Повышение огнестойкости и снижение пожарной опасности строительных конструкций, выполненных из современных древесных материалов

Введение

Нормативная база РФ в области пожарной безопасности в настоящее время существенно ограничивает область применения деревянных элементов как для ограждающих, так и для несущих конструкций. Эти требования заложены в показателях пожарной опасности строительных материалов и конструкций, которые определяются согласно ФЗ № 123 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» [1].

В классификации строительных материалов и конструкций по пожарной опасности существуют недостатки, которые не позволяют отражать реальные условия пожара:

– не определяются такие параметры, как скорость тепловыделения, время достижения максимальной скорости тепловыделения, общее тепловыделение за определенное время, способность к образованию общей вспышки, определение максимального показателя дымообразующей способности и токсичности продуктов горения с учетом режима пожара и продолжительности огневого воздействия;

– существующие параметры пожарной опасности строительных материалов и конструкций не позволяют производить на их основе математическое моделирование пожара для различных сценариев при прогнозировании динамики образования опасных факторов пожара и расчета пожарного риска с учетом физико-химических параметров горения материалов для возможности успешной эвакуации людей на объектах разного функционального назначения;

– отсутствует взаимосвязь действующих нормируемых параметров пожарной опасности строительных материалов и конструкций с расчетом пожарного риска на объектах разного функционального назначения.

При этом зарубежные нормативные требования постоянно меняются в сторону возможности применения эффективных материалов для зданий более высокой этажности. Здания, которые в России могут иметь максимум 3 этажа, в Европе и Северной Америке разрешается строить высотой 8, 9 или даже 16 этажей.

Сегодня в деревянном домостроении развиваются новые технологии, наиболее перспективными из которых являются деревянные конструкции, выполненные из бруса многослойного клееного из шпона (LVL), древесины перекрестноклееной (CLT) и бруса многослойного клееного. СП 64.13330.2017 [2] не содержит исчерпывающий объем данных, необходимых для обеспечения требуемых пределов огнестойкости и классов пожарной опасности таких строительных конструкций.

Таким образом, выполнение работ по рассматриваемой проблеме является важной и актуальной задачей по внедрению эффективных материалов и конструкций в современное строительство в РФ.

Необходимо рассмотреть и экспериментально исследовать действительные пределы огнестойкости указанных конструкций, а также возможности повышения их огнестойкости и снижения пожарной опасности путем применения облицовок и средств огнезащиты.

Целью настоящей работы является получение достоверных экспериментальных и расчетно-аналитических данных для создания рекомендаций по увеличению пределов огнестойкости и снижению пожарной опасности строительных конструкций, выполненных из бруса многослойного клееного из шпона, древесины перекрестноклееной и бруса многослойного клееного (брус), используемых для многоквартирных жилых и общественных зданий.

Материалы и методы

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

– определения пределов огнестойкости образцов конструкций в соответствии с ГОСТ 30247.1-94 [3]. Определяемые предельные состояния: потеря несущей способности, потеря целостности, потеря теплоизолирующей способности;

– определения класса пожарной опасности образцов конструкций в соответствии с ГОСТ 30403-2012 [4]. 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.

Исследования проводились на конструкциях LVL, CLT и бруса с типовыми материалами облицовок и средств огнезащиты. Размеры образцов выбирались как максимально возможные по методикам проводимых испытаний.

Предел огнестойкости определялся для следующих видов конструкций:

– узел крепления главной балки длиной 2,7 м и второстепенной балки длиной 5,2 м, размер сечения 400 × 180 мм для LVL и 400 × 200 мм для бруса;

– узел крепления балки длиной 5,2 м и колонны высотой 2,5 м, размер сечения 400 × 180 мм для LVL и 400 × 200 мм для бруса;

– фрагмент конструкции стены из CLT с металлическими узлами крепления и примыкания к колонне, а также между панелями размером 3000 × 3000 мм, толщиной 200 мм. Узел крепления выполнен в виде закладной металлической пластины 100 × 100 × 10 мм, стянутой 4 болтами, утопленными и забитыми заглушками длиной 50 мм.

Узлы крепления испытывались под нагрузкой 5,5 тонн, приложенной в двух точках на каждой 1/3 длины пролета балки.

Класс пожарной опасности определяли на образцах в виде фрагмента конструкции стены размером 2400 × 1300 мм и толщиной 180 мм для LVL и 200 мм для CLT и бруса.

Эскизы испытываемых конструкций представлены на рис. 1–4.

В качестве облицовок и средств огнезащиты применялись следующие технические решения:

– огнезащитные краски по ГОСТ Р 59274-2020 [5] с расходом 800  г/м ²;

– два слоя гипсокартонного листа (ГКЛ) толщиной 12,5 мм, каждый по ГОСТ 6266-97 [6].

