1 Анализ предметной области
Пожар во всех странах мира является одной из причин весьма ощу-тимых в национальных масштабах жертв и материальных потерь.
Размеры социального и экономического ущерба от пожаров явля-ются столь значительными, что вопросы борьбы с пожарами приобретают характер одной из важнейших национальных и международных проблем.
Важной составляющей системы противопожарной защиты зданий и сооружений является обеспечение необходимой огнестойкости строитель-ных конструкций зданий, сооружений в целом.
В области оценки огнестойкости строительных конструкций во всем мире выполнен и выполняется большой объем экспериментальных и тео-ретических исследований, результаты которых оказывают существенное влияние на обеспечение пожарной безопасности зданий и сооружений. В то же время, быстрое развитие строительства, постоянное ужесточение требований, которым должны удовлетворять создаваемые материалы и конструкции, приводят к возникновению все новых задач по обеспечению огнестойкости строительных конструкций, а также к необходимости реше-ния известных задач на новом уровне, соответствующем требованиям техники строительства.
Во время эксплуатации здания происходит постепенная утрата конс-трукциями своих эксплуатационных качеств, в том числе определенной доли ресурса их долговечности.
Это приводит к необходимости проведения специальных оценок ог-нестойкости эксплуатируемых и реконструируемых зданий, особенно ответственных в случае надстройки дополнительных этажей.
В связи с необходимостью массовой реконструкцией зданий и соо-ружений городов и населенных пунктов проблема совершенствования и развития методов оценки огнестойкости эксплуатируемых и реконструи-руемых зданий, с целью сокращения материальных потерь и числа жертв от пожара, имеет большое социальное, экономическое и научно-методическое значение.
1.1 Принципы оценки огнестойкости конструкций и зданий
Различные строительные материалы и конструкции по-разному ве-дут себя в условиях воздействия пожара.
В связи с этим, при разработке мер противопожарной защиты зда-ний и сооружений, возникла необходимость в специальном показателе, с помощью которого можно было бы сравнивать способность строительных конструкций сопротивляться воздействию пожара.
Огнестойкость является международной пожарно-технической хара-ктеристикой, регламентируемой строительными нормами и правилами, и характеризует способность конструкций и зданий сопротивляться воз-действию пожара.
Температурные режимы пожаров могут весьма существенно отли-чаться друг от друга.
В связи с этим при оценке огнестойкости конструкций возникает проблема выбора некоторого, так называемого «стандартного» темпера-турного режима пожара, использование которого при огневых испыта-ниях позволило бы сравнивать сопротивление различных конструкций во-здействию пожара.
Такая единая стандартная температурная кривая была в 1961 году рекомендована Международной организацией по стандартизации (ISO) для всех испытаний на огнестойкость (см. кривую 1 рисунок 1).
Уравнение стандартного режима (ISO - 834) огневых испытаний на огнестойкость можно записать следующим образом:
(1.1)
где: - время, мин;
- стандартная температура среды в огневой камере, °С;
Тo - начальная температура, °С.
Выражение (1.1) отражает непрерывно возрастающий характер изменения температуры среды от времени при огневых испытаниях. В ка-кой-то мере это кривая отражает изменение температуры помещения при количестве горючей нагрузки эквивалентной 50кг древесины /м2.
Показатель огнестойкости конструкций, определяемый промежутком времени от начала огневого испытания при стандартном температурном режиме до наступления одного или последовательно нескольких нормиру-емых для данной конструкции признаков предельных состояний, получил название «предела огнестойкости конструкции» tfr, мин.
Признаками нормируемых при оценках огнестойкости предельных состояний являются:
1 потеря несущей способности - обрушение конструкции или недопу-стимый прогиб (обозначение - «R»);
2 потеря целостности - образование в конструкциях или стыках сквозных трещин или сквозных отверстий (обозначение в нормах - «Е»);
3 потеря теплоизолирующей способности - повышение температуры на необогреваемой поверхности конструкции в среднем больше чем на 160 °С или в любой точке этой поверхности более чем на 190 °С по сравнению с температурой конструкции до нагрева или более чем на 220 °С незави-симо от температуры конструкции до нагрева («I»).
Значения фактических пределов огнестойкости конструкций определяются в настоящее время двумя основными способами: экспе-риментальным и расчетным.
Рисунок 1.- Температурные режимы пожаров в помещениях зданий и соо-ружений различного назначения:
1 - режим «стандартного» пожара; 2 - режим пожара в туннелях; 3 - режим пожара для объектов нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности; 4 - режим пожара в подвальном помещений; 5 - режим пожара в опытном помещений с различной площадью проемов (5а - 2м, 56 - 1,5м, 5в - 1,0м ) при пожарной нагрузке ( древесина) 58кг/м
Экспериментальные методы и средства оценки огнестойкости вклю-чают в себя: натурные наблюдения пожаров, огневые испытания фрагмен-тов зданий, огневые стандартные и нестандартные испытания элементов конструкций.
В настоящее время во всех развитых странах имеются специальные
институты, лаборатории, полигоны, где проводится широкий круг иссле-дований огнестойкости.
Многочисленные испытания строительных конструкций на огнестой-кость позволили выявить основные причины и характер разрушения при действии огня железобетонных, стальных, деревянных и других конструк-ций, особенности их прогрева в этих условиях. Обобщение результатов огневых испытаний дало возможность создать каталог справочных дан-ных, с помощью которого можно определять значения фактических преде-лов огнестойкости основных строительных конструкций.
Однако организация и проведение натурных испытаний конструкций на огнестойкость требуют значительных материальных затрат и времени.
В ряде случаев это не позволяет достаточно быстро находить прием-лемые решения в области огнестойкости конструкций на стадии проекти-рования зданий и сооружений, затрудняет качественную оценку влияния различных факторов на поведение конструкций в условиях пожара.
Указанные обстоятельства привели к необходимости, наряду с на-турными испытаниями, разрабатывать более оперативные и экономичные методы оценки огнестойкости. Особенно большое внимание в последние годы уделяется разработке методов и средств расчетной оценки огнестой-кости строительных конструкций.
Расчетная оценка огнестойкости конструкций, согласно этим принци-пам, производится по двум показателям:
1. по потере теплоизолирующей способности, т.е. прогреву необог-реваемой поверхности конструкции до недопустимой температуры;
2. по потере несущей способности конструкций.
Сущность расчета конструкций на огнестойкость заключается в определении момента времени, по истечению которого строительные конс-трукции утрачивают свою несущую или ограждающую способность в условиях пожара.
Расчетная оценка огнестойкости конструкций в общем случае заклю-чается в решении трех задач:
Задача № 1. Определение температурного режима пожара в помеще-нии (теплофизическая задача);
Задача № 2. Определение температурного поля в строительных конструкциях при пожаре в помещении (теплофизическая задача);
Задача № 3. Определение изменения несущей способности конструк-ций под действием пожара (прочностная задача).
При расчетной оценке значений «предела огнестойкости» конструк-ций, которая производится с учетом режима «стандартного» пожара, на-добность в решении задачи №1. отпадает, т.к. температурный режим «ста-ндартного» пожара уже задан выражением (1.1), которое используется в качестве исходной информации при решении задач №2 и №3.
Общая схема расчета конструкций на огнестойкость приведена на рис. 2.
Если расчетная оценка огнестойкости конструкции производится по двум указанным выше показателям, то в качестве искомого принимается наименьшее из двух полученных значений огнестойкости.
Расчет огнестойкости конструкций по признаку утраты теплоизоли-рующей способности заключается в решении двух теплофизических задач (в общем случае): определения режима пожара в помещении и затем опре-деления изменения температуры необогреваемой поверхности конструк-ции Т (х = L) во времени воздействия пожара т.
Огнестойкость конструкции в этом случае определяется из условия (см. рисунок. 2):
(1.2)
Расчет огнестойкости конструкций по признаку утраты несущей спо-ро
бности требует предварительного решения теплофизических задач ог-нестойкости №1 и №2 (в общем случае). В результате решения теплофизи-ческих задач определяют изменение температуры Т (х=?,t) сечений, объе-мов, элементов конструкций во времени воздействия пожара.
Рисунок 2.- Общая схема расчета конструкций на огнестойкость:
а) оценка изменения температур в различных сечениях конструкции в зависимости от времени воздействия пожара; б) оценка изменения несущей способности констру-кции в зависимости от времени воздействия пожара; в) расчетная схема конструкции при оценке огнестойкости.
Эти результаты служат исходными данными для последующего ре-шения прочностной задачи огнестойкости - определения изменения несу-щей способности конструкции Ф(?) в различные моменты времени воз-действия пожара. Огнестойкость конструкции по признаку потери несущей способности определения как время воздействия пожара т, по истечении которого несущая способность Ф[T(?)] конструкции снизится до величины действующих на нее рабочих нагрузок NH (МH).
Огнестойкость конструкции в этом случае определяется из условия (см. рис. 2):
Ф[T(?)] = NH(MH), ТО (1.3)
где: NH, МH - соответственно продольная сила или изгибающий момент от нормативной рабочей нагрузки.
Несущая способность элементов строительных конструкций опреде-ляется из уравнения предельного равновесия в зависимости от схемы ра-зрушения с учетом изменения прочностных и деформативных характерис-тик материалов конструкций при воздействии пожара.
Данные об изменении прочностных и деформативных характеристик материалов конструкций в условиях пожара имеют определяющее, исклю-чительно важное значение для практической реализации принципов расче-та конструкций на огнестойкость.
Практика показывает, что сама возможность расчета конструкций на огнестойкость оказывается неразрывно связанной с проблемой объектив-ной оценки изменения этих характеристик материалов в условиях различ-ных высокотемпературных воздействий.
В связи с этим существующие подходы к расчетной оценке огнестой-кости конструкций, в основном, различаются по различной интерпретации данных о характеристиках материалов конструкций и их изменений в условиях пожара. В расчетах используются в основном два подхода, от-личающиеся «статической» или «кинетической» трактовкой прочности или разрушения нагруженного тела, подвергаемого высокотемпературному воздействию пожара.
Огнестойкость зданий характеризует способность зданий в целом со-противляться воздействию пожара.
В качестве характеристики огнестойкости здания в отличие от «пре-дела огнестойкости» конструкций, используется понятие «степень ог-нестойкости» здания.
В соответствии с новыми Строительными нормами и правилами Российской Федерации, все здания и пожарные отсеки подразделяются на пять степеней огнестойкости: I, II, III, IV, V.
Степень огнестойкости здания определяется огнестойкостью его основных строительных конструкций в соответствии с приведенной таблицей 1.
Таблица 1 - Степень огнестойкости здания.
Степень ог-не-стойкости здания Предел огнестойкости строительных конструкций, не менее
Несу-щие эле-менты здания Наруж-ные не-несущие стены Перек-рытия ме-ждуэта-жные (в том чи-сле чер-дачные и над подва-лами) Элементы бесчердач-ных покрытий Лестничные клетки
Настилы (в т.ч. с
утеплителем) Фермы, балки, прогоны Внутренние стены Марши и
площадки лест-ниц
I R120 Е30 REI60 RE30 R30 REI120 R60
II R90 Е15 REI45 RE15 R15 REI90 R60
III R45 Е15 REI45 RE15 R15 REI60 R45
IV R15 Е15 REI15 RE15 R15 REI45 R15
V Не нормируется
Методика проектирования зданий с учетом их огнестойкости, как элемента системы противопожарной защиты, состоит в следующем:
1 устанавливают требуемую «степень огнестойкости» здания ( ) в зависимости от назначения, площади, этажности здания, категории его взрывопожарной опасности и других факторов. Решение этого вопроса производится с помощью соответствующих норм: СНиП «Жилые здания», «Общественные здания», «Производственные здания» и др;
2 определяют требуемые «пределы огнестойкости» основных строи-тельных конструкций здания в зависимости от полученной в п.1. тре-буемой степени огнестойкости здания;
3 проектируют основные конструкции рассматриваемого здания с учетом обеспечения необходимой несущей, ограждающей способности в нормальных условиях эксплуатации;
4 определяют значения «фактических пределов огнестойкости» конс-трукций здания. Решение этого вопроса производится исходя из характе-ристик конструктивных элементов здания, полученных при решении п.3, на основе «Пособия по определению пределов огнестойкости конструк-ции» или с помощью расчета;
5 проверяют условие достаточности запроектированной противопо-жарной защиты здания по показателю его огнестойкости:
(1.4)
1.2 Основные факторы, влияющие на пределы огнестойкости же-лезобетонных и каменных конструкций
В данном разделе будут рассмотрены факторы, влияющие на пре-делы огнестойкости железобетонных и каменных конструкции в силу того, что именно эти конструкции, имеющие наибольшие значения долговечнос-ти,продолжают выполнять своё функциональное назначение и после ремо-нтов, реконструкции, перепрофилирования здания или сооружения.
