Обеспечение устойчивости зданий и сооружений при пожаре

В настоящее время, наряду с типовыми зданиями и сооружениями возводятся и уникальные, не имеющие аналогов в мире для обеспечения устойчивости зданий и сооружений при пожаре, возводится огромное количество различных зданий и сооружений различного назначения.

В строительных конструкциях зданий и сооружений используются различные конструкции, выполненные из материалов, обладающих различной пожарной опасностью. Конструкции, выполненные из железобетона, кирпича, бетона способны в условиях пожара сопротивляться действию огня в течении продолжительного промежутка времени от нескольких десятков минут до нескольких часов. Стальные конструкции, несмотря на то, что не горят и не распространяют пламя по поверхности, через 15-20 минут теряют свою несущую способность. В отличие от них деревянные конструкции гораздо дольше продолжают выполнять свои несущие функции, однако при этом способствуют распространению огня и развитию пожара в здании.

Сооружением принято называть все, что искусственно возведено человеком для удовлетворения материальных и духовных потребностей общества.

Зданием называется наземное сооружение, имеющее внутреннее пространство, предназначенное и приспособленное для того или иного вида человеческой деятельности.

Таким образом понятие «сооружение» включает в себя и понятие «здание». В практической деятельности принято все прочие сооружения, не относящиеся к зданиям, относить к так называемым инженерным сооружениям, предназначенным для выполнения сугубо технических задач.

Здания в зависимости от назначения подразделяют на:

• гражданские (жилые дома, общественные здания);
• промышленные (заводы, фабрики котельные);
• сельскохозяйственные (птицефермы, свинарники, овощехранилища).

Здания делят на одноэтажные и многоэтажные. В гражданском строительстве различают здания малоэтажные (1-3 этажа), многоэтажные (4-9 этажей) и повышенной этажности (10 и более). В зависимости от расположения этажи бывают надземные, цокольные, подвальные и мансардные (чердачные).

Устойчивость объекта защиты при пожаре – свойство объекта защиты сохранять конструктивную целостность и (или) функциональное назначение при воздействии опасных факторов пожара и вторичных проявлений опасных факторов пожара.

Пожарная безопасность объекта защиты – состояние объекта защиты, характеризуемое возможностью предотвращения возникновения и развития пожара, а также воздействия на людей и имущество опасных факторов пожара.

Пожарная опасность объекта защиты – состояние объекта защиты, характеризуемое возможностью возникновения и развития пожара, а также воздействия на людей и имущество опасных факторов пожара.

Специфика пожарной опасности объектов различного назначения, зданий и сооружений определяется:

• пожароопасными свойствами, количеством и особенностями использования веществ и материалов, находящихся и используемых в помещениях зданий и на производственных объектах;
• пожарной опасностью строительных материалов;
• пожарной опасностью строительных конструкций;
• пожарной опасностью здания в целом (функциональная пожарная опасность объекта).

Основным опасным фактором пожара, который и является причиной разрушения, повреждения строительных конструкций, элементов, частей зданий и зданий в целом, является быстрое повышение температуры в очаге пожара (температурный режим пожара), которое резко отличается от условий обычной эксплуатации объекта.

Строительные конструкции зданий и сооружений в обычных условиях эксплуатации могут сохранять необходимые рабочие качества в течение десятков лет. Эти же конструкции при пожаре исчерпывают свой ресурс долговечности в течение всего лишь десятков минут. Таким образом, устойчивость объектов при пожарах напрямую связана с правильным и грамотным обеспечением пожарной безопасности при их проектировании, реконструкции и эксплуатации.

ПОЖАРНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Способность здания или сооружения в целом сопротивляться разрушению в условиях пожара характеризуется степенью огнестойкости. Степень огнестойкости это нормативная характеристика здания или сооружения.

Здания разделяют на 5 степеней огнестойкости, в зависимости от степени возгорания и предела огнестойкости конструкций. Наибольшую огнестойкость имеют здания I степени, а наименьшую – V степени.

Степени огнестойкости зданий:

• здания I, II степени огнестойкости – стены, опоры, перекрытия и перегородки несгораемые;
• здания III степени огнестойкости – стены и опоры несгораемые, а перекрытия и перегородки трудносгораемые, к ним относятся каменные здания;
• здания IV степени огнестойкости – деревянные оштукатуренные;
• здания V степени огнестойкости – деревянные неоштукатуренные (по противопожарным требованиям должны быть не более двух этажей).