– минераловатная плита 50 мм (минплита) и два слоя ГКЛ по ГОСТ 6266-97 [6].

Результаты

В работе проведена серия огневых и расчетно-аналитических исследований по определению фактических пределов огнестойкости и классов пожарной опасности и выработаны технические решения по обеспечению нормативных требований, установленных для данных конструкций, в том числе по применению средств огнезащиты.

На первом этапе необходимо было исследовать собственные пределы огнестойкости и классы пожарной опасности конструкций без применения огнезащитных материалов и облицовок.

Внешний вид конструкций узлов крепления «балка – балка» и «балка – колонна» перед испытанием представлен на рис. 5.

Внешний вид металлических узлов крепления «балка – балка» и «балка – колонна» представлен на рис. 6.

В результате проведенных испытаний установлено, что потеря несущей способности конструкций наступает при обрушении металлического узла крепления. Среднее время до потери несущей способности составило 23 минуты для всех видов конструкций. Внешний вид металлического узла крепления после проведения испытаний представлен на рис. 7.

Собственные пределы огнестойкости деревянных балок были рассчитаны по уменьшению их сечения в условиях пожара с распределенной нагрузкой 5,5 т, приложенной в двух точках на каждой 1/3 длины пролета. Схема нагружения балок и сечение при расчетах представлены на рис. 8.

Для балок сечением 400 × 200 мм под вышеуказанной нагрузкой прогиб составляет 5,4 мм, а предельный прогиб – 29,2 мм. При пожаре сечение балки будет уменьшаться со скоростью обугливания 0,7 мм/мин (в соответствии с [2, п. 10.4]), а температура начала обугливания составляет 270 °C. Минимальное сечение балки, обеспечивающее прогиб не более 29,2 мм, составляет 90 × 290 мм, то есть такое сечение при пожаре с момента начала обугливания будет через 78 мин, а если учесть время до начала обугливания, то можно принять собственный предел огнестойкости, равный 80 мин.

Для балок сечением 400 × 180 мм аналогичный расчет дает собственный предел огнестойкости, равный примерно 70 мин.

Таким образом, собственный предел огнестойкости незащищенных деревянных балок больше, чем у металлических узлов их крепления.

В результате проведенных исследований установлено, что предел огнестойкости незащищенных узлов крепления балок и колонн под нагрузкой независимо от вида древесного материала составляет R15 и определяется собственным пределом огнестойкости металлического узлового соединения, если он находится без защиты.

Огнестойкость незащищенного фрагмента конструкции стены из LVL и CLT с металлическим узлом крепления и примыкания к колонне, а также между панелями размером 3000 × 3000 мм и толщиной 200 мм составил REI 90. При этом стоит отметить, что потеря несущей способности (R) определялась по достижению температуры 500 °C на металлических элементах узлов крепления и примыкания, которые были выполнены в виде закладной металлической пластины 100 × 100 × 10 мм, стянутой 4 болтами, утопленными и забитыми заглушками длиной 50 мм, прогрев которых составил 93 мин. Потеря целостности (Е) наступила на 97 мин, при этом потеря теплоизолирующей способности (I) не наступила.

Класс пожарной опасности фрагментов конструкции стен из LVL, CLT и бруса размером 2400 × 1300 мм без применения облицовок и средств огнезащиты составляет К3, так как, в соответствии с [2, п. 10.14], незащищенная древесина относится к классу пожарной опасности элементов конструкций К3 независимо от времени воздействия огня и требуемого предела огнестойкости.

Полученные в результате исследований данные по фактическим пределам огнестойкости строительных конструкций, выполненных из LVL и бруса, в том числе узловых соединений таких конструкций, ограничивают возможность применения незащищенных конструкций и их узловых соединений в строительстве зданий и сооружений одноквартирными жилыми домами, административными, сельскохозяйственными и складскими зданиями с ограниченной площадью этажа в пределах пожарного отсека и высотой не более 1–2 этажей.

Предел огнестойкости фрагмента конструкции несущей стены из CLT с металлическими узлами крепления и примыкания к колонне, а также между панелями составил REI90, что допускает применение таких конструктивных решений в зданиях II степени огнестойкости.

Для строительства зданий до 28 м пределы огнестойкости конструкций и узлов должны соответствовать требованиям [1, табл. 21, 22]:

– R90 (REI90), K0(45) – для несущих конструкций зданий, конструкций лестничных клеток, площадок и лестничных маршей;

– E15, K0 – для конструкций наружных ненесущих стен;

– REI45, K0(45) – для конструкций междуэтажных перекрытий;

– R15, K0(15) – для конструкций ферм, балок и прогонов бесчердачных покрытий.

С целью повышения пределов огнестойкости и классов пожарной опасности незащищенных конструкций и их узлов, исследуемых в настоящей работе, необходимо использование технических решений по их огнезащите. Для этого были проведены испытания облицовок и средств огнезащиты строительных конструкций.

Исследования класса пожарной опасности конструкций

Определялись классы пожарной опасности фрагмента вертикальной конструкции размером 2400 × 1300 мм, толщиной 200 мм для CLT и бруса и 180 мм для LVL, с облицовками и средствами огнезащиты, описанными выше. Внешний вид образцов до испытаний, в процессе и после представлен на рис. 9–17. Результаты испытаний представлены в табл. 1.

Необходимо отметить, что в процессе испытаний образцы с использованием двух листов ГКЛ показали класс К0(30), но их выгорание происходило после испытания в течение суток, поэтому им присвоен класс К3(30), как это предусмотрено ГОСТ 30403-2012 [4].

По результатам испытаний установлено, что вид древесного материала конструкции не влияет на показатели пожарной опасности.

Расчетно-аналитическое обоснование огнестойкости исследуемых конструкций с облицовками и средствами огнезащиты

При проведении огневых испытаний по определению классов пожарной опасности были получены экспериментальные данные для последующих расчетно-аналитических обоснований пределов огнестойкости узлов крепления с облицовками и средствами огнезащиты.

При исследовании фрагментов конструкций с нанесенной огнезащитной краской на класс пожарной опасности были получены профили динамики прогрева поверхности образца под огнезащитной краской (рис. 18).

В результате исследований установлено, что максимальная температура на поверхности образца под огнезащитной краской через 15 мин составила приблизительно 170 °C.

При исследовании фрагментов конструкций с двумя слоями ГКЛ на класс пожарной опасности были получены профили динамики прогрева поверхности образца под ГКЛ (рис. 19).

В результате исследований установлено, что максимальная температура на поверхности образца под двумя листами ГКЛ через 30 мин составила приблизительно 120 °C.

При исследовании фрагментов конструкций стен с минплитой и двумя слоями ГКЛ на класс пожарной опасности были получены профили динамики прогрева поверхности образца под минплитой и ГКЛ (рис. 20).

В результате исследований установлено, что максимальная температура на поверхности образца под минераловатной плитой 50 мм и двумя слоями ГКЛ через 45 мин составила приблизительно 90 °C.

Также дополнительно были получены экспериментальные данные по прогреву поверхности образца под минераловатной плитой и двумя слоями ГКЛ при времени испытания до 100 мин. Результаты представлены на рис. 21.

В результате исследований установлено, что максимальная температура на поверхности образца под минераловатной плитой 50 мм и двумя слоями ГКЛ через 100 мин составила приблизительно 230 °C.

Располагая данными экспериментальных исследований, проведены расчетно-аналитические обоснования пределов огнестойкости исследуемых конструкций с облицовками и средствами огнезащиты.

На основании данных, полученных при прогреве поверхности конструкций под огнезащитной краской при испытаниях на пожарную опасность, установлено, что через 15 мин температура составила 170 °C, но при этом пенококсовый слой уже начал осыпаться. Предел огнестойкости незащищенного узла при испытаниях составил 15 мин, а расчетный собственный предел огнестойкости незащищенной балки в зависимости от толщины – не менее 70 мин. Поэтому можно утверждать, что предел огнестойкости узла крепления «балка – балка» и «балка – колонна», выполненных из LVL и бруса с огнезащитной краской, будет не ниже R30 по защищенному металлическому узловому соединению.

При испытании на огнестойкость незащищенного фрагмента конструкции стены с металлическим узлом крепления и примыкания к колонне, а также между панелями размером 3000 × 3000 мм и толщиной 200 мм получен предел REI 90, а из испытаний на класс пожарной опасности получены данные, что огнезащитная краска защищает от обугливания конструкцию на 15 мин. То есть суммарный предел огнестойкости равен 105 мин, но такой предел не нормируется в [1], поэтому он остается не ниже REI 90.

На основании данных, полученных при прогреве поверхности конструкций под двумя листами ГКЛ при испытаниях на пожарную опасность, установлено, что через 30 мин температура составила 120 °C. Предел огнестойкости незащищенного узла при испытаниях составил 15 мин, а расчетный собственный предел огнестойкости незащищенной балки – не менее 70 мин. На основании этого можно утверждать, что предел огнестойкости конструкции узла крепления «балка – балка» и «балка – колонна», выполненных из LVL и бруса, с двумя листами ГКЛ будет не ниже R60 по узловому соединению.

