CC BY
54УДК 614.841.33 DOI 10.25257/FE.2018.1.28-38
ИВАНОВ Владимир Николаевич
Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: v.n.ivanov-pbs@yandex.ru
КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ТРЕБУЕМЫХ ПРЕДЕЛОВ ОГНЕСТОЙКОСТИ ВЫСОТН ЫХ ЖИЛЫХ ЗДАН И Й
В статье проведён анализ пожарной опасности высотных жилых зданий, особенности развития пожара в них, анализ отечественных и зарубежных нормативных документов к назначению требуемых пределов огнестойкости основных несущих конструкций высотных жилых зданий и анализ факторов, влияющих на определение значений требуемых пределов огнестойкости. Проведён численный эксперимент по определению пределов огнестойкости при стандартном и реальном температурных режимах пожара. Представлена методика и алгоритм комплексного подхода к определению требуемых пределов огнестойкости основных несущих конструкций высотных жилых зданий.
Ключевые слова: высотные жилые здания, огнестойкость, температурный режим, требуемые пределы огнестойкости, эквивалентная продолжительность пожара.
Требуемая степень огнестойкости определяется в действующем нормативном документе СП 2.13130.2012 «Системы противопожарной защиты. Обеспечение огнестойкости объектов защиты» для:
зданий и сооружений - из класса функциональной пожарной опасности (назначение здания), геометрических размеров здания (высота и площадь пожарного отсека), категории по взрывопожарной опасности здания;
жилых домов - из высоты здания, класса конструктивной пожарной опасности здания и площади этажа в пределах пожарного отсека.
В федеральном законе № 123 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» приводятся пять степеней огнестойкости. Хотя ещё сравнительно недавно в территориальных строительных нормах и общих положениях к техническим требованиям по проектированию жилых зданий высотой более 75 м для высотных и сооружений в Москве была введена шестая «особая» степень огнестойкости. Просуществовала она лишь несколько лет, и в настоящее время в практике проектирования используется иная терминология - здание 1 степени огнестойкости с повышенными пределами огнестойкости.
Основополагающим показателем степени огнестойкости здания является предел огнестойкости конструкции, определяемый при её испытании по стандартному температурному режиму (данный показатель используется с 24 февраля 1917 года), указанному в ГОСТ 30247.0-94 (ИСО 834-75) «Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования». Стандартный температурный режим не описывает начальную стадию пожара, и в нём отсутствует описание затухающей стадии пожара, а также не в полной мере отражён качественный и количественный характеры изменения среднеобъём-
28
ной температуры при реальном пожаре. Предел огнестойкости несущих конструкций лишь косвенно даёт представление о реальном времени потери несущей способности в условиях реального пожара [1].
Анализ ранее действующих нормативных документов в области строительства зданий и сооружений, начиная с 1950-х гг. XX века и по настоящее время, показывает, что требуемые пределы огнестойкости для I—III степеней огнестойкости были завышены, а снижение, возможно, связано с переходом от плановой экономики к рыночной (рис. /).
Законодательством закреплено в статье 8 Федерального закона № 384 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений», что здание или сооружение должно быть спроектировано и построено таким образом, чтобы в процессе жизненного цикла здания или сооружения обеспечивалось сохранение его устойчивости в течение времени, необходимого
1954 г. 1962 г. 1970-1985 гг. 1997-2008 гг.
II-A.5-62 II-A.5-70 II-A.2-80 2.01.02-85 21-01-97 № 12Э-ФЗ Нормативный документ
Рисунок 1. Изменение пределов огнестойкости несущих конструкций в нормативных документах в России:
Щ - I степень огнестойкости; Щ - II степень огнестойкости; Щ - III степень огнестойкости
© Иванов В. Н„ 2018
для эвакуации людей (в том числе с учётом особенностей инвалидов и других групп населения с ограниченными возможностями передвижения), возможность проведения мероприятий по спасению людей, доступа личного состава подразделений пожарной охраны и доставки средств пожаротушения в любое помещение здания или сооружения и выполнения других действий, направленных на сокращение ущерба от пожара вне зависимости от форм собственности.
Защита людей и имущества от воздействия опасных факторов пожара и (или) ограничение последствий их воздействия обеспечиваются применением основных строительных конструкций с пределами огнестойкости и классами пожарной опасности [2], соответствующими требуемым степени огнестойкости и классу конструктивной пожарной опасности зданий и сооружений согласно статье 52 (5 часть) Федерального закона № 123 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».
Для выполнения выше перечисленных обязательных требований необходимо предусмотреть соответствующий требуемый предел огнестойкости - требование к огнестойкости строительных конструкций, зависящее от условий развития пожара, экономических, социальных и других особенностей конкретного объекта защиты [1].
Для определения требуемых пределов огнестойкости зданий и сооружений необходима разработка алгоритма и методики, так как отсутствуют нормы проектирования по пожарной безопасности и критерии расчёта требуемых пределов огнестойкости зданий и сооружений при переходе на гибкое (объектно-ориентированное) нормирование в России.
АНАЛИЗ ПОДХОДОВ И МЕТОДОВ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕБУЕМЫХ ПРЕДЕЛОВ ОГНЕСТОЙКОСТИ
Безопасность людей (проживающие, маломобильные группы населения и пожарные) напрямую зависит от требуемых пределов огнестойкости основных несущих конструкций здания и является одним из критериев их оценки. При условии, что пределы огнестойкости основных несущих строительных конструкций превышают расчётное время эвакуации, спасения и ликвидации пожара, то требования к дальнейшему повышению огнестойкости здания направлены на защиту имущества и сохранение самого здания как материальной ценности.
