Исследование огнестойкости и пожарной опасности комбинированных металлодеревянных конструкций

В настоящее время с учетом развития новых технологий в строительстве, повышения интереса к вопросам экологии и энергосбережения набирает популярность использование деревянных конструкций при строительстве зданий и сооружений, в том числе много­этажных. Разрабатываются и внедряются новые нормативные документы по деревянному строительству. Например, специалистами ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко разработаны и введены в действие СП 451.1325800.2019 [1] и СП 452.1325800.2019 [2], регулирующие вопросы проектирования жилых и общественных зданий высотой до 28 м с применением деревянных несущих, самонесущих или ограждающих конструкций.

Сегодня в России помимо классических деревянных конструкций производятся и находят широкое применение в строительстве многослойные деревянные перекрестно клееные (ДПК) панели. Продукция известна за рубежом под аббревиатурой CLT (англ. Cross-Laminated Timber). CLT – это деревянная панель, изготовленная из склеенных между собой слоев сплошного пиломатериала, изготовленного, как правило, из хвойных, высушенных пород древесины. На ее основе производятся массивные деревянные панели.

Во многих современных работах [3–7] проведенные исследования показывают перспективы развития в России деревянного многоэтажного домостроения, в том числе с применением CLT-панелей, не уступающего железобетону и другим конструкционным материалам по своим эксплуатационным характеристикам, степени безопасности и энергоэффективности.

СLT-панели могут применяться как ограждающие конструкции [8] и как эффективный материал для несущих конструкций. Основные преимущества и свойства CLT-технологии: свобода выбора архитектурного стиля; минимальные сроки монтажа; экологичность; высокая прочность, позволяющая соперничать с такими материалами, как камень или кирпич, и выдерживать землетрясения до 7,5 балла [9].

Множество положительных качеств дало понять, что потенциал данной технологии не исчерпывается малоэтажным строительством. В Европе, США, Канаде появились и стали реализовываться проекты 6-, 9- и 10-этажных зданий, размещаемых в городской застройке. Существуют проекты складских, производственных зданий, транспортных объектов, спортивных сооружений [10].

Существует опыт применения таких панелей и в условиях Крайнего Севера. Например, в работе [11] на основе сравнения выявлены положительные аспекты применения материала в городах арктического региона. Рассмотрены примеры жилой застройки из CLT-панелей в России, Норвегии, Швеции, Финляндии, определены основные характеристики архитектурных решений.

В многоэтажных сооружениях из металлических конструкций в качестве плит перекрытий также могут быть использованы перекрестно клееные CLT-панели, что обеспечит пространственную жесткость за счет совместной работы стальных конструкций и плит из древесины.

Преимуществами такой конструктивной схемы являются отсутствие «мокрых» процессов при строительстве и достаточно высокий уровень предварительной заводской готовности конструкций зданий, простота их транспортировки и монтажа. Применение плит CLT для перекрытий, в сравнении с железобетонными конструкциями, позволит снизить расходы на фундаменты за счет уменьшения веса несущих конструкций здания.

В Российской Федерации широкое применение древесины сдерживается как традиционным представлением о повышенной пожарной опасности зданий с применением деревянных конструкций, так и недостаточной нормативной урегулированностью вопросов деревянного домостроения, в первую очередь связанных с обеспечением пожарной безопасности. При этом необходимо отметить, что CLT-панели обладают уникальными характеристиками, в том числе и повышенными показателями пожарной безопасности, по сравнению с традиционными конструкциями из древесины. Применение CLT-панелей требует дополнительных исследований влияния их на пожарную безопасность зданий и сооружений, возводимых с их применением. При этом научных исследований в этой области не так много. В работах [12–15] на основе огневых испытаний, аналитических исследований и расчетов представлены показатели пожарной безопасности деревянных CLT-панелей, рассмотрены процессы распространения горения и обугливания, сделаны предложения о необходимости учета при конструировании таких панелей снижения их несущей способности при пожаре, предложены технические решения по обеспечению пожарной безопасности за счет применения систем противопожарной защиты.

Основными элементами здания с каркасной конструктивной схемой, обеспечивающими пространственную жесткость и геометрическую неизменяемость, как правило, являются:

• ядро жесткости, в котором располагаются лестничные площадки и лифтовые шахты;
• сборные сплошные плиты перекрытия;
• отдельные внутренние стены, выполняющие функции диафрагм жесткости;
• наружные стены, участвующие в обеспечении жесткости.

Опыт строительства зданий с применением стальных и деревянных конструкций показывает, что для таких зданий до 12 этажей жесткость обеспечивается за счет совместной работы ядра жесткости и сборных сплошных плит перекрытия. Для зданий свыше 12 этажей для обеспечения жесткости необходимо включение в работу дополнительно диафрагм и/или наружных стен.

Вместе с тем, СП 64.13330.2017 [16] не содержит норм (технических требований) к огнестойкости и пожарной безопасности комбинированных металлодеревянных конструкций в перекрытиях для жилых и общественных зданий.

Таким образом, на сегодня существует необходимость развития нормативной базы в части норм (технических требований) к огнестойкости и пожарной безопасности к металлодеревянным конструкциям в перекрытиях для жилых и общественных зданий. Доработка существующих технических решений по огнестойкости и пожарной безопасности металлодеревянных конструкций в перекрытиях для жилых и общественных зданий с помощью стандартизированных (стандартизованных) материалов и внедрение в СП 64.13330.2017 [16] технических требований (норм), направленных на обеспечение огнестойкости и снижение пожарной опасности металлодеревянных конструкций.

