CC BY
14
ПОЖАРНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ (ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ) FIRE AND INDUSTRIAL SAFETY (TECHNICAL)
УДК 614.841.45
СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ИССЛЕДОВАНИЮ УТРАТЫ ОГНЕСТОЙКОСТИ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Р. А. ДАНИЛОВ
Академия Государственной противопожарной службы МЧС России, Российская Федерация, г. Москва Е-mail: ruslikdanilov@gmail.com
В данной статье проанализирован существующий в настоящее время подход к проектированию и оценке пределов огнестойкости железобетонных конструкций (ЖБК). Установлено, что он вступает в очевидное противоречие с условиями жизненного цикла строительных элементов, так как в процессе эксплуатации железобетонные конструкции (ЖБК) подвергаются воздействию коррозии, износа, биологических организмов, что становится причиной появления и накопления множества дефектов, а как следствие, постепенной утраты эксплуатационных характеристик конструкций, что, в свою очередь, неизбежно отражается на снижении ожидаемых пределов огнестойкости конструкций. Установлено, что текущая концепция, рассматривающая утрату огнестойкости ЖБК через призму категорий технического состояния конструкций, имеет недостатки, так как привязана только к несущей способности железобетонных конструкций. В то же время многочисленные результаты исследований огнестойкости эксплуатируемых железобетонных конструкций, в частности полученные за рубежом, бессистемны, носят инженерный характер и не имеют теоретического осмысления. Учитывая разнообразие воздействующих в процессе эксплуатации на ЖБК факторов, а также их комбинаций, принимая во внимание, что категория технического состояния отобразить эти вариации не в состоянии, предлагается дифференцированное изучение влияния на огнестойкость каждого из рассмотренных факторов в рамках существующей концепции коэффициента утраты огнестойкости.
Ключевые слова: огнестойкость, износ, коррозия, коэффициент утраты огнестойкости, железобетонные конструкции, условия и длительность эксплуатации
C URRENT APPROACHES TO STUDYING THE LOSS OF FIRE RESISTANCE OF OPERATING REINFORCED CONCRETE STRUCTURES
R. A. DANILOV
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Russian Federation, Moscow Е-mail: ruslikdanilov@gmail.com
This article analyzes the current approach to the design and assessment of the fire resistance of reinforced concrete structures (RC). It has been established that it comes into obvious conflict with the conditions of the life cycle of building elements, since in the process of operation, reinforced concrete structures (RCS) are exposed to corrosion, wear, biological organisms, which causes the appearance and accumulation of many defects, and as a result, the progressive loss of operational characteristics of structures, which, in turn, inevitably affects the reduction in the expected fire resistance limits of structures. It has been established that the current concept, which considers the loss of fire resistance of reinforced concrete structures through the prism of the categories of the technical condition of structures, has drawbacks, since it is strictly tied to the load bearing capacity of reinforced concrete structures. At the same time, numerous results of studies of the fire resistance of operated reinforced concrete structures obtained abroad are unsystematic, are of an engineering nature and have no theoretical understanding. Considering the variety of factors affecting the RC during operation, as well as their combinations, considering that the category of technical condi-
© Данилов Р. А., 2022
tion is not able to reflect these variations, a differentiated study of the effect on fire resistance of each of the considered factors as a part of conception of coefficient of loss of fire resistance is proposed.
Key words: fire resistance, wear, corrosion, structures, conditions and duration of operation
Введение
Выдающиеся эксплуатационные характеристики, такие как дешевизна, долговечность, способность воспринимать высокие статические и динамические нагрузки, высокая стойкость к воздействиям окружающей среды, невосприимчивость к горению позволили железобетону стать главным строительным материалом современности и прочно закрепиться в общественном сознании как «вечный» и универсальный материал, пригодный как для строительства любых объектов, так и защиты конструкций из других материалов от внешних воздействий и пожаров на длительных промежутках времени. Однако на практике дело обстоит несколько иначе.
Недостатки текущего подхода к проектированию и оценке пределов огнестойкости железобетонных конструкций
Пожары остаются одной из главных угроз для зданий даже в 21 веке. Как известно, для определения способности строительных конструкций сохранять свои несущие и ограждающие функции в условиях пожара, существует понятие «огнестойкость строительных конструкций»1. Она характеризуется пределами огнестойкости - промежутками времени от начала огневого воздействия в условиях стандартных испытаний до наступления одного из нормированных для данной конструкции предельных состояний по огнестойкости (п. 31 Ст. 22). В принятой в настоящее время нормативной базе в области пожарной безопасности3,4 считается, что необходимые параметры
1
СП 2.13130.2020. Системы противопожарной защиты. Обеспечение огнестойкости объектов защиты. Введ. 2020-03-12. М.: Стандартин-форм, 2020.
2 Технический регламент о требованиях пожарной безопасности (с изменениями от 30 апреля 2021 года, внесенных Федеральным законом № 117-Ф3): Федеральный закон от 22 июля 2008 г. № 123-ФЗ // Собрание законодательства Российской Федерации. 2008. № 30, (28 июля). Ст. 3579.
3 СП 468.1325800.2019. Бетонные и железобетонные конструкции. Правила обеспечения огнестойкости и огнесохранности. Введ. 201912-10. М.: Стандартинформ, 2020.
4 СТО 36554501-006-2006 Правила по обеспечению огнестойкости и огнесохранности желе-
coefficient of loss of fire resistance, reinforced concrete
конструкций для обеспечения их требуемой огнестойкости закладываются на этапе проектирования объекта и могут быть пересмотрены при его переоснащении или реставрации. При возникновении пожара такие конструкции рассматриваются как новые, без учета появления дефектов и проявлений износа в процессе эксплуатации. Однако, как будет показано в дальнейшем, такой подход вступает в очевидное противоречие с условиями жизненного цикла строительных элементов, так как в процессе эксплуатации железобетонные конструкции (ЖБК) подвергаются воздействию множества факторов, которые приводят к постепенному снижению их эксплуатационных характеристик, что, в свою очередь, неизбежно отражается на снижении ожидаемых пределов огнестойкости конструкций.
Разрушение компонентов бетона и их химические превращения, возникновение трещин в защитном слое, появление продуктов коррозии армирования в результате взаимодействия железобетонных конструкций и агрессивной среды, приводят к появлению дополнительных напряжений в сечении конструкций. Вместе со снижением эксплуатационных характеристик, это способствует деградации возможностей конструкций сопротивляться воздействию пожара, что выражается в снижении пределов их огнестойкости. Отсюда вытекает угроза преждевременного обрушения железобетонных конструкций при пожаре, а учитывая массовость их применения, существует опасность гибели как обычных людей, так и пожарных. Резонансный пожар, произошедший 22 сентября 2016 года в Москве, в котором, в результате обрушения железобетонной крыши склада 1965 года постройки, погибло 8 пожарных, является ярчайшим примером. И как показывает практика, это далеко не единичный случай. Таким образом, возникает объективная необходимость создания способов по учету эксплуатационных воздействий на ЖБК, что необходимо не только при текущей оценке огнестойкости ЖБК, но и для прогнозирования изменений пределов огнестойкости во времени, а также создания моделей. При этом, в настоящее время существует большое количество исследований, посвященных разным аспектам этой проблемы. Исходя из этого, це-
зобетонных конструкций. Введ. 2006-10-20. М.: ФГУП ЦПП, 2006.
лью статьи является анализ существующих подходов к учёту времени и условий эксплуатации на пределы огнестойкости железобетонных конструкций, а также выработка на их основе единого универсального подхода.
Влияние условий эксплуатации на железобетонные конструкции
Прежде всего необходимо выделить основные процессы, с которыми сталкиваются железобетонные конструкции при эксплуатации, для лучшего понимания природы и поражающего воздействия этих факторов. Они могут иметь как естественное (климат, влажность, микроорганизмы и др.) так и искусственное происхождение (нагрузки, технологический процесс и др.). Результатом таких воздействий является появление и накопление множества дефектов и повреждений. Всего в железобетонных конструкциях их выделяют 16 видов5. Они сводятся к возникновению трещин, сколов бетона, повреждению, выпучиванию, разрыву армирования, отслоению защитного слоя бетона, снижению прочности бетона, недопустимым деформациям конструкций. В целом, по своей природе можно выделить три большие группы факторов, воздействующих на ЖБК в процессе эксплуатации. Это коррозия железобетона, физический износ железобетонных конструкций и воздействие биологических организмов. Все они находятся в тесной взаимосвязи и могут выступать причиной, катализатором или следствием воздействия друг друга.
Так, например, возникающие вследствие физического износа трещины становятся каналами для проникновения агрессивной среды или биологических организмов. Или коррозия способствует разрыхлению бетона и его ускоренному вымыванию осадками. С точки зрения определения пределов огнестойкости железобетонных конструкций эти группы факторов различным образом воздействуют на тепло-физические (табл. 1) и прочностные параметры ЖБК (табл. 2). Отметим, что повреждения бетона и армирования тесно взаимосвязаны и практически не встречаются по отдельности.
Главным образом изменение эксплуатационных параметров ЖБК сказывается на их несущей способности. Для обозначения эксплуатационной пригодности ЖБК, определяемой в зависимости от доли снижения несущей способности и характеристик конструкции, вводится понятие категорий технического со-стояния6. Подробные количественные и качественные критерии отнесения конструкций к той или иной категории, в зависимости от коррозии арматуры, снижения толщины защитного слоя, прочности бетона, образования трещин, а также их связь с уменьшением несущей способности, представлены в соответствующих методиках, пособиях и рекомендациях7, 9. Воздействие различных факторов на те или иные параметры конструкций объясняется их природой.
Таблица 1. Воздействие эксплуатационных групп факторов на теплофизические параметры железобетона
Группа факторов Изменение^^^^^^ эксплуатационных^^^^^^^^^ параметров ЖБК ^^^^^^^ Коррозия железобетона Износ железобетона Воздействие биологических организмов
Изменение теплопроводности и теплоемкости бетона + +
Перераспределение температурных полей по сечению конструкции + + +
Усиление прогрева армирования при пожаре + + +
5 ГОСТ 31937-2011. Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния. Введ. 2014-01-01. М.: Стандартинформ, 2014.
6 СП 13-102-2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений. Введ. 2003-08-21. М.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 2004.
7 МДС 13-20.2004. Комплексная методика по обследованию и энергоаудиту реконструируемых зданий. Пособие по проектированию. Введ. 2004-01-01. М.: ОАО «ЦНИИПромзданий», ФГУП ЦПП, 2004.
8 Пособие по обследованию строительных конструкций. М.: «ЦНИИПромзданий», 2004.
9 Рекомендации по оценке надежности строительных конструкций зданий и сооружений по внешним признакам. М.: ЦНИИПромзданий, 2001. 101 с.
Таблица 2. Воздействие эксплуатационных групп факторов на прочностные параметры ЖБК
Группа факторов Изменение^^^^^^ эксплуатационных^^^^^^^^ параметров ЖБК ^^^^^^ Коррозия железобетона Износ железобетона Воздействие биологических организмов
Изменение прочности бетона + +
Изменение геометрических размеров сечения + + +
Отслоение защитного слоя + + +
Появление недопустимых деформаций конструкций +
Снижение несущей способности армирования из-за уменьшения толщины арматурных стержней + +
Возникновение разрывов армирования + + +
Потеря сцепления между армированием и бетоном + + +
Возникновение трещин и сколов в бетоне + + +
Коррозия бетона и железобетона
В процессе эксплуатации железобетонные конструкции неминуемо подвергаются воздействию среды. Главным образом, оно предполагает возникновение коррозии - самопроизвольного разрушения вследствие физико-химической реакции между веществами среды и химическими соединениями, находящимися в составе бетона и железобетона. Такое воздействие распределено во времени и может занимать десятки лет или даже столетия. Результатом коррозии железобетона является разрушение бетона и коррозия армирования. В существующем в настоящее время нормативном подходе среды, в которых эксплуатируются ЖБК, классифицируются на неагрессивные, слабоагрессивные, среднеагрес-сивные или сильноагрессивные10. В то же время, они могут быть твердыми, жидкими и газообразными. Наиболее опасным для ЖБК является воздействие кислых сред [1]. Основную уязвимость представляет находящийся в цементном клинкере гидроксид кальция, претерпевающий в результате взаимодействия с другими веществами необратимые изменения, которые сопровождаются постепенным разрушением этого соединения. По мере снижения концентрации гидроксида кальция, происходит разрушение гидроалюминатов и гидросиликатов, также входящих в состав бетона, что приводит к потере бетоном своих физических и химических свойств [1]. Защитный слой бетона в ЖБК разрушается, а из-за капиллярно-
10 ГОСТ 31384-2017 Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Общие технические требования. Введ. 2017-10-05. М.: Стандартинформ, 2018.
пористой структуры материала и существующего в нем диффузионного переноса, происходит проникновение агрессивной среды во все более глубокие слои сечения конструкции. Параллельно, из-за разрушения гидроксида кальция, бетон, обладающий изначально щелочными свойствами, теряет свою кислотность, что выражается в снижении водородного показателя - pH. В результате этого наблюдается деградация пассивирующей (защищающей) способности бетона, предохраняющей армирование от коррозии. Возникающее как следствие интенсивное электрохимическое взаимодействие металла армирования со средой, приводит к разрушению арматурных стержней, что становится причиной постепенного снижения несущей способности конструкций и создаёт угрозу их преждевременного обрушения. Наиболее распространенным коррозионным воздействием, вызывающим подобные процессы, является карбонизация бетона - химическая реакция между гидроксидом кальция цементного камня и углекислым газом воздуха или углекислотой [2]. Следует отметить, что при взаимодействии с любыми кислотами процесс разрушения материала может происходить крайне быстро, что может стать причиной обрушения зданий менее чем за пять лет после начала эксплуатации [1].
Научно-техническая революция привела к увеличению концентраций опасных веществ в атмосфере, особенно в сельскохозяйственных и производственных районах. Прогресс науки и техники способствует применению все более агрессивных по отношению к железобетону веществ. В результате автоматизации производства, санитарные нормы становятся более лояльными по предельным кон-
центрациям пыли, кислот, щелочей, газов. На электрохимических производствах большую опасность представляют находящиеся там растворы электролитов, а также возникающие в конструкциях блуждающие токи. В береговых и морских сооружениях влияние на ЖБК оказывают соли, содержащиеся как в морской воде, так и в воздухе [1]. Использование углеводородов в качестве топлива повышает содержание углекислого газа в атмосфере. Таким образом, происходит неуклонное возрастание опасности раннего выхода из строя эксплуатируемых железобетонных конструкций.
Учитывая широкую номенклатуру сред и воздействий, оказывающих влияние на ЖБК, можно говорить о том, что абсолютное большинство эксплуатируемых объектов строительства находится в так или иначе агрессивной среде.
Выделяются три типа коррозии бетонных и железобетонных конструкций [1]:
1) Коррозия первого вида (выщелачивание бетона - растворение и вынос соединений, определяющих прочность кристаллизационных контактов в цементном камне), представляющая наибольшую опасность для морских и тонкостенных сооружений;
2) Коррозия второго вида (химическое взаимодействие - обменные реакции цементного камня с агрессивным раствором, вызывающие разрушение материала), актуальная для всех конструкций;
3) Коррозия третьего вида (кристаллизация солей в порах, кавернах, трещинах с последующим отслоением или разрушением защитного слоя бетона).
В естественных условиях эксплуатации обычно происходит одновременное воздействие нескольких видов коррозии, с преобладанием одного из них. Для каждого вида коррозии устанавливаются свои способы борьбы с ней для обеспечения необходимой долговечности конструкций. При этом природные условия, такие как температура, влажность, циклы замораживания и оттаивания и т.д., способствуют или усилению коррозии, как например в случае ускорения разрушения морских сооружений из-за увлажнения и высушивания конструкций, или её замедлению, как например остановка карбонизации бетона при низких температурах [2].
С точки зрения утраты огнестойкости ЖБК, коррозия железобетона приводит к изменению прочности бетона, его теплопроводности и теплоемкости из-за разрушения старых и образования новых химических соединений. Постепенное разрушение бетона становится причиной появления многочисленных трещин и сколов, которые изначально способствуют перераспределению тепловых полей внутри се-
чений конструкции, что ускоряет прогрев армирования, а затем и к отслоению защитного слоя. Параллельно происходит уменьшение сечения арматурных стержней из-за коррозии металла, что может приводить к их разрыву, способствует уменьшению их несущей способности. Продукты коррозии имеют больший объем, чем изначальный металл [4], приводя к возникновению напряжений в бетоне. Конечным их итогом является утрата сцепления между армированием и бетоном, появление трещин и сколов, а также отслоение защитного слоя. Таким образом, коррозия железобетона оказывает существенное влияние на утрату огнестойкости ЖБК.
Физический износ железобетонных конструкций
Помимо непосредственно химического коррозионного взаимодействия со средой, железобетонные конструкции подвержены воздействию физических факторов. Основными видами повреждений в таком случае являются возникновение трещин, сколов бетона, выпучивание армирования, разрушение защитного слоя, появление недопустимых деформаций конструкций. Они могут образовываться вследствие воздействия кратковременной, длительной, постоянных нагрузок1 . Специфичными воздействиями являются взрывы, удары, землетрясения, наряду с износом в различных сочетаниях и последовательностях, предшествующих пожару [5]. Важно выделить и воздействие природно-климатических условий. Существенное влияние на состояние железобетонных конструкций оказывают циклы замораживания-оттаивания, осадки, температуры, которые приводят к повреждению внутренней структуры бетона. Сюда же можно отнести и ветровую эрозию, действие грунтовых вод. Разнообразие климатических зон на территории России способствует возникновению различных комбинаций физических факторов, которые могут приводить к быстрому разрушению железобетонных конструкций.
Отдельно можно выделить нарушение температурно-влажностного режима в помещениях, недостаточную проработку систем отвода грунтовых вод, осадков, пренебрежение ветровыми нагрузками, сезонными циклами изменения температур. Эти и многие другие факторы приводят к увеличению возникающих напряжений различного рода, вызывающих появление трещин и сколов, тем самым
11 СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85* (с Изменениями № 1, 2, 3). Введ. 2016-12-03. М.: ФГУП ЦПП, 2016.
способствуя как снижению эксплуатационных прочностных и теплофизических характеристик ЖБК, так и повышению их уязвимости перед коррозионными воздействиями.
Воздействие биологических организмов на железобетон
Крайне специфичным воздействием, вызывающим повреждения железобетонных конструкций, является действие различных биологических организмов, таких как мхи, грибки, бактерии. Они проникают во внутреннюю структуру материала, что приводит к возникновению напряжений вследствие физико-химических реакций и физического воздействия. Следствием этого являются трещины, сколы бетона. Выделяющиеся в результате обменных процессов химические вещества также вступают в реакцию с компонентами цементного камня. В результате происходит, аналогично коррозионным процессам в железобетоне, образование новых химических соединений, разрушающих внутреннюю структуру бетона и приводящих к коррозии армирования. Наиболее частой причиной появления биологических организмов являются нарушения температурно-влажностного режима в помещениях, а также отсутствие должного обслуживания зданий.
Важно отметить, что жизнедеятельность организмов может вызывать некоторое повышение характеристик железобетонных конструкций, таких как плотность бетона, уменьшение ширины раскрытия и количества трещин из-за выделения малорастворимых продуктов химических реакций (кольматация бетона) с одновременным замедлением или полным прекращением коррозионных процессов по сечению бетона. Такое свойство может использоваться в том числе и в целях восстановления и ремонта железобетонных конструкций [6].
Существующие подходы к исследованию утраты огнестойкости эксплуатируемых железобетонных конструкций
Исследованию коррозионной стойкости бетонных и железобетонных конструкций посвящено большое количество работ, выполненных как в России, например [1, 3], так и за рубежом [4, 7]. Однако проблема объединения коррозионных процессов и огнестойкости в единую систему на данный момент не разрешена. Имеющиеся публикации по теме часто носят или бессистемный, или поверхностный, или прикладной характер. Наиболее проработанным на данный момент является направление, предложенное профессором Ройтманом В.М. Для учета обозначенных факторов, в работах [8, 9] профессор Ройтман В. М., в рамках
концепции комплексной безопасности строительства [10], под которой понимают совокупность мер, направленных на защиту зданий от комбинированных особых воздействий (CHE), предложил ввести понятия проектного предела огнестойкости конструкции (до начала эксплуатации), эксплуатационного предела огнестойкости (в зависимости от технического состояния в процессе эксплуатации) и коэффициента утраты огнестойкости эксплуатируемой конструкции - отношения эксплуатационного предела огнестойкости к её проектному значению.
_экспл
Г = f'r ^f.r проект'
Tf,r
где Т°р°ект - проектный предел огнестойкости;
- эксплуатационный предел огнестойкости конструкции.
Изменяясь в пределах от 1,0 (состояние новой конструкции) до 0 (в случае полного износа) данный коэффициент позволяет определить фактические пределы огнестойкости ЖБК на любом этапе эксплуатации.
В Академии ГПС МЧС России в ходе многолетних исследований с использованием расчетных методов и компьютерного моделирования была подтверждена гипотеза о том, что значения коэффициента утраты огнестойкости железобетонных конструкций несущественно зависят от вида конструкции, характеристик бетона, их геометрических параметров, а существенно - от категории технического состояния [11, 12].
В настоящее время данный подход построен на понятии «категория технического состояния». В нем игнорируются воздействующие на ЖБК факторы, рассматриваются лишь типовые повреждения, а критерием утраты огнестойкости является снижение несущей способности конструкций. Принимая во внимание разнообразие воздействий на ЖБК в процессе эксплуатции, а также огромную вариативность их комбинаций, можно заключить, что они будут оказывать влияние как на прочностные, так и на теплофизические параметры бетона и армирования по-разному. При этом одна лишь несущая способность отобразить эти вариации не в состоянии. Поэтому в текущем виде данный подход малоприменим для прогнозирования и создания моделей утраты огнестойкости ЖБК во времени, особенно в условиях сильноагрессивных сред. Главным образом он используется при оценке пределов огне-
стойкости ЖБК после проведения технической экспертизы каких-либо объектов. Следует отметить и отсутствие полноценного экспериментального подтверждения полученных результатов, которое также ограничивает сферу их применения. Однако сама концепция такого параметра, как «коэффициент утраты огнестойкости» достаточно удобна ввиду своей системности и простоты. Отталкиваясь от категорий технического состояния, становится возможным дифференцированное изучения коэффициента утраты огнестойкости через воздействующие на ЖБК факторы.
С другой стороны, в зарубежных странах существенное развитие получил подход, в котором рассматривается влияние каких-либо отдельных факторов на пределы огнестойкости железобетонных конструкций. Главным преимуществом этих работ является богатство эмпирических данных. Разработаны методики по проведению ускоренной коррозии, симулирующих воздействие той или иной агрессивной среды, как например в работе [13]. В результате многочисленных экспериментов получены зависимости влияния определенных повреждений на огнестойкость. Они установлены, например, для трещин [14], коррозии металла армирования [15], а также для сцепления армирования с бетоном [16]. Особый интерес представляют некоторые предложения, касательно учета воздействия повреждений на эксплуатационные характеристики железобетона. Так, например, в работе [17] предлагается учитывать трещины в бетоне через снижение его прочности на сжатие, а в работе [18] через уменьшение сечения ЖБК. Большое количество полученных экспериментальных данных по вопросу воздействия коррозии металла армирования на утрату огнестойкости ЖБК на текущем этапе способствует пониманию природы процесса. Основным выводом является тот факт, что возникающие напряжения в бетоне, связанные с образованием продуктов коррозии армирования, занимающих больший объем, нежели некорродированный металл, приводят к возникновению трещин и сколов различной глубины. Разрушение арматурных стержней приводит также к потере сцепления армирования и бетона. Трещины способствуют перераспределению тепловых полей по сечению железобетонного элемента при пожаре, ускоряя прогрев арматуры. Наиболее сильно это заметно для растянутых конструкций. В сжатых зонах влияние трещин на скорость прогрева арматуры практически незаметно. При увеличении ширины раскрытия трещин, которая прямо зависит от уровня коррозии, прогрев арматуры ускоряется. При интенсивном температурном воздействии постепенно увеличиваются прогибы конструкций, которые, дости-
гая критических значений, приводят к обрушению. Тем самым из-за коррозии и, как следствие, более интенсивного прогрева арматуры, быстрее наступает момент достижения критического прогиба ЖБК, что приводит к их преждевременному обрушению при пожаре [19]. Также отмечается значительное снижение силы сцепления между армированием и бетоном при высоких температурах. Совместная работа этих материалов в ЖБК необходима для восприятия приложенных нагрузок. При потере сцепления происходит уменьшение значения предельных деформаций, что также способствует преждевременному обрушению железобетонных элементов при пожаре. Необходимо отметить, что при малых значениях коррозии армирования, трещины в бетоне не образуются, а сцепление между бетоном и стальными стержнями увеличивается из-за уплотнения контакта вследствие образования продуктов окисления металла. В целом, известны и отдельные зависимости. Так, например, в [19] установлено, что в железобетонных балках при повышении уровня коррозии арматурных стержней (DOC - degree of corrosion), под которым понимают отношение остаточной массы прокорродировавшей арматуры к её изначальной массе, происходит снижение огнестойкости ЖБК. Выведена зависимость вида:
Процент снижения огнестойкости (%) = =100-2,4DOC(%).
При этом уже при DOC = 0,05 (5 %) происходит потеря более чем 50 % силы сцепления [19].
Анализируя многочисленные источники, можно говорить о том, что багаж полученных данных позволяет установить основные закономерности утраты огнестойкости ЖБК. Например, в работе [20] приведены результаты исследований влияния трещин бетона и коррозии армирования на огнестойкость железобетонных конструкций. Существуют также работы, в которых представлены результаты по исследованию огнестойкости железобетонных конструкций при пожаре, произошедшем после землетрясения [21], а также при одновременном воздействии на конструкции взрыва и пожара [18]. В работах [22, 23] представлены результаты исследований теплотехнических параметров определенных марок бетонов при воздействии пожара, а работа [24] посвящена влиянию на эти параметры климатических условий. Также существуют исследования, посвященные изучению прочностных свойств определенных марок бетона при коррозионных процессах [25]. Но тем не менее, научная ценность полученных результатов не может быть реализована в полной мере. При-
чиной этого является привязанность исследований к определенным факторам, часто без какого-либо теоретического осмысления. Это лишает результаты исследований гибкости и жестко привязывает их к конкретным условиям или типам повреждений, а также не позволяет объединить многочисленные данные в единую систему. Известно, например, что определенная степень коррозии металла приводит к снижению пределов огнестойкости. Или что определенная глубина трещин сокращает время сопротивления ЖБК пожару. Однако реальные условия эксплуатации вызывают целый спектр различных повреждений и носят комплексный характер. Пытаясь привязать полученные экспериментальные данные к ним, точность полученных моделей утраты огнестойкости ЖБК будет низкой.
Таким образом, в настоящее время, с одной стороны, существует системный подход, связанный с коэффициентом утраты огнестойкости, но не имеющий достаточного экспериментального подтверждения, а также не реализующий дифференцированное изучение факторов, воздействующих на жбк в процессе эксплуатации, а с другой - многочисленные эмпирические данные по воздействию определенных условий или повреждений на утрату огнестойкости ЖБК. Следовательно, напрашивается объединение этих двух течений в рамках единого подхода. При этом основой станет именно коэффициент утраты огнестойкости. Его дифференциация, в том числе и с помощью полученных экспериментальных зависимостей, в перспективе делает применимой данную концепцию для любых условий эксплуатации и возможных повреждений ЖБК.
Выводы
Таким образом, в процессе эксплуатации железобетонные конструкции подвергаются воздействию агрессивных сред, приводящих к возникновению коррозии бетона и железобетона, различным физическим воздействиям,
вызывающим появление износа ЖБК, а также становятся объектом жизнедеятельности различных биологических организмов. Эти факторы способствуют появлению и накоплению множества дефектов, ухудшению эксплуатационных характеристик конструкций, а, как следствие, и снижению пределов их огнестойкости. При этом, в существующей в настоящее время нормативной базе, данный момент не имеет отражения, что делает её непригодной для определения пределов огнестойкости эксплуатируемых железобетонных конструкций. Решение данной проблемы предлагается осуществить через предложенный профессором Ройтманом В.М. коэффициент утраты огнестойкости ( В результате проведенных исследований подтверждено, что он несущественно зависит от типа ЖБК, их геометрических параметров и характеристик бетона. Основное значение приобретает техническое состояние конструкций.
Учитывая разнообразие воздействующих в процессе эксплуатции на ЖБК факторов, а также их комбинаций, принимая во внимание, что привязанная только к несущей способности категория технического состояния отобразить эти вариации не в состоянии, предлагается дифференцированное изучение влияния на огнестойкость каждого из рассмотренных факторов в рамках концепции коэффициента утраты огнестойкости железобетонных конструкций.
Это необходимо для объединения в систему многочисленных результатов исследований, посвященных огнестойкости эксплуатируемых ЖБК, их коррозии и износу. Решение этой задачи позволит использовать коэффициент утраты огнестойкости для исследования поведения железобетонных конструкций при любых комбинациях воздействующих факторов на любом этапе жизненного цикла конструкций.
Список литературы
1. Коррозия бетона и железобетона. Методы их защиты / В. М. Москвин, Ф. М. Иванов, С. Н. Алексеев [и др.]. М.: Стройиздат, 1980. 536 с.
2. Васильев А. А. Оценка и прогнозирование технического состояния железобетонных конструкций с учетом карбонизации бетона: монография. Гомель: БелГУТ, 2019. 215 с.
3. Алексеев С. Н., Розенталь С. К. Коррозионная стойкость железобетонных конструкций в агрессивной промышленной среде. М.: Стройиздат, 1976. 205 с.
4. Broomfield J. P. Corrosion of steel in concrete: understanding, investigation and repair. London: CRC Press, 2003, 296 p.
5. Ройтман В. М., Приступюк Д. Н. Особенности оценки стойкости зданий и сооружений из железобетонных конструкций при комбинированных особых воздействиях с участием пожара // Пожаровзрывобезопасность. 2010. Т. 19. № 7. С. 29-38.
6. Ерофеев В. Т., Аль Д. С., Смирнов В. Ф. Бактерии для получения самовосстанавливающихся бетонов // Транспортные сооружения. 2018. Т. 5. № 4.
7. Bohni H. (ed.). Corrosion in reinforced concrete structures. Cambridge: Woodhead Publishing Limited, 2005, 247 p.
8. Ройтман В. М. Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируемых зданий. М.: Ассоциация «Пожарная безопасность и наука», 2001. Т. 7. 382 с.
9. Ройтман В. М., Серков Б. Б., При-ступюк Д. Н. Направления развития теории огнестойкости конструкций, зданий и сооружений с учетом комбинированных особых воздействий с участием пожара // XXIX Международная научно-практическая конференция, посвященная 80-летию ФГБУ ВНИИПО МЧС России: материалы конференции. Балашиха: ФГБУ ВНИИПО МЧС России, 2017. С. 42-45.
10. Теличенко В. И., Ройтман В. М. Обеспечение стойкости зданий и сооружений при комбинированных особых воздействиях с участием пожара - базовый элемент системы комплексной безопасности // Предотвращение аварий зданий и сооружений: сб. науч. тр. М.: Российская академия архитектуры и строительных наук. 2010. № 9. С. 15-29.
11. Ройтман В. М., Приступюк Д. Н., Фёдоров В. Ю. Метод оценки пределов огнестойкости железобетонных конструкций, с учетом их технического состояния в условиях эксплуатации // Ройтмановские чтения: сборник материалов VII научно-практической конференции. М.: Академия Государственной противопожарной службы МЧС России. 2019. С. 3438.
12. Федоров В. Ю. Огнестойкость железобетонных балок в зависимости от изменения их несущей способности в условиях эксплуатации // Современные проблемы гражданской защиты. 2019. № 1 (30). С. 30-35.
13. Sobhan, K., Reddy, D.V. and Martinez, F. Fire resistance of corroded high-strength structural concrete. Journal of Structural Fire Engineering, 2021. Part. 12, vol. 1, pp. 17-34.
14. Pena D. L. et al. Influence of spalling on the biaxial bending resistance of reinforced concrete columns exposed to fire. Proceedings of the 11th International Conference on Structures in Fire (SiF2020), 2020, pp. 204-212.
15. Ba G. et al. Bond strength of corroded reinforcements in concrete after high-temperature exposure. Construction and Building Materials, 2021, vol. 270, 121400.
16. Banoth I., Agarwal A. Bond behavior between reinforcing steel bars and concrete at elevated temperatures. Proceedings of the 11th International Conference on Structures in Fire (SiF2020), 2020, pp. 222-230.
17. Kodur V. Properties of concrete at elevated temperatures. International Scholarly Research Notices, 2014, vol. 2014.
18. Васильченко А. В., Ковалевская Т. М., Стельмах О. А. Оценка огнестойкости железобетонной ребристой плиты при комбинированном воздействии «взрыв-пожар». // Проблемы пожарной безопасности. 2018. № 44 (23). С. 7-14.
19. Ba G. et al. Influence of reinforcement corrosion on fire performance of reinforced concrete beams. Construction and Building Materials, 2019, vol. 213, pp. 738-747.
20. Tariq F., Bhargava P. Flexural behaviour of corroded RC beams exposed to fire. Structures. Elsevier, 2021, vol. 33, pp. 13661375.
21. Chinthapalli H. K., Agarwal A. Post-earthquake fire assessment of reinforced concrete columns. Proceedings of the 11th International Conference on Structures in Fire (SiF2020), 2020, pp. 230-242.
22. Прочностные и теплофизические свойства бетона с полипропиленовой фиброй в условиях температурного режима стандартного пожара / В. И. Голованов [и др.] // Пожа-ровзрывобезопасность. 2017. Т. 26. №. 5. С. 37-44.
23. Нуянзин В. М., Беликов А. С. Исследование теплофизических свойств бетонных образцов искуственно состаренных в климатических камерах // Вюник Придшпровсько'Т державно! академи будiвництва та арх^ектури. 2010. № 8 (149). С. 44-50.
24. Мануйлов В. В. Воздействие метеорологических условий на пожарную безопасность железобетонных конструкций // Молодой исследователь Дона. 2018. № 5 (14). С. 83-93.
25. Оценка критической конструктивной прочности бетона, подверженного коррозии / Д. Р. Маилян [и др.]. // Новые технологии. 2012. № 4. С. 82-87.
References
1. Korroziya betona i zhelezobetona. Metody ih zashchity [Corrosion of concrete and reinforced concrete. Methods of protection] / V. M. Moskvin, F. M. Ivanov, S. N. Alekseev [et al.]. M.: Strojizdat, 1980, 536 p.
2. Vasil'ev A. A. Ocenka i prognoziro-vanie tekhnicheskogo sostoyaniya zhelezobet-onnyh konstrukcij s uchetom karbonizacii betona [Assessment and prediction of the technical condition of reinforced concrete structures, considering the carbonization of concrete]. Gomel: BelGUT, 2019, 215 p.
3. Alekseev S. N., Rozental N. K. Korozionnaya stoikost zhelezobetonnyh kon-struktsiy v agressivnoy promyshlennoy srede [Corrosion resistance of reinforced concrete struc-
tures in an aggressive industrial environment]. M.: Stroyizdat, 1976, 205 p.
4. Broomfield J. P. Corrosion of steel in concrete: understanding, investigation and repair. London: CRC Press, 2003, 296 p.
5. Rojtman V. M., Pristupyuk D. N. Oso-bennosti ocenki stojkosti zdanij i sooruzhenij iz zhelezobetonnyh konstrukcij pri kombinirovannyh osobyh vozdejstviyah s uchastiem pozhara [Features of assessing the stability of buildings and structures made of reinforced concrete structures under combined hazardous effects with the participation of fire]. Pozharovzryvobezopasnost, 2010, vol. 19, issue 7, pp. 29-38.
6. Erofeev V. T., Al' D. S., Smirnov V. F. Bakterii dlya polucheniya samovosstanavlivay-ushchihsya betonov [Bacteria to produce self-healing concretes]. Transportnye sooruzheniya, 2018, vol. 5, issue 4.
7. Bohni H. (ed.). Corrosion in reinforced concrete structures. Cambridge: Woodhead Publishing Limited, 2005, 247 p.
8. Rojtman V. M. Inzhenernye resheniya po ocenke ognestojkosti proektiruemyh i rekon-struiruemyh zdanij [Engineering solutions for the assessment of fire resistance of designed and reconstructed buildings]. M.: Associaciya «Pozharnaya bezopasnost' i nauka», 2001, vol. 7, 382 p.
9. Rojtman V. M., Serkov B. B., Pristupyuk D. N. Napravleniya razvitiya teorii ognestojkosti konstrukcij, zdanij i sooruzhenij s uchetom kombinirovannyh osobyh vozdejstvij s uchastiem pozhara [Directions for the development of the theory of fire resistance of structures, buildings and structures, considering combined hazardous effects with the participation of a fire]. XXIX Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferenciya, posvyashchennaya 80-letiyu FGBU VNIIPO MCHS Rossii: materialy konferentsii. Balashikha: FGBU VNIIPO MCHS Rossii, 2017, pp. 42-45.
10.Telichenko V. I., Rojtman V. M. Obespechenie stojkosti zdanij i sooruzhenij pri kombinirovannyh osobyh vozdejstviyah s uchastiem pozhara-bazovyj element sistemy kom-pleksnoj bezopasnosti [Ensuring the stability of buildings and structures under combined hazardous effects involving fire is the basic element of the integrated security system]. Predotvrash-chenie avarij zdanij i sooruzhenij: sb. nauch. tr. M.: Rossiyskaya akademiya arkhitektury i stroitel'nykh nauk, 2010, vol. 9, pp. 15-29.
11. Rojtman V. M., Pristupyuk D. N., Fyodorov V. Yu. Metod ocenki predelov ognestojkosti zhelezobetonnyh konstrukcij, s uchetom ih tekhnicheskogo sostoyaniya v uslovi-yah ekspluatacii [Method for evaluating the fire resistance limits of reinforced concrete structures, considering their technical condition in operating
conditions]. Rojtmanovskie chteniya: sbornik ma-terialov VII nauchno-prakticheskoj konferencii. M.: Akademiya Gosudarstvennoy protivopozhar-noy sluzhby MCHS Rossii, 2019, pp. 34-38.
12. Fedorov V. Yu. Ognestojkost' zhelezobetonnyh balok v zavisimosti ot izmeneniya ih nesushchej sposobnosti v usloviyah ekspluatacii [Fire resistance of reinforced concrete beams depending on the change in their bearing capacity under operating conditions]. Sovremennye prob-lemy grazhdanskoj zashchity, 2019, vol. 1 (30), pp. 30-35.
13. Sobhan, K., Reddy, D.V. and Martinez, F. Fire resistance of corroded high-strength structural concrete. Journal of Structural Fire Engineering, 2021. Part. 12, vol. 1, pp. 17-34.
14. Pena D. L. et al. Influence of spalling on the biaxial bending resistance of reinforced concrete columns exposed to fire. Proceedings of the 11th International Conference on Structures in Fire (SiF2020), 2020, pp. 204-212.
15. Ba G. et al. Bond strength of corroded reinforcements in concrete after high-temperature exposure. Construction and Building Materials, 2021, vol. 270, 121400.
16. Banoth I., Agarwal A. Bond behavior between reinforcing steel bars and concrete at elevated temperatures. Proceedings of the 11th International Conference on Structures in Fire (SiF2020), 2020, pp. 222-230.
17. Kodur V. Properties of concrete at elevated temperatures. International Scholarly Research Notices, 2014, vol. 2014.
18. Vasil'chenko A. V., Kovalevs-kaya T. M., Stelmah O. A. Ocenka ognestojkosti zhelezobetonnoj rebristoj plity pri kombinirovan-nom vozdejstvii «vzryv-pozhar» [Assessment of the fire resistance of a reinforced concrete ribbed slab under the combined impact of «explosion-fire»]. Problemy pozharnoj bezopasnosti, 2018, vol. 44, pp. 7-14.
19. Ba G. et al. Influence of reinforcement corrosion on fire performance of reinforced concrete beams. Construction and Building Materials, 2019, vol. 213, pp. 738-747.
20. Tariq F., Bhargava P. Flexural behaviour of corroded RC beams exposed to fire. Structures. Elsevier, 2021, vol. 33, pp. 13661375.
21. Chinthapalli H. K., Agarwal A. Post-earthquake fire assessment of reinforced concrete columns. Proceedings of the 11th International Conference on Structures in Fire (SiF2020), 2020, pp. 230-242.
22. Prochnostnye i teplofizicheskie svojstva betona s polipropilenovoj fibroj v usloviyah temperaturnogo rezhima standartnogo pozha-ra [Strength and thermophysical properties of concrete with polypropylene fiber under the conditions of a standard fire temperature regime] /
V. I. Golovanov [et al.]. Pozharovzryvobezopas-nost', 2017, vol. 26, issue 5, pp. 37-44.
23. Nuyanzin V. M., Belikov A. S. Issle-dovanie teplofizicheskih svojstv betonnyh obrazcov iskustvenno sostarennyh v klimatich-eskih kamerah [Study of the thermophysical properties of concrete samples artificially aged in climatic chambers]. Visnik Pridniprovs'koi derzhavnoi akademi'i budivnictva ta arhitekturi, 2010, vol. 8 (149), pp. 44-50.
24. Manujlov V. V. Vozdejstvie meteoro-logicheskih uslovij na pozharnuyu bezopasnost' zhelezobetonnyh konstrukcij [The impact of meteorological conditions on the fire safety of reinforced concrete structures]. Molodoj issledovatel' Dona, 2018, vol. 5 (14), pp. 83-93.
25. Ocenka kriticheskoj konstruktivnoj prochnosti betona, podverzhennogo korrozii [Evaluation of the critical structural strength of concrete exposed to corrosion] / D. R. Mailyan [et al.]. Novye tekhnologii, 2012, vol. 4, pp. 82-87.
Данилов Руслан Александрович
Академия Государственной противопожарной службы МЧС России,
Российская Федерация, г. Москва
Адъюнкт Факультета научно-педагогических кадров
E-mail: ruslikdanilov@gmail.com
Danilov Ruslan Aleksandrovich
State Fire Academy of EMERCOM of Russia,
Russian Federation, Moscow
Post graduate student of Post graduate faculty
E-mail: ruslikdanilov@gmail.com
