6 Бетонные и железобетонные конструкции

1. Предел огнестойкости бетонных и железобетонных конструкций по предельному состоянию R (по потере несущей способности) зависит от типа и статической схемы работы конструкции, формы и параметров поперечного сечения, класса бетона по прочности, класса арматуры и величины нагрузки.

Предел огнестойкости бетонных и железобетонных конструкций по предельному состоянию I (по потере теплоизолирующей способности) зависит от геометрических размеров сечения конструкции.

Предел огнестойкости бетонных и железобетонных конструкций по предельному состоянию Е (по потере целостности) зависит от класса бетона по прочности, состава бетонной смеси, введенных добавок, влажности бетона, параметров конструкции и величины нагрузки.

2. Предел огнестойкости бетонных и железобетонных конструкций определяется с использованием табличной информации (см. 6.3 – 6.16). Табличная информация представлена для наиболее неблагоприятного варианта сочетания негативных условий при пожаре. При невозможности использования табличной информации, а также при необходимости уточнения табличного значения для конкретных условий эксплуатации предел огнестойкости определяется расчетом в порядке, определенном 6.17 – 6.25.

3. Минимальные размеры элементов и расстояния от оси арматуры до поверхностей элемента для обеспечения нормируемых пределов огнестойкости конструкций, изготавливаемых из бетонов классов до C⁵⁰/₆₀ включ., принимаются по таблицам 6.3 – 6.7, но не менее требуемых по СНБ 5.03.01. Для конструкций, изготавливаемых из бетонов классов C⁵⁵/₆₇ – C⁸⁰/₉₅ минимальные расстояния от оси арматуры до поверхностей элемента, приведенные в таблицах 6.3 – 6.7, следует умножать на поправочный коэффициент , приведенный в таблице 6.1. Использование таблиц 6.3 – 6.7 для конструкций, изготавливаемых из бетонов класса C⁹⁰/₁₀₅, не допускается.

Таблица 6.1

Вид конструкции	Коэффициент  в зависимости от класса высокопрочного бетона
	C55/67 – C60/75	C70/85 – C80/95
Плоские конструкции с односторонним прогревом	1,1	1,3
В общем случае для всех конструкций	1,2	1,6

4. Приведенные в таблицах 6.3 – 6.7 параметры определены для бетонов плотностью от 1800 до 2600 кг/м³ с силикатным заполнителем. При использовании карбонатных заполнителей допускается уменьшение минимальных габаритов поперечного сечения элементов на 10 %.

5. В таблицах 6.4 – 6.7 приведены расстояния от обогреваемой поверхности до оси арматуры, как показано на рисунках 6.1 и 6.2.

Рисунок 6.1 — Расстояние до оси арматуры	Рисунок 6.2 — Среднее расстояние до оси арматуры

В случаях расположения арматуры одного класса в разных уровнях среднее расстояние до оси арматуры с определяется с учетом площадей сечений арматуры A_s1, A_s2, ..., A_sn и соответствующих им расстояний до осей арматуры с₁, с₂, ..., с_n, измеренных от ближайшей из обогреваемых (нижней или боковой) поверхностей элемента, по формуле

. (6.1)

При использовании арматуры разных классов в формуле (6.1) вместо площади сечения арматуры A_s следует использовать произведение площади сечения арматуры на нормативное сопротивление арматуры A_sf_yk (A_sf_pk).

6. Предел огнестойкости изгибаемых и внецентренно сжатых с большим эксцентриситетом элементов по потере несущей способности зависит от критической температуры нагрева арматуры. Таблицы 6.6 и 6.7 приведены для железобетонных элементов с арматурой классов S240 – S500, имеющей критическую температуру нагрева 500 °С. Критические температуры для других классов арматуры учитываются с увеличением приведенных в таблицах 6.6 и 6.7 минимальных расстояний до оси арматуры на, мм:

10 — при использовании арматуры классов S800 – S1200;

15 — при использовании проволоки и канатов класса S1400.

7. Дополнительные теплоизоляционные покрытия учитываются при определении расстояния от оси арматуры до подвергаемых нагреву поверхностей конструкции, при этом теплоизоляционные покрытия из известково-цементной штукатурки толщиной 15 мм, гипсовой штукатурки толщиной 10 мм, вермикулитовой штукатурки или теплоизоляции из минерального волокна толщиной 5 мм эквивалентны слою тяжелого бетона толщиной 10 мм.

Если толщина защитного слоя бетона, включая дополнительные теплоизоляционные покрытия, более 60 мм, то необходимо предусматривать его дополнительное армирование со стороны огневого воздействия в виде сетки арматуры диаметром от 2 до 3 мм (с размером ячеек 150×150 мм).

Конструкция теплоизоляционных покрытий должна обеспечивать надежное крепление к конструкции, устойчивое к воздействию высоких температур в течение рассматриваемого промежутка времени. Следует учитывать, что металлические крепления теплоизоляционных покрытий, проникающие вглубь конструкции, могут образовывать «мост теплопереноса» к рабочей арматуре и существенно снижать предел огнестойкости.

8. Пределы огнестойкости несущих железобетонных конструкций по предельному состоянию R в таблицах 6.6 и 6.7 приведены для полных нормативных нагрузок с отношением длительно действующей части нагрузки к полной нагрузке равным 1. Предел огнестойкости увеличивается в 2 раза, если это отношение равно 0,3. Для промежуточных значений отношения предел огнестойкости определяется линейной интерполяцией.

9. Предел огнестойкости изгибаемых железобетонных конструкций зависит от их общей статической схемы. Влияние статической неопределимости конструкций на предел огнестойкости учитывается, если не менее 20 % требуемой над опорой верхней арматуры проходит над серединой пролета и 80 % заводится на расстояние не менее 0,4l_n в сторону пролета над крайними опорами и не менее чем на 0,15l_n над промежуточными опорами. Увеличение предела огнестойкости статически неопределимых изгибаемых железобетонных элементов зависит от отношения площади сечения арматуры над опорой, где действует отрицательный момент, к площади сечения арматуры в пролете согласно таблице 6.2, при этом должны обеспечиваться минимальные параметры конструкций по таблицам 6.6 и 6.7.

Таблица 6.2

Отношение площади сечения арматуры над опорой, где действует отрицательный момент, к площади сечения арматуры в пролете	Увеличение предела огнестойкости изгибаемого статически неопределимого элемента по сравнению с пределом огнестойкости статически определимого элемента, %
1	50
1,25	75
1,5	100
1,75	125
2	150
Примечание — Для промежуточных значений отношения площадей увеличение предела огнестойкости определяется линейной интерполяцией.

10. Пределы огнестойкости бетонных и железобетонных конструкций по предельным состояниям EI определяются по таблице 6.3 в зависимости от их минимальной толщины . При определении  необходимо учитывать дополнительные защитные покрытия и штукатурки, предусмотренные проектной документацией, согласно указаниям 6.7.

Таблица 6.3

Предел огнестойкости	EI 15	EI 30	EI 45	EI 60	EI 90	EI 120	EI 150	EI 180
Минимальная толщина , мм	50	60	70	80	100	120	135	150
Примечание — Толщина конструкции, соответствующая заданному пределу огнестойкости, может быть определена по формуле  = K1 + K2, где  — время, соответствующее пределу огнестойкости, мин; расчетные коэффициенты для тяжелого бетона: K1 = 0,6157 мм/мин, K2 = 42,523 мм; для легкого бетона (плотностью не более 1200 кг/м3): K1 = 0,3038 мм/мин, K2 = 34,158 мм.

11. Пределы огнестойкости железобетонных колонн определяются по таблице 6.4 в зависимости от коэффициента использования несущей способности , ширины поперечного сечения b и расстояния до оси арматуры c. Для колонн сплошного круглого сечения в качестве размера b принимается их диаметр. Указанные данные применимы к колоннам с эксцентриситетом продольной силы относительно центра тяжести приведенного сечения не более 0,15h, где h — высота сечения, (или 0,15b — в зависимости от направления воздействия нагрузки), расчетной длиной не более 3 м и армированием не более 4 % от поперечного сечения бетона.

Коэффициент использования несущей способности  определяется по формуле

, где (6.2)

N_Sd,fi — расчетная продольная сила от внешнего воздействия при пожаре, кН;

N_Rd — прочность сечения при действии продольного усилия при нормальных условиях, кН.

Пределы огнестойкости железобетонных колонн с дополнительным армированием в виде арматурных сварных поперечных сеток, установленных с шагом не более 250 мм, следует принимать по таблице 6.4, умножая их на коэффициент 1,2.

Таблица 6.4

Коэффициент использования несущей способности 	Ширина поперечного сечения колонны b / расстояние до оси арматуры c	Минимальные размеры железобетонных колонн, мм, имеющих предел огнестойкости
		R 30	R 60	R 90	R 120	R 180
0,3	b/c	200/25	200/25	200/31 300/25	250/40 350/35	350/45
0,5	b/c	200/25	200/36 300/31	300/45 400/38	350/45 450/40	350/63
0,7	b/c	200/32 300/27	250/46 350/40	350/53 450/40	350/57 450/51	450/70

12. Пределы огнестойкости несущих сплошных стен определяются по таблице 6.5 в зависимости от их толщины t и расстояния до оси арматуры c, а также коэффициента использования несущей способности . Эти данные применимы к железобетонным центрально и внецентренно сжатым стенам при условии расположения суммарной силы в средней трети ширины поперечного сечения стены. При этом отношение высоты стены к ее толщине не должно превышать 20.

Таблица 6.5

Коэффициент использования несущей способности η	Толщина стены t и расстояние до оси арматуры c	Минимальные размеры железобетонных стен, мм, имеющих предел огнестойкости
		REI 30	REI 60	REI 90	REI 120	REI 180
0,35	t c	120 25	120 25	140 25	160 25	200 45
0,70	t c	120 25	140 25	170 25	220 35	270 55

Пределы огнестойкости для стеновых панелей со сплошным опиранием при толщине не менее 140 мм следует принимать по таблице 6.5, умножая их на коэффициент 1,5.

Минимальные размеры ребер и расстояния до осей арматуры в ребрах ребристых стеновых панелей должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к балкам, в соответствии с таб 6.6.

13. Наружные ненесущие и самонесущие стены из трехслойных сплошных панелей, состоящие из наружного (толщиной не менее 50 мм) и внутреннего бетонных армированных слоев и среднего из горючего утеплителя при общей толщине поперечного сечения не менее 150 мм, имеют предел огнестойкости RE 60. Аналогичные несущие стены с соединением слоев металлическими связями при общей толщине 250 мм, с внутренним несущим слоем из армированного бетона класса С¹²/₁₅ с напряжениями сжатия в нем не более 2,5 МПа и толщиной 100 мм или бетона класса С²⁰/₂₅ с напряжениями сжатия в нем не более 10 МПа и толщиной 140 мм, при обеспечении расстояния до оси арматуры согласно таблице 6.5, имеют предел огнестойкости RE 150.

14. Пределы огнестойкости железобетонных растянутых элементов определяются по таблице 6.6 в зависимости от ширины поперечного сечения b и расстояния до оси арматуры c. Эти данные применимы к растянутым элементам ферм и арок, площадь поперечного сечения бетона которых не менее где b_min — минимальная ширина балки, мм, по таблице 6.6.

Таблица 6.6

Предел огнестойкости	Ширина поперечного сечения балки b и расстояние до оси арматуры c	Минимальные размеры железобетонных балок, мм				Минимальная ширина балки bmin, мм	Минимальная ширина ребра bw, мм
		1	2	3	4
R 30	b c	80 25	120 25	160 25	200 25	80	80
R 60	b c	120 40	160 35	200 30	300 25	120	100
R 90	b c	150 55	200 45	300 40	400 35	150	110
R 120	b c	200 65	240 60	300 55	500 50	200	130
R 180	b c	240 80	300 70	400 65	600 60	240	150
		cw = c + 10		cw = c

15. Пределы огнестойкости статически определимых свободно опертых балок, нагреваемых с трех сторон, определяются по таблице 6.6 в зависимости от ширины их поперечного сечения b и расстояния до оси арматуры c, c_w, как показано на рисунке 6.3. При нагреве с одной стороны предел огнестойкости балок принимается согласно таблице 6.7, как для плит.

Рисунок 6.3 — Армирование балок и расстояния до оси арматуры

Для балок с наклонными сторонами ширина поперечного сечения b измеряется по центру тяжести растянутой арматуры (см. рисунок 6.3).

При определении предела огнестойкости отверстия в стенках балки не учитываются, если оставшаяся площадь поперечного сечения в растянутой зоне не менее 2b².

При пределе огнестойкости R 120 и более, свободно опертые двутавровые балки, имеющие расстояние между центрами тяжести полок более 1200 мм, должны иметь концевые утолщения, равные ширине балки.

Для предотвращения откалывания бетона в ребрах балок расстояние между хомутом и поверхностью должно быть не более 0,2 ширины ребра.

Минимальное расстояние от поверхности элемента до оси любого из стержней арматуры должно быть не менее половины с, соответствующего b_min.

Если отношение b/b_w > 1,4 (см. рисунок 6.3), а также для двутавровых балок, у которых площадь поперечного сечения стенки менее расстояние до оси арматуры необходимо увеличить до . Для двутавровых балок, у которых отношение ширины полки к ширине стенки b/b_w > 2, в ребре необходимо устанавливать поперечную арматуру. При b/b_w > 3 использование для определения предела огнестойкости таблицы 6.6 не допускается.

В балках с большими перерезывающими усилиями, которые воспринимаются хомутами, установленными около наружной поверхности элемента, расстояние до оси арматуры с (см. таблицу 6.6) относится и к хомутам при условии их расположения в зонах, где расчетное значение растягивающих напряжений более 0,1 прочности на сжатие примененного бетона.

Пределы огнестойкости свободно опертых плит по предельному состоянию R определяются по таблице 6.7 в зависимости от способа армирования и расстояния до оси арматуры с. Пределы огнестойкости ребристых плит, панелей и настилов по предельному состоянию R определяются по таблице 6.6 как для балок. Пределы огнестойкости плит (панелей) по предельным состояниям EI определяются по таблице 6.3 в зависимости от их минимальной толщины . Стяжки, засыпки и пол из не горючих материалов, а также дополнительные слои штукатурки объединяются в общую толщину плит. Время, характеризующее предел огнестойкости по всем предельным состояниям, принимается наименьшим.

Таблица 6.7

Пределы огнестойкости	Расстояние до оси арматуры с, мм, при армировании
	в одном направлении	в двух направлениях
		ly /lx  1,5	ly /lx  1,5
REI 30	25	25	25
REI 60	25	25	25
REI 90	30	25	25
REI 120	40	25	25
REI 180	55	30	40

Эффективная (рабочая) толщина многопустотной плиты для оценки предела огнестойкости определяется делением площади поперечного сечения плиты, за вычетом площадей пустот, на ее ширину. Пределы огнестойкости многопустотных плит, в том числе с пустотами, расположенными поперек пролета, и ребристых панелей и настилов с ребрами вверх принимаются с коэффициентом 0,9.

16. Расчет предела огнестойкости железобетонной конструкции по предельному состоянию R заключается в определении времени от начала стандартного огневого воздействия до момента, когда несущей способности конструкции становится недостаточно для восприятия приложенной к ней нагрузки. Для определения несущей способности конструкции при огневом воздействии сначала определяется распределение температуры по сечению в заданные моменты времени (теплотехническая часть), затем вычисляется соответствующая им несущая способность конструкции с учетом изменения физико-механических свойств прогретых бетона и арматуры (статическая часть). Разрушение железобетонных конструкций при огневом высокотемпературном нагреве происходит по тем же схемам, что и в условиях нормальных температур. Поэтому для расчета предела огнестойкости по потере несущей способности используются уравнения равновесия и деформаций в соответствии с положениями СНБ 5.03.01 с учетом дополнительных указаний, изложенных в настоящем техническом кодексе.

17. Предел огнестойкости конструкции по предельному состоянию R зависит от принятых нагрузок. Расчет коэффициента, показывающего уровень нагрузки на железобетонные конструкции при пожаре _fi, производится по формуле

(6.3)

где L — отношение переменных нагрузок к постоянным: L = Q_k/G_k;

_G — частный коэффициент безопасности для постоянных нагрузок;

_Q — частный коэффициент безопасности для переменных нагрузок;

₀ — коэффициент редкого сочетания переменных нагрузок;

₁ — коэффициент частого сочетания переменных нагрузок;

₂ — коэффициент практически постоянного сочетания переменных нагрузок;

₁, ₂ — коэффициенты, показывающие соотношение составляющих переменной нагрузки:

₂ = 1 – ₁.

18. При проведении статической части расчета предела огнестойкости по предельному состоянию R расчетные значения сопротивлений бетона и арматуры определяются умножением их нормативных значений по СНБ 5.03.01 на коэффициенты условий работы при пожаре: бетона k_с() и арматуры k_s() соответственно (таблицы 6.8, 6.9).

Модули упругости бетона и арматуры умножаются на коэффициент , учитывающий снижение модуля упругости при нагреве (таблицы 6.8, 6.9).

_{Таблица 6.8}

Вид бетона	Коэффициент	Коэффициенты, при температуре бетона, °С
		20	100	200	300	400	500	600	700	800
Тяжелый с силикатным заполнителем	kс()	1,00	0,99	0,98	0,95	0,85	0,80	0,60	0,20	0,10
		1,00	0,85	0,70	0,50	0,40	0,30	0,20	0,10	0,05
Тяжелый с карбонатным заполнителем	kс()	1,00	1,00	0,98	0,95	0,90	0,85	0,65	0,30	0,15
		1,00	0,88	0,75	0,55	0,45	0,35	0,25	0,15	0,10
Высокопрочный: C55/67 – C60/75	kс()	1,00	0,90	0,90	0,85	0,75	0,60	0,45	0,28	0,10
C70/85 – C80/95	kс()	1,00	0,75	0,70	0,65	0,50	0,45	0,30	0,20	0,05
C90/105	kс()	1,00	0,75	0,70	0,65	0,45	0,30	0,25	0,15	0,05

Таблица 6.9

Класс арматуры	Коэффициент	Коэффициенты, при температуре арматуры, °С
		200	300	400	500	600	700	800
Арматура классов S240 – S500	ks()	1,00	1,00	0,85	0,60	0,37	0,22	0,10
		0,92	0,90	0,85	0,80	0,77	0,72	0,65
Арматура классов S800 – S1400	ks()	1,00	0,96	0,80	0,55	0,30	0,12	0,08
		0,90	0,85	0,80	0,76	0,70	0,66	0,61
Проволока и арматура, подвергнутая термическому упрочнению	ks()	1,00	0,90	0,65	0,35	0,15	0,05	0,02
		0,94	0,86	0,77	0,64	0,55	0,45	0,35

19. При нагревании бетона нормальной влажности его температурная деформация состоит из двух видов деформаций: обратимой — температурное расширение — и необратимой — температурная усадка. Значения коэффициентов температурной деформации расширения бетона _bt приведены в таблице 6.10, температурной усадки бетона _cs — в таблице 6.11.

Таблица 6.10

Вид бетона	Коэффициент температурного расширения бетона bt·10–6, °С–1, при температуре бетона, °С
	20–50	100	300	500	700–1100
Тяжелый с силикатным заполнителем	9	9	8	11	14,5
Тяжелый с карбонатным заполнителем	10	10	9	12	15,5

Таблица 6.11

Вид бетона	Коэффициент температурной усадки бетона cs·10–6, °С–1, при температуре бетона, °С
	20–50	100	300	500	700–1100
Тяжелый с силикатным заполнителем	0,5	1,0	1,0	–1,8	–6,8
Тяжелый с карбонатным заполнителем	0,5	1,5	1,1	1,3	1,5

С повышением температуры арматурная сталь расширяется. Коэффициент температурного рас ширения арматуры _st, °С^–1, допускается принимать в интервале температур от 20 °С до 800 °С:

_st = (0,005_s + 11,5)·10^–6, (6.4)

где _s — температура нагрева арматуры, °С.

20. При расчетах прочности сечений железобетонных конструкций допускается применять параболически-линейную диаграмму деформирования бетона при сжатии и зависимости «s_s – e_s» для напрягаемой и ненапрягаемой арматуры в соответствии с положениями СНБ 5.03.01, при этом следует учитывать изменение характеристик бетона и арматуры при высокотемпературном нагреве.

21. В расчетах пределов огнестойкости по предельному состоянию R для железобетонных конструкций, имеющих простую симметричную форму, с арматурой, сосредоточенной у наиболее растянутой и наиболее сжатой граней, и с усилиями, действующими в плоскости симметрии сечения элемента, расчетная площадь приведенного сечения бетона может ограничиваться изотермой критических температур.

Критическая температура _cr бетона при нагреве для расчетов огнестойкости принимается равной:

500 °С — для тяжелого бетона классов до C⁵⁰/₆₀ включ. с силикатным заполнителем;

600 °С — то же до C⁵⁰/₆₀ включ. с карбонатным заполнителем;

460 °С — “ C⁵⁵/₆₇ – C⁶⁰/₇₅;

400 °С — “ C⁷⁰/₈₅ – C⁸⁰/₉₅.

22. В статически неопределимых изгибаемых железобетонных конструкциях при совместных силовых и огневых воздействиях происходит перераспределение усилий в результате развития сов местных температурных и силовых деформаций бетона и арматуры у обогреваемой поверхности. Оценка огнестойкости элемента в целом производится на основе анализа напряженно-деформированного состояния конструкции и сводится к проверке прочности сечений в местах образования пластических шарниров.

23. Расчет предела огнестойкости по предельному состоянию I заключается в определении времени достижения необогреваемой поверхностью конструкции предельной температуры по 6.1 путем решения теплотехнической задачи прогрева сечения конструкции в условиях нестационарной теплопроводности с учетом условий теплообмена на ее обогреваемых и необогреваемых поверхностях.

Решение задачи нестационарной теплопроводности в теплотехнической части расчета предела огнестойкости по предельному состоянию R сводится к определению температуры бетона и арматуры в любой точке поперечного сечения элемента в заданный момент времени.

Функциональная зависимость температуры от времени описывается дифференциальным уравнением теплопроводности при нелинейных граничных условиях и сложном процессе тепломассопереноса. Прогрев конструкции определяется конечно-разностным или конечно-элементным расчетом. При решении уравнения теплопроводности учитывается изменение теплотехнических свойств материалов при их нагреве. Информация по температурам прогрева типовых сечений строительных конструкций из бетона приведена в приложении М.

Расчет прогрева железобетонных конструкций, имеющих простую симметричную форму (плоские конструкции или конструкции с прямоугольным или круглым сечением), допускается производить по упрощенной методике (приложение Ж).

24. В расчетах предел огнестойкости по предельному состоянию Е принимается равным пределу огнестойкости по предельному состоянию I. При этом параметры и величина нагружения бетонных и железобетонных конструкций, а также составы примененных бетонных смесей должны обеспечивать при кратковременном высокотемпературном огневом воздействии отсутствие отколов, уменьшающих размеры сечения или обнажающих арматуру.

Возможность хрупкого разрушения бетона в конструкции при кратковременном высокотемпературном нагреве рассчитывается с использованием критерия хрупкого разрушения (приложение К).

При использовании табличной информации проверку целостности железобетонных конструкций при пожаре допускается не производить, если расстояние от обогреваемой поверхности до оси арматуры 70 мм и более.

В сжатых железобетонных и бетонных конструкциях толщиной (шириной поперечного сечения) менее 200 мм из тяжелого бетона плотной структуры с силикатным заполнителем с весовой влаж ностью более 3,5 %, с карбонатным заполнителем с весовой влажностью более 4 % и легкого бетона с влажностью более 5 % и плотностью более 1200 кг/м³ следует ограничивать величину напряжения сжатия в бетоне _сr, МПа, ниже критического значения:

_сr = 0,3182b – 25,455, (6.5)

где b — ширина поперечного сечения конструкции, мм.

25. Для железобетонных конструкций, изготовленных из бетона класса C⁹⁰/₁₀₅, независимо от результатов расчета, в целях предотвращения хрупкого разрушения при пожаре необходимо применять один из следующих методов защиты:

— дополнительное конструктивное армирование поверхностного слоя бетона со стороны нагрева арматурной сеткой с размерами ячеек от 25 до 70 мм и диаметром арматуры от 0,5 до 1,0 мм (толщина защитного слоя для дополнительной арматуры не менее 15 мм);

— нанесением огнезащитного покрытия на нагреваемую поверхность бетона (влияние огне защитного покрытия на огнестойкость конструкции необходимо подтверждать экспериментально);

— применением бетонов, обеспечивающих целостность железобетонной конструкции при кратковременном высокотемпературном огневом воздействии (эффективность примененных составов бетонной смеси необходимо подтвердить экспериментально);

— добавление в бетонную смесь не менее 2 кг/м³ полипропиленовых волокон.