Прочность металлических конструкций резко снижается и достигает 50 от первоначальной при температуре
Обновлено: 17.05.2024
Возгораемость (горючесть) строительных материалов — их свойство, определяющее способность к горению. При этом по возгораемости материалы подразделяют на три группы: несгораемые (негорючие), трудносгораемые (трудногорючие) и сгораемые (горючие).
Возгораемость строительных материалов оценивают экспериментально с помощью огневых установок, выполненных в виде печей специальных конструкций. В основу определения группы возгораемости положено выявление показателей возгораемости при локальном воздействии теплового источника: потеря массы, самостоятельное горение в течение определенного времени, измерение температуры в огневой установке и в опытном образце,
повреждение поверхности образца огнем.
Огнестойкость строительных конструкций — их свойство сохранять несущую и ограждающую способность в условиях пожара.
Критерием огнестойкости строительных конструкций является предел их огнестойкости, под которым понимают время в часах и минутах от начала огневого испытания конструкции до возникновения одного из трех предельных состояний по огнестойкости:
по плотности— до образования в конструкциях сквозных трещин или отверстий, через которые проникают продукты горения и пламя;
по теплоизолирующей способности— до повышения температуры на необогреваемой поверхности конструкции в среднем более чем на 160°С или в любой точке этой поверхности более чем на 190°С в сравнении с температурой конструкции до испытания, или более 220°С независимо от температуры конструкции до испытания;
по потере несущей способности— до обрушения или прогиб в зависимости от типа конструкции.
Огнестойкость конструкций экспериментально определяют следующим образом: строительную конструкцию подвергают в специальной печи воздействию факторов, сопутствующих пожару, фиксируя при этом время до наступления одного из названных выше признаков.
Важной характеристикой является предел распространения огня по строительным конструкциям.Метод заключается в определении размера повреждения конструкции в сантиметрах вследствие ее горения при испытании в специальной печи в течение 15 мин. Предел распространения огня принимают равным нулю без испытаний для конструкций полностью выполненных из несгораемых материалов.
Степень воздействия высоких температур на строительные конструкции и материалы неоднозначна и зависит от ряда факторов:
· технологии изготовления конструкций,
· условий их работы.
Поведение бетонов при пожаре зависит прежде всего от свойств вяжущего и заполнителя. Образующиеся при твердении бетона гидросиликаты и другие составляющие цементного камня под действием высоких температур дегидратируются, теряют свои свойства и разрушаются.
Кварц, представляющий собой основной минерал мелкого и крупного заполнителя бетона, при температуре около 573°С претерпевает модификационное превращение, сопровождающееся увеличением объема и, как следствие, появлением трещин в бетоне.
Бетон при пожаре разрушается также и из-за неравнозначности термического расширения цементного камня и заполнителя, что вначале приводит к образованию микротрещин в области контакта заполнителя с цементным камнем, а затем к разрыву последнего на отдельные части.
Суммирование перечисленных факторов приводит к тому, что уже при температуре около 600°С бетон теряет до 40% своей первоначальной прочности, а температура 650—750°С является для него критической.
Стальная арматура железобетонных конструкций начинает снижать свою прочность уже при температуре около 100°С, а при 400—550°С теряет ее наполовину.
Однако вследствие невысокой теплопроводности бетона, конструкции выполненные из него могут определенное время успешно противостоять действию температур, развиваемых при пожаре, в силу чего бетонные и железобетонные конструкции широко применяются в зданиях и сооружениях с пожароопасными производствами.
Стальные конструкции характеризуются высокой несущей способностью, индустриальностью, однако, из-за высокой теплопроводности стали быстро прогреваются при пожаре до критических температур (около 600°С) и разрушаются.
Алюминиевые конструкции обладают рядом достоинств: высокой удельной прочностью, стойкостью против коррозии, высокой технологичностью при обработке, отсутствием искрообразования при ударах и т. д. Однако алюминиевые конструкции значительно уступают стальным в части сохранения прочности при пожаре, их критическая температура находится в пределах 250°С.
Глиняный кирпичполучают из легкоплавких глин обжигом сырца при температуре около 900°С. Именно в результате этого он обладает хорошей огнестойкостью и, вследствие невысокой теплопроводности, при пожаре разогревается медленно. Разрушение кирпича происходит в основном только по поверхности вплоть до наступления критической температуры 900—1000 °С.
