ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ СЖАТЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ В УСЛОВИЯХ ОГНЕВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Множество примеров из практики убеждает нас в том, что в последнее время в мировом масштабе возросло количество чрезвычайных происшествий техногенного характера в процессе постройки и дальнейшей эксплуатации зданий и конструкции из железобетона (особенно это относится к высотным сооружениям). К подобным чрезвычайным ситуациям, во многих случаях вызванными просчетами в проектировании и строительстве следует, прежде всего, отнести: аварийные возгорания и взрывы. Следует согласиться с точкой зрения Л. А. Аветесяна в том, что : «расчет конструкций при разных сочетаниях нагружений должен проводиться с учетом прочностных и деформативных характеристик материалов. Огневые воздействия, которые достигают 800-900°С  в помещениях жилых и общественных зданий, меняют не только статические, но и динамические прочностные и деформативные свойства несущих элементов» [7, с. 2].

Невзирая на значительный массив исследований теоретического и экспериментального характера, в центре которых находились вопросы статической работы элементов железобетонных конструкций под воздействием повышенных температурных режимов, именно проблемы воздействия динамического нагружения на сжатые элементы железобетонных конструкций в условиях предельного повышения температуры изучены недостаточно. Это обуславливает актуальность исследования прочностных и деформативных характеристик сжатых элементов железобетонных конструкций при динамическом нагружении в условиях огневого воздействия.

Рядом исследований [4; 5] доказано, что разрушение железобетонных конструкций, наступившее в результате достижения предела их устойчивости под воздействием огня, вызвано такими факторами как: снижение прочности бетона в результате его нагрева до предельных показателей, тепловое расширение и температурная ползучесть элементов каркаса, трещины либо сквозные отверстия, возникающие в сечениях железобетонных конструкций, утрата теплоизоляции. При этом определено, что наиболее уязвимы к воздействию огня  -  изгибаемые железобетонные конструкции. Так огнестойкость балок, плит, прогонов, ригелей  имеет пределы в границах : R50- R90 [3, с. 234]. Невысокие пределы огнестойкости приведенных выше железобетонных элементов заложены в конструктивных особенностях их рабочей арматуры растянутой зоны, имеющей ведущее значение для их несущей способности: защитный слон бетона данных конструкций довольно тонкий, что способствует быстрому нагреву рабочего каркаса данных железобетонных элементов до предельных температурных показателей. В отличие от изгибаемых железобетонных конструкций пределы огнестойкости колонн из железобетона находятся в диапазоне: R90-R240 [3, с. 237].

Увеличение пределов огнестойкости зданий и сооружений из железобетона до величины, превышающей по времени 150 мин, достижимо посредством применения следующих мер:

• целесообразно увеличить защитный слой бетона до 50 – 70 мм;
• полезно произвести облицовку железобетонных элементов огнеупорными материалами;
• разумно снизить степень механической нагрузки на железобетонную конструкцию;
• целесообразно применение каркасов железобетонных конструкций с увеличенными критическими температурными показателями при воздействии огня [4, с. 22].

Особое значение система мер по повышению огнестойкости конструкций имеет в высотном строительстве при проектировании и эксплуатации разновидностей сталебетонных колонн. Это объясняется ограниченностью несущей способности наружных металлических составляющих конструкций подобного типа, при прямом воздействии огня, которая может быть исчерпана уже при достижении температуры нагрева примерно в 500 °С, что происходит в границах 10-12 мин с момента непосредственного огневого воздействия в чрезвычайных ситуациях [4, с. 21].

Экспериментально доказан более высокий предел огнестойкости в случае потери несущей способности железобетонных балок и колонн, имеющих в основе жесткое расположенное в середине сечения армирование, в противовес балкам и колоннам со стержневой арматурой, расположенной близко к поверхности подлежащей нагреву.

В целях снижения возможной деформации под влиянием огневого воздействия при проектировании балок следует учитывать порядок уровня расположения арматуры разного диаметра. Арматура, имеющая больший диаметр, должна быть расположена дальше от поверхности, подвергаемой возможному огневому воздействию.

Под руководством А.И. Яковлева проводился ряд экспериментально – теоретических исследований, цель которых заключалась в изучении высокотемпературного огневого воздействия на сжатые железобетонные элементы [6]. Объектом исследований были колонны различной формы, различного по составу бетона (тяжелые и легкие виды); имеющие разные размеры в поперечном сечении.

Экспериментальными исследованиями был выяснены: более высокие значения (выше на 75%) предела огнестойкости статически неопределимой конструкции из железобетона по сравнению со статически определимой конструкцией, в случае большей площади сечения арматуры на опоре при воздействии отрицательного момента больше, чем в пролете, в 1,25 раза; на 100%, при большей площади сечения арматуры на опоре при воздействии отрицательного момента больше, чем в пролете в 1,5 раза; на 125%, при большей площади сечения арматуры на опоре при воздействии отрицательного момента больше, чем в пролете в 1,75 раза; на 150%, в случае большей площади сечения арматуры на опоре при воздействии отрицательного момента больше, чем в пролете в 2 раза [5, с. 34].

Под руководством А.Ф. Милованова [2] был проведен цикл экспериментальных исследований, результатом которых стала разработка  аналитических методов оценки огнестойкости, деформативности, остаточной прочности железобетонных колон после огневого воздействия. Группой ученых под руководством А.Ф. Милованова была доказана взаимосвязь состояния сжатых железобетонных колонн разной конструкции и состава при кратковременном воздействии предельных температур в ситуации пожара со схемой нагрева, видами заполнения и степенью прочности бетона на сжатии, размерами поперечного сечения железобетонных элементов, коэффициентом армирования бетона, толщиной защитного слоя элементов железобетонной конструкции и пр. Экспериментальным способом было установлено существенное изменение прочности бетона по сечению колонны в процессе нагрева в результате перепада температур, при этом неравномерностью нагрева было вызвано значительное перераспределение напряжения по сечению железобетонного элемента. По достижению пределов сопротивления на сжатие в центре сечения железобетонной колонны (в месте наименьшего прогрева бетонных слоев) происходило разрушения элемента железобетонной конструкции.

 Таким образом, проведенный обзор теоретических и экспериментальных исследований по оценке влияния огневого воздействия на прочность и степень деформации сжатых железобетонных элементов при динамическом нагружении показал, что, не смотря на ряд полученных концептуальных результатов, позволяющих повысить степень безопасности сооружений из железобетона и произвести оценку стойкости железобетонной конструкции в пожароопасных ситуациях, данный вопрос требует дальнейшего углубленного изучения.