CC BY
6
Методика управления пожарной безопасностью социальных объектов на основе анализа и расчета огнестойкости строительных конструкций.
Часть 1.
Е.Ю. Черкасов, А.А. Воронцова, Д.Ю. Минкин, Ю.Е. Актерский, Ф.А. Дали, Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России
Аннотация: В статье рассматриваются особенности численного моделирования пределов огнестойкости конструкций при воздействии стандартного и углеводородного температурных режимов. После проведения оценки с помощью коэффициента пропорциональности необходимо проведение поверочного расчёта конструкции, испытанной при стандартном температурном режиме пожара, и при совпадении полученных результатов, расчёт конструкции при углеводородном режиме. Ключевые слова: огнестойкость бетонных строительных конструкций, стандартный температурный режим пожара, углеводородный режим пожара, огнестойкость.
Железобетон является одним из самых распространенных строительных материалов. К настоящему времени подавляющее число огневых испытаний строительных железобетонных конструкций проведено при стандартном температурном режиме пожара (СТРП) [1,2].
Температурные режимы, учитывающие реальные условия пожара, могут существенно отличаться от режима СТРП, используемого при испытаниях строительных конструкций по требованиям (ГОСТ 30247.0-94). При оценке пределов огнестойкости строительных конструкций может возникнуть необходимость выбора температурного режима, который при огневых испытаниях позволил бы сравнивать поведение различных испытуемых объектов в условиях, максимально приближенных к условиям реального пожара (наружного, тлеющего или углеводородного) (ГОСТ Р ЕН 1363-2-2014).
В последние десятилетия происходит освоение арктической зоны Российской Федерации и интенсивное строительство объектов топливно-энергетического комплекса, которым лучше всего соответствует углеводородный температурный режим пожара (УТРП). Поскольку
и
проведение испытаний конструкции занимает значительное время, становится актуальным вопрос о возможной численной зависимости между пределами огнестойкости конструкций при воздействии СТРП и УТРП [3-5].
В данной статье приведены результаты численного эксперимента для уточнения возможности применения такого соотношения при оценке пределов огнестойкости железобетонных конструкций. СТРП, при котором производят расчетные испытания строительных конструкций, определяется в виде следующей зависимости:
Т = То + 345 • ^(8 т +1), (1)
где Т0 - начальная температура; т - время с момента начала испытаний,
мин.
Для нефтехимической промышленности и на морских нефтяных платформах используется УТРП (ГОСТ Р ЕН 1363-2-2014):
(2)
В работе [6,7] предложено эмпирическое соотношение:
К = К • 1а, (3)
где К - коэффициент, равный 0,6 для бетонной плиты, a и время достижения одной и той же температуры для СТРП и УТРП.
Для проверки эмпирического соотношения применительно к железобетонным конструкциям были проведены расчёты времени прогрева до температур 450, 500, 550, 600 °С при СТРП и УТРП при разных толщинах защитного слоя бетона арматуры и толщинах железобетонных плит [8,9].
Расчет распределения температуры в поперечном сечении конструкции производился путем численного решения уравнения теплопроводности с учетом зависимости теплофизических характеристик материалов от температуры:
Т = Т +1080 • (1 - 0,325 • е"0,167т - 0,675 • е"2'5т),
и
ср= div(X • gradT) (4)
дТ дт
где с, р, X - удельная теплоемкость, плотность и теплопроводность материала.
Граничные условия задачи описывались уравнением лучистого и конвективного теплообмена между внутренней поверхностью конструкции и окружающей средой [10]:
- XgradT = ак (Тг - Тп) + snp • ст((Тг + 273)4 - (Тп + 273)4), (5)
где ак - коэффициент конвективного теплообмена для обогреваемой поверхности, ак = 29 Вт/м2, 8пр - приведенная степень черноты системы обогревающая среда - поверхность конструкции, а - постоянная Стефана-Больцмана, —п, —г - температура соответственно поверхности конструкции и
о 3
газовой фазы, °С. Плотность бетона р принята 2350 кг-м" . Коэффициент теплопроводности \ы (СТО 36554501-006-2006): А,Ы=1,2-0,00035Т Втм-1оС" \Теплоёмкость Cbt составляет [6,7]: СЬ=710+0,83Т КДжкг-1оС-1. Степень черноты поверхности железобетонной плиты принята 8=0.63.
Результаты расчёта времени прогрева арматуры до критической температуры приведены в таблице 1, времени нагрева необогреваемой поверхности железобетонной плиты на 140 оС - таблице 2. В крайней правой колонке приведено отношение времени достижения критической температуры при СТРП и УТРП.