В соответствии с пунктом 23 (раздела IV) приказа МЧС России от 30 июня 2009 года № 382 «Об утверждении методики определения расчётных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности» (с изменениями и дополнениями, далее - методика) в качестве дополнительного противопожарного мероприятия предлагается обес-
печение нормируемых пределов огнестойкости ограждающих конструкций помещения, в котором находится вероятный очаг пожара. Следовательно, говорить о том, что методика не позволяет учесть пределы огнестойкости строительных конструкций, нельзя.
Численные методы решения дифференциальных уравнений Навье - Стокса (полевой метод моделирования развития пожара, Computational Fluid Dynamic) позволяют моделировать пожар во всех стадиях развития пожара, в том числе в стадии его затухания [3]. Развитие компьютерной техники позволяет решать данные уравнения для сложных моделей достаточно оперативно, чем, к примеру, 10-20 лет назад.
Сохранение объекта как материальной ценности - сфера деятельности страховых компаний и решения собственника объекта. Таким образом, в случае возникновения пожара на объекте и отсутствия вреда третьим лицам (распространение пожара на соседние здания) собственнику дешевле не вкладывать значительную сумму денежных средств в систему обеспечения пожарной безопасности объекта или, например, на обеспечение требуемых пределов огнестойкости (240 минут для высотных зданий более 150 м). Кроме этого, не всегда выгодно и возможно производить ремонт здания после пожара.
Анализ ранее действовавших отечественных нормативных документов, специальных технических условий [4], нормативных документов и проекта нормативного документа по проектированию и строительству высотных жилых зданий, а также обобщения итогов деятельности нормативно-технических советов МЧС России показал, что в них применяются три величины требуемых пределов огнестойкости конструкций основного несущего каркаса: REI 150, REI 180 и REI 240. Анализ зарубежных норм показывает, что эти значения могут варьироваться в зависимости от наличия систем автоматического пожаротушения, этажности, расчётного времени эвакуации людей из здания, а также снижения требуемых пределов огнестойкости основных несущих конструкций с увеличением высоты расположения этажа ввиду снижения нагрузок (табл.).
Нормативные документы - СП 267.1325800.2016 «Здания и комплексы высотные. Правила проектирования» и проект СП ХХХ.1325800.2017 «Здания и комплексы высотные. Требования пожарной безопасности» - позволяют дифференцированно подходить к назначению требуемых пределов огнестойкости несущих конструкций в зависимости от типа конструкций и высоты здания.
Как показывает анализ нормативных документов и различных факторов, при определении требуемых пределов огнестойкости основных несущих конструкций высотных жилых зданий в нашей стране следующих пожарно-технических характеристик: высота здания, класс конструктивной пожарной опасности здания, площадь этажа в пределах пожарного отсека - явно не достаточно.
Сравнительный анализ требуемых пределов огнестойкости основных несущих конструкций высотных жилых зданий в отечественных и зарубежных строительных нормативных документах
Требования зарубежных норм Требования отечественных норм
IBC, NFPA 202, NFPA 5000 (США) 120 мин - для зданий высотой до 128 м, 180 мин* - для зданий высотой > 128 м МГСН 4.04-94, ТСН 31-304-95 180 мин - для зданий высотой до 100 м, 240 мин - для зданий высотой >100 м
The building standard low of Japan 2004 (Япония) 120 мин, 180 мин** Общие положения к техническим требованиям по проектированию жилых зданий высотой более 75 м (2002 г.) 180 мин - для зданий высотой до 100 м, 240 мин - для зданий высотой > 100 м
ТКП 45-3.02-108-2008 (02250) Высотные здания (Республика Беларусь) 120 мин - для зданий высотой до 100 м, 180 мин*** - для зданий высотой > 100 м МГСН 4.19-05, ТСН 31-332-2006 180 мин - для зданий высотой до 100 м, 240 мин - для зданий высотой > 100 м
Deutsches Institut für Normung (DIN) (Германия) [5] 120 мин - для зданий высотой 200 м, 180 мин - для зданий высотой > 200 м СТО 36554501-006-2006, СТО 01422789-001-2009 180 мин - для зданий высотой до 100 м, 240 мин - для зданий высотой > 100 м
Building Regulations 2000 Approved Document B, 2000 ed. Fire safety (Великобритания) 120 мин - для высотных офисов и гостиниц 90 мин - для жилых высотных зданий СП 267.1325800.2016, Проект СП ХХХ.1325800.2017 150 мин - до 100 м, 180 мин - от 100 до 150 м, 240 мин - для зданий высотой >150 м
Примечания: * допускается снижение на 60 мин при устройстве автоматической установки пожаротушения (АУПТ);
** допускается снижение требуемого предела огнестойкости основных несущих конструкций Птр верхних этажей зданий; **** но не менее чем на 30 мин больше расчётного времени эвакуации
ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ПОЖАРА В ВЫСОТНЫХ ЖИЛЫХ ЗДАНИЯХ
Безусловно, как показывает анализ реальных пожаров, высота здания (как параметр) влияет на три основные характеристики, определяющие пожарную опасность здания:
- фактическое время эвакуации людей в целом из здания;
- время подачи пожарными подразделениями первых пожарных стволов к очагу пожара [6];
- характер развития пожара по фасаду здания и возможное влияние ветра на него внутри здания при вскрытии остекления (рис. 2).
Пожар в Лондоне 14 июня 2017 года в высотном жилом доме «Гренфелл-тауэр» (Grenfell Tower)
показал, что принимаемых требуемых пределов огнестойкости для основных несущих конструкций здания по несущей способности к90 (табл.) было достаточно для того, чтобы здание не потеряло своей устойчивости при развитии пожара практически на всю высоту здания и при продолжительности развитой стадии пожара более четырёх часов.
Остальные показатели при пожаре: пожарная нагрузка, объёмно-планировочные решения квартир и этажей зданий, характер развития пожара внутри здания, (в том числе с воздействием систем активной противопожарной защиты) и т. д. - влияют на все жилые дома независимо от их высоты.
Класс функциональной пожарной опасности не имеет каких-либо количественных или качественных величин, только показывает назначение здания, даёт представление о функциональных процессах,
б в
Рисунок 2. Пример пожара в высотном жилом доме «Гренфелл-тауэр» (Grenfell Tower), Лондон: а, б - башня жилого дома в огне; в - последствия пожара
а
проходящих в здании, количестве людей и как основной показатель не может рассматриваться. Класс конструктивной пожарной опасности для высотных жилых зданий принимается С0. Площадь этажа в переделах пожарного отсека, как правило, принимается не более 2 000 м2 и может повлиять только на площадь пожара.
Основной показатель, который должен учитываться при назначении и определении требуемых пределов огнестойкости основных несущих конструкций, - это пожарная нагрузка (реальная для высотных жилых зданий, значения которой неизвестны; только в ранее действующих нормах существовало ограничение на жилые помещения не более 50 кг/м2 в эквиваленте на древесину). При определении требуемых пределов огнестойкости, например, для производственных зданий и сооружений учитывается категория здания по взрывопожарной опасности, что подтверждает необходимость учёта в первую очередь пожарной нагрузки.
В методическом документе в строительстве в п. 4.1.4 МДС 21-1.98 «Предотвращение распространения пожара» (пособие к СНиП 21-01-97 «Пожарная безопасность зданий и сооружений») при проектировании допускалось обоснованное увеличение или уменьшение предела огнестойкости противопожарной стены или перегородки, учитывающее величину пожарной нагрузки в помещениях, разделяемых этой стеной или перегородкой, соответственно, при температурном режиме реального пожара, а также возможность обеспечения тушения пожара за время достижения предела огнестойкости противопожарной стены.
Требуемые пределы огнестойкости основных несущих конструкций здания (сохранение объекта как материальной ценности - огнесохранности) зависят от количества пожарной нагрузки, находящейся в нём и особенностей развития пожара.
Из анализа нормативной и научной литературы [1, 7-17] следует выделить факторы (рис. 3), которые должны комплексно учитываться при опреде-
лении (или назначении) требуемых пределов огнестойкости высотных жилых зданий.
К особенностям развития пожара (распространение опасных факторов пожара (ОФП)) в высотных жилых зданиях стоит отнести следующее:
1. В 85 % случаев, согласно анализу карточек тушения пожаров в высотных жилых зданиях в Москве, пожар не распространяется за пределы квартиры.
2. Возможно распространение пожара по фасаду и на другие этажи здания при использовании в качестве утеплителя горючих материалов с низкими показателями пожарной опасности.
Наличие систем АУПС влияет на время сообщения о пожаре, причём для высотных зданий предусматривается вывод сигнала «Пожар» на пульт пожарной охраны, а также активация систем:
- оповещения и управления эвакуацией людей при пожаре (СОУЭ);
- противодымной вентиляции (ПДВ);
- автоматической установки пожарной сигнализации (АУПТ).
Активные системы противопожарной защиты влияют на:
- развитие ОФП (температурные режимы пожара);
- время деятельности пожарных подразделений по тушению пожара;
- продолжительность пожара;
- время эвакуации и спасения людей.
В качестве объёмно-планировочных особенностей высотных жилых зданий следует выделить следующее:
- средняя высота из анализа более 50 известных построенных высотных зданий в стране не превышает 150 м (рис. 4);
- предусматривается деление здания на пожарные отсеки высотой не более 75 м;
- наличие многосветных помещений (атриумы) во внутреннем объёме здания (пожарный отсек);
Рисунок 3. Факторы, влияющие на требуемые пределы огнестойкости: ОФП - опасные факторы пожара; ВПВ - внутренний противопожарный водопровод; ПДЗ - противодымная защита; АУПТ - автоматическая установка пожаротушения; АУПС - автоматическая установка пожарной сигнализации; СОУЭ - система оповещения и управления эвакуацией людей при пожаре
45
0 75-100 100-125 125-150 150-175 175-200 > 200
Высота зданий, м
Рисунок 4. Средняя архитектурная высота высотных жилых зданий в России
- наличие многоуровневых квартир, квартир со свободной планировкой и большой площадью (в т.ч. на всей площади этажа) и редкое планирование однокомнатных квартир;
- средняя высота помещений квартир не превышает 3,2 м.
