Огнестойкость строительных конструкций
зданий и сооружений
5.1. Строительные конструкции в аспекте обеспечения противопожарной защиты зданий.
Строительные конструкции, рассчитанные по всем правилам строительной механики, как правило, эксплуатируются много десятков лет. Однако в условиях пожара они могут разрушиться в течение нескольких часов или даже минут.
При этом большая часть материального ущерба от пожара обуславливается именно разрушением строительных конструкций.
Устойчивость СК к воздействию пожара влияет и на процесс тушения пожара, т.к. обрушение конструкций представляет большую опасность для персонала объекта и для пожарных. При этом, если СК обрушаются еще до момента ликвидации пожара, его дальнейшее тушение не дает какого-либо эффекта и становится бесполезным.
Современные СК с добавками органических составляющих в условиях пожара могут не только разрушаться, но также в ряде случаев воспламеняться, распространять пламя по своей поверхности, гореть, выделять токсичные продукты горения. Это существенно увеличивает продолжительность пожара и значение его опасных факторов.
5.2. Пожарно-техническая классификация строительных конструкций.
С точки зрения поведения во время возникновения и развития пожара строительные конструкции (СК) характеризуются огнестойкостью и пожарной опасностью:
Показателем огнестойкости СК является предел огнестойкости;Пожарную опасность СК характеризует класс
ее пожарной опасности
.
5.3. Предел огнестойкости (ФЗ №123)
Предел огнестойкости
строительных конструкций устанавливается по времени (в минутах) наступления одного или последовательно нескольких, нормируемых для данной конструкции, признаков предельных состояний.
Различают следующие основные виды предельных состояний строительных конструкций по огнестойкости:
Потеря несущей способности вследствие обрушения конструкции или возникновения предельных деформаций (R);
Потеря целостности в результате образования в конструкциях сквозных трещин или отверстий, через которые на необогреваемую поверхность проникают продукты горения или пламя (Е);
Потеря теплоизолирующей способности вследствие повышения температуры на необогреваемой поверхности конструкции до предельных для данной конструкции значений (I);
Достижение предельной величины плотности теплового потока (W);
Потеря дымогазонепроницаемости (S).
5.4. Критерии наступления предельных состояний строительной конструкции при нагреве в условиях пожара (ГОСТ 30247.1).
Критерий потери несущей способности СК
а) обрушение конструкции
б) возникновение предельных деформаций:
Для изгибаемых конструкций следует считать, что предельное состояние наступило, если:
а) прогиб достиг величины L/20;
б) скорость нарастания деформаций достигла L 2 /(9000 . h) (см/мин),
где L - пролет, см; h - расчетная высота сечения конструкции, см.
Для вертикальных конструкций
предельным состоянием следует считать условие, когда вертикальная деформация достигает L/100 или скорость нарастания вертикальных деформаций достигает 10 мм/мин. для образцов высотой (3,0±0,5) м.
Критерий потери целостности СК
Потеря целостности (E) наступает в результате образования в конструкциях сквозных трещин или отверстий, через которые на необогреваемую поверхность приникают продукты горения или пламя. В процессе испытания потерю целостности определяют при помощи тампона из хлопка или натуральной ваты, который помещают в металлическую рамку с держателем и подносят к местам, где ожидается проникновение пламени или продуктов горения, и в течение 10 с держат на расстоянии 20-25 мм от поверхности образца.
Время от начала испытания до воспламенения или возникновения тления со свечением тампона является пределом огнестойкости конструкции по признаку потери целостности.
Обугливание тампона, происходящее без воспламенения или без тления со свечением, не учитывают.
Размеры тампона должны быть 100 х 100 х 30 мм, масса от 3 до 4 г. До использования тампон в течение 24 ч выдерживают в сушильном шкафу при температуре (105+
5) °С. Из сушильного шкафа тампон вынимают не ранее; чем за 30 мин до начала испытания. Повторное применение тампона не допускается.
Критерий потери теплоизолирующей способности СК
Потеря теплоизолирующей способности (I) констатируется в случае повышения температуры на необогреваемой поверхности конструкции в среднем более чем на 140 °С или любой точке этой поверхности более чем на 180°С в сравнении с температурой конструкции до испытания, или более 220°С независимо от температуры конструкции до испытания.
Таблица 5.1.
Критерии огнестойкости
| Критерии огнестойкости |
||||
| R | I | E |
||
| Горизон-тальные | а) разрушение | а), б)
в) | воспламенение тампона из ваты или хлопка, продуктами горения, выходящими из трещин конструкций |
|
| б) | 
|
|||
| в)  , L(см), h(см), V(см/мин.)
|
||||
| Верти- кальные | а) разрушение |
|||
| б) |  |
|||
| в) V > 10 мм/мин. при L=(3,0+
0,5) м
|
||||
(о С)
(о С),
(о С),
Критерий потери дымогазонепроницаемости
Потеря дымогазонепроницаемости S
определяется временем от начала нагрева и нагружения избыточным давлением испытываемой конструкции до момента уменьшения сопротивления дымогазопроницанию этой конструкции ниже минимально допустимого значения.
Удельное сопротивление дымогазопроницанию конструкций дверей различных типоразмеров не должно быть менее 1,96・10 5 м 3 /кг.
Критерий достижения предельной величины плотности теплового потока (ПТП)
При испытании вертикальных конструкций со светопрозрачными элементами, один из приемников теплового излучения устанавливаются на расстоянии (500 ± 10) мм от геометрического центра необогреваемой поверхности конструкции. Другие - на таком же расстоянии элементов, где ожидается наибольшая величина теплового излучения.
Горизонтальные конструкции со светопрозрачными элементами на предел огнестойкости по признаку W (достижения предельной величины плотности теплового потока) не испытываются.
Результаты испытаний оценивают по времени достижения предельной величины ПТП – 3,5 кВт/м 2 .
5.5. Нормирование пределов огнестойкости строительных конструкций различных типов
Для нормирования пределов огнестойкости несущих и ограждающих конструкций используют следующие предельные состояния:
Для колонн, балок, ферм, арок и рам - только потеря несущей способности конструкции и узлов - R;
Для наружных несущих стен и покрытий - потеря несущей способности и целостности - R, E, для наружных ненесущих стен - E;
Для ненесущих внутренних стен и перегородок - потеря теплоизолирующей способности и целостности - E, I;
Для несущих внутренних стен и противопожарных преград - потеря несущей способности, целостности и теплоизолирующей способности - R, E, I;
Предел огнестойкости окон устанавливается только по времени наступления потери целостности – Е.
Для светопрозрачных ограждающих конструкций и дверей (с площадью остекления не менее 25%) дополнительно нормируется предел огнестойкости по признаку достижения предельной величины плотности теплового потока – W.
Предел огнестойкости по признаку потери дымогазонепроницаемости (S) нормируется только для заполнения дверных проёмов в противопожарных преградах.
5.6. Обозначения пределов огнестойкости строительных конструкций (ГОСТ 30247.0)
Обозначение предела огнестойкости строительной конструкции состоит из условных обозначений, нормируемых для данной конструкции предельных состояний и цифры, соответствующей времени достижения одного из этих состояний (первого по времени) в минутах.
Например, приведенные в нормативных документах обозначения означают:
R 120 - предел огнестойкости должен составлять не менее 120 минут - по потере несущей способности;
RЕ 60 - предел огнестойкости должен составлять не менее 60 минут - по потере несущей способности и потере целостности, независимо от того, какое из двух предельных состояний наступит ранее;
REI 30 - предел огнестойкости должен составлять не менее 30 минут - по потере несущей способности, целостности и теплоизолирующей способности независимо от того, какое из трех предельных состояний наступит ранее.
Если для конструкции нормируются (или устанавливаются) различные пределы огнестойкости по различным предельным состояниям, обозначение предела огнестойкости состоит из двух или трех частей, разделенных между собой наклонной чертой.
Например:
R 120/EI 60 - предел огнестойкости не менее 120 минут - по потере несущей способности/ и предел огнестойкости не менее 60 минут - по потере целостности или теплоизолирующей способности независимо от того, какое из двух последних предельных состояний наступит ранее.
При составлении протокола испытаний и оформлении сертификата пожарной безопасности следует указывать предельное состояние, по которому установлен фактический предел огнестойкости конструкции.
При различных значениях пределов огнестойкости одной и той же конструкции по разным предельным состояниям обозначение пределов огнестойкости перечисляется по убыванию.
Например, R90/I60/E30.
Цифровой показатель в обозначении предела огнестойкости должен соответствовать одному из чисел следующего ряда: 15, 30, 45, 60, 90, 180, 240, 360.
5.7. Фактические и требуемые пределы огнестойкости.
Пределы огнестойкости делятся на:
Фактические (П ф) – пределы огнестойкости реально существующих конструкций;
Требуемые (П тр) – нормативные пределы огнестойкости.
Требуемые пределы огнестойкости П тр определяются в зависимости от требуемой степени огнестойкости зданий.
Фактические пределы огнестойкости СК определяются двумя способами: огневыми испытаниями (REI) и расчетами (RI).
Вопрос: Почему расчетом нельзя предсказать потерю целостности?
5.8. Основные документы, регламентирующие испытания различных СК на огнестойкость
Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Двери шахт лифтов.
| ГОСТ 30247.0-94 | Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования |
| ГОСТ 30247.1-94 | Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции |
| ГОСТ 30247.3-2002 | Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Двери шахт лифтов |
| ГОСТ Р 53298-2009 | ГОСТ Р «Потолки подвесные. Метод испытания на огнестойкость» |
| ГОСТ Р 53299-2009 | ГОСТ Р «Воздуховоды. Метод испытаний на огнестойкость» |
| ГОСТ Р 53301-2009 | ГОСТ Р «Клапаны противопожарные вентиляционных систем. Метод испытаний на огнестойкость» |
| ГОСТ Р 53302-2009 | ГОСТ Р «Оборудование противодымной защиты зданий и сооружений. Вентиляторы. Метод испытаний на огнестойкость» |
| ГОСТ Р 53303-2009 | ГОСТ Р «Конструкции строительные. Противопожарные двери и ворота. Метод испытаний на дымогазопроницаемость» |
| ГОСТ Р 53304-2009 | ГОСТ Р «Стволы мусоропроводов. Метод испытания на огнестойкость» |
| ГОСТ Р 53305-2009 | ГОСТ Р «Противодымные экраны. Метод испытаний на огнестойкость» |
| ГОСТ Р 53306-2009 | ГОСТ Р «Узлы пересечения ограждающих строительных конструкций трубопроводами из полимерных материалов. Метод испытания на огнестойкость» |
| ГОСТ Р 53307-2009 | ГОСТ Р «Конструкции строительные. Противопожарные двери и ворота. Метод испытаний на огнестойкость» взамен ГОСТ 30247.2-97 |
| ГОСТ Р 53308-2009 | ГОСТ Р «Конструкции строительные. Светопрозрачные ограждающие конструкции и заполнения проемов. Метод испытаний на огнестойкость» |
| ГОСТ Р 53309-2009 | ГОСТ Р «Здания и фрагменты зданий. Метод натурных огневых испытаний. Общие требования» |
| ГОСТ Р 53310-2009 | ГОСТ Р «Проходки кабельные, вводы герметичные и проходы шинопроводов. Требования пожарной безопасности. Методы испытаний на огнестойкость» |
Глава 6
Методология огневых испытаний строительных конструкций
6.1. Общая методология
По результатам огневых испытаний, начавших интенсивно проводиться в нашей стране, начиная с 1948 г., накоплен обширный банк данных и в настоящее время огневые испытания на огнестойкость проводятся, как правило, для конструкций, которые не испытывались ранее и для которых нет официально утвержденной методики расчета.