Табл. № 1
Время прогрева железобетонной конструкции до критической температуры арматуры
Т °С Толщина железобетонной плиты, мм Толщина защитного слоя арматуры, мм Стандартный режим пожара S, сек Углеводородный режим пожара H, сек * II
80 20 2280 1140 0,50
80 30 3540 2150 0,61
80 40 4670 3300 0,71
М Инженерный вестник Дона, №6 (2022) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n6y2022/7759
Т °С Толщина железобетонной плиты, мм Толщина защитного слоя арматуры, мм Стандартный режим пожара S, сек Углеводородный режим пожара ^ сек * N
450 100 20 2280 1140 0,50
100 30 3620 2160 0,60
100 40 5150 3540 0,69
120 20 2280 1140 0,50
120 30 3640 2170 0,60
120 40 5260 3590 0,68
140 20 2280 1140 0,50
140 30 3650 2170 0,59
140 40 5280 3600 0,68
160 20 2280 1140 0,50
160 30 3650 2170 0,59
160 40 5300 3600 0,68
200 20 2280 1140 0,50
200 30 3640 2170 0,60
200 40 5300 3600 0,68
500 80 20 2740 1380 0,50
80 30 4140 2610 0,63
80 40 5330 3850 0,72
100 20 2760 1380 0,50
100 30 4320 2640 0,61
100 40 6020 4320 0,72
120 20 2760 1350 0,49
120 30 4380 2660 0,61
120 40 6280 4420 0,70
140 20 2760 1380 0,50
140 30 4380 2660 0,61
140 40 6340 4440 0,70
160 20 2760 1380 0,50
160 30 4380 2660 0,61
160 40 6360 4440 0,70
200 20 2760 1380 0,50
200 30 4380 2660 0,61
200 40 6360 4440 0,70
550 80 20 3290 1680 0,51
80 30 4810 3080 0,64
80 40 6060 4490 0,74
100 20 3320 1680 0,51
100 30 5180 3270 0,63
100 40 6960 5200 0,75
120 20 3330 1680 0,50
120 30 5260 3290 0,63
120 40 7440 5460 0,73
140 20 3330 1680 0,50
140 30 5280 3290 0,62
140 40 7590 5520 0,73
160 20 3330 1680 0,50
160 30 5280 3290 0,62
160 40 7620 5560 0,73
М Инженерный вестник Дона, №6 (2022) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n6y2022/7759
Т °С Толщина железобетонной плиты, мм Толщина защитного слоя арматуры, мм Стандартный режим пожара Б, сек Углеводородный режим пожара Н, сек * N
200 20 3330 1680 0,50
200 30 5280 3290 0,62
200 40 7650 5560 0,73
80 20 3930 2060 0,52
80 30 5570 3780 0,68
80 40 6900 5210 0,76
100 20 4020 2060 0,51
100 30 6120 4080 0,67
100 40 8040 6200 0,77
120 20 4030 2020 0,50
600 120 30 6330 4130 0,65
120 40 8760 6780 0,77
140 20 4040 2060 0,51
140 30 6360 4140 0,65
140 40 9060 6960 0,77
160 20 4040 2060 0,51
160 30 6390 4140 0,65
160 40 9150 7020 0,77
200 20 4040 2060 0,51
200 30 6390 4140 0,65
200 40 9180 7020 0,76
Как можно видеть из результатов проведенных расчетов, при расчёте времени прогрева арматуры до критической температуры соотношение для СТРП и УТРП меняется от 0,49 до 0,77. Значение 0,6 находится практически посередине указанного интервала. Следовательно, при проведении предварительных оценок предела огнестойкости железобетонных плит по несущей способности по прогреву арматуры, предлагаемым соотношением пользоваться можно.
Таблица № 2
Время нагрева необогреваемой поверхности железобетонной плиты на 140 оС
Толщина железобетонной плиты, мм Стандартный режим пожара Б, сек Углеводородный режим пожара Н, сек * N
80 3300 2590 0,78
100 4770 3920 0,82
120 6510 5400 0,83
140 8520 7440 0,87
160 10800 9630 0,89
200 16140 14880 0,92
При расчёте нагрева необогреваемой поверхности железобетонной плиты на 140 оС соотношение для СТРП и УТРП меняется от 0,78 до 0,92. Применение значения коэффициента К, равного 0,6, даст систематический существенно заниженный результат предела огнестойкости железобетонной плиты по теплоизолирующей способности при воздействии УТРП.
После проведения оценки с помощью коэффициента пропорциональности видится необходимость проведения поверочного расчёта конструкции, испытанной при СТРП, и при совпадении полученных результатов, расчёт конструкции при УТРП. Следует также отметить отсутствие критериев оценки хрупкого разрушения бетона при воздействии УТРП, что может сделать некорректными попытки оценки пределов огнестойкости железобетонной конструкции при УТРП расчётно-аналитическим методами.