К конструктивным особенностям высотных жилых зданий относятся:
- применение каркасно-ствольных конструктивных систем;
- применение каркаса с диафрагмами жесткости.
- значительные нагрузки на несущие конструкции, увеличивающиеся вместе с высотой здания (чем выше здание, тем больше нагрузки на несущие конструкции, особенно в нижней части зданий).
ОЦЕНКА РЕАЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ ПОЖАРА
Исследование пожарной нагрузки методом суммирования тепловых потенциалов элементов пожарной нагрузки по анализу дизайн-проектов и натурного наблюдения квартир показало, что значение удельной пожарной нагрузки для квартир высотных жилых домов варьируется в пределах 300-1000 МДж/м2 в зависимости от назначения по-
мещения. Среднее значение по квартире с учётом значительных площадей современных квартир высотных жилых зданий составило 495,7 МДж/м2, что эквивалентно 35,92 кг/м2 в переводе на древесину.
По полученному значению удельной пожарной нагрузки было проведено математическое моделирование по полевой модели (Fire Dynamic Simulator) наиболее часто встречаемых квартир площадью 100 м2 с коридорной планировочной схемой в целях определения параметров реальных температурных режимов с учётом действия активных систем противопожарной защиты (рис. 5, а).
Кроме этого, для помещения этой же площади (рис. 5, б) проведено математическое моделирование по определению реальных температурных режимов пожара без учёта стадии затухания пожара по справочным данным Ю. А. Кошмарова по пожарной нагрузке наиболее близкой к жилым домам и встроенным помещениям в зависимости от мощности тепловыделения с 1 м2 [18].
По результатам математического моделирования получены реальные температурные режимы для заданной модели для различных сценариев:
- при работе систем вытяжной механической противодымной вентиляции с расходами на клапанах дымоудаления размерами 0,5x0,5 м и расходом 5,8 м3/ч [19];
- при свободном развитии пожара с активацией дренчерных оросителей с расходом 1 л/с на 1 погонный метр над проёмами и работой всех активных систем противопожарной защиты (СППЗ). По пиковым (максимальные) значениям температур построен график, отражающий наиболее критичный реальный температурный режим (рис. 6).
Полученные температурные режимы по известным справочным данным Ю. А. Кошмарова [18] показывают, что стандартный температурный режим имеет максимальные значения температур в 1,5-2 раза выше. Соотношение площадей фигур под температурными режимами S1/S2 (красная - стандартный температурный режим - и чёрная - реальный температурный режим - линии, соответственно, на рис. 7, а и б) в интервале от 1,3 до 2,7 для пожарной
lOJi.
.пар**
10 м
2 м
Дренчерные Клапаны 'завесы дымоудаления
3 м
а б
Рисунок 5. Модель определения реальных температурных режимов в Fire dynamics simulator (FDS): а - с учётом всех стадий развития пожара; б - без учёта стадии затухания
810 735 660 585 510 435 360 285 210 135 60
■
Рисунок 6. Реальные температурные режимы:
- температура при дымоудалении; - температура при свободном развитии;
- температура с дренчерными оросителями над проёмами;- температура со всеми СППЗ;
-ф- наиболее критичный реальный температурный режим
1000
" 600 -
400 -
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 т, мин
1000
400
6000 8000 т, мин
б
I Г
10000 12000 14000
Рисунок 7. Соотношение площадей фигур под реальными и стандартным температурным режимами: S1 - стандартный температурный режим; S2 - реальный температурный режим; а - пожарная нагрузка жилых помещений высотных зданий:
- жилые помещения гостиниц; - I-II СО мебель + ткани; - III-IV СО мебель + ткани;
- кабинет: мебель + бумага (0,75 + 0,25); — верхняя одежда: ворсовые ткани (шерсть + нейлон);
- мебель: дерево + облицовка (0,9 + 0,1); — гардеробы; — подсобные и бытовые помещения;
- I-II СО мебель + бытовые изделия; - III-IV СО мебель + бытовые изделия;
- I СО мебель + ткани (0,75 + 0,25); - III СО мебель + ткани (0,75 + 0,25); - резинотехнические изделия;
вешала текстильных изделий; — мебель + бумага (0,8) + ковровое покрытие (0,2); — хранилища библиотек, архивы
б - пожарная нагрузка вспомогательных жилых помещений высотных зданий:
- кабельный подвал/ лоток: кабели АВВГ + АПВГ; - радиоматериалы: полиэтилен, полистирол, полипропилен, гетинакс;
- электротехнические материалы: текстолит, карболит; - электрокабель АВВГ: ПВХ-оболочка + изоляция;
- электрокабель АВВГ ПВХ-оболочка + полиэтилен; — телефонный кабель ТВП: ПВХ + полиэтилен;
пищевая промышленность: пшеница, рис, гречка и мука из них; - кабели + провода: 0,75 (АВВГ, АПВГ, ТПВ) + 0,25 (КПРТ, ПР, ШРПС);
автомобиль: 0,3 (резина, бензин) + 0,15 (ППУ, искусственная кожа, ПВХ) + 0,1 (эмаль);
- подсобные и бытовые помещения; - стоянка легковых автомобилей;
— стоянка легковых автомобилей с 2-уровневым хранением; — спортзал
800
800
600
200
0
0
2000
4000
а
нагрузки по качественному составу наиболее близкой к жилым и вспомогательным помещениям высотных жилых зданий. Это также говорит об изна-
чальном завышении фактических пределов огнестойкости основных несущих конструкций по результатам стандартных огневых испытаний.
ОЦЕНКА ОГНЕСТОЙКОСТИ НА ПРИМЕРЕ КОЛОННЫ ПРИ РЕАЛЬНОМ И СТАНДАРТНОМ РЕЖИМАХ ПОЖАРА
ля сравнения уровня прогрева (теплотехни-jческая задача) методом конечных элементов [20] принималась колонна марки КРС-433-24, выполненная из тяжёлого бетона класса В30 на известняковом щебне с арматурой 4040 класса А400 (рис. 8).
© ©я
©
Ьеплофизические характеристики материалов конструкции [21]
Начальное значение приведённой степени черноты - 0,545 Теппопрооодноссь
\ = л0 + = 1,14 - 0,00055t Вт/(м-°С) [22]
Теппоёмкоссь
С = С0 + а1ь = 710 + 0^ Дж/(кг-°С) [22]
Влажность - 2 % Плотность бетона - 2 350 кг/м3 Плотность арматурной стали - 7 850 кг/м3 Обогрев четырёхсторонний
Размеры конечных элементов - не более 1x1x1 см
Воздействие реального режима пожара на конструкцию учитывается путём задания граничных условий третьего рода. Изменение коэффициента теплоотдачи и температуры воздуха задаётся формулой [21]:
(т4-т4)
а = 29+(3,9-0,0023Г0)^—^10-8,
V В 'о)
где Т0 - температура обогреваемой поверхности конструкции, К; Т - температура среды, К.
Проведённые расчёты позволяют сделать вывод о том, что при нормативной нагрузке на колонну сечением 400x400 мм 3 000 кН/м при стандартном режиме потеря несущей способности наступает
Рисунок 8. Поперечное сечение колонны при четырёхстороннем обогреве в программном комплексе Ansys 18.1
через 85 минут, тогда как при наиболее критичном реальном температурном режиме потеря несущей способности не возникает на протяжении выгорания всей пожарной нагрузки (35,92 кг/м2) (рис. 9-12). Данный численный эксперимент подтверждает то, что стандартный температурный режим имеет большие максимальные значения температур и испытанные по нему конструкции на огнестойкость изначально имеют значительный запас времени, чем множество реальных температурных режимов развития пожара.
МЕТОДИКА И АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕБУЕМЫХ ПРЕДЕЛОВ ОГНЕСТОЙКОСТИ ОСНОВНЫХ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ
Методика определения требуемых пределов огнестойкости основных несущих конструкций, как показывают перечисленные выше методы, сводится к следующим операциям:
1. Анализ объёмно-планировочных и конструктивных решений здания, активных систем ППЗ (лифты для транспортирования пожарных подразделений, ВПВ, ПДВ, АУПТ, АУПС) (рис. 13).
Рисунок 9. Поля изотерм максимальных температур Рисунок 10. Поля изотерм в поперечном сечении
прогрева железобетонной колонны железобетонной колонны на момент времени обогрева
по реальному температурному режиму при стандартном режиме пожара (150 мин)
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
X, МИН
Рисунок 11. Соотношение температур арматуры колонны при реальном и стандартном температурных режимах:
I - температура арматуры при реальном пожаре, °С;
1 - температура арматуры при стандартном пожаре, °С
X, мин
Рисунок 12. График зависимости несущей способности колонны от времени пожара:
N - нормативная нагрузка на конструкцию; N - снижение несущей
способности при стандартном температурном режиме; N - снижение несущей способности при реальном температурном режиме; I 1 - критическая температура прорыва, °С
4500
4000
3500
3000
о 2500
~ 2000
1500
1000
500
О
О
2. Построение дерева событий возможных наиболее неблагоприятных сценариев развития пожара.
3. Определение вида, максимального количества пожарной нагрузки и расположения её в плане.
4. Определение температурных режимов реальных пожаров [8] и построение по их пиковым (максимальные) значениям температур наиболее критичного реального температурного режима, используя полевой метод моделирования пожара.
5. Определение прогрева несущих конструкций при различных толщинах огнезащитного слоя (огнезащита) - решение теплотехнической задачи [21, 22].
6. Определение времени потери несущей способности Я - решение статической задачи [21, 22].
7. Определение эквивалентной продолжительности пожара [1] (значение которой принимается за требуемый предел огнестойкости с учётом коэффициента огнестойкости [10]).
