Пределы огнестойкости строительных конструкций

Огнестойкость конструкции – способность сохранять свои несущие и (или) ограждающие функции в условиях пожара (п. 3.1 СП 2 [5]).

Количественной характеристикой огнестойкости конструкций является предел огнестойкости – время от начала огневого испытания при стандартном температурном режиме до наступления одного из нормируемых для данной конструкции предельных состояний по огнестойкости (п. 5.2.1 СП 2 [5]).

Основными видами предельных состояний строительных конструкций по огнестойкости являются (ч. 2 ст. 35 123-ФЗ [2], п. 9 ГОСТ 30247.0[19]):

· потеря несущей способности вследствие обрушения конструкции или возникновения недопустимых деформаций (R);

· потеря целостности в результате образования в конструкциях сквозных трещин или отверстий, через которые на необогреваемую поверхность проникают продукты горения или пламя (Е);

· потеря теплоизолирующей способности вследствие повышения температуры на необогреваемой поверхности конструкции до предельных для данной конструкции значений (I).

Обозначение пределов огнестойкости конструкций согласно п. 10 ГОСТ 30247.0 состоит из условных обозначений нормируемых для данной конструкции предельных состояний и цифры, соответствующей времени достижения одного из этих состояний (первого по времени) в минутах.

Предел огнестойкости конструкции определяется как среднее арифметическое результатов испытаний двух образцов. При этом максимальное и минимальное значения пределов огнестойкости двух испытанных образцов не должны отличаться более, чем на 20 % (от большего значения). Если результаты отличаются друг от друга больше, чем на 20 %, должно быть проведено дополнительное испытание, а предел огнестойкости определяется как среднее арифметическое двух меньших значений. В обозначении предела огнестойкости конструкции среднее арифметическое результатов испытания приводится к ближайшей меньшей величине из ряда чисел: 15, 30, 45, 60, 90, 120, 150, 180, 240, 360 (п. 11 ГОСТ 30247.0, ч. 1 ст. 35 123-ФЗ [2]).

Например, R 120 – предел огнестойкости 120 минут по потере несущей способности; REI 30 – предел огнестойкости 30 минут по потере несущей способности, целостности и теплоизолирующей способности независимо от того, какое из трёх предельных состояний наступит ранее.

Для нормирования пределов огнестойкости несущих и ограждающих конструкций используют следующие предельные состояния (п. 8.2 ГОСТ 30247.1 [9]):

· для колонн, балок, ферм, арок и рам – только потеря несущей способности конструкции и узлов ­(R);

· для наружных несущих стен и покрытий – потеря несущей способности и целостности (R, E), для наружных ненесущих стен – E;

· для ненесущих внутренних стен и перегородок – потеря теплоизолирующей способности и целостности ­(E, I);

· для несущих внутренних стен и противопожарных преград – потеря несущей способности, целостности и теплоизолирующей способности (R, E, I).

Пределы огнестойкости строительных конструкций, в том числе с огнезащитой, определяются в условиях стандартных испытаний по методикам, установленным нормативными документами (ГОСТ 30247, ГОСТ Р 53307, ГОСТ Р 53308 и др.)[20] (ч. 9 ст. 87 123-ФЗ [2]).

Пределы огнестойкости строительных конструкций, аналогичных по форме, материалам, конструктивному исполнению строительным конструкциям, прошедшим огневые испытания, могут определяться расчётом (ч. 10 ст. 87 123-ФЗ [2]).

Следует обратить внимание, что предел огнестойкости характеризует поведение конструкции только в условиях стандартных испытаний; время до потери конструкцией своих несущих или ограждающих функций в условиях «реального» пожара может отличаться от её предела огнестойкости.

Ранее методики испытания конструкций на огнестойкость регламентировались стандартом СТ СЭВ 1000-78[21] и пределы огнестойкости измерялись в часах (кратно четверти часа).

Стандартный температурный режим. Для обеспечения сопоставимости результатов испытаний различных конструкций на огнестойкость, выполненных в различных лабораториях, международный стандарт ИСО 834-75 и составленный на его основе ГОСТ 30247.0-94 предписывают проводить их при некотором условном температурном режиме, названным «стандартным».

Стандартное тепловое воздействие на конструкцию создаётся сжиганием соответствующего вида топлива в объёме испытательной печи и контролируется по изменению температуры во время испытаний t,°C по закону, заданному в виде непрерывно возрастающей логарифмической функции времени t, мин:

t = 345 lg (8t + 1) + t ₀ , (2.2)

где t ₀ – начальная температура (обычно t ₀ = 20°C).

Стандартный температурный режим в большинстве случаев не соответствует температурным режимам «реальных» пожаров, которые могут быть весьма разнообразны как по значениям температур, так и по длительности воздействия (рис. 2.1). Стандартный температурный режим является неубывающим и не отражает начальную и затухающую стадии пожара. Параметры стандартного температурного режима не учитывают реальную величину пожарной нагрузки, объём помещений и площадь проёмов в ограждениях.

В США и Великобритании стандартный температурный режим (2.2) определяется как «целлюлозный» пожар; он наиболее близко соответствует температурному режиму пожара в сравнительно небольших по объёму помещениях жилых и административных зданий при горении пожарной нагрузки из целлюлозосодержащих материалов (древесина, бумага, текстильные материалы).

Кроме того, стандартизированы ещё несколько температурных режимов, в частности, так называемый «углеводородный» пожар (например, стандарт UL 1709, Underwriters Laboratory, США), соответствующий горению нефти, нефтепродуктов или природного газа. Этот режим используется при оценке огнестойкости конструкций железнодорожных и автомобильных тоннелей, а также наружных технологических установок нефтегазового комплекса. При испытании по «углеводородному» режиму температура в огневой камере уже через 5 минут достигает 1000°С, а стремительный рост температуры сопровождается реактивным ударом факела пламени по вышележащим горизонтальным конструкциям.

tНСП

Рис. 2.1. Стандартный температурный режим (1) и температурные режимы «реальных» пожаров (2а, 2б, 2в); t_НСП – продолжительность начальной стадии пожара

Следует заметить, что наличие нескольких характерных «стандартных» температурных режимов позволяет более полно учесть специфику огневого воздействия на конструкции в конкретных типах зданий и сооружений, однако при этом утрачивается сопоставимость результатов различных испытаний. Однако для сопоставимости результатов испытаний важно обеспечить не только единый режим изменения температуры газовой среды в огневой камере, но и единые условия теплообмена газовой среды с поверхностью конструкций.

Нормативный термин «стандартный температурный режим» в литературе иногда некорректно называют «стандартным пожаром». Как было отмечено выше (п. 1.1), нормативный термин «пожар» определяется как «неконтролируемое горение, причиняющее материальный ущерб», а при стандартных огневых испытаниях горение всегда контролируемое и не приводит к ущербу, а, наоборот, выполняет положительную функцию.

Рассмотрим характеристики предельных состояний конструкций по огнестойкости несущих и ограждающих конструкций (ГОСТ 30247.1 [9]).

1) Потеря несущей способности (R) наступает вследствие обрушения конструкции или возникновения предельных деформаций.

Для изгибаемых элементов конструкций предельное состояние наступает, если прогиб достигнет величины L /20 или скорость нарастания деформаций достигнет L ²/(9000 h), см × мин ^-1, где L – расчётный пролёт, см; h – расчётная высота сечения конструкции, см.

Для вертикальных конструкций предельным является состояние, когда вертикальная деформация достигнет 1/100 высоты или скорость нарастания вертикальных деформаций достигнет 10 мм × мин ^-1 для образцов высотой 3 ± 0,5 м.

2) Потеря целостности (Е) происходит в результате образования в конструкции сквозных трещин или отверстий, через которые на необогреваемую поверхность проникают продукты горения или пламя.

В процессе испытания потеря целостности определяется при помощи ватного тампона, который помещают в специальную металлическую рамку и подносят к месту, где возможно проникновение пламени или продуктов горения, и в течение 10 с держат на расстоянии 20…25 мм от поверхности образца. Время от начала испытаний до воспламенения или возникновения тления со свечением тампона принимается за предел огнестойкости по признаку потери целостности Е, при этом тление без свечения не является признаком потери огнестойкости.

3) Потеря теплоизолирующей способности (I) определяется как следствие повышения температуры на необогреваемой поверхности до опасных значений, которое может привести к воспламенению материала в помещении, смежном с очагом пожара, и таким образом способствовать его распространению. Опасные значения температур зависят от условий эксплуатации конструкции.

Для большинства несущих и ограждающих конструкций в соответствии с ГОСТ 30247.1 [9] потеря теплоизолирующей способности происходит вследствие повышения температуры на необогреваемой поверхности конструкции в среднем более чем на 140°С, или в любой точке этой поверхности более чем на 180°С в сравнении с температурой конструкции до испытания, или более 220°С независимо от температуры конструкции до испытаний.

Для дверей шахт лифтов потеря теплоизолирующей способности происходит вследствие повышения температуры на необогреваемой поверхности створок двери в сравнении с температурой образца перед началом испытания в среднем более чем на 280 °С или более чем на 330 °С в любой точке поверхности двери[22].