CC BY
41УДК 614.841.332 DOI 10.25257/FE.2018.2.81-85
РОЙТМАН Владимир Миронович Доктор технических наук, профессор
НИУ Московский государственный строительный университет (МГСУ), Москва, Россия
E-mail: roytman-msuse@yandex.ru
О ФИЗИЧЕСКОМ СМЫСЛЕ И ОСНОВНЫХ ПОДХОДАХ К ОЦЕНКЕ ПОКАЗАТЕЛЯ «ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ПОЖАРА»
В статье рассмотрен физический смысл нормируемого показателя «эквивалентная продолжительность пожара», и дан анализ основных подходов в его оценке.
Ключевые слова: эквивалентная продолжительность пожара, огнестойкость, конструкция, предел огнестойкости, «стандартный режим пожара, реальный режим пожара.
В
нормативных документах (СП 2.13130.2012 «Системы противопожарной защиты. Обеспечение огнестойкости объектов защиты»; EN 19911-2 2002 "Eurocode 1. Actions on structures. Part 1-2: General actions - Actions on structures exposed to fire") в списке используемых терминов приведено понятие «эквивалентная продолжительность пожара». Физический смысл этого понятия для новых поколений специалистов в области обеспечения пожарной безопасности зданий и сооружений не всегда понятен. В то же время это понятие имеет большое значение при оценках и проектировании огнестойкости зданий и сооружений с учётом режимов реального пожара. Цель статьи - показать физический смысл, значение и дать анализ основных подходов к оценке этого важного показателя огнестойкости объектов.
ФИЗИЧЕСКИИ СМЫСЛ ПОКАЗАТЕЛЯ «ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ПОЖАРА»
Н
ормируемый показатель «огнестойкость строительных конструкций» является международной пожарно-технической характеристикой и получил название «предел огнестойкости» строительной конструкции (Федеральный закон РФ от 22 июля 2008 года № 123-Ф3 «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности). Предел огнестойкости конструкции - промежуток времени от начала огневого воздействия в условиях стандартных испытаний до наступления одного из нормированных для данной конструкции предельных состояний» (согласно ст. 2 закона № 123-Ф3). Условия огневого воздействия в режиме стандартных испытаний выражаются стандартной кривой «температура - время» по международному стан-
дарту (ISO 834:1975 "Fire Resistance Tests - Elements of Building Construction").
Пределы огнестойкости проектируемых или эксплуатируемых конструкций конкретных зданий и сооружений принято называть фактическими пределами огнестойкости (Пф) [2-6]. Значения пределов огнестойкости конструкций, которые требуются в нормах, называются требуемыми (Птр). Условие пожарной безопасности для строительной конструкции по показателю огнестойкость будет обеспечено, если выполняется условие
Пф > П .
ф тр
(1)
В законе № 123-Ф3 регламентированы значения Птр (т. е. минимально допустимых) пределов для огнестойкости основных конструкций зданий и сооружений в зависимости от требуемой степени огнестойкости этих объектов.
Необходимо обратить внимание на тот факт, что в условии (1) значения требуемых пределов огнестойкости конструкций соответствуют значениям этого показателя, полученным при огневых испытаниях по так называемому (ISO 834:1975) режиму «стандартного» пожара (рис. 1, кривая А).
Поэтому фактические значения пределов огнестойкости строительных конструкций (для возможности использования условия (1)) должны определяться по этому же режим испытания (ISO 834). Однако реальные режимы пожаров, которые происходят на объектах различного назначения, могут значительно отличаться друг от друга, а также от режимов «стандартных» огневых испытаний на огнестойкость [1-9] (рис. 1). В связи с этим при оценках огнестойкости конструкций, учитывая режим реального пожара, возникла необходимость в оценке дополнительного показателя - «эквивалентной продолжительности пожара» (СП 2.13130.2012).
© Ройтман В. М., 2018
81
о
1400
1200
1000
£ 800 со
§" 600
5 ф
400 200
0
30 60 90 Время, мин
120
Рисунок 1. Характерные температурные режимы реальных
(кривые 1-4) и стандартных (кривые А и В) пожаров в помещениях зданий и сооружений различного назначения: А - режим «стандартного» пожара (ISO 834:1975); В - режим, используемый при огневых испытаниях на огнестойкость конструкций объектов нефтегазовой отрасли; 1 - подвалы; 2 - помещения жилых и общественных зданий; 3 - помещения объектов нефтегазовой отрасли; 4 - туннели
Эквивалентная продолжительность пожара (П ) -это продолжительность стандартных испытаний, воздействие которых на строительную конструкцию аналогично воздействию реального пожара (Сп 2.13130.2012).
Эквивалентная продолжительность пожара (equivalent time of fire exposure) - это время воздействия стандартного температурно-временного режима пожара, в течение которого было бы оказано то же тепловое воздействие на конструкцию, что и в условиях реального пожара в помещении (Eurocode EN 1991-1-2 2002).
Фактически, речь идёт об оценке значения фактического предела огнестойкости конструкции, подвергаемой воздействию реального пожара, но выраженного в единицах «стандартного» пожара. Тогда при рассмотрении реальных режимов пожаров условие пожарной безопасности конструкции, по показателю огнестойкость, принимает вид П > П .
1 Г " экв тр
Время, мин
Рисунок 2. Принципиальная схема оценки эквивалентной длительности стандартного пожара относительно реального на основе концепции равенства площадей [1]:
1 - температурная кривая «стандартного» пожара; 2 - температурная кривая реального пожара; тсп - время стандартного пожара, эквивалентное времени реального пожара т
ОСНОВНЫЕ ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ ПОКАЗАТЕЛЯ «ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ПОЖАРА»
В
статье рассматриваются три концепции равенства:
- площадей под кривыми «температура -время» у температурных кривых «стандартного» и реального пожаров [1];
- «критических температур прогрева ключевого элемента конструкции, при прогреве по сравниваемым режимам реального и «стандартного» пожаров [8, 10];
- израсходованного ресурса огнестойкости конструкции в условиях пожара, при сравнении воздействия режимов реального и «стандартного» пожаров [7, 9].
Первая концепция может быть сформулирована следующим образом: если площади под кривыми «температура - время», соответственно, стандартного (^сп) и рассматриваемого реального пожара ) равны, то моменты времени, ограниченные этими равными площадями (тсп и т ), характеризуют эквивалентную длительность сравниваемых режимов пожаров: если ^ = ^ , то т эквивалент-
г г с.п р.п с.п
но Тр.п (рис. 2).
Вторая концепция формулируется таким образом: если при воздействии сравниваемых режимов пожаров, критические температуры рассматриваемого ключевого элемента конструкции (Ткрсп и Ткррп) будут равны (рис. 3), то моменты времени воздействия стандартного тс.п и реального пожаров тр.п характеризуют эквивалентную длительность сравниваемых режимов пожаров: если Т = Т ,
кр.с.п кр.р.п
то т эквивалентно т .
с.п р.п
Время, мин
Рисунок 3. Принципиальная схема оценки эквивалентной длительности стандартного пожара относительно реального при оценках огнестойкости конструкций на основе концепции равенства критических температур прогрева ключевого элемента конструкции: 1 - температурная кривая стандартного пожара; 2 - температурная кривая реального пожара; 1* - кривая прогрева ключевого элемента конструкции при «стандартном» пожаре; 2* - кривая прогрева ключевого элемента конструкции при реальном пожаре
Третья концепция основывается на кинетических представлениях о поведении материалов строительных конструкций в условиях пожара, справедливость которых была доказана в работах [7, 9]. В отличие от статического подхода, кинетический подход позволяет учитывать влияние времени воздействия реального пожара на огнестойкость конструкции. Предел прочности и критическая температура прогрева материала, с точки зрения кинетического подхода, не имеют физического смысла, так как зависят от режима реального пожара. Основное преимущество кинетического подхода заключается в том, что он позволяет учесть влияние времени воздействия реального пожара на несущую способность, прогиб, деформацию ползучести конструкции. Поэтому данная концепция формулируется так: если за время стандартного и реального пожаров будут израсходованы равные доли ресурса огнестойкости, то соответствующие продолжительности сравниваемых режимов пожаров будут эквивалентны.
В качестве параметров, характеризующих долю ресурса огнестойкости можно использовать значения параметров, отражающих долю израсходованного ресурса огнестойкости не косвенно, а непосредственно: значение несущей способности конструкции Ф, величину деформации ползучести рабочей арматуры конструкции величину прогиба конструкции / и др. [6]:
Ф = Ф ,
с.п р.п '
если f - f , то т эквивалентно т , (2)
с.п р.п с.п р.п
т - т .
с.п р.п
АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНЦЕПЦИИ ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЯ «ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ПОЖАРА»
К;
онцепция равенства площадей под кривыми «температура - время» у температурных кривых стандартного и реального пожаров (см. рис. 2) [1] имеет наименьшую точность при оценке эквивалентной продолжительности пожаров. Причиной является то, что различные участки площади под кривыми «температура - время» стандартного и реального пожаров вносят различный вклад в исчерпание огнестойкости конструкции -чем выше температура, тем выше скорость утраты огнестойкости.
Концепция равенства критических температур прогрева ключевого элемента конструкции при оценке эквивалентной продолжительности по-
жаров получила достаточно широкое распространение [8, 10]. Однако правомерность использования данной концепции ограничивается невозможностью учёта вклада в исчерпание огнестойкости конструкции на стадии затухания реального пожара. Дело в том, что при воздействии различных режимов пожаров потеря несущей способности конструкции при пожаре может быть достигнута не только в период её нагрева, но и на стадии её остывания. То есть значение критической температуры прогрева материала конструкции при пожаре не является неизменной величиной, а зависит от длительности и интенсивности воздействия высоких температур пожара [7, 9]. Например, для стальных конструкций и рабочей арматуры железобетонных конструкций, значение критической температуры их нагрева при различных режимах пожара может изменяться до 100 °С [7, 9]. Это может приводить к погрешностям при оценках огнестойкости конструкций при воздействии реальных пожаров до 30 % [7].
Наиболее эффективным подходом (среди рассмотренных в статье) по оценке эквивалентной продолжительности пожаров является подход, основанный на концепции израсходованного ресурса огнестойкости конструкции [7, 9]. Кинетический подход в третьей концепции отражает кинетическую природу прочности материалов строительных конструкций в условиях воздействия пожара и основан на фундаментальных представлениях о физике разрушения и прочности твёрдых тел [11-13].
В кинетической концепции критерии эквивалентности различных режимов пожаров (значение несущей способности конструкции Ф, величина деформации ползучести рабочей арматуры конструкции величина прогиба конструкции / и др. (условие (2)), не косвенно, а напрямую отражён уровень утраты конструкциями доли ресурса их огнестойкости, что позволяет учитывать влияние времени воздействия реального пожара на эти показатели [7].
Автор настоящей статьи рассмотрел физический смысл международного показателя «эквивалентная продолжительность пожара», как нормируемого дополнительного показателя огнестойкости конструкций, и основные подходы к оценке показателя «эквивалентная продолжительность пожара», а также были сформулированы условия определения этого показателя, необходимые при оценках и проектировании огнестойкости строительных конструкций, учитывая режимы реальных пожаров. Наиболее эффективным из рассмотренных подходов оценки «эквивалентной продолжительности пожаров» является кинетический подход, отражающий реальную природу прочности материалов строительных конструкций в условиях воздействия пожара.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бушев В. П., Пчелинцев В. А, Федоренко В. С., Яковлев А. И. 2. Baldwin R, Melinek S. J, Thomas P. H. Fire spread in buildings -
Огнестойкость зданий. М.: Стройиздат, 1970. 261 с. the early stages of growth. Fire Research Notes. 1971. No. 884. 27 p.
3. Lie T. T. Fire and Buildings. Applied Science. Publishers Limited. London, 1972. P. 9-11.
4. Lie T. T. Characteristic Temperature Curves for Various Fire Severities. Fire Technology. 1974. Vol. 10, no. 4. Р. 315-326.
5. Pettersson O, Magnusson S. E. Fire test methods -background philosophy, development trends and future needs. Fou-Brand. 1977. No. 2. Р. 1-8.
6. Brozetti J, Law M, Pettersson O, Witteveen J. Fire Protection of Steel Structures. Examples of Applications. IABSE Proceedings. 1983. Vol. 3012. 15 p.
7. Ройтман В. М. Оценка огнестойкости строительных конструкций на основе кинетических представлений о поведении материалов в условиях пожара: дисс. ... д-ра техн. наук / Ройтман Владимир Миронович. М.: МИСИ им. В. В. Куйбышева, 1987. 412 с.
8. Астапенко В. М, Кошмаров Ю. А, Молчадский И. С., Шевляков А. Н. Термодинамика пожаров в помещениях. Монография / под ред. Ю. А. Кошмарова. М.: Стройиздат, 1988. 448 с.
9. Ройтман В. М. Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируемых зданий. Монография. М.: Пожнаука, 2001. 83 с.
10. Молчадский И. С. Пожар в помещении: производственно-практическое издание. М.: ВНИИПО МЧС России, 2005. 456 с.
11. Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э. Е. Кинетическая природа прочности твёрдых тел. М.: Наука, 1974. 560 с.
12. Roitman V. M. Consideration of Real Fire Condition while Calculating the Fire Resistance of Building Structures on the Basis of the kinetic Approach. Fire Safety Journal. 1990. No. 16. P.433-442.
13. Бетехтин В. И., Ройтман В. М. Слуцкер А. И., Кадомцев А. Т. Кинетика разрушения нагруженных материалов при переменной температуре. Журнал технической физики. 1998. Т. 68, № 1. С. 76-81.
Материал поступил в редакцию 10 мая 2018 года.
Vladimir ROITMAN
Grand Doctor of Philosophy in Engineering Sciences, Professor Moscow State (National Research) University of Civil Engineering (MGSU), Moscow, Russia
E-mail: roytman-msuse@yandex.ru
ON PHYSICAL MEANING AND BASIC APPROACHES TO EVALUATING "EQUIVALENT FIRE DURATION" INDICATOR
ABSTRACT
Purpose. The term "equivalent fire duration" is given in regulatory documents but the physical meaning of this concept, relevancy and approaches to its assessment are not always clear for new generations of specialists in the field of fire safety of buildings and constructions. At the same time, this terminological expression is important in assessing and designing buildings and constructions fire resistance, taking into account real fire regimes. The purpose of the article is to show the physical meaning, its value and to provide an analysis of main approaches to assessing this important indicator of fire resistance of objects.
Methods. The main approaches to evaluation of the indicator "equivalent fire duration" are considered and analyzed: areas equality concept under the curves "temperature - time" in standard and real fires regimes; the concept of critical temperatures equality of the construction key element during warm-up on comparable real and standard fire regimes; the concept of equality of fire resistance consumed resource in case of fire when comparing the effects of real and standard fire regimes.
Findings. It is shown that when assessing structures fire resistance in terms of the real fire
regime a demand to evaluate the additional indicator of constructions fire resistance - equivalent fire duration - arose. The physical meaning of this concept is considered. It is shown that the most effective approach for equivalent fire duration evaluation is the approach based on the concept of consumed resource of fire resistance of construction.
Research application field. Evaluation and design of fire resistance of structures, buildings and constructions, in terms of the real fires regimes.
Conclusions. The necessity for evaluation, physical meaning and general approaches to assessing "equivalent fire duration" indicator when designing fire resistance of building structures taking into account real fire regimes are considered in the article. The data presented in the article can be used in assessing fire resistance of constructions.
Key words: equivalent fire duration, fire resistance, construction, fire resistance limit, standard fire regime, real fire regime.
REFERENCES
1. Bushev V.P. Pchelintsev V.A., Fedorenko V.S., Yakovlev A.I. Ognestoykost zdaniy [The fire resistance of buildings]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1970. 261 p.
2. Baldwin R., Melinek S.J., Thomas P.H. Fire spread in buildings -the early stages of growth. Fire Research Notes, 1971, no. 884. 27 p.
3. Lie T.T. Fire and Buildings. Applied Science. Publishers Limited. London, 1972, pp. 9-11.
4. Lie T.T. Characteristic Temperature Curves for Various Fire Severities. Fire Technology, 1974, vol. 10, no. 4, pp. 315-326.
5. Pettersson O., Magnusson S.E. Fire test methods -background philosophy, development trends and future needs. Fou-Brand, 1977, no. 2, pp. 1-8.
6. Brozetti J., Law M., Pettersson O., Witteveen J. Fire Protection of Steel Structures. Examples of Applications. IABSE Proceedings, 1983, vol. 3012, 15 p.
7. Roitman V.M. Otsenka ognestoykosti stroitelnykh konstruktsiy na osnove kineticheskikh predstavleniy o povedenii materialov v usloviyakh pozhara [Fire resistance Assessment of building structures based on kinetic concepts of the behavior of materials in fire. Grand PhD in Engin. Sci. diss]. Moscow, V.V. Kuibyshev Moscow Institute of civil engineering Publ., 1987. 412 p.
8. Astapenko V.M., Koshmarov Yu.A., Molchadsky I.S., Shevlyakov A.N. Termodinamika pozharov v pomeshcheniyakh [Thermodynamics of indoor fires. Ed. by Yu.A. Koshmarov]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1988. 448 p.
9. Roitman V.M. Inzhenernye resheniya po otsenke ognestoykosti proektiruemykh i rekonstruiruemykh zdaniy [Engineering solutions for fire resistance assessment of designed and reconstructed buildings]. Moscow, Pozhnauka Publ., 2001. 83 p.
10. Molchadsky I.S. Pozhar v pomeshchenii: proizvodstvenno-prakticheskoe izdanie [Fire in the room: production and practical edition]. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of EMERCOM of Russia Publ., 2005. 456 p.
11. Regel V.R., Slutsker A.I., Tomashevsky E.E. Kineticheskaya priroda prochnosti tverdykh tel [The kinetic nature of the strength of solids]. Moscow, Nauka Publ., 1974. 560 p.
12. Roitman V.M. Consideration of Real Fire Condition while Calculating the Fire Resistance of Building Structures on the Basis of the kinetic Approach. Fire Safety Journal, 1990, no. 16, pp. 433-442.
13. Betekhtin V.I., Roitman V.M. Slutsker A.I., Kadomtsev A.T. Kinetics of destruction of loaded materials at variable temperature. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki, 1998, vol. 68, no. 1, pp. 76-81. (in Russ.).
© Roitman V., 2018
85
