Обследование технического состояния каменных зданий после огневого воздействия пожара

Введение

Для дальнейшей эксплуатации каменных конструкций после воздействия при пожаре производят техническое обследование пострадавшего от огня здания и его строительных конструкций.

Согласно официальной статистике МЧС, более 70 % пожаров ложится на жилой сектор. В крупных исторических центрах это в первую очередь каменные здания с деревянными перекрытиями, способствующими быстрому распространению огневого воздействия. Наибольшее количество пожаров произошло в одноквартирных жилых домах – 15 516 пожаров (аналогичный период прошлого года (АППГ) – 14 989; 3,5 %), на которых погибло 1 951 человек (АППГ – 1 922; 1,5 %), в том числе 98 несовершеннолетних (АППГ – 79; 24,1 %), и получили травмы 1 146 человек (АППГ – 939; 22,0 %). В многоквартирных жилых домах произошло 15 450 пожаров (АППГ – 16 482; –6,3 %), на которых погибло 1 300 человек (АППГ – 1 445; –10,0 %), в том числе 49 несовершеннолетних (АППГ – 55; –10,9 %), и получили травмы 1 622 человека (АППГ – 1 658; –2,2 %) [1].

Целью обследования технического состояния является определение остаточной несущей способности и способа усиления поврежденных пожаром каменных конструкций.

Состояние вопроса

Каменные здания постройки конца XIX и первой половины XX века возводились в основном 2–7-этажные, во второй половине XX века – 5–14-этажные. Стены зданий выполнялись из полнотелых и пустотелых керамических и силикатных кирпичей. Раствор для кладки стен в конце XIX и в течение XX века применялся цементно-известковый. Толщина стен, возведенных в конце XIX – начале XX века, была в 2–2,5 кирпича. Толщина стен после 1920-х годов была равна, как правило, двум кирпичам.

Стены оштукатуривались изнутри известковым раствором или облицовывались гипсокартонными плитами. Снаружи стены штукатурились известковым и цементно-известковым раствором или кладка велась под расшивку без штукатурки.

Междуэтажное и мансардное перекрытия в зданиях постройки конца XIX и начала XX века выполнялись деревянными по деревянным или металлическим балкам или бетонными по металлическим балкам. Конструктивное пространство между полом и потолком является фактором, ускоряющим в перекрытии огневое распространение. В различных перекрытиях для недопущения распространения огня укладывались поперек балок бруски. В состав деревянных перекрытий по металлическим балкам входят те же элементы, что и в деревянных перекрытиях по деревянным балкам. Взамен деревянных балок использовались металлические балки из двутавра или рельсовые.

В конце XIX – начале XX века в перекрытиях над подвалом и первым этажом (обычно складские помещения) устраивались кирпичные или бетонные сводики по стальным двутавровым балкам или изношенным рельсам. В прежние времена (в XVIII – начале XIX века) своды, которые опирались на стены, были кирпичными [1].

Начиная с конца первой половины XX века в производство вошли железобетонные монолитные и сборные системы перекрытий [2][3].

Мансардный этаж был засыпан строительным мусором, обложен кирпичом с помощью глиняного раствора, опилками, смешанными с известью, со второй половины XX века – керамзитом, минеральной ватой и стекловолокном. По верху вставки укладывался усиленный защитный слой из известкового или цементного раствора.

Ненесущие части зданий, построенных в конце XIX и в первой половине XX века, производились из брусьев со шлаковой засыпкой, далее следовала штукатурка по дранке. Во второй половине XX века ненесущие части зданий производились в виде щитов-каркасов с обшивкой из гипсокартона.

Марши лестниц в конце XIX и первой половине XX века производились из отдельных ступеней из известнякового камня или бетона, уложенных по стальным двутавровым балкам. В конце XIX века применялись также каменные и бетонные ступени, заделанные одним концом в стены. Под другим концом ступеней укладывалась плашмя стальная полоса, однако считать ее косоуром нельзя из-за очень малого значения изгибной жесткости. Во второй половине XX века начали применяться сборные железобетонные марши и марш-площадки. Площадки выполнялись из бетонных монолитных или сборных железобетонных плит по стальным двутавровым балкам, или из сборных железобетонной плиты с ребром, служащим для опоры плиты и маршей.

Крыша выполнялась с деревянной стропильной системой и обрешеткой из брусков и досок. Кровля чаще всего делалась из стали или волнистых асбоцементных листов.

Воздействие при пожаре на каменные конструкции зависит от размера и материала камня, пространственного положения стен, температурной и длительнодействующей составляющей пожара, методов огнетушения.

Горение древесины обусловлено выделением избыточного тепла, что активизирует сам пожар. Большие деревянные конструкции (балки перекрытий) теряют прочностные характеристики постепенно и медленно в отличие от незащищенных конструкций из металла. Прочность внутренних слоев древесины от усушки получается бо́льшей из-за влажностных потерь. Обугливание древесины до 10 мм происходит при температуре около 450–570 °C, при крупнопористом древесном угле толщиной до 20 мм – около 600–800 °C, при обугливании на толщину более 30 мм – 820–1000 °C. Следовательно, при легкой сухой древесине и толщине обугливания до 10 мм огневое воздействие продолжается около 15 минут, глубине обугливания 20 мм – 30 минут, глубоком обугливании 30 мм – 45 минут.

Металлические конструкции зданий (балки лестничных и площадок перекрытий) производились из малоуглеродистой стали. «Сталь марки – Ст0 содержит углерода до 0,23 %, стали марок Ст2 и Ст3 – не более 0,22 %» [1]. Такие стали не закаливаются и не отпускаются при нагреве до 600 °C. После охлаждения эта сталь сохраняет свои основные характеристики: предел текучести, временное сопротивление, модуль упругости. Нагреваясь свыше 600 °C, стальные конструкции получают большие деформации и обычно не применимы для реконструкции и восстановления.

При тепловой составляющей пожара кладки из керамического кирпича до 800 °C происходит вышелушевание камня на глубину не более 5 мм, появляются вертикальные и наклонные поверхностные трещины, несущая способность каменной кладки при этом не снижается. «При нагреве кладки стен и столбов из керамического кирпича от 800 до 1000 °C происходит огневое поражение на глубину 5–10 мм, образуются вертикальные и наклонные трещины протяженностью не более двух рядов кладки, выпучивание стен не более чем на 1/6 их толщины» [1]. Несущая способность кладки снижается на 15–20 %. «При нагреве кладки стен и столбов из керамического кирпича от 1000 до 1200 °C кладка повреждается более чем на 10 мм, появляются вертикальные и наклонные трещины на высоту более двух рядов кладки, выпучивание стен до 1/3 и более толщины кладки». Несущая способность кладки снижается более чем на 20 %. Каменная кладка из силикатного кирпича при нагреве до 700 °C образует трещины, прочность кладки снижается в два раза. Каменная кладка из силикатного кирпича до 900 °C показывает интенсивное образование трещин, прочность кладки снижается в 5 раз. Температура нагрева каменных конструкций рассматривается по состоянию штукатурки: цементно-песчаная штукатурка при температуре 400–600 °C выделяется розовым цветом, при температуре 800–900 °C – светло-серым цветом с шелушением; известковая штукатурка при температуре 600–800 °C отходит слоями толщиной до 2 мм с копотью, при температуре 900 °C и выше идет отслоение толщиной более 2 мм, которое проявляется в течение двух недель.

При обследовании технического состояния конструкций из дерева, особенно балок и стропильных систем, определяют характеристики сечения деревянных элементов с учетом выгоревших слоев древесины, а также расчетное сопротивление и состояние узлов сопряжения элементов. В соединениях сопряженных конструкций из дерева использовали металлические гвозди, которые при нагреве дополнительно обугливают древесину в месте контакта, что ослабляет стыки и повышает деформативность. Необходимо дополнительно производить обследование с целью определения параметров поражения древесины от огня.

При обследовании стальных конструкций определяют сечение элементов, их прогибы, деформации кручения, поражения коррозией [4][5].

При обследовании несущих и самонесущих кирпичных стен определяют их конструкцию, толщину, вид кирпича и раствора, наличие трещин. Выявленные трещины должны быть дифференцированы по происхождению: трещины от перегрузки участков стен, от температурного воздействия, от неравномерной осадки фундаментов. Для этого должны быть обследованы участки стен, расположенных рядом с помещениями, подвергшимися воздействию пожара. Определяется вид и состояние раствора в кладке. Для сравнения необходимо осмотреть швы в кладке, прилегающей к помещениям, поврежденным пожаром (табл. 1) [6].

После пожара назначают элементы лестниц: схемы лестниц (косоурные, бескосоурные, со сборными каменными или бетонными ступенями); сечения и пролеты лестничных площадок (косоуров и балок), сборных железобетонных площадочных маршей; фиксируются деформации изгибаемых элементов (косоуров, ступеней, маршей, площадок).

Расчетное сопротивление кирпичной кладки, подвергшейся огневому воздействию, после охлаждения принимают равным расчетному сопротивлению кладки до пожара, умноженному на коэффициент снижения несущей способности кладки k_mc (табл. 2) [7].

Сжатые элементы конструкций из камня (колонны, простенки), поврежденные воздействием пожара (при их недостаточной несущей способности), проходят системы усиления обоймами (стальная, железобетонная или армированная растворная). Каменные конструкции, получившие поверхностные повреждения от огневого воздействия, восстанавливаются вычинкой.

Выводы

1. После длительной эксплуатации ряд основных критериев каменных конструкций зданий (влияющих на их несущую способность) существенно изменяется, пределы огнестойкости (проектные значения) самих конструкций каменных зданий снижаются.
2. Проект реконструкции зданий (особенно с устройством мансардных этажей) предполагает увеличение эксплуатационных нагрузок на конструкции, при этом необходим расчет усиления несущей способности.
3. Необходимо разработать специальные методы определения остаточной несущей способности реконструируемых зданий (с учетом инженерных методик расчета высокой температуры пожара на основные несущие конструкций).
4. Создание противопожарной защиты реконструируемых зданий по критерию (утрата несущей способности) позволит учитывать фактический (эксплуатационный) предел огнестойкости старых конструкций (их технического состояния) и новых конструкций (применяемых для замены старых).
5. Необходима методика оценки эксплуатационных параметров конструкций на основе применения коэффициента потери несущей способности после пожара, зависящего от технического состояния (с учетом инженерных методик расчета высокой температуры пожара на основные несущие конструкции).