О влиянии пролёта на класс огнестойкости предварительно напряжённых железобетонных плит

Почему важны пожар и длина пролёта перекрытия

В современных зданиях часто применяют стройные, тонкие бетонные перекрытия, которые могут простираться над парковочными местами, квартирами или открытыми офисными пространствами без множества опорных колонн. Такие длинные пролёты удобны и эстетичны, но в пожаре они могут оказаться более уязвимыми. В этом исследовании ставится практический вопрос: по мере увеличения пролёта, сохраняют ли плиты достаточную стойкость в серьёзном пожаре, чтобы люди успели эвакуироваться и пожарные смогли работать?

Тонкие плиты, скрытая сталь и рост температуры

Предварительно напряжённые железобетонные плиты внешне похожи на обычные перекрытия, но в них заложены высокопрочные стальные канаты или стержни (тендоны), которые натягиваются, придавая плите лёгкий изгиб. Благодаря этой системе плиты можно делать тоньше и при этом выдерживать значительные эксплуатационные нагрузки. Однако при пожаре тонкие плиты нагреваются быстрее, а скрытые стальные тензоры особенно чувствительны к высоким температурам. При их нагреве прочность быстро снижается, и плита может провисать или даже разрушиться. Правила пожарной безопасности пытаются предотвратить это, задавая для перекрытий класс огнестойкости (FRR), обычно в минутах, но эти оценки часто основаны на идеализированных испытаниях, которые не всегда адекватно отражают поведение реальных зданий.

Виртуальное тестирование в реальных сценариях пожара

Исследователи использовали продвинутые компьютерные модели, чтобы изучить, как длина пролёта влияет на поведение при пожаре. Они моделировали однопроходные предварительно напряжённые плиты с ненапряжёнными (unbonded) тензорами пролётами 4, 6 и 8 метров, рассчитанные на типичные жилые нагрузки. Каждую плиту подвергали воздействию стандартной лабораторной тепловой кривой и четырём более реалистичным, так называемым естественным сценариям пожара, которые включают фазы нагрева и охлаждения и учитывают такие факторы, как запас горючего, вентиляция и тушение. В виртуальных испытаниях отслеживали, как тепло распространяется в бетоне, насколько нагреваются тензоры и как со временем изменяется прогиб плиты. Было проверено несколько критериев отказа, включая температуру тензоров, общую величину прогиба и скорость его нарастания.

Длиннее пролёт — меньше время выживания

Моделирование дало ясную картину: с ростом пролёта время, в течение которого плита остаётся работоспособной при пожаре, сокращается нелинейно. По стандартной кривой короткие 4‑метровые плиты почти достигали рассчитанных кодом значений, тогда как плиты 6 и 8 метров не дотягивали, особенно если судить по скорости начала провисания. При реалистичных естественных пожарах результаты были ещё более тревожными. В трёх из четырёх типов естественного пожара более длинные плиты теряли большую долю ожидаемого FRR — примерно на 40% меньше времени выживания для пролёта 6 м и почти на 50% для 8 м в некоторых случаях. Для коротких плит отказ, как правило, определялся тем, что тензоры достигали критической температуры. Для длинных же плит основной проблемой становился чрезмерный и ускоряющийся прогиб: они начинали гнуться слишком много и слишком быстро, ещё до того как тензоры достигали предельной температуры.

Пожарные кривые, защитный слой бетона и пробелы в нормах

Исследование также подчёркивает слабые места действующих правил проектирования. Стандартные пожарные кривые, такие как ISO 834, которые непрерывно нагревают образец без фазы охлаждения, часто предсказывают более длительную выживаемость, чем более реалистичные тепловые сценарии с пиком и фазой остывания. Для изученных предварительно напряжённых плит опора только на стандартную кривую может создать ложное чувство безопасности в ряде случаев. Увеличение защитного слоя бетона вокруг тензоров с 30 до 40 миллиметров действительно улучшало огнестойкость за счёт замедления теплопередачи, но не настолько, как это предполагают некоторые нормативы — гораздо меньше тех дополнительных 30 минут на сантиметр, которые встречаются в некоторых рекомендациях. В целом расчёты показали, что простое соблюдение минимальных требований по защитному слою не гарантирует, что длиннопролётная предварительно напряжённая плита действительно достигнет заявленного класса огнестойкости.

Простое средство для расчёта безопасных длин пролётов

На основе результатов моделирования авторы предложили простые математические соотношения, связывающие длину пролёта и сценарий пожара с ожидаемым временем огнестойкости для таких плит. При использовании этого подхода для оценки плиты пролётом 10 метров и последующем прямом моделировании соответствие прогнозируемых и смоделированных значений класса огнестойкости оказалось очень близким. Это указывает на то, что метод может помочь проектировщикам быстро оценить, какой уровень огнестойкости вероятен для длинных пролётов и нужны ли более толстые плиты, дополнительная арматура или учёт иных сценариев пожара в их расчётах на основе производительности.

Что это значит для реальных зданий

Для неспециалистов вывод прост: длинные тонкие предварительно напряжённые бетонные перекрытия эффективны, но при серьёзном пожаре могут оказаться неожиданно уязвимыми, особенно при реалистичных сценариях пожара, а не при идеализированных испытательных кривых. По мере увеличения пролёта перекрытия могут выходить из строя не только потому, что скрытая сталь перегревается, но и потому, что плиты начинают провисать слишком сильно и слишком быстро. Исследование показывает, что строительные нормы и практики проектирования должны уделять больше внимания длине пролёта, реалистичным сценариям пожара и поведению прогиба — а не только температуре стали — при присвоении классов огнестойкости. Это поможет обеспечить, чтобы воздушные, лишённые колонн пространства, которые нам нравятся, оставались безопасными в случае пожара.

Цитирование: Hajiheidari, R., Behnam, B. On the effect of span length on the fire resistance rating of post-tensioned concrete slabs. Sci Rep 16, 6254 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36325-4

Ключевые слова: класс огнестойкости, предварительно напряжённые железобетонные плиты, длиннопролетные перекрытия, пожарная безопасность конструкций, естественные сценарии пожара