§ 4. Краткие сведения об огнестойкости наиболее распространенных строительных конструкций

Стальные конструкции. Предел огнестойкости несущих стальных конструкций характеризуется временем, по истечении которого в условиях пожара происходит потеря их несущей способности в результате снижения до рабочих напряжений предела текучести стали при воздействии высоких температур.

Критическая температура для стальных конструкций зависит от качества стали, величины нагрузки и конструктивной схемы. Практи
ки
чески можно считать, что при нагреве стальных несущих конструкций (колонн, балок, ферм, прогонов и т. п.) до температуры 470—500° С произойдет их обрушение. Как видно из рис. 4.1, такая температура на поверхности стальных незащищенных конструкций может быть достигнута по истечении 5 мин. Для металлических защемленных конструкций (конструкции сварные, жестко заделанные) критическая температура еще меньше и находится в пределах 300° С.
Опыты и наблюдения за поведением стальных несущих конструкций показали, что огнестойкость их весьма незначительна. Незащищенные стальные конструкции уже по истечении нескольких минут разрушаются, увлекая за собой другие конструктивные элементы. Обрушения стальных конструкций сопровождаются зачастую человеческими жертвами и уничтожением значительных материальных ценностей. Наиболее крупные и массовые пожары в зданиях со стальными конструкциями произошли в Сан-Франциско и Балтиморе в начале XX века в результате землетрясения. Все здания со стальными конструкциями были разрушены. Анализ крупных пожаров в зданиях с незащищенными стальными конструкциями подтвердил, что их пределы огнестойкости не превышают 0,25 ч.
Металлические конструкции, будучи жестко связанными с кирпичными стенами, увлекают их при обрушении и существенно снижают предел огнестойкости последних.
В результате такой особенности стальных незащищенных конструкций нормы проектирования ограничивают их применение.
В зданиях с применением значительных количеств горючих веществ, где продолжительность пожара заведомо может превышать 20—30 мин, стальные конструкции применяют, если приняты меры по их огнезащите и повышению предела огнестойкости.
Одним из методов повышения огнестойкости стальных конструкций является их облицовка или оштукатуривание. Преимуществом пользуются облицовочные материалы, обладающие минимальным весом и минимальным коэффициентом температуропроводности. Оштукатуривание плоских конструкций слоем штукатурки толщиной 20—25 мм повышает их предел огнестойкости до ^ а ребристых конструкций и колонн — до 0,75 ч. Облицовка колонн обыкновенным глиняным кирпичом толщиной 6,5 см повышает их предел огнестойкости до 2 ч (см. рис. 4.4, г, д и е). Применение более эффективных !материалов позволяет существенно увеличить предел огнестойкости. Так, при облицовке колонн гипсовыми плитами толщиной 6 и 8 см их предел огнестойкости повышается соответственно до 3,3 и 4,8 ч. В последнее время появились краски, которые предохраняют металлические конструкции от коррозии, а при пожаре вспучиваются и в результате повышения их термического сопротивления повышают предел огнестойкости конструкций.
Для защиты стальных конструкций от действия высоких температур применяют различного рода экраны из несгораемых и трудносгораемых материалов. Так, например, подвесные потолки, выполненные из несгораемых или трудносгораемых материалов, являются хорошим экраном для несущих металлических конструкций покрытий. Хорошие результаты в некоторых случаях дает также охлаждение металлических конструкций водой.
При проектировании металлических конструкций избегают их сочетания со сгораемыми материалами (древесина, пластмассы и др.). Это также позволяет увеличить их предел огнестойкости.
Из теории огнестойкости вытекает, что с уменьшением нагрузки и температуры на пожаре пределы огнестойкости конструкций могут быть существенно увеличены. Кроме того, надо учитывать, что существенное влияние на предел огнестойкости конструкций оказывает их статическая схема.
Железобетонные конструкции. Предел огнестойкости железобетонных конструкций зависит от многих обстоятельств. Так, потеря несущей способности центральносжатых конструктивных эле_ментов (колонны, стойки и т. п.) происходит в результате уменьшения их сечения до определенных критических значений. Поэтому при прочих равных условиях (нагрузка, теплотехнические показатели материала) предел огнестойкости колонн определяют с учетом наименьшего размера поперечного сечения. Пределы огнестойкости железобетонных колонн принимают такими же, как и для колонн, выполненных из других каменных материалов, и колеблются от 2 ч при сечении 20x20 см до 3,5 ч при сечении 30X50 см (см. рис. 4.4, б).
При внецентренно сжатых колоннах потеря несущей способности в условиях пожара может наступить в результате нагрева растянутой арматуры до критических температур. В таких случаях предел огнестойкости внецентренно сжатых колонн может быть определен как для балок.
Потеря несущей способности изгибаемых свободно опертых разрезных элементов плит, балок и т. п. наступает от нагрева растянутой арматуры до критических температур. Величина критической температуры принимается при практических расчетах в зависимости от класса арматуры: 450° — для холоднотянутой высокопрочной проволоки диаметром 2—3 мм с временным сопротивлением разрыву 18 000 кГ/см2\ 470° — для арматурной стали из горячекатаной проволоки марки Ст. 3; 500°—550° С — для низколегированной стали марки 30ХГ2С и 25Г2С. Поэтому при определении пределов огнестойкости изгибаемых элементов учитывают вид арматуры и толщину ее защитного слоя.
Особенностью поведения статически неопределимых (неразрезных) железобетонных конструкций является то, что в условиях действия высоких температур в них происходит перераспределение усилий, причем нижняя зона оказывается полностью сжатой, а верхняя растянутой. Потеря несущей способности статически неопределимых железобетонных конструкций наступает в результате выхода из строя верхней растянутой арматуры и уменьшения сечения сжатой зоны бетона. Предел огнестойкости таких конструкций по данным ВНИИПО МВД СССР в два раза больше разрезных конструкций.
Если железобетонные конструкции здания или сооружения (колонны, плиты, прогоны) имеют различные пределы огнестойкости, то принимают в расчет наименьший. Пределы огнестойкости изгибаемых конструкций колеблются от 0,75 до 1,5 ч. Предел огнестойкости железобетонных конструкций может быть увеличен за счет толщины защитного слоя арматуры у изгибаемых элементов. Вместо увеличения толщины защитного слоя арматуры при необходимости прибегают к оштукатуриванию или облицовыванию поверхностей железобетонных конструкций несгораемым теплоизоляционным материалом.
Хорошо себя зарекомендовали такие материалы, как вермикулит, асбестовермикулит, перлит и др.
Предел огнестойкости предварительно напряженных железобетонных конструкций можно считать примерно таким же, как и у конструкций с обычной арматурой. Однако следует иметь в виду, что прогрев предварительно напряженной арматуры до температуры, равной 250— 300° С, способствует образованию необратимых прогибов, при которых дальнейшая эксплуатация конструкций становится невозможной.
Каменные конструкции. Конструкции, выполненные из обыкновенного глиняного кирпича, обладают высоким пределом огнестойкости, который обусловливается высокой критической температурой кирпича и значительным сечением стен, перегородок и столбов. Отличаются эти конструкции и хорошей ,термической стойкостью. Поливка кирпичных конструкций в условиях пожара водой не оказывает существенного влияния на изменение их целостности. Критическая для прочности кирпичной кладки температура находится в промежутке между температурой обжига и температурой плавления (в пределах 1000°С).
По критической температуре обыкновенный глиняный кирпич занимает первое место среди прочих строительных материалов. При этом существенно заметить, что до наступления критических температур прочность кирпича не претерпевает существенных изменений. Эти высокие качества глиняного кирпича предопределили его использование для кладки печей и дымоходов.
Критическая температура-у силикатного кирпича существенно ниже, чем у глиняного, и находится в пределах 650—700° С. Основной причиной снижения прочности силикатных изделий следует считать диссоциацию Ca(OH)2 при температуре 547—600° С с увеличением в объеме SiO2 при температуре 573° С. He взирая на существенную разницу в критических температурах глиняного и силикатного кирпича пределы огнестойкости конструкций, выполненных из этих материалов, принимаются одинаковыми. Объясняется это тем, что теплотехнические показатели этих материалов одинаковы, а пределы огнестойкости для ограждающих конструкций определяют чаще всего по прогреву необогреваемой поверхности.
К силикатному кирпичу по причинам разрушения приближается бетон, который имеет критическую температуру, близкую к 650° С при заполнителе из известняка и несколько ниже при гранитном заполнителе. Пределы огнестойкости стен и перегородок, выполненных из названных выше материалов, приняты 0,75 ч при толщине ограждающих конструкций 6,5 см и И ч при толщине 38 см.
Известняк (CaCO3) начинает разлагаться на окись кальция и углекислый газ при температуре порядка 850—900° С; эта температура и принимается в качестве критической для его прочности. Несколько ниже критическая температура у гранита и находится в пределах порядка 650° С.
Пределы огнестойкости несущих конструкций, выполненных из гранита и известняка, а также легкобетонных камней, пустотелых шлакобетонных блоков, облегченных кирпичных кладок принимаются на 35—40% меньше, чем у кирпичных конструкций.
Широкое применение для конструкций перегородок нашел гипс (CaSO4 • 2Н20), при температуре порядка 170° С он превращается в полуводный гипс (при этом значительно теряется его прочность). Однако, учитывая, что гипс используется главным образом в ненесущих конструкциях, при определении пределов огнестойкости учитывают не потерю несущей способности, а прогрев необогреваемой поверхности. Сплошные перегородки гипсовые, гипсошлаковые и гипсоволокнистые при содержании органической массы до 8% по весу имеют предел огнестойкости, равный 1,3 ч при толщине 5 см и 2,7 ч при толщине 10 см. Предел огнестойкости пустотелых гипсовых перегородок снижают на 30%. Это объясняется тем, что коэффициент температуропроводности таких перегородок существенно увеличивается.

Деревянные конструкции. Деревянные конструкции представляют большую пожарную опасность. Достаточно нагреть их поверхность до температуры 270—280° С, как они воспламеняются и продолжают самостоятельно гореть.
Пожары в деревянных зданиях или в зданиях, загруженных древесиной, носят затяжной характер и сопровождаются значительными тепловыделениями и температурами. Значительная поверхность деревянных конструк-
ций и вес, достигающий 100—150 кГ]м2, способствуют этому. Наличие пустот в конструкциях и развитая поверхность горения способствуют быстрому распространению пожара. Особо опасны деревянные каркасно-обшивные, а также каркасно-щитовые конструкции. Фронт огня при пожарах деревянных зданий значителен. Количество энергии, излучаемое факелом пламени на смежные здания, настолько значительно, что они воспламеняются. Поэтому при проектировании и эксплуатации деревянных зданий и отдельных конструкций принимают меры к их огнезащите.
Меры огнезащиты деревянных конструкций являются в нашей стране обязательными и узаконены нормами проектирования.
Основными 'нормативными документами, которыми руководствуются при проектировании и эксплуатации зданий с деревянными конструкциями, являются: а) «Защита строительных конструкций от гниения и возгорания. Правила производства и приемки работ» — СНиП III-B. 8-69; б) «Материалы для защиты деревянных конструкций от гниения, поражения древоточцами и возгорания» — СНиП I-B. 28—62.
Имеются также специальные указания по защите деревянных конструкций в других главах СНиПа, относящихся к проектированию зданий различного назначения.
Различают следующие средства огнезащиты древесины по убывающей степени эффективности. В первую очередь необходимо отметить штукатурки и облицовки из несгораемых материалов, которые задерживают воспламенение древесины на 15—20 мин и замедляют распространение пожара по деревянным конструкциям. Из имеющихся видов штукатурки предпочтение отдается известково-цементной толщиной 20 мм или равноценных ей по термическому сопротивлению (асбестоцементные листы, гипсовая штукатурка и др.). Защищенные такой штукатуркой деревянные конструкции относятся к трудносгораемым (см. рис. 4.4, ж и з).
Весьма эффективна огнезащита деревянных конструкций антипиренами. Антипирены представляют собой химические средства, предназначенные для придания древесине невозгораемости. К числу наиболее известных антипиренов относятся: фосфорнокислый аммоний
(NH4)2НРО4 — двузамещенный или (NH4) H2PO4 — од- нозамещенный, сернокислый аммоний (NH4)2eSO4 и бура Na2B4O7- IOH2O. Эти вещества хорошо растворяются в воде, и в растворенном виде ими пропитывают древесину. Наибольший эффект достигается, если древесина поглотила антипиренов до 75 кг/м3. В этом случае древесина считается трудносгораемой. Такой вид пропитки называется глубоким и осуществляется в специально предназначенных для этой цели установках. Установки представляют собой пропиточные цилиндры-автоклавы емкостью от 2 до 70 ж3, в которые вводят на вагонетках деревянные детали. Затем в автоклавы вводится под давлением 10—15 ат раствор антипирена, в течение 10— 15 ч впитываемый в древесину. На современных домостроительных комбинатах предусматриваются специальные цеха по огнезащитной обработке древесины. *
Наряду с глубокой пропиткой древесины существуют средства ее поверхностной обработки. При поверхностной обработке древесина покрывается растворами антипиренов с расходом сухой соли не менее 100 г на I ж2 обрабатываемой поверхности. К поверхностной обработке относится также способ покрытия деревянных конструкций огнезащитными красками. Способы глубокой пропитки и поверхностной обработки деревянных конструкций, рецептура, правила приемки, а также случаи обработки деревянных конструкций приведены в СНиП B. 8—68.
Кроме огнезащиты деревянных конструкций, предусматривают конструктивные решения, которые снижают интенсивность их горения на пожарах и ограничивают распространение пожара. К числу таких решений относятся: уменьшение количества сгораемых веществ в'конструкции путем замены сгораемых заполнителей на несгораемые, исключение пустот в деревянных конструкциях и устройство диафрагм и отсыпок в пустотах, которые являются неизбежными по эксплуатационным или конструктивным соображениям.
Особое внимание уделяют конструктивным'решениям при проектировании деревянных каркасных зданий. В этом случае сгораемое заполнение, как правило, недопустимо в общественных зданиях.
Конструкции из пластмасс. Пластмассы и полимеры находят все большее применение в различных строительных конструкциях.
Широкое распространение получили пластмассы в качестве теплоизоляционных, акустических и отделочных материалов. Однако имеются все предпосылки, дающие ¦основания полагать, что в ближайшие годы пластмассы найдут широкое применение не только в самонесущих, но и в несущих конструкциях. При проектировании и эксплуатации конструкций из пластмасс или с применением пластмасс необходимо учитывать их поведение при воздействии температур в условиях возможного пожара.
Большая часть пластмасс содержит три основные группы веществ: синтетические, искусственные и природные смолы, которые в сложных (композиционных) пластмассах являются связующими; наполнители и пластификаторы.
Помимо указанных трех составных частей пластических масс, в них могут вводиться красители, смазывающие вещества (для устранения прилипаемости во время переработки), антиоксиданты (вещества, повышающие стойкость пластмасс к старению под влиянием кислорода воздуха и солнечных лучей) и др.
Пластмассы могут также состоять только из одного связующего (ненаполненные).
При оценке поведения пластмасс при действии высоких температур различают их отношение к действию тепловых источников с точки зрения возможных изменений физико-механических и химических свойств при нагревании и их способности воспламеняться и гореть открытым пламенем.
Первое свойство пластмасс называется теплостойкостью, а второе — возгораемостью. С точки зрения теплостойкости различают смолы термореактивные и термопластичные. Термореактивными называют такие смолы, которые при нагреве или вследствие химических преобразований необратимо переходят в неплавкое и нерастворимое состояние. Термопластичными называют смолы с обратимым изменением свойств. Размягчаясь при нагревании, эти смолы вновь отвердевают при охлаждении.
Все применяемые до настоящего времени жесткие термопласты размягчаются при температуре ниже 100° С. Только для отдельных видов пластмасс, состоящих из органических и неорганических элементов, удалось повысить физическую и химическую теплостойкость почти до 300° С.
Возгораемость пластмасс зависит от физической и химической структуры смолы, вида наполнителя и клеящего вещества, степени уплотнения пластической массы, соотношения площади поверхности поджигаемого вещества к его объему и мощности теплового источника. Полагают, что ряд смол, содержащих галоидопроизводные (поливинилхлорид, фторопласты, карбамидные смолы), являются трудновоспламеняемыми [*], или, по терминологии некоторых авторов, самозатухающими, гаснущими или слабогорящими.
Полиэтиленовые и полистирольные смолы являются сгораемыми. Предел огнестойкости конструкций из пластмасс, учитывая приведенные выше соображения, может йсчисляться всего несколькими минутами. Поэтому, чтобы повысить их предел огнестойкости, такие конструкции следует защищать несгораемыми материалами.
Так, например, пластмассы нашли применение5 в навесных панелях, являющихся ограждающими конструкциями в зданиях. Они представляют собой каркас (обвязку), выполненный чаще всего из асбестоцементных или деревянных брусков, заполненный пластмассой (пенопластом) и обшитый с обеих сторон листовым материалом— асбестоцементными плитами толщиной 6, 8, 10 мм; алюминиевыми листами толщиной I мм; стеклопластиком толщиной 3 мм; сухой гипсовой штукатуркой толщиной 10 мм или гипсоволокнистыми плитами.
При сгораемом заполнителе и при перечисленных выше облицовочных материалах навесные панели не могут быть отнесены к трудносгораемым конструкциям, так как асбестоцементные листы и гипсовая штукатурка разрушаются в условиях пожара через 3—4 мин, а стеклопластик на полиэфирной основе относится к горючим материалам.
Таким образом, применение заполнителей из пено- пластов в конструкциях зданий возможно при применении обшивок с большими термическим сопротивлением и термостойкостью.
Для трудносгораемых панелей толщина обшивки должна быть выбрана из условия, чтобы при стандартном режиме пожара температура на поверхности пенопласта не превышала температуры его размягчения (порядка 100° С не менее чем через 20 мин).
Изложенное в равной степени может быть отнесено и к сотопластам.
Требованиям пожарной безопасности в большей мере отвечает применяемый в качестве заполнителя минеральный войлок с содержанием связующего вещества (фенольной смолы) не свыше 15% по отношению к весу самой плиты. Предел огнестойкости навесной панели с заполнителем из такого минерального войлока при асбестоцементной обшивке и асбестоцементном каркасе равен 2 ч.
Крепление обшивки к каркасу в навесных панелях с помощью синтетических клеев (на основе эпоксидных, фенолформальдегидных, полиэфирных смол) является ненадежным. Вместо приклеивания следует предусматривать крепление облицовки болтами, шурупами и другими более надежными способами.
Учитывая, что большинство пластических материалов при горении или при воздействии на них высокой температуры выделяет токсичные вещества, опасные для жизни людей, следует проявлять особую осторожность, а лучше вообще избегать применения их в качестве отделочных и акустических материалов, в особенности для общественных зданий и зданий с массовым пребыванием людей. Достаточно привести такой пример — при горении I кг пенополиуретана в I мъ воздуха выделяется цианистого водорода (синильной кислоты) и толуиленди- изоцианата более чем в десять раз выше смертельной дозы.
Следует также иметь в виду, что применение в качестве акустических и отделочных материалов сгораемых древесностружечных, древесноволокнистых плит возможно производить лишь в тех случаях, когда приняты дополнительные меры обеспечения пожарной безопасности (отсутствие пустот между стенками и плитами, огнезащитная обработка плит и т. д.).

<< | >>

↑

Источник: М. В. Алексеев, П. Г. Демидов, М. Я. Ронтман, II. А. Тарасов-Агалаков. Основы пожарной безопасности. Учеб. пособие для высших учебных заведений. 1971

Еще по теме § 4. Краткие сведения об огнестойкости наиболее распространенных строительных конструкций:

- Основы БЖД - Пожарная безопасность - Чрезвычайные ситуации - Школа выживания -