Анализ объёмно-планировочных решений, конструктивных характеристик здания, активных СППЗ
: с
Построение дерева событий возможных наиболее неблагоприятных сценариев развития пожара
Определение вида, количества пожарной нагрузки и расположения её в плане
КРИТЕРИЙ - БЕЗОПАСНОСТЬ ЛЮДЕЙ
Определение расчётного времени эвакуации людей - тр,
ОГНЕСТОЙКОСТЬ
Определение температурных режимов реальных пожаров
Определение расчётного времени спасения людей - -с
Определение расчётного времени тушения пожара пожарными подразделениями - хвтуш
Определение времени прогрева несущей конструкции при различной толщине огнезащиты
Определение эквивалентной продолжительности пожара по для соответствующей толщины огнезащиты - хм
Трлуш ~ таХ (Трд' У.: Хрлуш)
= тах (т,„.1; х,„2;... т,„.„)
_I_
ДА
НЕТ
■ К. = П„ ]
Оптимальное приятие П^ основных несущих конструкций
Рисунок 13. Алгоритм оптимального проектирования требуемых пределов огнестойкости основных несущих конструкций высотных жилых зданий:
х - расчётное время эвакуации людей из здания; т - расчётное время спасения людей из здания; х - расчётное время тушения пожара; х_|в - эквивалентная продолжительность пожара для п-го количества возможных наиболее неблагоприятных сценариев его развития; т - максимальное время безопасности людей (максимальное время из расчётного времени эвакуации людей, расчётного времени спасения людей или расчётного времени тушения пожарными подразделениями); I 1 - критическая температура прогрева; Кп - коэффициент огнестойкости; П - требуемый предел огнестойкости основных несущих конструкций
В результате исследования, отражённого в настоящей статье, автором были получены подтверждения о завышении требуемых пределов огнестойкости основных несущих конструкций высотных жилых зданий в отечественных нормативных документах.
Разработанная автором настоящей статьи методика и алгоритм оптимального определения требуемых пределов огнестойкости в зависимости
от комплекса различных факторов и двух основных критериев безопасности людей и сохранения здания как материальной ценности (огнесохранности) -позволяет гибко подходить к назначению требуемых пределов огнестойкости основных несущих конструкций при проектировании высотных жилых зданий, а также зданий и сооружений других классов функциональной пожарной опасности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Молчадский И. С. Пожар в помещении. М.: ВНИИПО МЧС России, 2005. 456 с.
2. Ройтман В. М, Серков Б. Б., Шевкуненко Ю. Г., Сивен-ков А. Б., Баринова Е. Л., Приступюк Д. Н. Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре. Учебник. М.: Академия ГПС МЧС России, 2013. 365 с.
3. Моделирование пожаров и взрывов. Монография / под общ. ред. Н. Н. Брушлинского, А. Я. Корольченко. М.: Пожнаука, 2000. 482с.
4. Кирюханцев Е. Е, Иванов В. Н. Проблемы разработки и согласования специальных технических условий в области пожарной безопасности [Электронный ресурс] // Технологии техносферной безопасности. 2016. № 5 (69). Режим доступа: http://academygps.ucoz.ru/ «Ь/2016-5/2016-5.Мш1 (дата обращения 19.01.2018).
5. Мешалкин Е. А, Шарапов С. А, Чугуевская Е. С. Анализ нормативных документов в области обеспечения пожарной безопасности // Отчёт о научно-исследовательской работе. М.: Центральный институт типового проектирования и градостроительства им. Я. В. Косицкого, 2011. С. 168.
6. Кирюханцев Е. Е., Иванов В. Н. О повышении эффективности тушения пожаров в высотных зданиях [Электронный ресурс] // Технологии техносферной безопасности. 2013. № 5 (51). Режим доступа: http://academygps.ucoz.ru/ttb/2013-5/2013-5.htm1 (дата обращения 25.12.2017).
7. Ройтман В. М., Фирсова Т. Ф. Необоснованное завышение требований норм и СТУ по пределам огнестойкости ряда конструкций высотных зданий // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация». 2017. № 2. С. 59-62. 001: 10.25257/РБ.2017.2.59-62
8. Проектирование и обоснование противопожарной защиты уникальных объектов. Сборник научных статей Центрального научно-исследовательского института строительных конструкций им. В. А. Кучеренко. М., Тисо Принт, 2009. 190 с.
9. Кирюханцев Е. Е., Иванов В. Н. Проблемы пожарной безопасности высотных зданий и пути их решения [Электронный ресурс] // Технологии техносферной безопасности. 2013. № 4 (50). Режим доступа: http://academygps.ucoz.ru/ttb/2013-4/2013-4.htm1 (дата обращения 19.01.2018).
10. Гилетич А. Н, Шебеко А. Ю, Шебеко Ю. Н, Гордиенко Д. М. Требуемые пределы огнестойкости строительных конструкций высотных зданий // Пожарная безопасность. 2012. № 4. С. 31-39.
11. Шебеко Ю. Н., Шебеко А. Ю., Гордиенко Д. М. Расчётная оценка эквивалентной продолжительности пожара для строительных
конструкций на основе моделирования пожара в помещении // Пожарная безопасность. 2015. № 1. С. 31-39.
12. Ройтман В. М, Приступюк Д. Н. Особенности оценки стойкости зданий и сооружений из железобетонных конструкций при комбинированных особых воздействиях с участием пожара // Пожаровзрывобезопасность. 2010. Т. 19, № 7. С. 29-38.
13. Пузач С. В., Богатищев А. И., Зернов С. И., Карпов С. Ю. Расчёт фактических пределов огнестойкости строительных конструкций с учётом реальных параметров пожара, действий систем пожаротушения, механической вентиляции и дымоудаления (математическая модель и методика). Монография. Саранск, Мордовское книжное издательство, 2004. 80 с.
14. Соломонов В. В., Кузнецова И. С., Пирогов Ю. М, Соколов М. С. Проблемы обеспечения пожарной безопасности при проектировании высотных зданий // Бюллетень строительной техники. 2008. № 6 (886). С. 54-59.
