4.3. Здания и сооружения, поврежденные пожаром

Для расследования причин аварий, организуют технические комиссии: государственную или местную в зависимости от величины убытка. Местную комиссию возглавляет руководитель предприятия, организации или учреждения.

В задачи комиссий входят [46]: исследование основных параметров огневого воздействия; выяснение причин обрушения (повреждения) конструкций во время пожара; оценка влияния огневого воздействия на строительные конструкции и определение ущерба; разработка мероприятий по ликвидации последствий пожара.

Результаты работы местная комиссия оформляет техническим актом, к которому прилагают протоколы лабораторных исследований материалов, конструкций, поверочные расчеты. Для оценки технического состояния конструкций, возможности и целесообразности восстановления здания или сооружения привлекают строительных экспертов. Они проводят экспертизу причин обрушения конструкций при пожаре, выясняют недостатки и преимущества различных типов строительных конструкций, определяют пригодность демонтированных конструкций для дальнейшей эксплуатации, определяют отступления от проекта и нормативных документов, разрабатывают рекомендации по восстановлению эксплуатационных характеристик конструкций опасной зоны.

Выделяют участки разрушении, сильных, средних, слабых повреждений и неповрежденную зону. Участки разрушения включают обрушившиеся части здания, разрушенные конструкции. Признаком разрушения считают остаточные прогибы, превышающие предельно допустимые в 10 и более раз.

За передел огнестойкости строительных конструкций принимается [74] время в часах и минутах от начала их огневого стандартного испытания до возникновения одного из предельных состояний по огнестойкости: по плотности (по образованию в конструкциях сквозных трещин), по теплоизолирующей способности (по повышению температуры на необогреваемой поверхности в среднем более чем на 160°С), по потере несущей способности (обрушение или прогибы).

Длительность пожаров на различных предприятиях существенно отличается и колеблется в пределах от 0,2 до 12 часов. В промышленных зданиях длительность пожара составляет 2...4 часа, температура 1200...1500 °С. В

126

цехах химических производств длительность пожара достигает 6...8 часов, температура- 1500...2000 °С.

Удельную огневую нагрузку q, МДж/м ² определяют по формуле

q₀ = b₀ Σ (M_i Q_i)/F_пож (4.6)

где 0 < b₀ <1 - коэффициент выгорания; М_i - масса горючих материалов; Q_i -низшая теплота сгорания, кДж/кг i-го горючего материала; F_пож -площадь горения.

Степень риска обрушения железобетонных конструкций зависит от удельной огневой нагрузки (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Класс огневой нагрузки	Удельная огневая нагрузка МДж/м2		Степень риска обрушения
1	нулевая	0	нет
2	незаметная	20...200
3	очень слабая	200...400	малая
4	слабая	400...800
5	умеренная	800...1500
6	сильная	1500...2500	высокая
7	очень сильная	2500...3500
8	разрушительная	3500...5000
9	опустошительная	5000...10000	чрезвычайно высокая
10	катастрофическая	10000

При нагреве железобетонный элемент удлиняется на величину, большую удлинения бетона и меньшую удлинения арматуры. В элементе возникают внутренние напряжения с растяжением в бетоне и сжатием в арматуре [75]. Арматура расширяется больше чем бетон и разрывает его. При температуре выше 300...500°С возникает ползучесть и релаксация напряжения в бетоне и арматуре. Напряжение в арматуре и бетоне между трещинами снижается, а удлинение железобетонного элемента приближается к удлинению бетона. Деформации от резкого температурного расширения арматуры и бетона оказывают такое же влияние на напряженное состояние, как и усадка бетона при нормальной температуре.