Различают фактическую и требуемую степени огнестойкости зданий.

Фактическая Оф – это действительная степень огнестойкости запроектированного или построенного здания, определяемая по результатам пожарно-технической экспертизы строительных конструкций зданий и нормативным положениям.

Требуемая Отр – минимальная степень огнестойкости, которой должно обладать здание для удовлетворения требований пожарной безопасности, определяемая специализированными или отраслевыми нормативными документами с учетом назначения здания, этажности площади, вместимости, категории производства по взрывопожарной опасности, наличия автоматических установок пожаротушения и др.

В зависимости от веществ находящихся в помещении здания подразделяются на категории А,Б, В1-В4, Г, Д. Категории А и Б относятся к числу взрывоопасных. Категории В1-В4 являются пожароопасными (1,2,3,4 – в зависимости от удельной пожарной нагрузки на участке и способа размещения участка пожара в помещении). Категории Г и Д (наличие не горючих веществ в горячем и холодном состоянии) – невзрывопожарноопасные.

Классы конструктивной пожарной опасности

Класс конструктивной пожарной опасности здания (сооружения) определяется степенью участия строительных конструкций в развитии пожара и образовании его опасных факторов.

Имеется 4 класса конструктивной пожарной опасности: С0, С1, С2, С3. Он зависит от классов пожарной опасности основных несущих и ограждающих строительных конструкций: колонн, ригелей, ферм, стен, перегородок, перекрытий, покрытий, стен лестничных клеток, маршей и площадок лестниц, противопожарных преград. При этом пожарная опасность заполнения проемов в ограждающих конструкциях здания не нормируется, за исключением проемов в противопожарных преградах.

Здания и сооружения класса С0 являются лучшими с противопожарной точки зрения, т.к. все конструкции выполнены из негорючих материалов. В зданиях класса С1 допускается применять ряд конструкций из трудногорючих материалов. Большинству конструкций класса С3 (кроме конструктивных элементов лестниц, стен, лестничных клеток и противопожарных преград) вообще не предъявляются противопожарные требования.

Классы функциональной пожарной опасности

Здания и помещения, в плане обеспечения устойчивости зданий и сооружений при пожаре, по функциональной пожарной опасности подразделяются на классы в зависимости от способа их использования и от меры безопасности людей в случае возникновения пожара с учетом их возраста, физического состояния, сна или бодрствования, вида основного функционального контингента и его количества, т.е. определяется назначением здания.

Существует 5 классов:

• Класс Ф1 – здания и помещения, связанные с постоянным или временным проживанием людей
• Класс Ф2 – зрелищные и культурно-просветительные учреждения
• Класс Ф3 – предприятия по обслуживанию населения
• Класс Ф4 – учебные заведения, научные и проектные организации, учреждения управления
• Класс Ф5 – производственные и складские здания и помещения

Эта классификация позволяет основные противопожарные требования к различным зданиям и сооружениям сосредоточить в едином нормативном документе.

ПОЖАРНАЯ НАГРУЗКА ЗДАНИЯ

К факторам, определяющим поведение строительных конструкций здания в условиях пожара относятся:

• степень нагружения конструкций и их элементов;
• вид и количество пожарной нагрузки, определяющий температурный режим, а также теплоту пожара;
• тепловая нагрузка на конструкцию;
• теплофизические и физико-механические характеристики материалов, из которых выполнены конструкции;
• условия нагрева и способы сочленения конструкций.

Пожарная нагрузка – это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании всех веществ и материалов (в том числе входящих в состав строительных конструкций), находящихся в помещении или поступающих в него. Пожарная нагрузка определяется на основе проектно-конструкторской документации, технологических карт, натурного обследования помещений эксплуатируемых зданий, данных по пожароопасным свойствам веществ и материалов, представленных в справочной литературе, специализированных банках данных и по результатам лабораторных и натурных испытаний.

Для определения пожарной нагрузки в здании создается специальная комиссия, которая разрабатывает карту пожарной нагрузки. В ней должны быть указаны наименование, назначение и принадлежность здания; состав комиссии; перечень помещений и (или) пожароопасного участка с указанием размещения веществ и материалов; спецификация веществ и материалов в каждом помещении.

Для оценки пожарной нагрузки в здании необходимо составить перечень всех помещений, расположенных в здании и описание пожарной нагрузки в каждом из них. Далее выполняют расчет пожарной нагрузки в рассматриваемом помещении.

ПОЖАРНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

В условиях пожара строительные конструкции могут разрушаться в течение нескольких часов или минут. Устойчивость строительных конструкций к воздействию пожара влияет и на процесс тушения пожара. Обрушение конструкций представляет большую опасность персонала объекта и для пожарных. При полном обрушении тушение пожара становится бесполезным.

По классификации строительные конструкции характеризуются огнестойкостью и пожарной опасностью. Показателями огнестойкости являются пределы огнестойкости строительных конструкций, а пожарную опасность конструкций оценивает класс их пожарной опасности.

Пределы огнестойкости строительных конструкций

Предел огнестойкости строительной конструкции – это время в минутах от начала пожара до наступления одного из предельных состояний по огнестойкости.

Различают три предельных состояния по огнестойкости:

• Потеря несущей способности характеризующаяся обрушением конструкции или возникновением предельных деформаций, недопустимых для дальнейшей эксплуатации конструкции.
• Потеря теплоизолирующей (ограждающей) способности, характеризующаяся повышением 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 в какой либо точке независимо от первоначальной температуры конструкции.
• Потеря целостности конструкции, проявляющаяся в возникновении сквозных трещин или отверстий, через которые в смежное помещение проникают продукты горения или пламя.

Класс пожарной опасности конструкций

Пожарная опасность строительных конструкций определяется степенью их участия в развитии пожара, в образовании опасных факторов пожара и зависит от пожарной опасности материалов, из которых выполнена конструкция.

Пожарная опасность конструкций характеризуется классами их пожарной опасности. Различают 4 класса пожарной опасности К0, К1, К2, К3.

При установлении класса учитывают следующие показатели:

• наличие теплового эффекта от горении или термического разложения составляющих конструкцию материалов;
• наличия пламенного горения газов и расплавов, выделяющихся из конструкции в результате термического разложения составляющих ее материалов;
• размеры повреждения конструкции и составляющих ее материалов, возникшего при испытании конструкции вследствие их горения или термического разложения;
• характеристики пожарной опасности материалов, составляющих конструкцию.

ОГНЕСТОЙКОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Поведение изгибаемых элементов в условиях пожара.

Наиболее распространенными изгибаемыми элементами являются плиты и балки, которые могут быть самостоятельными конструкциями или входить в состав сложных конструкций.

Особенности поведения плит в условиях пожара

Плиты в зданиях выполняют одновременно ограждающие и несущие функции. В зависимости от места расположения плит для них будут различные предельные состояния по огнестойкости. Для плит покрытий предельным состоянием по огнестойкости является только потеря несущей способности. Для плит перекрытий предельными состояниями могут быть по потере несущей способности, теплоизолирующей, по потере целостности.

Многочисленные испытания показали, что предельным состоянием огнестойкости для большинства плит перекрытий является предельное состояние по потере несущей способности, а другие предельные состояния не успевают полностью проявиться за кратковременный период действия пожара.

Поскольку в условиях пожара плиты подвергаются воздействию высокой температуры снизу, уменьшение их несущей способности происходит в основном за счет снижения прочности нагревающейся растянутой арматуры. Сжатые бетон и арматура нагреваются слабо.

Особенности поведения балок в условиях пожара

Балочные конструкции в условиях пожара обогреваются с трех сторон. Кроме того отличительной особенностью балок по сравнению с плоскими конструкциями является наличие арматуры в сжатой зоне. При двух- и трехмерном потоке тепла сечения элементов прогреваются интенсивнее, чем при одномерном, особенно углы балок.

В статически определимых балках прогрев продольных арматурных стержней до критической температуры приводит к образованию пластического шарнира в сечении, где действует максимальный изгибающий момент, что и является причиной разрушения балки, т.е. наступления ее предела огнестойкости.

Статически неопределимые изгибаемые конструкции при нагреве снижают свою прочность за счет уменьшения прочности опорных и пролетных сечений. Прочность пролетных сечений уменьшается в результате нагревания растянутой арматуры. Снижение прочности опорных сечений происходит вследствие прогрева бетона и арматуры сжатой зоны до высоких температур.

Особенности поведения колонн в условиях пожара

Поведение колонн в условиях пожара зависит от схемы обогрева, размеров поперечного сечения, величины эксцентриситета приложения нагрузки, вида армирования, защитного слоя бетона.

В процессе пожара по сечению колонн наблюдается перепад температур порядка 800-1000ºС с наименьшей температурой в центре сечения. Неравномерность прогрева вызывает перераспределение напряжений по сечению колонны. Температурные напряжения возрастают при увеличении температурного перепада между средней частью сечения колонны и поверхностью ее обогрева (20-30 мин). В начальный период обогрева наблюдается удлинение колонн. Дальнейшее развитие пожара приводит к прогреву защитного слоя бетона до 600-800ºС. После 1-1,5 часа огневого воздействия колонны начинают укорачиваться. Спустя 2-3 часа высота нагретых колонн примерно равна их высоте в нагруженном состоянии до пожара. Нагруженные слои бетона и рабочая арматура, нагретые до температуры выше 600ºС, теряют прочность и в дальнейшей работе практически участия не принимают. Колонна ведет себя аналогично бетонной, т.е. укорачивается с возрастающей скоростью до момента обрушения.

Предварительно напряженные ж/б конструкции и их поведение в условиях пожара

Предварительно напряженными называют ж/б конструкции, в которых до приложения эксплуатационных нагрузок, в процессе изготовления искусственно создаются значительные сжимающие напряжения в бетоне и растягивающие в арматуре.

Предварительно напряженные элементы имеют меньшие поперечные сечения, чем элементы из обычного бетона, вследствие чего они нагреваются быстрее.

Напрягаемая арматура работает при значительно больших усилиях, чем арматура обычного ж/б, поэтому критическая температура для нее меньше (хотя защитный слой бетона больше).

При огневом воздействии происходят дополнительные потери предварительного напряжения арматуры; бетон на уровне продольной арматуры интенсивно прогревается и происходит температурная усадка бетона.

Потери предварительного напряжения в арматуре от разности температурных деформаций бетона и арматуры учитываются только при нагреве, т.к. при остывании эти деформации обратимы.

Поведение в условиях пожара несущих и самонесущих стен

Несущая способность подобных конструкций в условиях пожара определяется не столько прочностными характеристиками бетона и стали, сколько деформацией элемента. Конструкция из центрально-сжатой превращается во внецентренно-сжатую с увеличивающимся во времени эксцентриситетом. Значение и направление прогиба зависят от гибкости элемента, способа опирания его концов, нагрузки перепада температуры по сечению стены и упруго-пластических свойств материалов.

При одностороннем огневом воздействии разрушение стен происходит по одной из трех основных схем.

С необратимым развитием прогиба в сторону обогреваемой поверхности стены и ее разрушением в середине высоты по нагретой арматуре или «холодному» бетону.

С прогибом элемента вначале в сторону обогрева, а на конечной стадии – в противоположную, с разрушением в середине высоты сечения по нагретому бетону или «холодной» растянутой арматуре.

С переменой направления прогиба, как во второй схеме, но разрушение стены происходит в приопорных зонах по бетону «холодной» поверхности или наклонным сечениям.

При двустороннем нагревании стен (межкомнатные стены) конструкция работает на «центральное» сжатие и поэтому предел ее огнестойкости не ниже, чем в случае одностороннего обогрева.

Огнестойкость несущих и самонесущих панелей нормируется в зависимости от конструктивного исполнения, толщины или наименьшего размера сечения и степени нагруженности.

Конструктивные способы повышения огнестойкости ж/б конструкций

Способы:

• увеличение толщины защитного слоя бетона;
• применение теплоизолирующих покрытий и специальных бетонов;
• применение арматурной стали с более высокой критической температурой;
• обоснованное увеличение в процессе проектирования сечений элементов конструкций;
• изменение статической схемы элемента;
• изменение условий обогрева и т.д.

ОГНЕСТОЙКОСТЬ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

Хотя металлические конструкции выполнены из несгораемого материала, фактический предел их огнестойкости в среднем составляет 15 мин. Это объясняется достаточно быстрым снижением прочностных и деформационных характеристик металла при повышенных температурах в условиях пожара. Обрушившиеся или получившие большой прогиб металлические конструкции вызывают порчу оборудования, сырья, готовой продукции и затрудняют решение вопросов эвакуации и тушения пожара.

Степень нагрева металлической конструкции при пожаре зависит от размеров ее элементов и величины поверхности их обогрева. При увеличении объема металла и уменьшении поверхности его обогрева температура элемента снижается.

Поведение металлических конструкций в условиях пожара

Ограждающие конструкции

Наибольшую опасность при пожаре представляют собой утепленные ограждающие конструкции.

Анализ пожаров в производственных зданиях с применением таких ограждающих конструкций показал, что покрытия выгорали на значительных площадях (десятки тысяч м2) за 20-25 мин. Особенно интенсивно развивался пожар на кровле при возникновении очага пожара внутри здания. Распространению огня по кровельным ограждающим конструкциям способствует применение рулонных гидроизоляционных материалов на битумной основе. При среднеобъемной температуре 280ºС температура под профилированном настилом достигает 380ºС. При такой температуре наблюдается плавление и воспламенение полимерного утеплителя, его интенсивное горение с выделением токсичных продуктов. Быстрый рост температуры приводит к обрушению покрытия уже через 7 мин после загорания кровли. Наиболее быстро воспламеняются участки кровли, примыкающие к стенам здания, что способствует быстрому распространению пламени (до 20 м/мин) по всему покрытию.

Обрушение ограждающих конструкций при пожаре происходит за счет исчерпания несущей способности ее несущих элементов, а также соединений элементов конструкций между собой и с несущими конструкциями покрытия или каркаса здания.

Балки

При действии на балку высоких температур при пожаре даже на ограниченную часть ее поверхности, сечение конструкции быстро прогревается до одинаковой температуры. При этом снижается предел текучести и модуль упругости стали. Обрушение прокатных балок наблюдается в сечении, где действует максимальный изгибающий момент. Разрушение конструкции может наблюдаться в сварных, болтовых или заклепочных соединениях элементов составного сечения от действия сдвигающих усилий.

Условия опирания балки также влияет на значение ее предела огнестойкости. Заделка стальной балки в железобетонные или каменные стены стесняет температурные деформации вдоль ее длины.

Фермы

Воздействие температуры пожара на ферму приводит к потере несущей способности ее элементов и соединений этих элементов. При расчете фермы соединения ее элементов между собой рассматриваются как шарнирные, поэтому ферма считается статически определимой конструкцией. Поэтому потеря несущей способности хотя бы одним элементом приводит к отказу при пожаре всей конструкции.

Колонны

Исчерпание несущей способности стальных колонн, находящихся в условиях пожара, может наступить в результате потери: прочности стержнем конструкции; прочности или устойчивости элементами соединительной решетки, а также узлов креплений этих элементов к ветвям колонны; устойчивости отдельными ветвями на участках между узлами соединительной решетки в колоннах сквозных сечений; местной устойчивости стенки и свесов сжатых полок колонны составного двутаврового сечения; общей устойчивости колонны.

Колонны являются элементами плоских рам или пространственного каркаса, шарнирно или жестко соединенных с опирающимися на них конструкциями. В случае жестких соединений колонны с ригелем, ее работа зависит от поведения конструкции ригеля при пожаре.

Арки и рамы

Поведение в условиях пожара арок и рам зависит от статической схемы работы конструкции, а также конструкции сечения их элементов. Работа в условиях высоких температур сплошных составных сечений аналогична работе таких же сечений стальных балок и колонн, а сквозных сечений – работе ферм и сквозных колонн. Разрушение арок и рам может наступить из-за потери несущей способности опорных и конькового узлов, а потеря устойчивости элементов из плоскости конструкции – из-за обрушения связей.

Структурные конструкции

Элементы структурных конструкций, работающие на растяжение или сжатие, имеют небольшие сечения и поэтому быстро нагреваются в условиях пожара. Однако эти конструкции менее чувствительны к повреждениям, т.е. выход одного или нескольких элементов не приводит к обрушению всей конструкции.

Мембранные покрытия

Мембраны, относятся к конструкциям, у которых при нагреве происходит уменьшение усилий до 1/10 – 1/15 ее пролета в результате температурного расширения и температурной деформации ползучести стали. Поэтому огнестойкость стальной мембраны составляет 0,75-1 ч. Наиболее уязвимым элементом мембранного покрытия является его опорный контур. Прогиб мембраны, образовавшийся во время нагрева, является в большей части необратимым, т.е. после охлаждения конструкции он практически не исчезает.

Огнезащита металлических конструкций

Наиболее надежными способами огнезащиты для обеспечения устойчивости зданий и сооружений при пожаре в настоящее время являются:

• облицовки из негорючих материалов;
• огнезащитные покрытия;
• подвесные потолки.

В качестве облицовочных материалов используются бетон, кирпич, гипсокартонные листы, другие плитные и листовые изделия, а также различные типы штукатурки.

Применение бетонной защиты наиболее рационально в том случае, когда одновременно производится усиление ригелей, колонн и стоек. Обетонирование производят после прикрепления к колонне армирующей сетки.

Кирпичную облицовку наиболее часто применяют для повышения предела огнестойкости колонн и стоек. Кладку выполняют из глиняного обыкновенного или силикатного кирпича на цементно-песчанном растворе марки не ниже 50.

Наиболее перспективные облицовки из теплоизоляционных плит на основе перлита, вермикулита и цемента, асбестоперлитоцементных и полужестких минераловатных плит.

В настоящее время разработана огнезащитная облицовка из гипсокартонных листов (ГКЛ). Их применяют для многоэтажных зданий и сооружений со стальным несущим каркасом, с междуэтажными перекрытиями из сборных железобетонных плит или монолита.

Традиционным видом огнезащитного покрытия является цементно-песчаная штукатурка. Она рекомендуется для защиты колонн, ригелей, элементов связей, узлов сопряжения между элементами.

Стремление снизить массу огнезащитной облицовки привело к разработке легких штукатурок и покрытий на основе асбеста, перлита, вермикулита, фосфатных соединений и др. материалов. Эти материалы имеют малую плотность (200-6000 кг/м3) и поэтому низкую теплопроводность. В случае пожара они не выделяют дыма и токсичных продуктов.

Одним из перспективных способов огнезащиты являются высокоэффективные покрытия, которые наносят на поверхность конструкции сравнительно тонким слоем. Эти покрытия могут быть невспучивающимися и вспучивающимися. Невспучивающиеся: состав ОФП-МВ (ГОСТ 25665-83), в состав которого входит гранулированная минеральная вата; облегченное покрытие марки ОПВ-180 (ВСН 113-84), в состав которого входят гипсоцементное пуццолановое вяжущее.

Вспучивающиеся покрытия ОЗС-МВ (ГОСТ 9980.1-86Е), ОВПФ-Л, «Экран-М», представляют собой композиционные материалы, включающие полимерное вяжущее и наполнители.

Огнестойкие подвесные потолки целесообразны для огнезащиты ферм и структур. Устройство подвесного потолка более надежно, так как между потолком и конструкцией создается воздушный зазор, который дополнительно повышает ее предел огнестойкости.

В качестве огнезащиты металлический конструкций можно применять водяное охлаждение этих конструкций: вода может подаваться непосредственно на поверхность конструкции, или заполняться водой (если конструкция выполнена из элементов полого сечения – трубы), для охлаждения при пожаре.

ОГНЕСТОЙКОСТЬ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Для производства деревянных конструкций для обеспечения устойчивости зданий и сооружений при пожаре используется в основном древесина сосны или ели, а клеефанерные конструкции изготовляются с применением водостойкой фанеры, выполненной из березового шпона. К ограждающим деревянным конструкциям относятся плиты покрытий и панели стен. К несущим конструкциям относятся: клееные и клеефанерные балки с постоянной или переменной высотой сечения, металлодеревянные фермы, распорные плоскостные конструкции – арки и рамы, пространственные конструкции – сводчатые и купольные покрытия.

Т.к. древесина является горючим материалом, то применение деревянных конструкций увеличивает пожарную нагрузку в здании, а распространение огня по конструкциям способствует увеличению очага пожара, что затрудняет организацию его тушения и эвакуацию людей.

В условиях пожара снижение несущей способности деревянных конструкций определяется снижением несущей способности их деревянных элементов и узловых соединений этих элементов. Снижение несущей способности элементов происходит из-за обугливания древесины, что приводит к уменьшению рабочего сечения их элементов, способного воспринимать нагрузки, а также из-за изменения прочности древесины в необуглившейся части сечения.

Поведение деревянных конструкций в условиях пожара

Ограждающие конструкции

Одной из причин обрушения ограждающих конструкций при огневом воздействии является быстрый погрев несущих ребер деревянного каркаса. В утепленных панелях несущие ребра частично закрываются утеплителем, защищающим их от непосредственного воздействия температуры при пожаре. В клеефанерных утепленных конструкциях нижняя фанерная обшивка толщиной 8 мм прогорает через 7-8 минут, что способствует выпадению утеплителя, защищающего несущие ребра этих конструкций. То же самое наблюдается в плитах покрытия с асбестоцементными обшивками: асбестоцемент – негорючий материал, но при пожаре может взрывообразно терять целостность (особенно в зданиях с повышенной влажностью).

Наличие продухов в утепленных ограждающих конструкциях способствует распространению огня в здании и увеличению размеров очага пожара, что затрудняет его тушение.

Балки

Причиной обрушения деревянных элементов конструкций во время пожара является обугливание части сечения. Огневые испытания показали, что балки могут разрушаться не только в сечении, где действует максимальные напряжения от изгиба, но и в опорных зонах, где наблюдается действие максимальных касательных напряжений.

При соотношении размеров поперечного сечения h/b>6 в условиях пожара может наблюдаться потеря плоской формы устойчивости балки, опасность которой возрастает с обрушением стальных или деревянных элементов связей, а также из-за обрушения ограждающих конструкций. Несущая способность армированных балок при пожаре меньше, чем у неармированных. Это объясняется низкой термостойкостью эпоксидных клеев при прогреве их до температуры 80-100ºС. С учетом защитного слоя древесины толщиной 20-40 мм прогрев клеевого шва в армированных балках до критической температуры происходит через 20-25 мин после начала действия «стандартного» пожара.

Обрушение балок может произойти за счет исчерпания несущей способности растянутого нижнего пояса, разрушения клеевого шва, крепящего деревянный пояс к фанерной стенки, а также выхода из строя самой фанерной стенки.

Наличие пустот в балках коробчатого сечения способствуют распространению огня по конструкциям.

Фермы

Достоинством ферм, по сравнению с балками, является более рациональное распределение материала в виде поясов и элементов решетки, что способствует снижению материалоемкости этих конструкций, но увеличивает трудоемкость производства.

Из-за небольших размеров сечений деревянных и стальных элементов, а также большого количества узлов с применением стальных нагелей и стальных соединительных элементов, металлодеревянные фермы имеют низкий предел огнестойкости. При этом в первую очередь, во время пожара разрушаются стальные элементы, а деревянные – способствуют распространению огня по конструкции.

Арки и рамы

Предел огнестойкости арок и рам выше, чем у ферм, что объясняется более мощными размерами сечения их элементов. Исчерпание несущей способности этих конструкций при огневом воздействии может наступить из-за потери прочности клееных элементов в сечениях, где действует максимальный изгибающий момент, а также за чет потери устойчивости плоской формы сечений в результате обрушения связей или элементов ограждения, выполняющих роль связей. Также отказ арок и рам может произойти из-за потери несущей способности узлов.

В условиях пожара более опасными являются арки, в которых распор воспринимается стальной затяжкой обладающей низким пределом огнестойкости.

Огнезащита элементов деревянных конструкций и их узлов

Пожарная опасность деревянных конструкций может быть снижена в результате их огнезащитной обработки пропиточными и окрасочными составами, а также использования защитных конструктивных мероприятий.

Для глубокой пропитки древесины в автоклавах применяются водорастворимые составы.

В качестве окрасочных составов применяют покрытия на основе эмали и органосиликатных композиций.

Глубокая пропитка применяется только для элементов конструкций из цельной древесины. Клееные элементы обрабатываются окрасочными составами и составами для поверхностной пропитки.

Для уменьшения возможных размеров пожара в зданиях в вентилируемых ограждающих конструкциях должно быть предусмотрено устройство противопожарных диафрагм из несгораемых или трудносгораемых материалов.

Если позволяют условия эксплуатации внутренних помещений здания, более эффективной защитой клееных, клеефанерных балок и металлодеревянных ферм служит подвесной потолок, выполненный из негорючих или трудногорючих материалов.

Огнезащита поверхностей арок и рам выполняется аналогично балкам.

Наиболее опасными в пожарном отношении являются узлы соединения элементов, поэтому они должны быть обработаны огнезащитными составами. Несущая способность узлов может быть увеличена за счет применения защитных накладок из горючих (Г1 и Г2) или негорючих материалов

Термостойкость клеев, применяемых при изготовлении клееных конструкций, может быть повышена за счет введения в их состав различных добавок типа асбеста, тиокола, вибромолотого песка.