Technoterm

ОГНЕЗАЩИТНЫЕ СОСТАВЫ И МАТЕРИАЛЫ
Высокоэффективные огнезащитные составы и материалы для металла, воздуховодов, ж/б конструкций от производителя. Огнезащита материалов, изделий, конструкций.

Главная Новости Продукция Услуги Публикации Контакт

Наши публикации

Огнестойкость железобетонных конструкций с внешним усилением из углепластика, ее оценка при разработке проекта огнезащиты[ В.С. Лысов ]

Огнестойкость железобетонных конструкций с внешним усилением из углепластика, ее оценка при разработке проекта огнезащиты

     В настоящее время углепластики широко применяются в строительстве для усиления конструкций из железобетона в том числе и в тех случаях, когда к этим конструкциям предъявляются требования по огнестойкости в зависимости от степени огнестойкостей строительных объектов (в соответствии с ФЗ 123 [1] и СП 2.13130.2012 [2]) , на которых они используются.

     Композитное усиление применяют в двух принципиально отличающихся ситуациях. Первая, когда композиционный материал используют для восстановления несущей способности конструкции с пониженными в процессе эксплуатации значениями прочности арматурной стали и бетона, что приводит к снижению первоначальной проектной несущей способности конструкции.

     Такие ситуации являются типовыми при ремонте или реконструкции зданий и сооружений, имеющих остаточный потенциал по несущей способности и при сохранении существующего уровня эксплуатационных нагрузок.  В этих условиях, в случае пожара и как следствие потери композитного усиления, железобетонная конструкция окажется в исходном (до ремонтном) состоянии.

      Поэтому, в подобных случаях, мероприятия по огнезащите должны, в первую очередь, обеспечить огнестойкость самой железобетонной конструкции без учета армирующего эффекта от углепластикового усиления.

     Для оценки огнестойкости указанной железобетонной конструкции и в случае ее (огнестойкости) недостаточности, для определения параметров дополнительной огнезащиты, можно воспользоваться либо расчетной методикой, изложенной в  СТО-НСО ПБ-20/ОЖБК [3], либо рекомендациями, приведенными в Пособии [4]. А при необходимости, провести испытания по ГОСТ  30247. [5,6], о чем будет сказано ниже.                                                                            

      Вторая, когда внешнее усиление угепластиком осуществляется по причине изменения проектной нагрузки на конструкцию в сторону увеличения в целях повышения ее несущей способности.

     В этом случае, для установления пределов огнестойкости конструкций в целях определения возможности их применения в соответствии с противопожарными требованиями, изложенными в нормативных документах, можно проводить испытания, установленные стандартами [5,6].

     Такие испытания, как правило, должны проводиться на образцах с проектными параметрами, как по размерам, так и схемам нагружения, условиям опирания и т.п.

       Их результаты, с одной стороны, распространяются только на испытанную конструкцию.

 С другой, как указано в ГОСТ 30247.0-94 [6]  результаты, полученные при испытании, могут быть использованы для оценки огнестойкости расчетными методами других аналогичных (по форме, материалам, конструктивному исполнению) конструкций.  Но даже при этом расширении результаты испытаний по ГОСТ 30247.1-94 [5] имеют весьма ограниченную применимость.

     Также, необходимо отметить, что рассматриваемые испытания обязательными не являются и  их результаты могут быть использованы при добровольной сертификации, подтверждающей, что испытанная под проектной нагрузкой по ГОСТ 30247.0-94 [6] конкретная конструкция имеет достигнутый предел огнестойкости.

     Более универсальным представляется расчетно-аналитический подход к определению предела огнестойкости строительной конструкции. Такой подход не противоречит требованиям, изложенным в статьях 35 и 87 ФЗ 123 [1]. Так из содержания п.2 ст. 35      ФЗ 123 следует, что  наступление пределов огнестойкости несущих и ограждающих строительных конструкций в условиях стандартных испытаний или в результате расчетов устанавливаются по времени достижения одного или последовательно нескольких из следующих признаков предельных состояний по потере: несущей способности (R), теплоизолирующей способности (I), целостности (E).

     Для рассматриваемого типа конструкций достижение предельных состояний по E,I не возможно в силу температурных ограничений, присущих, применяемому для внешнего армирования, углепластику.                                      

     Схематически, расчет предела огнестойкости строительной конструкции, находящихся под нагрузкой, состоит из двух частей. В первой выполняется статический расчет и определяется критическая температура конструкции (или ее элементов, определяющих ее несущую способность) в условиях проектной нагрузки, при которой она теряет несущую способность. Во второй выполняется теплотехнический расчет, в результате которого определяется время достижения, указанной выше, критической температуры в условиях стандартного пожара. Это время и будет определять значение предела огнестойкости рассматриваемой строительной конструкции. Примерами реализации такого подхода могут служить, разработанные во ВНИИПО, рекомендации по разработке проектной документации [7], инструкция по расчету фактических пределов огнестойкости стальных конструкций [8] и правила [3], выпущенные ФГУП «НИЦ «Строительство» .

     Следуя этой схеме для определения критической температуры железобетонной конструкции, усиленной системой внешнего армирования на основе углепластика, представляющего собой композицию углеродных волокон и отвержденного полимерного связующего, будем исходить из того, что ее несущая способность, зависит от температуры в значительно большей степени, чем конструкции без усиления.

     Это объясняется тем, что физическое состояние полимерной матрицы композита чаще всего определяется по изменению деформации материала под нагрузкой при изменении температуры. Область перехода из стеклообразного в высокоэластическое состояние характеризуется температурой стеклования. Эта температура определяет верхний температурный предел работоспособности напряженных материалов. Это же относится и к пространственно-сшитым термореактивным связующим, образующим полимерную матрицу углепластиков, так как достоверных данных о влиянии на температуру стеклования армирующего наполнителя нет [9].

     Поэтому температура «нулевой прочности», соответствующая температуре стеклования полимерной матрицы холодного отверждения, углепластика 50˚С…120˚С значительно ниже той, 450˚С…600˚С, при которой стальная арматура в растянутой зоне конструкции переходит в состояние «пластического шарнира», а бетон в сжатой зоне растрескивается.

     Исходя из принципа непрерывности деформаций, при увеличении пластической составляющей деформации в слое  углепластикового усиления (прежде всего в адгезионной прослойке) вследствие его прогрева, происходит перераспределение   нагрузки в сторону увеличения на стальную арматуру и бетон. Например, в случае плиты перекрытия, работающей на изгиб, растет нагрузка в ее растянутой зоне на нижний пояс стальной арматуры и в зоне сжатия на бетон и стальную арматуру в верхнем поясе армирования. В конечном итоге, при полной потере упругости в слое углепластика, лишенная усиления железобетонная конструкция под действием нагрузки, превышающей проектную, в короткое время потеряет несущую способность.                                                                                                           

     Таким образом, с достаточной степенью точности, за критическую температуру, при которой происходит потеря несущей способности железобетонной конструкции, усиленной системой внешнего армирования на основе углепластика, можно принять температуру стеклования его полимерной матрицы.                                                                                           

     При необходимости значение критической температуры может быть уточнено по результатам испытаний на несущую способность железобетонных образцов, усиленных углепластиком, при температурах, в том числе, превышающих температуру стеклования полимерной матрицы углепластика.

     Так результаты испытаний железобетонных образцов, усиленных системой FibARM на основе эпоксидного адгезива  FibARM Resin 230 в условиях статического нагружения  в диапазоне температур от - 60˚С до 90˚С, проведенных в ХК «Композит», показали, что верхний предел рабочего диапазона необходимо ограничить  температурой 40…50˚С [10]. Это связано с тем, что при более высоких температурах происходит заметное снижение прочности испытываемых образцов. А начиная от температуры 60˚С наблюдается резкое падение их несущей способности. Таким образом, температура 60˚С  и может считаться критической. Эта температура практически совпадает с температурой стеклования адгезива FibARM Resin 230, равной 65˚С.                                                                 

     Теперь о времени прогрева слоя композита на поверхности железобетонной конструкции до критической температуры, равной температуре стеклования (50˚С…120˚С), в условиях пожара. Очевидно, это может произойти в течение нескольких первых минут от его начала.

     То есть у такой конструкции собственный предел огнестойкости, в первом приближении, можно принять отсутствующим, независимо от ее формы, размеров, условий опирания, схемы нагружения  и т.п. Эти факторы должны учитываться при проектировании композитного усиления, его конструктивных параметров, степени армирования и т.п. [11].  

     Огнестойкость такой конструкции в условиях пожара может быть обеспечена только посредством огнезащитного покрытия, толщиной достаточной для того, чтобы время, за которое  слой углепластика нагрелся до температуры стеклования, не было меньше заданного.

     Время, за которое композит под слоем огнезащиты прогревается до температуры стеклования, может быть определено как расчетным путем, в результате теплотехнического расчета, так и по результатам испытаний огнезащитного покрытия на огнезащитную эффективность, например, по методу [12] c двумя уточнениями, не изменяющими сущность этого метода.

     Первое, предельное состояние определяется по критической температуре для армирующего слоя из углепластика, расположенного на поверхности образца плиты из железобетона под слоем огнезащиты.

       И второе, величина критической температуры этого композитного слоя должна быть не более температуры стеклования его полимерной матрицы.                                                                                                                               

     Таким образом, полученная в результате испытаний по этой методике, величина огнезащитной эффективности средства огнезащиты и будет определять предел огнестойкости усиленной углепластиком конструкции, защищенной покрытием на основе этого  средства огнезащиты толщиной не меньше той, которая была у  огнезащитного покрытия испытанных образцов.

     При этом, как отмечается в Пособии [11], необходимо иметь в виду то, что даже после потери композиционным материалом армирующего потенциала конструкция будет способна воспринимать определенный уровень нагрузок в течение какого-то промежутка времени. То есть, ее критическая деформация или обрушение произойдут не мгновенно.  

     Рассматривая оба подхода, испытания по ГОСТ 30247 и расчетно-аналитический,  к оценке предела огнестойкости железобетонной конструкции с внешним усилением углепластиком, необходимо отметить то, что они дополняют друг - друга.

     Очевидно, испытания по ГОСТ 30247 не являются инструментом определения проектных параметров средства огнезащиты, необходимых и достаточных для обеспечения заданного для конструкции предела огнестойкости, а предназначены для оценки того, насколько эти параметры достаточны или нет для обеспечения огнестойкости испытываемой конструкции.   

     При этом, полученная таким образом оценка, как было отмечено выше, распространяется только на ту конструкцию, включающую усиление и огнезащитное покрытие, которая была испытана. И там же указано, что результаты, полученные при испытании, могут быть использованы для оценки огнестойкости расчетными методами других аналогичных (по форме, материалам, конструктивному исполнению) конструкций.        

Но данная ремарка не раскрывает в достаточной степени понятие аналогичная конструкция и не содержит ссылку на расчетные методы.

     Можно предположить, что под расчетными методами подразумеваются расчеты по описанной выше схеме, то есть вычисляется в условиях нагружения критическая температура и затем рассчитывается время ее достижения в стандартных условиях.

     Фактически предел огнестойкости, полученный по результатам испытаний по ГОСТ 30247, по величине всегда будет превышать предел огнестойкости, определенный альтернативным образом, при идентичных параметрах средства огнезащиты. Это объясняется тем, как отмечается в Пособии [11], что после потери композиционным материалом армирующего потенциала конструкция будет способна воспринимать определенный уровень нагрузок в течение какого-то промежутка времени. Очевидно, эта разница будет тем больше, чем меньше степень внешнего армирования.     

      Изложенное выше полностью соответствует парадигме понятия проект огнезащиты, представленной в пункте 3.5 СП 2.13130.2012 [2].  Откуда буквально следует, что проект огнезащиты: «проектная документация и (или) рабочая документация, содержащая обоснование принятых проектных решений по способам и средствам огнезащиты строительных конструкций для обеспечения их предела огнестойкости по ГОСТ 30247, с учетом экспериментальных данных по огнезащитной эффективности средства огнезащиты, а также результатов прочностных и теплотехнических расчетов строительных конструкций с нанесенными средствами огнезащиты».                                                                                                                                 

     Для обеспечения огнестойкости железобетонных конструкций, с внешним углепластиковым усилением нами были разработаны и сертифицированы на огнезащитную эффективность две системы  на основе огнезащитного состава        СОТЕРМ-1Б.

     Первая, с общей толщиной покрытия 47 мм имеет огнезащитную эффективность 120 мин., для случаев, когда для усиления применяется углепластик с температурой стеклования его полимерной матрицы от 57 ˚С и более. Эта огнезащитная система защищена патентом [13].

         Вторая, с толщиной покрытия 42 мм имеет огнезащитную эффективность 180 мин., для случаев, когда для усиления применяется углепластик с температурой стеклования его полимерной матрицы от 100 ˚С и более.

     На основании изложенного выше подхода оценки пределов огнестойкости железобетонных конструкций, усиленных системами внешнего армирования на основе углепластика, применительно к представленным выше огнезащитным покрытиям на основе состава СОТЕРМ-1Б с достаточной степенью точности, пределы огнестойкости будут:                                                                                                                                                        - для железобетонной конструкции, усиленной углепластиком с температурой стеклования от 57 ˚С и более, защищенной огнезащитным  покрытием общей толщиной  47 мм - 120 мин.;                                                                                                                                         

-  для железобетонной конструкции, усиленной углепластиком с температурой стеклования от 100 ˚С и более, защищенной огнезащитным  покрытия общей толщиной  42 мм - 180 мин.

     Также нами проводились испытания по ГОСТ  30247. [4,5] многопустотной железобетонной плиты НВК 62-12Э-15 размерами 6200х1150х220 мм  под равномерно распределенной нагрузкой 1115 кг/м² с огнезащитным покрытием на основе состава СОТЕРМ-1Б средней толщиной 25 мм. В результате через 180 мин. средний прогиб не превысил 53 мм. При этом разрушения огнезащитного покрытия в течение всего времени проведения испытаний не произошло.  

     Это говорит о возможности применения огнезащитного покрытия на основе состава СОТЕРМ-1Б на полноразмерных железобетонных конструкциях, находящихся под проектными нагрузками.

 

Выводы:

1. В ситуации, когда целью внешнего армирования углепластиком является восстановление несущей способности конструкции, задача обеспечения ее огнестойкости решается как для обычной железобетонной конструкции без учета армирующей составляющей от углепластика в несущей способности усиленной конструкции.

2. В ситуации, когда целью внешнего армирования углепластиком является повышение несущей способности железобетонной конструкции, всегда требуется применение огнезащитного покрытия, имеющего огнезащитную эффективность, достаточную для обеспечения огнестойкости усиленной углепластиком конструкции в течение заданного времени в условиях пожара.

3. Оценка предела огнестойкости конструкции с внешним углепластиковым усилением  может быть получена экспериментально при стандартных условиях или расчетным путем, что не противоречит требованиям ФЗ 123.

4. Так как результаты испытаний распространяются только на испытанную конструкцию, то более универсальным является расчетно-аналитический подход, построенный на определении критической температуры для конструкции при проектной нагрузке и времени за которое эта температура может быть достигнута в условиях стандартного пожара.

5. Показано, что критическая температура для железобетонной конструкции, усиленной углепластиком равна температуре стеклования его полимерной матрицы.

6. Для железобетонной конструкции, усиленной углепластиком, огнезащитная эффективность средства огнезащиты и предел огнестойкости усиленной конструкции, защищенной этим средством огнезащиты той же толщины,  могут совпадать по величине.

7.  Время, за которое композит под слоем огнезащиты прогревается до температуры стеклования, может быть определено как расчетным путем, в результате теплотехнического расчета, так и по результатам испытаний огнезащитного покрытия на огнезащитную эффективность.

8.  Полученная в результате испытаний, величина огнезащитной эффективности средства огнезащиты и будет определять предел огнестойкости усиленной углепластиком конструкции, защищенной этим  средством огнезащиты с толщиной покрытия не меньше той, которая была у покрытия испытанных образцов.

9. Предложенный подход к оценке предела огнестойкости железобетонной конструкции, усиленной системой внешнего армирования на основе углепластика не противоречит нормативному определению понятия проект огнезащиты.

10. Для обеспечения огнестойкости железобетонных конструкций, с внешним углепластиковым усилением были разработаны и сертифицированы на огнезащитную эффективность две огнезащитные системы  на основе огнезащитного состава       СОТЕРМ-1Б.  

 

11.  Предел огнестойкости железобетонной конструкции, усиленной углепластиком с температурой стеклования полимерной матрицы от 57 ˚С и более, защищенной огнезащитной системой  на основе огнезащитного состава СОТЕРМ-1Б общей толщиной покрытия 47 мм составляет 120 мин. А  предел огнестойкости железобетонной конструкции, усиленной углепластиком с температурой стеклования полимерной матрицы от 100 ˚С и более, защищенной огнезащитной системой  на основе огнезащитного состава СОТЕРМ-1Б общей толщиной покрытия 42 мм составляет 180 мин.

 

Список литературы:

1. Федеральный закон от 22 июля 2008 г. № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» (с изменениями и дополнениями).

2. Свод правил. СП 2.13130.2012 «Системы противопожарной защиты. Обеспечение огнестойкости объектов защиты»

3.  СТО 36554501-006-2006  «Правила по обеспечению огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций» ФГУП «НИЦ «Строительство», М: 2006.

4.  Пособие по определению пределов огнестойкости конструкций, пределов распространения огня по конструкциям и групп возгораемости материалов (К СНиП II-2-80), М: Стройиздат 1985.

5. ГОСТ  30247.1-94 «Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции».

6. ГОСТ  30247.0-94  «Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования».

7. Болодян И.А., Шевчук А.П., Голованов В.И., Ружинский А.В., Пехотиков А.В. «Рекомендации по разработке проектной документации огнезащиты стальных конструкций». Приложение к НПБ 236-97 «Огнезащитные составы для стальных конструкций. Общие требования. Метод определения огнезащитной эффективности». 1-я редакция.

8. Инструкция по расчету фактических пределов огнестойкости стальных конструкций с композицией огнезащитной, выполненной из плит теплоизоляционных из минеральной (каменной ваты) CONLIT SL 150 ТУ 2767-029-45757203-10 и клея CONLIT Glue NE 2252-018-52935415-2010, ФГУ ВНИИПО МЧС РФ, М: 2011

9. Альперин В.И., Корольков Н.В., Мотавкин А.В., Рогинский С.Л., Телшов В.А. «Конструкционные стеклопластики», М.: Химия 1979.

10. Буклет «Система внешнего армирования FibARM.  Расчетное обоснование». ЗАО «Холдинговая компания «Композит».

11. Шилин А.А., Пшеничный В.А., Картузов Д.В. «Внешнее армирование железобетонных конструкций композиционными материалами», М.: Стройиздат 2007.

12. Огнезащита железобетонных конструкций. Методы определения эффективности средства огнезащиты. СТО-НСО ПБ-20/ОЖБК, М: 2011.

13. Лысов В.С. Патент на полезную модель № 151423 «Композиционная огнезащита» приоритет от 25.06.2013.

                                                                                                                       

 

 


создание и продвижение сайта - Ti-Studio