На рис. 4.7 приведена схема разрушения балок из конструкционного керамзитобетона (Милованов А.Ф., Алимханов Н.Ж. Расчет наклонных сечений изгибаемых элементов из жаростойкого керамзитобетона.// Бетон и железобетон.-1989.-№ 10.-С.13-14). Балки армировали рабочей арматурой

127

2ø20 A-III и поперечной 6 ø A-I. После одностороннего нагрева до достижения заданной температуры и 2-часового выдерживания балки нагружали сосредоточенными силами, приложенными на консольных участках. Нагрев со стороны крайнего сжатого волокна бетона до 400°С увеличивает раскрытие наклонных трещин в 1,1 раза, а до 800°С - в 2,3 раза. Односторонний кратковременный нагрев до 400°С снизил прочность наклонных сечений балок в среднем на 10%, а до 800°С - на 20%.

В табл. 4.2 приведены признаки степени повреждения огнем изгибаемых и сжатых железобетонных аварийных конструкций. Состояние конструкций с тяжелыми, средними и легкими повреждениями описано в [46, табл. 13].

128

Таблица 4.2.

Состояние конструкций после огневого воздействия		Рекомендации по устранению повреждений
изгибаемых	сжатых
1	2	3
Наличие остаточных прогибов конструкций, превышающих в 5-10 раз предельные (1/20-1/50 пролета), с образованием в растянутой зоне сквозных трещин с шириной раскрытия 1-5 мм или с признаками разрушения сжатой зоны элемента; наличие чрезмерных трещин в бетоне от главных растягивающих напряжений, трещин в опорных узлах или трещин, пересекающих зону анкеровки растянутой арматуры; сквозное взрывообразное разрушение или следы огневой эрозии бетона массивных сечений на глубину более 20 мм, потеря устойчивости положения элемента; горизонтальный выгиб более 1/100 пролета; деление изгибаемого элемента на отдельные блоки по вертикали и горизонтали; разрывы арматурных стержней, пережог и выпучивание арматуры; тяжелые повреждения поверхностного слоя бетона огневым воздействием (звук бетона глухой, зубило легко вбивается в бетон на глубину 10-20 мм);потеря сцепления арматуры с бетоном у концов элемента или более 1/4 пролета в его середине; перекаливание бетона тонкостенных сечений полок, панелей, стенок балок; разрушение элементов решетчатых конструкций (балок, ферм)	Потеря устойчивости сжатого элемента; наличие разрушенных участков конструкций; разрывы арматурных стрежней или их пережог; выпучивание более 50% сжатой арматуры; следы огневой эрозии или взрывообразного разрушения бетона на глубину более 30 мм в массивных сечениях или образование сквозных отверстий (более 20% площади сборного элемента в полках панелей); нарушение сцепления арматуры с бетоном по всему периметру сечения; отпадание защитного слоя бетона в начале огневого воздействия и перегрев арматуры; изломы консолей колонн; обрыв растянутой арматуры в консолях; разрушение элементов составных и решетчатых колонн	Оградить зону аварийных конструкций, установить временные крепления, разобрать непригодные для восстановления элементы, привести в исходное положение восстанавливаемые элементы, выправить и усилить конструкции расчетными обоймами, заменить не пригодные для дальнейшей эксплуатации конструкции новыми

Пожар проходит три стадии: начальную (5-30 мин), характеризующуюся загоранием материалов (t₁ =100 - 250°С); интенсивного горения (t₂ -600 - 400°С) и медленного снижения температуры. Огневое воздействие на строительные конструкции характеризуется мощностью,

129

определяемой, количеством теплоты пожара на единицу площади в единицу времени.

Цвет бетона, подвергшегося огневому воздействию, изменяется в зависимости от вида заполнителя и вяжущего. При температуре до 300°С тяжелый бетон принимает розовый оттенок, при 400-600°С -красноватый, при 900-1000°С - бледно-серый. Коэффициент линейного расширения заполнителей изменяется в широких пределах. Вследствие этого при умеренно высоких температурах сцепление заполнителя с цементным камнем резко снижается. Происходит температурное "растапливание" бетона. Микротрещины в бетоне образуются при t≈300...400°С. При дальнейшем увеличении температуры образуются макротрещины. Образцы, прогретые при t ≥ 700°C, после охлаждения разрушаются. Взрывоопасное разрушение бетона возникает при быстром нагреве поверхности. Часто это происходит в статически неопределимых, преднапряженных и тонкостенных элементах.

При пожаре наблюдается значительный (до 1000°С) перепад температур между обогреваемой и необогреваемой поверхностями. Вследствие этого прочность по сечению изменяется. Предельная сжимаемость бетона с повышением температуры нагрева на 200, 400 и 500 °С увеличивается в 1,6, 2,2 и 2,3 раза по сравнению с ненагреваемым бетоном. Остаточные пределы прочности бетона на сжатие различных слоев бетона в момент разрушения резко отличаются.

Незащищенные от огня тонкостенные металлические конструкции наиболее чувствительны к тепловому потоку. При t ≤ 200°C дополнительные деформации металла незначительные. С увеличением температуры остаточные деформации резко возрастают. Нагруженные элементы конструкции после нагрева до 500...600°С имеют значительные деформации и через 15...20 мин обрушаются. При t = 1 1100...1300°С происходит изменение структуры и снижение механических свойств. При t > 1400°C отдельные участки конструкции оплавляются.

Изменение состояния других материалов при повышении температуры приведено в табл. 4.3.

Таблица 4.3.

t, °C	Изменение состояния при пожаре
	Силикатный кирпич
300	Возрастание прочности до 60% первоначальной
600	Начало снижения прочности
700	Снижение прочности в 2 раза, образование трещин
900	Снижение прочности в 5 раз, интенсивное образование трещин
	Глиняный кирпич
800-900	Возникновение малых поверхностных трещин, более сильное образование трещин в цементно-песчаном растворе
900-1000	Незначительные отколы углов кирпича, выступающих на поверхность, шелушение поверхности раствора
1000-1200	Сильное повреждение кладки на 10... 15 мм, откалывание лещадок, выкрашивание раствора на 15... 20 мм
1200-1350	Размягчение легкоплавких глин на толщину прогрева

130

	Древесина
110	Высыхание с выделением летучих веществ
110-150	Пожелтение
150-250	Образование коричневой окраски
250-300	Возникновение следов воспламенения древесины
400-600	Незначительное обугливание по толщине
600-800	Образование крупнопористого древесного угля
800-1000	Значительное выгорание мелкопористого угля
Более 1000	Полное выгорание древесины, обрушение конструкций
	Сталь
200-250	Разрушение лакокрасочного защитного покрытия
300-400	Коробление элементов конструкций
Более 400	Резкое падение прочностных характеристик стали и несущей способности конструкций

В горячих цехах появляются большие температурные перемещения [46], приводящие к отклонению конструкций от проектного положения. При наличии связей возникают дополнительные усилия. Они могут привести к искривлению элементов и появлению трещин. Источниками тепловых воздействий являются доменные, сталеплавильные, сталелитейные печи, конвекторы и чугунолитейные вагранки и др.

Воздух вблизи несущих и ограждающих конструкций нагревается до 50...150°С. Многократный импульсный нагрев до 50...70 теплосмен в сутки приводит к короблению плит и расшатыванию структуры бетона.

Расчет на огнестойкость металлических конструкций включает: определение критической температуры, при которой происходит исчерпывание несущей способности при заданных нагрузках; определение времени прогрева элементов до критической температуры, т.е. предела огнестойкости. Если при t = 20°С модуль упругости равен 1, то при 200°С -0,94; 300°С - 0,90; 400°С - 0,86; 500°С - 0,80; 600°С - 0,72; 700°С - 0,59. Предел текучести при этих температурах соответственно равен: 0,85; 0,77; 0,7; 0,58; 0,34; 0,11.

Железобетонные конструкции подвергаются воздействию как климатической, так и технологической температуры. Технологические температуры могут колебаться от -180 до 1200°С, климатические от-60 до 70°С. В южной строительно-климатической зоне преимущественно применяют высокопрочные быстротвердеющие портландцементы и низкоалюменатные портландцементы. Быстрый набор прочности цементного камня приводит к образованию плотных оболочек новообразований, препятствующих поступлению воды к негидратированным цементным зернам.

Для изготовления жаростойких бетонов применяют:

• гидравлические вяжущие - портландцемент, быстротвердеющий портландцемент, шлакопортландцемент; глиноземистый, высокоглиноземистый;
• воздушные вяжущие - жидкое стекло, триклазовый цемент и др.;
• химические связующие - силикат натрия, фосфатин и др.

Разработан (Жуков В.В., Ремнев В.В. Жаростойкие бетоны и перспективы их применения // Бетон и железобетон, 1995. - №4. - С. 13-16) самовспучивающихся жаростойкий бетон. После затворения водой происходит

131

увеличение объема исходного материала в 2...2,5 раза. Бетон используют для изготовления жаростойких ограждений конструкций с объемной массой 400...450 кг/м³;. В процессе эксплуатации нефтехранилищ на конструкции действуют температуры от 100...150°С и ниже, а в критических условиях - выше 400°С.

По данным [75] прочность бетона повышается, а модуль упругости понижается при температуре до 100°С; бетон сохраняет свою нормальную прочность, модуль упругости уменьшается при температуре 100°С; коэффициент теплового расширения растет при температуре свыше 120°С; усадка бетона возрастает при повышении температуры; ползучесть бетона возрастает до 3 раз с повышением температуры; деформация ползучести при переменной температуре воздействия увеличивается; прочность бетона при температуре от 400 до 500°С вследствие разрыхления структуры резко уменьшается; модуль упругости уменьшается на 40...50%; остаточные деформации, деформации ползучести и усадочные деформации сильно увеличиваются.

В ряде случаев пожары сопровождаются взрывами. При этом на конструкции действуют два вида особых нагрузок - динамические и высокотемпературные. Возможно существенное влияние предварительного нагрева на динамическую прочность или предварительного динамического нагружения на температуру разрушения бетона.

В современных высотных зданиях дым и огонь в считанные минуты распространяется по всем этажам через лифтовые шахты и лестничные клетки. Так, 30-этажное здание гостиницы "Хилтон" в г.Лас-Вегасе (США, 1981) в течение 10...15 мин. было охвачено огнем. Пожар возник на 8 этаже. Также быстро распространился пожар в гостинице "Россия" (25 февраля 1977 г.).

Наибольший ущерб приносят пожары на химических и нефтеперерабатывающих предприятиях, лакокрасочных заводах и т.п. Они охватывают прилегающие территории и для их ликвидации требуется длительное время. Примером тому является пожар вблизи г.Мехико (Мексика, 1984). Столб огня и дыма достигал почти километровой высоты. Практически уничтожен был весь поселок. Причиной явилось короткое замыкание в одной из лабораторий. Крупнейшие пожары произошли в Г.Сингапуре (Малайзия, 1972), Маниле (Филиппины, 1982), когда на площади 3...4 Га уничтожены все здания.

Пример результатов обследования после пожара железобетонных конструкций корпуса № 2 комплекса производства дисперсных красителей п/о "Пигмент"¹. Проект корпуса № 2 разработан^*) в 1980 году институтом Гипроорхим г.Москвы. Здание - прямоугольное в плане с размерами в осях 30x181,2 м; в осях 25-33-А-Е - четырехэтажное; в осях 18-25-А-Е - пятиэтажное. Высота этажей составляет 6 и 7,2 м. Здание по осям II, 17-18, 23-24 разделено поперечными температурными швами. В осях 1-2-Д-Е; 22-23-А-Б и 31-32-А-Б расположены кирпичные вставки с лестничными

132

клетками и лифтовыми шахтами на всю высоту здания с выходом на кровлю.

Каркас здания выполнен из сборных железобетонных конструкций серии ИИ-20 с опиранием плит перекрытия на ригели прямоугольного сечения. В осях 1-23-А-Е покрытие выполнено из односкатных преднапряженных балок пролетом 12 м по серии 1.462 - 1 в 1,2 марки 2Б012-4 АIIIВ. Армированы предварительно напряженной арматурой 5 ø025 АШВ вместо проектной 8 ø 18 А-IV. Поперечная арматура у опоры 2 ø 8 AIII с шагом 200 мм. Бетон класса В25 на гранитном щебне. По балкам покрытия смонтированы предварительно напряженные плиты по серии 1,463 вмп 3 (шифр 223-67). Размеры плит в плане 1,5x6 и 3x6 м. Железобетонные колонны по осям А и Е, В и Г высотой 10,8 м, поперечным сечением 400x600 мм, армированы 6 ø 32 А-III. Стык колонн выполнен на высоте 60 см от верха плит покрытия. Поперечная арматура 10 ø 6 A-III. Бетон колонн предусмотрен классов В35 и В40 на гранитном щебне. Колонны выполнялись по чертежам института Гипроорхим серии ИИ 22-3/70. Балки покрытия пролетом 6 м изготовлены по серии ПК01-115 двускатные марки БД 6-3. Армированы в пролете 3 ø 25 A-III, у опоры 2 ø 25 A-III. Поперечная арматура у опоры 2 ø 12 АИ с шагом 100 мм. Бетон класса В25 на гранитном щебне. По рядам А, Б, В, Г, Д и Е выполнены металлические вертикальные связи между колоннами. Наружные стены навесные керамзитобетонные толщиной 240 мм по серии 1.432-5в1. Кровля рубероидная, многослойная.

В конструктивном отношении участок корпуса в осях 1-17-А-Е представляет собой в поперечном направлении 4-х этажную раму. На 1, 2 и 3 этажах рама пятипролетная с жесткими узлами. На 4-ом этаже рама трехпролетная с шарнирными верхними узлами. Продольная устойчивость здания обеспечивается жесткими дисками покрытий и вертикальными металлическими связями между колоннами.

13 мая 1983 года в 11 часов 15 минут в строящейся камере хранения льда (размером в плане 8,2x16,2 и высотой 7,0 м) на отм. ± 0,00 во время производства электросварочных работ возник пожар. Сгорела теплоизоляционная облицовка толщиной 200 мм из пенополистирола ПСБ-С вместе с деревянным каркасом и фанерной обшивкой стен по теплоизоляции на высоту 3,6 м. Штукатурка по пенополистиролу стен и потолка не выполнялась.

Продолжительность пожара составила около одного часа. Огневому воздействию подверглись строительные конструкции в осях 18-21 между рядами А-Б-В на отметках 7,2 и 13,15. В целом пожар (с точки зрения его воздействия на конструкции) можно характеризовать как слабой степени огневой интенсивности по следующим причинам:

1. При сгорании (в случае постороннего источника огня) полистирол не дает большего пламени.
2. Через систему проемов в перекрытиях и оконные проемы происходил значительный отвод тепла наружу и, следовательно, конструкции прогревались слабо.
3. Пламя практически не касалось железобетонных конструкций на отм. +7,2 и совсем не достигало конструкций на вышележащих отметках.

133

В результате пожара произошли разрушения третьей категории.

После пожара в осях 18-ь21 между рядами А-Б-В колонны, ригели и плиты перекрытий вплоть до отм. +13,15 в результате теплового воздействия имели сильные повреждения защитного слоя бетона (бетон легко откалывался при ударе молотком). В плитах перекрытия на отм. 7,2 и 13,15 имелись сквозные отверстия. Прогибы в указанных конструкциях от пожара отсутствовали.

Разработаны следующие рекомендации. В результате тщательного анализа режима огневого воздействия, оценки качества арматуры и бетона конструкций следует считать, что физико-механические свойства арматуры и бетона (за пределами защитного слоя) практически не изменились. Считать пригодными к эксплуатации без усиления колонны и ригели. В указанных конструкциях нарушенный защитный слой удалить, бетон расчистить и восстановить защитный слой при помощи торкретирования или затирки цементным раствором марки М 200 по сетке "Рабица". В плитах перекрытий (на отм. 7,2 и 13, 15) бетон, поврежденный сквозными отверстиями, удалить и вновь восстановить с устройством дополнительного армирования сеткой из 04-5 (А1) с шагом 150x150 мм. В плитах перекрытий (на отм. 7,2 и 13,15) поврежденный бетон только в пределах защитного слоя восстановить при помощи торкретирования или затирки цементным раствором марки М 200. Поврежденный защитный слой бетона в ребрах плит восстановить при помощи торкрета или затирки цементным раствором М 200. Деформированные металлические элементы связей и других конструкций восстановить, вырезать и заменить новыми из того же профиля.

Второй раз пожар возник 2 июля 1992 года во время производства электросварочных работ на 4 этаже в осях 4-П-А-Е. В зоне очага пожара в районе фильтпрессов, транспортеров температура на высоте 2...6 м составляла 1200,..1300°С, на высоте 0...2 м - 800...900°С, в других местах -200-800°С.

После ликвидации пожара оказались обрушенными плиты покрытия в осях 5-6-Г-Б (частично в В-Б), 6-7-А-Г, 7-9-В-Е (частично в В-Б), 9-11-Г-В (частично в В-Б). В ночь на 3 июля произошло обрушение балки по оси 8 в рядах Г-Е. Это обрушение привело к излому колонны по оси В-Е на уровне 0,5 от уровня пола 4-го этажа.

Во многих плитах панели оказались полностью разрушенными. Ребра потеряли несущую способность за счет нарушения структуры бетона и резкого снижения прочности, снятия предварительного напряжения, снижения сцепления арматуры с бетоном. Остальная часть плит в осях 3-П-А-Б пришла в полную негодность и было рекомендовано их демонтировать. Ряд плит поврежден коррозией: имелись трещины в бетоне, коррелированна арматура. Их можно было бы отремонтировать, но, учитывая неудовлетворительное состояние балок покрытия, решено также демонтировать. Плиты в осях 2-3 рядами А-Г и В-Г не демонтировались. Защитные слои рекомендовано восстановить. Решено также кровлю снять и утеплить, заменить на более легкий.

134

Балки покрытия подвергались температурному воздействию неравномерно. Изменился цвет бетона - он стал светлым. Появились трещины с шириной раскрытия до 2 мм. В балках ВД6 местами произошел отрыв сжатой полки от стенки. Балки 2Б012 были покрыты сеткой трещин, защитный слой бетона на отдельных участках отстал. Прогиб этих балок значительно превышал допустимый, достигая 12 см.

Значительное повреждение балок произошло из-за потери предварительного напряжения в продольной арматуре, нарушения сцепления арматуры с бетоном, снижения прочности бетона до класса В-7.5...В-12.5 (прочность бетона определяли молотком Физделя). Призменная прочность бетона при температуре выше 400°С снижается вследствие нарушения структуры бетона. При нагреве затвердевший цемент, обезвоживаясь, дает усадку, а щебень расширяется. Металлические столики, на которых установлены балки БД6, деформировались. Принято решение балки демонтировать.

Отмечены следующие дефекты в колоннах: появились трещины с шириной раскрытия до 1 мм, нарушен защитный слой бетона, отслоился бетон от продольной арматуры, оплавлен бетон и арматура, снижена прочность бетона до класса В-7.5. Часть колонн должна быть заменена, часть подлежала восстановлению. Образовались трещины в кирпичных стенах лестничной клетки. Ширина трещин при нагреве достигала 8 мм, а после остывания всех элементов каркаса уменьшилась до 1 мм. Металлические оконные переплеты на отдельных участках значительно деформированы. Разработан проект восстановления корпуса, предусматривающий демонтаж, замену и усиление несущих и ограждающих конструкций, восстановление защитного слоя и антикоррозионной защиты, заделку трещин в кирпичных стенах, замену поврежденных вертикальных связей и переплетов, восстановление гидроизоляции пола и другие работы.

135

---