Литература
1. Актерский Ю.Е., Лимонов Б.С., Шидловский Г.Л., Дали Ф.А. Устойчивость зданий и сооружений при пожаре: учебное пособие. - СПб.: Издательство ООО «НПО ПБ АС», 2019. - 280 с.
2. Дали Ф.А., Джафаров Э.А., Столяров С.О., Куянов А.В. Проблемные вопросы обеспечения требуемых пределов огнестойкости объектов защиты // Пожарная безопасность объектов капитального строительства: нормативы, проектирование, устройство и эксплуатация. сборник статей научно-технической конференции. 2021. С. 52-54.
3. Шебеко А.Ю., Шебеко Ю.Н. Взаимосвязь величин температуры строительных конструкций при стандартном и углеводородном температурных режимах пожара. Пожарная безопасность 2017 №2 С. 46-49.
4. Shebeko Y.N., Shebeko A.Y. Conditions of fire and explosion safety at a determination of operation parameters of industrial facilities. Science and Technology of Energetic Material. - 2011. - Vol. 72, No. 2. - P. 57-61.
5. Yang Y., Fu F. Fire resistance of steel beam to square CFST column composite joints using RC slabs: Experiments and numerical studies Fire Safety Journal. - 2019. - Vol. 104. - P. 90-108.
6. Шебеко А.Ю., Шебеко Ю.Н. Расчет фактического предела огнестойкости незащищенных стальных конструкций при различных температурных режимах пожара. Пожарная безопасность 2019 №28 С. 29-34.
7. Хасанов И. Р., Голованов В. И. Обеспечение огнестойкости несущих строительных конструкций // Юбилейный сборник трудов ФГБУ ВНИИПО МЧС России. - М.: ВНИИПО, 2012. - С. 81-101.
8. Белолипецкая В.А., Кривощапов А.М., Весова Л.М. Особенности применения различных звукоизолирующих материалов в монолитном строительстве. Инженерный вестник Дона, 2022, №5. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n5y2022/763 5
9. Данилов А. И. Управление поведением несущих конструкций с применением упругоподатливых соединений // Инженерный вестник Дона, 2022, №5. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n5y2022/7643
10. McGrattan K. B., McDermott R. J., Weinschenk C. G., Forney G. P. Fire Dynamics Simulator. Technical Reference Guide (version 6.1) / NIST Special Publication-1018. - Gaithersburg, Maryland: National Institute of Standards and Technology, 2013. p. 320.
References
1. Akterskiy Y.Y., Limonov B.S., Shidlovskiy G.L., Dali F.A. Ustoychivost' zdaniy i sooruzheniy pri pozhare: uchebnoye posobiye [Sustainability of buildings and structures in case of fire]. SPb.: Izdatel'stvo OOO «NPO PB AS», 2019. pp. 280.
2. Dali F.A., Dzhafarov E.A., Stolyarov S.O., Kuyanov A.V. Problemnyye voprosy obespecheniya trebuyemykh predelov ognestoykosti obyektov zashchity [Problematic issues of ensuring the required fire resistance limits of protection objects]. Pozharnaya bezopasnost' obyektov kapitalnogo stroitelstva: normativy, proyektirovaniye, ustroystvo i ekspluatatsiya. sbornik statey nauchno-tekhnicheskoy konferentsii. 2021, pp. 52-54.
3. Shebeko A.J., Shebeko J.N. Pozharnaja bezopasnost' 2017 №2. pp. 46-49.
4. Shebeko Y. N., Shebeko A. Y. Science and Technology of Energetic Material. 2011.Vol. 72, No. 2. pp. 57-61.
5. Yang Y., Fu F.. Fire Safety Journal. 2019. Vol. 104. pp. 90-108.
6. Shebeko A.J., Shebeko J.N. Pozharnaja bezopasnost' 2019 №28 pp. 2934.
7. Hasanov I. R., Golovanov V. I Jubilejnyj sbornik trudov FGBU VNIIPO MChS Rossii. M.: VNIIPO, 2012. pp. 81-101.
8. Belolipeckaja V.A., Krivoshhapov A.M., Vesova L.M. Inzhenernyj vestnik Dona, 2022, №5. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n5y2022/7635
9. Danilov A.I. Inzhenernyj vestnik Dona, 2022, №5. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n5y2022/7643
10. McGrattan K. B., McDermott R. J., Weinschenk C. G., Forney G. P. Fire Dynamics Simulator. Technical Reference Guide (version 6.1), NIST Special Publication 1018. Gaithersburg, Maryland: National Institute of Standards and Technology, 2013. p. 320.
