Повышение надежности железобетонных конструкций при чрезвычайных ситуациях (зарубежный опыт)

Авторы: д.т.н. Хаютин Ю. Г., инж. Чернявский В. Л.

Опубликована в журнале «Высотные здания», 03'2007.

Проблема защитных мер против опасности обрушения строительных конструкций в результате чрезвычайных ситуаций, таких как взрывы, огневые воздействия, землетрясения становится особенно актуальной в связи с направленностью на возведение в крупных городах зданий повышенной высотности. Эти здания являются потенциально наиболее опасными с точки зрения возможности и последствий прогрессирующего разрушения. Конструктивные элементы таких зданий и сооружений являются особо нагруженными и требуют применения конструкционных материалов с повышенными физико-механическими характеристиками.

Одним из перспективных направлений для решения комплекса упомянутых проблем является применение внешнего армирования опорных конструкций и изгибаемых балочных и плитных конструкций таких зданий с помощью эффективных композиционных материалов.

За рубежом и в России накоплен большой опыт внешнего армирования железобетонных конструкций, как для восстановления их несущей способности, так и для усиления с целью возможности восприятия увеличенных нагрузок. Для этих целей широко используют углеродные, арамидные и стеклоткани, наклеиваемые на поверхность усиляемых конструкций. В качестве клеев, как правило, применяют эпоксидные компаунды.

В последние годы резко увеличился объем научных исследований и конструкторских разработок в направлении создания базы для расчетных обоснований предотвращения обрушения строительных конструкций.

Имеется достаточно большой опыт научно-экспериментальных работ, свидетельствующий о возможности существенного (до 50%) повышения прочности центрально- и внецентренно сжатых опорных конструкций - колонн круглого, квадратного и прямоугольного сечений - основных элементов в системе, обеспечивающих устойчивость зданий и сооружений, а также изгибаемых конструкций (плит, балок, ригелей и пр.). В то же время практически отсутствовали данные о характере разрушения таких конструкций при воздействии на них ударной волны. Моделирование подобных ситуаций сопряжено с весьма большими материальными затратами.

Поэтому, представляют особый интерес экспериментальные исследования эффективности усиления строительных конструкций внешним армированием, проводимые за рубежом на крупноразмерных фрагментах в лабораторных условиях и на натуральных образцах.

Так в [1] предлагается расчетный аппарат для определения прочности железобетонных колонн на срез и на изгиб при восприятии взрывных нагрузок. Компьютерные расчеты были подтверждены результатами сравнений испытаний на натурном фрагменте четырехэтажного здания (рис. 1) с обычными колоннами и колонными усиленными внешним армированием композитными материалами. На рис. 2 наглядно видна разница в полученных повреждениях сравниваемых колонн.

Аналогичные сравнения были проведены в лаборатории (рис. 3), где были получены зависимости "нагрузка - деформация" (рис. 4), так же свидетельствующие об эффективности предлагаемого технического решения.

Рис. 1. Экспериментальное здание для испытания колонн на взрывную нагрузку

Изучение влияния внешнего армирования на восприятие взрывной волны горизонтальными железобетонными плитами было проведено в университете Миссури (США) [2]. Во взрывной камере испытывали плиты размером 12090 х 1200 х 90 мм (рис. 5). Были сделаны выводы, что для восприятия нагрузки от взрывной волны желательна наклейка усиливающего композиционного материала на обе поверхности плиты.

Композитные системы, используемые для усиления строительных конструкций, во многих случаях, включая многоэтажные здания, потребуют соответствующей тепловой защиты, препятствующей потере функциональных свойств конструкции при пожаре.

а) колонна, не усиленная  углепластиком

б) колонна, усиленная углепластиком

Рис.2. Вид колонн после взрывного воздействия

Рис. 3. Колонна без усиления после испытаний в лаборатории

Концепция огнезащиты усиленных углепластиком конструкций должна учитывать особенности поведения в температурном поле как собственно композита, так и эпоксидной матрицы, применяемой для приклейки ткани к поверхности конструкции.

Полимерные затвердевшие клеевые составы начинают деградировать при температурах от 65 до 150°С, вплоть до возгорания с выделением токсичных газов. В то же время собственно углеродная ткань не является огнеопасной и имеет температуру возгорания свыше 1000°С.

Рис. 4. Сравнение деформирования от боковой нагрузки усиленной 2-мя слоями CFRP и не усиленной колонны

Рис. 5. Лабораторные испытания плиты на взрывную нагрузку

По заказу ООО «ИнтерАква» совместно с ОАО «Ленметрогипротранс» в Независимом Испытательном Центре пожарной безопасности МЧС России были проведены испытания углепластиковых накладок, используемых для усиления строительных конструкций.

По результатам испытаний сделано заключение, что углепластиковые накладки относятся к слабогорючим строительным материалом группы Г-1 (относится к группе трудносгораемых по СТ СЭВ 2437-80) и к умеренно воспламеняемым материалам группы В2 с высокой дымообразующей способностью группы Д-3.

Результаты испытаний образцов из углепластикового композита являются весьма обнадеживающими, однако свидетельствуют о необходимости выполнения огнезащитного покрытия на усиляемых конструкциях.

Для уточнения требований к такому покрытию в США [3] были поставлены специальные исследования. Были проведены полномасштабные огневые испытания железобетонных колонн круглого сечения (L=3734, 0=400мм) усиленных одним слоем однонаправленной углеродной ткани, наклеенной на поверхность колонн с помощью эпоксидного адгезива.

В отличие от обычной практики огнезащиты железобетонных или стальных конструкций была поставлена задача предотвратить достижение на поверхности углепластика температуры свыше 100°С за расчетную продолжительность времени.

Применение эффективной теплоизоляции усиленных композитами железобетонных конструкций позволило при пожаре сохранить на поверхности углепластика температуру ниже температуры стеклования в течение нескольких часов, что должно было предотвратить отказ системы усиления в этот промежуток времени.

Для огнезащитного покрытия применили специальный состав на основе вермикулита, наносимый набрызгом. Масса теплоизоляционного материала 240-270 кг/м3 при теплопроводности - 0.082 Вт/мС . Поверх этой теплоизоляции наносили тонкий герметизирующий слой вспучивающейся эпоксидной краски. Он предотвращает быстрое испарение содержащейся в теплоизоляции воды при повышении температуры, сохраняя целостность теплоизоляционного слоя.

Были испытаны две колонны, отличавшиеся толщиной тепловой изоляции - 57 мм и 32 мм.

В качестве основного критерия огнестойкости принимали потерю колонной несущей способности. Кроме того, рассматривали возможность отказа системы усиления из-за потери сцепления углепластиковой накладки с поверхностью колонн при деградации адгезива, а также сгорание композита.

Особенностью испытательной схемы было расположение колонн во время огневых испытаний внутри силовой рамы с возможностью передачи на них испытательной нагрузки и ее изменения в ходе опыта. Такие испытания проводились в единственной в Северной Америке специальной печи, воспроизводящей температурные условия реального пожара с достижением температуры 1000°С.

Испытания показали, что для достижения температуры 100°С (условная величина температуры стеклования эпоксидного адгезива) потребовались 180 минут для колонны с изоляцией толщиной 57 мм и 82 мин. для колонны с изоляцией толщиной 32 мм. Эксперимент не мог подтвердить, либо опровергнуть нарушения сцепления композитных накладок с поверхностью колонны. Авторы исследований лишь высказывают предположение о возможном повышении «температурной устойчивости» адгезива при его работе совместно с углеродной тканью внутри композитной структуры. В этом случае фактическая огнестойкость конструкции будет соответствовать более высокой температуре на поверхности усиливающей накладки и будет обеспечена при большей продолжительности огневого воздействия.

Возгорание композита на обеих колоннах отмечалось после 5 часового огневого воздействия.

В целом обе испытываемые колонны показали более чем 5 часовую огнестойкость. Отказ колонны (разрушение) произошел после увеличения испытательной нагрузки через 5,5 часов приблизительно на 180% против рабочей.

В дальнейшем аналогичные исследования были проведены на натурных колоннах квадратного сечения (406х406х3800 мм), Т-образных балках и плитах толщиной 150 мм [4]. На рис. 6 приведены результаты измерения температур в огневой камере и по показаниям термопар, установленных на поверхности теплоизоляции, в клеевом слое между бетоном и композитной накладкой, а также на поверхности стальной арматуры внутри колонны. Видно, что при использовании изоляции толщиной 57 мм температура композита не превышала 80° (т.е. была в пределах температуры стеклования) в течении 4-х часов. Полученные результаты подтвердили возможность применения композитных материалов для испытанных конструкций с достижением более чем 4-х часовой огнестойкости при соответствующей огнезащите.

Результаты проведенных полномасштабных исследований свидетельствуют о высокой

эффективности внешнего армирования железобетонных конструкций усиливающими накладками из углеродной ткани не только для повышения их несущей способности, но для увеличения упругости и вязкости конструктивных систем. Эти свойства являются определяющими в системе мер, предотвращающих внезапное обрушение зданий и сооружений при природных и технических катастрофах, а также в случае террористических действий.

Рис. 6. Изменение роста температуры при пожаре в различных точках сечения колонны

Имеющиеся на российском рынке огнезащитные покрытия обладают теплоизоляционными характеристиками, не ниже использованных в приведенных исследованиях и вполне могут быть применимы для решения проблемы обеспечения огнестойкости конструкций с внешним армированием.

Применение эффективной теплоизоляции усиленных композитами железобетонных конструкций позволяет при пожаре сохранить на поверхности углепластика температуру ниже температуры стеклования в течение нескольких часов, что должно предотвратить отказ системы усиления в этот промежуток времени.

Расширяющееся использование композитных материалов для внешнего усиления железобетонных конструкций с целью противодействия различным чрезвычайным ситуациям находит все большее отражение в специальной нормативной и инструктивной литературе, выпускаемой авторитетными организациями в Северной Америке и Европе. В частности крупнейшая независимая лаборатория Underwriters Laboratories, Inc. сертифицирующая продукцию по критериям безопасности (в первую очередь - пожаробезопасности) в своих Руководствах и Справочниках предусматривает усиление железобетонных балок и колонн с огнезащитой, обеспечивающей 4-х часовой период огнестойкости.

Кроме того, метод внешнего армирования железобетонных конструкций композитными материалами рассматривается как одна из эффективных мер в "Руководстве по снижению опасности террористических атак на здания (FEMA - 426) ", выпущенном в США Федеральным Агентством по чрезвычайным ситуациям.

Отечественные исследования в области внешнего армирования конструкций композитными материалами как в целом, так, в особенности, в части их взрыво- и пожаробезопасности пока что не сопоставимы с проводимыми на Западе масштабными и дорогостоящими работами. В то же время повышение этажности, сложности и ответственности возводимых в России зданий и сооружений бесспорно требуют учета современных достижений в области обеспечения их безопасности. В этом направлении целесообразно использовать подробные публикации результатов проводимых за рубежом научно-экспериментальных работ, а композиционные материалы должны занять подобающее место в соответствующих инструктивных и нормативных документах, включая нормы проектирования для московских высотных зданий.

Литература

1.    Crawford J.E., Malvar L.J. Morrill K.B., Ferritto J.M. Composite Retrofits to Increase the Blast Resistance of Reinforced Concrete Buildings. P-01-13 Presented at the Tenth International Symposium on Interaction of the Effects of Munitions with Structures, May 2001. p.22.

2.    Lu B., Silva P., Nanni A., Baird J. Retrofit for Blast-Resistant RC Slabs with Composite Materials. SP-230-76. 7-th International Symposium "Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Reinforcement for Concrete Structures.

3.    Bisby L.A., Kodur V.K.R., Green M.F. Fire Endurance if Fiber -Reinforced Polymer- Confined Concrete Columns. ACI Structural Journal. November-December 2005, pp. 883-891

4.    Kodur V., Bisby L.A., Green M.F. FRP Retrofitted Concrete under Fire Conditions. Performance verification of insulated reinforced concrete members/ Concrete International. December 2006, pp. 37-43.