CC BY
33УДК 699.81 DOI 10.25257/FE.2019.1.62-69
РОЙТМАН Владимир Миронович Доктор технических наук, профессор НИУ Московский государственный строительный университет, Москва, Россия E-mail: roytman-msuse@yandex.ru
ОГНЕСТОЙКОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ КАК БАЗОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ОГНЕСТОЙКОСТИ
В настоящее время в практике противопожарного нормирования и проектирования понятие «огнестойкость» применяется только к таким объектам, как строительные конструкции или здания и сооружения в целом. Понятие «огнестойкость» относительно строительных материалов не применяется. В статье предлагается введение нового показателя - «огнестойкость строительных материалов». Показана возможность на основе этого показателя перехода от статической к более универсальной и эффективной кинетической теории огнестойкости. Именно кинетический подход даёт возможность расширить круг задач огнестойкости, в том числе с учётом режимов реальных пожаров, и повысить точность их решения.
Ключевые слова: пожар, реальный пожар, огнестойкость, материал, конструкция, здание, долговечность твёрдых тел, кинетическй подход.
В настоящее время в практике противопожарного нормирования и проектирования понятие «огнестойкость» применяется только к таким объектам, как строительные конструкции или здания и сооружения в целом [1-3]. Данное понятие не применяется к строительным материалам.
Необходимость решения современных задач по оценке огнестойкости строительных объектов требовала поиска новых подходов и возможностей их решения с учётом режимов реальных пожаров, времени и условий эксплуатации объектов к моменту возникновения пожара, с учётом комбинированных особых воздействий с участием пожара во время террористической угрозы.
В связи с этим в статье предлагается введение показателя «огнестойкость строительных материалов». Фактически речь идет о переходе от статических к кинетическим представлениям о природе прочности и разрушения материалов строительных конструкций в условиях пожара.
Переход от статической к кинетической теории огнестойкости позволяет расширить круг решаемых задач огнестойкости и повысить точность их решения.
О СТАТИЧЕСКОМ И КИНЕТИЧЕСКОМ ПОДХОДАХ К РАЗРУШЕНИЮ И ПРОЧНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
А о сих пор оценка огнестойкости строительных конструкций производилась, как правило, на основе статического подхода к природе разрушения (прочности) твердых тел (статическая задача огнестойкости).
Статический подход основан на том, что разрушение твёрдого тела (разрыв связей в структуре твёрдого тела) происходит мгновенно при наступлении так называемого «предела прочности материала» или «критической температуры прогрева» материала (при оценках огнестойкости) [1-3].
При статическом подходе к разрушению твёрдых тел (в том числе в условиях пожара) прочность рассматривается как характеристика некоторого предельного критического состояния нагруженного тела, состоящего из атомов, связанных между собой силами сцепления.
Однако результаты исследований [4, 5] показывают, что статический подход во многих случаях противоречит реальному механизму процессов разрушения и деформирования твёрдых тел. В реальных условиях предел прочности и критическая температура прогрева материалов не являются неизменными величинами, а могут заметно изменяться в зависимости от условий испытания, от скорости деформирования и режима прогрева [4, 5].
Аналогичные результаты получаются также в опытах по изучению ползучести и длительной прочности. Влияние времени на прочность было обнаружено в силикатных стеклах, полимерах, металлах, ионных кристаллах и т. д. [4].
Возникла необходимость проведения комплекса фундаментальных исследований природы разрушения и прочности твердых тел. Такого рода исследования проводились в Лаборатории физики прочности Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе АН СССР под руководством академика С. Н. Журкова, при участии В. Р. Регеля, А. И. Слуцкера, Э. Е. Тома-шевского, В. И. Бетехтина и др. [4].
62
© Ройтман В. М., 2019
Результаты этих исследований привели к возникновению и развитию новой кинетической концепции разрушения и прочности твёрдых тел.
При кинетическом подходе, в отличие от статического подхода, разрушение рассматривается как реальный, развивающийся во времени, процесс накопления нарушений в структуре твёрдых тел. А сам процесс разрушения твёрдого тела описывается либо некоторой скоростью накопления нарушений, либо временем, за которое процесс развивается и приводит к разрыву твёрдого тела [4].
В качестве наиболее простой и легко определяемой опытным путём характеристики прочностных свойств материала, отражающей в то же время кинетическую природу процесса разрушения, было предложено использовать «долговечность твёрдых тел» как время существования образца материала от момента приложения нагрузки до его разрыва [4].
С точки зрения кинетической концепции долговечность является фундаментальной характеристикой механической прочности материала [4].
