Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре

 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Здания, сооружения  
и их устойчивость  
при пожаре 
 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Красноярск 
СФУ 
2019 

УДК 725.4:614.841.345(07) 
ББК 38.721.4я73 
З-460 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
В.П. Малый, доктор физико-математических наук, профессор кафедры пожарной и аварийно-спасательной техники ФГБОУ ВО «Академия ГПС МЧС 
России»; 
С.Н. Орловский, кандидат технических наук, доцент кафедры безопасности 
жизнедеятельности ФГБОУ ВО «Красноярский государственный аграрный университет» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
З-460 
 
Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре : учеб. пособие / Д.А. Едимичев, А.Н. Минкин, С.Н. Масаев, М.В. Елфимова. – 
Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2019. – 148 с. 
 
 
ISBN 978-5-7638-4154-1 
 
 
 
 
 
Рассмотрены основные строительные материалы и их поведение в условиях пожара, представлены методы оценки поведения строительных материалов в условиях пожара и способы их огнезащиты. Приведены сведения 
о зданиях, сооружениях и конструкциях, используемых в строительстве. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 20.05.01 «Пожарная безопасность». Может быть полезно работникам пожарного надзора, проектировщикам, а также студентам строительных вузов. 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 725.4:614.841.345(07) 
ББК 38.721.4я73 
 
 
ISBN 978-5-7638-4154-1 
© Сибирский федеральный университет, 2019 

О Г Л А В Л Е Н И Е  

 
ПРЕДИСЛОВИЕ ............................................................................................... 4 
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛАХ  
И ИХ СВОЙСТВАХ .......................................................................................... 5 
1.1. Физические свойства строительных материалов ...................................... 7 
1.2. Химические свойства строительных материалов ................................... 16 
1.3. Механические свойства строительных материалов ............................... 16 
1.4. Технологические свойства строительных материалов ........................... 18 
2. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ  
И ИХ ПОВЕДЕНИЕ В УСЛОВИЯХ ПОЖАРА ........................................ 21 
2.1. Природные каменные материалы ............................................................. 21 
2.2. Керамические материалы и изделия из них ............................................ 27 
2.3. Бетоны ......................................................................................................... 33 
2.4. Силикатные изделия автоклавного твердения ........................................ 38 
2.5. Материалы и изделия из стеклорасплавов .............................................. 40 
2.6. Металлы ...................................................................................................... 42 
2.7. Железобетон ................................................................................................ 46 
2.8. Поведение неорганических строительных материалов  
в условиях пожара ............................................................................................. 49 
3. ОРГАНИЧЕСКИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ  
И ИХ ПОВЕДЕНИЕ В УСЛОВИЯХ ПОЖАРА ........................................ 57 
3.1. Древесина .................................................................................................... 57 
3.2. Пластмассы и другие полимерные материалы, применяемые  
в строительстве .................................................................................................. 62 
3.3. Пожарная опасность органических материалов ..................................... 71 
4. ИСХОДНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ЗДАНИЯХ, СООРУЖЕНИЯХ  
И ИХ ЭЛЕМЕНТАХ ....................................................................................... 78 
5. ПОВЕДЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ И КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ  
В УСЛОВИЯХ ПОЖАРА .............................................................................. 91 
6. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ И РАСЧЕТА ОГНЕСТОЙКОСТИ 
СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ...................................................... 108 
6.1. Расчет пределов огнестойкости металлических конструкций ............ 108 
6.2. Расчет пределов огнестойкости бетонных и железобетонных 
конструкций ..................................................................................................... 117 
6.3. Расчет пределов огнестойкости деревянных конструкций .................. 131 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ...................................................... 136 
ПРИЛОЖЕНИЯ ............................................................................................ 139 

 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Обеспечение пожарной безопасности строящихся и находящихся в эксплуатации зданий и сооружений достигается различными способами и методами. Одним из важнейших направлений в обеспечении 
устойчивости зданий при пожарах является правильный выбор строительных материалов, применение различных способов огнезащиты 
строительных конструкций, а также объективная оценка наступления 
предельных состояний несущих элементов. Как показывает практика, 
неправильная или недостаточная оценка в поведении зданий при пожарах приводит к трагичным последствиям. Нередки случаи, когда 
происходит обрушение как части здания, охваченного пожаром, так и 
прилегающих частей здания, имеющих общие несущие конструкции. 
Настоящее учебное пособие предоставляет информацию о применяемых и перспективных строительных материалах и их свойствах. 
Описаны деструктивные процессы, протекающие в строительных 
конструкциях при пожаре, способы, повышающие их огнестойкость. 
А также указаны основные сведения об устройствах зданий и сооружений, методы расчета строительных конструкций для определения 
пределов их огнестойкости. 
 