При испытании на огнестойкость незащищенного фрагмента конструкции стены с металлическим узлом крепления и примыкания к колонне, а также между панелями размером 3000 × 3000 мм и толщиной 200 мм получен предел REI 90, а из испытаний на класс пожарной опасности получены данные, что два листа ГКЛ защищают от обугливания конструкцию на 30 мин. На основании этого можно утверждать, что нормируемый предел огнестойкости фрагмента конструкции стены из CLT с двумя листами ГКЛ будет не ниже REI 120.

На основании данных, полученных при прогреве поверхности конструкции под минплитой и двумя листами ГКЛ при испытаниях, установлено, что через 100 мин температура составила 230 °C. Предел огнестойкости незащищенного узла при испытаниях составил 15 мин, а расчетный собственный предел огнестойкости незащищенной балки – не менее 70 мин. На основании этого можно утверждать, что предел огнестойкости конструкции узла крепления «балка – балка» и «балка – колонна», выполненных из LVL и бруса, с минплитой и двумя листами ГКЛ будет не ниже R120.

При испытании на огнестойкость незащищенного фрагмента конструкции стены с металлическим узлом крепления и примыкания к колонне, а также между панелями размером 3000 × 3000 мм и толщиной 200 мм получен предел REI 90. На основании данных, полученных при прогреве поверхности конструкции под минплитой и двумя листами ГКЛ при испытаниях, установлено, что через 100 мин температура составила 230 °C. На основании этого можно утверждать, что нормируемый предел огнестойкости фрагмента конструкции стены из CLT с минплитой и двумя листами ГКЛ будет не ниже REI 150.

Результаты расчетно-аналитических исследований пределов огнестойкости рассматриваемых конструкций представлены в табл. 2.

Заключение по результатам исследования

Применение описанных в работе технических решений по огнезащите позволяет обеспечивать требования к зданиям I степени огнестойкости и класса конструктивной пожарной опасности С0 в части обеспечения нормируемых пределов огнестойкости и классов пожарной опасности строительных конструкций и узловых соединений. Для оптимизации расходов на огнезащиту деревянных строительных конструкций рекомендуется использовать все рассмотренные в работе огнезащитные покрытия: лакокрасочное [5], облегченное конструктивное [6], конструктивное [6]. Выбор технического решения следует принимать исходя из требуемых пределов огнестойкости и классов пожарной опасности строительных конструкций.

При строительстве зданий высотой до 28 м необходимо использование технических решений по применению конструктивного огнезащитного покрытия из негорючих минеральных плит толщиной 50 мм и зашивки двумя листами ГКЛ общей толщиной 25 мм для конструкций из бруса, LVL, CLT или иных решений, подтвержденных в соответствии с положениями [1] и обеспечивающих пределы огнестойкости не менее R90 и классы пожарной опасности К0(45).

Применение облицовок и средств огнезащиты повышает пределы огнестойкости вертикальных и горизонтальных стержневых конструкций:

– до R30 и К0(15) – при применении огнезащитной краски по ГОСТ Р 59274-2020 [5] с расходом 800 г/м ² – конструкций ферм, балок, прогонов и опорных колонн бесчердачных покрытий [1, табл. 21, 22];

– до R120 и К0(45) – при применении усиленной конструктивной облицовки из ГКЛ по ГОСТ 6266-97 [6] (2 листа по 12,5 мм) и негорючих минераловатных плит (толщина 50 мм) – несущих конструкций зданий: ферм, балок, и колонн [1, табл. 21, 22].

Выводы

Результаты, полученные в работе, предполагается использовать при разработке и совершенствовании нормативных документов в области пожарной безопасности, в развитии дорожной карты деревянного домостроения при разработке нормативных документов, в частности при подготовке изменений в СП 64.13330.2017 [2], п. 10 «Пожарно-технические требования к конструкциям из древесины».

Предлагается внести изменения в СП 64.13330.2017 [2] и дополнить пункт 10.9 следующими абзацами:

«Для конструкций ферм, балок, прогонов и опорных колонн бесчердачных покрытий пределы огнестойкости повышаются до R30 и К0(15), при применении огнезащитной краски по ГОСТ Р 59274 с расходом 800 г/м ²;

Для несущих конструкций зданий: ферм, балок, и колонн пределы огнестойкости повышаются до R120 и К0(45), при применении конструктивной облицовки из гипсокартонных листов по ГОСТ 6266 (2 листа толщиной по 12,5 мм) и негорючих минераловатных плит (толщина 50 мм)».