Поведение силикатного кирпича при пожаре также обусловлено в основном технологией его изготовления. Исходными компонентами при его производстве служат песок и известь. Их смешивают в требуемой пропорции, формуют и пропаривают в автоклаве, после чего выдерживают на воздухе. В результате термовлажностной обработки в кирпиче образуются низкоосновные гидроксиликаты кальция, а при вылеживании на воздухе под воздействием атмосферного диоксида углерода — углекислый кальций. Названные соединения разлагаются в основном при температуре выше 550°С, поэтому критическая температура для силикатного кирпича лежит в интервале 700—900 °С.
Конструкции и изделия из пластмасс находят все более широкое применение в строительстве. Исходными компонентами пластмасс являются искусственные и природные смолы, наполнители и пластификаторы. С точки зрения теплостойкости различают смолы термореактивные и термопластические. Максимальная температура деструкции термореактивной смолы 300°С, а термопластические смолы размягчаются при температуре ниже 100°С. Несмотря на разнообразие пластмасс, они имеют невысокую теплоустойчивость (до 300°С); сгораемы, продукты разложения и горения полимеров обладают токсическими свойствами.
Процесс разложения древесины при нагревании обычно начинается со 130°С и сопровождается выделением тепла, поэтому при определенных условиях процесс самонагревания может закончиться самовоспламенением. Температура самовоспламенения древесины обычно лежит в пределах 330—350°С.
Огнестойкость строительных конструкций можно повысить. У железобетонных конструкций это достигается увеличением их сечения, толщины защитного слоя и применением облицовок снизким коэффициентом теплопроводности.
Огнезащиту металлических конструкций выполняют обетонированием, оштукатуриванием и облицовкой с использованием бетона, цементно-известковой и теплоизоляционной штукатурки с заполнителем из перлитового песка, вермикулита и гранулированной ваты; керамических камней и кирпичей. Интерес представляют вспучивающиеся покрытия, содержащие термически устойчивые заполнители и газообразующие вещества в смеси с вяжущим в виде водного раствора. При нагревании покрытие выделяет газ, который вспучивает всю композицию, образуя пористый защитный слой толщиной до 50 мм при его начальной толщине 3—5 мм. Слой существенно задерживает прогрев металлоконструкций до критических температур.
Пластмассовые конструкции защищают обшивкой асбестоцементными, алюминиевыми и стальными листами, сухой штукатуркой и гипсоволокнистыми плитами.
Деревянные конструкции защищают от возгорания пропиткой антипиренами, применением огнезащитных покрытий, облицовкой и оштукатуриванием. Огнезащитный эффект антипиренов является следствием их химического взаимодействия с целлюлозой, в результате которого резко снижается количество теплоты, выделяемой в основной пламенной фазе горения. Для пропитки применяют дву- или однозамещенный фосфорнокислый аммоний, сернокислый аммоний, буру. Для придания антисептических свойств в огнезащитные растворы добавляют фтористый натрий.
Влияние высоких температур на прочностные свойства металлоконструкций
При пожарах в закрытых помещениях возникают высокие температуры, которые негативным образом сказываются на прочностных свойствах металлических конструкций. В работе приведены некоторые результаты исследований в данной области.
Ключевые слова
Текст научной работы
При пожарах в закрытых помещениях могут возникать температуры порядка 800 0 С. Из литературных источников известно, что температуры порядка 600 0 С приводят к снижению прочности металлических конструкций приблизительно в 3 раза. Что же происходит с металлоконструкциями при более высоких температурах, информации в литературе нет. Одной из задач данного исследования явилось выявить влияние на прочность конструкционных материалов повышенных температур до 800 0 С, а также выявить каким образом влияет тушение пожара водой на остаточную прочность металлоконструкций.
По данным справки, подготовленной департаментом надзорной деятельности по анализу обстановки с пожарами и последствий от них на территории РФ, мы можем отметить, что доля пожаров, возникающих на объектах, выполненных с применением металлоконструкций составляет порядка 15%.
Для проведения экспериментальной части работы использовалось стандартное лабораторное оборудование — высокотемпературные электрические печи, машина для испытания материалов на растяжение и гидравлический пресс.