15. Соломонов В. В., Кузнецова И. С. Обеспечение огнестойкости и огнесохранности при проектировании монолитных железобетонных перекрытий высотных зданий // Пожарная безопасность в строительстве. 2011. № 1. С. 32-34.
16. Демехин В. Н., Мосалков И. Л., Плюснина Г. Ф., Серков Б. Б., Фролов А. Ю., Шурин Е. Т. Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре. Учебник. М.: Академия ГПС МЧС России, 2003. 656 с.
17. Лагозин А. Ю., Шебеко А. Ю., Леончук П. А., Зубань А. В., Шебеко Ю. Н., Трунёва В. А. Пособие по расчётному определению требуемых пределов огнестойкости строительных конструкций зданий производственных объектов (первая редакция) // Отчёт о научно-исследовательской работе. М.: ФГБУ ВНИИПО МЧС России, 2016. 41 с.
18. Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении. Учебное пособие. М.: Академия ГПС МВД России, 2000. 118 с.
19. Есин В. М., Калмыков С. П. Сравнение методик расчета требуемых параметров вентиляционных систем противодымной защиты многоэтажных зданий // Пожаровзрывобезопасность. 2014. Т. 23, № 6. С. 47-52.
20. Патанкар С. В. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости // пер. с англ. под ред. В. Д. Виленского. М.: Энергоатомиздат, 1984. 152 с.
21. Яковлев А. И. Расчёт огнестойкости строительных конструкций. М.: Стройиздат, 1988. 143 с.
22. Бубнов В. М., Карпов А. С. Огнестойкость железобетонных конструкций. Учебное пособие. М.: Академия ГПС МЧС России, 2009. 76 с.
Материал поступил в редакцию 20 февраля 2018 года.
Vladimir IVANOV
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: v.n.ivanov-pbs@yandex.ru
COMPLEX APPROACH TO DETERMINIG REQUIRED FIRE-RESISTANCE OF HIGH-RISE RESIDENTIAL BUILDINGS
ABSTRACT
Purpose. The article considers the problem of determination and evaluation of fire-resistance required limits of main supporting structures in high-rise residential buildings. The purpose and tasks of the research are to develop the method and algorithm of optimum evaluation and determination of required fire-resistance limits of supporting structures in high-rise residential buildings on the basis of complex fire risks evaluation. The object of the research is fire-resistance of high-rise residential buildings. The subject of the research is required fire-resistance limits of supporting structures in high-rise residential buildings.
Methods. The research was carried out by means of:
- the analysis of home and foreign standards in the area of standardization of required fire-resistance limits, the analysis of the occurred fires and tests on the standard thermal fire regime;
- the mathematical CFD-simulation (Computational Fluid Dynamics modeling) on determining real thermal regimes of fire development and coping with the thermotechnical task by the example of the column with the help of the finite elements method in Ansys.
Findings. The method and algorithm of optimum determination of required fire-resistance limits on the base of the set of different factors and two main criteria -safety of people and preservations of the building as material value - were developed for the first time.
Research application field. The results make it possible to approach to assigning the required fire-resistance limits of the main supporting structures at designing high-rise residential buildings flexibly.
Conclusions. The method and algorithm of determining the required fire-resistance limits by means of the complex approach to assessing of fire risks in high-rise residential buildings are developed. Early research on overvaluation of the required fire-resistance limits of the main supporting structures in high-rise residential buildings in home regulatory documents are confirmed.
Key words: high-rise residential buildings, fire-resistance, thermal regime, required fire-resistance limits, equivalent duration of the fire.
REFERENCES
1. Molchadsky I.S. Pozhar v pomeshchenii [Indoor fire]. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of EMERCOM of Russia Publ., 2005. 456 p.
2. Roitman V.M., Serkov B.B., Shevkunenko Yu.G., Sivenkov A.B., Barinova E.L., Pristupiuk D.N. Zdaniia, sooruzheniia i ikh ustoichivost' pri pozhare [Buildings, facilities and their stability at fire]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2013. 365 p.
3. Modelirovanie pozharov i vzryvov [Fires and explosions simulation. Ed. by N.N. Brushlinsky, A.Ia. Korolchenko]. Moscow, Pozhnauka Publ., 2000. 482 p.
4. Kirukhancev E.E., Ivanov V.N. Problems of development and approval of special technical requirements for fire safety. Tekhnologii tekhnosfernoi bezopasnosti: internet-zhurnal, 2016, no. 5, available at: http://academygps.ucoz.ru/ttb/2016-5/2016-5.html (accessed January 19, 2018). (in Russ.).
5. Meshalkin E.A., Sharapov S.A., Chuguevskaia E.S. Analiz normativnykh dokumentov v oblasti obespecheniia pozharnoi bezopasnosti. Otchet o nauchno-issledovatel'skoi rabote [Analysis of normative documents in the field of fire safety provision. Research report]. Moscow, Y.V. Kositsky Central Design Company for Standard Design and Urban Development Publ., 2011, pp. 168.
6. Kirukhancev E.E., Ivanov V.N. On improving the efficiency extinguishing fires in high-rise buildings. Tekhnologii tekhnosfernoi bezopasnosti: internet-zhurnal, 2013, no. 5 (51), available at: http:// academygps.ucoz.ru/ttb/2013-5/2013-5.html (accessed December 25, 2017). (in Russ.).
