Огнестойкость изгибаемых железобетонных элементов

Механизм разрушения. Разрушение изгибаемых железобетонных элементов (плит, балок, ригелей и т.д.) при нагреве происходит в большинстве случаев в результате образования пластического шарнира в опасном нормальном сечении из-за снижения предела текучести продольной растянутой арматуры до величины рабочих напряжений, создаваемых внешней нагрузкой. Температура нагрева рабочей арматуры, при которой она переходит в стадию текучести, называется критической; эта температура не остаётся постоянной и зависит от типа применяемой арматуры и уровня её нагружения.

Быстрое достижение растянутой арматурой критической температуры нагрева объясняется тем, что растянутая зона сечения изгибаемых элементов располагается внизу (за исключением опорных сечений неразрезных балок и плит) и наиболее сильно подвержена воздействию теплового потока, в то время как находящаяся в ней рабочая арматура защищена от нагрева лишь тонким слоем бетона. Для повышения огнестойкости рекомендуется увеличивать толщину защитного слоя бетона, а арматуру размещать по высоте в два ряда.

В балках прямоугольного и таврового сечения, а также в опорных сечениях неразрезных балок и плит сжатая зона подвергается интенсивному нагреву, что приводит к перераспределению напряжений на менее нагретые участки бетона, сокращению плеча внутренней пары сил и, как следствие, снижению несущей способности сечения. Разрушение в этом случае происходит вследствие снижения несущей способности нормального сечения до величины момента от действующей нагрузки.

Для тонкостенных железобетонных элементов (многопустотные и рёбристые панели, ригели и балки при ширине сечения 160 мм и менее) с недостаточным поперечным армированием (или при его отсутствии) характерно разрушение по наклонному сечению, которое происходит внезапно и гораздо раньше, чем исчерпание несущей способности нормальных сечений. Для разрушения по наклонному сечению характерно небольшое раскрытие наклонных трещин и незначительный прогиб элемента.

Огнестойкость сплошных плит обеспечивается в основном за счёт толщины защитного слоя бетона (табл. 5.1). Указанная в таблице минимальная толщина плиты обеспечивает огнестойкость по признаку прогрева (I), при этом засыпки и пол (в том числе горючие материалы, уложенные на цементную подготовку) включаются в общую толщину плиты и повышают её огнестойкость.

Повышения огнестойкости можно также добиться применением огнезащитных покрытий: слой известково-цементной штукатурки толщиной 15 мм, гипсовой штукатурки толщиной 10 мм, вермикулитовой штукатурки толщиной 5 мм или теплоизоляции из минерального волокна толщиной слоя 5 мм эквивалентны увеличению толщины защитного слоя тяжёлого бетона на 10 мм (п. 10.13 [12]). Подробнее о способах огнезащиты конструкций см. в главе 6.

Таблица 5.1

Пределы огнестойкости железобетонных плит при нагреве с нижней стороны (по табл. 2 [20], табл. 10 [16])

Параметры	Вид бетона	Минимальные размеры (мм) сплошных железобетонных плит с пределами огнестойкости, мин
RI15	RI30	RI60	RI90	RI120	RI180	RI240
Толщина плиты	тяжёлый
лёгкий (1200 кг×м^-3)
Расстояние до оси арматуры в балочной плите	тяжёлый
лёгкий (1200 кг×м^-3)
Расстояние до оси арматуры в плите, работающей в двух направлениях	тяжёлый
лёгкий (1200 кг×м^-3)
Примечание. Плита считается работающей в двух направлениях, если отношение длинной стороны опорного контура к короткой составляет не более 1,5. При большем значении этого соотношения, а также при опирании только по двум противоположным сторонам плита считается балочной.

 

Огнестойкость плит, работающих в двух направлениях, оказывается более высокой по сравнению с аналогичными балочными плитами, поскольку прогиб опёртой по контуру плиты увеличивает плечо внутренней пары сил в ортогональном направлении, что проводит к разгрузке рабочей арматуры и повышению её критической температуры. На предел огнестойкости плит, работающих в двух направлениях, влияет также соотношение площадей арматуры в коротком и длинном пролетах.

Огнестойкость балок при нагреве с трёх сторон определяется толщиной защитного слоя и шириной сечения (табл. 5.2).

Огнестойкость неразрезных балок и плит выше, чем аналогичных разрезных (статически определимых). Прочность пролётных сечений в неразрезной балке, так же, как и в разрезной, снижается за счёт нагрева растянутой (нижней) арматуры. В опорных сечениях арматура расположена в верхней зоне и нагревается слабо; прочность опорного сечения снижается за счёт прогрева бетона сжатой (нижней) зоны. В процессе нагрева усилия с пролётной арматуры передаются на опорную, а разгрузка пролётной арматуры увеличивает её критическую температуру и время до разрушения.

Таблица 5.2

Пределы огнестойкости железобетонных балок при нагреве с трёх сторон (табл. 12 [16])

Предел огнестойкости, мин	Минимальные ширина балки b и расстояние до оси арматуры а, мм	Минимальная толщина ребра, мм
R30	b
a	25 (15)	20 (15)	15 (15)	15 (15)
R60	b
a	40 (25)	35 (20)	30 (15)	25 (15)
R90	b
a	55 (35)	45 (30)	40 (25)	35 (25)
R120	b
a	65 (45)	55 (40)	50 (35)	45 (35)
R180	b
a	80 (50)	70 (50)	65 (50)	60 (50)
R240	b
a	90 (60)	80 (60)	75 (60)	70 (60)
Примечания:1. В скобках указаны значения для лёгкого бетона (1200 кг×м^-3). 2. В рёбристой плите толщина ребра определяется как суммарная толщина двух рёбер.

 

Чем больше установлено арматуры на опоре, тем выше огнестойкость неразрезной балки (табл. 5.3), но при условии, что арматура на опоре обладает достаточной пластичностью и надёжной анкеровкой в бетоне.

Таблица 5.3

Примерное увеличение предела огнестойкости статически неопределимых изгибаемых железобетонных элементов (табл. 1 [20])

Отношение площади арматуры над опорой к площади арматуры в пролёте	Увеличение предела огнестойкости изгибаемого статически неопределимого элемента, %, по сравнению с пределом огнестойкости статически определимого элемента
0,25
0,5
Примечание. Для промежуточных отношений площадей увеличение предела огнестойкости принимается по интерполяции

 

Несмотря на разгрузку, пролётная арматура по-прежнему продолжает нагреваться и через некоторое время переходит в стадию текучести, появляется третий пластический шарнир и балка разрушается.

Огнестойкость многопустотных плит оказывается меньше, чем у аналогичных сплошных из-за более сильного прогрева как растянутой арматуры, так и сжатой зоны бетона. Замкнутые воздушные прослойки большой толщины являются хорошим проводником тепла, главным образом вследствие переноса тепла излучением от нагретых поверхностей, и около 20% тепла передаётся за счёт конвективной циркуляции воздуха по объёму прослойки. С увеличением разности температур на поверхностях воздушной прослойки количество проходящего через неё тепла увеличивается. Учитывая отмеченные особенности, огнестойкость пустотных плит нормы рекомендуют оценивать как сплошных по табл. 5.1, умножая затем полученные значения пределов огнестойкости по несущей способности (R) на 0,9, а по теплоизолирующей способности (I) – на 0,65 (п. 7.2, п. 13 [12]).

Предел огнестойкости многопустотных плит, армированных стержневой арматурой, может также наступить из-за проскальзывания арматуры на опоре при нагреве контактного слоя бетона до критической температуры.

Огнестойкость рёбристых панелей [49] с тонкой полкой (50…60 мм) и монолитных рёбристых перекрытий с тонкими плитами при высокой влажности бетона исчерпывается уже после 15…18 мин стандартного испытания по критерию целостности (Е) в результате взрывообразного разрушения бетона верхней полки и образования сквозных отверстий площадью до 0,5 м ². При меньшей влажности бетона взрывообразного разрушения не наблюдается и предел огнестойкости плит наступает по критерию теплоизолирующей способности (I) через 30…35 мин нагрева. Исчерпание несущей способности плит (R) происходит через 45…60 мин нагрева по сжатой зоне поперечных рёбер.

Повышению огнестойкости рёбристых плит способствует устройство теплоизолирующего слоя по верхней грани (например, слоя цементно-песчаного раствора толщиной не менее 50 мм); увеличение высоты сечения и ширины верхней части продольных рёбер (для защиты от разрушения по сжатому бетону в нормальном сечении); усиленное поперечное армирование на приопорных участках с шагом хомутов не более 100 мм (для предотвращения разрушения по наклонному сечению).

Огнестойкость предварительно напряжённых элементов оказывается такой же, как и у элементов без предварительного напряжения, если предел огнестойкости наступаетвследствие образования пластического шарнира в нормальном сечении (появления текучести в растянутой арматуре). Критическая температура для рабочей арматуры предварительно напряжённого элемента остаётся той же, что и для обычного, но у предварительно напряжённого элемента наблюдается меньший прогиб перед разрушением, более позднее образование трещин и меньшее их раскрытие.

Однако предварительное напряжение способствует некоторому повышению сопротивляемости наклонных сечений: предварительно напряжённые балки без поперечного армирования, разрушавшиеся при нормальных условиях по наклонному сечению, при нагреве разрушились в результате текучести арматуры в нормальном сечении [26].

Предварительное напряжение при нагреве сохраняется очень недолго. Уже через 30 мин стандартного испытания (45 мин при проволочной арматуре) предварительное напряжение полностью утрачивается в результате потерь, которые вызваны

• температурной усадкой и ползучестью бетона;

• пластическими деформациями арматуры (эти потери составляют 35…50% от общих потерь);

• разностью температурных деформаций бетона и арматуры (обратимы после охлаждения).

Вопрос о потерях предварительного напряжения важен при оценке состояния конструкций после пожара. При нагреве напрягаемой стержневой арматуры класса А600 до 210°С, класса А800 до 220°С, класса А1000 до 350°С, канатной и проволочной арматуры до 330°С предварительное напряжение полностью утрачивается (п. 8.54 [12]).