Диагностика повреждений и восстановление эксплуатационных качеств конструкций

2.5. Повреждения конструкций при пожарах

Повреждения конструкций при пожарах происходят в результате воздействий высоких температур. При этом ухудшаются эксплуатационные

52

качества конструкций, снижается прочность материала, сила сцепления арматуры с бетоном, уменьшаются размеры рабочего сечения. Из за неравномерного температурного нагрева может изменяться расчетная схема элементов, работающих в составе неразрезных систем.

При пожарах большой интенсивности и длительности деревянные и металлические конструкции как правило приходят в негодность, в то время как железобетонные и каменные конструкции частично сохраняют эксплуатационные качества.

Рассмотрим более подробно поведение железобетонных конструкций при пожарах.

Бетон является несгораемым и достаточно огнестойким материалом. Однако под воздействием высоких температур снижаются его прочность и защитные свойства по отношению к заключенной в нем арматуре. Кроме того, при продолжительном пожаре сильно нагревается сама арматура, в которой появляются значительные пластические деформации. В результате этого изгибаемые элементы получают недопустимые прогибы и чрезмерно раскрытые трещины, а внецентренно сжатые элементы теряют устойчивость.

По некоторым данным [16] при температуре пожара 1000...1100°С в течение одного часа арматура, расположенная в бетоне, на глубине 2,5 см может нагреваться до температуры 550°С, при этом модуль упругости снижается на 40...60%.

В соответствии с "Рекомендациями по оценке состояния и усилению строительных конструкций зданий и сооружений" [16] степень повреждения железобетонных Конструкций после пожара характеризуется показателями, приведенными в табл. 2.6.

По итогам анализа повреждений принимаются решения о ремонте или усилении конструкций. Так, например, конструкции, имеющие слабую степень повреждений, подвергают косметическому ремонту, при средней степени повреждений конструкции ремонтируют путем инъецирования трещин или наращиванием сечения бетона, при сильной степени повреждений конструкции усиливают введением дополнительных опор, наращиванием сечения бетона и арматуры или другими методами, обеспечивающими прочность, жесткость и долговечность конструкции. При полной степени повреждений состояние конструкций считается аварийным и восстановление их нецелесообразно. Конструкции в этом случае требуют полной или частичной замены.

53

Таблица 2.6

Повреждения конструкций после пожара

В процессе проектирования усиления определяется температура нагрева поверхности конструкций, а также оценивается прочность бетона и арматуры. При этом температура нагрева бетона в зависимости от его цвета и других характерных признаков определяется

54

по показателям, приведенным в прил. 4 табл. 2, или опытным путем, на основании физико-химических исследований проб бетона массой 100 - 200 г, изъятых с поверхностей слоев конструкций, по методике [47]. Температуру нагрева арматуры, как правило, принимают равной температуре нагрева бетона в исследуемой зоне.

Особое внимание при исследованиях уделяют показателям прочности бетона и арматуры, которые определяют с помощью инструментов и приборов приведенных в табл. 1.1, или испытанием образцов, вырезанных из тела конструкций.

При отсутствии экспериментальных данных величину снижения прочности бетона и арматуры находят через понижающие коэффициенты m_bт, т^'_bт и m_sт значения которых приведены в прил.4, табл.7 - 9, или в процентном выражении по данным прил. 4, табл. 3 и 4.

Определение расчетных параметров пожара,
влияющих на снижение прочности конструкции

К расчетным параметрам пожара, которые используются при оценке прочности конструкции, относятся: максимальная средняя температура среды в помещениях во время пожара, фактическая и эквивалентная длительность интенсивного горения во время пожара, максимальная температура нагрева бетона и арматуры.

В практике обычно используют два способа определения расчетных параметров пожара: экспериментально-теоретический и теоретический, характеристики которых приводятся соответственно на нижеприведенных схемах 1 и 2.

При экспериментально-теоретическом методе температурный режим пожара определяется по внешнему виду и состоянию различных материалов, расположенных в зоне пожара, а при теоретическом - расчетным путем в зависимости от типа помещений, условий вентиляции и пожарной нагрузки. Взаимосвязь между продолжительностью горения т и температурой пожара t устанавливается по графикам рис. 2.14 и табл. 2.7

При формулировании окончательных выводов расчетные данные, как правило, анализируются и сопоставляются с данными, полученными экспериментальным путем.

Так, например, фактическое время продолжительности интенсивного горения при пожаре сопоставляется со временем интенсивного горения, отмеченном в акте предварительного обследования. Если разница

55

между этими величинами не превышает 40%, то в расчете учитывается фактическое время τ_f , при большей разнице - время горения τ по акту.