 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ  
О СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛАХ  
И ИХ СВОЙСТВАХ 

Здания и сооружения представляют собой строения, предназначенные для проживания и пребывания людей, размещения оборудования, организации технологических процессов и производств. Как 
правило, все здания или сооружения состоят из следующих строительных конструкций: 
• основания (фундамент); 
• несущие конструкции (каркасы и стены); 
• ненесущие конструкции (внутренние перегородки); 
• ограждающие конструкции (внешние стены); 
• перекрытия (межэтажные плиты). 
При этом все элементы зданий и сооружений изготавливаются 
из различных строительных материалов. 
Строительные материалы – материалы, предназначенные для 
изготовления несущих и ненесущих строительных конструкций, ограждающих, теплоизоляционных и декоративных покрытий зданий,  
а также для производства различных строительных изделий. 
Строительные изделия – изделия, изготовленные из строительных материалов и применяемые в качестве элемента строительной конструкции. 
Строительные конструкции – конструкции, произведенные из 
строительных материалов или изделий и выполняющие определенные 
несущие, ограждающие, теплоизоляционные или эстетические функции. 
Все строительные материалы и изделия классифицируются по 
происхождению, предназначению, способу производства и виду материла [20]: 
– по предназначению: конструкционные, теплоизоляционные, 
отделочные, гидроизоляционные, антикоррозионные, герметизирующие и т.д; 

– по происхождению: деревянные, полимерные, металлические, 
керамические, стеклянные, каменные, природные, искусственные и т.д.;  
– по способу производства: искусственные и природные. 
Природные материалы извлекают в местах их естественного 
образования (горные породы), обычно в верхних слоях литосферы 
или биосферы (древесина). Природные материалы широко используются в строительстве, пройдя в основном механическую переработку 
(дробление, шлифование, распиловку). Состав и свойства природных 
материалов, как правило, не изменяются и зависят от происхождения 
исходных пород (изверженные или осадочные), а также способа их 
обработки.  
Искусственные строительные материалы производят из природного минерального (гранита, глины, песка, гравия, мрамора, известняка) и органического сырья (нефти, газа, древесины) или отходов промышленного производства (шлака, золы). Полученные таким 
образом строительные материалы приобретают новые свойства, весьма отличные от свойств исходных материалов. 
Свойства любого строительного материала можно корректировать в обширных пределах, изменяя его состав и структуру. Состав 
строительных материалов зависит прежде всего от сырья, которое 
было применено при изготовлении, а также от технологии изготовления изделий. 
Структура материала может быть нестабильной, проявляющей 
себя в большой вязкости, пластичности или текучести (цементный 
раствор, лакокрасочные материалы), которая со временем, как правило, переходит в более устойчивую – аморфную – фазу (бетон, стекло), 
характеризующуюся однородностью, или самую стабильную – кристаллическую (металлы), представляющую собой кристаллическую 
решетку с атомами, расположенными в геометрически правильном 
порядке. 
Состав и структура определяют свойства материалов, которые не остаются постоянными, а изменяются, прежде всего, в результате пожаров, а также в результате механических (нагрузка), химических (коррозия), иногда и биохимических (гниение, разложение) воздействий среды. 
Эти преобразования могут протекать как медленно, например 
при длительной эксплуатации зданий, так и относительно быстро – 
при температурном воздействии на строительные материалы вследствие пожаров, что существенно меняет их свойства. 

Следовательно, каждый строительный материал должен обладать не только качествами и свойствами, позволяющими применять 
его по предназначению, но и определенной стойкостью, обеспечивающей сопротивляемость к опасным факторам пожара и внешним 
воздействиям среды. 

1.1. Физические свойства  
строительных материалов 

Свойства строительных материалов классифицируются на физические, химические, механические и технологические [20]. 
Физические свойства в первую очередь определяют устойчивость строительных материалов к внешним воздействиям, в том числе 
к температурным. В свою очередь, они подразделяются на общефизические, гидрофизические и теплофизические. 
К общефизическим свойствам относят прежде всего плотность. 
При этом сама плотность подразделяется на истинную и среднюю 
плотность. Кроме того, необходимо также учитывать и пористость 
материала. 
Истинная плотность (ρ) – это масса единицы объема вещества  
в абсолютно плотном состоянии, без пор, пустот и трещин. 

 
=
, 
(1) 

где – истинная плотность, кг/м3; т – масса, кг; – объем, занимаемый веществом, м3.  
Так, для каменных строительных материалов (бетон, кирпич) 
плотность составляет 1800 – 3300 кг/м3; органических материалов 
(дерево, битумы, пластмассы) – 700 – 1600 кг/м3, черных металлов 
(чугун, сталь) – 7200 – 7900 кг/м3. 
Средняя плотность – это масса единицы объема материала  
в естественном состоянии, обязательно учетом с пустот и пор. 

 
=
, 
(2) 

где – средняя плотность, кг/м3; т – масса материала (изделия)  
в естественном состоянии, кг;  – объем материала (изделия), м3. 
Для сыпучих материалов (песок, цемент, щебень, гравий) определяют также и насыпную плотность.  

Насыпная плотность (ρн) – это масса единицы объема сыпучих 
строительных материалов в свободном насыпном состоянии. В единицу объема таких материалов входят не только различные фракции 
самого материала, но и пустоты между ними. Количество пустот, образующихся между фракциями насыпного материала, выраженное  
в процентах по отношению ко всему занимаемому объему, называют 
пустотностью. Этот показатель важен для гравия, песка, щебня, керамзита и т.д. 
Средняя плотность строительных материалов колеблется в широких пределах – от 8 кг/м3 (полимерный утеплитель) до 3000 кг/м3  

у тяжелого бетона и 7900 кг/м3 у стали. При одинаковом составе материала средняя плотность определяет его прочностные свойства. Чем 
выше средняя плотность, тем материал прочнее. Для пористых строительных материалов истинная плотность всегда больше средней. 
Только для абсолютно плотных материалов (металлов) значения 
средней и истинной плотности численно равны. 
По значениям истинной и средней плотности рассчитывают общую пористость (Пп) 

 
Пn = 1 −
100.  
(3) 

Поры в материале могут иметь различные формы, размеры  
и взаимное расположение. Поры могут быть открытыми, сообщаясь  
с окружающей средой (газобетон), или закрытыми, заполненными 
воздухом (утеплитель пенопласт). При погружении строительного 
материала в воду открытые поры полностью или частично, что зависит от размера пор, заполняются водой. В замкнутые поры вода не 
проникает. Открытую пористость (Wо) определяют по водонасыщению материала: 

 
=
, 
(4) 

где – масса образца в сухом состоянии, г; – масса образца в водонасыщенном состоянии, г; – объем образца, см3. 
Общая пористость у строительных материалов может колебаться 
в широких пределах. Так, для тяжелого бетона составляет 4–10 %, 
кирпича, который как стеновой материал обеспечивает прочность 
стеновой конструкции и пониженную теплопроводность, – 20–37 %, 
для эффективного теплоизоляционного материала пенопласта – 90–
95 %. На свойства строительных материалов влияют не только вели

чина пористости, но также размер пор, их форма и взаимное расположение. При увеличении объема замкнутых пор снижается их теплопроводность, что делает такие строительные материалы, как правило, более устойчивыми к пожарам (кроме полимерных утеплителей). 
При этом наличие пор в строительных материалах позволяет им в существенной мере накапливать влагу, проявляя тем самым другое 
свойство – гидрофизическое. 
Гидрофизические свойства – это свойства, связанные с воздействием на строительный материал воды или водяного пара. К характерным гидрофизическим свойствам относят водостойкость, водопоглощение, водопроницаемость, гигроскопичность, морозостойкость  
и т.д. 
Гигроскопичность – способность материала поглощать водяной 
пар из окружающей среды. С повышением пористости строительного 
материала увеличивается и его гигроскопичность. Процесс поглощения влаги является обратимым и зависит от влажности воздуха. При 
снижении влажности воздуха часть накопленной влаги испаряется.  
В зависимости от происхождения материала различна его гигроскопичность. Некоторые материалы притягивают к своей поверхности 
молекулы воды (острый угол смачивания), что делает их гидрофильными (бетон, древесина, кирпич); другие же, напротив, отталкивают 
воду (тупой угол смачивания), такие материалы называют гидрофобными (битум, полимерные материалы). Характеристикой гигроскопичности является отношение массы влаги, поглощенной материалом 
из окружающей среды, к массе сухого материала, выраженное в процентах. Немаловажную роль в поведении строительных материалов  
в условиях пожара играет гигроскопичность. Так, например, гидрофильные материалы при нагревании начинают активно удалять влагу, 
что создает дополнительное механическое напряжение внутри материала и в некоторых случаях это приводит к быстрому разрушению 
строительной конструкции. 
Водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать в порах или пустотах воду. Водопоглощение определяется 
разностью веса образца, насыщенного водой, и веса сухого образца, 
выраженным в процентах от массы: 

 
м =
100. 
(5) 

Водопоглощение зависит от колличества пор, их формы и открытости. К примеру, водопоглощение гранита составляет 0,03 – 

