Огнестойкость конструкций

Расчёт пределов огнестойкости ведётся по двум трактам: железобетонные конструкции — по СП 468.1325800.2019 с теплотехническим расчётом сечения и проверкой прочности при нагреве, стальные — по методике СТО АРСС с определением критической температуры и приведённой толщины металла. Для объектов повышенного уровня ответственности добавляется третий вопрос — огнесохранность, то есть возможность восстановить конструкцию после пожара без усиления.

Когда нужен расчёт предела огнестойкости

Требуемый предел огнестойкости несущих конструкций задаёт не проектировщик, а степень огнестойкости здания по таблице 21 Федерального закона № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности». Обозначение вида R 90 или REI 120 означает: конструкция должна сохранять несущую способность (R), теплоизолирующую способность (I) и целостность (E) в течение указанного числа минут при стандартном температурном режиме пожара по ГОСТ 30247.0.

Дальше есть два пути. Первый — взять предел из таблиц или из сертификата на огнезащитный состав. Он работает, пока конструкция типовая и попадает в область применения таблицы. Второй — расчёт. Он нужен, когда:

• сечение или армирование выходят за табличные значения — тонкая плита, балка с малым защитным слоем, колонна нестандартного сечения;
• здание реконструируется или меняет функциональное назначение, и требования к пределам огнестойкости выросли, а конструкции остались прежними;
• конструкции повреждены пожаром, и нужно понять, что можно оставить, а что усиливать или заменять;
• каркас стальной — незащищённая стальная конструкция имеет собственный предел огнестойкости порядка 10–15 минут, и практически всегда требуется огнезащита, толщину которой считают;
• проектируется огнезащита и нужно не переплатить — толщина покрытия напрямую зависит от того, насколько элемент нагружен, и расчёт по фактическому напряжённо-деформированному состоянию (НДС) даёт заметно меньшую толщину, чем расчёт по условной критической температуре 500 °C;
• здание относится к повышенному уровню ответственности — высотное, с развитой подземной частью, транспортный тоннель. Для таких объектов пункт 12.1 СП 468.1325800.2019 рекомендует обеспечивать не только огнестойкость, но и огнесохранность: способность конструкции после пожара сохранить несущие функции и остаться ремонтопригодной без усиления.

Разница между огнестойкостью и огнесохранностью существенна и часто теряется. Огнестойкость — конструкция не обрушилась за нормируемое время, люди эвакуировались. Огнесохранность — после пожара её можно восстановить, не разбирая. Для рядового здания достаточно первого. Для высотного здания с жёсткими сопряжениями рамной системы выход из строя одного ригеля при пожаре меняет конструктивную систему целиком, и это недопустимо.

Исходные данные для расчёта огнестойкости

Общие для любого расчёта:

• Степень огнестойкости здания, класс конструктивной пожарной опасности, класс функциональной пожарной опасности — из раздела «Мероприятия по обеспечению пожарной безопасности» или из задания. Отсюда берутся требуемые пределы огнестойкости по элементам.
• Конструктивная схема здания с выделением несущих элементов, элементов, обеспечивающих устойчивость, и противопожарных преград. Для преград требуемые пределы огнестойкости узлов примыкания и опорных конструкций назначаются не ниже предела самой преграды.
• Нагрузки. Расчёт огнестойкости ведут на нормативные нагрузки — постоянные и временные длительные с коэффициентом надёжности по нагрузке γ = 1 по СП 20.13330.2016. Ветровую, крановую, динамические и особые нагрузки не учитывают: совпадение их с пожаром маловероятно, а учёт привёл бы к экономически неоправданному усилению. Это прямое указание пункта 8.4 СП 468.
• Для существующих зданий — материалы обследования: фактические сечения, фактическое армирование и защитные слои, фактические прочностные характеристики, наличие и состояние огнезащитных покрытий.

Для железобетонных конструкций дополнительно:

• Класс бетона, вид крупного заполнителя (силикатный или карбонатный) и весовая эксплуатационная влажность. Вид заполнителя определяет теплопроводность и, в конечном счёте, скорость прогрева: у бетона на карбонатном заполнителе она ниже.
• Класс арматуры, наличие преднапряжения, диаметры и расположение стержней, толщина защитного слоя до оси рабочей арматуры.
• Условия обогрева: односторонний для плит и стен, двух-, трёх- или четырёхсторонний для балок и колонн.