Главная идея огневых испытаний – наиболее точное воспроизведение поведения СК при огневом воздействии на нее.
Для этого:
1) испытываемая конструкция выполняется проектных размеров (в натуральную величину). При невозможности испытания образцов проектных размеров их уменьшение допускается до величин указанных в таблице 6.1.
Таблица 6.1
Минимальные размеры испытываемых строительных конструкций
| Наименование конструкции | Размеры, м |
||
| Ширина | Длина | Высота |
|
| Стены и перегородки | 3,0 | - | 3,0 |
| Покрытия и перекрытия, опирающиеся по двум сторонам | 2,0 | 4,0 | - |
| Покрытия и перекрытия, опирающиеся по четырем сторонам | 2,8 | 4,0 | - |
| Колонны, столбы и другие вертикальные стержневые конструкции | - | - | 2,5 |
| Балки и другие горизонтальные стержневые элементы | - | 4,0 | - |
2) испытываемая конструкция опирается и нагружается в соответствии с положением и нагружением в реальном здании
Образцы несущих конструкций испытываются на действие нормативной нагрузки. Распределение нагрузки и опирание образцов при их испытаниях должны соответствовать расчетным схемам принятым при проектировании. При невозможности соблюдения этого условия в сечениях образцов должны быть созданы напряжения, соответствующие проектным расчетным схемам. Нагрузка устанавливается не менее, чем за 30 мин. До начала испытания и поддерживается в течение всего времени испытания постоянной.
3) конструкция подвергается огневому воздействию также в соответствии с реальным расположением ее в здании, т.е. схема обогрева конструкций должна соответствовать реальным условиям.
Перекрытия и покрытия воздействие тепла снизу.
Несущие балки и фермы – воздействие тепла с трех сторон
Колонны и столбы – воздействие тепла со всех сторон.
Наружные стены – воздействие тепла только с внутренней стороны.
Образцы многослойных несимметричных по сечению внутренних стен и перегородок - должны подвергаться воздействию тепла с каждой стороны отдельно (кроме случая, когда неблагоприятная сторона может быть заранее установлена).
Рис. 6.1. Стандартная кривая пожара «температура-время»
Температура в печи измеряется термопарами не менее, чем в пяти точках на расстоянии 100 мм от поверхности испытываемого образца, при этом на каждые 1,5 м
2
ограждающей поверхности образца и на каждые 0,5 м длины
балки или колонны устанавливается одна термопара.
За температуру в печи принимается среднеарифметическое значение показаний всех термопар в данный момент времени.
Отклонение среднего значения температуры от стандартной не должно превышать
+ 15% в течение первых 10 мин. испытания;
+
10% при 10
+
5% после 30 мин.
6.2. Схемы испытательных установок для экспериментального определения пределов огнестойкости строительных конструкций
А) Установка для определения пределов огнестойкости стен (несущих и ненесущих) и перегородок.
Б) Установка для определения пределов огнестойкости колонн.
В) Установка для определения пределов огнестойкости перекрытий и покрытий.
6.3. Контроль достижения предельных состояний строительной конструкции во время эксперимента
А)
Потеря целостности
Определение потери целостности осуществляется с помощью ватного тампона и при поддержке внутри печи избыточного давления.
Б) Потеря теплоизолирующей способности
Температура на необогреваемой поверхности ограждающих конструкций измеряется не менее, чем в пяти точках, одна из которых располагается в центре, а остальные – в середине прямых, соединяющих центр и углы проема печи.
Если при испытании ожидается (прогнозируется) появление максимальной температуры в других точках необогреваемой поверхности, то в них также устанавливают термопары (например, металлический мостик)
В) Потеря несущей способности
Деформации несущих конструкций во время испытания определяются прогибомером.
Проведение испытаний.
Предел огнестойкости конструкции определяется как среднее арифметическое результатов испытаний двух образцов.
При этом максимальное и минимальное значение пределов огнестойкости двух испытанных образцов не должны отличаться более, чем на 20% от показателя с большим значением. Если результаты отличаются друг от друга больше, чем на 20%, то нужно проводить дополнительное испытание, а предел огнестойкости определять как среднеарифметическое двух меньших значений.