Отмечается, что современные железобетонные конструкции ввиду большого разнообразия применяемых материалов и конструктивных ре-шений
по-разному сопротивляются воздействию пожара.
Предел огнестойкости конструкций уменьшается с увеличением на-грузки. Наиболее напряженное сечение конструкции, как правило, опреде-ляет величину её предела огнестойкости. Предел огнестойкости по несущей способности конструкции тем выше, чем меньше отношение обогреваемого параметра сечения ее элементов к площади.
Предел огнестойкости несущей способности статически неопреде-лимых конструкций, как правило, выше предела огнестойкости аналогич-ных статически определимых конструкции за счет перераспределения уси-лий на менее нагруженные и прогретые элементы.
Потеря несущей способности железобетонных конструкции в общем случае зависит от свойств бетона, арматуры и вида конструкции.
Была произведена оценка влияния различных факторов на огнестой-кость изгибаемых железобетонных конструкций. Результаты этой оценки были представлены в виде диаграммы (рис.3.).
Рассмотрение полученной диаграммы показывает, что:
1 в настоящее время, следует учитывать влияние на огнестойкость конструкций таких параметров, чье влияние соответствует изменению коэффициента огнестойкости не менее чем 0,95;
2 наибольшее влияние на огнестойкость изгибаемых элементов оказывает механическая нагрузка (рис.3.);
3 полученные результаты (рис.3.) свидетельствуют о том, что усло-вия нагрева могут влиять на огнестойкость плит в пределах, значительно превышающих минимальные изменения огнестойкости равные 0,95, ко-торые должны учитываться при инженерных оценках огнестойкости, таким образом, наряду с механической нагрузкой являются самым опасным фак-тором, влияние которого следует специально учитывать при оценке ог-нестойкости конструкций. Отмечается, что несущие стены теряют свою ог-нестойкость после снижения прочности материала в период нагревания. Ненесущие стены утрачивают свою огнестойкость после потери теплоизо-лирующей способности.
Рисунок 3. Влияние различных факторов на огнестойкость железобе-тонных плит:
1, 1а, 1б ,1в - влияние механической нагрузки (1 -Gser/Vscr= 1,0, la-0,75, 16-0,5 ,1в - 0,3); 2 - влияние наличия пустот поперек пролета или ре-бер «вверх»; 3, За, 36, Зв -влияние класса арматуры (3 - сталь кл. A-I и др.; За- А - III, 3б - А - IV и др.; Зв - В - II, Вр - ПП , К - 7); 4, 4а, 4б, 4в - влия-ние наличие ребер «вниз» или коробчатого сечения с классами арматуры соответственно 3, 3а, 3б, 3в; 5, 5а, 5б, 5в - влияние статической схемы ра-боты элемента
Сплошные глиняные кирпичи обеспечивают лучшую огнестойкость, чем дырчатые, поскольку наличие воздушные пустот ухудшает теплоизо-ляционные свойства кирпича при высоких температурах. Наличие тонких стенок у пустотелых кирпичей может вызвать внезапное разрушение не-обогреваемых поверхностей стены за счет концентрации температурных напряжений.
