Бетонные и железобетонные конструкции
Бетон является несгораемым и достаточно огнестойким материалом. Однако под воздействием высоких температур в железобетонных конструкциях изменяются свойства цементного камня и заполнителя.
При нагреве железобетонный элемент удлиняется на величину, большую удлинения бетона и меньшую удлинения арматуры. В элементе возникают внутренние напряжения с растяжением в бетоне и сжатием в арматуре. Арматура расширяется больше, чем бетон, и разрывает его.
При нагреве арматуры до 300 °С не происходит снижения ее механических свойств, а прочность бетона в зависимости от заполнителя снижается на 20–40 %.
При температуре выше 300–500 °С возникает ползучесть и релаксация напряжения в бетоне и арматуре. Напряжение в арматуре и бетоне между трещинами снижается, а удлинение железобетонного элемента приближается к удлинению бетона. Деформации от резкого температурного расширения арматуры и бетона оказывают такое же влияние на напряженное состояние, как и усадка бетона при нормальной температуре.
Цвет бетона, подвергшегося огневому воздействию, изменяется в зависимости от вида заполнителя и вяжущего. При температуре до 300 °С тяжелый бетон принимает розовый оттенок, при 400–600 °С – красноватый, при 900–1000 °С – бледно-серый. Коэффициент линейного расширения заполнителей изменяется в широких пределах. Вследствие этого при умеренно высоких температурах сцепление заполнителя с цементным камнем резко снижается. Происходит температурное «растапливание» бетона. Микротрещины в бетоне образуются при t ≈ 300 ... 400 °С. При дальнейшем увеличении температуры образуются макро-трещины. Образцы, прогретые при t ≥ 700 °С, после охлаждения разрушаются. Взрывной характер разрушения бетона наблюдается при быстром нагреве поверхности. Это часто происходит в статически неопределимых системах, преднапряженных и тонкостенных элементах.
При пожаре наблюдается значительный (до 1000 °С) перепад температур между обогреваемой и необогреваемой поверхностями. Вследствие этого прочность по сечению конструкции изменяется. Предельная сжимаемость бетона с повышением температуры нагрева на 200, 400 и 500 °С увеличивается, соответственно, в 1,6; 2,2 и 2,3 раза по сравнению с ненагреваемым бетоном. Остаточные пределы прочности бетона на сжатие различных слоев бетона в момент разрушения резко отличаются.
Нагрев железобетонных конструкций при пожаре приводит к различным повреждениям и снижению их прочности (таблица 5.2).
При длительном воздействии огня при пожарах с температурой 1000–1100 °С температура арматуры достигает 550 °С для конструкций с толщиной защитного слоя 2,5 см уже через 1 час горения, а при толщине защитного слоя 1 см – через 45 минут, при этом модуль упругости бетона снижается на 40–60 %. При температуре арматуры 550 °С происходит снижение прочности бетона – в среднем на 60 %.
Таблица 5.2 – Повреждения конструкций после пожара
| Состояние поверхности конструкции после пожара | Степень повреждения | Характеристика повреждения | Снижение прочности конструкции |
| Наличие следов сажи и копоти | Слабая | Повреждения, не снижающие несущей способности конструкций: наличие следов сажи и копоти; шелушение отдельных слоев поверхности бетона; незначительные сколы бетона | На 5 % |
| Изменение серого цвета до розового и буро-желтого; элементы полностью покрыты сажей и копотью | Средняя | Повреждения, снижающие несущую способность конструкций: изменение серого цвета бетона до розового и буро-желтого; элементы, полностью покрытые сажей и копотью; наличие сколов бетона по углам; обнажение арматурной сетки на плоских элементах площадью около 10 %; обнажение угловой арматуры в элементах прямоугольной формы; отделение наружных слоев бетона без их обрушения; трещины шириной до 0,5 мм | На 15 % |
| Цвет бетона желтый | Сильная | Повреждения, значительно снижающие несущую способность конструкции: цвет бетона – желтый; сколы бетона – до 30 % сечения элемента; обнажение арматурной сетки в плоских элементах на площади более 10 %; обнажено более 50 % рабочей арматуры прямоугольных элементов; выпучен один стержень арматуры элемента; отвалились поверхностные слои бетона; трещины шириной до 1 мм | На 30 % |
| Цвет бетона темно-желтый | Полная | Повреждения, свидетельствующие о критическом состоянии конструкции: цвет бетона – желтый; сколы бетона – от 30 до 50 % площади сечения элемента; обнажено до 90 % арматуры; выпучилось более одного стержня арматуры; нарушена анкеровка, сцепление арматуры с бетоном; нагрев арматуры свыше 300 °С; отрыв закладных и опорных деталей; зыбкость конструкции; прогибы свыше 1/50 пролета; трещины шириной более 1 мм | На 65 % и более |
Если температура пожара не превысила 400 °С и продолжительность составила не более 6–7 часов, то сооружение подлежит эксплуатации при условии некоторого ремонта. Если температура пожара приблизилась к 600 °С, то сооружение обычно сильно пострадает, однако не обрушится. При температуре пожара свыше 800 °С сооружение может обрушиться и, как правило, не подлежит восстановлению.
Характерными признаками аварийного состояния конструкций могут быть: прогибы конструкций, превышающие 1/50 пролета с образованием трещин с шириной раскрытия свыше 2 мм; выколы и отслоения бетона, при которых площадь поперечного сечения элемента уменьшается более чем на 30 %.
Оценка состояния основных типов железобетонных конструкций в зависимости от температуры нагрева приведена в таблицах 5.3, 5.4.
Таблица 5.3 – Повреждения колонн после пожара
| Контролируемый показатель | Качественная и количественная характеристики. Состояние конструкции после воздействия на ее поверхность температуры, °C | |||||
| до 700 | от 700 до 900 | от 900 до 1200 | ||||
| Сажа и копоть | В отдельных местах или от- сутствуют | В отдельных местах | Все покрыто | Слабая закопченность, сажи нет | ||
| Изменение цвета бетона | Светло-красный | Темно-желтый | Темно-желтый | От темно-желтого до серого | ||
| Состояние бетона | Откалывается молотком только по углам сечения на глубину до 10 мм | Откалывается молотком по углам сечения на глубину до 20 мм | Быстрое отслаива-ние защитного слоя на глубину более 30 мм при легком простукивании | |||
| Трещин на поверхности нет | Поверхность бетона покрыта сеткой неглубоких температурно-усадочных трещин | Сквозные тре- щины с шириной раскрытия до 1 мм | ||||
| Сколов бетона нет | Один-два скола бетона размером не более 15x15 см и глубиной не более толщины защитного слоя бетона | Сколов бетона больше двух (размером не более 15x15 см и глубиной не более толщины защитного слоя) | Сколов бетона (по площади и глубине) больше | |||
| Отслаивание поверхностных слоев местами на площади не более 10 см2 каждое | Отслаивание поверхностных слоев бетона местами на площади от 10 до 30 см2 каждое | Отслаивание поверхностных слоев бетона местами на площади от 30 до 50 см2 каждое | Отслаивание бетонных слоев полностью по всей поверхности | |||
Окончание таблицы 5.3
return false">ссылка скрыта