Поведение железобетонных колонн при огневом воздействии: влияние отслаивания бетона (spalling)

При нагреве влажного бетона вода в порах начинает интенсивно испаряться.

Давление пара растёт, и наружный слой бетона взрывообразно отслаивается, обнажая арматуру.

Это приводит к:

• потере защитного слоя;
• ускоренному нагреву стальной арматуры;
• снижению прочности и симметрии сечения.

Фактически, после споллинга колонна работает как элемент с биаксиальным изгибом и неравномерным нагревом, что значительно сокращает её огнестойкость..

Учёные использовали численную модель на основе волоконного (fiber) подхода, позволяющую рассчитать:

• распределение температур по сечению колонны;
• изгибно-силовую диаграмму под комбинированными нагрузками;
• изменение прочности в зависимости от времени пожара.

Модель валидирована на экспериментах Lie & Irwin (NRC, Канада) и Kodur et al., где регистрировались реальные температуры и разрушения при стандартной огневой нагрузке ISO 834.

Расчётная точность модели составила ±10 %, что подтверждает её инженерную применимость.

Исследователи сравнили два сценария:

1. Угловое отслаивание (corner spalling) — теряется часть покрытия в углу, обнажается крайняя арматура.
2. Поверхностное отслаивание (surface spalling) — отслаивается слой бетона вдоль одной стороны сечения.

В обоих случаях моделировалось полное удаление защитного слоя и прямое воздействие огня на арматуру.

Результаты показали:

• уже через 10–20 минут после начала нагрева температура арматуры в зоне споллинга резко возрастает;
• спустя 45 минут момент отслаивания перестаёт играть роль — температура в наружном слое и так превышает критические значения.

Для практической оценки учёные ввели понятие дополнительного времени огневого воздействия (AFET — Additional Fire Exposure Time) —
величина, эквивалентная дополнительному нагреву неповреждённой колонны, необходимому для достижения такого же уровня разрушения, как при споллинге.

• Для углового отслаивания AFET = 0–25 мин.
• Для поверхностного отслаивания AFET = 0–35 мин.

Иными словами, колонна с поверхностным споллингом теряет огнестойкость так, как если бы подвергалась пожару на полчаса дольше.

Были рассмотрены 486 вариантов колонн с различными параметрами:

• размеры сечения — 250×250, 300×300, 400×400 мм;
• защитный слой — 30–40 мм;
• число арматурных стержней — 4 или 8;
• уровень нагрузки — 20–60 % от предельной;
• требуемая огнестойкость — 60, 90, 120 мин.

Главные выводы:

• При толщине защитного слоя 40 мм и требуемой огнестойкости до 60 мин влияние споллинга минимально.
• При уменьшении защитного слоя и увеличении требуемого времени огнестойкости эффект резко возрастает.
• Поверхностное отслаивание всегда опаснее углового, особенно при длительном пожаре (>90 мин).
• Для колонн с 8 арматурными стержнями проектировщикам рекомендуется учитывать именно сценарий surface spalling как наиболее критичный.

Авторы разработали эмпирические уравнения, позволяющие оценить модифицированное время огнестойкости с учётом споллинга без сложного моделирования.

Для углового споллинга:
tₘₒd = 0.92t + 0.81uₛ − 1.46n_b
Для поверхностного споллинга:
tₘₒd = 1.17t + 0.58uₛ + 12λ − 0.05b − 4.00
где
t — требуемое время огнестойкости (мин),
uₛ — защитный слой бетона (мм),
n_b — число арматурных стержней,
λ — коэффициент нагрузки,
b — сторона сечения (мм).

Средняя ошибка прогнозов не превышает ±10 %, что делает формулы пригодными для инженерных расчётов на стадии проектирования.

Споллинг вызывает асимметрию нагрева и изгиба, снижая несущую способность колонны.

При расчёте огнестойкости рекомендуется вводить дополнительное время пожара 10–35 минут в зависимости от типа повреждения.

При проектировании зданий с требованиями EI ≥ 90 мин следует рассматривать поверхностный споллинг как базовый сценарий.

• Методика может быть интегрирована в российские нормы при пересмотре разделов по огнестойкости железобетонных конструкций.