внешний нагрузки (изгибающих моментов), в статически неопределимой (защемленной на опорах) железобетонной балке во время пожара. а - схема защемления балки и нагружения; б) эпюры моментов: 1 - от внешней нагрузки; 2 - от внешней нагрузки через 5 - 15 мин пожара; 3 – то же - через 20 - 30 мин пожара.

При дальнейшем нагреве (через 20-30 мин) идет обратный процесс увеличения момента в пролете, уменьшения на опоре, т. к. балка прогревается, прочность арматуры снижется. Это продолжается до образования пластического шарнира в пролёте.

Наступление предела огнестойкости происходит в результате разрушения балки у опоры под воздействием поперечной силы.

Предварительное напряжение арматуры увеличивает предел огнестойкости плит на случай разрушения по бетону сжатой зоны. В растянутой зоне предварительное напряжение отрицательно влияет на огнестойкость конструкции, т. к. при нагреве арматуры утрачивается предварительное напряжение. Но конструкции с предварительным напряжением более прочные, они нагружены и большой нагрузкой (чем конструкции с предварительно не напряженной арматурой), что способствует более быстрому наступлению предела огнестойкости конструкции, и предварительное напряжение арматуры не восстанавливается.

Предел огнестойкости плит покрытия следует определять согласно ГОСТ 30247.1-94 лишь по 1-му и 2-му предельным состояниям по огнестойкости.

Таким образом, на поведение изгибаемых железобетонных конструкций в условиях пожара влияют 2 группы основных факторов - внешних и внутренних.

Внешние факторы (рис. 3.1):

1. Схема обогрева (количество обогреваемых сторон конструкции). Чем их больше, тем ниже предел огнестойкости конструкции по 1-му предельному состоянию конструкции по огнестойкости, т. к. арматура будет прогреваться не с одного направления.

2. Скорость и время нарастания температуры. Чем интенсивнее растет температура и чем длительнее находится конструкция в зоне теплового воздействия, тем ниже предел ее огнестойкости.

3. Величина внешней нагрузки. Чем она выше, тем ниже предел огнестойкости конструкции.

4. Характер опирания и закрепления конструкции. Статически неопределимые балки, плиты (имеющие более 2-х опор, либо замоноличенные концами в стены) имеют больший предел огнестойкости, чем статически определимые.

Внутренние факторы:

1. Толщина защитного слоя бетона, его теплофизические свойства, начальное влагосодержание. Чем больше толщина защитного слоя и меньше влагосодержание, тем он дольше будет прогреваться. Однако бесконечно увеличивать толщину защитного слоя из бетона не имеет смысла, т. к. рабочая арматура перемещается вверх, т. е. к нейтральной оси, где напряжение от внешней нагрузки ровно - 0, т. е. отпадает необходимость в арматуре. Так же увеличивается количество бетона в растянутой зоне. Необходима эффективная толщина защитного слоя, определяемая расчётным путём.

2. Размеры поперечного сечения конструкции.

4. Величина критической температуры рабочей арматуры. Чем выше критическая температура арматуры, тем выше предел огнестойкости конструкции.

5. Характер армирования (обычное, либо предварительно напряженное армирование).

6. Наличие пустот в плитах снижает предел огнестойкости в среднем на 10%.