Для стальных конструкций дополнительно:

• Ведомость стальных конструкций: расчётная схема разложена на отдельные стержневые элементы с указанием вида нагружения — центрально-сжатый, внецентренно-сжатый, изгибаемый, сжато-изгибаемый и так далее.
• Сортамент: площадь сечения, момент сопротивления, момент инерции, обогреваемый периметр. Отношение площади сечения к обогреваемому периметру даёт приведённую толщину металла — ключевой параметр прогрева.
• Нормативное сопротивление стали по пределу текучести, схема опирания и расчётные длины стержней.
• Условия эксплуатации: влажность, агрессивность среды, вибрация, механические воздействия, сейсмичность района. От них зависит, какое средство огнезащиты вообще применимо.

Состав расчётов

Теплотехническая часть

Определяется распределение температур по сечению элемента в зависимости от длительности стандартного пожара.

Для железобетона решается задача нестационарной теплопроводности: на сечение накладывается координатная сетка с шагом 0,01–0,03 м — обязательно больше максимального диаметра рабочей арматуры — и температура определяется в каждом узле. Коэффициенты теплопроводности и теплоёмкости приняты зависящими от температуры по формулам раздела 6 СП 468. Для типовых сечений плит, стен, балок и колонн приложения А и Б СП 468 дают готовые изотермы прогрева, и в простых случаях расчёт сводится к их использованию.

Для стали задача проще: сечение прогревается почти равномерно, и температура стержня определяется пошагово по приведённой толщине металла. Для конструкций с огнезащитой в расчёт вводятся теплотехнические характеристики облицовки, полученные по результатам испытаний.

Статическая (прочностная) часть

Проверяется условие: усилие от нормативной нагрузки не превышает несущей способности нагретой конструкции.

Для железобетона сечение разбивается на малые участки, нагретые до разных температур; для каждого участка вводится коэффициент условий работы бетона γ_bt, снижающий расчётное сопротивление, после чего проверяются нормальные и наклонные сечения по правилам СП 63.13330. Допускается упрощённый метод — исключить из работы слой бетона, нагретый выше критической температуры, и считать по уменьшенному сечению. Отдельно определяется температура нагрева рабочей арматуры: для изгибаемого элемента именно нагрев растянутой арматуры до критической температуры означает наступление предела огнестойкости.

Для стали по виду нагружения вычисляются коэффициенты γ_т (степень использования по прочности) и γ_е (по устойчивости), и по таблице снижения нормативного сопротивления и модуля упругости определяется критическая температура стали — та, при которой конструкция исчерпывает несущую способность. Для слабо нагруженного элемента критическая температура может превышать 600 °C, для сильно нагруженного опускаться ниже 450 °C. Если исходных данных для прочностного расчёта нет, ГОСТ Р 53295-2009 разрешает принимать критическую температуру 500 °C — но это заведомо консервативно и оплачивается лишними миллиметрами огнезащиты.

Определение предела огнестойкости

Собственный предел огнестойкости — тот, который обеспечен геометрией сечения, армированием, защитным слоем и классами материалов, без огнезащиты. Он находится методом последовательных приближений: задаётся длительность пожара, выполняется теплотехнический и прочностной расчёт, проверяется условие несущей способности. Длительность, при которой условие ещё выполняется, и есть предел.

Предел огнестойкости сложносоставной конструкции — фермы, рамы — принимается по наименьшему из пределов всех её нагруженных элементов.

Подбор огнезащиты

Выполняется, когда собственный предел меньше требуемого. Для железобетона пункт 4.5 СП 468 требует сначала попытаться обеспечить огнестойкость конструированием самого сечения, и только в оговорённых разделом 11 случаях применять огнезащиту: при реконструкции с ростом требований, для повреждённых конструкций, при защите от хрупкого разрушения, при геометрических ограничениях сечения.

Толщина покрытия подбирается по номограммам прогрева для конкретной марки состава: от критической температуры и требуемого времени — к толщине. Известково-цементная штукатурка 15 мм, гипсовая 10 мм, перлитовая или вермикулитовая 5 мм эквивалентны увеличению защитного слоя тяжёлого бетона на 10 мм. При толщине покрытия свыше 30 мм его наносят по проволочной сетке диаметром 2–3 мм с ячейкой не более 100×100 мм, закреплённой анкерами.