Исследования долговечности различных твёрдых тел велись в широком диапазоне температур и напряжений, в интервале долговечностей до десяти порядков (от тысячных долей секунды до многих месяцев). Всего было исследовано около сотни различных материалов: поликристаллические металлы, монокристаллы, неметаллические соединения, полимеры, сплавы и сложные композиционные материалы [4].
На рисунке 7 приведены полученные в работе [4] характерные зависимости долговечности тс1 различных материалов от напряжения о и температуры t.
Рисунок 7 свидетельствует о том, что для самых разнообразных по строению и свойствам материалов зависимости (о) имеют линейный характер. При разных температурах распределение - о представляет собой пучок прямых, сходящихся в одной точке -полюсе. Было установлено [4], что для всех типов твёрдых тел этот полюс находится практически при одном и том же значении долговечности Ю-13 с.
Полученные экспериментально зависимости между долговечностью напряжением о и температурой t позволили установить аналитические соотношения между этими величинами:
xd = т0 ехр
U(o) kt
U(c) = U0-yc,
(1)
(2)
где т0 - предэкспоненциальный множитель, с; 1/(а) -энергия активации процесса разрушения, кДж/моль; к - постоянная Больцмана, кДж/моль, К; t - абсолютная температура, К; ио - начальная энергия активации разрушения материала, кДж/моль; у -структурный коэффициент, кДж/(моль-МПа).
Физический смысл коэффициента у следует из выражения (2), где у о отражают ту работу, которую в разрушении тела выполняет внешняя сила (напряжение о).
Основное отличие кинетической концепции разрушения и прочности твёрдых тел от статической состоит, прежде всего, в том, что долговечность тела одинаковым образом определяется как напряжением,
60 80 100 120 140 160
Рисунок 1. Зависимость долговечности от напряжения при разных температурах: I - каменная соль: 1 - 400 °С: 2 - 500 °С: 3 - 600 °С: II - алюминий (поликристаллический): 1 - 18 °С; 2 - 100 °С: 3 - 200 °С: 4 - 300 °С: III - капрон (ориентированное волокно): 1 - (-180 °С); 2 - (-120 °С); 3 - (-75 °С); 4- 20 °С: 5 - 80 °С
так и температурой тела. Непосредственным разрушающим фактором для твёрдых тел являются тепловые флуктуации. Энергия разрушения тела черпается в значительной мере из запаса тепловой энергии тела, а не только из работы внешних сил [4].
ПРОВЕРКА ГИПОТЕЗЫ О СООТВЕТСТВИИ ПОВЕДЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ПОЖАРА КИНЕТИЧЕСКОЙ КОНЦЕПЦИИ РАЗРУШЕНИЯ (ПРОЧНОСТИ) ТВЁРДЫХ ТЕЛ
Механизм влияния процессов тепло- и вла-гопереноса, процессов разрушения на огнестойкость строительных конструкций в условиях воздействия пожара был изучен в работах Ройтмана В. М., Апостолова А. Т., Бережного А. Г., Мешалкина Е. А., Демёхина В. Н., Консевой Е. В, Гамаюнова А. В. и др. [5, 6, 9].
Для проверки гипотезы о соответствии поведения строительных материалов в условиях пожара представлениям кинетической концепции разрушения (прочности) твёрдых тел был проведён цикл совместных исследований Лабораторией физики прочности ФТИ им. А. Ф. Иоффе АН СССР (РАН), МИСИ им. В. В. Куйбышева (НИУ МГСУ) и ВИПТШ МВД СССР (Академия ГПС МЧС России) [5, 6].
В качестве объектов этих исследований использовались образцы арматурной стали и цементного камня. Было изготовлено два типа образцов:
1. Для опытов, которые проводились в Лаборатории физики прочности ФТИ им. А. Ф. Иоффе, из арматурной стали изготавливались образцы в виде двойной лопатки с длиной рабочей части 22 мм и толщиной 0,1 мм. Длина рабочей части образцов цементного камня составляла 20 мм, сечение - 8x8 мм. Опыты с этими образцами проводились по классической схеме кинетической концепции на сериях образцов при постоянных растягивающих напряжениях и температурах нагрева образца в каждом опыте.
2. Для опытов, проводимых в МИСИ имени В. В. Куйбышева и в ВИПТШ МВД СССР, образцы имели вид реальных объектов, используемых при изучении поведения строительных материалов в условиях пожара [1, 5].
Образцы арматурной стали имели вид стержней, длина рабочей части которых составляла 400 мм, диаметры 10 и 12 мм. Образцы цементного камня имели вид полых цилиндров высотой 300 мм, наружным диаметром 75 мм, внутренним диаметром 25 мм. Опыты с этими образцами проводились при постоянных напряжениях и температурах [4], а также при онотонном нагреве образцов по режимам, соответствующим воздействию стандартного и реального пожаров [5].
Фактически, во время этих опытов были реализованы два подхода:
- исследование долговечности и энергии активации разрушения испытуемых материалов по классической схеме кинетической концепции (ФТИ);
- исследование огнестойкости и энергии активации разрушения реальных образцов строительных материалов (МИСИ - ВИПТШ).
Обработка данных по испытаниям серии образцов каждого материала производилась следующим образом:
- строились зависимости долговечности и огнестойкости образцов испытанных материалов в виде (о) при различных температурах нагрева ^ вычислялись значения энергии активации разрушения образцов испытуемого материала и(о) в соответствии с соотношением (1).
На рисунках 2, 3 представлены результаты обработки этих совместных опытов.
Полученные зависимости долговечности (опыты ФТИ) и огнестойкости (опыты МИСИ - ВИПТШ), а также энергии активации разрушения испытанных материалов от уровня напряжения и температуры соответствуют основным соотношениям формул (1)-(2) кинетической концепции разрушения (прочности) твердых тел. (см. рис. 2, 3).
Определение величины начальной энергии активации разрушения или деформации ползучести и0 материалов производилось на основе опытов по измерению долговечности и огнестойкости образцов материала при различных напряжениях (см. рис. 2, 3), когда и(о) экстраполируется к о = 0.
результаты опытов позволяют сделать важнейший вывод о том, что поведение реальных строительных материалов в условиях пожара соответствует представлениям кинетической концепции о природе разрушения и прочности твёрдых тел и даёт возможность построения на этой основе кинетической теории огнестойкости.
В работах [5, 6], учитывая переменность температур при воздействии пожара на материалы строительных конструкций, была доказана возможность использования принципа линейного суммирования долей огнестойкости материала Лтл, а также деформаций ползучести Лес/ за период времени Лт, в условиях температуры пожара в виде соотношений (3)-(5):
у Лт; _ -у Лт,-
О т0ехр[£/0-уо/£/,]
Г ¿0
(1%
= 1;
=1; (3)
(4)
ес(т)= ^80ехр[-(У0 -уа)/^(т)]с/т, (5)
где ес - деформация ползучести материала образца.
Напряжение о, МПа а
Напряжение о, МПа
Напряжение о, МПа
б
Рисунок 2. Зависимости долговечности (а), энергии активации разрушения и энергии активации ползучести (б) арматурной стали кл. А-1 от уровня напряжений при различных температурах:
Тип I - опыты ФТИ им. Иоффе РАН на образцах в виде двойной лопатки длиной рабочей части 22 мм и толщиной 0,1 мм: Тип II - опыты МИСИ-ВИПТШ с образцами в виде стержней, длина в рабочей части которых400 мм и диаметры 10 и 12 мм:
О - напряжение растяжения: энергия активации стационарной ползучести: ф- Т = 350 °С: О- Т= 400 °С: -ф-- Т = 450 °С: л.- Г= 500 ° С: Т = 550 °С: □- Т = 600 °С: о- Т= 700 °С
б
Рисунок 3. Зависимости долговечности (а), энергии активации разрушения и ползучести (б) цементного камня от уровня напряжений при различных температурах (350, 450, 500, 550, 600, 700 °С): Тип I - опыты ФТИ им. Иоффе РАН на образцах; Тип II - опыты МИСИ - ВИПТШ на образцах: О- напряжение растяжения; #- напряжение сжатия
ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОГНЕСТОЙКОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Физический смысл предлагаемой характеристики огнестойкости строительных материа-
лов состоит, прежде всего, в прямой аналогии между этой пожарно-технической характеристикой и фундаментальным показателем кинетической концепции разрушения (прочности) твёрдых тел - долговечностью твёрдого тела.
Согласно работе [4], понятие долговечности твёрдого тела характеризует время сопротивления
нагруженного (до напряжения о) образца материала при температуре нагрева t до разрыва образца.
При испытании серии образцов материала при различных напряжениях и температурах наблюдается скопление точек, определяющих линейную зависимость огнестойкости материала от о и или /"(т).
ОГНЕСТОЙКОСТЬ СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА - это
время сопротивления нагруженного (до напряжения О) образца строительного материала при температуре нагрева t или режиме нагрева цт) до разрыва образца.
С учётом вышеизложенного, предлагается рассматривать огнестойкость материалов строительных конструкций в условиях пожара в качестве базовой характеристики кинетической теории огнестойкости строительных объектов.
Это позволяет более точно решать ряд новых задач огнестойкости, в том числе: с учётом режимов реальных пожаров, влияния времени и условий эксплуатации конструкций на их огнестойкость, комбинированных особых воздействий с участием пожара (при оценках террористической угрозы).
Использование характеристики «огнестойкость строительных материалов» позволяет выразить изменение сопротивления материалов строительных конструкций при пожаре не только в виде зависимости от температуры (статический подход), но и времени воздействия реального пожара.
Рисунки 2иЗ свидетельствует о том, что зависимости огнестойкости строительных материалов от а и t или /"(т) соответствуют фундаментальным соотношениям кинетической концепции разрушения (прочности) твёрдых тел (1)-(5).
ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ОГНЕСТОЙКОСТИ
На основе использования предлагаемой характеристики огнестойкости строительных материалов был разработан ряд кинетических методов оценки огнестойкости строительных конструкций [7, 9].
На рисунке 4 представлена блок-схема кинетического метода расчёта огнестойкости строительных конструкций.
Рисунок 4. Блок-схема кинетического метода проектирования огнестойкости строительных конструкций:
Ф - несущая способность конструкции: Л/н (Мн) - нормативная нагрузка на конструкцию: П - фактическая огнестойкость конструкции: х - время пожара: Ф(т) - оставшаяся доля несущей способности конструкции на момент времени т реального пожара: х - время окончания пожара: Г(х; т) - температура по сечению конструкции в момент времени воздействия пожара т
Основное отличие кинетического метода расчёта конструкций на огнестойкость от статического метода состоит в том (см. рис. 4), что для решения прочностной задачи огнестойкости используются кинетические характеристики и0 и у входящие в основные соотношения формул (1)-(5) кинетической теории огнестойкости.
Значения этих характеристик были получены и приведены в работе [7].
В таблице показаны значения начальной энергии активации разрушения и деформации ползучести и0 и коэффициента у для ряда арматурных сталей.
Таблица
Значения кинетических характеристик прочности ио, и у ряда арматурных сталей (данные Консевой Е. В.) [7]
Вид стали кДж/моль Y, кДж/(мольМПа)
Горячекатанная круглая (гладкая) сталь класса А-1 марки Ст. 3 315 0,32
Горячекатанная низколегированная периодического профиля сталь класса А-111 марки Ст. 35ГС 313,0 0,176
Горячекатанная низколегированная периодического профиля сталь класса А-1У марки 80С 317,4 0,152
Использование кинетических соотношений (1)-(5) позволяет, в отличие от статического подхода, проводить оценку огнестойкости строительных конструкций с учётом режимов реальных пожаров.
При решении ряда новых задач оценки огнестойкости объектов использование статического подхода для оценки огнестойкости становится неэффективным.
Установлена физическая аналогия между предлагаемой характеристикой «огнестойкость строительных материалов» и фундаментальной характеристикой долговечности твёрдого тела кинетической концепции разрушения (прочности) твёрдых тел.
Использование характеристики огнестойкости строительных материалов позволяет выразить изменение сопротивления материалов строительных конструкций в условиях пожара в зависимости не только от температуры (статический подход), но и времени воздействия реального пожара.
Это позволяет более точно решать ряд новых задач огнестойкости с учетом различных режимов пожара.
Показано, что прикладная теория огнестойкости строительных объектов фактически соответствует и является практическим аспектом фундаментальной кинетической концепции разрушения (прочности) твёрдых тел.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бушев В. П., Пчелинцев В. А, Федоренко В. С., Яковлев А. И. Огнестойкость зданий. М: Стройиздат, 1970. 261 с.
2. Kordina K., Aktuelle probleme des vorbeugenden baulichen Brandschutzes. Betonwerk + Fertigteil-Technik. 1982. No. 48(8). P. 509-17.
3. Pettersson O., Practical Need of Scientific Models for Structural Fire Design. General Review. Fire Safety Journal. 1988. Vol. 13, iss. 1. P. 1-8. DOI: 10.1016/0379-7112(88)90027-6
4. Регель В. Р., СлуцкерА. И., Томашевский Э. Е. Кинетическая природа прочночти твёрдых тел. М.: Наука, 1974. 560 с.
5. 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.
6. 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.
7. Ройтман В. М. Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируемых зданий. М.: Пожнаука, 2001. 383 с.
