Пожароустойчивост на бетона Въпреки че бетонът е негорим материал, при стоманобетонните конструкции, изложени на действието на високи температури, се наблюдават някои проблеми с дълготрайността, надеждностна и механичните показатели. Затова специалистите препоръчват още на проектна фаза да се отчитат евентуалните термични въздействия и да се вземат необходимите превантивни мерки.
текст инж. Вера Ангелова
Стоманобетонните конструкции се смятат за напълно устойчиви на огнево въздействие и е прието при проектирането на превантивни мерки при пожарна този материал да не се обръща особено внимание. И все пак, изложен на високи температури, армираният бетон претърпява важни физични и химични трансформации.
Последиците, които понякога могат да бъдат необратими, зависят от максималната температура, която се достига, времето на излагане на огнево въздействие, процедурата на охлаждане на бетонния елемент, както и размера и състава му. От основно значение за устойчивостта на пожар на един стоманобетоннен елемент е защитата на армировката. Традиционният начин за това е с по-голямо бетоново покритие. По този начин температурата на стоманата остава по-ниска и се наблюдава добро поведение при пожар. В съвременните конструкции, обаче, от конструктивни, икономически или технологични съображения, често се оказва невъзможно да се осигури необходимата дебелина на покритието за надеждна огнезащита.
Стремежът към олекотяване на конструкциите също влияе пряко върху устойчивостта на пожар, защото по правило колкото по-лек е един носещ елемент, толкова по-лесно е да се повиши температурата му и да се влошат механичните си свойства.
Измерванията, направени в това направление, дават представа за предизвикателства пред поведението на конструкциите от армиран бетон под въздействие на огън. Якостта на бетона спада с повишаване на температурата, модулът на еластичност намалява и се надвишат допустимите за нормална експлоатация деформации. Тази ситуация води до намаляване на линейно променящата се компонента на връзката напрежение-деформации. С други думи, когато бетонът е изложен на действието на високи температури, се намалява степента, до която той има еластично поведение и се преминава по-бързо в пластичен стадий. Това неизменно е съпътствано със загуба на съпротивление и негативни последствия върху механичните му свойства.
Поведение на стоманобетона при пожар
Термичното поведение на армирания бетон е важна отправна точка за анализа на пожароустойчивостта на конструкциите. Поради ниската степен на дифузия, топлината, на която е изложен, повишава температурата на повърхностните влакна, предавайки малко количество топлина към вътрешността на елемента. Това предизвиква значителни температурни градиенти в конструктивния елемент, което означава, че той е в състояние да абсорбира голямо количество топлинна енергия, като при това се пораждат малки вариации в цялостната му температура.
Поради тази причина, зоната на връзка между бетона и стоманата претърпява значителни изменения. При излагане на високи температури, разликата между коефициентите на термично разширение на двата материала позволява армировъчната стомана да стане видима през бетонното покритие.
Както е известно, когато една стомана е подложена на температури, надвишаващи критичната температура за навлизане в аустенитен стадий, и след това се охлади с голяма или по-малка скорост (ситуация, сравнима с процесите на закаляване), може да претърпи, в зависимост от химическия си състав и интензивността на процеса, структурни промени (размер на частиците и налични фази) които определят до голяма степен механичното си поведение. Проявява се увеличение на твърдостта и якостта, но материалът става пластичен и крехък, което може да създаде рискове за стабилността на конструкцията при конвенциално натоварване. В случая с комбинираните стоманено-стоманобетонни плочи например, когато профилираната ламарина в основата се проектира като армировка, без допълнителни армиращи пръти, устойчивостта при продължително излагане на високи температури клони към нула, когато стоманената ламарина няма защитно покритие). В някои случаи само за 10 минути температурите в ламарината достигат до 600 или 700 градуса, което е критично за носимоспособността на стоманата, а от там и на цялата подова плоча.
Основната причината за колапс при някои конструкции е, че под действието на огъня, конструктивните елементи се разширяват и се създават усилия, ексцентрични спрямо основните оси. Една носеща стена, в такъв случай, от едната страна се нагрява и се разширява. Ефектът на натиск е ексцентричен спрямо оста на стената, и тя работи като предварително напрегнат кабел, извивайки конструкцията към студената страна. „Огънят предизвиква усилия и се отразява на механичните свойства на материалите, като намалява съпротивлението, наред с другите ефекти. В такъв случай ако имаме само малка разлика между проектното натоварване и максималната устойчивост, конструкцията ще рухне почти незабавно. Затова когато носещите елементи са оразмерени с по-големи резерви, устойчивостта им на огън е повишена.
Друг пример. Когато една стоманобетонна греда е изложени на огън, тя повишава температурата си значително, особено от долната страна. В такъв случай долната армировка, която по принцип работи на опън, загубят устойчивост поради високите температури, огъващият разрезните усилия трябва да се преразпределят и да се поеме от други зони на същия елемент. Тези „нови” усилия трябва да се поемат от натисковата армировка в горната част на гредата. Ако в проектната фаза не се обърне внимание на това експлоатационно състояние и гредата се проектира без възможност за преразпределение на усилията, конструкцията може да загуби структурна стабилност особено бързо.