0,8 %, тяжелого бетона 1 – 5 %, кирпича 7 – 16 %. Из-за насыщения 
водой свойства строительных материалов могут значительно менятся, 
например, увеличиваются средняя плотность, теплопроводность, объем и в некоторых случая (для древесины) их форма. Также известно, 
что из-за нарушения связей между частицами материала и проникающими в него молекулами воды прочность его ощутимо снижается. 
Это свойство строительных материалов определяется коэффициентом размягчения Кразм – отношение предела прочности при сжатии 
материала, насыщенного влагой, Rв к пределу прочности при сжатии  
в его сухом состоянии Rс: 

 
разм =
в
. 
(6) 

Для глины, гипса Кразм, = 0; для металла, стекла Кразм = 1. Материалы с Кразм > 0,8 относятся к водостойким, с Кразм< 0,8 – неводостойкие материалы и их применение в конструкциях, находящихся  
в постоянном контакте с водой (фундаменты зданий), запрещено. При 
пожарах такое свойство, как водопоглощение, проявляет себя в пористых строительных материалах (ячеистый бетон, газобетон, пенобетон, газосиликатные блоки). Так, например, газобетонным блокам 
ввиду их большей теплоемкости требуется большее время прогрева 
по отношению к тяжелым бетонам. 
Влагоотдача – способность строительного материала отдавать 
влагу в окружающую среду. Скорость влагоотдачи зависит от разности влажности образца и влажности воздуха окружающей среды. Чем 
выше влажность строительного материала, тем интенсивнее происходит усушка изделия. Наибольшей влагоотдачей обладают крупнопористые гидрофобные строительные материалы (газобетон, пенобетон). При пожарах большая скорость влагоотдачи может приводить  
к взрывообразной потере прочности строительного материала, что 
объясняется большим внутренним давлением водяного пара на стенки 
строительного материала.  
Водопроницаемость – свойство строительного материала пропускать через себя воду вследстве наличия пор, трещин и других пустот. Данное свойство является отрицательным для всех строительных 
материалов. Водопроницаемость оценивается по коэффициенту 
фильтрации. Оценка по водопроницаемости обязательно должна производиться при возведении гидротехнических сооружений (мосты, 
дамбы, плотины), резервуаров, а также фундаментов зданий. Водонепроницаемость материала через обратную зависимость непосредст

венно связана с коэффициентом фильтрации. По водонепроницаемости присваивают марку строительным материалам: чем ниже коэффициент фильтрации, тем выше марка по водонепроницаемости. 
Водонепроницаемость 
бетона 
обозначается 
маркой 
W4, 
W10...W16, обозначающей гидростатическое давление (в атмосферах), 
при котором бетон не пропускает воду. 
Морозостойкость – способность строительного материала при 
многократном попеременном замораживании и оттаивании сохранять 
свою прочность. Для строительных материалов, эксплуатируемых  
в условиях континентального климата умеренных и арктических широт, морозостойкость является важнейшим свойством, обеспечивающим их долговечность (колонны мостов, эстакады, стеновые покрытия и т.д.). Разрушение строительных материалов при их замораживании в водонасыщенном состоянии обусловлено образованием в порах 
льда, объем которого значительно больше объема замерзшей воды. 
Если все пустоты, поры и трещины в материале будут заполнены водой, то разрушение произойдет после первого цикла замораживания. 
В строительстве морозостойкость материала оценивается маркой F, 
определяющей число циклов попеременного замораживания и оттаивания, которые выдерживает строительный материал без значительного снижения прочности и массы. Марки по морозостойкости у различных строительных материалов могут существенно меняться. Так, 
например, для тяжелого бетона F50 – F500, у легкого бетона F25 – 
F500, кирпич и керамические камни F15 – F100. Влияние морозостойкости на поведение строительных материалов в условиях пожара 
изучено недостаточно, однако очевиден тот факт, что строительные 
материалы, подвергавшиеся длительное время значительным колебаниям температур, значительно теряют свою прочность, что может 
привести к их быстрому разрушению. 
К теплофизическим свойствам, определяющим поведение материала в условиях тепловых воздействий, относятся теплоемкость, 
теплопроводность, термостойкость, жаростойкость, огнестойкость, огнеупорность. 
Теплопроводность – способность строительных материалов 
проводить теплоту при наличии разности температур на поверхности 
материала (теплообмен). Степень теплопроводности материалов определяется коэффициентом, который равен количеству тепла, проходящего через объем материала толщиной 1 м площадью 1 м2 за 1 ч 
при разности температур, противоположных поверхностей стены 1 К. 
Коэффициент теплопроводности измеряют в Вт/(м К):