Стальной каркас стены, несущий нагрузку, плохо сопротивляется во-здействию высоких температур и должен быть надежно защищен в преде-лах стены или перегородки.
Для облегченных навесных стен их огнестойкость зависит не только от особенностей конструктивного решения, но и от прочности (устойчиво-сти) тех элементов каркаса здания, к которым они прикреплены. Исследо-вания показали, что при расположении незащищенных стальных колонн снаружи здания опасность их повреждения в случае возникновения по-жара в помещении заметно уменьшается.
1.3 Изменение в процессе эксплуатации факторов, определяющих огнестойкость конструкции
В процессе изготовления, возведения, эксплуатации конструкций в них формируются разного рода повреждения и дефекты, приводящие к отклонениям от исходного (проектного) состояния.
Как показывают обследования повреждения железобетонных и ка-менных конструкций зависят от большого числа факторов: окружающей среды (влажности, температуры, агрессивных газов, жидких агрессивных сред), свойств бетона и арматуры, конструктивных решений (вида, количе-ства, расположения арматуры, вида и уровня напряженного состояния, в бетоне и арматуре, а также в составляющих каменной кладки).
Важную роль при образовании повреждений конструкций в услови-ях эксплуатации играет силовой фактор. Силовые воздействия на констру-кции являются следствием внешних природных и искусственных нагрузок, приводящих к воздействию на конструкции продольных, сжимающих и растягивающих сил, изгибающих и крутящих моментов или их комбина-ций.
Это приводит к возникновению в сечениях конструкций различных напряженных состояний сжатия, растяжения, внецентренного сжатия и ра-стяжения, изгиба, сдвига, кручения или их сочетания.
К наиболее характерным дефектам железобетонных конструкций от-носятся:
? сколы бетона, как следствие механических воздействий (см. рис. 4);
? отслоение защитного слоя из-за коррозии арматуры (см. рис.4);
? повреждение арматуры и закладных деталей из-за механических воз-действий и коррозии арматуры (см. рис. 5);
? выпучивание арматуры, продольные трещины в сжатой зоне конструк-ции из-за перегрузки конструкции.
Основные виды дефектов и повреждений каменных конструкций включают в себя:
? деформации стен (искривление горизонтальных и вертикальных швов, выпучивание, отклонение от вертикали) в результате неравномерной усадки оснований, бокового давления грунтов, одностороннего оттаи-вания кладки, температурных, силовых воздействий и т.п.) (см. рис.7);
? отколы, раковины, выбоины и другие нарушения, сплошности при на-рушении технологии строительства; механических воздействий в про-цессе эксплуатации (см. Рисунок 6);
? увлажнение стен в местах повреждения наружного слоя и скапливания влаги от атмосферных осадков, конденсация влаги;
? - повреждения кровли в зоне карниза, нарушения гидроизоляции, водо-сточных желобов; в зонах размещения санитарно-технического обору-дования, трубопроводов, емкостей с жидкостью.
Разрушение основного материала стен в виде трещин в кладке (вер-тикальных, горизонтальных, параболических, V-образных) из-за просадки грунта, перегрузки, пониженной прочности материала, недостаточного армирования, усилий в примыкающих конструкциях, температурно-влажностных деформаций, воздействия химически активных эксплуата-ционных сред и т.д. (см. рис. 6).
Рисунок 4. Характер силовых повреждений сжатого железобетонно-го элемента с малым или случайным эксцентриситетом при потере устой-чивости продольной арматуры:
а - при отсутствии или большом шаге поперечных стержней; б - при частом расположении поперечных стержней; в - в стадии разрушения.
Программа обследований эксплуатируемых конструкций обычно включает в себя ознакомление с проектно - технической документацией, условиями эксплуатации, обследования конструкций, подлежащих ремон-ту или реконструкции.
Обследования железобетонных и каменных конструкций подразде-ляются на предварительные (общие) и детальные.