8. Roytman V. M., Pasman H. J. andLukashevich I. E. The Concept of Evaluation of Building Resistance against combined hazardous Effects "Impact-Explosion-Fire" after Aircraft Crash. -Fire and Explosion Hazards. Proceedings of the Fourth International Seminar, 2003, Londonderry, NI, UK. P. 283-293.
9. Ройтман В. М. О физическом смысле и основных подходах к оценке показателя «эквивалентная продолжительность пожара» // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2018. № 2. С. 81-85. DOI: 10.25257/FE.2018.2.81-85
Материал поступил в редакцию 20 ноября 2018 года.
Vladimir ROYTMAN
Grand Doctor in Engineering, Professor
Moscow State (National Research) University of Civil
Engineering, Moscow, Russia
E-mail: roytman-msuse@yandex.ru
FIRE RESISTANCE OF BUILDING MATERIALS AS A BASIC CHARACTERISTIC OF FIRE RESISTANCE KINETIC THEORY
ABSTRACT
Purpose. At present in practice of fire prevention regulations and design the term 'fire resistance' is applied only to such objects as building structures or buildings and constructions in general. The given term is not applied to building materials.
The article suggests introducing a new characteristic "fire resistance of building materials". We have established physical correspondence between the suggested characteristic "fire resistance of building materials" and fundamental characteristic "solid endurance" of the kinetic concept of destruction (stability) of solids. It is the kinetic approach, reflecting the real mechanism of destructing building materials under fire conditions, that gives the opportunity to broaden the range of required tasks of fire resistance.
Methods. On the basis of using the suggested characteristic "fire resistance of building materials" there has been worked out a range of kinetic methods of evaluating fire resistance of building structures.
Findings. We have shown validity of fundamental kinetic concept of destruction and stability of solids for the behavior of real materials for building structures exposed to various fire stages. On this basis we have examined physical sense of "fire resistance of building materials" and the possibility of its use for practical purposes.
Research application field. The obtained results can be used in fire prevention regulating and designing fire resistance of building materials, structures, buildings and constructions.
Conclusions. Using the factor "fire resistance of building materials" as the basic characteristic of fire resistance kinetic theory gives the opportunity to broaden the range of required tasks of fire resistance.
Key words: fire, real fire, fire resistance, material, structure, building, solid endurance, kinetic approach.
REFERENCES
1. Bushev V.P., Pchelincev V.A., Fedorenko V.S., Yakovlev A.I. Ognestoykostzdaniy [Fire resistance of buildings]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1970. 261 p.
2. Kordina K. Aktuelle probleme des vorbeugenden baulichen Brandschutzes. Betonwerk + Fertigteil-Technik, 1982, no. 48 (8), pp. 509-17. (in Germ.).
3. Pettersson O. Practical Need of Scientific Models for Structural Fire Design. General Review. Fire Safety Journal, 1988, vol. 13, iss. 1, pp. 1-8. DOI: 10.1016/0379-7112(88)90027-6
4. Regel V.R., Slutsker A.I., Tomashevskiy E.E. Kineticheskaya prirodaprochnochti tverdykh tel. [The kinetic nature of the strength of solids]. Moscow, Nauka Publ., 1974. 560 p.
5. Roytman V.M. Otsenkaognestoykostistroitelnykhkonstruktsiy 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 Doctor in Engin. Sci. dis]. Moscow, V.V. Kuibyshev Moscow Institute of civil engineering Publ., 1987. 412 p.
6. Betekhtin V.I., Roytman V.M. Slutsker A.I., Kadomtsev A.T. Kinetics of destruction of loaded materials at variable temperature. Zhurnal tekhnicheskoy fizik, 1998, vol. 68, no. 1, pp. 76-81. (in Russ.).
7. Roytman V.M. Inzhenernye resheniya po otsenke ognestoykosti proektiruemykh i rekonstruiruemykh zdaniy [The Engineering solutions for the evaluation of designed and rehabilitated buildings]. Moscow, Pozhnauka Publ., 2001. 382 p.
8. Roytman V.M., Pasman H.J. and Lukashevich I.E. The Concept of Evaluation of Building Resistance against combined hazardous Effects "Impact-Explosion-Fire" after Aircraft Crash. -Fire and Explosion Hazards. Proceedings of the Fourth International Seminar, 2003, Londonderry, NI, UK. P. 283-293.
9. Roytman V.M. On physical meaning and basic approaches to evaluating "equivalent fire duration" indicator. Pozhary i chrezvychaynye situatsii: predotvrashchenie, likvidatsiia, 2018, no. 2, pp. 81-85. DOI: 10.25257/FE.2018.2.81-85 (in Russ.).
© Roytman V., 2019
69
