Анализ результатов огневых испытаний под нагрузкой железобетонных колонн и плит с реализацией вариантов, исключающих взрывообразную потерю целостности бетона и обеспечивающих заданную огнестойкость конструкций

Введение. Рассмотрена проблема предотвращения взрывообразной потери целостности бетона и обеспечения требуемой огнестойкости железобетонных конструкций. Ее актуальность обусловлена недостаточным объемом как огневых испытаний таких конструкций под нагрузкой, так и теплотехнических расчетов, необходимых для объективного анализа их результатов.

Цель и задачи. Обоснование выбора эффективных способов предотвращения взрывообразной потери целостности бетона и обеспечения заданной огнестойкости конструкций. Для этого организовано проведение серии огневых испытаний железобетонных колонн и плит перекрытия при наличии и отсутствии полипропиленовой микрофибры в составе бетона и при использовании конструктивной огнезащиты, а также обеспечено проведение теплотехнического анализа полученных результатов.

Методы. Оценивалась огнестойкость натурных образцов колонн и плит по стандартизованной методике в ходе испытаний в огневой печи под нагрузкой с проведением дополнительных термопарных измерений, результаты которых использовались в ходе теплотехнического анализа. Анализ проводился с использованием методик и программ численных расчетов нестационарных температурных полей в конструкциях с огнезащитой в одномерной и двумерной постановке.

Результаты. Получены дополнительные данные огневых экспериментов при проведении испытаний под нагрузкой, подтверждающие эффективность введения в состав бетона микрофибры как средства для предотвращения взрывообразного разрушения колонн и плит из тяжелого бетона и обеспечения их высоких пределов огнестойкости (R 120 и R 150, при постоянной статической нагрузке). Продемонстрирована роль и особенности использования для этой цели конструктивной огнезащиты в виде плит «ПРОЗАСК Файерпанель» и штукатурки «ИГНИС ЛАЙТ». Приведены примеры, демонстрирующие целесообразность и эффективность проведения теплотехнических расчетов в одномерной и в двумерной постановке в качестве инструмента для анализа результатов проведенных испытаний. Показана возможность пересчета результатов измерений при экспериментах на другие условия, что необходимо для принятия обоснованных технических решений по огнестойкости железобетонных конструкций, подобных испытанным, а также по их рациональной огнезащите.

Выводы. Проведенные огневые эксперименты и результаты их тщательного теплотехнического анализа позволили получить значительный объем важной информации, необходимой для обеспечения заданной огнестойкости несущих железобетонных колонн и плит перекрытия и дальнейших путей развития данного важного направления экспериментальных и теоретических исследований. Продемонстрирована эффективность тепло-технических расчетов как инструмента для оценки параметров огнестойкости и огнезащиты железобетонных конструкций и возможность сокращения с их помощью количества дорогостоящих огневых испытаний.

1. Мешалкин Е.А. Исследование процесса разрушения бетонных изделий при пожаре с учетом их взрывообразной потери целостности : дис. … канд. техн. наук. М., 1979. 216 с.

2. McNamee R.J., Bostrom L. Fire spalling-the moisture effect // 1st International workshop on Concrete Spalling due to Fire Exposure-From Real Life Experiences and Practical Applications to Lab-scale Investigations and Numerical Modelling. MFPA Institute Leipzig, Germany. September 3–5, 2009. 2009. Pp. 120–129.

3. Jansson R. Fire spalling of concrete: Theoretical and experimental studies : Doctoral Thesis in Concrete Structures: KTH Royal Institute of Technology. Stockholm : Trita-BKN, Bulletin, 2013. 117 p.

4. Голованов В.И., Пехотиков А.В., Новиков Н.С., Павлов В.В., Кузнецова Е.В. Огнестойкость железобетонных тюбингов подземных сооружений с полипропиленовой фиброй // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. 2019. Т. 28. № 5. С. 60–70. DOI: 10.18.18322/PVB.2019.28.05.60-70

5. Новиков Н.С. Огнестойкость конструкций из фибробетона для автодорожных тоннелей и метрополитена : дис. … канд. техн. наук. М., 2019. 167 с.

6. Dehn F., Werther N., Knitl J. Groβbrandversuche fur den City-Tunnel Leipzig // Beton- und Stahlbetonbau, 2006. Nr. 101. Heft 8. Pp. 631–635. DOI: 10.1002/best200608186

7. Maraveas C., Vrakas A.A. Design of concrete tunnel linings for fire safety // Structural Engineering International. 2014. Vol. 24. Issue 3. Pp. 319–329. DOI: 10.2749/101686614X13830790993041

8. Annerel E., Boch K., Lemaire T. Passive fire protection end life safety // Topic Safety of Tunnel and Undeground Structure. “SEE Tunnel: Promoting in SEE Region” ITA WTS 2015 Congress and 41st General Assambly. Dubrovnik, Croatia, 2015. Pp. 1–10.

9. Chiarini M., Lunardi G., Cassani G., Bellocchio A., Frandino M. High speed railway Milan — Genoa, implementation of coupled analysis to estimate thermo-mechanical effects produced by the fire on the TBM segmental lining // Proceedings of the World Tunnel Congress 2017 — Surface challenges — Underground solutions. Bergen, Norway, 2017. Pp. 1–10.

10. Liu J-C., Tan K.H., Yao Y. A new perspective on nature of fire-induced spalling in concrete // Construction and Building Materials. 2018. Vol. 184. Pp. 581–590. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.06.204

11. Голованов В.И., Новиков Н.С., Павлов В.В., Антонов С.П. Прочностные характеристики фибробетона для тоннельных сооружений в условиях высоких температур // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращения, ликвидация. 2017. № 2. С. 65–69. DOI: 10.25257/FE.2017.2.63-67

12. Антонов С.П. Технологии предотвращения взрывообразного разрушения бетонов при огневом воздействии // Пожарная безопасность / Специализированный каталог. 2021. C. 56–61.

13. Кузнецова И.С., Рябченкова В.Г., Корнюшина М.П., Саврасова И.П., Востров М.С. Полипропиленовая фибра — эффективный способ борьбы со взрывообразным разрушением бетона при пожаре // Строительные материалы. 2018. № 11. С. 15–20. DOI: 10.31659/0585-430X-2018-765-11-15-20

14. Khoury G.A., Willoughby B. Polypropylene fibres in heated concrete. Part 1: Pressure relief mechanisms and concrete // Magazine of Concrete Research. 2008. Vol. 60. Issue 2. Pp. 125–136. DOI: 10.1680/macr.2008.60.2.125

15. Khoury G.A. Polypropylene fibres in heated concrete. Part 2: Pressure relief mechanisms and modeling criteria // Magazine of Concrete Research, 2008. Vol. 60. Issue 3. Pp. 189–204. DOI: 10.1680/MACR.2007.00042

16. Shihada S. Effect of polypropylene fibers on concrete fire resistance // Journal of Civil Engineering and Management. 2011. Vol. 17. Issue 2. Pp. 259–264. DOI: 10.3846/13923730.2011.574454

17. Serrano R., Cobo A., Prieto M.I., Gonzales M. Analysis of fire resistance of concrete with polypropylene or steel fibers. Construction and Building Materials. 2016. Vol. 122. Pp. 302–309. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.06.055

18. Пухаренко Ю.В., Кострикин М.П. Стойкость фибробетона к высокотемпературному воздействию // Строительные материалы и технологии. 2020. № 2 (88). C. 96–106. DOI: 10.33979/2073-7416-2020-88-2-96-106

19. Gravit M., Antonov S., Nedryshkin O. Research features of tunnel linings with innovations fireproof panels // Procedia Engineering. 2016. Vol. 165. Pp. 1651–1657. DOI: 10.1016/j.proeng.2016.11.906

20. Ройтман В.М., Габдулин Р.Ш. Обеспечение стойкости железобетонных конструкций против взрывообразного разрушения при пожаре с помощью тонкослойных огнезащитных вспучивающихся покрытий // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2013. № 2. С. 11–16. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=22413522

21. Мешалкин Е.А. Антонов С.П. Об избыточности требований пожарной безопасности // Природные и техногенные риски. Безопасность сооружений. 2019. № 2 (39). С. 26–29.

22. Антонов С.П. Российское противопожарное законодательство и требования по обеспечению огнестойкости железобетонных строительных конструкций // Технологии бетонов. 2018.№ 11–12. С. 52–56. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=36403099

23. Гаращенко А.Н., Данилов А.И., Антонов С.П., Марченкова С.В., Павлов В.В. Теплотехнический анализ результатов огневых испытаний под нагрузкой чугунных тюбингов обделок тоннелей метрополитена, обеспечение их рациональной огнезащиты и заданной огнестойкости // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Esplosion Safety. 2022. Т. 31. № 1. С. 23–42. DOI: 10.18322/PVB.2021.31.01.23-42

24. Страхов В.Л., Гаращенко А.Н., Рудзинский В.П. Программные комплексы для расчетов тепломассопереноса в строительных конструкциях с огнезащитой с учетом термического разложения, вспучивания-усадки и испарения-конденсации // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2001. Т. 10. № 4. С. 9–11.

25. Волков А.А., Ройтман В.М., Приступюк Д.Н., Федоров В.Ю. Влияние влажности строительных материалов на точность расчетов прогрева конструкций при оценках их огнестойкости // Системотехника строительства. Киберфизические строительные системы : сб. мат. семинара, в рамках VI Межд. науч. конф. Москва, 14–16 ноября 2018 г. М. : МГСУ, 2018. C. 207–212.

26. Strakhov V.L., Garashchenko A.N., Kuznetsov G.V., Rudzinskii V.P. High-temperature heat and mass transfer in a layer of moisture-containing fireproof material // High Temperature. 2000. Vol. 38. Issue 6. Pp. 921–925. DOI: 10.1023/a:1004149625276

27. Гаращенко А.Н., Страхов В.Л., Рудзинский В.П., Казиев М.М. Расчет огнезащиты из материалов на основе минеральных вяжущих (на примере покрытия СОТЕРМ-1 м) // Пожаровзрывобезопасность/ Fire and Explosion Safety. 2005. Т. 14. № 4. С. 17–22. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=12601838

28. Страхов В.Л., Мельников А.С., Каледин В.О. Математическое моделирование высокотемпературного тепломассопереноса в бетонных конструкциях // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2009. Т. 18. № 6. С. 29–36. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=12837161