Рис.2.14. Зависимости t - τ:
а - е - зависимости для K_1zed = (0,1 - 0,12) м^1/2; 1 - 16 - графики для q_zed = 1,5 - 900 (см. табл. 2.6 )

56

Таблица 2.7

Расчетные параметры пожара (к рис. 2.14)

При определении времени нагрева конструкций и экстремальных значений температуры пользуются следующими рекомендациями [45]:

• - время нагрева конструкции принимается равным экстремальному времени интенсивного горения при пожаре τst , устанавливаемому по графикам (рис. 2.15 - 2.16);
• - максимальная температура нагрева бетона t_b,max принимается равной температуре нагрева железобетонной конструкции и устанавливается по цвету бетонной поверхности и другим характерным признакам (см прил. 4, табл. 2);

57

Рис. 2.15. Графики фактического ABC и стандартного АКE температурных режимов пожара (площади АВСF = АКРД).
Отрезок АД соответствует приведенной длительности пожара

Рис. 2.16. График приведения фактического температурного режима к стандартному:
τ_st - длительность стандартного пожара;
τ_f - длительность фактического пожара; °С - разница максимальных температур стандартного и фактического пожаров

58

• - максимальная температура нагрева арматуры t_s,max принимается равной температуре в центре ее сечения и устанавливается по результатам анализа изотерм в сечении конструкции (см. прил. 4, рис. 1 - 3).

Схема 1. Экспериментально-теоретический метод определения температуры и длительности нагрева бетона и арматуры при пожаре.

1. Из акта о пожаре получают предварительные сведения о месте возгорания, зонах распространения пожара, продолжительности интенсивного горения и максимальных температурах в помещениях.

2. Используя показатели внешнего вида и состояния различных материалов, по прил. 4 табл. 5 уточняют температуру нагрева в помещениях.

3. По цвету бетона и другим характерным признакам, по прил. 4 табл. 2 устанавливают максимальную температуру нагрева бетона в конструкции t_b,max. По температуре нагрева бетона, определяемой у поверхности арматуры, со стороны воздействия высокой температуры, принимают температуру нагрева арматуры t_s,max.

4. Используя результаты обследования обгорелых элементов из древесины находят продолжительность горения, мин, при пожаре, по формуле

где δ - толщина выгоревшей древесины, мм;
V - скорость горения древесины, равная 0,6 мм/мин для сухой и 0,4 мм/мин для плотной и влажной древесины.

5. По графикам рис. 2.15 и 2.16 продолжительность горения τ_f приводят к стандартной τ_st. При разности температур t_max - t_st не более ±100°С пользуются графиком рис. 2.15, в противном случае графиком рис. 2.16.

6. По графикам прил. 4, рис. 1 - 3 находят распределение температуры по сечению конструкции.

Рассмотрим вышеизложенный способ определения параметров нагрева бетона и арматуры на примере.

Пример 2.1. Требуется экспериментально-теоретическим методом определить температуру и длительность нагрева бетона и арматуры железобетонных конструкций при пожаре.

59

Исходные данные

В 3-х этажном кирпичном здании на 1-м этаже в помещении столовой произошел пожар. В течение 30 мин пожар распространился на 2-й и 3-й этажи. Активное тушение пожара началось через 40 мин после возгорания. Из акта о пожаре следует, что продолжительность интенсивного горения материалов, находящихся в помещениях 1-го этажа составила примерно 50 мин. Максимальная температура пожара достигала 1100°С.

Данные натурного обследования материалов и конструкций в помещении, наиболее пострадавшем от пожара:

• - деревянные стойки стеллажей обуглены, толщина выгоревшей древесины достигает 28 мм;
• - изделия из стекла (стаканы, бутылки), находившиеся на столе, в средней части помещения, частично потеряли форму;
• - бронзовая фурнитура дверей (ручки, замки) деформирована и потеряла свою форму;
• - окрасочное покрытие большинства конструкций полностью выгорело;
• - поверхность бетона колонн, ригелей и плит перекрытия частично покрыта копотью;
• - цвет бетона колонны, расположенной в центре помещения, темно-желтый, ригелей и плиты перекрытия - серовато-черноватый до темно-желтого;
• - на поверхности бетона колонн, ригелей и плит имеются трещины с шириной раскрытия 0,05...0,2 мм, в некоторых колоннах отколот защитный слой бетона и оголена арматура.

Размеры сечений конструкций:

• колонн b × h =400 × 400,
• ригелей b × h = 160 × 320,
• плит перекрытий (монолитной ) h = 200.

Решение

1. По показателям внешнего вида и состоянию материалов, используя данные прил. 4, табл. 5, находим максимальную температуру нагрева изделий и конструкций.

Температура нагрева:

• изделий из стекла - 800°С;
• бронзовой фурнитуры - 1000°С;
• окрасочного покрытия конструкций - более 700°С;
• бетонной поверхности колонн - более 950°С;

60

• ригелей и плит покрытия - 600...900°С.

Таким образом, максимальная температура нагрева в помещении составляет примерно 1000°С.

2. Используя данные о толщине выгоревшей древесины, находим фактическую продолжительность пожара по формуле

где V - скорость горения сухой древесины, равная 0,6, мм/мин.
δ - толщина выгоревшей древесины, мм.

Учитывая данные акта о пожаре, окончательно принимаем τ_f = 50 мин.

3. Графическим путем фактическую продолжительность пожара приводим к стандартной. Для этого используем принцип равенства площадей, ограниченных осью т и кривыми стандартного и фактического температурного режимов (см. рис. 2.15 ). Эквивалентная длительность стандартного пожара τ_st = 55 мин.

4. Пользуясь графиками прил.4, рис. 1 - 3, находим данные распределения температур соответственно в колонне, ригеле и плите перекрытия (рис. 2.17).

Рис. 2.17. Температура нагрева арматуры и поверхности бетона:
а - колонна; б - ригель; в - плита перекрытия

Из анализа графиков следует, что температура нагрева бетона, превышающая 500°С, распространяется в поверхностном слое сечения колонны, ригеля и плиты на глубину соответственно равную 2,5; 4,5 и 2,5 см. По гипотенузам наиболее нагретых углов температура более 500°С в сечении колонны и ригеля достигается соответственно на глубине 5 и 6 см.

61

Схема 2. Теоретический метод определения температуры и длительности нагрева бетона и арматуры при пожаре

1. По данным натурного обмера здания или по чертежам определяют площадь горизонтальных А₁ и вертикальных A₂ проемов (окон, дверей, ворот, люков, шахт лифтов и пр.).

2. Находят площадь поверхности ограждения помещений А₃ и среднюю высоту вертикальных проемов H.

3. Рассчитывают величины коэффициентов проемности по формулам:

где Н₁ - средневзвешенное расстояние от плоскости горизонтальных проемов до середины вертикальных проемов.

4. По прил. 4, табл. 10, в зависимости от типа ограждения и коэффициента k₁ находят величину коэффициента f₁.

5. Рассчитывают величину коэффициента f₂ по формуле

6. Находят величину приведенного коэффициента проемности k_1red по формуле

7. Рассчитывают приведенную пожарную нагрузку по формуле

где q - средняя пожарная нагрузка, определяемая по прил. 4, табл. 6, в зависимости от назначения помещения и вида сгораемых материалов. Более точное значение q можно определить по [45, прил. 3, табл. 1].

8. По графикам рис. 2.14 находят параметры фактического температурного режима пожара: максимальную температуру t_f,max в помещении и продолжительность интенсивного горения τ_f.

9. С помощью графиков рис. 2.15 и 2.16 фактическую продолжительность горения τ_f приводят к стандартной τ_st.

10. По графикам прил.4 рис. 1 - 3 находят распределение температуры по сечению конструкции.

Рассмотрим теоретический метод определения параметров нагрева бетона и арматуры на примере.

62

Пример 2.2. Требуется теоретическим методом определить температуру и длительность нагрева бетона и арматуры железобетонных конструкций при пожаре.

Исходные данные

Рассматривается пожар в здании из примера 2.1. Дополнительные сведения о помещении, расположенном в зоне очага пожара:

• - площадь горизонтальных проемов A₁ = 0;
• - то же, вертикальных проемов А₂ = 12 м²;
• - то же поверхности ограждения А₃ = 268 м²;
• - средняя высота вертикальных проемов H = 1,8 м;
• - средневзвешенное расстояние от плоскости горизонтальных проемов до середины вертикальных проемов H₁ = 2,6 м.

Находим величину коэффициентов проемности:

2. По прил. 4, табл. 10 находим величину коэффициента f₁ = 1.35.

3. Определяем величину коэффициента f₂:

4. Находим величину приведенного коэффициента проемности k_1red:

5. По прил. 4 табл. 6 находим среднюю пожарную нагрузку в помещении q = 50 Мкал/м².

6. Находим приведенную пожарную нагрузку:

7. По графику рис. 2.14,д находим максимальную температуру в помещении t_f = 1050°C и продолжительность интенсивного горения τ_f = 45 мин.

8. Графическим путем, используя принцип равенства площадей (рис. 2.15), фактическую продолжительность интенсивного горения приводим к стандартной.

Эквивалентная длительность стандартного пожара составила τ_st = 52 мин.

63

Из сопоставления результатов расчета в примерах 2.1 и 2.2 видно, что погрешность расчета не превышает 6%. Учитывая близкие значения температуры и длительности нагрева конструкции, по результатам расчета в примерах 2.1 и 2.2 принимаем температуру нагрева арматуры и поверхности бетона в колонне, ригеле, и плите перекрытия по данным, приведенным на рис. 2.17.

Оценка несущей способности железобетонных конструкций,
пострадавших от пожара

Оценка несущей способности конструкций, испытавших воздействие пожара, производится с учетом изменившихся физико-механических свойств бетона и арматуры, а также условий их совместной работы.

Расчет несущей способности конструкций базируется на результатах обследования и с учетом требований раздела 6 СНиП 2.03.01-84.

При этом проверяется прочность сечений конструкций, имеющих видимые повреждения или испытавших высокотемпературный нагрев. Учет повреждений производится путем уменьшения вводимой в расчет площади сечения бетона и арматуры, а учет высокотемпературного нагрева - коэффициентами, отражающими снижение прочности бетона и арматуры и силу их сцепления в зоне заанкеривания арматуры.

При использовании в поверочном расчете прочности бетона, полученной неразрушающим методом и выраженной в эквиваленте средней кубиковой прочности R_T, МПа, переход к условному классу бетона на сжатие для тяжелого, мелкозернистого и легкого бетонов производится путем умножения R_T на коэффициент 0,8; для ячеистого бетона - на коэффициент 0,7.

Нормативное R_bn,T и расчетное R_b,T сопротивление бетона, испытавшего воздействие пожара, устанавливается по табл. 12 и 13 СНиП 2.03.01-84 по показателю условного класса бетона и принимается R_bn,T = R_bn; R_bT = R_b

При отсутствии экспериментальных данных о прочности бетона, расчетное сопротивление R_bT определяется по формуле

где R_b - расчетное сопротивление бетона, соответствующее проектному классу бетона конструкции;

64

m_bT - коэффициент, учитывающий снижение прочности бетона после воздействия пожара (см. прил. 4, табл. 7).

Расчетное сопротивление растяжению арматуры R_ST, испытавшей воздействие пожара, находится по формуле

где R_sn,T - нормативное сопротивление арматуры полученное путем испытания образцов изъятых из тела конструкции

γ_s - коэффициент надежности по арматуре, назначаемый по рекомендациям п. 6.18 СНиП 2.03.01-84.

Нормативное сопротивление арматуры R_sn,T принимается равным среднему значению предела текучести опытных образцов, деленному на коэффициенты:

• 1,1 - для арматуры классов AI, All, AIII, АIII_b, AIV,
• 1,2 - для арматуры других классов.

При отсутствии проектных данных и невозможности отбора образцов для испытания, расчетное сопротивление арматуры растяжению R_s назначается в зависимости от профиля арматуры по рекомендациям п. 6.21 СНиП 2.03.01-84. Расчетное сопротивление арматуры, испытавшей воздействие пожара, определяется по формуле

где m_sT - коэффициент, учитывающий снижение прочности арматуры, определяемый по прил. 4, табл. 8 и 9. Последовательность расчета прочности нормального сечения изгибаемых элементов с обычным армированием, испытавших воздействие пожара, дается на схеме 3.

Схема 3.Последовательность расчета прочности нормального сечения изгибаемых железобетонных элементов, испытавших воздействие пожара

1. По данным обследования, приведенным к показателям стандартного температурного режима пожара τ и t_max, по прил. 4, рис. 1 - 3 устанавливают координаты температурных градиентов в сечении элемента.

2. По прил. 4, табл. 7 - 9 находят коэффициенты, учитывающие снижение прочности бетона и арматуры в расчетном сечении, в зонах высоких температур (m_bT,m_sT)

3. Уточняют расчетные сопротивления бетона и арматуры в зонах высоких температур R_bT, R_sT.

65

4. Находят расчетную, с учетом ослаблений, площадь сечения бетона, уточняют значения h₀, b.

5. Определяют высоту сжатой зоны бетона х (ξ_r) и устанавливают случай расчета сечения проверкой условия ξ ≤ ξ_R.

6. Находят момент воспринимаемый нормальным сечением элемента:

при ξ ≤ ξ_r по формуле

при ξ >ξ_r по формуле

По итогам поверочного расчета прочности конструкций принимается решение о необходимости и целесообразности их усиления.

66