Рисунок 5. Виды коррозии арматуры железобетонных конструкций:
а - местная точечная (питтинговая); б- местная язвенная; в - местная пятнами; г - сплошная равномерная; д - сплошная неравномерная.
Рисунок 6. Характер силовых повреждений сжатого кирпичного столба
Рисунок 7. Виды расположения трещин в кладке стен здания и при-чины их возникновения:
а - наличие слабого грунта под средней частью здания; б - то же, у торца здания; в - наличие твердого включения в грунте под средней частью здания; г - просадка части здания; д - разные давления по обе сто-роны от линии пристройки.
Обычно техническое состояние эксплуатируемых конструкций по ре-зультатам обследований относят (или сравнивают) с теми или иными кате-гориями состояния конструкций.
Основные категории состояния железобетонных конструкций приве-де
ны в табице 2
Таблица 2 - Категории состояния железобетонных конструкций и их де-тальные признаки
Категории состояния конструкций Детальные признаки
1 2
I. Исправное выполняются требова-ния норм и проектной документации.
Необходимости в ремонтно-восстановительных работах на мо-мент обследования нет На поверхности бетона незащищенных конструкций видимых дефектов и повреждений нет или имеются отдельные раковины, выбоины, волосяные трещины. Антикоррозионная защита заклад-ных деталей не нарушена, поверхность арматуры при вскрытии чистая. Глубина нейтрализации бетона не превышает половины толщины защитного слоя. Ориентировочная прочность бетона не ниже проектной. Антикоррозионная защита конструкций не имеет нарушений.
II. Работоспособное - с учетом фак-тических свойств материалов удов-летворяются требования действую-щих норм, относящихся к пре-дельным состояниям I группы; требо-вания норм II группы могут быть нарушены, но обеспечиваются нор-мальные условия эксплуатации. За-щитные свойства бетона по отноше-нию к арматуре на отдельных участ-ках исчерпаны; требуется их восстановление, устройство или восстановление антикоррозионной защиты Антикоррозионная защита железобетонных элементов имеет час-тичные повреждения, на отдельных участках мокрые или мас-ляные пятна, высолы. На отдельных участках в местах с малой величиной защитного слоя проступают следы коррозии распреде-лительной арматуры или хомутов, коррозия рабочей арматуры отдельными точками и пятнами, язв и пластинок ржавчины нет.
Антикоррозионная защита закладных деталей не нарушена. Глу-бина нейтрализации бетона не превышает толщины защитного слоя. Изменен цвет бетона вследствие пересушивания, местами отслоение бетона при простукивании. Шелушение граней и ребер конструкций, подвергшихся замораживанию. Ориентировочная прочность бетона ниже проектной не более чем на 10%.
III. Ограниченно работоспособное - нарушены требования действующих норм, но отсутствует опасность обрушения и угроза безопасности работающих. Пластиничная ржавчина или язвы на стержнях оголенной рабочей арматуры в зоне продольных трещин или на закладных деталях, вызывающие уменьшение площади сечения стержней до 15 % трещины в растянутой зоне бетона, превышающие их допустимое раскрытие. Бетон в растянутой зоне на глубине защитного слоя между стержнями арматуры легко крошится. Снижение ориенти-ровочной прочности бетона в сжатой зоне изгибаемых элементов до 30% и в остальных случаях до 20%. Провисание отдельных стержней распределительной арматуры, выпучивание хомутов, разрыв отдельных из них, за исключением хомутов сжатых элеме-нтов ферм, вследствие коррозии стали (при отсутствии в этой зоне трещин). Уменьшенная против требований норм и проекта пло-щадь опирания сборных элементов при коэффициенте запаса Ks >1,6
IV. Недопустимое существуют повреждения, свидетельствующие об опасности пребывания людей в районе обследуемых конструкций. Требуются немедленные страховоч-ные мероприятия: ограничение на-грузок (недопущение складирования материалов, деталей и т.п., ограниче-ние грузоподъемности кранов и их сближения); устройство предохрани-тельных сеток и т.п