Испытанию подверглись конструкционный материал, который имеет наибольшее распространение в строительстве — конструкционная сталь. Было отобрано несколько образцов конструкционных материалов. Первый образец — эталонный, был испытан на разрывной машине Р — 5. Предел прочности стали составил 714,3 МПа. Другие образцы были подвергнуты нагреву в муфельной печи до различных температур в интервале времени от 15 до 40 минут.
Так, об условиях, исходя из которых следует определять дислокацию подразделений пожарной охраны на территориях поселений и городских округов, — время прибытия первого подразделения к месту вызова не должно превышать 10 минут в городских поселениях, городских округах. Время оперативного развертывания, которое принимается от 6 до 8 мин. При самых оптимистичных прогнозах, пожарная команда приступит к тушению пожара, охлаждению металлоконструкций через 16 минут.
После нагрева одну заготовку погружали в воду для мгновенного охлаждения. Другую заготовку прошедшую нагрев оставили остывать на воздухе. После остывания, обе детали подверглись проверке на разрывной машине.
Проведенные исследования показали, что механические свойства стали при нагревании ее до температуры 200…250 °С практически не меняются. При температуре 250. 300 °С прочность стали несколько повышается, пластичность снижается. Сталь в изломе имеет крупнозернистое строение и становится более хрупкой (синеломкость). Не следует при этой температуре деформировать сталь или подвергать ее ударным воздействиям.
Нагрев выше 400 °С приводит к резкому падению предела текучести и временного сопротивления, а при t = 600. 650 °С наступает температурная пластичность и сталь теряет свою несущую способность.
Эксперименты показали, что для металлических конструкций критическое значение температуры tкр, при котором ослабляются прочностные характеристики стали, равно 650ºС, причем продолжительность нагрева имеет определенное значения. Было выявлено, что прочностные параметры металлоконструкций при большем времени нагрева снижаются на 10 — 15 %.
В ходе испытаний также было установлено, что образцы, остывавшие на воздухе имели остаточную прочность порядка 428,6 МПа, что в 1.7 раза отличалось от эталонного. Образцы охлажденные водой разупрочнились в 5,6 раза, получив остаточную прочность 127,5 МПа.
Механические свойства материалов зависят от продолжительности испытания. При некоторых температурах (например, для малоуглеродистой стали при температуре выше 800 0 С) испытуемый образец может быть разрушен при напряжении меньшем, чем предел пропорциональности, соответствующий комнатной температуре, если это напряжение будет действовать достаточно продолжительное время.
Сегодня на рынке огнезащитных материалов присутствует достаточно широкий перечень различных составов, но чаще всего эти составы предназначены для обработки древесины. Огнестойкие покрытия для металлов, как правило, имеют высокую стоимость. В данной работе приведена технология приготовления разработанного огнестойкого покрытия, которое прошло ряд испытаний и показало высокие огнезащитные свойства.
Результаты лабораторных испытаний разработанного огнестойкого покрытия показали эффективность его применения в лабораторных условиях, а именно:
Влияние температуры на огнестойкость и прочность строительных материалов и конструкций
При проектировании и строительстве зданий и сооружений необходимо помнить, что они должны быть прочными и устойчивыми как в нормальных условиях эксплуатации, так и в условиях возможного пожара при воздействии высоких температур. Пожарная безопасность в процессе проектирования зданий и сооружений достигается прежде всего подбором несущих элементов и строительных конструкций' с определенным пределом огнестойкости и возгораемостью.
Согласно указанному в СНиП II-A. 5—70 определению, под пределом огнестойкости строительных конструкций понимается период времени (в часах) от начала испытания конструкции на огнестойкость до возникновения одного из следующих признаков: образования в конструкциях сквозных трещин; повышения температуры на необогреваемой (противоположной воздействию огня) поверхности конструкции в среднем более чем на 140 или в любой точке этой поверхности более чем 180° С (по сравнению с температурой конструкции до испытания), или более 220° С независимо от температуры конструкции до испытания потери конструкцией несущей способности, сопровождающейся обрушением.
При огневых испытаниях наружных несгораемых стен образование сквозных трещин или достижение указанных выше температур на поверхности, противоположной воздействию огня, за признак наступления предела огнестойкости не принимаются. Для навесных, самонесущих стеновых панелей за признак потери несущей способности следует также принимать разрушение узлов крепления панелей к несущим конструкциям здания.
