Огнестойкость металла и железобетона

Для количественной оценки устойчивости эксплуатируемых зданий и сооружений к воздействию открытого огня вводится понятие предела их огнестойкости. Оно определяется как время, за которое строительная конструкция теряет свои несущие, теплоизолирующие и прочностные свойства.

Стальной прокат, из которого изготавливаются металлоконструкции, не относится к категории легко сгораемых материалов, но, тем не менее, при термическом нагреве он теряет свои свойства. Указанные изменения приводят к деформации элементов строений, а также к снижению прочностных показателей и разрушению металлического сооружения.

Критические для металла температуры

Под потерей огнестойкости понимается критическое состояние объекта, предшествующее его полному разрушению. По параметру возгораемости все входящие в состав строительных конструкций материалы условно делятся на несгораемые, трудносгораемые и легкосгораемые.

Отличительной особенностью металлоконструкций является быстрая потеря ими своих противопожарных свойств в условиях сильного разогрева, характерного для классической пожарной ситуации.

В связи с этим предел огнестойкости металлических конструкций редко превышает значение 10-20 минут, а конкретная его величина зависит от целого ряда факторов.

В первую очередь она определяется интенсивностью разогрева материала, из которого сделано сооружение. В случае разового или кратковременного воздействия открытого огня, сопровождающегося скачкообразным изменением температуры, металл нагревается не так быстро (в сравнении с окружающим пространством).

При постоянном и медленном нарастании энергии нагрева в очаге пожара металл сопротивляется ему только в течение короткого времени.

По истечении этого временного промежутка его температура выравнивается с окружением. Далее, на рассматриваемый показатель существенное влияние оказывают характеристические размеры отдельных элементов конструкций, а именно приведённая толщина металлов, предел огнестойкости которых подлежит оценке и размеры площади нагрева.

С увеличением характеристических размеров металлоконструкций и уменьшением площади их непосредственного контакта с огнём, скорость повышения температуры снижается.

Ещё одним фактором, определяющим поведение изготавливаемых из металла сооружений и позволяющим поднять порог их огнестойкости, является наличие специальных защитных средств.

Из сказанного следует, что температура нагрева металлических конструкций при пожаре может принимать произвольные значения. А для оценки состояния сооружения необходим какой-то фиксированный параметр, определяющий снижение прочностных свойств металла с его накаливанием.

Для этого и вводится специальный температурный показатель (коэффициент), по достижении которого граница прочности металла в нагретом состоянии уменьшается до предельно низкой величины. Приведшее же к этой ситуации значение температуры называется критическим.

Причины разрушения (снижения прочности)

Основная причина снижения прочности металлоконструкций при пожаре – длительное воздействие критических температур. В результате этого разрушаются нормальные связи между элементами всей конструкции с одновременным ослаблением межмолекулярных металлических связей (вследствие плавления).

Среди факторов, способствующих разрушению стальных конструкций, особо выделяются:

• высокая теплопроводность, объясняемая образованием во время пожара так называемого «электронного газа»;
• обезуглероживание поверхностного слоя металлических заготовок, способствующее возникновению в нём нагрузок растягивающего типа;
• большой перепад температур по сечениям каркасных оснований и перекрытий из металла, приводящий к появлению критических напряжений.

При подготовке решений по защите конструкций от термических воздействий во время пожара все эти факторы должны учитываться в единой связке.

Нормативные требования

Степени и предельные значения показателей огнестойкости металлических сооружений регламентируются действующими нормативными актами (Федеральным законом, в частности).

На основании этого документа все известные виды металлоконструкций по предельным состояниям входящих в их состав элементов и способности противостоять распространению пожара классифицируются по следующим признакам:

1. «R» – потеря балками, фермами, рамами или колоннами их начальной несущей способности.
2. «E» – нарушение целостности металлической конструкций (чаще всего используется для оценки состояния наружных стен).
3. «I» – снижение теплоизолирующих свойств до предельных значений.

Для ряда специфичных элементов вводятся смешанные признаки ухудшения состояния (REI120 или RE30, например). Добавим также, что все эти величины измеряются в часах или минутах.

Более подробно ознакомиться с величинами этих показателей для различных конструктивных элементов можно в таблицах.

Таблица 1. Степени огнестойкости зданий, строений и пожарных отсеков

Степень огнес-тойкости зданий, сооружений, строений и пожарных отсеков	Несущие стены, колонны и другие несущие элементы	Наружные ненесущие стены	Перекрытия междуэтажные (в том числе чердачные и над подвалами)	Строительные конструкции бесчердачных покрытий		Строительные конструкции лестничных клеток
				настилы (в том числе с утеплителем)	фермы, балки, прогоны	внутренние стены	марши и площадки лестниц
I	R 120	Е 30	REI 60	RE 30	R 30	REI 120	R 60
II	R 90	Е 15	REI 45	RE 15	R 15	REI 90	R 60
III	R 45	Е 15	REI 45	RE 15	R 15	REI 60	R 45
IV	R 15	Е 15	REI 15	RE 15	R 15	REI 45	R 15
V	не нормируется	не нормируется	не нормируется	не нормируется	не нормируется	не нормируется	не нормируется

Таблица 2. Значение критической температуры различных металлических конструкций

Материал конструкции	Tcr, град.С
Сталь углеродистая Ст3, Ст5	470
Низколегированная сталь марки: 25Г2С 30ХГ2С	550 500
Алюминевые сплавы марки: АМг-6, АВ-Т1Д1Т, Д16ТВ92Т	225 250 165

Все эти характеристики для большинства незащищённых металлических элементов имеют сравнительно малое значение, укладывающееся в диапазон R10-R15 (R6-R8 – для алюминия).

Причины этого – в структурных особенностях стальных деталей, связанных с их теплопроводностью и характером распределения температур по продольным сечениям.

В качестве исключения могут рассматриваться массивные колоны со сплошным сечением, предел огнестойкости которых нередко достигает значения R45.

Превышение заданного в ней показателя (одного или сразу нескольких) однозначно свидетельствует о том, что металлоконструкцией или её элементом достигнут расчётный предел по огнестойкости.

Железобетонные конструкции

К основным показателям, оказывающим существенное влияние на характеристики огнестойкости железобетонных конструкций, следует отнести марку бетона, а также тип входящего в его состав вяжущего и наполнителя.

Помимо этого предел огнестойкости зависит от состава и класса используемой арматуры, геометрических особенностей конструкции (включая конфигурацию и размеры опорных элементов).

Следует добавить такие важные для этого материала факторы, как условия, при которых осуществляется нагрев, а также показатель нагрузки на отдельные элементы и влажность бетонных структур.

В условиях распространения открытого огня в бетонных структурах определяющее влияние на показатель их огнестойкости оказывают снижение прочностных характеристик бетона по мере его нагрева, тепловое расширение входящей в конструкции арматуры.

Прочность теряется за счет появления в арматуре сквозных отверстий и небольших трещин, к тому же теряются теплоизолирующие свойства.

Самыми уязвимыми при распространении пожара оказываются способные к изгибу элементы конструкций (ригеля, балки, прогоны и плиты перекрытий). Ознакомимся с их характеристиками более подробно.

Плиты, колонны, стены

Пределы огнестойкости отдельных элементов железобетона, подверженных сильным деформационным изгибам, при проведении типовых испытаний обычно укладываются в диапазон значений R45-R90.

Сравнительно небольшие усреднённые значения для этих элементов объясняются тем, что арматура, вносящая основной вклад в прочностные характеристики конструкции, защищена в них тонким слоем бетонного покрытия.

Для участков растянутого арматурного усиления это равнозначно отсутствию какой-либо преграды для свободного распространения огня. Следствием указанной особенности железобетонных структур является высокая скорость их разогрева до критических для данного типа конструкций температур.

С данными по рабочим значениям пределов огнестойкости железобетонных сооружений (а также входящих в них и подверженных деформации гибких элементов) можно ознакомиться в таблицах.

При оценке огнестойкости элементов металлоконструкций (лестниц, например) основное внимание обращается на их поведение в критических условиях.

Окончательной целью проводимых испытаний является выработка рекомендаций, позволяющих повысить пределы огнестойкости за счёт принятия специальных технических и организационных решений.