Результаты сводятся в ведомость стальных несущих конструкций: шифр элемента, приведённая толщина металла, критическая температура, фактический предел огнестойкости, требуемый предел, марка и толщина огнезащиты.

Огнесохранность

Отдельный расчёт для объектов повышенного уровня ответственности. Выполняется на расчётные сочетания нагрузок по СП 20.13330 и при расчётных сопротивлениях материалов в охлаждённом состоянии после нагрева. Определяются остаточная прочность и остаточные прогибы, результаты сопоставляются с требованиями норм.

Ключевое ограничение пункта 12.4 СП 468: температура нагрева арматуры за время пожара не должна превышать 400 °C для ненапрягаемой арматуры — иначе теряется сцепление с бетоном, и 100 °C для преднапрягаемой — иначе теряется предварительное напряжение. Это гораздо жёстче, чем требование огнестойкости, и часто именно оно определяет защитный слой в высотном здании.

Порядок выполнения

Работа начинается с установления требуемых пределов: по степени огнестойкости здания расписывается номенклатура элементов — колонны, балки, плиты, стены, связевые конструкции, противопожарные преграды и узлы их примыкания — и для каждой позиции определяется нормируемое значение R, RE или REI.

Затем каркас раскладывается на расчётные элементы и составляется ведомость. Для стального каркаса элементы группируются по типоразмерам и уровням нагружения: сотня стержней сводится к десятку расчётных случаев.

Дальше для каждого расчётного случая выполняется прочностной расчёт с определением критической температуры (сталь) либо теплотехнический расчёт сечения с определением температур бетона и арматуры (железобетон), и вычисляется собственный предел огнестойкости.

Полученные значения сравниваются с требуемыми. Там, где собственного предела достаточно, огнезащита не нужна, и это фиксируется расчётом — часть конструкций удаётся снять с огнезащиты полностью. Там, где не хватает, подбирается средство огнезащиты и его толщина.

Для объектов, где назначена огнесохранность, выполняется дополнительный расчёт остаточной прочности и остаточных прогибов после пожара.

Завершается работа сводной ведомостью и требованиями к конструированию: толщины защитных слоёв, противооткольное армирование, марки и толщины огнезащитных составов по позициям.

Что входит в результат

Расчётно-пояснительная записка с обоснованием требуемых пределов огнестойкости, теплотехническими и прочностными расчётами по каждому расчётному случаю, определением собственных пределов огнестойкости и подбором огнезащиты. Ведомость несущих конструкций с приведённой толщиной металла, критической температурой, фактическим и требуемым пределами огнестойкости, маркой и толщиной огнезащиты. Изотермы прогрева сечений и номограммы, использованные при подборе. Требования к конструированию — защитные слои, армирование, узлы. При необходимости — раздел по огнесохранности с остаточной прочностью и прогибами. Ответы на замечания экспертизы.

На что смотрит экспертиза

Соответствие принятых требуемых пределов огнестойкости степени огнестойкости здания по таблице 21 Федерального закона № 123-ФЗ — это проверяется первым и расхождение здесь обесценивает весь расчёт.

Состав нагрузок: расчёт должен быть выполнен на нормативные постоянные и временные длительные нагрузки с коэффициентом надёжности 1. Расчёт на расчётные нагрузки — замечание, расчёт с включением ветра или крановых нагрузок — тоже.

Обоснование критической температуры. Если принято значение 500 °C по ГОСТ Р 53295, это допустимо, но должно быть заявлено как принятое допущение. Если критическая температура определена расчётом — должны быть показаны коэффициенты γ_т и γ_е и усилия, из которых они получены.

Пределы огнестойкости узлов и опорных конструкций противопожарных преград — их часто пропускают, ограничившись самой преградой.

Применение программных комплексов. Пункт 4.8 СП 468 прямо оговаривает: расчёт огнестойкости железобетона с применением программных комплексов возможен только после апробации результатов огневыми испытаниями в испытательном центре. Расчёт в универсальном конечно-элементном комплексе без такой апробации к рассмотрению не принимается.

Соответствие марки огнезащитного состава условиям эксплуатации: влажность, агрессивная среда, вибрация, сейсмический район. Сертификат на состав подтверждает огнезащитную эффективность, но не пригодность в конкретных условиях.

Для объектов повышенного уровня ответственности — наличие проверки огнесохранности и соблюдение ограничений по температуре арматуры.

Типовые ошибки модели

Расчёт выполнен на расчётные, а не нормативные нагрузки — предел огнестойкости занижен, огнезащита избыточна.

Критическая температура принята 500 °C для всех элементов подряд, включая слабо нагруженные. Для второстепенных балок и элементов связей фактическая критическая температура нередко выше 600 °C, и расчёт по фактическому НДС снимает часть конструкций с огнезащиты вовсе.

Приведённая толщина металла посчитана по полному периметру сечения, хотя часть его закрыта плитой перекрытия или стеной — обогреваемый периметр в этом случае меньше, и прогрев медленнее.

Для железобетона принят один защитный слой по сечению, тогда как расстояние до оси рабочей арматуры в углу балки и в середине пролёта отличается, а угловой стержень прогревается с двух сторон.

Не учтён вид крупного заполнителя: расчёт по силикатному заполнителю для бетона на карбонатном даёт запас, обратная подстановка — ошибку в опасную сторону.

Предел огнестойкости фермы определён по поясу, тогда как критическим оказывается сжатый раскос с меньшей приведённой толщиной металла.

Для преднапряжённых конструкций проверено только условие огнестойкости, тогда как требование огнесохранности ограничивает нагрев арматуры 100 °C — принципиально более жёсткое условие.

В расчёте прогрева не учтено наличие штукатурного слоя или подвесного потолка, хотя они существуют в проекте и дают запас; и обратная ситуация — в расчёт введена огнезащита, которую невозможно нанести в существующих условиях эксплуатации.

Выполненные работы

Отдельных публичных кейсов по огнестойкости на сайте нет — эта работа обычно входит составной частью в общий расчёт каркаса. Близкие по подходу задачи разобраны в кейсах стального каркаса административно-бытового корпуса — расчёт стальных элементов с проверками устойчивости, от которых зависит критическая температура, и поверочного расчёта сборного железобетонного каркаса — работа по фактическому состоянию конструкций существующего здания.

Срок и от чего зависит трудоёмкость расчёта

Основной фактор — число расчётных случаев, а не число элементов. Стальной каркас из двухсот стержней, сводимый к восьми расчётным случаям, считается быстрее, чем железобетонное здание с пятью типами плит разного пролёта и разного армирования.

Второй фактор — нужен ли расчёт по фактическому НДС или достаточно условной критической температуры. Первый вариант дороже, но обычно окупается за счёт меньшего расхода огнезащиты; для крупного объекта разница в стоимости огнезащитных работ на порядок превышает разницу в стоимости расчёта.

Третий — требуется ли огнесохранность. Для высотных зданий и объектов с развитой подземной частью это самостоятельный расчёт на расчётные сочетания с проверкой остаточной прочности и прогибов.

Отдельно оценивается работа по существующим зданиям: там к расчёту добавляется обработка материалов обследования, а иногда и оценка конструкций, уже повреждённых пожаром.

Стоимость привязывается к составу работ и фиксируется в предложении. Предложение действует на указанный в нём период и офертой не является.

Нормативная база

СП 468.1325800.2019 «Бетонные и железобетонные конструкции. Правила обеспечения огнестойкости и огнесохранности» · СП 2.13130.2020 «Системы противопожарной защиты. Обеспечение огнестойкости объектов защиты» · СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные конструкции» · СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции» · СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия» · СП 296.1325800.2017 «Здания и сооружения. Особые воздействия» · ГОСТ 30247.0-94 «Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования» · ГОСТ 30247.1-94 · ГОСТ Р 53295-2009 «Средства огнезащиты для стальных конструкций. Общие требования» · ГОСТ 27751-2014 · СТО АРСС 11251254.001-018-03 «Проектирование огнезащиты несущих стальных конструкций с применением различных типов облицовок» · СТО АРСС 11251254.001-016 «Проектирование огнезащиты несущих стальных конструкций многоквартирных жилых зданий» · СТО АРСС 11251254.001-020-1 «Огнестойкость строительных конструкций из стальных холодногнутых оцинкованных профилей» · Методическое пособие по расчёту собственного (фактического) предела огнестойкости незащищённых стальных конструкций (АРСС, 2023) · Федеральный закон № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности»