Комплексная экспертиза строительных конструкций и расчет пределов огнестойкости: методология, нормативная база и технические решения

В современном мире, где темпы строительства постоянно ускоряются, а архитектурные решения становятся все более сложными, вопросы безопасности зданий и сооружений выходят на первый план. Среди множества аспектов безопасности, пожарная безопасность занимает одно из центральных мест, поскольку пожары представляют собой одну из наиболее серьезных угроз для жизни, здоровья людей и сохранности имущества. Согласно статистике, значительная часть ущерба от пожаров приходится на разрушение или повреждение строительных конструкций, что подчеркивает критическую важность их огнестойкости.

Целью данной курсовой работы является глубокое исследование методологии, нормативно-правовой базы и практических аспектов проведения экспертизы строительных конструкций здания, с особым акцентом на определение и расчет пределов огнестойкости различных элементов, а также разработка соответствующих технических решений по результатам оценки. Представленный материал структурирован таким образом, чтобы обеспечить комплексное понимание темы: от законодательных основ и процедур обследования до сложных инженерных расчетов и практических методов повышения огнестойкости. Это исследование призвано не только систематизировать имеющиеся знания, но и углубить их, раскрывая нюансы и детали, которые зачастую остаются за рамками общих обзоров. В конечном итоге, всестороннее изучение этих вопросов является залогом создания безопасной и надежной строительной среды, способной противостоять вызовам чрезвычайных ситуаций.

Нормативно-правовая база обеспечения пожарной безопасности и экспертизы в строительстве

Правовое поле, регулирующее строительную деятельность и вопросы пожарной безопасности в Российской Федерации, представляет собой многоуровневую систему, где каждый документ играет свою ключевую роль, обеспечивая комплексный подход к защите объектов. Основой этой системы являются федеральные законы, детализированные в сводах правил, ГОСТах и постановлениях Правительства, и именно понимание их взаимосвязи позволяет эффективно обеспечить безопасность.

Федеральный закон № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности»

Центральное место в системе нормативно-правового регулирования пожарной безопасности занимает Федеральный закон от 22 июля 2008 года № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности». Этот документ не просто устанавливает общие требования, но и определяет принципы технического регулирования, направленные на защиту жизни, здоровья, имущества граждан и юридических лиц, а также государственного и муниципального имущества от пожаров.

ФЗ № 123-ФЗ охватывает широкий спектр вопросов, начиная от требований к размещению взрывопожароопасных объектов (Статья 66) и обеспечению наружного противопожарного водоснабжения (Статья 68), до регламентации документации на производственные объекты (Статья 92). Одним из ключевых нововведений данного закона стал принцип декларирования пожарной безопасности, который переносит основную ответственность за ее обеспечение непосредственно на собственников объектов защиты, стимулируя их к проактивной позиции.

Особое значение для экспертизы строительных конструкций имеют Статьи 35 и 36, которые устанавливают классификацию строительных конструкций по огнестойкости и пожарной опасности соответственно. Статья 87 и Таблица № 21 Технического регламента являются фундаментальными для определения требуемых пределов огнестойкости, задавая количественные параметры, которым должны соответствовать конструкции, чтобы обеспечить необходимый уровень безопасности, а значит, и готовность объекта к эксплуатации.

Свод правил СП 2.13130.2020 «Системы противопожарной защиты. Обеспечение огнестойкости объектов защиты»

В развитие положений ФЗ № 123-ФЗ был разработан Свод правил СП 2.13130.2020 «Системы противопожарной защиты. Обеспечение огнестойкости объектов защиты». Этот документ является практическим руководством, устанавливающим общие требования по обеспечению огнестойкости различных объектов, включая здания, сооружения и пожарные отсеки.

СП 2.13130.2020 применяется на всех ключевых стадиях жизненного цикла объекта: при проектировании, строительстве, капитальном ремонте и реконструкции. Он также становится актуальным при любых работах, связанных с полной или частичной заменой строительных конструкций, а также в случае изменения класса функциональной пожарной опасности объектов защиты, что подчеркивает его универсальность. Разработка этого свода правил осуществлялась ведущим экспертным центром — ФГБУ ВНИИПО МЧС России, что гарантирует его высокую методологическую точность и актуальность.

Постановление Правительства РФ от 16.02.2008 № 87 «О составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию»

Прежде чем объект будет построен и сдан в эксплуатацию, его безопасность, в том числе пожарная, должна быть тщательно проработана на этапе проектирования. Именно здесь вступает в силу Постановление Правительства РФ от 16.02.2008 № 87 «О составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию». Оно устанавливает унифицированный состав разделов проектной документации, подлежащей экспертизе, и гарантирует, что все аспекты безопасности будут учтены.

Проектная документация, согласно этому постановлению, состоит из текстовой и графической частей, которые могут быть представлены как в традиционной форме, так и в виде информационной модели. Среди множества разделов, таких как «Пояснительная записка», «Схема планировочной организации земельного участка», «Архитектурные решения», «Конструктивные и объемно-планировочные решения», для пожарной безопасности ключевым является Раздел 9 «Мероприятия по обеспечению пожарной безопасности».

Этот раздел включает в себя как текстовую, так и графическую части. Текстовая часть должна содержать:

• Подробное описание системы обеспечения пожарной безопасности объекта.
• Обоснование противопожарных расстояний между зданиями и сооружениями.
• Описание проектных решений по наружному противопожарному водоснабжению и проездам для пожарной техники.
• Обоснование требуемой степени огнестойкости и класса конструктивной пожарной опасности здания.
• Перечень мероприятий, направленных на обеспечение безопасности людей при пожаре и на создание условий для работы подразделений пожарной охраны.

Графическая часть Раздела 9 включает:

• Ситуационный план земельного участка, отображающий расположение объекта с учетом противопожарных разрывов.
• Схемы эвакуации людей из здания при пожаре.
• Структурные схемы технических систем противопожарной защиты (например, автоматической пожарной сигнализации, систем оповещения и управления эвакуацией, пожаротушения).

Такая детализация требований к проектной документации позволяет на ранних этапах выявить и устранить потенциальные риски, обеспечивая комплексный подход к пожарной безопасности, что в конечном итоге снижает общую стоимость строительства и эксплуатации.

ГОСТ Р 53307-2009 «Конструкции строительные. Противопожарные двери и ворота. Метод испытаний на огнестойкость»

Конкретные элементы строительных конструкций, такие как двери и ворота, играют важную роль в локализации пожара и предотвращении его распространения. Их огнестойкость регламентируется ГОСТ Р 53307-2009 «Конструкции строительные. Противопожарные двери и ворота. Метод испытаний на огнестойкость». Этот стандарт устанавливает унифицированный метод испытаний на огнестойкость различных типов дверей, ворот и люков, предназначенных для заполнения проемов в противопожарных преградах.

Разработанный совместными усилиями ФГУ ВНИИПО МЧС России и ГУП ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, данный ГОСТ обеспечивает методическую базу для оценки фактического поведения этих элементов в условиях пожара. Критически важным аспектом является требование о соответствии температурного режима в печи при проведении испытаний положениям ГОСТ 30247.0-94 «Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования», что гарантирует стандартизированные и сопоставимые результаты, а значит, и надежность противопожарных преград.

Методология и этапы проведения комплексной экспертизы строительных конструкций

Техническое обследование строительных конструкций является комплексным и многоступенчатым процессом, направленным на выявление истинного состояния объекта, его безопасности и соответствия нормативным требованиям. Это своего рода «медицинский осмотр» здания, позволяющий своевременно диагностировать «болезни» и предложить «лечение».

Цели и задачи технического обследования

Основная цель технического обследования строительных конструкций — определение безопасности эксплуатации и текущего состояния строительного объекта. Это достигается путем выявления дефектов и повреждений, которые могли возникнуть в процессе эксплуатации, воздействия внешних факторов или в результате некачественного строительства. По итогам обследования специалисты оценивают пригодность конструкций к дальнейшему использованию или, в критических случаях, выносят решение о необходимости закрытия объекта или его сноса.

Задачи обследования многообразны и включают:

• Оценку фактической несущей способности элементов.
• Выявление скрытых дефектов, невидимых при визуальном осмотре.
• Определение причин возникновения деформаций и разрушений.
• Прогноз остаточного срока службы конструкций.
• Разработку рекомендаций по усилению, ремонту или реконструкции.

Основные этапы проведения экспертизы

Процесс экспертизы представляет собой логическую последовательность действий:

1. Предварительный (подготовительный) этап: Включает сбор и анализ проектной, исполнительной и эксплуатационной документации. Это могут быть архитектурно-строительные чертежи, данные о прошлых ремонтах, акты скрытых работ, геологические изыскания. На этом этапе формируется общее представление об объекте и определяются основные направления дальнейших исследований.
2. Визуальный осмотр: Первичный, но крайне важный этап. Специалисты осматривают здание в целом и отдельные конструкции, фиксируя видимые дефекты: трещины, прогибы, разрушения защитного слоя, коррозию арматуры, признаки увлажнения. Результаты визуального осмотра документируются фотографиями и схемами.
3. Технический осмотр с использованием специального инструментария: Для более глубокой оценки состояния применяются специализированные приборы. Например, нивелиры (Н-3, Н-10, НА-1) и теодолиты (Т-2, Т-15, ТаН) используются для определения деформаций, кренов и отклонений конструкций от проектного положения. Прогибомеры позволяют измерить фактические прогибы балок и плит. Термометры, гигрометры, анемометры помогают оценить микроклимат в помещениях и температурно-влажностный режим, что важно для долговечности материалов. Для определения прочности бетона применяются такие приборы, как УК-10ПМ, «Бетон-12», «Бетон-5», «Бетон-8УРЦ», работающие по методам ударного импульса или ультразвука.
4. Замеры объекта: Производится уточнение геометрических параметров конструкций, их сечений, расположения элементов, а также размеров дефектов.
5. Проверочные расчеты несущей способности: На основании полученных данных, характеристик материалов и действующих нагрузок выполняются расчеты для подтверждения или опровержения достаточной несущей способности конструкций в соответствии с актуальными нормативными документами.

Методы исследования строительных конструкций

Для получения максимально полной и достоверной информации о состоянии конструкций используются различные методы исследования, которые делятся на неразрушающие и частично разрушающие.

Неразрушающие методы:

• Ультразвуковой метод: Широко применяется для выявления скрытых дефектов, определения прочности бетона (по скорости прохождения ультразвука), контроля толщины металлоконструкций и качества сварных швов.
• Акустический метод: Позволяет обнаруживать внутренние дефекты по изменению звуковых характеристик материала.
• Радиометрический метод: Используется для определения плотности бетона и камня, контроля однородности материалов.
• Нейтронное обследование: Применяется для обнаружения влаги в бетоне и других материалах.
• Электрооптический метод: Позволяет определять параметры вибрации конструкций, что важно для оценки их динамической устойчивости.
• Электромагнитный/георадиолокационный методы: Используются для исследования фундаментов, грунтов основания, определения глубины залегания коммуникаций и поиска арматуры в бетоне без вскрытия.

Частично разрушающие методы:

Эти методы предполагают локальное воздействие на конструкцию с последующим восстановлением.

• Отрыв со скалыванием: Метод для определения прочности бетона путем создания локального выкола участка конструкции и измерения усилия, необходимого для этого.
• Метод сдавливания: Оценка прочности бетона по усилию, необходимому для вдавливания штампа в поверхность материала.
• Извлечение кернов: Один из наиболее точных методов. Из конструкции с помощью специального оборудования извлекаются образцы (керны), которые затем подвергаются лабораторным испытаниям на прочность бетона, химический состав, определение характеристик арматуры. Этот метод дает наиболее полную картину свойств материала.

Оформление результатов экспертизы

Кульминацией комплексной экспертизы является формирование экспертного заключения, которое должно быть максимально информативным, структурированным и содержать обоснованные выводы и рекомендации.

Экспертное заключение, как правило, включает следующие разделы:

• Общие сведения об объекте: Адрес, статус (жилое, общественное, промышленное), этажность, тип конструктивной схемы, год постройки.
• Информация о собственности и участниках проекта: Данные о собственнике, компаниях, проводивших проектирование и строительство.
• Основные параметры и категория технического состояния: Ключевой раздел, где указывается одна из четырех категорий технического состояния:
  • Нормативное: Конструкции соответствуют проектным требованиям и нормам.
  • Работоспособное: Имеются незначительные дефекты, не влияющие на несущую способность и безопасность, но требующие периодического контроля.
  • Ограниченно работоспособное: Выявлены дефекты и повреждения, снижающие несущую способность, но не представляющие угрозы внезапного обрушения. Требуются срочные меры по устранению проблем.
  • Аварийное: Состояние, при котором несущая способность конструкций исчерпана, и существует реальная угроза обрушения. Эксплуатация такого здания категорически запрещена. При выявлении аварийного состояния эксперт обязан немедленно сообщить об этом собственнику, в органы исполнительной власти и строительного надзора.
• Выявленные дефекты и их возможные причины: Детальное описание всех обнаруженных дефектов с анализом причин их возникновения.
• Рекомендации: Перечень мероприятий по устранению дефектов, усилению конструкций, ремонту или реконструкции, а также рекомендации по дальнейшей эксплуатации.

К заключению эксперта обязательно прилагается пакет подтверждающих документов:

• Схемы и чертежи объекта, отражающие текущее состояние.
• Фотографии обнаруженных повреждений.
• Описание местности, геологических условий, грунтов основания.
• Результаты лабораторных исследований образцов материалов.

По окончании комплекса мероприятий специалистами выдается Акт технического обследования (осмотра) здания или сооружения, который служит официальным основанием для принятия решений о дальнейшей эксплуатации, ремонте или реконструкции объекта. Для объектов с массовым пребыванием людей или зданий высотой более 28 метров также может требоваться заключение о соответствии объекта требованиям пожарной безопасности перед приемкой в эксплуатацию, что подчеркивает взаимосвязь строительной и пожарной экспертизы.

Классификация огнестойкости и пожарной опасности строительных конструкций и материалов

Для эффективного обеспечения пожарной безопасности необходимо четко понимать, как различные строительные конструкции и материалы реагируют на воздействие огня. Для этого существует строгая классификация, регламентированная нормативными документами.

Понятие огнестойкости и предельные состояния

Огнестойкость — это ключевая характеристика строительной конструкции, отражающая ее способность сопротивляться воздействию огня и высоких температур, сохраняя при этом свои несущие, защитные и теплоизолирующие функции в течение определенного времени.

Это не просто статичное свойство, а динамический процесс, который завершается достижением одного из предельных состояний.

Предел огнестойкости является количественной характеристикой огнестойкости и измеряется в минутах. Отсчет начинается с момента начала огневого воздействия при проведении стандартизированных пожарных испытаний и продолжается до возникновения одного из предельных состояний конструкции.

Согласно статье 35 Федерального закона № 123-ФЗ, пожарно-техническая классификация по огнестойкости различает три основных предельных состояния:

• R (потеря несущей способности): Это состояние наступает, когда конструкция обрушается или достигает предельных деформаций, при которых она перестает выполнять свои несущие функции. Для несущих элементов это критическое состояние, непосредственно угрожающее целостности здания.
• E (потеря целостности): Характеризуется образованием в конструкции сквозных трещин или отверстий, через которые на необогреваемую поверхность проникают продукты горения или пламя. Это означает, что конструкция больше не способна эффективно сдерживать распространение пожара, что открывает путь огню в соседние помещения.
• I (потеря теплоизолирующей способности): Данное состояние возникает, когда температура на необогреваемой поверхности конструкции повышается до предельных значений или когда достигается предельная величина плотности теплового потока. Это указывает на то, что конструкция перестает эффективно изолировать тепло, и огонь может распространиться путем нагрева смежных горючих материалов, даже без прямого контакта с пламенем.

Обозначение предела огнестойкости представляет собой комбинацию букв, обозначающих нормируемые для данной конструкции предельные состояния, и цифры, указывающей время огневого воздействия стандартного пожара в минутах. Например:

• REI 30: Конструкция сохраняет несущую способность, целостность и теплоизолирующую способность в течение 30 минут.
• R 120: Конструкция сохраняет только несущую способность в течение 120 минут (для колонн, ферм).
• RE 60: Конструкция сохраняет несущую способность и целостность в течение 60 минут (для некоторых стен).

Степени огнестойкости зданий и сооружений

Классификация зданий, сооружений и пожарных отсеков по степени огнестойкости является комплексной оценкой, которая определяется пределами огнестойкости основных строительных конструкций и пределами распространения огня по этим конструкциям. Статьи 30 и 87 Федерального закона № 123-ФЗ устанавливают пять степеней огнестойкости: I, II, III, IV и V.

Требования к пределам огнестойкости для различных элементов здания значительно варьируются в зависимости от степени огнестойкости, что отражено в следующей таблице.

Степень огнестойкости	Несущие элементы здания (колонны, стены, фермы и т.д.)	Наружные ненесущие стены	Междуэтажные перекрытия (в т.ч. чердачные и над подвалами/цоколями)	Конструкции бесчердачных покрытий (фермы, балки, прогоны)	Стены лестничных клеток	Марши и площадки лестниц
I	R 120	E 30	REI 60	RE 30, R 30	REI 120	R 60
II	R 90	E 15	REI 45	RE 15, R 15	REI 90	R 60
III	R 45	E 15	REI 45	RE 15, R 15	REI 60	R 45
IV	R 15	E 15	REI 15	RE 15, R 15	REI 30	R 15
V	Не нормируется	Не нормируется	Не нормируется	Не нормируется	Не нормируется	Не нормируется

Примечание: «Не нормируется» означает, что к данным конструкциям не предъявляются обязательные требования по пределам огнестойкости, однако они должны соответствовать требованиям по нераспространению огня.

Как видно из таблицы, здания I степени огнестойкости предъявляют самые высокие требования к пределам огнестойкости всех основных конструктивных элементов, обеспечивая максимальный уровень пожарной безопасности. В то же время, V степень огнестойкости характеризуется отсутствием нормируемых пределов для большинства конструкций, что предполагает более высокие риски при пожаре и требует компенсационных мероприятий, таких как системы пожаротушения или быстрая эвакуация.

Классификация строительных материалов по пожарной опасности

Помимо огнестойкости конструкций, критически важной является пожарная опасность самих строительных материалов. Она характеризуется рядом параметров, которые определяют, как материал будет вести себя при воздействии огня. Федеральный закон № 123-ФЗ (Статья 36) и другие нормативные документы устанавливают следующую классификацию:

1. По горючести:
   • НГ (негорючие): Материалы, неспособные к горению при стандартных испытаниях (например, бетон, кирпич, сталь).
   • Г1 (слабогорючие): Материалы, имеющие температуру дымовых газов ≤ 135 °C, степень повреждения по массе ≤ 50% и степень повреждения по длине ≤ 65%, не образующие горящих капель расплава.
   • Г2 (умеренногорючие): Материалы, имеющие температуру дымовых газов ≤ 235 °C, степень повреждения по массе ≤ 50% и степень повреждения по длине ≤ 85%, не образующие горящих капель расплава.
   • Г3 (нормальногорючие): Материалы, имеющие температуру дымовых газов ≤ 335 °C, степень повреждения по массе ≤ 50% и степень повреждения по длине > 85%, не образующие горящих капель расплава.
   • Г4 (сильногорючие): Материалы, имеющие температуру дымовых газов > 335 °C, степень повреждения по массе > 50% и/или степень повреждения по длине > 85%, или образующие горящие капли расплава.
2. По воспламеняемости:
   • В1 (трудновоспламеняемые): Материалы, способные к самостоятельному горению только при интенсивном воздействии источника зажигания.
   • В2 (умеренновоспламеняемые): Материалы, способные к самостоятельному горению при менее интенсивном воздействии источника зажигания.
   • В3 (легковоспламеняемые): Материалы, легко воспламеняющиеся даже от слабого источника зажигания.
3. По способности распространять пламя по поверхности (для поверхностных материалов):
   • РП1 (нераспространяющие): Не способные к распространению пламени.
   • РП2 (слабораспространяющие): Распространение пламени ограничено.
   • РП3 (умереннораспространяющие): Распространение пламени в умеренной степени.
   • РП4 (сильнораспространяющие): Пламя распространяется быстро и на значительные расстояния.
4. По дымообразующей способности:
   • Д1 (с малой дымообразующей способностью): Коэффициент дымообразования до 50 м²/кг.
   • Д2 (с умеренной дымообразующей способностью): Коэффициент дымообразования от 50 до 500 м²/кг.
   • Д3 (с высокой дымообразующей способностью): Коэффициент дымообразования более 500 м²/кг.
5. По токсичности продуктов горения:
   • Т1 (малоопасные): Индекс токсичности более 140 г/м³.
   • Т2 (умеренноопасные): Индекс токсичности от 40 до 140 г/м³.
   • Т3 (высокоопасные): Индекс токсичности от 13 до 40 г/м³.
   • Т4 (чрезвычайно опасные): Индекс токсичности менее 13 г/м³.

Тщательное знание этих классификаций позволяет проектировщикам и экспертам выбирать оптимальные материалы и конструктивные решения, минимизируя риски возникновения и распространения пожара, а также обеспечивая безопасность людей при эвакуации, что является приоритетной задачей.

Расчетные методы определения фактической огнестойкости железобетонных и стальных конструкций

Определение предела огнестойкости строительных конструкций является одной из наиболее сложных и ответственных задач в инженерной практике. Этот процесс может осуществляться двумя основными путями: путем проведения натурных огневых испытаний или посредством расчетно-аналитических методов. В условиях проектирования и экспертизы чаще всего прибегают к расчетам, которые требуют глубокого понимания физики процесса и точных исходных данных.

Общие принципы расчета пределов огнестойкости

Предел огнестойкости строительных конструкций, как уже упоминалось, определяется в минутах от начала огневого испытания или расчетного воздействия при стандартном температурном режиме до наступления одного из нормируемых предельных состояний (R, E, I). Ключевым элементом любого расчета огнестойкости является понятие стандартного температурного режима пожара.

Этот режим является унифицированным для большинства зданий и сооружений и характеризуется определенной зависимостью температуры в очаге пожара от времени. Стандартная температурно-временная кривая (ТВК) описана в ГОСТ 30247.0-94 «Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования» (и его аналогах, таких как ЕН 1363-1). Она часто выражается следующей эмпирической формулой:

Т = 345 ⋅ log10 (8t + 1) + 20

Где:

• Т — температура в печи или очаге пожара в °C;
• t — время от начала огневого воздействия в минутах.

Эта формула позволяет моделировать рост температуры в условиях развивающегося пожара и использовать ее в качестве входных данных для дальнейших теплотехнических и прочностных расчетов.

Расчет огнестойкости стальных конструкций

Стальные конструкции, несмотря на свою негорючесть, обладают высокой теплопроводностью и низкой теплоемкостью, что делает их уязвимыми к воздействию высоких температур. При нагреве сталь быстро теряет свои прочностные характеристики, что может привести к потере несущей способности. В общем случае, стальные конструкции без дополнительной огнезащиты имеют предел огнестойкости около 15 минут.

Расчетно-аналитический метод определения пределов огнестойкости стальных конструкций включает совместное решение двух основных задач:

1. Теплотехническая задача: Ее целью является определение времени прогрева стальных конструкций (с огнезащитой или без нее) от начала температурного воздействия (по стандартной ТВК) до достижения критической температуры. Эта задача связана с теплопередачей и теплоаккумуляцией в элементах конструкции.
2. Прочностная задача: Цель прочностной задачи — определение критической температуры стальной несущей конструкции. Критическая температура — это температура, при достижении которой наступает предельное состояние по потере несущей способности, как правило, в результате образования пластического шарнира. Для конструкционной стали критическая температура обычно находится в диапазоне 450-500 °C, когда прочность стали значительно снижается.

Для оценки собственного предела огнестойкости стальных конструкций часто используется показатель приведенной толщины металла (ПТМ). Этот параметр учитывает соотношение площади поперечного сечения элемента к его периметру, подверженному огневому воздействию.

ПТМ = S / P

Где:

• S — площадь поперечного сечения профиля в мм²;
• P — периметр обогреваемой части сечения в мм.

Чем больше приведенная толщина металла, тем медленнее прогревается конструкция и, соответственно, тем выше ее огнестойкость.

Расчет огнестойкости железобетонных конструкций

Железобетонные конструкции обладают значительно большей огнестойкостью по сравнению со стальными благодаря теплоизолирующим свойствам бетона. Однако и они подвержены разрушению при длительном воздействии высоких температур.

Расчетную оценку собственного предела огнестойкости несущих железобетонных конструкций необходимо выполнять с учетом действия нормативных проектных нагрузок и положений СП 63.13330.2012 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения».

Для расчета предела огнестойкости железобетонных конструкций требуется знание распределения температур по бетону поперечного сечения элемента от воздействия стандартного температурного режима пожара (по ГОСТ 30247.0). Это сложная задача, связанная с тепломассопереносом внутри неоднородного материала.

Решение задачи нестационарной теплопроводности для бетона сводится к определению температуры в любой точке поперечного сечения элемента для конкретных промежутков времени от начала нагрева. Функциональная зависимость температуры в твердых телах от времени описывается дифференциальным уравнением теплопроводности (уравнением Фурье) при нелинейных граничных условиях и сложном процессе тепло- и массопереноса.

В общем виде для изотропной среды это уравнение выглядит так:

∂T / ∂t = a ⋅ (∂²T / ∂x² + ∂²T / ∂y² + ∂²T / ∂z²) + q / (ρ⋅c)

Где:

• T — температура;
• t — время;
• a — коэффициент температуропроводности;
• x, y, z — пространственные координаты;
• q — удельная мощность внутренних источников тепла;
• ρ — плотность;
• c — удельная теплоемкость.

Для упрощенных одномерных случаев (например, прогрев плиты по толщине) уравнение сводится к:

∂T / ∂t = a ⋅ ∂²T / ∂x²

Важным аспектом является критическая температура нагрева арматуры t_сr. При достижении этой температуры арматура теряет свою прочность, что приводит к потере несущей способности железобетонного элемента. Ориентировочные значения критической температуры арматуры в растянутой зоне изгибаемых железобетонных элементов составляют:

• Для горячекатаной арматуры — 500 °C.
• Для холоднодеформированной арматуры — 400 °C.

Применение программных комплексов для расчета огнестойкости

Сложность теплотехнических и прочностных расчетов, особенно для нестандартных конструкций или при учете множества факторов, требует использования специализированного программного обеспечения. Современные программные комплексы, такие как «ЛИРА САПР», SOFiSTiK, предоставляют инженерам мощные инструменты для выполнения расчетов прогрева сечений железобетонных и стальных конструкций.

Эти программы позволяют:

• Моделировать температурные поля в конструкциях с учетом стандартных и нестандартных температурных режимов пожара.
• Учитывать изменение физико-механических свойств материалов (прочности, модуля упругости) при высоких температурах.
• Проводить нелинейные расчеты по прочности и деформациям.
• Учитывать требования СНиП 21-01-97* и ФЗ-123, что обеспечивает соответствие расчетов действующим нормативным документам.

Использование ПК значительно повышает точность и скорость расчетов, а также позволяет инженерам оптимизировать конструктивные решения и подбирать эффективные средства огнезащиты, что является критически важным в условиях сжатых сроков проектирования.

Факторы, влияющие на огнестойкость строительных материалов и конструкций

Огнестойкость строительных конструкций — это не просто статическая величина, а результат сложного взаимодействия множества факторов, как внутренних, присущих самим материалам, так и внешних, связанных с условиями пожара и эксплуатацией здания. Понимание этих факторов критически важно для проектирования безопасных сооружений и проведения эффективной экспертизы.

Внутренние факторы, влияющие на огнестойкость материалов

Поведение строительных материалов при пожаре в значительной степени определяется их внутренними характеристиками:

1. Происхождение и технология изготовления: Например, природные камни с различными минеральными составами будут по-разному реагировать на нагрев. Технология производства бетона, включающая тип цемента, заполнителей и режимы твердения, напрямую влияет на его плотность, пористость и, как следствие, на теплоизолирующие свойства.
2. Состав материала: Этот фактор играет решающую роль.
   • Металл, хотя и является негорючим материалом, при воздействии температур в диапазоне 450–500 °C теряет до 50% своей прочности. Это критическая точка, после которой стальные конструкции могут быстро деформироваться и привести к обрушению.
   • Бетон с кремнеземистым заполнителем склонен к разрушению при 500-600 °C из-за фазовых переходов кварца, тогда как бетон с карбонатным заполнителем (известняк) более устойчив.
   • Наличие в составе полимеров (в утеплителях, отделочных материалах) определяет их горючесть, токсичность продуктов горения и дымообразующую способность.
3. Структура материала:
   • Ячеистая и пористая структура (например, у газобетона, пенобетона, легких бетонов) обеспечивает лучшую теплоизоляцию за счет воздушных пор, но может иметь меньшую механическую прочность при высоких температурах по сравнению с плотными материалами.
   • Плотная структура (тяжелый бетон, гранит) лучше сопротивляется прямому пламени, но может быть подвержена хрупкому разрушению при резком нагреве из-за внутренних напряжений.
4. Физические свойства:
   • Плотность: Чем выше плотность материала, тем больше тепла он может аккумулировать (при прочих равных условиях), но и тем дольше он будет прогреваться. Однако плотные материалы могут быть более склонны к хрупкому разрушению при температурных деформациях.
   • Влажность: Увеличение влажности конструкций обычно способствует уменьшению скорости прогрева и повышению огнестойкости, так как для испарения воды требуется значительное количество тепловой энергии. Однако повышенная влажность тяжелых бетонов (более 3,5%) может привести к обратному эффекту: при быстром нагреве водяной пар, не имея возможности выйти из пор, создает избыточное давление, что может вызвать внезапное хрупкое разрушение материала или появление местных выколов (эффект «взрывного скалывания»), особенно для бетонных и асбестоцементных конструкций.
   • Пористость: Влияет на теплопроводность, газопроницаемость и возможность проникновения огня.

Влияние внешних условий и нагрузок

Помимо внутренних свойств, на огнестойкость влияют и внешние факторы:

1. Нагрузка на конструкцию: Это один из наиболее значимых факторов. Предел огнестойкости нагруженных конструкций уменьшается с увеличением нагрузки. При высоких температурах прочность материалов снижается, и даже нормативные нагрузки могут стать критическими. Чем ближе нагрузка к предельной несущей способности конструкции в нормальных условиях, тем быстрее наступит предельное состояние при пожаре.
2. Температурный режим пожара: Интенсивность и продолжительность огневого воздействия напрямую определяют скорость прогрева конструкции и время до достижения критических температур. Стандартный температурный режим является лишь приближением к реальному пожару, который может быть более или менее интенсивным.
3. Геометрические параметры и конфигурация: Толщина сечения, форма элемента, наличие углов и выступов влияют на скорость прогрева. Массивные конструкции, как правило, более огнестойки.
4. Условия теплообмена: Наличие вентиляции, соседство с другими конструкциями, а также наличие огнезащитных покрытий изменяют условия теплообмена и, соответственно, прогрев.

Особое внимание следует уделить поведению стали при нагреве:

• Основные механические свойства стали, определяющие несущую способность стальных конструкций, — это предел текучести (σ_т) и модуль упругости (E). При нагреве их значения значительно снижаются. Например, при 500 °C предел текучести может упасть до 50% от первоначального значения, а модуль упругости — до 20-30%.
• Снижение несущей способности стальных конструкций при нагреве происходит вследствие:
  • Изменения структуры стали: Нагрев вызывает структурные изменения, которые уменьшают прочность.
  • Накопления деформации температурной ползучести: При высоких температурах материал начинает медленно деформироваться под постоянной нагрузкой, даже если напряжение ниже предела текучести. Это ведет к постепенному развитию больших деформаций и потере устойчивости.
  • Влияния температурного расширения: Неравномерный нагрев может вызывать значительные термические напряжения и деформации, приводящие к потере устойчивости элементов (например, изгибу колонн или балок).

Опасные факторы пожара

Помимо разрушения конструкций, пожар представляет собой непосредственную угрозу для людей и имущества за счет ряда опасных факторов, о которых каждый проектировщик и эксплуатационник должен помнить:

• Пламя и искры: Прямое термическое воздействие, вызывающее ожоги и воспламенение горючих материалов.
• Тепловой поток: Излучение тепла от очага пожара, способное вызвать ожоги, возгорание предметов на расстоянии, повышение температуры в соседних помещениях.
• Повышенная температура окружающей среды: Приводит к тепловому удару, потере сознания, термическим повреждениям органов дыхания.
• Повышенная концентрация токсичных продуктов горения и термического разложения: Угарный газ (CO), синильная кислота (HCN), хлористый водород (HCl) и другие токсичные газы являются основной причиной гибели людей при пожарах.
• Пониженная концентрация кислорода: Выгорание кислорода в помещении приводит к гипоксии, удушью.
• Снижение видимости в дыму: Дым затрудняет эвакуацию, дезориентирует людей и мешает работе пожарных.

Учет всех этих факторов при проектировании и эксплуатации зданий позволяет создавать комплексные системы пожарной безопасности, направленные на защиту как конструкций, так и людей.

Технические решения по повышению огнестойкости и огнезащите строительных конструкций

Повышение огнестойкости строительных конструкций — это комплекс мер, направленных на увеличение времени, в течение которого конструкции способны выполнять свои функции в условиях пожара. Эти меры можно разделить на конструктивные методы и применение специальных огнезащитных покрытий.

Конструктивные методы огнезащиты

Конструктивные методы огнезащиты основаны на изменении самой конструкции или создании на ее поверхности теплоизоляционного слоя, который задерживает прогрев основного материала. Эти методы часто применяются, когда требуется обеспечить высокие пределы огнестойкости или когда объект допускает дополнительное нагружение.

К основным конструктивным методам относятся:

• Штукатурка: Нанесение слоя негорючего штукатурного раствора (цементно-песчаного, гипсового, перлитового, вермикулитового) на поверхность конструкции. Слой штукатурки создает теплоизоляционный барьер, замедляющий прогрев основного материала. Толщина слоя подбирается в зависимости от требуемого предела огнестойкости.
• Отделка бетоном или кирпичом: Это один из наиболее надежных методов для конструкций, допускающих значительное дополнительное нагружение. Стальные или железобетонные элементы могут быть «обмурованы» слоем бетона или кирпичной кладкой. Бетон и кирпич обладают хорошими теплоизолирующими свойствами и высокой температуростойкостью, значительно увеличивая время до достижения критических температур.
• Облицовка специальными плитами: Использование плит из негорючих или трудно горючих материалов, таких как гипсокартонные листы, минераловатные плиты, фиброцементные плиты, силикатно-кальциевые плиты. Эти плиты крепятся к конструкции с помощью каркаса или клеевых составов, создавая защитный экран. При выборе облицовочных материалов важно учитывать их плотность, теплопроводность и огнестойкость.
• Монтаж защитных экранов: Устройство воздушных зазоров или многослойных экранов из листовых материалов, таких как металлические листы с теплоизоляционным слоем. Защитные экраны не только изолируют конструкцию от прямого воздействия огня, но и могут служить в качестве барьера для теплового излучения.

Применение огнезащитных покрытий и составов

Помимо конструктивных методов, широкое распространение получили различные огнезащитные покрытия и составы, которые наносятся непосредственно на поверхность конструкций.

• Огнезащитные составы поверхностного типа: Это могут быть:
  • Вспучивающиеся краски: Это одно из наиболее технологичных решений. При нагревании до определенной температуры (обычно 150-250 °C) краска вспучивается, многократно увеличиваясь в объеме и образуя пористый, теплоизолирующий коксовый слой. Этот слой защищает материал от прямого контакта с огнем, значительно снижает теплопередачу и продлевает время до достижения критической температуры.
  • Несгораемые покрытия: Например, на основе жидкого стекла, минеральных наполнителей, которые при пожаре не вспучиваются, но образуют твердую, огнеупорную корку.
  • Огнезащитные лаки и мастики.
• Пропитка древесины: Для деревянных конструкций применяются огнезащитные пропитки (антипирены), которые при нагревании выделяют негорючие газы или образуют защитную пленку, препятствующую распространению пламени.
• Комбинация нескольких методов: Часто для достижения требуемого предела огнестойкости применяются комбинированные решения, например, штукатурка в сочетании с огнезащитной краской.

Примеры огнезащитных материалов включают:

• Заполнители, стойкие к высоким температурам: Вермикулит, керамзит, базальт (в виде волокон или плит) — эти материалы обладают низкой теплопроводностью и высокой температурой плавления.
• Неорганические вяжущие: Гипс, цемент — являются основой для штукатурных составов и огнезащитных смесей.
• Некоторые полимерные вяжущие и добавки: Входят в состав огнезащитных красок и мастик, повышая общую сопротивляемость системы воздействию огня.

Критически важно, что средства огнезащиты для стальных и железобетонных конструкций следует применять только после оценки предела огнестойкости конструкций с нанесенными средствами огнезащиты по ГОСТ 30247.1-94 «Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции» и ГОСТ 30247.0-94. Это гарантирует, что выбранное решение действительно обеспечивает требуемый уровень безопасности, а не создает ложное чувство защищенности.

Выбор и особенности применения огнезащиты

Выбор оптимального вида огнезащиты — это многофакторная задача, требующая учета:

• Режима эксплуатации объекта защиты: Например, для помещений с высокой влажностью или агрессивной средой требуются влагостойкие и химически стойкие огнезащитные материалы.
• Установленных сроков эксплуатации огнезащитного покрытия: Некоторые покрытия требуют регулярного обновления или контроля состояния.
• Эстетических требований: В общественных зданиях огнезащита должна быть не только эффективной, но и эстетичной.
• Экономической целесообразности.

Ориентировочные значения толщины огнезащитного слоя бетона, необходимого для обеспечения предела огнестойкости стальных конструкций от 0,75 до 2,5 часа (R45 – R150), составляют от 20 до 60 мм, согласно рекомендациям ЦНИИСК им. Кучеренко. Это наглядно демонстрирует эффективность бетонной обмуровки.

Однако существуют и ограничения: тонкослойные огнезащитные покрытия (огнезащитные краски) ограничены в применении для несущих конструкций с приведенной толщиной металла (ПТМ) 5,8 мм и менее в зданиях I и II степеней огнестойкости. Причина в том, что для таких конструкций требуется очень высокий предел огнестойкости, который тонкие покрытия могут не обеспечить из-за ограниченной толщины образующегося коксового слоя. В этих случаях необходимо использовать более массивные или комбинированные методы.

Огнезащита узлов соединений

Особое внимание следует уделять огнезащите узлов соединений стальных конструкций. Эти узлы, как правило, являются наиболее уязвимыми элементами, так как именно здесь концентрируются напряжения, а геометрические особенности могут способствовать более быстрому прогреву. Проектные решения для обеспечения огнестойкости узлов соединений должны быть тщательно обоснованы в проектной и рабочей документации, особенно если они отличаются от решений для соединяемых конструкций. Это может включать дополнительное обертывание огнезащитными материалами, применение специальных огнестойких болтов или сварных соединений, а также усиление прилегающих участков, чтобы не допустить преждевременного разрушения всей конструкции.

Заключение

Проведенное исследование позволило глубоко погрузиться в сложный и многогранный мир экспертизы строительных конструкций и обеспечения их огнестойкости, подтвердив критическую важность комплексного подхода к безопасности зданий и сооружений. Мы рассмотрели теоретические основы, нормативно-правовое регулирование, методики расчетов и практические рекомендации, которые являются фундаментом для создания безопасной и устойчивой строительной среды.

Обобщая полученные знания, можно выделить несколько ключевых выводов:

Во-первых, нормативно-правовая база Российской Федерации, включающая Федеральный закон № 123-ФЗ, СП 2.13130.2020 и Постановление Правительства № 87, формирует исчерпывающую основу для регулирования вопросов пожарной безопасности. Особое внимание к Разделу 9 проектной документации «Мероприятия по обеспечению пожарной безопасности» в Постановлении № 87 подчеркивает необходимость интеграции требований пожарной безопасности на самых ранних этапах проектирования, что исключает дорогостоящие переделки на поздних стадиях.

Во-вторых, методология комплексной экспертизы строительных конструкций, включающая детальные этапы от визуального осмотра до использования сложного инструментария (такого как УК-10ПМ, «Бетон-12», «Бетон-5», «Бетон-8УРЦ») и применения неразрушающих методов, является залогом объективной оценки фактического состояния здания. Классификация технического состояния на нормативное, работоспособное, ограниченно работоспособное и аварийное позволяет четко определить дальнейшие действия по обеспечению безопасности, а не допускать неопределенности в критических ситуациях.

В-третьих, понимание классификации огнестойкости конструкций (R, E, I) и детализированной классификации пожарной опасности строительных материалов (по горючести, воспламеняемости, распространению пламени, дымообразующей способности и токсичности продуктов горения) критически важно для принятия обоснованных инженерных решений. Игнорирование этих параметров может привести к катастрофическим последствиям.

В-четвертых, расчетные методы определения фактической огнестойкости железобетонных и стальных конструкций, основанные на совместном решении теплотехнических и прочностных задач с учетом стандартного температурного режима пожара (формула Т = 345 ⋅ log10 (8t + 1) + 20), критических температур арматуры и приведенной толщины металла, являются неотъемлемой частью современного инженерного анализа. Применение программных комплексов, таких как «ЛИРА САПР», значительно упрощает эти сложные расчеты, повышая их точность и эффективность.

Наконец, детальный анализ факторов, влияющих на огнестойкость (состав, структура, влажность материалов, а также внешние нагрузки), и многообразие технических решений по повышению огнестойкости (конструктивные методы, огнезащитные покрытия и составы, такие как вспучивающиеся краски и минераловатные плиты) предоставляют инженерам широкий арсенал средств для обеспечения требуемого уровня пожарной безопасности.

Значимость комплексного подхода к обеспечению пожарной безопасности невозможно переоценить. Он позволяет не только предотвращать трагические последствия пожаров, но и продлевать срок службы зданий, сохранять материальные ценности и обеспечивать устойчивое развитие строительной отрасли.

Для дальнейших исследований в данной области представляется перспективным изучение новых огнезащитных материалов с улучшенными характеристиками, разработка адаптивных систем пожарной защиты, а также совершенствование методик оценки огнестойкости с учетом реальных сценариев пожаров и климатических изменений. Также актуальным остается вопрос интеграции информационного моделирования зданий (BIM) с системами пожарной безопасности для повышения эффективности проектирования и эксплуатации.

Список использованной литературы

1. СНиП 2.09.02-85*. Производственные здания.
2. СНиП 2.03.01-84. Бетонные и железобетонные конструкции.
3. Федеральный закон от 22.07.2008 N 123-ФЗ (ред. от 25.12.2023) «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».
4. Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре: методические указания и варианты контрольных работ для слушателей 3 курса очной и заочной форм обучения. Раздел 2. Здания, сооружения, строительные конструкции и их огнестойкость. Екатеринбург, 2005.
5. СП 2.13130.2020. Системы противопожарной защиты. Обеспечение огнестойкости объектов защиты.
6. Постановление Правительства РФ от 16.02.2008 N 87 (ред. от 27.05.2023) «О составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию».
7. ГОСТ Р 53307-2009. Конструкции строительные. Противопожарные двери и ворота. Метод испытаний на огнестойкость.
8. Теребнёв В.В., Артемьев Н.С., Думилин А.И. Противопожарная защита и тушение пожаров. Книга 1: Жилые и общественные здания и сооружения. М.: Пожнаука, 2006.
9. Теребнев В.В., Артемьев Н.С., Корольченко Д.А., Подгрушный А.В., Фомин В.И., Грачев В.А. Противопожарная защита и тушение пожаров. Книга 2: Промышленные здания и сооружения. М.: Пожнаука, 2006.