Целью представленной работы¹ является получение достоверных экспериментальных и расчетных данных для развития нормативной базы в части назначения технических требований к огнестойкости и пожарной безопасности комбинированных металлодеревянных конструкций в перекрытиях для жилых и общественных зданий.

Для выполнения поставленных целей была разработана программа экспериментальных исследований, состоящая из:

• определения пределов огнестойкости образцов конструкций в соответствии с ГОСТ 30247.1-94 [17]. Определяемые предельные состояния: потеря несущей способности, потеря целостности, потеря теплоизолирующей способности;
• определения класса пожарной опасности образцов конструкций в соответствии с ГОСТ 30403-2012 [18]. Пожарную опасность конструкции характеризуют:
• наличием теплового эффекта от горения материалов образца, который выражается в превышении температуры в тепловой камере по сравнению с верхней допустимой границей температурного режима;
• наличием пламенного горения газов, выделяющихся при термическом разложении материалов образца, продолжительностью более 5 с;
• наличием горящего расплава при продолжительности его горения более 5 с;
• размером повреждения образца в контрольной зоне.

Для проведения испытаний изготовляли следующие образцы:

1. Для определения предела огнестойкости – фрагмент конструкции перекрытия размером 4300 × 2000 мм, толщина деревянной плиты – 160 мм. Плита по двум краям закреплена на стальных ригелях (двутавр 20Б1 по ГОСТ Р 57837-2017 [19], длина – 2000 мм).

Схема образца представлена на рисунке.

2. Для определения класса пожарной опасности – фрагмент конструкции перекрытия размером 2400 × 1300 мм, толщина деревянной плиты – 160 мм. Плита по двум краям закреплена на стальных ригелях (двутавр 20Б1 по ГОСТ Р 57837-2017 [19], длина – 1300 мм).

Размеры образцов выбраны согласно требованиям п. 6 ГОСТ 30247.1-94 [17] и п. 6.3 ГОСТ 30403-2012 [18] как минимально допустимые при проведении испытаний на огнестойкость и пожарную опасность соответственно.

Также проведены аналогичные испытания фрагментов конструкций по тем же параметрам с нанесением средств огнезащиты с расходом 500 г/м² по ГОСТ Р 59274-2020 [20] на деревянную плиту и по ГОСТ Р 59272-2020 [21] на стальной ригель.

При определении предела огнестойкости вертикальная равномерно распределенная нагрузка составляла 520 кг/м² и горизонтальная точечная боковая нагрузка величиной 85 кН, приложенная на расстоянии L/10 от свободно опираемого края плиты перекрытия (L = 4200 мм), устанавливались за 30 мин до начала испытания и поддерживались постоянными в течение всего времени. В процессе проведения испытаний температурный режим в огневой камере печи соответствовал п. 6. ГОСТ 30247.0-94 [22].

В соответствии с ГОСТ 30247.1-94 [17] оценивались:

Потеря несущей способности R вследствие обрушения конструкции или возникновения предельных деформаций. Прогиб конструкций оценивался в пролетах между опорами равными 4000 мм. Предельно допустимые значения по потере несущей способности составляют:

• по прогибу L/20 – 20,0 см;
• по скорости нарастания деформации L²/(9000 h) – 1,1 см/мин.

Потеря теплоизолирующей способности I вследствие повышения температуры на необогреваемой поверхности конструкции в среднем более чем на 140 °С или на любой точке этой поверхности более чем на 180 °С в сравнении с температурой конструкции до испытания или более 220 °С независимо от температуры конструкции до испытания.

Потеря целостности Е в результате образования в конструкции сквозных трещин или отверстий, через которые на необогреваемую поверхность проникают продукты горения или пламя. В процессе испытания потерю целостности определяют при помощи ватного тампона по ГОСТ 30247.0-94 [22], который помещают в металлическую рамку с держателем и подносят к местам, где ожидается проникновение пламени или продуктов горения, и в течение 10 с держат на расстоянии 20–25 мм от поверхности образца.

Результаты испытаний образцов по определяемым предельным состояниям: потеря несущей способности, потеря целостности, потеря теплоизолирующей способности – представлены в табл. 1.

Результаты испытаний по определению класса пожарной опасности вертикальной строительной конструкции в соответствии с ГОСТ 30403-2012 [18] представлены в табл. 2.

По результатам проведенных исследований сделаны следующие выводы:

Предел огнестойкости образцов фрагмента комбинированных металлодеревянных конструкций в перекрытиях для жилых и общественных зданий толщиной 160 мм при приложении вертикальной равномерно распределенной нагрузки 520 кг/м² составил REI 60. При нанесении на образцы с внешних сторон огнезащитного состава «Эврика» с расходом 500 г/м² предел огнестойкости увеличивается до REI 90.

Класс пожарной опасности образцов без огнезащитных средств соответствует К3(15), а при нанесении огнезащитного состава «Эврика» с расходом 500 г/м² соответствует К0(15).

Результаты проведенного исследования могут быть использованы при разработке технических решений по обеспечению нормативных требований, установленных для данных конструкций, в том числе по применению средств огнезащиты, а также при разработке нормативных документов, в частности при подготовке изменений в СП 64.13330.2017 «СНиП II-25-80 Деревянные конструкции» [16].