Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

Огнестойкая арматура – миф или реальность?

В рубрику "Пожарная безопасность" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Огнестойкая арматура – миф или реальность?

Арматура и арматурные изделия являются неотъемлемой составляющей железобетона, от качества которой зависит прочность и надежность железобетонных конструкций. Стержневая арматура составляет основной объем (около 80%) потребляемой стали в железобетоне. Организация выпуска эффективных видов арматуры обеспечивает наибольшую экономию стали
Ирина
Кузнецова
Заведующая лабораторией "Температуростойкости и диагностики бетона и железобетонных конструкций" (№ 6) НИИЖБ им. А.А. Гвоздева АО "НИЦ "Строительство", к.т.н.
Вера
Рябченкова
Заместитель заведующей лабораторией "Температуростойкости и диагностики бетона и железобетонных конструкций" (№ 6) НИИЖБ им. А.А. Гвоздева АО "НИЦ "Строительство"
Иван
Саврасов
Руководитель Сертификационного центра АО "НИЦ "Строительство", к.т.н.

Металлургические предприятия, выпускающие арматурный прокат на территории Российской Федерации, совершенствуют способы производства. За последние годы произошли изменения и нововведения в химических составах, способах производства и номенклатуре арматурных сталей (проката), выпускаемого российскими производителями. По химическому составу арматурный прокат разделяется на низкоуглеродистую, углеродистую и микролегированную сталь, то есть с добавлением таких элементов, как марганец, кремний, хром, а в ряде случаев и циркония, ванадия, титана. По степени раскисления углеродистые арматурные стали могут быть кипящими, полуспокойными и спокойными.

Нормативная база

Действующая нормативная база РФ на производство арматурного проката и проектирование конструкций не в полной мере учитывает изменения в химических составах и способах производства арматурного проката, что в свою очередь препятствует повышению надежности и снижению металлоемкости железобетонных конструкций. Согласно действующим российским строительным нормам и правилам [3, 4], при проектировании железобетонных конструкций зданий и сооружений должны быть установлены нормируемые и контролируемые показатели качества арматуры, так как арматурный прокат должен обеспечивать надежность конструкций при заданном виде нагрузок, а также при воздействии условий эксплуатации и температуры. Действующая в Российской Федерации классификация арматуры носит технологический характер и основана на видах способов производства арматурных сталей. В связи с этим различают следующие виды арматуры:

  • горячекатаная гладкая и периодического профиля с постоянной и переменной высотой выступов (кольцевой и серповидный профили соответственно) диаметром 6–50 мм (не подвергнутая после проката упрочняющей обработке);
  • термомеханически упрочненная периодического профиля диаметром 6–50 мм (подвергнутая после прокатки упрочняющей термической или термомеханической обработке);
  • холоднодеформированная периодического профиля диаметром 3–16 мм (подвергнутая после прокатки упрочнением вытяжкой).

Анализ современного производства арматуры показал, что в настоящее время горячекатаный и термомеханически упрочненный арматурный прокат в Российской Федерации выпускается порядка 20 заводами-изготовителями диаметром 6–40 мм, а холоднодеформированный – порядка 10 заводами диаметрами в диапазоне 3–12 мм.

Наиболее широко применяется высокопрочная арматура классов прочности 500 и 600 Н/мм2, позволяющая снизить металлоемкость железобетонных конструкций. Производятся новые виды арматурных сталей холодного способа изготовления (например, стержневая арматура класса В500), которые являются приоритетными по технологии изготовления.

Деление на классы

Основным показателем качества арматуры при проектировании является класс арматуры по прочности на растяжение. Классы арматуры по прочности на растяжение отвечают гарантированному значению предела текучести, физического или условного (равного значению напряжений, соответствующих остаточному относительному удлинению 0,1% или 0,2%) [3], с обеспеченностью не менее 0,95, определяемому по соответствующим стандартам. Разделение стержневой арматурной стали на классы в зависимости от условных механических характеристик, а не от марок стали и их химического состава, как это было раньше, наиболее оправдано. Такая система позволяет заранее установить требования к перспективным классам арматуры до разработки, соответствующей марки стали или режима упрочнения. Необходимо, чтобы основные механические и расчетные характеристики для классов арматуры были неизменны. При этих условиях нормативные документы и проектная документация, как правило, остаются в силе, несмотря на изменения марок и химического состава стали. Строительные нормы проектирования зданий и сооружений обязывают проектировщиков обеспечивать пожарную безопасность зданий и сооружений. Основными критериями конструктивной пожарной безопасности при проектировании являются пределы огнестойкости конструкций, которые нормируются по положениям таблицы 21 Федерального закона № 123-ФЗ [1].

Предел огнестойкости

За предел огнестойкости железобетонной конструкции принимается время в минутах от начала огневого воздействия до наступления одного из предельных состояний по потере: несущей способности, теплоизолирующей способности и целостности. Таким образом, понятие предела огнестойкости относится к строительным конструкциям, а не к строительным материалам (бетону, арматуре). Следовательно, огнестойкая арматура – это миф, а ответ на вопрос о существовании огнестойкой арматуры не имеет смысла, поскольку понятие "огнестойкости" не относится к арматуре, как таковой. Следует заметить, что и понятие "огнесохранности" также относится к железобетонным конструкциям, а не к арматуре или к бетону. Для оценки огнестойкости железобетонной конструкции необходимо знать изменчивость свойств арматуры и бетона от температурных воздействий. Изменение физико-механических и упругопластических свойств арматурных сталей при температурных воздействиях характеризуется коэффициентами условий работы. Коэффициент условий работы γst характеризует изменение сопротивлений растяжению и сжатию и коэффициент βb – изменение модуля упругости арматуры при температурных воздействиях. Разные виды арматурных сталей по-разному сопротивляются высокотемпературному воздействию при пожаре. Исследование изменчивости свойств арматуры при температурных воздействиях необходимо, особенно для новых видов арматуры, что позволит проектировщикам обоснованно применять тот или иной вид арматуры.

В 2015 г. в рамках государственной программы НИОКР проведены экспериментальные исследования изменений свойств разных видов современного российского арматурного проката при высокотемпературном нагреве и охлаждении [6]. Исследованиям подвергался арматурный прокат следующих способов производства:

  • Горячекатаный прокат, изготовленный способом "Stretching" – из горячекатаного подката периодического профиля с содержанием углерода 0,18–0,2% путем комплексного деформационного воздействия (3–5%) на арматурный прокат класса А400 марки типа 25Г2С и получения класса А500С. Здесь под горячекатаным прокатом подразумевается прокат, для изготовления которого не используются термические операции (закалка, отпуск и т.п.).
  • Термически и термомеханически упрочненный – подвергнутый после прокатки, упрочняющей термической или термомеханической обработке в горячем состоянии из рядовых марок стали Ст3пс и Ст3Гпс в классе А500С в мотках и стержнях, микролегированных из стали типа 18Г2СФ в классе А600С в мотках и стержнях и низколегированных типа 20ГС в классах А800, А1000 и А1200 в стержнях.
  • Холоднодеформированный – подвергнутый холодной обработке за счет комплексного воздействия деформаций вытяжки и знакопеременного изгиба с процентом обжатия до 25% из рядовых марок стали Ст2сп(пс) и Ст3сп (пс) класса В500С в мотках.

Испытания на растяжение арматурных стержней-образцов в состоянии поставки (номинальные образцы) по ГОСТ 12004–81 [2], а также испытания при нагреве и в охлажденном состоянии после нагрева были произведены в испытательном центре Сертификационного центра АО "НИЦ" Строительство" на испытательных системах INSTRON 3382 и INSTRON KN 1500 с автоматической записью диаграммы растяжения в реальном времени в ходе испытаний.


Результаты исследований в виде коэффициентов условий работы арматурных сталей в зависимости от температур нагрева в диапазоне от 20 до 800 °C приведены в таблице.

Воздействие высоких температур на разные виды арматуры

В результате исследований установлены следующие закономерности поведения различных видов современной арматуры при кратковременном воздействии повышенных (до 200 °C) и высоких (свыше 200 °C до 800 °C) температур и после охлаждения (рис. 1–3).


1. При кратковременном воздействии температур до 300–350 °C механические свойства (предел текучести σ0,2 и временное сопротивление σв) горячекатаной арматуры класса А500С марки 25Г2С (производитель: ОАО ПК "Хромбург" г. Москва) не снижаются как при нагреве, так и в охлажденном состоянии. При нагреве до 400 °C снижаются на 8%, до 500 °C – на 13%, до 600 °C – на 24%. С дальнейшим ростом температуры происходит значительное снижение прочностных характеристик арматуры.


В охлажденном состоянии после нагрева до 600 °C прочностные свойства горячекатаной арматуры класса А500С марки 25Г2С восстанавливаются полностью, в диапазоне температур 600–800 °C прочностные свойства (предел текучести и временное сопротивление) восстанавливаются частично. Кроме того, в охлажденном состоянии после нагрева до 400 °C наблюдается некоторое увеличение предела текучести на 30%, что свидетельствует о некотором упрочнении арматуры класса А500С марки 25Г2С.


Снижение модуля упругости наблюдается при нагреве свыше 400 °C, и при нагреве до 600 °C модуль упругости снижается на 7%, при 800 °C – на 40%. В охлажденном состоянии после нагрева модуль упругости восстанавливается практически полностью.

Экспериментально установлено, что при нагреве свыше 600 °C на диаграммах деформирования арматуры класса А500С марки 25Г2С исчезает площадка текучести (горизонтальный участок диаграммы), и нисходящая ветвь диаграммы проявляется практически сразу по достижении предела текучести, близкого по значению временному сопротивлению.

2. Механические свойства термомеханически упрочненной арматуры класса А600С из стали марки 18Г2СФ (производитель – АО "ЕВРАЗ ЗСМК", г. Новокузнецк) при нагреве до 200 °C снижаются на 8%, до 400 °C – на 24%, до 600 °C – на 31%, до 800 °C – на 87%. Интенсивное снижение механических свойств арматуры класса А600С наблюдается при нагреве свыше 600 °C.

В охлажденном состоянии после нагрева до 500 °C прочностные свойства термомеханически упрочненной арматуры класса А600С восстанавливаются практически полностью, после нагрева свыше 500 °C - восстанавливаются частично.

Модуль упругости термомеханически упрочненной арматуры класса А600С при нагреве также снижается, с полным восстановлением при охлаждении после нагрева до 500 °C и частичным восстановлением при охлаждении после нагрева свыше 500 °C.

Сравнительный анализ полученных результатов с соответствующими коэффициентами для арматуры класса А600 из таблицы 5.5 СТО [4] показал, что снижение прочностных свойств современной термомеханически упрочненной арматуры класса А600С начинается сразу с повышением температуры и происходит более интенсивно, чем в арматуре класса А600, представленной в таблице СТО [4].

3. Механические свойства термомеханически упрочненной арматуры класса А500С из стали марки Ст3Гпс (производитель – Литейно-прокатный завод г. Ярцево, Смоленская область) при нагреве до 200 °C снижаются на 3%, до 400 °C – на 13%, до 600 °C – на 28%, до 800 °C – на 83%. Интенсивное снижение прочностных характеристик арматуры наблюдается при нагреве свыше 500 °C. В охлажденном состоянии после нагрева до 500 °C прочностные свойства термомеханически упрочненной арматуры класса А500С восстанавливаются практически полностью, после нагрева свыше 500 °C – восстанавливаются частично. Модуль упругости термомеханически упрочненной арматуры класса А500С при нагреве также снижается с последующим полным восстановлением при охлаждении после нагрева до 700 °C и частичным восстановлением при охлаждении после нагрева свыше 700 °C. При нагреве в диапазоне 600–800 °C на диаграммах деформирования арматуры исчезает площадка текучести (горизонтальный участок диаграммы), и нисходящая ветвь диаграммы проявляется практически сразу по достижению предела текучести, близкого по значению временному сопротивлению.

Сравнительный анализ полученных результатов с соответствующими коэффициентами для класса арматуры А500 из таблицы 5.5 СТО [4] показал, что снижение прочностных свойств термомеханически упрочненной арматуры класса А500С современного производства начинается сразу с повышением температуры и происходит менее интенсивно, чем по таблице 5.5 СТО [4]. Также неравнозначна зависимость изменения модуля упругости при нагреве и охлаждении. Различие в свойствах высокопрочной арматуры старого и нового способов производства при воздействии температур обосновывает необходимость проведения соответствующих исследований для других видов арматуры современного производства, не охваченных проведенными исследованиями.

4. Механические свойства стержневой холоднодеформированной арматуры класса В500С из стали класса Ст3Гпс (производитель – ОАО "ММК-МЕТИЗ", г. Магнитогорск) не снижаются при нагреве до 500 °C и последующем охлаждении. При нагреве свыше 500 °C происходит снижение механических свойств. При нагреве свыше 600 °C на диаграммах деформирования холоднокатаной арматуры класса В500С исчезает площадка текучести, и нисходящая ветвь диаграммы проявляется практически сразу по достижении предела текучести, близкого по значению временному сопротивлению. Аналогичный характер изменения диаграмм деформирования при нагреве наблюдался для горячекатаной ("Stretching") арматуры класса А500С стали марки 25Г2С.

Следует отметить отличительное свойство для стержневой холоднодеформированной арматуры класса В500С – при охлаждении после нагрева свыше 500 °C эта арматура не восстанавливает свои свойства, в отличие от других видов высокопрочной арматуры. Модуль упругости стержневой холоднодеформированной арматуры класса В500С при нагреве до температуры порядка 500 °C и охлаждении не снижается. Необратимое снижение модуля упругости начинается при нагреве свыше 500 °C, и при охлаждении частично восстанавливается после нагрева в диапазоне температур от 500 °C до 800 °C.

Проведенные исследования выявили кардинальное отличие изменчивости свойств стержневой холоднокатаной арматуры класса В500С современного производства от традиционной холоднодеформированной проволочной арматуры класса В500 при воздействии температур. Современная стрежневая холоднокатаная арматура класса В500С более устойчива к воздействию температур. Критической температурой нагрева стержневой арматуры класса В500С является температура 500 °C, а для проволочной арматуры класса В500 – 200 °C. Однако проволочная арматура класса В500 полностью восстанавливает свойства в охлажденном состоянии после нагрева до 400 °C и частично – при более высоких температурах, а стержневая арматура класса В500С сохраняет свойства в охлажденном состоянии после нагрева до 500 °C и безвозвратно утрачивает их при воздействии температур более 500 °C. Следует упомянуть, что аналогичные независимые результаты исследований современной стержневой арматуры класса В500 получены украинскими коллегами из Национальной металлургической академии Украины в 2015 году [5], что подтверждает чистоту экспериментов и востребованность данного вида арматуры.

Выводы

1. Развитие технологии производства и применения новых видов арматурных сталей требуют проведения исследований изменчивости свойств новых видов арматуры при температурных воздействиях. Проведенные исследования позволили выявить существенные закономерности изменения свойств при температурных воздействиях для четырех классов высокопрочной арматуры современного российского производства и их отличия от ранее существовавших традиционных классов сталей, представленных в СТО [4].

2. Термин "огнестойкая арматура" – миф, т.к. не имеет отношения к строительным материалам, как таковым. Каждый вид арматуры имеет свой оптимальный температурный диапазон применения. Особенности поведения разных видов арматуры современных способов производства при нагреве и охлаждении необходимо учитывать в процессе проектирования железобетонных конструкций путем введения в расчеты соответствующих коэффициентов условий работы. Приоритетность того или иного вида арматуры определяет проектировщик. 3. Проведенные исследования позволили установить, что новый вид стержневой холоднодеформированной арматуры класса В500С может применяться в качестве рабочей арматуры (а не только для сварных сеток, как было до недавнего времени) с допущением ее нагрева при пожаре до температуры 500 °C.

4. Экспериментально установленные коэффициенты условий работы и диаграммы состояния исследованных видов арматуры будут внесены в актуализированные редакции нормативных документов соответствующей направленности.

5. Результаты проведенных исследований носят прикладной характер и позволяют обоснованно применять новые эффективные виды высокопрочной арматуры при проектировании железобетонных конструкций, с гарантией обеспечения их надежности и безопасности, в том числе на случай пожара.

Список литературы

  1. Федеральный закон № 123-ФЗ от 22.07.2008. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности.
  2. ГОСТ 12004–81. Сталь арматурная. Методы испытания на растяжение.
  3. СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003.
  4. СТО 36554501-006-2006. Правила по обеспечению огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций. ФГУП "НИЦ "Строительство".
  5. Огнесохранность холоднодеформированного арматурного проката класса В500С / А.В. Ивченко, Ю.П. Гуль, Р.В. Панков, П.В. Кондратенко (Национальная металлургическая академия Украины) // Бетон и железобетон в Украине. – № 5. – 2015.
  6. Отчет о научно-исследовательской и опытно-конструкторской работе: Исследование физико-механических свойств арматуры классов прочности 500 и 600 н/мм2 при высокотемпературном нагреве и охлаждении для расчетов огнестойкости железобетонных конструкций. НИИЖБ им. А.А. Гвоздева АО "НИЦ "Строительство", 2015.

Опубликовано: Каталог "Пожарная безопасность"-2017
Посещений: 3099


  Автор
Вера Рябченкова

Вера Рябченкова

Заместитель заведующей лабораторией "Температуростойкости и диагностики бетона и железобетонных конструкций" (№ 6) НИИЖБ им. А.А. Гвоздева АО "НИЦ "Строительство"

Всего статей:  1


  Автор
Ирина Кузнецова

Ирина Кузнецова

Заведующая лабораторией "Температуростойкости и диагностики бетона и железобетонных конструкций" (№ 6) НИИЖБ им. А.А. Гвоздева АО "НИЦ "Строительство", к.т.н.

Всего статей:  1


  Автор
Иван Саврасов

Иван Саврасов

Руководитель Сертификационного центра АО "НИЦ "Строительство", к.т.н.

Всего статей:  1

В рубрику "Пожарная безопасность" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций