автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Повышение огнестойкости железобетонных строительных конструкций с помощью тонкослойных огнезащитных покрытий

На правах рукописи

ГАБДУЛИН РУСТАМ ШАЙДУЛЛОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ОГНЕСТОЙКОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ПОМОЩЬЮ ТОНКОСЛОЙНЫХ ОГНЕЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ

Специальность: 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

5 ИЮН 2014 005549672

МОСКВА 2014

005549672

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Ройтман Владимир Миронович

Официальные оппоненты: Гаращенко Анатолий Никитович, доктор

технических наук, профессор, ОАО «ЦНИИ Специального машиностроения», отделение прочности №9, ведущий научный сотрудник

Заикин Сергей Вениаминович, кандидат технических наук, ЗАО "Центр высокопрочных материалов Армоком", заместитель генерального директора по научной работе

Ведущая организация

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет»

Защита состоится «25» июня 2014 года в 16час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.138.09, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: г. Москва Ярославское шоссе, д.26

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», http://www.mgsu.ru

Автореферат разослан « 10 п 2014 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ляпин Антон Валерьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Важной тенденцией развития строительного комплекса России является возрастание объема строительства высотных, технически сложных, особо опасных и других уникальных объектов, таких как аэропорты, высотные многофункциональные, административные и жилые объекты.

При строительстве такого рода объектов широкое применение находят конструкции из тяжёлых бетонов повышенной прочности (класс прочности В60 и выше).

Применение высокопрочных бетонов позволяет проектировать конструкции с меньшим сечением, чем, например, из обычных бетонов, что приводит к снижению общего веса сооружения и затрат на строительство.

В то же время, для обеспечения требуемых пределов огнестойкости железобетонных конструкций такого рода уникальных объектов до 150-180 и более минут, обычно приходится увеличивать в конструкциях толщину защитного слоя бетона рабочей арматуры до 50-70 мм.

Такое увеличение толщины защитного слоя бетона сводит на нет положительные качества высокопрочных бетонов, т.к. приводит к увеличению массы конструкции, а также к уменьшению площади внутренних помещений.

Тяжелые высокомарочные бетоны также имеют такой существенный недостаток как склонность к взрывообразному разрушению при воздействии пожара. Такое разрушение бетона в условиях пожара может приводить к уменьшению рабочего сечения конструкции и весьма существенному снижению ее огнестойкости.

Известен ряд способов повышения и оценки огнестойкости железобетонных строительных конструкций (Милованов А.Ф., Ройтман М.Я, Яковлев А.И., Жуков В.В., Соломонов В.В., Мешалкин Е.А., Страхов B.JL, Голованов В.И., Kordina К., Harmathy Т. и др.). Однако применение этих способов, в том числе увеличение толщины защитного слоя бетона до рабочей арматуры и разного рода облицовки имеет ряд существенных недостатков - увеличение массы конструкций, возникновение дополнительной нагрузки на несущие конструкции, сокращение полезной площади помещений здания.

В связи с этим поиск, исследование и развитие способов повышения пределов огнестойкости железобетонных конструкций, лишенных этих недостатков, является актуальной задачей.

В практике строительства все больший интерес вызывают возможности повышения огнестойкости конструкций за счет применения специальных тонкослойных огнезащитных (вспучивающихся при пожаре) покрытий (работы Кривцова Ю.В., Гаращенко А.Н., Ненахова С.А., Пименовой В.П, Халтуринского H.A. и др.).

В данной работе рассматривается направление решения этой задачи, связанное с предположением о том, что специальные тонкослойные огнезащитные покрытия, вспучивающиеся при пожаре, могут являться эффективным способом повышения пределов огнестойкости железобетонных конструкций.

Предполагается также, что такого рода покрытия должны повысить стойкость бетона против взрывообразного разрушения в условиях пожара, не будут создавать дополнительных нагрузок на несущие конструкции и приводить к сокращению внутренней площади помещений здания или сооружения.

Исходя из этих предположений была сформулирована цель работы -изучение возможностей повышения огнестойкости железобетонных конструкций с помощью тонкослойпых огнезащитных вспучивающихся покрытий.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:

1. Анализ состояния вопроса в области методов и средств повышения огнестойкости железобетонных строительных конструкций.

2. Выбор, развитие и разработка методов и средств оценки огнестойкости железобетонных конструкций с учетом применения тонкослойных огнезащитных вспучивающихся покрытий.

3. Изучение особенностей прогрева при пожаре железобетонных конструкций с учетом применения тонкослойных огнезащитных вспучивающихся покрытий.

4. Изучение влияния тонкослойного огнезащитного вспучивающегося покрытия железобетонных конструкций на обеспечение их стойкости против взрывообразного разрушения при пожаре.

5. Изучение особенностей формирования вспучивающихся при воздействии пожара тонкослойных покрытий железобетонных конструкций.

6. Развитие метода оценки огнезащитной эффективности тонкослойных огнезащитных покрытий железобетонных строительных конструкций.

7. Оценка огнезащитной эффективности и оптимальной толщины нанесения тонкослойных огнезащитных покрытий на железобетонные конструкции.

Объект исследования - огнестойкость железобетонных конструкций

Предмет исследования - огнезащитная эффективность тонкослойных огнезащитных покрытий железобетонных конструкций

Научная новизна работы

Выявлены особенности прогрева при пожаре железобетонных конструкций с учетом вспучивания тонкослойного огнезащитного покрытия.

Выявлены особенности формирования и последующей деструкции вспучивающегося при воздействии пожара тонкослойного огнезащитного покрытия как основного фактора, определяющего огнезащитную эффективность этих покрытий.

Выявлен эффект обеспечения стойкости железобетонных конструкций против взрывообразного разрушения при воздействии пожара при нанесении на их поверхность тонкослойных вспучивающихся огнезащитных покрытий.

Практическая значимость работы заключается:

- в предложении способа повышения огнестойкости железобетонных конструкций на 120 минут и более;

в предложении способа обеспечения стойкости железобетонных конструкций из тяжёлых бетонов повышенной прочности против взрывообразного разрушения при пожаре.

в методике оценки огнезащитной эффективности тонкослойных вспучивающихся покрытий применительно к железобетонным конструкциям;

- в результатах оценки огнезащитной эффективности тонкослойных вспучивающихся покрытий применительно к железобетонным конструкциям.

На защиту выносится:

1. Методы и средства оценки огнестойкости железобетонных конструкций с учетом применения вспучивающихся при нагреве тонкослойных огнезащитных покрытий.

2. Особенности прогрева при пожаре железобетонных конструкций с учетом применения вспучивающихся при нагреве тонкослойных огнезащитных покрытий.

3. Влияние тонкослойного огнезащитного, вспучивающегося при нагреве покрытия железобетонных конструкций на обеспечение их стойкости против взрывообразного разрушения при пожаре.

4. Особенности формирования и последующей деструкции вспучивающихся при нагреве тонкослойных покрытий железобетонных конструкций.

5. Развитие метода оценки огнезащитной эффективности тонкослойных огнезащитных покрытий применительно к железобетонным строительным конструкциям.

6. Результаты оценки огнезащитной эффективности и оптимальной толщины нанесения тонкослойных огнезащитных покрытий на железобетонные конструкции.

Практическая реализация.

Результаты, полученные в диссертационной работе, использованы на следующих объектах:

1. При обеспечении огнестойкости перекрытия площадью 3300 м2, разделяющего зал пребывания пассажиров и технический этаж терминала «С» ОАО «Международный аэропорт Шереметьево», Московская область, г. Химки,

2. При обеспечении огнестойкости несущей стены не отапливаемого лабораторного корпуса 17 на площади 51 м2, НПО «Ассоциация Крилак», г. Москва, 2-я Институтская улица д.6.

Достоверность полученных результатов подтверждается

Использованием сертифицированного, аттестованного и поверенного оборудования в аккредитованных лабораториях ФГУ ВНИИПО МЧС России, AHO по сертификации «Электросерт».

Результатами независимой проверки состояния промышленно внедренного покрытия «Джокер М».

Экспериментальной оценкой значений параметров и характеристик материалов, используемых при решении диссертационных задач.

Применением физически обоснованных математических моделей решения теплотехнической задачи огнестойкости.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались на:

- Городской научно-практической конференции «Комплексное обеспечение безопасности и антитеррористической защищенности высотных зданий и уникальных сооружений г. Москвы» (Москва 2007г);

- Научно-техническом совете ФГУП «Научно-исследовательский центр «Строительство» (Москва 2007);

- Научно-техническом совете НПО «Ассоциация Крилак» (Москва 2007);

- Международной научно — практической конференции молодых учёных и специалистов «Проблемы техносферной безопасности - 2012» ФГБОУ ВПО «Академия ГПС МЧС» (Москва2012);

- Международной молодёжной конференции «Оценка рисков и безопасность в строительстве», ФГБОУ ВПО «МГСУ» (Москва2012);

- «Новое качество и надёжность строительных материалов и конструкций на основе высоких технологий» ФГБОУ ВПО «МГСУ» (Москва 2012);

- 16-ой Международной межвузовской научно - практической конференции студентов, магистрантов и молодых ученых «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», ФГБОУ ВПО «МГСУ» (Москва2013);.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 2 в журналах, рекомендованных ВАК.

Объём н структура работы. Работа состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы и приложений. Материалы изложены на 146 страницах машинописного текста, включающего 11 таблиц и 42 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, изложены общие положения, структура и объем работы.

Первая глава посвящена анализу состояния вопроса в области методов и средств повышения огнестойкости железобетонных строительных конструкций.

Показана необходимость повышения, в ряде случаев, огнестойкости железобетонных конструкций и обеспечения их стойкости против «взрывообразного разрушения» при пожаре.

Приведено несколько вариантов решения этой проблемы: повышение предела огнестойкости железобетонных конструкций за счет увеличения толщины защитного слоя бетона и применения различных облицовок.

Увеличение защитного слоя бетона не предотвращает взрывообразного разрушения бетона при пожаре, к тому же конструкция становится более массивной

и тяжёлой, что влечёт к сокращению внутреннего пространства здания и удорожанию строительства.

Применение в качестве огнезащитных покрытий оштукатуривания, экранов и облицовок также приводит к увеличению массивности железобетонных конструкции, сокращению внутренней площади помещений и увеличению нагрузки на несущие конструкции.

В связи с этим возникает необходимость в поиске, исследовании и развитии способов повышения пределов огнестойкости железобетонных конструкций, лишенных этих недостатков.

Исходная предпосылка при формулировании цели данной работы состояла в том, что специальные, вспучивающиеся при нагреве тонкослойные огнезащитные покрытия железобетонных конструкций могут являться эффективным способом повышения огнестойкости этих конструкций.

Предполагалось также, что такого рода покрытия железобетонных конструкций также должны обеспечить стойкость бетона к взрывообразному разрушению в условиях пожара.

В соответствии с этими предпосылками были сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе («Методы и средства исследования») представлен комплекс методов и средств, который использовался для решения поставленных задач.

А) Методы и средства огневых испытаний элементов железобетонных конструкций.

Сущность метода огневых испытаний элементов железобетонных конструкций заключалась в создании на элемент строительной конструкции теплового воздействия «стандартного пожара» и последующего определения времени наступления предельного состояния элемента. В работе наступление предельного состояния испытуемых элементов железобетонных конструкций фиксировалось по моменту времени прогрева рабочей арматуры до критической температуры 500 °С.

Обеспечение стойкости бетона против взрывообразного разрушения при пожаре фиксировалось по наличию или отсутствию актов взрывообразного разрушения бетона элемента при его огневом испытании.

На рис.1 представлена установка, которая использовалась в работе для проведения огневых испытаний железобетонных плит.

Б) Способ визуальной фиксации толщины вспучивающегося слоя огнезащитного покрытия.

Способ состоял в визуальной фиксации изменения толщины слоя вспучивающегося покрытия железобетонного элемента непосредственно во время проведения огневых испытаний относительно шкалы, установленной на закрепленной мерной линейке в огневой камере печи.

Рис.1. Общий вид огневой установки и испытуемого образца железобетонной плиты.

При обработке результатов огневого испытания конструкции с огнезащитным вспучивающимся покрытием производится вычисление изменения толщины вспучивающегося слоя огнезащитного состава 5вспсл(т) по формуле:

5вся.сл(т) = Ь-ДЬ

где Ь-максимальное значение (реперная точка) шкалы измерений;

ДЬ- расстояние между поверхностью образующегося вспучивающегося слоя и «реперной» точкой на фиксаторе.

В) Метод численного моделирования особенностей прогрева при пожаре железобетонных конструкций, с учетом применения тонкослойных огнезащитных вспучивающихся покрытий, реализовывался путем вычислительных экспериментов на базе НОЦ «Компьютерного моделирования» МГСУ с помощью многофункционального программного комплексалА^УБ».

На стадии подготовки к численному моделированию задавались необходимые для решения задач исходные данные. Выбирались координатные системы и типы конечных элементов, теплофизические характеристики, упругие постоянные и физико-механические свойства материалов, строилась твердотельная модель и сетка конечных элементов, задавались уравнения и ограничения.

В программном комплексе АКБУЗ для конечно-элементного представления системы разрешающее уравнение процесса теплопередачи имеет вид:

где [С] {Т} [К] {Т} {<3}

[С]{Т} + [К]{Т} = {<2}

- матрица удельных теплоемкостей;

- производная по времени температуры в узле;

- матрица эффективной теплопроводности;

- вектор узловых температур;

- вектор эффективного теплового потока в узле.

В ЭВМ вводились данные об испытуемых конструкциях, такие как геометрические размеры, плотность, теплопроводность, теплоёмкость бетона и арматуры, а также режим теплового воздействия (режим «стандартного» пожара).

Полученные результаты обрабатывались в виде графиков изменения температуры в расчетных точках конструкции в зависимости от времени заданного высокотемпературного воздействия.

Г) Методы и средства определения характеристик тонкослойных огнезащитных покрытий

Метод определения адгезии огнезащитного покрытия к бетонной поверхности (метод нормального отрыва стальных дисков). Данный метод позволяет отслеживать значения адгезии огнезащитного покрытия в течение определённого времени эксплуатации.

Метод определения коэффициента вспучивания огнезащитного покрытия, разработанный в ЦННИИСК им. В.А. Кучеренко.

Данная методика позволяет наиболее точно определить значение коэффициента вспучивания вследствие исключения воздействия на вспученный слой побочных факторов, таких как открытое пламя, конвективные потоки.

Результаты опытов обрабатывались с использованием формулы КВсп = (Нвсп. — Нисх)/Нисх * 100 где: Квсп — коэффициент вспучивания, %;

НИСх - исходная толщина огнезащитного покрытия в стакане, мм;

Нвсп - конечная толщина вспененного слоя огнезащитного покрытия, мм.

Метод оценки оптимальной толщины слоя тонкослойного огнезащитного покрытия, наносимого на железобетонную конструкцию.

Оптимальная толщина слоя тонкослойного огнезащитного покрытия, наносимого на железобетонную конструкцию, определялась путем испытания серий бетонных образцов (кубы размером 100x100 миллиметров). На образцы наносился слой огнезащитного покрытия различной толщины. Затем все образцы подвергались воздействию стандартного пожара в течение 2 часов. После этого производилось определение кубиковой прочности бетона. Оптимальная толщина огнезащитного покрытия определялась по минимальной потере первоначальной кубиковой прочности бетона.

В третьей главе («Результаты проведённых исследований») приведены результаты проведённых исследований.

3.1 Особенности прогрева при пожаре железобетонных конструкций с учетом применения тонкослойных огнезащитных вспучивающихся покрытий, так и без них.

Эта задача решалась путем проведения огневых испытаний железобетонных плит и колонн.

Плиты подвергались одностороннему нагреву, колонны - четырёхстороннему. Толщина слоя огнезащитного покрытия, нанесённого на железобетонные конструкции, составляла 2 миллиметра. Режим нагрева испытуемых образцов соответствовал «стандартному» температурному режиму, применяемому для

испытаний конструкций на огнестойкость. Предельное состояние испытуемого элемента фиксировалось по температуре прогрева рабочей арматуры плиты, равной 500 °С, принимаемой в качестве критической.

Результаты огневого испытания железобетонной плиты с огнезащитой в виде вспучивающегося покрытия «Джокер-М» представлены на рис.2.

т,°с 1100 1000 900 800 700 600 Ткр 500 400 300 200 100 0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 I, мин I Рис.2.Результаты огневых испытаний железобетонных плит

1 - изменение температуры в огневой камере печи (режим «стандартного» пожара);

2 - опыт при отсутствии огнезащитного покрытия плиты (при наличии актов взрывообразного разрушения бетона обогреваемой поверхности плиты);

3 — изменение температуры рабочей арматуры плиты при отсутствии огнезащиты (эталонные опыты НИИЖБ без актов взрывообразного разрушения бетона).

4 - изменение температуры рабочей арматуры плиты при наличии огнезащиты в виде вспучивающегося при нагреве огнезащитного покрытия (взрывообразной потери целостности бетона не наблюдалось).

Результаты проведённых огневых испытаний свидетельствуют о том, что:

- на особенности прогрева арматуры испытуемой железобетонной плиты оказывали влияние несколько основных факторов, таких как: взрывообразное разрушение защитного слоя бетона, формирование тонкослойного огнезащитного вспучивающегося покрытия, последующая деградация этого вспучивающегося покрытия.

- наличие вспучивающегося при нагреве тонкослойного огнезащитного покрытия железобетонной плиты значительно замедляет процесс прогрева рабочей арматуры плиты по сравнению с аналогичной плитой без огнезащиты;

замедление прогрева защищенной конструкции, фиксируемое по наступлению критической температуры рабочей арматуры элемента, достигает 100 -140 минут.

Это замедление прогрева рабочей арматуры испытуемого элемента может рассматриваться в качестве «огнезащитного эффекта» огнезащитного покрытия железобетонной конструкции.

3.2. Влияние тонкослойного огнезащитного вспучивающегося покрытия железобетонных конструкций на обеспечение их стойкости против взрывообразного разрушения при пожаре

Стойкость железобетонной конструкции против взрывообразного разрушения при пожаре оценивалась по наличию или отсутствию актов «взрывообразной» потери целостности бетона во время огневых испытаний этих конструкций (см. таблица 1).

Таблица 1

Результаты сравнительных огневых испытаний элементов железобетонных конструкций по влиянию тонкослойных огнезащитных покрытий на стойкость бетона против взрывообразной потери целостности при пожаре

№ Тип Влаж- Наличие Режим Наблюдение взрывообразной потери

1[/11 испытуемого ность, % огнезащит- огневого целостности бетона

элемента ного покрытия испытания Время, мин Вид повреждения бетона Звуковые эффекты

1 2 3 4 5 6 7 8

Железобетон- Разлет

1 ные плиты, 1,1x1,1x0,2 м„ защитный слой бетона 3,1 нет «Стандарт ный пожар» 10-24 кусков размером 50x30x1,5 см, 3x2x0,5 Хлопки, напоминающие хруст

20 мм см

Железобетон- Разлет

2 ные плиты, 1,1x1,1x0,2 м„ защитный слой бетона 40 мм 3,1 нет «Стандарт ный пожар» 10-27 кусков размером 50x30x1,5 см, 3x2x0,5 см Хлопки, напоминающие хруст

Железобетон- да, " Джокер-М», толщ. 2 мм

3 ные плиты, 1,1x1,1x0,2 м., защитный слой бетона 20 мм 3,1 «Стандарт ный пожар» нет нет нет

Железобетон- да, «Джокер-М», толщ. 2 мм

4 ные плиты, 1,1x1,1x0,2 м, защитный слой бетона 40 мм 3,1 «Стандарт ный пожар» нет нет нет

Железобетон-

ные колонны, «Стандарт ный пожар» Разлет

5 2,5 x0,5x0,5м., защитный слой бетона 40 мм 3,4 нет 16-42 кусков размером 8x10x1 см Звуки похожие на выстрелы

Железобетон- да, «Джокер-М», толщ. 2 мм

6 ные колонны, 2,5x0,5x0,5м., 3,4 «Стандарт ный пожар» нет нет нет

защитный слой бетона 40 мм

При огневых испытаниях образцов железобетонных плит и колонн без огнезащитных покрытий имело место взрывообразное разрушение бетона, начиная с 11-15-ой минуты огневого испытания (см. табл.1). Это подтверждает известные факты (Еврокоды), что бетон класса В60 имеет склонность к взрывообразному разрушению при влажности 3,0-3,1%.

Взрывообразное разрушение бетона защитного слоя рабочей арматуры наблюдалось на 98 минуте испытаний (см. рис.2 кривая 2). Предел огнестойкости данной плиты без взрывообразного разрушения бетона должен был составить не менее 140 минут (см. рис.2 кривая 3). Разницу следует объяснить уменьшением толщины защитного слоя бетона до арматуры в процессе взрывообразного разрушения, что повлекло увеличение скорости прогрева арматуры.

Скорость прогрева рабочей арматуры образцов без огнезащиты с наличием взрывообразного разрушения бетона составляет в среднем 5 °С в минуту (см. рис.2 кривая 2).

При проведении огневых испытаний элементов железобетонных конструкций, с нанесённым огнезащитным покрытием, с первоначальной толщиной 2 миллиметра взрывообразного разрушения бетона на всём протяжении огневых испытаний не зафиксировано.

Достижение критической температуры рабочей арматуры достигнуто на 242 минуте испытаний.

При наличии огнезащитного покрытия на образцах скорость прогрева рабочей арматуры составляет в среднем 2 °С в минуту (см. рис.2 кривая 4).

Этот фактор, по нашему мнению, является определяющим того, что взрывообразного разрушения бетона в этом случае не происходило. Снижение скорости прогрева слоя бетона, прилегающего к обогреваемой поверхности железобетонного элемента, при наличии вспучивающегося при нагреве огнезащитного покрытия на поверхности элемента приводило к снижению интенсивности фазовых превращений влаги, заключенной в порах и капиллярах структуры прогреваемого бетона и образованию более благоприятных условий для процесса удаления пара за счет паропроницаемости бетона. Благодаря этому, избыточное давление паро- воздушной смеси в структуре бетона не достигает критического значения, необходимого для разрыва бетона. Это и обеспечивает стойкость конструкции против этого вида разрушения при пожаре.

Таким образом, применение вспучивающегося при нагреве огнезащитного покрытия на поверхности железобетонных элементов позволяет, помимо эффекта повышения огнестойкости конструкции, обеспечить стойкость железобетонных конструкций против взрывообразного разрушения бетона при пожаре.

З.З.Изучение особенностей формирования вспучивающихся при воздействии пожара тонкослойных покрытий железобетонных конструкций.

В процессе огневых испытаний методом визуальной фиксации определялась толщина вспученного слоя огнезащитного покрытия. Результаты наблюдения представлены на рис.3.

До воздействия пожара толщина слоя огнезащитного покрытия составляла всего 2 миллиметра. В течение первых 30 минут испытаний толщина огнезащитного покрытия достигает 50 миллиметров, к 50 минуте 55 миллиметров. Это свидетельствует о том, что происходит формирование пористой структуры слоя вспучивающегося при нагреве покрытия. Возникшая пористая структура имеет низкие значения коэффициента теплопроводности. Это замедляет прогрев конструкции при пожаре и создает огнезащитный эффект вспучивающегося покрытия.

С 50-ой до 80-ой минуты наблюдается стадия стабильного существования вспученного слоя защитного покрытия на поверхности защищаемой конструкции.

Затем наблюдается снижение толщины вспученного слоя защитного покрытия. К 180-ой минуте теплового воздействия «стандартного» пожара толщина слоя вспученного покрытия уменьшается до 20 миллиметров, что составляет около 40% от максимальной толщины этого слоя (50-55 миллиметров) (рис.3).

Рис. 3.Изменение толщины слоя вспучивающегося покрытия железобетонной плиты в зависимости от времени воздействия «стандартного» пожара, полученное путем визуальных измерений во время проведения огневого испытания

Метод визуальной фиксации, в силу неравномерности формирования слоя вспучивающегося покрытия, не позволял достаточно точно наблюдать процессы, происходящие в «теле» вспучивающегося слоя огнезащитного покрытия.

В связи с этим, одной из задач данной работы стало более подробное изучение особенностей формирования вспучивающихся при воздействии пожара тонкослойных покрытий железобетонных конструкций.

Решение этой задачи производилось методом численного моделирования.

Применение метода численного моделирования позволило провести оценку вклада динамики изменения толщины вспучивающегося слоя покрытия на характер прогрева рабочей арматуры железобетонных плит - показателя, определяющего «огнезащитную эффективность» покрытия.

Оказалось, что кривая прогрева рабочей арматуры плиты, полученная методом численного моделирования с использованием результатов визуальной фиксации толщины вспучивающегося огнезащитного покрытия, не дает достаточного совпадения с экспериментальной кривой прогрева этой арматуры (см. рис.4 кривую

3).

Это свидетельствует о недостаточной точности визуальной фиксации динамики формирования вспучивающегося слоя огнезащитного покрытия.

б, мм 50 40 30 20 10 0

0 30 60 90 120 150 t,MjiH

Б) т, -

600 -

500 Y^----v

400 [---

200 ---

100 - ------ -1-

0 t—--:-

0 30 60 90 120 150 t, мин"

Рис.4. Изучение особенностей формирования слоя огнезащитного вспучивающегося покрытия железобетонной плиты методами численного моделирования

А) Динамика изменения толщины слоя огнезащитного покрытия железобетонной плиты во время огневого испытания.

2а - результат приблизительного визуального наблюдения за изменением толщины слоя вспучивающегося покрытия;

За - начальная аппроксимация изменения толщины вспучивающегося покрытия в методе численного моделирования;

4а - конечная аппроксимация изменения толщины вспучивающегося покрытия в методе численного моделирования.

Б) Изменение температуры рабочей арматуры при огневых испытаниях плиты и численном моделировании.

1 — температурный режим «стандартного» пожара;

2 - экспериментальная («эталонная») кривая прогрева рабочей арматуры плиты полученная по результатам огневых испытаний;

3 - результат численного моделирования прогрева рабочей арматуры плиты при итерации соответствующей приблизительному визуальному наблюдению (кривая За);

/

г

2...............__

*-----

1 j

46 - конечный результат численного моделирования прогрева рабочей арматуры плиты.

Методом численного моделирования путем последовательного введения различных итераций кривой эволюции вспучивающегося покрытия при прогреве железобетонной плиты (см. рис.4А) были получены соответствующие изменения кривых прогрева рабочей арматуры испытуемой плиты.

На рис.4А представлен вариант изменения толщины вспученного слоя огнезащиты плиты во времени прогрева, при котором было достигнуто совпадение кривых прогрева рабочей арматуры плиты (см. кривая 2 и 46, рис. 4Б), полученных в результате огневого испытания (эталон для сравнения) и при численном моделировании.

Выявлено более быстрое уменьшение средней толщины вспученного слоя огнезащиты на стадии деструкции, по сравнению с результатами визуальной фиксации этого процесса во время огневых испытаний. Т.е. снижение огнезащитного эффекта покрытия происходило более интенсивней в сравнении с уменьшением толщины вспученного слоя.

Численное моделирование позволило уточнить особенности деструкции вспученного слоя огнезащиты конструкции при воздействии пожара.

Рассмотрение полученных результатов свидетельствует о том, что визуальное наблюдение за процессом деструкции вспученного слоя огнезащиты конструкции приводит к недооценке опасности этого процесса. Оказалось, что надо учитывать более быстрое развитие процесса деструкции слоя вспучивающегося покрытия.

Таким образом, эволюция толщины вспученного слоя защитного покрытия влияет на особенности прогрева рабочей арматуры защищаемой железобетонной плиты и, в конце концов, определяет значение «огнезащитного эффекта» покрытия. Удалось уточнить динамику формирования и деструкции слоя вспучивающегося покрытия, по сравнению с приблизительной, визуальной оценкой во время огневых испытаний (см. рис.4).

В четвёртой главе («Использование результатов проведённых исследований для решения практических задач») представлено использование результатов проведенных исследований для решения практических задач.

4.1.Развитие метода оценки огнезащитной эффективности тонкослойных огнезащитных покрытий, применительно для защиты железобетонных строительных конструкций.

Термин «Огнезащитная эффективность» применяется для средств огнезащиты стальных конструкций и характеризуется временем в минутах от начала огневого испытания до достижения критической температуры (500 °С) стандартным образцом стальной конструкции с огнезащитным покрытием.

Для железобетонных элементов строительных конструкций термин «огнезащитная эффективность» имеет свою специфику.

Огнезащитная эффективность тонкослойных покрытий на железобетоне отличается от огнезащитной эффективности покрытий по стальным конструкциям

тем, что в железобетоне огнезащитная эффективность включает две составляющих -огнезащитную эффективность огнезащитного покрытия и огнезащитную эффективность защитного слоя бетона.

Наличие защитного слоя бетона рабочей арматуры элементов железобетонных конструкций создает дополнительный защитный эффект.

Время прогрева несущей арматуры до критической температуры 500 °С образцов с огнезащитным покрытием (см. кривая 4, рис.2) увеличилось на 140 и 100 минут в сравнении с образцами без огнезащиты (см. кривая 2,3 рис.2). Такой эффект объясняется низкой теплопроводностью вспученного слоя огнезащитного покрытия.

Если обозначить огнезащитную эффективность защитного слоя бетона рабочей арматуры плиты как ОЗЭбет. а суммарную «огнезащитную эффективность» защитного слоя бетона арматуры и вспучивающегося покрытия как ОЗЭ6ет+покр то «огнезащитная эффективность» вспучивающегося покрытия ОЗЭп01ф будет определяться из соотношения:

ОЗЭпокр — ОЗЭбет+ПОКр ~ ОЗЭбСТ

Для определения огнезащитной эффективности вспучивающегося покрытия предлагается использовать два варианта образцов в виде железобетонных плит размером 1100x1100x200 миллиметров. Первый вариант образцов - железобетонные плиты без огнезащитного покрытия. Второй - идентичные железобетонные плиты, но с нанесенным огнезащитным покрытием на обогреваемую поверхность.

Предлагается следующее определение понятия «Огнезащитная эффективность вспучивающегося при нагреве покрытия железобетонной конструкции» — это показатель, характеризующийся разностью времени до наступления заданной критической температуры прогрева рабочей арматуры эталонной железобетонной плиты при стандартных огневых испытаниях с огнезащитным покрытием и без него.

4.2. Определение оптимальной толщины тонкослойного огнезащитного покрытия железобетонных конструкций

Для решения этой задачи были испытаны бетонные образцы, покрытые огнезащитным покрытием различной толщины. Все образцы подвергались температурному воздействию «стандартного» пожара в течение 2-х часов. После этого производилось определение прочности бетонных образцов на специальном силовом оборудовании.

На рис.5 показана полученная зависимость остаточной прочности бетонных образцов после 120 минут воздействия «стандартного» пожара от толщины наносимого на эти образцы огнезащитного покрытия.

Рис.5. Изменение прочности бетона в зависимости от толщины покрытия «Джокер-М», при огневом воздействии стандартного пожара (120 мин.)

Полученные результаты свидетельствуют о том, что (см. рис.5) приближаясь к толщинам огнезащитного покрытия 1 миллиметр и более, снижение прочности бетона незначительно. Дальнейшее увеличение толщин огнезащитного покрытия до 2 миллиметров позволило ещё более снизить потери прочности бетона.Таким образом, за оптимальную толщину тонкослойного огнезащитного покрытия железобетонных конструкций принято значение толщины тонкослойного огнезащитного покрытия, равного 2 миллиметра, т.к. дальнейшее увеличение первоначальной толщины слоя огнезащитного покрытия не дает существенного эффекта для увеличения его огнезащитной эффективности.

Выводы

1. Анализ состояния вопроса в области методов и средств повышения огнестойкости железобетонных строительных конструкций выявил необходимость повышения огнестойкости железобетонных конструкций, применяемых при строительстве высотных и технически сложных объектов, и обеспечения их стойкости против «взрывообразного разрушения» при пожаре. Одним из эффективных направлений решения этой проблемы является применение

; специальных, вспучивающихся при нагреве тонкослойных огнезащитных покрытий железобетонных конструкций.

2. Для изучения возможностей повышения огнестойкости железобетонных конструкций с помощью специальных, вспучивающихся при нагреве тонкослойных огнезащитных покрытий, был использован комплекс экспериментально -расчетных методов и средств, включающий: огневые установки для испытания

элементов железобетонных конструкций, методы численного моделирования прогрева этих элементов и ряд лабораторных методов и средств.

3. Выявлен «огнезащитный эффект» тонкослойного огнезащитного вспучивающегося покрытия железобетонных конструкций, количественно выражающийся в замедлении прогрева рабочей арматуры железобетонной конструкции до критической температуры на 100-140 минут, по сравнению с образцами без огнезащитного покрытия.

4. Изучены особенности формирования вспучивающихся при нагреве тонкослойных покрытий железобетонных конструкций. Выявлено две основных стадии формирования вспучивающихся при нагреве тонкослойных огнезащитных покрытий железобетонных конструкций: стадия «развития» и стадия «деградации» (разрушения). Эти стадии развития вспученного слоя оказывают определяющее влияние на огнестойкость защищаемой конструкции.

5. Численное моделирование особенностей формирования слоя вспучивающегося покрытия железобетонных конструкций при воздействии пожара позволило уточнить результаты визуальных наблюдений этого процесса во время огневых испытаний, которые приводили к недооценке опасности пожара. Снижение огнезащитного эффекта покрытия происходило более интенсивней в сравнении с уменьшением его толщины вспученного слоя.

6. Применение тонкослойных огнезащитных покрытий, вспучивающихся при нагреве, обеспечивает стойкость железобетонных конструкций против взрывообразного разрушения при пожаре. Установлено, что наличие огнезащитного покрытия на железобетонном образце снижает скорость прогрева рабочей арматуры в 2,5 раза. Низкая скорость прогрева рабочей арматуры позволяет железобетонной конструкции увеличить время сохранения своих рабочих функций при воздействии пожара.

7. Предложен метод оценки огнезащитной эффективности тонкослойных огнезащитных покрытий, применительно к железобетонным конструкциям. Метод включает проведение огневых испытаний железобетонных плит стандартного размера и армирования при наличии и отсутствии огнезащитного покрытия и последующее сравнение показателей времени наступления заданного значения критической температуры рабочей арматуры плиты, в зависимости от наличия и отсутствия огнезащитного покрытия.

8. Наличие защитного слоя бетона рабочей арматуры железобетонных конструкций создает дополнительный защитный эффект, который суммируется с огнезащитным эффектом тонкослойного покрытия. Суммарный защитный эффект вспучивающегося покрытия и защитного слоя бетона позволяет повышать огнестойкость железобетонных конструкций до величин 240 минут. Это позволяет отказаться от неэффективного и дорогостоящего увеличения рабочего сечения несущих железобетонных конструкций при проектировании высотных, уникальных и особо ответственных объектов.

9. Определена оптимальная первоначальная толщина тонкослойного огнезащитного покрытия в 2 миллиметра, которая обеспечивает толщину вспученного слоя 60 миллиметров при воздействии стандартного пожара.Что

обеспечивает огнезащитную эффективность до 240 минут и предотвращает возникновение взрывообразного разрушения бетона.

10. Показана возможность и эффективность применения методов численного моделирования на основе современных программных комплексов не только для изучения особенностей формирования защитного вспучивающегося покрытия железобетонных конструкций, но и для перехода к экспериментально - расчетной и расчетной оценке огнезащитной эффективности различных огнезащитных покрытий строительных конструкций.

Основные результаты диссертации представлены в следующих публикациях.

1. Кривцов Ю.В., Ламкин О.Б., Рубцов В.В., Габдулин Р.Ш. Тонкослойная огнезащита железобетона // Противопожарные и аварийно-спасательные средства. -2006. —№1. - С. 22-24.

2. Кривцов Ю.В., Ламкин О.Б., Рубцов В.В., Габдулин Р.Ш. Тонкослойные покрытия для огнезащиты железобетона // Вестник Академии Государственной противопожарной службы, №5.-М.: Академия ГПС МЧС России, 2006. - С.70-76.

3. Кривцов Ю.В., Ламкин О.Б., Рубцов В.В., Габдулин Р.Ш. Огнезащита железобетонных несущих конструкций тонкослойными покрытиями // Мир и безопасность. - 2006. - №5. - С.23.

4. Кривцов Ю.В., Ламкин О.Б., Рубцов В.В., Габдулин Р.Ш. Тонкослойная огнезащита бетона // Промышленное и гражданское строительство - 2006. - №6. -С. 42-43.

5. Габдулин Р.Ш. Эффективные способы огнезащиты строительных конструкций // Безопасность. - 2011 - №1 - С.48-49.

6. Ройтман В.М., Габдулин Р.Ш., Щербина C.B. Механизм формирования огнезащитного эффекта вспучивающихся покрытий железобетонных конструкций при их нагреве // Наука и безопасность - 2012. - № 4. - С. 40-50.

7. Ройтман В.М., Габдулин Р.Ш. Формирование огнезащитного эффекта вспучивающихся покрытий железобетонных конструкций при их нагреве // Материалы международной научно-практической конференции молодых учёных и специалистов «Проблемы техносферной безопасности-2012». -М.: Академия ГПС МЧС России, 2012. - С.29-30.

8. Ройтман В.М., Габдулин Р.Ш., Щербина C.B. Повышение огнестойкости железобетонных конструкций с помощью тонкослойных огнезащитных покрытий // Сборник научных трудов института строительства и архитектуры МГСУ (выпуск 4): научные труды Международной молодёжной конференции «Оценка рисков и безопасность в строительстве. Новое качество и надёжность строительных материалов и конструкций на основе высоких технологий»/ФГБОУ ВПО «Моск. гос. строит.ун-т». - М.: МГСУ,2012. - С.172-175.

9. Ройтман В. М., Габдулин Р. Ш. Обеспечение стойкости железобетонных конструкций против взрывообразного разрушения при пожаре с помощью тонкослойных огнезащитных вспучивающихся покрытий // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. - 2013. - № 2. - С. 11-16.

Заказ № 20438 Тираж: 100 экз.

Копицентр «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 107023, Москва, ул.Б.Семеновская 11, стр.12 (495) 542-7389 www.chertez.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

ПОВЫШЕНИЕ ОГНЕСТОЙКОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ

КОНСТРУКЦИЙ С ПОМОЩЬЮ ТОНКОСЛОЙНЫХ ОГНЕЗАЩИТНЫХ

ПОКРЫТИЙ

Специальность: 05.26.03 -Пожарная и промышленная безопасность (строительство)

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Габдулин Рустам Шайдуллович

На правах рукописи

04201458799

Научный руководитель: доктор технических наук профессор Ройтман В.М.

Москва 2014

Оглавление

Стр.

Введение ....................................................................... 4

Глава 1 Обзор состояния вопроса. Цель и задачи

исследования...................................................... 9

1.1 Проблема обеспечения огнестойкости железобетонных конструкций и необходимости ее

повышения.......................................................... 9

1.2 Явление взрывообразного разрушения бетона при пожаре и его влияние на огнестойкость железобетонных конструкций................................................................. 11

1.3 Методы повышения огнестойкости железобетонных конструкций....................................................... 19

1.4 Цель и задачи исследования................................... 23

Глава 2 Методы и средства исследования............................ 25

2.1 Методы и средства огневых испытаний элементов железобетонных конструкций................................ 25

2.2 Способ и устройство для визуальной фиксации толщины вспучивающегося слоя огнезащитного покрытия........................................................... 28

2.3 Метод численного моделирования для изучения механизма формирования слоя защитного вспучивающегося покрытия железобетонных конструкций....................................................... 30

2.4 Методы и средства определения характеристик тонкослойных огнезащитных покрытий.................... 33

Глава 3 Результаты проведённых исследований..................... 39

3.1 Особенности прогрева при пожаре железобетонных конструкций с учетом применения тонкослойных огнезащитных вспучивающихся покрытий, так и без

них................................................................... 39

3.2 Влияние тонкослойного огнезащитного вспучивающегося покрытия железобетонных конструкций на обеспечение их стойкости против взрывообразного разрушения при пожаре................. 53

3.3 Изучение особенностей формирования вспучивающихся при воздействии пожара тонкослойных покрытий железобетонных конструкций....................................................... 60

3.4 Результаты оценки характеристик вспучивающихся огнезащитных покрытий железобетонных конструкций.. 74

3.5 Сравнительная оценка различных огнезащитных покрытий железобетонных конструкций.................... 78

Глава 4 Использование результатов проведённых исследований

для решения практических задач..................................... 83

4.1 Развитие метода оценки огнезащитной эффективности тонкослойных огнезащитных покрытий, применительно для защиты железобетонных строительных конструкций............................................................... 83

4.2 Определение оптимальной толщины тонкослойного огнезащитного покрытия железобетонных

конструкций........................................................ 88

Выводы............................................................... 102

Список литературы................................................ 105

Приложения......................................................... 117

Введение

Важной тенденцией развития строительного комплекса России является возрастание объема строительства высотных, технически сложных, особо опасных и других уникальных объектов, таких, как аэропорты, высотные многофункциональные, административные и жилые объекты.

При строительстве такого рода объектов широкое применение находят конструкции из тяжёлых бетонов повышенной прочности (класс прочности В60 и выше).

Применение высокопрочных бетонов позволяет проектировать конструкции с меньшим сечением, чем, например, из обычных бетонов, что приводит к снижению общего веса сооружения и затрат на строительство.

В то же время, для обеспечения требуемых пределов огнестойкости железобетонных конструкций такого рода уникальных объектов до 150-180 и более минут, обычно приходится увеличивать в конструкциях толщину защитного слоя бетона рабочей арматуры до 50-70 мм.

Такое увеличение толщины защитного слоя бетона сводит на нет положительные качества высокопрочных бетонов, так как приводит к увеличению массы конструкции, а также к уменьшению площади внутренних помещений.

Тяжелые высокомарочные бетоны также имеют такой существенный недостаток, как склонность к взрывообразному разрушению при воздействии пожара. Такое разрушение бетона в условиях пожара может приводить к уменьшению рабочего сечения конструкции и весьма существенному снижению ее огнестойкости.

При воздействии пламени пожара тяжёлый бетон с влажностью 3,5 % и более подвержен взрывообразному разрушению. Взрывообразное разрушение проявляется как откол от нагреваемой поверхности конструкции кусков бетона площадью до 1 м и толщиной до 0,05 м. Разрушение бетона может продолжаться в течение всего огневого воздействия до полного разрушения конструкции. Откол кусков бетона приводит к оголению несущей арматуры, прогрев которой способен приводить к наступлению предельного состояния конструкции.

Рекомендации по предотвращению взрывообразного разрушения бетонных конструкций предусматривают меры в части внесения в структуру железобетона определённых заполнителей, устройства противооткольных металлических сеток. Применение данных мероприятий влечёт изменение рецептуры железобетона, что может отразиться на его прочностных свойствах. Также данные мероприятия не предотвращают прямого воздействия пламени пожара на бетон.

Известен ряд способов повышения огнестойкости железобетонных строительных конструкций, в том числе, упомянутое выше, увеличение толщины защитного слоя бетона до рабочей арматуры и разного рода облицовки. Однако применение этих способов имеет ряд существенных недостатков - увеличение массы конструкций, возникновение дополнительной нагрузки на несущие конструкции, сокращение полезной площади помещений здания.

В связи с этим поиск, исследование и развитие способов повышения пределов огнестойкости железобетонных конструкций, лишенных этих недостатков, является актуальной задачей.

В данной работе рассматривается направление решения этой задачи, связанное с предположением о том, что специальные тонкослойные огнезащитные покрытия железобетонных конструкций, вспучивающиеся при пожаре, могут являться эффективным способом повышения пределов огнестойкости железобетонных конструкций.

Предполагается также, что такого рода покрытия железобетонных конструкций должны повысить стойкость бетона против взрывообразного разрушения в условиях пожара, не будут создавать дополнительных нагрузок на несущие конструкции и приводить к сокращению внутренней площади помещений здания или сооружения.

Научная новизна работы

Выявлены особенности прогрева при пожаре железобетонных конструкций с учетом вспучивания тонкослойного огнезащитного покрытия.

Выявлены особенности формирования и последующей деструкции вспучивающегося при воздействии пожара тонкослойного огнезащитного покрытия как основного фактора, определяющего огнезащитную эффективность этих покрытий.

Выявлен эффект обеспечения стойкости железобетонных конструкций против взрывообразного разрушения при воздействии пожара при нанесении на их поверхность тонкослойных вспучивающихся огнезащитных покрытий.

Объект исследования - огнестойкость железобетонных конструкций.

Предмет исследования - огнезащитная эффективность тонкослойных огнезащитных покрытий железобетонных конструкций.

Практическая значимость работы заключается:

- в предложении способа повышения огнестойкости железобетонных конструкций на 120 минут и более;

- в предложении способа обеспечении стойкости железобетонных конструкций из тяжёлых бетонов повышенной прочности против взрывообразного разрушения при пожаре;

- в методике оценки огнезащитной эффективности тонкослойных вспучивающихся покрытий применительно к железобетонным конструкциям;

- в результатах оценки огнезащитной эффективности тонкослойных вспучивающихся покрытий применительно к железобетонным конструкциям.

На защиту выносятся:

1. Методы и средства оценки огнестойкости железобетонных конструкций с учетом применения вспучивающихся при нагреве тонкослойных огнезащитных покрытий.

2. Особенности прогрева при пожаре железобетонных конструкций с учетом применения вспучивающихся при нагреве тонкослойных огнезащитных покрытий.

3. Влияние тонкослойного огнезащитного вспучивающегося при нагреве покрытия железобетонных конструкций на обеспечение их стойкости против взрывообразного разрушения при пожаре.

4. Особенности формирования и последующей деструкции вспучивающихся при нагреве тонкослойных покрытий железобетонных конструкций.

5. Развитие метода оценки огнезащитной эффективности тонкослойных огнезащитных покрытий применительно к железобетонным строительным конструкциям.

6. Результаты оценки огнезащитной эффективности и оптимальной толщины нанесения тонкослойных огнезащитных покрытий на железобетонные конструкции.

Практическая реализация

Результаты, полученные в диссертационной работе, использованы на следующих объектах:

1. При обеспечении огнестойкости перекрытия площадью 3300 м , разделяющего зал пребывания пассажиров и технический этаж терминала «С» ОАО «Международный аэропорт Шереметьево», Московская область, г. Химки.

2. При обеспечении огнестойкости несущей стены неотапливаемого лабораторного корпуса площадью 51 м корпуса 17, НПО «Ассоциация Крилак», 2-я Институтская улица д. 6, г. Москва.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

- использованием сертифицированного, аттестованного и поверенного оборудования в аккредитованных лабораториях ФГУ ВНИИПО МЧС России, AHO по сертификации «Электросерт»;

- результатами независимой проверки состояния промышленно внедренного покрытия «Джокер М»;

- экспериментальной оценкой значений параметров и характеристик материалов, используемых при решении диссертационных задач;

- применением физически обоснованных решений теплотехнической задачи огнестойкости.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались на:

- Городской научно-практической конференции «Комплексное обеспечение безопасности и антитеррористической защищенности высотных зданий и уникальных сооружений г. Москвы» (Москва, 2007 г.);

- Научно-техническом совете ФГУП «Научно-исследовательский центр "Строительство"» (Москва, 2007 г.);

- Научно-техническом совете НПО «Ассоциация Крилак» (Москва, 2007 г.);

- Международной научно-практической конференции молодых учёных и специалистов «Проблемы техносферной безопасности - 2012», Академия ГПС МЧС России;

- Международной молодежной конференции «Оценка рисков и безопасность в строительстве;

- Конференции «Новое качество и надежность строительных материалов и конструкций на основе высоких технологий», МГСУ, 2012 г.;

- XVI Международной межвузовской научно-практической конференции студентов, магистрантов и молодых ученых «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», 24-26 апреля 2013 г., ФГБОУ ВПО МГСУ, Москва.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 2 в журналах, рекомендованных ВАК.

Объём и структура работы. Работа состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы и приложений. Материалы изложены на 147 страницах машинописного текста, включающего 11 таблиц и 42 рисунка.

Глава I. Обзор состояния вопроса. Цель и задачи исследования

1.1 Проблема обеспечения огнестойкости железобетонных конструкций и необходимости ее повышения

Совокупность пределов огнестойкости конструкций здания или сооружения определяет его способность сопротивлению воздействия факторов пожара.

Предел огнестойкости конструкции - промежуток времени от начала огневого воздействия в условиях стандартных испытаний до наступления одного из нормированных для данной конструкции (заполнения проемов противопожарных преград) предельных состояний [1, 87].

Исследованиям и обоснованиям пределов огнестойкости различных железобетонных конструкций посвящены многочисленные работы ученых и испытателей [2,10,11-13,15,17-19,21,25,27,31,42,44,57-60].

Однако в практике проектирования не всегда удаётся обеспечить равенство фактического предела огнестойкости конструкции с требуемым пределом в соответствии с положениями нормативных документов в области пожарной безопасности. В данном случае возможны два варианта решения проблемы. Первый - повысить предел огнестойкости железобетонной конструкции за счёт увеличения защитного слоя бетона, т.е. конструкцию сделать более массивной и тяжёлой. Второй вариант - применить огнезащитные покрытия, которые не увеличивают массивность конструкции, а также не создают дополнительного веса.

Как правило, железобетонные конструкции высотных и уникальных объектов в соответствии с нормативными документами должны обладать пределом огнестойкости REI 150-REI240 [1,6,9,14,41,65,87].

Большинство железобетонных конструкций имеет требуемый предел огнестойкости благодаря наличию защитного слоя бетона до несущей арматуры. Железобетонные плиты перекрытия и колонны с толщиной защитного слоя бетона 25-35 мм имеют пределы огнестойкости от REI 60, R 60 до REI 90, R 90 [24]. Для повышенных пределов огнестойкости REI 240 толщину защитного слоя

железобетонных плит необходимо обеспечить не менее 70 мм, а для колонн -55 мм [20]. Для высотных зданий толщина защитного слоя бетона в 70 мм приводит к уменьшению площади внутренних помещений и увеличению массы конструкций. Наряду с этим происходит дополнительное увеличение массивности несущих конструкций.

Возведение высотных зданий преследует следующую цель - увеличение внутренней площади, при этом само строение занимает малую часть земельного участка. Следует отметить, что массивные конструкции с большой толщиной защитного слоя бетона уменьшают внутреннюю площадь высотных зданий, тогда возникает коллапс. Чем выше здание, тем массивнее конструкции, тем меньше внутренняя площадь.

Наряду с этим появляется ещё одна проблема у высотных зданий, которая приводит к сокращению внутренних площадей, - деление на пожарные отсеки. В каждом пожарном отсеке требуются дополнительные площади для прокладки независимых инженерных коммуникаций в виде систем дымоудаления, пожаротушения, лифтов.

Увеличение массивности железобетонных конструкций приводит к уменьшению внутренней площади, увеличению массы здания, дополнительным затратам на материалы и работы по строительству.

Таким образом, возникает проблема обеспечения огнестойкости основных конструкций уникальных и высотных зданий и сооружений с помощью методов, которые не имеют этих недостатков.

1.2 Явление взрывообразного разрушения бетона при пожаре и его влияние на огнестойкость железобетонных конструкций

Необходимость повышения огнестойкости железобетонных конструкций может быть обусловлена также возникновением в ряде случаев необычного опасного явления, которое в научной литературе получило названия: «взрывное разрушение бетона», «взрывообразное разрушение бетона», «хрупкое разрушение бетона» [33, 37-40].

Это явление, как показали исследования в работах [33, 37-40,44,57,59], представляет собой следующее:

Взрывообразное разрушение бетона начинается на 5-15 минутах огневого воздействия. Процесс разрушения бетона сопровождается звуковым эффектом в виде взрывообразных хлопков и треска различной интенсивности, при этом наблюдается откол от нагреваемой поверхности конструкций фрагментов бетона в виде пластин площадью до 0,005 м и разлёт их на расстояние до 15 м.

Откол от конструкции больших (иногда до нескольких квадратных метров) линз бетона происходит на всей поверхности воздействия пламени или на отдельных его участках. При этом в ряде случаев оголяется арматура, образуются сквозные отверстия. Конструкция может полностью разрушиться через 15-60 минут. Это разрушение имеет место при воздействии пламени пожара на сплошные и многослойные железобетонные стены, плиты перекрытий, балки, колонны и фермы.

Разрушение бетона тонких стенок, расположенных между массивными рёбрами или полками; образуются сквозные отверстия в плитах перекрытий, в стенках двутавровых балок, предел огнестойкости которых вследствие этого явления может резко сократится до 10-15 минут (рис. 1.1, 1.2) [90].

Рис. 1.1. Последствия взрывного разрушения железобетонной панели при воздействии температур пожара

Рис. 1.2. Последствия взрывного разрушения железобетонной плиты при воздействии температур пожара

При отколе углов элементов конструкций вследствие огневого воздействия на железобетонные колонны, ребристые плиты и балки частично о