7. Roytman V.M., Firsova T.F. Unjustified overstatement of regulations and special technical regulations for fire resistance of a number of constructions of high-rise buildings. Pozhary i chrezvychainye situatsii: predotvrashchenie i likvidatsiia, 2017, no. 2, pp. 59-62. DOI: 10.25257/FE.2017.2.59-62 (in Russ.).
8. Proektirovanie i obosnovanie protivopozharnoi zashchity unikatnykh ob"ektov. Sbornik nauchnykh statei Tsentraînogo nauchno-issledovateîskogo instituta stroitefnykh konstruktsii im. V. A. Kucherenko [Designing and justification of fire protection of unique objects. Collection of scientific articles of the V.A. Kucherenko Central Scientific Research Institute for Building Structures Moscow, Tiso Print Publ., 2009. 190 p.
9. Kirukhancev E.E., Ivanov V.N. The problems of high-rise buildings fire safety and the ways of their solving. Tekhnologii tekhnosfernoi bezopasnosti: internet-zhurnal, 2013, no. 4 (50), available at: http://academygps.ucoz.ru/ttb/2013-4/2013-4.html (accessed January 19, 2018). (in Russ.).
10. Giletich A.N., Shebeko A.Yu., Shebeko Yu.N., Gordienko D.M. The required fire resistance limits for the high-rise buildings structures. Pozharnaia bezopasnost', 2012, no. 4, pp. 31-39. (in Russ.).
11. Shebeko Y.N., Shebeko A.Y., Gordienko D.M. Assessment of equivalent fire duration for building structures based on compartment fire modeling. Pozharnaia bezopasnost', 2015, no. 1, pp. 31-39. (in Russ.).
12. Roytman V.M., Pristupyuk D.N. Features of the estimation of buildings and constructions resistance from reinforced concrete designs at the combined hazardous effects with fire participation. Pozharovzryvobezopasnost, 2010, vol. 19, no. 7, pp. 29-38. (in Russ.).
13. Puzach S.V., Bogatishchev A.I., Zernov S. I., Karpov S.Yu. Raschet fakticheskikh predelov ognestoikosti stroitefnykh konstruktsii s uchetom realnykh parametrov pozhara, deistvii sistem pozharotusheniia, mekhanicheskoi ventiliatsii i dymoudaleniia (matematicheskaia model' i metodika) [Calculation of actual limits of fire-resistant property of building constructions in view of real parameters of the fire, actions of fire-extinguishing systems, mechanical ventilation and smoke removal (mathematical model and technique)]. Saransk, Mordovskoe knizhnoe izdatel'stvo Publ., 2004. 80 p.
© Ivanov V., 2018
37
14. Solomonov V.V., Kuznetsova I.S., Pirogov Yu.M., Sokolov M.S. Problems of ensuring the fire safety at designing of high-rise buildings. Biulleten' stroitel'noi tekhniki, 2008, no. 6 (886), pp. 54-59. (in Russ.).
15. Solomonov V.V., Kuznetsova I.S. Supplying of fire-resistant property and fireintegrity at designing of monolithic reinforced concrete overlaps of high-rise buildings. Pozharnaia bezopasnost' v stroitel'stve, 2011, no. 1, pp. 32-34. (in Russ.).
16. Demekhin V.N., Mosalkov I.L. , Pliusnina G.F., Serkov B.B., Frolov A.Yu., Shurin E.T. Zdaniia, sooruzheniia i ikh ustoichivost' pri pozhare [Buildings, facilities and their stability at fire]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2003. 656 p.
17. Lagozin A.Yu., Shebeko A.Yu., Leonchuk P.A., Zuban A.V., Shebeko Yu.N., Truneva V.A. Posobie po raschetnomu opredeleniiu trebuemykh predelov ognestoikosti stroitel'nykh konstruktsii zdanii proizvodstvennykh ob'ektov (pervaia redaktsiia). Otchet o nauchno-issledovatel'skoi rabote [Manual for the calculation of the required limits of fire resistance of building structures of industrial buildings (first edition). Research report]. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of EMERCOM of Russia Publ., 2016. 41 p. (in Russ.).
18. Koshmarov Yu.A. Prognozirovanie opasnykh faktorovpozhara vpomeshchenii [Forecasting of indoor fire hazards]. Moscow, Academy of the State Fire Service of the Ministry of Internal Affairs of Russia Publ., 2000. 118 p.
19. Esin V.M., Kalmykov S.P. Comparison of method of calculation of demanded parameters of ventilating systems of smoke control of multistoried buildings. Pozharovzryvobezopasnost, 2014, vol. 23, no. 6, pp. 47-52. (in Russ.).
20. Patankar S.V. Numerical heat transfer and fluid flow. New York, 1980. 198 p. [Russ. ed.: Patankar S.V. Chislennye metody resheniia zadach teploobmena i dinamiki zhidkosti. Trans. and ed. by V.D. Vilenskii. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1984. 152 p.].
21. Yakovlev A.I. Raschet ognestoikosti stroitel'nykh konstruktsii [Fire resistance test of building construction]. Moscow, Stroiizdat Publ., 1988. 143 p.
22. Bubnov V.M., Karpov A.S. Ognestoikost' zhelezobetonnykh konstruktsii [Fire resistance test of reinforced concrete structures]. Moscow, State Fire Academy of EMERCOM of Russia Publ., 2009. 76 p.