Температурни промени в материала
Промените в температурата могат да предизвикат поредица от химични реакции и трансформации във всички компоненти на бетона. До 105°C протича дехидратация на бетонната смес, следствие на което бетонът се свива. При по-високи температури, инертните материали започват да се разширяват и този ефект доминира над свиването на пастата. При 180°C започва дехидратация на калциевите хидросиликати. При достигане на 500°C голяма част от агрегатите губят своята стабилност и промените са необратими; увеличава се гъстотата на микро пукнатините в обема на бетона, които компромтират носимоспособността в контактната зона между добавъчните материали и хоросана и оказват пряко влияние върху механична якост на бетона. Останалата част от свойствата но също се променят в зависимост от температурата, като от особена важност е да се отчете промяната на еластичността и допустимите деформации както при бетона, така и при стоманата.
Върху поведението на конструкцията оказва влияние също начинът на потушаване на пожара.
Ниската температура на използваната за пръскане вода при пожарогасене предизвиква бързо охлаждане на прегретия бетон, предизвиквайки термичен шок, придружен от появата на микро пукнатини в бетона и също така оказва влияние върху вътрешната структура.
По правило, стоманобетонните конструкции имат вътрешна влага – както е известно част от конструктивната вода се запазва по време на целия експлоатационен живот на конструкцията. Това е една от важните характеристики на бетона, който по своята същност има пореста структура. В днешно време, поради стремежа да се постигне по-високо съпротивлението на бетона и по-добра механична устойчивост на натоварване, размера на порите е максимално намален с помощта на химически добавки към бетонната смес. При излагане на част от бетонов елемент на високи температури, влага се опитва да се освободи от материала, проправяйки си път през порите от вътрешността към повърхността. И при положение, че те са особено малки и не са свързани помежду си, се поражда вътрешно напрежение, което е в състояние да предизвика необратими деформации в материала. Това явление се дължи на разединението, които генерират молекулите на изпаряващата се вода, която генерира вътрешно напрежение, водещо до разрушаване на молекулярната мостове, които свързват различните компоненти на бетона. Тъй като водните молекули се изпаряват, бетонът губи до голяма степен кохезионните си свойства, отслабва механически и освобождава материал под натиска на водната пара. Следствие на тези процеси е възможно отчупване на парчета бетон от конструкцията и излагане на части от армировката на директното действие на огъня.
Препоръки
За да бъде избегната тази ситуация, проектирането на конструкцията е редно да се извършва при отчитане на всички особености на поведението й при пожар. Трябва да се проведе анализ как ще се държи армираният бетон структурно в условия на продължително излагане на високи температури и се обърне внимание как се променя якостта му с времето и температурата. Този проблем не може да бъде решен с дадена стандартна дебелина, еднаква за всички елементи, при всякакъв вид натоварване и за всички конструктивни решения.
Видът на армировката, типът на бетона, марката използвана стомана, предопределят тяхната устойчивост и изискванията за бетонното покритие и наличието на допълнителна защита. Едно от възможните решения е въвеждането на темата за пожароустойчивостта още на етап проектиране. Обикновено, в голяма част от проектите, тази тема се обсъжда на много късен етап, когато вече е започнало изпълнението на сградата. Според специалистите отчитането на особеностите още на фаза работен проект може да доведе до постигане на много по надеждна конструкция при значително намалени разходи. Основата промяна, която се изисква е проектантите да започнат да гледат на проблемите с пожарозащитата, като на конструктивни проблеми.
Основното предизвикателство е, че няма установена процедура за изчисляване на конструкциите на пожароустойчивост. Работата на конструкцията в условия на пожар е отделно товарно състояние, което поражда различни разрезни усилия от тези при конвенциална експлоатация. Факт е, че стоманобетонните конструкции са напълно в състояние да устоят на всеки един пожар, без допълнителна защита, стига да са оразмерени правилно.
Нормативни изисквания
Според действащите „Противопожарни строително-технически норми“ съществуват различни изисквания към границата на пожароустойчивост на строителните елементи, в зависимост от изискваната степен на пожароустойчивост на сградите и съоръженията. Изискванията зависят от вида на конструкцията и от конкретните функции на носещия елемент. По правило, най-голяма огнеустойчивост се изисква от вертикалните носещите елементи – стените и колоните. При тях долната граница на пожароустойчивост е 150 минути.
Съществуват два популярни подхода да се придадат на конкретен елемент необходимите качества: проектен и при изпълнението. Първият се препоръчва от Кодекса на бетона в Европа и налага консервативни граници за дебелината на покритията на армировката. Тези стойности, на практика свеждат до минимум проблемите с огневото въздействие при бетоннитe конструкции, тъй като този материал е всеобщо признат като отличен пожарозащитен материал.
При специални конструкции, като например такива, които носят високо натоварване от възпламеним матриал или такива, при които се изисква оптимизирано проектиране на огнеустойчивостта, е възможно да се предпочете вторият подход. При него се прави анализ на напреженията в конструкцията, който включва ефектите от повишената температура върху бетона и армироъчните елементи и се анализират всички потенциални начини на загуба на структурна устойчивост, както и механизмите за празпределение на усилията в конструктивните елементи. Анализът се извършва без да се отчитат сеизмичните въздействия (не се отчита възможността за едновременно възникване на пожар и земетресение).
При плочите, които често имат голям запасот якост, защото работят като непрекъснати елементи в две направления, това в голяма степен подпомага да се подобри поведението при излагане на огън. Имайки предвид това, при нормални конструкции подхода на защита при изпълнението дава възможност и да се оптимизира проектното решение.
При някои структури, влиянието на огъня може да бъде по-силно, в сравнение с други. Такъв е случаят при птрдварително напрегнатите елементи, особено тези, при които бетоново покритие или защита на котвите е намалено. При тях трябва да се предвиди увеличаване на покритията и проектиране на специална защита.04/09/2012 |
