5.4.2. Огнестойкость железобетонных конструкций

Основными факторами, влияющими на предел огнестойкости конструкций, являются влага, коэффициент теплопроводности и прочность арматуры.

Влага в бетоне играет двоякую роль. Во-первых, при действии на бетон высоких температур вода, испаряясь, замедляет темп прогрева, увеличивая тем самым предел огнестойкости. Во-вторых, вода способствует взрывообразному разрушению бетона при интенсивном прогреве вследствие образования пара. Необходимым условием взрыва бетона является быстрое повышение температуры, т.е. прогрев по стандартному температурному режиму или непосредственное воздействие огня на конструкцию.

При пожарах и испытаниях через 10-20 мин после воздействия огня на конструкцию бетон взрывообразно разрушается, откалываясь от обогреваемой поверхности пластинами площадью 200 см² и толщиной 0,5-1 см куски бетона отлетают на расстояние до 15 м. Такое разрушение происходит по всей поверхности, приводя к быстрому уменьшению сечения конструкции и, как следствие, к потере несущей способности и огнезащитных свойств. При влажности бетона выше 5% и температуре 160-200 °С, что способствует максимальному давлению пара в порах, бетон разрушается почти во всех случаях. При влажности 3,5-5% разрушение носит местный характер. При влажности менее 3% взрывы не наблюдаются. При нагревании по растянутому во времени режиму (с достижением стандартных температур через промежуток времени, увеличенный вдвое) бетон не взрывается, несмотря на его повышенную влажность (5-6%). При этом вид заполнителя бетона заметно не влияет на его разрушение.

Обычно взрывоопасное разрушение происходит на новостройках, в неотапливаемых подвалах и других влажных помещениях. Бетоны с плотностью, ниже 1250 кг/м³ не взрываются при влажности 12-14%. Это обусловлено тем, что такие бетоны имеют сообщающиеся поры и благодаря паропроницаемости внутри конструкций не создаётся значительных внутренних усилий.

Повышение температуры окружающей среды при пожаре сопровождается переносом теплоты в материал конструкции. Её тепло стремится к тепловому равновесию. Поэтому температура внутренних точек будет изменяться не только в зависимости от координат и их взаимного расположения, но и от времени. Такие процессы теплопередачи принято называть нестационарными.

В настоящее время разработано много различных методов решения задач нестационарной теплопроводности, приводящих к удовлетворительным для инженерной практики результатам. Эти методы условно можно разделить на две группы – аналитические и численные.

Вся методика расчета режимов нестационарного прогрева строительной конструкции переложена на алгоритмический язык ФОРТРАН-IV современных вычислительных машин типа ЕС.

5.4.3. Огнестойкость металлических конструкций

Небольшой предел огнестойкости металлических конструкций затрудняет, а в отдельных случаях делает невозможным тушение пожаров и безопасную эвакуацию людей и материальных ценностей. Очень важно знать также предел огнестойкости различного рода технологического оборудования и металлических сооружений в период работы в экстремальных условиях повышенных температур.

Нет необходимости доказывать важность разработки экспресс-метода по определению предела огнестойкости металлических строительных конструкций, сооружений, оборудования.

Незащищенные металлические конструкции в процессе воздействия огня прогреваются равномерно по сечению. Предел их огнестойкости характеризуется временем прогрева металла до критической температуры, которая составляет в среднем для стали 500°С, для алюминиевых сплавов – 250 °С.

Сущность методики заключается, в следующем:

I. Устанавливается наиболее опасное по условиям работы сечение или участок конструкции, сооружения, оборудования.

ІІ. По формуле 3.87 оценивается приведенная толщина элемента конструкции:

δ_пр = S/П (5.5)

где: δ_пр – приведенная толщина конструкции, м; S – площадь сечения элемента конструкции, м²; П – обогреваемый периметр сечения, м.

III. Рассчитывается среднее значение температуры металла конструкции

Т_ср = 0,5(Т₀ + Т_кр) (5.6)

где: Т₀ - начальная температура конструкции, К; Т_кр - критическая температура, К.

В табл. 5.12 представлены необходимые для расчетов характеристики.

