Рекомендации по защите бетонных и железобетонных конструкций от хрупкого разрушения при пожаре. 1979

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА (НИИЖБ)
ГОССТРОЯ СССР

РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ЗАЩИТЕ БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ОТ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ ПРИ ПОЖАРЕ

1979

Рекомендованы к изданию решением секции теории бетона и железобетона Ученого совета НИИЖБ Госстроя СССР.

Рекомендации содержат основные положения по защите бетонных и железобетонных конструкций от хрупкого разрушения при пожаре. Рассмотрены причины этого вида разрушения, методы оценки хрупкости бетона при нагреве; приведена методика проверки возможности хрупкого разрушения бетона, бетонных и железобетонных конструкций при пожаре, а также технологические и конструктивные мероприятия по их защите от хрупкого разрушения.
Предназначены для инженерно-технических работников проектных и научно-исследовательских организаций.


ПРЕДИСЛОВИЕ

В последние годы при пожарах все чаще наблюдается хрупкое разрушение бетона в бетонных и железобетонных конструкциях. Объясняется это тем, что в строительстве шире стали применяться конструкции из бетонов повышенной прочности или прошедших тепловлажностную обработку, с тонкостенными и предварительно напряженными элементами.
В связи с этим в нашей стране (в НИИЖБ, ВНИИПО, НИПИсиликатобетон, ВНИИстром, МИСИ) и за рубежом были проведены значительные экспериментальные и теоретические исследования по изучению хрупкого разрушения бетона при пожаре.
Рекомендации разработаны на основании результатов этих исследований НИИЖБ Госстроя СССР (доктором техн. наук профессором К.Д. Некрасовым, канд. техн. наук В.В. Жуковым и инж. В.Ф. Гуляевой).
Целью настоящей работы является оказание помощи специалистам при разработке новых видов бетонных и железобетонных конструкций, в которых возможность хрупкого разрушения бетона при пожаре была бы уменьшена или исключена. Рекомендации могут быть использованы также для анализа причин хрупкого разрушения бетона при огневых испытаниях и при пожаре.
Замечания и предложения просьба направлять по адресу: Москва, 109389, 2-я Институтская, д. 6, НИИЖБ.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. При пожаре в зданиях и сооружениях, в которых применяются бетонные и железобетонные конструкции, возможно хрупкое разрушение бетона. Разрушение бетона происходит внезапно, быстро и поэтому является наиболее опасным.
1.2. Хрупкое разрушение бетона начинается, как правило, через 5-20 мин от начала огневого воздействия и проявляется как откол от нагреваемой поверхности конструкции кусков бетона в виде площадок площадью примерно от 1 см2 до 0,5-1 м2 и толщиной от 1 мм до 5 см. Разрушение бетона может продолжаться в течение всего огневого воздействия до полного разрушения конструкции.
Хрупкое разрушение бетона может сопровождаться звуковым эффектом в виде легкого хлопка, треска различной интенсивности или "взрыва". При хрупком разрушении бетона возможен разлет кусков весом до нескольких килограммов на расстояние до 10-20 м.
1.3. Хрупкое разрушение бетона при пожаре может очень быстро привести к разрушению бетонных или железобетонных конструкций. В этом случае предел огнестойкости конструкций может оказаться значительно ниже требуемого вследствие уменьшения размера бетонного сечения конструкции, уменьшения толщины или
полной ликвидации защитного слоя рабочей арматуры, а также образования сквозного отверстия. Уменьшение размера поперечного сечения несущей вертикальную нагрузку колонны или панели при их одностороннем нагреве приводит к увеличению напряжений в оставшейся части сечения как за счет снижения величины ее площади, так и за счет появления дополнительного изгибающего момента (рис. 1).
Уменьшение толщины или откол защитного слоя несущей арматуры в железобетонных балках приводит к быстрому прогреву этой арматуры до критической температуры (500-700 °С) и разрушению конструкции (рис. 2).
Уменьшение толщины ограждающей конструкции приводит к резкому увеличению температуры ее ненагреваемой поверхности до критической (180-220 °С) и в результате - к достижению предела огнестойкости конструкции.



Рис. 1. Влияние хрупкого разрушения бетона на предел огнестойкости несущей железобетонной панели при одностороннем воздействии огня
a - схема панели с нагрузкой (Р); б - график зависимости температуры внутри помещения (Тп) при пожаре от времени (t);
1 - панель; 2 - отколовшийся кусок бетона; t1 - предел огнестойкости панели при хрупком разрушении бетона; t2 - то же, без хрупкого разрушения бетона; - температура в помещении в момент t1; - то же в момент t2

Вследствие хрупкого разрушения бетона в ограждающей конструкции сразу или через некоторое время может появиться сквозное отверстие и конструкция не будет являться преградой распространению огня из одного помещения в другое (рис. 3). При появлении сквозного отверстия в конструкции достигается предел ее огнестойкости.
1.4. При пожаре очень часто начало хрупкого разрушения бетона не совпадает с разрушением всей конструкции, происходящим значительно позже. В ряде случаев, несмотря на хрупкое разрушение бетона, конструкция еще длительное время может сопротивляться воздействию огня. При этом предел ее огнестойкости может быть вполне достаточным и удовлетворять требованиям нормативных документов.
При оценке последствии хрупкого разрушения бетона при пожаре и влияния его на предел огнестойкости бетонных и железобетонных конструкций необходимо в каждом конкретном случае рассматривать возможность разрушения и предел огнестойкости каждой отдельной конструкции.
1.5. Хрупкое разрушение бетона при пожаре наиболее опасно для несущих конструкций, особенно для конструкций с небольшим поперечным сечением, воспринимающих большие нагрузки. Их преждевременное разрушение может вызвать обрушение других конструкций или здания (сооружения) в целом. Особое внимание следует обратить на возможность хрупкого разрушения бетона несущих колонн и панелей нижних этажей и подвалов многоэтажных зданий.



Рис. 2. Влияние хрупкого разрушения бетона на предел огнестойкости несущей железобетонной балки
а - схема балки; б - график зависимости температуры внутри помещения и температуры рабочей арматуры от времени; 1 - балка; 2 - рабочая арматура; 3 - отколовшийся кусок бетона;
4 - зависимость температуры внутри помещения от времени; 5 - то же, арматуры при хрупком разрушении бетона; 6 - то же, арматуры без хрупкого разрушения бетона


Рис. 3. Влияние хрупкого разрушения бетона на предел огнестойкости ограждающей железобетонной конструкции
а - схема ограждающей конструкции; б - график зависимости температуры внутри помещения А, где произошел пожар, от времени; 1 - потолок (перекрытие); 2 - пол;
3 - ограждающая конструкция; 4 - отколовшийся кусок бетона; А, В - помещения, которые разделяет конструкция; 7 - зависимость температуры внутри помещения А от времени; 8 - то же, при хрупком разрушении бетона; 9 - то же, на поверхности ограждающей конструкции со стороны помещения Б, когда нет хрупкого разрушения бетона

1.6. Причиной хрупкого разрушения бетона при пожаре является переход уже существующих до нагрева или вновь образовавшихся при нагреве трещин в структуре бетона из равновесного состояния в неравновесное и спонтанное их развитие (рис. 4) под действием напряжений.



Рис. 4. Схема распределения напряжений у трещины, вызывающей откол бетона при его хрупком разрушении
1 - поперечное сечение бетонного элемента; 2 - трещина; 3 - траектория движения трещины; 4 - эпюра температур; ?р - растягивающие напряжения от фильтрации пара; ?сж - сжимающие напряжения от неравномерного распределения температуры по толщине сечения элемента и от внешней нагрузки; h - толщина элемента


Рис. 5. Диаграмма состояния бетона
R?T - относительные напряжения в начале образования новых трещин; R?T - относительные напряжения в начале развития магистральных трещин; I - точка максимальных напряжения;
II - точка неустойчивого состояния бетона; 1 - восходящая ветвь диаграммы состояния бетона; 2 - то же, нисходящая; 3 - деформация ребер или элементов заделки тонкостенной конструкции после перехода бетоном точки максимальных напряжений; ?1 - относительные деформации в момент появления новых трещин; ?2 - то же, в начале развития магистральных трещин, R - относительные напряжения; ? - относительные деформации

1.7. Хрупкость бетона характеризуется величиной ?Rу (рис. 5), равной разности относительных напряжений в параметрических точках О.Я. Берга* на диаграмме состояния бетона
___________________
* Берг О. Я. Физические основы теории прочности бетона и железобетона. М., Госстройиздат, 1962.
Гвоздев А. А. Структура бетона и некоторые особенности его механических свойств. - В кн.: Прочность, структура, изменения и деформации бетона. М., Стройиздат, 1978.

, (1)
где ?Rх - характеристика хрупкости бетона;
- относительное напряжение в начале образования новых трещин;
- относительное напряжение в начале развития магистральных трещин.
Чем меньше величина ?Rх, тем больше опасность хрупкого разрушения бетона при пожаре. Следовательно, чем раньше в бетоне появляются новые трещины (т.е. чем меньше величина ), тем бетон менее хрупок.
Наиболее хрупкой составляющей бетона является цементный камень. Мелкий и крупный заполнители делают бетон менее хрупким, так как способствуют появлению мелких трещин на стадии изготовления, транспортирования и хранения конструкций и препятствуют развитию крупных магистральных трещин при загружении внешней нагрузкой (включая и собственный вес конструкции) и нагреве.
1.8. При анализе хрупкого разрушения бетона при пожаре можно использовать основные положения механики хрупкого разрушения. В этом случае характеристикой бетона при его хрупком разрушении является коэффициент псевдоинтенсивности напряжений в устье трещины (К1) равный
, (2)
где K1 - коэффициент интенсивности напряжений однородного материала, Мн м-3/2;
- коэффициент псевдоинтенсивности напряжений неоднородного материала, Мн · м-3/2;
b - положительная функция, учитывающая влияние заполнителей в бетоне на развитие трещины (аналогично влиянию зоны пластичности в пластичных материалах), Мн · м-3/2.
Чем больше значение К?1, тем материал лучше сопротивляется развитию в нем трещин.
Для экспериментального определения величины К?1 можно пользоваться существующей методикой *.
________________
* Черепанов Г. П. Механика хрупкого разрушения. Изд. "Наука", М., 1974 (с. 192, табл. 4.1, п. 4);
Kiyoshl Okada and Wataru Koyanagi. Effect of aggregate on the fracture process of concrete. Proc. Int. Conf. Mech. Behav. Mater. Kyoto, 1972, vol. 4, p. 72-83.

Коэффициент псевдоинтенсивности напряжений ( ) пропорционален характеристике хрупкости бетона (?Rх); оба эти показателя связаны с эффективной поверхностной энергией и вязкостью разрушения бетона. Эти параметры являются характеристиками, оценивающими сопротивление бетона (как материала) хрупкому разрушению.
1.9. Хрупкое разрушение бетона является также следствием действия на него напряжений, вызванных нагревом и внешней нагрузкой и приводящих к переходу трещины из равновесного в неравновесное состояние.
При пожаре наибольшее влияние на хрупкое разрушение бетона оказывают: собственные температурные напряжения от градиента температуры по сечению элемента, напряжения от статической неопределимости конструкции, от внешней нагрузки и от фильтрации пара через структуру бетона.
1.10. Хрупкому разрушению бетона при пожаре может способствовать раскол при нагреве крупных заполнителей.
При анализе причин разрушения бетона и подборе состава бетона, который бы не разрушался при пожаре, необходимо проверить возможность разрушения крупного заполнителя по методике, приведенной в прил. 1.
1.11. Хрупкое разрушение тонкостенных элементов железобетонных конструкций при нагреве может произойти вследствие потерн устойчивости, которая связана с наличием в диаграмме состояния бетона падающей ветви. Эта потеря устойчивости происходит при
...