Огнестойкость трубобетонных конструкций

Зайцев Михаил Борисович — Mon, 27 Apr 2015 14:06:10 +0000

Пожары и взрывы причиняют значительный материальный ущерб и в ряде случаев вызывают тяжелые травмы и гибель людей. Ущерб от пожаров и взрывов в промышленно развитых странах превышает 1 % национального дохода и имеет тенденцию постоянного роста. В России также происходит ежегодное увеличение количества пожаров и убытков от них. В то же время отмечается снижение внимания проектных организаций к выполнению противопожарных требований норм в процессе проектирования и контроля за их выполнением при строительстве и реконструкции зданий [1].
Согласно СНиП 21-01-97* «Пожарная безопасность зданий и сооружений», здания и сооружения, выделенные противопожарными стенами и перекрытиями, подразделяются по степеням огнестойкости, классам конструктивной и функциональной пожарной опасности.
Степень огнестойкости здания и сооружения определяется пределом огнестойкости его железобетонных несущих и ненесущих конструкций. Предел огнестойкости железобетонной конструкции устанавливается по времени (в минутах) наступления одного или двух нормирующих для данной конструкции признаков предельных состояний: потерей несущей способности, потерей теплоизолирующей способности, а также проверки по потере целостности – возможности взрывоопасного разрушения влажного бетона при огневом воздействии.
Класс конструктивной пожарной опасности определяется степенью участия железобетонной конструкции в развитии пожара и образованием его опасных факторов. Класс функциональной пожарной опасности здания и сооружения и их частей определяется назначением и особенностями размещаемых технологических процессов.
Под огнестойкостью понимают способность строительной конструкции сопротивляться воздействию высокой температуры в условиях пожара и выполнять при этом свои обычные эксплуатационные функции.
Бетон представляет собой, как известно, искусственный камень. Для получения монолитного твердого бетона очень важным является количество воды, которым затворяется смесь из заполнителей и цемента. Количество воды для приготовления бетонной смеси оценивается водоцементным отношением, т.е. отношением взвешенного количества воды к количеству цемента в единице объема бетонной смеси. Для химического соединения воды с цементом необходимо, что бы водоцементное отношение было 0,2. Однако, по техническим соображениям – для достижения достаточной подвижности бетонной смеси – количество воды берут с некоторым избытком. Так, подвижные бетонные смеси, заполняющие форму под влиянием текучести, имеют водоцементное отношение 0,5-0,6, а жесткие бетонные смеси, заполняющие форму под влиянием механической виброобработки, имеют это отношение 0,3-0,4 [2]. Следовательно, в бетоне всегда имеется избыточная, химически несвязанная вода. Часть этой воды впоследствии вступает в химическое соединение с менее активными частицами цемента, а часть заполняет многочисленные поры и капилляры в цементном камне и полостях между зернами крупного заполнителя.
Обычно в бетонах заполнители занимают до 80 % всего объема, а на объем цементного камня – не менее 20 % . Микро – и макропоры занимают до 40 % объема цементного камня или около 8 % от всего объема бетона [4].
Таким образом, структура бетона оказывается весьма неоднородной. Она образуется в виде пространственной решетки из цементного камня, заполненной зернами песка и щебнем различной крупности, пронизанного большим числом пор и капилляров, которые содержат химически несвязанную воду, водяные пары и воздух. Физически бетон представляет собой капиллярно-пористый материал, в котором нарушена сплошность массы и присутствуют три фазы – твердая, жидкая и газообразная [2].
Всесторонние исследования трубобетона приходятся на 50-60 гг. XX-го столетия [3].
На рис.1 представлен трубобетонный элемент с различными способами армирования.
Трубобетон экономичнее железобетона из-за отсутствия опалубки, кружал, хомутов, отгибов, петель, закладных деталей; он более вынослив, менее подвержен механическим повреждениям.

Рис. 1 Трубобетонный стержень

а) — без дополнительного армирования бетонного ядра; б) — дополнительное армирование гибкой арматурой; в) — дополнительное армирование жесткой арматурой в виде трубы;
г) — дополнительное армирование жесткой арматурой в виде уголков; д) — дополнительное армирование жесткой арматурой в виде дутавра.
Водоцементное отношение бетона составляет 0,35-0,6. Прочность бетонного ядра стесненного стальной оболочкой как обоймой, повышается примерно в 2 раза по сравнению с обычным бетонным образцом. Кроме этого, исследованиями установлено, что бетон в трубе набухает. Причиной набухания является отсутствие влагообмена между бетоном и внешней средой [3]. Но из этого также следует, что избыточная химически несвязанная вода не имеет возможности испаряться и находится в порах и капиллярах бетона.
Рассмотрим подробнее физический процесс, который будет проходить с водой при нагревании трубобетонной конструкции.
Согласно [4] в бетоне различают поры гелевые, контракционные и капиллярные. Гелевые поры образуются в результате испарения адсорбционно-связанной воды; капиллярные поры образуются в результате испарения химически несвязанной воды в процессе твердения бетона. Капиллярные поры занимают основную по объему часть порового пространства. При твердении бетона в замкнутом пространстве (в стальной обойме трубобетонных элементов) химически несвязанная и абсорбционно-связанная вода, занимая все поровое пространство, не имеет возможности испаряться. Только контракционные поры оказываются незаполненными водой, но, как следует из [4], объем их невелик по сравнению с объемом гелевых и капиллярных пор. Поэтому в бетоне трубобетонных элементов можно ожидать наличие свободной воды до 8 % от всего объема. Вода при нагревании превращается в пар и в результате повышается давление внутри стальной обоймы, что приводит к возникновению в ней растягивающих напряжений. При максимальных растягивающих напряжениях относительная деформация углеродистых сталей доходит до 15 %, что приводит к увеличению внутреннего объема обоймы (для трубчатых элементов такое увеличение составит 22,5%). Этот добавочный объем может заполняться паром.
Например, в трубобетонном элементе в 1 м³бетона может содержаться 0,08 м³ воды или примерно 80 кг. При нагревании воды в и превращении её пар, последний может занимать объём V = 0,08 + 0,225 = 0,305 м³.По уравнению Менделеева-Клапейрона[5]

РV = RT ,

откуда Р = RT = = 4,5 Па = 45 МПа ,
где Р – давление пара; m = 80 кг (масса воды); R = 8,31 Дж/мольK (универсальная газовая постоянная); T = 373K (абсолютная температура кипения воды); V = 0,305 м³(объем, занимаемый паром); = 18 кг/моль (масса моля воды).
Полученное давление способно разрушить стальную обойму. Например, в стальной трубе диаметром D = 300 мм и толщиной стенки = 3мм давление 45 МПа вызывает растягивающие напряжения равные

σ = ==2250 МПа.

Это напряжение почти на порядок выше предела прочности стали.Чтобы обеспечить возможность испарения химически несвязанной и абсорбционно-связанной воды в процессе твердения бетона, авторы предлагают устраивать в стальной оболочке отверстия. На рис.2 представлен строительный трубобетонный элемент, состоящий из перфорированной стальной гнутой оболочки, заполненной бетоном. Пожарная безопасность (огнестойкость) предложенного решения такая же, как у традиционных железобетонных конструкций, но значительно выше трубобетонных из-за наличия отверстий (перфораций).

Рис.2. Строительный трубобетонный элемент

Электронный научно-практический журнал «Современные научные исследования и инновации» » предел огнестойкости

Огнестойкость трубобетонных конструкций