Таблица 5.6

Теплотехнические характеристики металла

Металл	Удельная теплоемкость кДж/(кг۰К)	Плотность, кг/м3	Ткр, К
Сталь 3	0,44 + 0,0048(Тср- 273)	7800	773
Алюминиевые сплавы типа АМц	0,88	2800	523

IV. Среднее значение коэффициента удельной теплоемкости С_ср находится с учетом средней температуры металла:

C_ср= C_o+k(T_ср-273), (5.7)

где: С_о – начальное значение коэффициента удельной теплоемкости кДж/(кг۰К); k – коэффициент пропорциональности.

V. Рассчитывается значение параметра β:

β=11,46 С_срγδ_пр (5.8)

где: γ – плотность металла, кг/м³.

VI. По номограмме (рис.5.2) для известных значений Т_кр и β определяется значение τ.

VII. Устанавливается предел огнестойкости конструкции

(5.9)

Для оценки предела огнестойкости незащищённых металлических конструкций может быть использована зависимость, полученная д.т.н., проф. Беликовым А.С.:

(5.10)

где: τ – предел огнестойкости, ч; δ_пр – приведенная толщина металла, см.

Представленная зависимость наиболее полно описывает экспериментальные данные (отклонения не превышают 3,5%).

Расчет прогрева теплоизолированных стальных конструкций (теплотехническая задача) производится по формуле:

Т_м(τ)=Т_пов(τ) - Ө (Т_{пов(τ) –} Т₀), (5.11)

где: Т_м(τ) – температура металла, К; Т_пов(τ) – температура поверхности изоляции, К; Т₀ – начальная температура конструкции, К; Ө – безразмерный параметр, который определяется по рис.5.2.

Рис. 5.2. Номограмма для расчета огнестойкости незащищенных металлических конструкций

Рассмотрим последовательность вычисления для теплоизолированных конструкций.

1. Вычисляем приведенную толщину δ_x(y) следующим образом:

а) для неограниченной теплоизолированной пластины δ_х(у) равна толщине металлической пластины;

б) для теплоизолированных стержней прямоугольного сечения:

(5.12)

где: а и b – размеры поперечного сечения конструкции, м; δ_пр,х и δ_пр,у – приведенные толщины пластин по осям х и у:

(5.13)

(5.14)

где: С_м,0, С₀ – начальное значение коэффициента удельной теплоемкости металла и теплоизоляции; δ_х, δ_у – толщина стенок сечения, м; δ₀ – толщина теплоизоляционного слоя, м;

в) для теплоизолированных стержней круглого сечения:

(5.15)

где: d_н – наружный диаметр сечения, м; δ_м – толщина стенки сечения, м;

г) для теплоизолированных стержней двутаврового сечения приведенная толщина полки:

(5.16)

где: l – толщина полки, м;

д) для теплоизолированных стержней двутаврового сечения приведенная толщина стенки:

(5.17)

где: d – толщина стенки, м; h – высота стенки, м.

2. Рассчитываем плотность сухого γ_с и влажного γ_в материала теплоизоляционного слоя:

(5.18)

где: Р – весовая влажность сухого материала, %.

3. Выбираем для дальнейшего расчета произвольно момент времени.

5. По рис.5.3 с учетом выбранного интервала времени и плотности материала определяем значение температуры поверхности Т_пов и среднее значение температуры Т_ср для каждого вида материала:

Т_ср =0,5(Т_пов + Т₀), (5.19)

5. Оцениваем среднее значение теплофизических характеристик материалов:

(5.20)

где: λ_ср – средний коэффициент теплопроводности сухого материала Вт/(м۰К); С_ср – средний коэффициент удельной теплоемкости сухого материала, кДж/(кг۰К). Величина С_ср определяется по формуле 5.7.

Рис.5.3. Изменение температуры поверхности конструкций из материалов с различной плотностью

6. Рассчитываем число Фурье:

(5.21)

7. Находим значение параметра N:

(5.22)

8. Для рассчитанных F ₀ и N определяем значение безразмерного параметра Ө (рис.5.4).

Рис.5.4. Распределение относительной избыточной температуры в теплоизолированной металлической конструкции

9. По формуле 5.22 для заданного промежутка времени устанавливаем температуру металла.

Расчет по пунктам 3-9 повторяется с учетом новых интервалов времени до того момента, когда температура конструкции достигнет критического значения Т_кр. Следовательно, время достижения критической температуры и будет пределом ее огнестойкости.

Предложенная методика для оценки предела огнестойкости конструкций проста, требует малых затрат времени и дает возможность разработать меры профилактики.