Стальные конструкции широко применяются в современном строительстве благодаря своей прочности, надежности и технологичности. Однако их поведение при воздействии высоких температур, возникающих в условиях пожара, требует особого внимания. Особенно уязвимыми к термическому воздействию являются изгибаемые элементы — балки, прогоны, фермы и другие несущие конструкции, работающие на изгиб. Их огнестойкость напрямую влияет на безопасность здания и возможность эвакуации людей. В этой связи анализ и обеспечение достаточной огнестойкости изгибаемых стальных конструкций становится важной задачей как на этапе проектирования, так и при эксплуатации зданий.

Под огнестойкостью понимается способность конструкции сохранять свои несущие и ограждающие функции в условиях пожара в течение определенного времени. Для стальных конструкций основным критерием является потеря несущей способности, которая происходит вследствие снижения прочностных характеристик стали при нагревании. При достижении температуры 500–600 °C предел текучести стали может снизиться до 50 % от исходного значения, что чрево деформацией, прогибом и даже разрушением конструкции. Поэтому важно заранее предусмотреть защитные меры и правильно оценить время, в течение которого конструкция сможет выполнять свою функцию при пожаре.

Изгибаемые стальные элементы испытывают сложное напряженное состояние под действием внешних нагрузок. Под влиянием высокой температуры изменяется распределение напряжений по сечению: верхние волокна (в зоне сжатия) могут терять устойчивость, а нижние (в зоне растяжения) — резко снижать прочность. Это приводит к увеличению прогиба и возможному выходу за допустимые пределы. Кроме того, неравномерный нагрев по высоте сечения усиливает температурные деформации, что также снижает общую устойчивость конструкции.

Современные нормы проектирования устанавливают методики расчета огнестойкости стальных конструкций. Основными параметрами являются:

— начальная геометрия сечения;

— тип и интенсивность нагрузки;

— температурный режим пожара;

— наличие огнезащитных покрытий;

— теплофизические свойства материалов.

Расчет проводится либо по предельным состояниям (по потере несущей способности), либо с использованием программного моделирования теплотехнических процессов и НДС (напряженно-деформированного состояния) конструкции.

Важно отметить, что стандартные кривые температурного режима пожара, такие как стандартная температурная кривая ISO 834 или внешняя пожарная нагрузка EN 1991-1-2, дают усредненные данные и не всегда адекватно отражают реальные условия. Поэтому для ответственных сооружений все чаще используются натурные испытания или компьютерное моделирование, позволяющее учитывать специфику пожарной нагрузки, вентиляции, расположения конструкции и других факторов.

Одним из наиболее эффективных способов повышения огнестойкости изгибаемых стальных конструкций является применение огнезащитных покрытий , которые замедляют нагрев металла. К таким материалам относятся:

— штукатурные составы;

— минераловатные маты;

— вспучивающиеся краски;

— цементосодержащие обмазки.

Выбор конкретного типа защиты зависит от условий эксплуатации, требуемого предела огнестойкости, доступности материала и экономической целесообразности. Например, вспучивающиеся краски имеют малую толщину и обеспечивают хороший эстетический вид, но менее эффективны при длительном воздействии высокой температуры. Минераловатные покрытия, напротив, обеспечивают высокую термостойкость, но требуют дополнительной защиты от механических повреждений и влаги.

Кроме того, существуют конструктивные решения, направленные на повышение огнестойкости без использования дополнительных защитных слоев. Например, заполнение полостей стальных профилей бетоном (т.н. сталежелезобетонные конструкции) позволяет значительно повысить теплоинерционность и задержать нагрев стального каркаса. Также эффективно применение решетчатых ферм вместо сплошных балок, что обеспечивает лучшее распределение температурных напряжений и меньшую скорость прогрева.

Немаловажным фактором является и система крепления конструкции. Жесткие узлы примыкания могут ограничивать свободу температурных деформаций, что вызывает дополнительные напряжения и повышает риск разрушения. Поэтому в проектах рекомендуется предусматривать компенсационные зазоры или использовать шарнирные соединения, способные воспринимать тепловое расширение без потери устойчивости.

Еще одним направлением повышения огнестойкости является использование высокопрочных сталей , обладающих повышенной термостойкостью. Некоторые марки сталей сохраняют более 70 % прочности при температуре 600 °C, что позволяет увеличить предел огнестойкости без изменения геометрии или увеличения массы конструкции. Однако стоимость таких сталей значительно выше, что ограничивает их применение.

На практике огнестойкость изгибаемых стальных конструкций оценивается через предел огнестойкости — время, в течение которого конструкция сохраняет несущую способность при стандартном температурном режиме. Обычно этот показатель выражается в минутах (REI 15, REI 30, REI 60 и т. д.). При проектировании необходимо учитывать требования нормативных документов, в которых указывается минимальный предел огнестойкости в зависимости от типа здания, его назначения и этажности.

Например, для общественных зданий и торгово-развлекательных комплексов требуется предел огнестойкости не менее REI 60, тогда как для одноэтажных производственных зданий он может быть снижен до REI 30. Эти требования связаны с необходимостью обеспечить безопасную эвакуацию людей, своевременное прибытие пожарных служб и минимизировать риск обрушения конструкций во время ликвидации пожара.

Особое внимание уделяется мониторингу и техническому обслуживанию огнезащитных покрытий. Со временем они могут повреждаться, выкрашиваться или терять свои свойства под воздействием влаги, химических веществ или механических факторов. Регулярный осмотр, диагностика и ремонт защитных слоев позволяют поддерживать уровень огнестойкости на должном уровне.

Также перспективным направлением является внедрение умных систем контроля состояния конструкций. С помощью датчиков температуры, деформации и вибрации можно оперативно выявлять участки с повышенным риском потери устойчивости и принимать меры до наступления критического состояния. Интеграция таких систем в системы управления зданием открывает новые возможности для прогнозирования поведения конструкций при пожаре.

Таким образом, огнестойкость изгибаемых стальных конструкций — это результат взаимодействия множества факторов: от выбора материала и конструктивного решения до качества монтажа и условий эксплуатации. Современные подходы к проектированию, основанные на численном моделировании, натурных испытаниях и системном подходе к пожарной безопасности, позволяют создавать здания, соответствующие самым высоким требованиям надежности и безопасности. Особенно это актуально в условиях роста городской плотности, увеличения высотности зданий и усложнения архитектурных форм, где роль стальных конструкций продолжает расти.