Страница 6 из 10
СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ХАРАКТЕРИЗУЮТСЯ:
а) пожарной опасностью (классы)
б) огнестойкостью (предел огнестойкости)
Классы пожарной опасности:
К0 - непожароопасные
К1 - малопожароопасные
К2 - умереннопожароопасные
К3 - пожароопасные
Класс устанавливается по ГОСТ 30403-96 №Конструкции строительные. Методы определения пожарной опасности"
Огнестойкость строительных конструкций
Под огнестойкостью понимают способность строительной конструкции сопротивляться воздействию высокой температуры в условиях пожара и выполнять при этом свои обычные эксплуатационные функции. Огнестойкость относится к числу основных характеристик конструкций и регламентируется Строительными нормами и правилами.
Время, по истечении которого конструкция теряет несущую или ограждающую способность, называют пределом огнестойкости и измеряют в часах от начала испытания конструкции на огнестойкость до наступления одного из предельных состояний:
R – потеря несущей способности определяется обрушением конструкции или возникновением предельных деформаций.
Е – потеря целостности (ограждающих функций). Потеря целостности наступает вследствие образования в конструкциях сквозных трещин или отверстий, через которые в соседнее помещение проникают продукты горения или пламя.
I – потеря теплоизолирующей способности определяется повышением температуры на необогреваемой поверхности конструкции в среднем более чем на 140°С или в любой точке этой поверхности более чем на 180°С в сравнении с температурой конструкции до испытания.
Предел огнестойкости колонн, балок, арок и рам определяется только потерей несущей способности конструкций и узлов (R). Для наружных несущих стен и покрытий - потеря несущей способности и целостности (R, Е). Для наружных ненесущих стен - потеря целостности (Е). Для ненесущих внутренних стен и перегородок – потеря целостности и теплоизолирующей способности (Е, I). Для несущих внутренних стен и противопожарных преград – все три предельных состояния - R, Е, I. Для окон – только потеря целостности (Е).
Определение фактических пределов огнестойкости строительных конструкций в большинстве случаев осуществляют экспериментальным путем. Основные положения методов испытаний конструкций на огнестойкость изложены в ГОСТ 30247.0-94 "Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования" и ГОСТ 30247.1-94 "Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции"
Сущность метода испытания конструкций на огнестойкость сводится к тому, что образец конструкции, выполненный в натуральную величину, нагревают в специальной печи и одновременно подвергают воздействию нормативных нагрузок. При этом определяют время от начала испытания до появления одного из признаков, характеризующих наступление предела огнестойкости конструкции.
Температура в огневой камере печи t изменяется во времени по "стандартной" температурной кривой (рис. 3.2), которая может быть выражена зависимостью:
t = 345 lg (8t + 1) + t нач,
где t - время от начала испытания, мин.; t нач - начальная температура, °С.
Отклонение от температур, регламентируемых стандартной кривой, допускается в пределах 10% в течение 30 мин испытания и 5% - в последующее время.
Температуру в печи измеряют не менее чем в трех точках с помощью термопар. Горячие спаи термопар располагают на расстоянии 10 см от обогреваемой поверхности конструкции.
Нагревание испытываемых образцов соответствует реальным условиям работы конструкции и возможному направлению воздействия огня в случае пожара.
При испытании – колонны обогревают с четырех сторон; балки – с трех; покрытия и перекрытия – со стороны нижней поверхности; стены, перегородки, двери – с одной стороны.
Испытаниям подвергаются не менее двух одинаковых образцов серийного изготовления или специально изготовленных. Перед испытанием образцы оборудуют приборами для измерения температур и деформаций.
Условия подогрева и особенности опытного образца обусловливают конструкцию испытательных установок (рис.3.6), представляющих собой огневые печи, в которых создается заданный температурный режим с помощью сжигания жидкого или газообразного топлива. Печи оборудуют приборами для измерения температуры, а также устройствами для опирания, закрепления и нагружения опытных конструкций.
Строительные конструкции зданий и сооружений в зависимости от их способности сопротивляться воздействию пожара и распространению его опасных факторов в условиях стандартных испытаний подразделяются на строительные конструкции со следующими пределами огнестойкости :
1) ненормируемый; 2) не менее 15 минут; 3) не менее 30 минут; 4) не менее 45 минут;
5) не менее 60 мин.; 6) не менее 90 минут; 7) не менее 120 минут; 8) не менее 150 минут;
9) не менее 180 минут; 10) не менее 240 минут; 11) не менее 360 минут.
Пределы огнестойкости строительных конструкций определяются в условиях стандартных испытаний .
Пределы огнестойкости строительных конструкций, аналогичных по форме, материалам, конструктивному исполнению строительным конструкциям, прошедшим огневые испытания, могут определяться расчетно-аналитическим методом, установленным нормативными документами по пожарной безопасности .
Методы определения пределов огнестойкости строительных конструкций и признаков предельных состояний устанавливаются нормативными документами по пожарной безопасности .
Фактический предел огнестойкости строительных конструкций во многих странах определяют экспериментальным путем посредством проведения натурных огневых испытаний строительных конструкций. Метод натурных огневых испытаний регламентирован международным стандартом ISO/DIS 834 "Испытание на огнестойкость элементов строительных конструкций". В России с 01.01.96 г. пределы огнестойкости строительных конструкций и их условные обозначения устанавливают по ГОСТ 30247, ГОСТ 51136, ГОСТ Р 53307 и ГОСТ Р 53308 по времени наступления одного или последовательно нескольких, нормируемых для данной конструкции, признаков предельных состояний.
В ГОСТ 30247.0-94 приведены общие положения, в том числе определения терминов, используемых при установлении огнестойкости конструкций, формулировка сущности методов испытания на огнестойкость, общие требования к испытательному оборудованию, температурному режиму, образцам и процедуре проведения испытаний.
В этом же стандарте перечислены основные виды предельных состояний конструкций по огнестойкости, основные положения по оценке результатов испытаний, требования к протоколу испытаний. Стандарт устанавливает для одной и той же конструкции различные пределы огнестойкости по парным признакам наступления предельного состояния. Так, испытания стены на огнестойкость могут быть продолжены до полного ее разрушения, а в процессе испытаний будут установлены пределы ее огнестойкости по признаку потери теплоизолирующей способности и по признаку потери целостности в зависимости от того, где установлена несущая стена. Требования по ее теплоизолирующей способности могут быть следующими:
для межквартирной стены – 30 мин., межсекционной – 45 мин., внутриквартирной – 15 минут. Но по несущей способности она должна выдерживать, например:
Все 120 минут в зданиях I-ой степени огнестойкости;
90 минут в зданиях II -ой степени огнестойкости;
45 минут в зданиях III-ой степени огнестойкости;
15 минут в зданиях IV-ой степени огнестойкости.
В ходе проектирования данные особенности должны учитываться и это, в конечном итоге, должно выразиться в выборе наиболее приемлемых строительных материалов, входящих в состав строительной конструкции, и главным образом, в экономии финансовых средств.
В соответствии со статьей 35, ч.2 и ч.5 Технического регламента о требованиях пожарной безопасности строительные конструкции по предельному состоянию на огнестойкость подразделяются на следующие виды и имеют буквенные обозначения:
1) потеря несущей способности (R);
2) потеря целостности (Е);
3) потеря теплоизолирующей способности вследствие повышения температуры на необогреваемой поверхности конструкции до предельных значений (I) или достижения предельной величины плотности теплового потока на нормируемом расстоянии от необогреваемой поверхности конструкции (W).
1. Потеря несущей способности(R) в виде обрушения конструкции либо возникновения предельной деформации (в зависимости от типа конструкции).
Числовые значения величин предельных деформаций для различных типов конструкций приведены в приложении "А" ГОСТ 30247.1-94. Для изгибаемых конструкций оно составляет величину L/20, либо если скорость нарастания деформаций составит L 2 /(9000 h) см/мин (где L – длина конструкции, см; h – расчетная высота поперечного сечения (толщина) конструкции, см.
Для вертикальных конструкций предельным состоянием по огнестойкости следует считать условие, когда вертикальная деформация достигает L/100 или скорость нарастания деформаций достигает 10 мм/мин - для образцов высотой 3 0,5 м.
По первому предельному состоянию конструкций по огнестойкости оценивают конструкции несущих стен, покрытий, перекрытий (балок, ферм, колонн, арок, рам) и узлов, их соединяющих.
Предел огнестойкости узлов крепления и сочленения строительных конструкций должен быть не ниже требуемого предела огнестойкости самих конструкций.
2. Потеря целостности (Е) или дефектность структуры ограждающей конструкции в результате образования сквозных трещин, отверстий, через которые на необогреваемую поверхность проникают продукты горения или пламя. Оценивается по их количеству и размерам (длиной, шириной и глубиной), измеряемым с помощью специальных калиброванных щупов и игл, оптических луп или микроскопов, ультразвукового диагностирования; путем простукивания конструкции, обратив внимание на звук: неплотный бетон издает глухой звук, при наличии отслоений - дребезжащий, при плотном бетоне звук звонкий.
3. Потеря теплоизолирующей способности (I) , т. е. прогрев конструкций до температур, превышение которых может вызвать самовоспламенение горючих материалов, находящихся в смежных помещениях.
Установлено, что сквозной прогрев конструкции до температуры порядка 220 0 С уже может представлять опасность самовоспламенения различных твердых и жидких веществ. Поэтому потеря теплоизолирующей способности строительной конструкции при пожаре наступает при превышении температуры на не обогреваемой поверхности по сравнению с начальной:
– приращение температуры более чем на 140 0 C (по измерениям пятью термопарами);
– в любой точке этой поверхности приращение температуры более чем на 180 0 C;
– или абсолютная температура равна 220 0 C в любой точке поверхности, независимо от первоначальной температуры конструкции до испытания.
Таким образом, первое предельное состояние конструкции по огнестойкости (R) характеризует потерю конструкцией несущей способности, второе(Е) и третье (I) – ограждающей.
Образцы несущих и самонесущих конструкций должны испытываться под нагрузкой. Распределение нагрузки и условия опирания образцов должны соответствовать принятым в технической документации. Величину испытательной нагрузки устанавливают из условия создания в поперечных сечениях образцов конструкции таких напряжений, которые предусмотрены в конструкции по проекту или технической документации. При определении величины проектных напряжений учитывают только постоянные и временные длительные нагрузки в их расчетных значениях с коэфициентом надежности равным 1.
Образцы наружных стен испытывают при воздействии тепла со стороны, обращенной при эксплуатации к помещению; балки – с трех сторон, а колонны, столбы и фермы – с четырех или с трех сторон - с учетом реальных условий использования.
Образцы конструкций однослойных и симметричных многослойных внутренних стен испытывают с одной стороны, моногослойных несимметричных – с каждой стороны, кроме тех случаев, когда неблагоприятная сторона может быть заранее установлена или известно направление огневого воздействия.
В процессе испытания регистрируют следующие параметры:
а) время наступления предельных состояний конструкции по огнестойкости и их вид;
б) температуру в печи, на не обогреваемой поверхности ограждающей конструкции, а также в других предварительно определенных местах.
Термопары для измерения температуры среды в огневой камере печи должны быть установлены не менее чем в пяти местах. Конец термопар следует устанавливать на расстоянии 100 мм от образца – конструкции.
Среднюю температуру не обогреваемой поверхности образцов ограждающих конструкций (стеновых панелей, плит перекрытий, перегородок и др.) определяют как среднее арифметическое показаний не менее чем пяти термопар.
Для определения температуры в любой точке поверхности образца следует устанавливать термопары (или использовать переносную термопару) в таких местах не обогреваемой поверхности ограждающих конструкций, в которых ожидается появление максимальной температуры (например, в зоне ребер, стыков, металлических закладных деталей). При определении средней температуры не обогреваемой поверхности образца эти точки в расчет не принимают.
в) величину избыточного давления в печи (при испытании ограждающей конструкции на газодымонепроницаемость). Оно должно составлять 10 ( 2) Па;
г) величину деформации (при испытании несущей конструкции);
д) время появления пламени на не обогреваемой поверхности образца (ограждающей конструкции) определяют с помощью ватных тампонов;
е) время появления и характер трещин, отверстий, отслоений, а также другиет явления (например, нарушение условий опирания, появление дыма).
Приведенный перечень измеряемых параметров и регестрируемых явлений может дополняться и изменяться в соответствии с требованиями методов испытаний конкретных видов конструкций.
Испытания должны продолжаться до наступления одного или, по возможности, последовательно всех предельных состояний конструкций по огнестойкости, нормируемых для испытываемой конструкции. Результаты, полученные при испытании, могут быть использованы для оценки пределов огнестойкости расчетными методами других аналогичных (по форме, материалам, конструктивному исполнению) конструкций. В свою очередь, стандарт допускает определять пределы огнестойкости строительных конструкций расчетным методом, при этом испытания можно не проводить. Расчетный метод не распространяется на конструкции, огнестойкость которых может характеризоваться потерей плотности.
Если для конструкции нормируют (или устанавливают) различные пределы огнестойкости по различным предельным состояниям, обозначение предела огнестойкости состоит из двух или трех частей, разделенных между собой наклонной чертой, например:
R120/ЕI 60 – предел огнестойкости 120 мин – по потере несущей способности; предел огнестойкости 60 мин – по потере целостности или теплоизолирующей способности, независимо от того, какое из этих двух предельных состояний наступит ранее.
При различных значениях пределов огнестойкости, регламентируемых разными предельными состояниями, обозначение числовых значений времени перечисляется по убыванию.
Цифровой показатель в обозначении предела огнестойкости должен соответствовать одному из чисел следующего ряда: 15, 30, 45, 60, 90, 120, 150, 180, 240, 360, т.е. должны быть кратными 15, а при получении экспериментальных или расчетных промежуточных показателей необходимо принимать меньшее числовое значение из этого ряда.
Пределы огнестойкости запроектированных или реально существующих конструкций принято называть фактическими, а определяемые условиями безопасности или нормами,- требуемыми и обозначать, соответственно, П ф и П тр. Фактические и требуемые пределы огнестойкости конструкций нормируются и учитываются пи проектировании зданий и сооружений. Требования безопасности считаются выполненными при выполнении условия: П ф ≥ П тр
Огнестойкость конструкции – способность сохранять свои несущие и (или) ограждающие функции в условиях пожара (п. 3.1 СП 2 ).
Количественной характеристикой огнестойкости конструкций является предел огнестойкости – время от начала огневого испытания при стандартном температурном режиме до наступления одного из нормируемых для данной конструкции предельных состояний по огнестойкости (п. 5.2.1 СП 2 ).
Основными видами предельных состояний строительных конструкций по огнестойкости являются (ч. 2 ст. 35 123-ФЗ , п. 9 ГОСТ 30247.0):
· потеря несущей способности вследствие обрушения конструкции или возникновения недопустимых деформаций (R);
· потеря целостности в результате образования в конструкциях сквозных трещин или отверстий, через которые на необогреваемую поверхность проникают продукты горения или пламя (Е);
· потеря теплоизолирующей способности вследствие повышения температуры на необогреваемой поверхности конструкции до предельных для данной конструкции значений (I).
Обозначение пределов огнестойкости конструкций согласно п. 10 ГОСТ 30247.0 состоит из условных обозначений нормируемых для данной конструкции предельных состояний и цифры, соответствующей времени достижения одного из этих состояний (первого по времени) в минутах.
Предел огнестойкости конструкции определяется как среднее арифметическое результатов испытаний двух образцов. При этом максимальное и минимальное значения пределов огнестойкости двух испытанных образцов не должны отличаться более, чем на 20 % (от большего значения). Если результаты отличаются друг от друга больше, чем на 20 %, должно быть проведено дополнительное испытание, а предел огнестойкости определяется как среднее арифметическое двух меньших значений. В обозначении предела огнестойкости конструкции среднее арифметическое результатов испытания приводится к ближайшей меньшей величине из ряда чисел: 15, 30, 45, 60, 90, 120, 150, 180, 240, 360 (п. 11 ГОСТ 30247.0, ч. 1 ст. 35 123-ФЗ ).
Например, R 120 – предел огнестойкости 120 минут по потере несущей способности; REI 30 – предел огнестойкости 30 минут по потере несущей способности, целостности и теплоизолирующей способности независимо от того, какое из трёх предельных состояний наступит ранее.
Для нормирования пределов огнестойкости несущих и ограждающих конструкций используют следующие предельные состояния (п. 8.2 ГОСТ 30247.1 ):
· для колонн, балок, ферм, арок и рам – только потеря несущей способности конструкции и узлов (R);
· для наружных несущих стен и покрытий – потеря несущей способности и целостности (R, E), для наружных ненесущих стен – E;
· для ненесущих внутренних стен и перегородок – потеря теплоизолирующей способности и целостности (E, I);
· для несущих внутренних стен и противопожарных преград – потеря несущей способности, целостности и теплоизолирующей способности (R, E, I).
Пределы огнестойкости строительных конструкций, в том числе с огнезащитой, определяются в условиях стандартных испытаний по методикам, установленным нормативными документами (ГОСТ 30247, ГОСТ Р 53307, ГОСТ Р 53308 и др.) (ч. 9 ст. 87 123-ФЗ ).
Пределы огнестойкости строительных конструкций, аналогичных по форме, материалам, конструктивному исполнению строительным конструкциям, прошедшим огневые испытания, могут определяться расчётом (ч. 10 ст. 87 123-ФЗ ).
Следует обратить внимание, что предел огнестойкости характеризует поведение конструкции только в условиях стандартных испытаний; время до потери конструкцией своих несущих или ограждающих функций в условиях «реального» пожара может отличаться от её предела огнестойкости.
Ранее методики испытания конструкций на огнестойкость регламентировались стандартом СТ СЭВ 1000-78 и пределы огнестойкости измерялись в часах (кратно четверти часа).
Стандартный температурный режим. Для обеспечения сопоставимости результатов испытаний различных конструкций на огнестойкость, выполненных в различных лабораториях, международный стандарт ИСО 834-75 и составленный на его основе ГОСТ 30247.0-94 предписывают проводить их при некотором условном температурном режиме, названным «стандартным».
Стандартное тепловое воздействие на конструкцию создаётся сжиганием соответствующего вида топлива в объёме испытательной печи и контролируется по изменению температуры во время испытаний t ,°C по закону, заданному в виде непрерывно возрастающей логарифмической функции времени t, мин :
t = 345 lg (8t + 1) + t 0 , (2.2)
где t 0 – начальная температура (обычно t 0 = 20°C).
Стандартный температурный режим в большинстве случаев не соответствует температурным режимам «реальных» пожаров, которые могут быть весьма разнообразны как по значениям температур, так и по длительности воздействия (рис. 2.1). Стандартный температурный режим является неубывающим и не отражает начальную и затухающую стадии пожара. Параметры стандартного температурного режима не учитывают реальную величину пожарной нагрузки, объём помещений и площадь проёмов в ограждениях.
В США и Великобритании стандартный температурный режим (2.2) определяется как «целлюлозный» пожар; он наиболее близко соответствует температурному режиму пожара в сравнительно небольших по объёму помещениях жилых и административных зданий при горении пожарной нагрузки из целлюлозосодержащих материалов (древесина, бумага, текстильные материалы).
Кроме того, стандартизированы ещё несколько температурных режимов, в частности, так называемый «углеводородный» пожар (например, стандарт UL 1709, Underwriters Laboratory, США), соответствующий горению нефти, нефтепродуктов или природного газа. Этот режим используется при оценке огнестойкости конструкций железнодорожных и автомобильных тоннелей, а также наружных технологических установок нефтегазового комплекса. При испытании по «углеводородному» режиму температура в огневой камере уже через 5 минут достигает 1000°С, а стремительный рост температуры сопровождается реактивным ударом факела пламени по вышележащим горизонтальным конструкциям.
|
Рис. 2.1. Стандартный температурный режим (1) и температурные режимы «реальных» пожаров (2а, 2б, 2в); t НСП – продолжительность начальной стадии пожара
Следует заметить, что наличие нескольких характерных «стандартных» температурных режимов позволяет более полно учесть специфику огневого воздействия на конструкции в конкретных типах зданий и сооружений, однако при этом утрачивается сопоставимость результатов различных испытаний. Однако для сопоставимости результатов испытаний важно обеспечить не только единый режим изменения температуры газовой среды в огневой камере, но и единые условия теплообмена газовой среды с поверхностью конструкций.
Нормативный термин «стандартный температурный режим» в литературе иногда некорректно называют «стандартным пожаром». Как было отмечено выше (п. 1.1), нормативный термин «пожар» определяется как «неконтролируемое горение, причиняющее материальный ущерб», а при стандартных огневых испытаниях горение всегда контролируемое и не приводит к ущербу, а, наоборот, выполняет положительную функцию.
Рассмотрим характеристики предельных состояний конструкций по огнестойкости несущих и ограждающих конструкций (ГОСТ 30247.1 ).
1) Потеря несущей способности (R ) наступает вследствие обрушения конструкции или возникновения предельных деформаций.
Для изгибаемых элементов конструкций предельное состояние наступает, если прогиб достигнет величины L /20 или скорость нарастания деформаций достигнет L 2 /(9000h ), см ×мин -1 , где L – расчётный пролёт, см ; h – расчётная высота сечения конструкции, см .
Для вертикальных конструкций предельным является состояние, когда вертикальная деформация достигнет 1/100 высоты или скорость нарастания вертикальных деформаций достигнет 10 мм ×мин -1 для образцов высотой 3 ± 0,5 м .
2) Потеря целостности (Е ) происходит в результате образования в конструкции сквозных трещин или отверстий, через которые на необогреваемую поверхность проникают продукты горения или пламя.
В процессе испытания потеря целостности определяется при помощи ватного тампона, который помещают в специальную металлическую рамку и подносят к месту, где возможно проникновение пламени или продуктов горения, и в течение 10 с держат на расстоянии 20…25 мм от поверхности образца. Время от начала испытаний до воспламенения или возникновения тления со свечением тампона принимается за предел огнестойкости по признаку потери целостности Е , при этом тление без свечения не является признаком потери огнестойкости.
3) Потеря теплоизолирующей способности (I ) определяется как следствие повышения температуры на необогреваемой поверхности до опасных значений, которое может привести к воспламенению материала в помещении, смежном с очагом пожара, и таким образом способствовать его распространению. Опасные значения температур зависят от условий эксплуатации конструкции.
Для большинства несущих и ограждающих конструкций в соответствии с ГОСТ 30247.1 потеря теплоизолирующей способности происходит вследствие повышения температуры на необогреваемой поверхности конструкции в среднем более чем на 140°С, или в любой точке этой поверхности более чем на 180°С в сравнении с температурой конструкции до испытания, или более 220°С независимо от температуры конструкции до испытаний.
Для дверей шахт лифтов потеря теплоизолирующей способности происходит вследствие повышения температуры на необогреваемой поверхности створок двери в сравнении с температурой образца перед началом испытания в среднем более чем на 280 °С или более чем на 330 °С в любой точке поверхности двери.
Под термином «потеря несущей способности грунта» мы понимаем явление выдавливания грунта по сторонам фундамента с выпучиванием его вверх; при этом сооружение опускается и может одновременно покоситься, т. е. дать крен. Потеря несущей способности грунта под подошвой фундамента происходит в том случае, когда прочность грунта на сдвиг по поверхности скольжения недостаточно велика по сравнению с фактическими напряжениями, возникающими от нагрузки (рис. 7). Нагрузка на фундамент, при которой происходит потеря несущей способности грунта, называется предельной нагрузкой, или наибольшей несущей способностью; во избежание потери несущей способности грунта основание должно иметь определенный запас прочности, который регламентируется нормами DIN 4017, чч. 1 и 2 (примеры исследований потери несущей способности грунта - см. ). Если осадки, возникающие из-за сжимаемости грунта при определенных нагрузках от веса сооружений, представляют собой деформационную задачу, то при потере несущей способности дальнейшая осадка грунта невозможна; здесь в зоне вытеснения грунта из-под фундамента возникает проблема равновесия. Опасность потери несущей способности грунта тем больше, чем меньше ширина фундамента, глубина его заложения и Прочность грунта на сдвиг; к потере несущей способности грунта может привести и внецентренное загружение фундамента.
При традиционных методах строительства с обычными нагрузками от зданий на грунт, достаточно широкими фундаментами и достаточно глубоким их заложением для определения допустимых нагрузок на подошву фундамента рекомендуется, как правило, сначала сделать расчет фундаментов по деформациям и лишь затем приступить к определению возможной потери несущей способности грунтов основания.
Следует указать на то, что опасность потери несущей способности грунта под нагрузкой может усилиться при подъеме грунтовых вод и уменьшении объемной массы грунта. При первых признаках потери несущей способности грунта (наклон и перекос сооружения, горизонтальные сдвиги, вспучивание грунта в непосредственной близости от здания) необходимо немедленно принять такие контрмеры, как установка дополнительных креплений, пригруз поверхности грунта, понижение уровня грунтовых вод или упрочнение грунта (например, с помощью инъектирования) .
Для полноты картины следует еще упомянуть о потере несущей способности грунтов на всем участке строительства. Это явление возникает при наличии перепадов уровня территории строительства (подпорные стенки, откосы, крутопадающие слои грунта), когда нагрузка от здания и собственный вес грунта превышают сопротивление грунта сдвигу, и сооружение с примыкающими к нему участками почвы сдвигается по поверхности скольжения. Причиной этого часто бывают исключительно сильные атмосферные осадки и вызванное ими усиление давления воды в порах грунта.
Если в непосредственной связи со строительством многоэтажного здания планируется устройство грунтовых откосов, то из соображений обеспечения устойчивости грунтов на планируемой территории следует производить расчет устойчивости откосов, ибо существует опасность сдвига откоса вдоль поверхности скольжения, т. е. сползание откоса (DIN 4084, ч. 2). Методику расчета откосов см. .
