Поведение незащищённых стальных элементов при пожаре

Критическая температура нагрева стали

Сталь — негорючий строительный материал, однако ее механические свойства (предел текучести, прочность на растяжение и модуль упругости) зависят от температуры. Предел текучести при разной температуре часто ошибочно рассматривается как критерий для оценки несущих качеств при пожаре. Так как пожар является катастрофическим случаем, то предел текучести может быть использован как резерв несущей способности до окончательного разрушения строительного элемента, оцениваемого достигнутой в это время температурой, так называемой критической температурой. Она в значительной мере зависит от степени напряженности строительного элемента. При полном использовании допускаемых напряжений критическая температура составляет: 560° С для стали St37, 580° С для стали St52. В связи с тем что при пожаре обычно не достигаются полные расчетные значения временных нагрузок, критическая температура практически еще выше, например при 50% допускаемого напряжения: 650° С для St37, 670° С для St52.

В равной степени на критическую температуру влияют резервы несущей способности статически неопределимых систем, если их расчет выполнен по упругой стадии. Многопролетная неразрезная балка имеет в этом случае такую же критическую температуру, как статически определимая опорная балка, расчетное сопротивление которой используется только на 75%. Полученные значения относятся к защищенным стальным профилям. В необлицованных стальных элементах расчетные критические температуры на наружной поверхности принимаются по крайней мере на 50° С ниже из-за большой скорости нагревания.

Влияние расчетной системы

Достижение критической температуры в одном поперечном сечении не всегда влечет за собой разрушение строительного элемента. Статически неопределимые системы имеют резервы. Неразрезные балки образуют пластический шарнир в том месте, которое прежде всего достигает критической температуры, но вся система при этом еще сохраняет несущую способность. Многопролетные неразрезные балки при образовании пластических шарниров во всех пролетах образуют цепь, в которой вместо изгиба возникает преимущественно растяжение. Когда благодаря целесообразному выбору статической схемы прочность системы не теряется при нарушении прочности конструкции в одной точке, критическая температура может быть более высокой. При учете этой связи возможна экономия на огнезащитной облицовке путем снижения требований к ней.

Влияние формы поперечного сечения

Время, за которое будет достигнута критическая температура, зависит от скорости восприятия количества тепла, вызывающего повышение температуры. Это количество тепла больше для профиля с большим поперечным сечением, чем для профиля небольшого поперечного сечения. Восприятие тепла происходит быстрее, когда профиль имеет большую наружную поверхность, например в сильно расчлененном тонкостенном профиле. Оно медленнее в замкнутых коробчатых или трубчатых профилях, поскольку тепло имеет доступ к материалу только с одной стороны. Зависимость, определяющая это значение, называется удельной поверхностью, т.е. U/F 1/см, где U — периметр профиля, см, F — поперечное сечение, см².

График на рис. 1 показывает (кривая d=0) степень огнестойкости незащищенного стального профиля в минутах. Так, незащищенный профиль с удельной поверхностью U/F=0,33 при критической температуре 550° С имеет степень огнестойкости 30 мин, т.е. относится к классу огнестойкости F30 (огнезадерживающий).

Такая же степень огнестойкости достигается, например, для листовой стали толщиной 60,5 мм при U=2 см и F=6,05 см² на 1 см ширины, откуда U/F=2/6,05=0,33 1/см, или для коробчатого профиля с толщиной листа 30,3 мм: U/F=1:3,03=0,33 1/см. Коробчатому профилю равноценен открытый двутавровый профиль 1600 с заполнением бетоном углублений между полками. Двутавровый широкополочный профиль 300 без облицовки при 75%-ном использовании допускаемого напряжения также достигает класса огнестойкости F30.

График на рис. 1 показывает зависимость толщины защитного покрытия от удельной поверхности U/F. При малых значениях этого фактора уменьшается требуемая толщина облицовки.

Отведение тепла

Увеличение степени огнестойкости происходит также в том случае, когда часть получаемого стальным профилем тепла будет воспринята другой составной частью сооружения. Так, например, наполненные бетоном полые стальные колонны имеют более высокую степень огнестойкости, чем пустые, причем бетон не должен учитываться как несущий, потому что он тоже нагревается. Такой же перенос тепла наблюдается в составных сталежелезобетонных балках, верхний пояс которых охлаждается благодаря теплоотдаче в бетонную плиту.

Деформация

Строительные стали при достижении предела текучести начинают пластически деформироваться. Разрушению предшествуют большие деформации, например прогибы балок. Эти же положения относятся и к разрушению стальных элементов при пожаре, только с той разницей, что напряжения, при которых исчерпывается несущая способность, при вторичном нагревании становятся меньше. Внезапного обрушения во время пожара в сооружениях со стальным каркасом не наблюдается. Обрушению предшествуют значительные, отчетливо видимые деформации.

Повторное использование стальных элементов

После остывания стальные элементы восстанавливают первоначальную прочность. Деформированные конструкции остаются способными нести нагрузку. Это важно для работ по восстановлению зданий. Оставшиеся неискривленными стальные профили могут быть использованы без всяких сомнений. Погнутые строительные элементы легко исправить, т. е. можно следовать правилу: «Если конструкция прогнулась, выправь ее, если она прямая, покрась ее».