Предел огнестойкости для строительных конструкций является критерием для характеристики их огнестойкости, т. е. способности сохранять прочность в условиях пожара.
При проектировании и строительстве зданий предел огнестойкости конструкций должен определяться по СНиП II-A. 5—70.
Обычно для всех конструктивных элементов пределы огнестойкости устанавливаются экспериментально в огневых испытательных установках по методике, разработанной ВНИИПО. По методике при испытании создаются условия, близкие к реальным на пожарах. На конструкции зданий в условиях пожара действуют такие основные разрушительные факторы, как высокая температура, резкие колебания температуры от воздействия на раскаленные поверхности конструкций воды при тушении пожара и др. Конструкции в натуральную величину помещают в специальные камеры и подвергают нагреванию под воздействием на них нормативной нагрузки. Тепловой режим в камерах поддерживается по стандартной кривой (рис. 1), полученной в результате опытных исследований температурных режимов пожаров и экспериментов при сжигании веществ с теплотой горения порядка 4000— 5000 ккал/кг. Такой стандартный тепловой режим соответствует характеру нарастания температуры от пожара в жилых и общественных зданиях.
Предел огнестойкости строительных конструкций устанавливается в зависимости от времени воздействия одного из трех указанных выше признаков.
Отклонения от температуры в камере огневого испытания допускаются в пределах ±10%.
Рис. 1. Стандартная кривая, характеризующая нарастание температуры от пожара в здании в зависимости от времени горения.
На графике температурного режима площадь, заключенная между осью абсцисс и температурной кривой, полученной за период испытания, не должна отличаться более чем на ±5% от площади под температурной кривой, показанной на рис. 1.
Такие ограждения конструкции, как несущие и ненесущие стены, перегородки, перекрытия, двери, окна и т. п. при испытании подвергаются одностороннему воздействию огнем, а колонны и т. п.— воздействию огнем со всех сторон. Воздействием воды после нагрева испытываются только те конструкции, огнестойкость которых более 0,5 ч.
Механическая прочность и размеры подлежащих испытанию образцов конструкций должны соответствовать принятым в проекте. Образцы несущих конструкций испытываются только под воздействием принятой по проекту нагрузкой с такой же схемой размещения, как в проекте. Исключение составляют лестничные марши, которые испытываются под нагрузкой от собственного веса. Проекту должны соответствовать узлы сопряжений испытываемых конструкций, стыки, крепление, технология изготовления и др.
Для подвергнутых испытанию конструкций предел огнестойкости определяется как среднее арифметическое результатов испытаний не менее двух образцов с тем условием, что показатели самого высокого и самого низкого пределов огнестойкости двух испытанных образцов не будут отличаться более чем на 15%.
При температурном воздействии на строительные материалы их прочность зависит от сырья и технологии приготовления. Например, красный кирпич (обычный), изготовляемый из глины, обжигается и приобретает прочность при температуре 900° С. Технология изготовления красного кирпича придает ему положительные качества: он хорошо выдерживает высокие температуры и медленно прогревается; он разрушается только с поверхности, что почти не изменяет прочность. Такой кирпич до наступления критических температур (между 900 и 1100° С) способен сохранить свою прочность. Это наиболее совершенный несгораемый строительный материал.
Силикатный кирпич, пеносиликат и другие силикатные изделия по способности противостоять высоким температурам уступают красному кирпичу. Путем экспериментального испытания установлено, что критическая температура этих строительных материалов для несущих конструкций с коэффициентом запаса 2 составляет около 700, а для ненесущих конструкций — около 900° С. При этих температурах предел прочности снижается до 80% первоначального. При температуре 700° С силикатный кирпич дает большие трещины. Уже при температуре до 600° С в силикатном кирпиче диссоциируется гашеная известь и увеличивается в объеме кремнезем, что резко снижает прочность кирпича. Резкое снижение критических температур и прочности происходит и при воздействии на прогретые силикатные изделия водой.
Предел огнестойкости свободно опертых балок и плит зависит от критической температуры стали арматуры, теплотехнических показателей бетона и толщины защитного слоя арматуры. У панелей, свободно опертых по контуру, предел огнестойкости значительно выше, чем у таких же конструкций, опертых только по двум концам, и зависит от соотношения пролетов опертых по контуру плит. Наибольший предел огнестойкости в этом случае имеют плиты квадратной формы.
Предел огнестойкости жестко заделанных железобетонных изгибаемых конструкций зависит главным образом от площади рабочего сечения, подбора бетона с высокими критическими температурами и низким коэффициентом температуропроводности, ширины и высоты ребер балок и других конструкций.
Стальные конструкции под воздействием высоких температур при достижении критической температуры (предел текучести стали снижается до величины рабочих напряжений) деформируются и теряют рабочие качества. Незащищенные металлические конструкции при температуре 600° С становятся практически неработоспособными. Критическая температура статически неопределимых каркасных металлических конструкций сравнительно низкая и не превышает 350° С. В результате этого предед, огнестойкости незащищенных стальных конструкций очень низкий —0,25—0,5 ч.
Деревянные конструкции по способности противостоять действию высоких температур характеризуются скоростью прогорания толщины древесины (в среднем 0,6—1 мм/мин). Скорость прогорания древесины увеличивается при наличии в ней трещин и щелей. По мере образования на поверхности древесины слоя из угля скорость ее прогорания уменьшается. Температура воспламенения древесины 270—300° С, а при наличии условий для аккумуляции тепла она снижается до 130°С.
Кроме огнестойкости строительных материалов и конструкций, определяющей капитальность зданий, большое значение имеет способность возгораться. Под возгораемостью понимают способность строительных материалов и конструкций сопротивляться воспламенению при действии на них тепловых источников.
VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016
ВЛИЯНИЕ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР НА ПРОЧНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ (БЕТОН, ЖЕЛЕЗОБЕТОН, МЕТАЛЛ)
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Влияние высоких температур, как правило, затрагивает практически все механические свойства строительных материалов. В основном оно приводит к повышению пластичности и уменьшению их прочности. При значительном изменении температуры зачастую происходят сложные физико-механические процессы, в связи с этим сильно изменяются свойства. Например, пластичные материалы становятся хрупкими, и наоборот; изменениям подвергаются деформативные свойства и прочность. Также происходят изменения, приобретающие необратимый характер, то есть после восстановления нормальной температуры, к материалам не возвращаются первоначальные свойства.
Большую роль играет влияние высоких температур на такие строительные материалы как бетон, железобетон и металл, так как они являются наиболее распространенными и чаще всего используются в процессе строительства и производства оборудования по сравнению с другими материалами.
Как известно, щебень, цемент, вода и песок являются основными составляющими бетона. И необходимо, чтобы во время процесса бетонирования были соблюдены определенные условия, такие как нормальная температура и уровень влажности воздуха. При застывании бетонной смеси происходит процесс гидратации (присоединение молекул воды к ионам вещества), который является экзотермическим и происходит с выделением теплоты в большом количестве. В данном случае, при повышении температуры выше допустимой, начинается интенсивное испарение воды, в результате чего образуется большое количество незаполненных пор. Как следствие этого, снижается плотность бетона и происходит резкое ухудшение прочностных показателей. Воздействие высокой температуры при застывании, приводит к появлению у материала высокой прочности в течение первых нескольких суток, но затем ситуация изменятся в обратную сторону. Образцы, сформировавшиеся при нормальной температуре, все-таки, оказываются более прочными. В диапазоне более низких температур имеется оптимальное значение, при котором бетон достигает самой высокой прочности. Отметим тот факт, что бетон, который изготовили при оптимальной температуре 4,4° С, в течение месяца хранили при низкой температуре (—3,9° С), а затем при 23,9° С на протяжении трех месяцев является более прочным, чем такой же бетон, хранившийся при неизменной температуре 23,9° С. Но можно ослабить уровень негативного воздействия высоких температур в процессе схватывания бетона, применив в качестве добавки хлористый кальций. В целом, многолетний строительный опыт показывает, что бетон, укладываемый зимой, при правильном уходе, будет иметь более высокую прочность, чем аналогичный – укладываемый летом. Как подтверждение этого, отметим, что в тропических странах наблюдается тенденция более низкой его прочности. Таким образом, чем выше температура при схватывании бетона, тем ниже прочность.
Что касается воздействия высоких температур на готовые изделия из бетона, то здесь, также наблюдается негативное влияние. Прочность бетона снижается. Это заметно уже при нагреве до 200-300° C, свыше 300° C происходят изменения, приобретающие необратимый характер. Прочность уменьшается в 2 раза при нагреве до 400° C и в 3 раза – до 500° C. Увеличение деформативности и уменьшение модуля упругости бетона, также являются последствием воздействия высоких температур.
Стоит отметить, что конструкции многих зданий и сооружений подвергаются воздействию технологических температур. Плюс ко всему они должны обладать хорошей огнестойкостью. Поэтому все каменные и железобетонные конструкции, как правило, рассчитываются на огнестойкость и нагрев. Для изготовления конструкций, работающих в условиях высоких температур до 300º С, применяется бетон обычной или плотной структуры, свыше 300º С – жаростойкий бетон. При его нагреве до 60 - 100º С происходит снижение прочности при сжатии на 10-15% и на 25-30% при его растяжении. Это можно объяснить снижением прочности цементного камня и возникновением расклинивающего действия водных пленок в цементе. При нагреве бетона свыше 300º С происходит понижение его прочности в результате появления нарушений в структуре цементного камня и возникновения существенных напряжений из-за градиента температуры между внешними и внутренними слоями бетона. Что касается легкого бетона, то снижение его прочности происходит лишь при нагревании свыше 300º С, так как он нагревается гораздо медленнее из-за достаточного количества пор. Если его долгое время нагревать до температуры 200º С, то прочность бетона при сжатии может восстановиться, а если подвергать цикличному воздействию влажности окружающей среды и температуры, то плотность резко падает (на 30% после 50 циклов и на 50% после 200). Влажный бетон может хрупко разрушаться при сильном нагреве, например во время пожара.
Касаемо железобетона, ситуация обстоит немного иначе. Как известно, железобетонные конструкции состоят из бетона и арматуры, поэтому здесь имеет место комбинированное воздействие высоких температур, в результате которого возникают внутренние напряжения. Они вызваны различными коэффициентами деформации цементного камня, заполнителя и стальной арматуры. При постоянном воздействии на железобетон технологических температур, как было указано выше, происходит снижение прочности бетона. Как правило, он разрушается при длительном нагреве до 500-600º С и последующем охлаждении. Происходит снижение прочности сцепления арматуры периодического профиля с бетоном на 30%. Однако сцепление гладкой арматуры с бетоном резко уменьшается уже при 250º С. Под влиянием высоких температур происходит разрушение железобетонных балок, как следствие разрыва растянутой арматуры, нагретой до предельной температуры.
Наиболее подверженным воздействию высоких температур является металл. При нагревании в нем возрастает подвижность атомов, происходит обмен их местами, увеличение амплитуды колебаний и ослабление межатомных связей. Именно это влечет за собой изменения физико-механических и механических, прочности в частности, свойств металлов и сплавов.
Различные виды стали широко применяются для изготовления различных металлоконструкций уже с 80-х годов XX века, поэтому именно она заслуживает наибольшего внимания. Стальные конструкции обладают небольшой массой и высокой прочностью, отличаясь при этом незначительными габаритами. При воздействии высоких температур около 200-250° С, свойства стали практически остаются неизменными. Но уже при нагревании до 250-300° С происходит незначительное повышение прочности и снижение пластичности. При такой температуре сталь становится более хрупкой. В данном случае не рекомендуется подвергать её деформациям или оказывать ударное воздействие. В результате нагрева свыше 400°С происходит резкое падение предела текучести и временного сопротивления, а при дальнейшем повышении температуры до 600° С сталь теряет свою несущую способность, как следствие наступившей температурной пластичности. В данном случае при воздействии высоких температур с уменьшением толщины стенки происходит потеря прочности и переход из упругого состояния в упруго-пластичное.
Таким образом, при влиянии на металл значительных температур, падают пределы упругости, текучести, прочности и твердость, а сопротивление удару, удлинение и уменьшение поперечного сечения при разрыве растут. При повышении температуры происходит проявление способности металла к очень медленному, но непрерывному изменению размеров под действием слабых и постоянных по времени напряжений. Металл удлиняется, "ползет". Это явление называется "ползучесть". При постепенном удлинении металла появляются микропустоты и трещины с концентрацией напряжений вокруг них и, в конечном счете, происходит разрыв.
Ползучесть стали является практически одним из наиболее важных проявлений влияния высоких температур на сталь при длительной внешней нагрузке. Под действием постоянной по величине нагрузки нагретый металл начинает непрерывно деформироваться (ползти), причем величина напряжения, вызвавшего пластическую деформацию, может быть значительно ниже предела текучести, определенного при этой температуре. Практически считают, что, начиная с 400°, расчеты следует проводить, принимая во внимание ползучесть. Необходимо учитывать явление ползучести при выборе материала для изготовления различного рода конструкций, особенно для деталей турбин, авиационных двигателей, энергетических установок, которые работают при высоких температурах.
Таким образом, воздействие высоких температур практически на любой строительный материал приводит к отрицательным последствиям, в результате чего происходит потеря прочностных свойств и несущей способности. Для того чтобы оградить материалы от отрицательных температурных воздействий необходимо устраивать защитные слои из огнестойких материалов, либо использовать для изготовления конструкций и оборудования специальные особо прочные материалы, предназначенные для применения в высокотемпературных средах.
Воздействие на конструкции повышенных температур и огня
Из года в год количество пожаров увеличивается примерно пропорционально росту средств, затраченных на капитальное строительство. По статистическим данным пожары возникают с установившейся частотой. Убытки от разрушения зданий во время пожара составляют примерно 15–18 % общих потерь. При пожарах в жилых и административных зданиях температура в помещении поднимается до 1100 °С при продолжительности 1–2 ч.
В театральных зданиях и в больших магазинах пожары длительностью в 2–3 ч повышают температуру в помещении до 1100–1200 °С.
При пожарах строительные конструкции повреждаются от разрушения их материала или изменения его механических характеристик, значительных деформаций, вызванных перегревом конструкций, разрушением конструкций и соединений от продольных деформаций при нагреве. Из-за неравномерного температурного нагрева может изменяться расчетная схема элементов, работающих в составе неразрезных систем.
Величина повреждений зависит от вида и положения конструкции, ее материала, температуры нагрева конструкций и длительности пожара.
От высоких температур более 250 °С и при пожарах в эксплуатируемых зданиях возможны большие деформации и обрушения. Это вызвано следующими причинами:
1) нагрев стальных конструкций и арматуры в железобетонных и армированных каменных конструкциях приводит к падению ее прочности и чрезмерному удлинению, что ведет к изменению геометрии конструкции и большим деформациям. Сжатые армированные зоны конструкций при разогреве и удлинении арматуры растрескиваются и разрушаются;
2) бетон и каменная кладка при ограниченных деформациях испыты-вают большие температурные напряжения, что вызывает потерю их несущей способности;
3) бетон и каменная кладка становятся хрупкими из-за мгновенного изменения объема кварцевой составляющей при температуре более 500 °С;
4) тушение пожара водой неравномерно охлаждает бетонные и каменные конструкции и вызывает в них появление трещин.
При обследовании конструкций после пожара возможно использовать оценку температурного воздействия на конструкции по внешним признакам согласно таблице 5.1.
Таблица 5.1 – Примерная температура нагрева по внешним признакам
| Наименование обследуемого элемента | Характер изменения внешнего вида, формы и цвета | Температура нагрева, °С |
| Железобетонные конструкции | Оседание сажи на поверхности Появление на поверхности конструкций микротрещин. Цвет бетона бледно-розовый Трещины видны невооруженным глазом; ширина трещин до 0,5 мм; цвет бетона от розового до красного Выкол заполнителя; трещины шириной до 1 мм; цвет бетона – красный Сколы бетона с обнаженной арматурой; цвет бетона от красного до желтого На поверхности множество трещин; отделение крупного заполнителя от растворной части бетона и его оплавление; цвет бетона темно-желтый | 100–400 300–500 400–550 500–700 700–800 900 и выше |
| Ненагруженные стальные конструкции без специальных огнезащитных средств | Деформаций нет Разрушение защитного лакокрасочного покрытия Цвет стали изменяется от светло-желтого до красно-фиолетового Цвет стали – синий Образование на поверхности светлой окалины Коробление конструкций; на поверхности легко очищаемый нагар; обгоревшие кромки То же; на поверхности тонкий слой трудноочищаемой окалины Провисание конструкции под собственной массой; местами слой окалины отслаивается Оплавление участков; толстый слой окалины Сильно деформированы; изломы, надрывы, оплавление и пережженные участки | До 200 200–250 220–280 300–450 480–520 500–660 650–850 800–900 >900 |
| Нагруженные несущие стальные конструкции без специальных огнезащитных средств | Деформации, ведущие, как правило, к обрушению | 550–600 |
Продолжение таблицы 5.1
| Наименование обследуемого элемента | Характер изменения внешнего вида, формы и цвета | Температура нагрева, °С |
| Кладка из силикатного кирпича | Появление трещин; прочность снижается до 2 раз Интенсивное образование трещин; прочность снижается в 5 раз | |
| Кладка из глиняного кирпича | Поверхностные трещины в кирпиче; большее их количество в цементно-песчаном растворе Оплавление и отслоение в кирпиче на глубину до 10 мм, шелушение раствора Кирпич поврежден на глубину более 10 мм; раствор выкрошен на глубину 20–30 мм Размягчение легкоплавких глин кирпича. Разрушение конструкций | До 800 800–900 1000–1200 1200–1400 |
| Гипсовая штукатурка | Образование частых трещин шириной до 0,2 мм; прочность уменьшилась на 50 % Ширина трещин достигает 0,5–1 мм; прочность уменьшилась на 80 %. Разрушение гипсового камня | 200–300 600–700 |
| Цементно-песчаная штукатурка | Розовый цвет на поверхности Светло-серый цвет; поверхностное шелушение | 800–900 800–900 |
| Известковая штукатурка | Штукатурка отслаивается слоями толщиной до 2 мм; на поверхности слой копоти То же, при толщине более 2 мм (наблюдается в течение 2–3 недель после пожара) | 600–800 >900 |
| Элементы конструкций из гранита | Разрушение конструкций | 850–900 |
| То же, из известняка | То же | 650–750 |
| Деревянные конструкции | Обугливание древесины на глубину до 10 мм Образование крупнопористого древесного угля на глубину до 20 мм Глубина обугливания древесины более 30 мм Обрушение нагруженной конструкции | 450–570 600–800 820–1000 1300 и выше |
| Оконное стекло, стеклянные блоки | Размягчение или слипание Округление Потеря формы | 700–750 |
| Отливки из стекла (блоки, бутылки и пр.) | Размягчение, слипание Потеря формы | |
| Радиаторы, трубы из литейного чугуна | Образование капель | 1000–1200 |
| Свинец (элементы зачеканки, обмотки кабеля и пр.) | Скругление углов или образование капель | 300–500 |
| Цинк (элементы пайки), свинец | Образование капель |
Окончание таблицы 5.1
| Наименование обследуемого элемента | Характер изменения внешнего вида, формы и цвета | Температура нагрева, °С |
| Алюминий и его сплавы (детали конструкций, посуда) | Образование капель | |
| Латунь, фурнитура дверей, бронза | Скругление углов, образование капель | |
| Серебро (украшения, столовые принадлежности) | То же | |
| Бронза (люстры, ручки) | Образование капель | |
| Медь, литой чугун (трубы, радиаторы и пр.) | То же | 1100–1200 |
| Масляные краски и эмали в покрытиях конструкции | Темнеют без нарушения целостности покрытия Темнеют и покрываются трещинами | |
| Масляные краски | Чернеют и отслаиваются | |
| Краски всех видов в покрытиях конструкций | Осыпаются, цвет определяется цветом наполнителя | |
| Любое окрасочное покрытие, кроме термостойкого | Полностью выгорает |
Во время пожара происходит прямое сгорание органики (древесины, полимерных материалов, органических кровельных покрытий). Металлические конструкции под действием огня могут терять прочностные показатели до 80 %. Воздействие высоких температур на бетон или цементный камень (в т. ч. штукатурку и пр.) предопределяет дегидратацию гидрата окиси кальция. Это само по себе снижает несущую способность, а при тушении пожара водой или просто при контакте с влажным воздухом происходит обратная реакция. Продукт гидратации увеличивается в объеме до двух раз с разрушением поверхностного слоя, что обусловливает проникновение пламени внутрь конструкции.
При пожарах большой интенсивности и длительности деревянные и металлические конструкции, как правило, приходят в негодность, в то время как железобетонные и каменные конструкции частично сохраняют эксплуатационные качества.
Читайте также: