CC BY
20
ОГНЕСТОЙКОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
А. Д. ГОЛИКОВ, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, заместитель по научной работе СПбФ ФГБУ ВНИИПО МЧС России (Россия, 193079, г. Санкт-Петербург, Октябрьская наб., 35) Е. Ю. ЧЕРКАСОВ, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник СПбФ ФГБУ ВНИИПО МЧС России (Россия, 193079, г. Санкт-Петербург, Октябрьская наб., 35; e-mail: cherkasovspb@inbox.ru) Д. М. ГРИГОРЬЕВ, технический директор ООО "Противопожарные технологии" (Россия, 194100, г. Санкт-Петербург, ул. Новолитовская, 16, А)
УДК 614.849
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПРЕДЕЛА ОГНЕСТОЙКОСТИ СТЕН ЗДАНИЙ С ТЕМПЕРАТУРНЫМИ ШВАМИ, ЗАПОЛНЕННЫМИ ОГНЕСТОЙКОЙ ПЕНОЙ
Разработана методика прогнозирования предела огнестойкости температурных швов стен, заполненных огнестойкой пеной, разрушающейся при тепловом воздействии пожара. Методика основана на следующих предположениях: 1) для разрушения одинаковых количеств пены требуется подведение равных количеств теплоты; 2) тепло к поверхности пены, находящейся в щели между стенами, подводится в основном за счет излучения.
Ключевые слова: пожарная безопасность; огнестойкость; моделирование; температурный шов; огнестойкая пена.
Пределы огнестойкости строительных конструкций должны устанавливаться в условиях стандартных испытаний по методикам, регламентированным нормативными документами по пожарной безопасности [1]. В то же время допускается определять данный параметр для строительных конструкций, аналогичных по форме, материалам и конструктивному исполнению строительным конструкциям, прошедшим испытания, расчетно-аналитическими методами, установленными нормативными документами по пожарной безопасности [1,2].
В практике проектирования в целом ряде случаев такие расчетно-аналитические методы отсутствуют, что создает практически неразрешимые проблемы, связанные с невозможностью испытаний каждого вида конструкций даже для одного проектируемого объекта.
Данная работа посвящена разработке одного из способов расчета частного случая — оценки предела огнестойкости конструкций стен с температурными швами, заполненными огнестойкой пеной, разрушающейся при тепловом воздействии пожара. Температурный шов — зазор между отдельными частями конструкций сооружения, допускающий их взаимное перемещение, вызываемое температурным расширением материалов. Температурные швы предохраняют здание от разрывов кладки, трещин, перекосов и сдвигов. Заполнение температурных швов пеной производится с целью герметизации конструкции.
© Голиков А. Д., Черкасов Е. Ю., Григорьев Д. М., 2013
Компанией ООО "Противопожарные технологии" были проведены испытания стены толщиной 150 мм из газобетонных блоков автоклавного твердения с заполнением подготовленных вертикальных линейных швов монтажной противопожарной огнезащитной полиуретановой пеной Ргоша£оаш®-С на глубину не менее 150 мм [3]. В ходе разработки проекта строительной конструкции возникла необходимость определить пределы огнестойкости температурных швов в газобетонных стенах толщиной 120 и 100 мм.
В табл. 1 по данным [3] представлены результаты испытаний двух образцов стен. Поперечное сечение конструкции приведено на рисунке. Предел огнестойкости по теплоизолирующей способности и потеря целостности образцов наступали одновременно.
Таблица 1. Время наступления предельного состояния по потере целостности (Е) при глубине заделки швов150 мм
Ширина шва, мм Время наступления предельного состояния, мин, для образца
первого второго
10 162 157
20 157 152
30 129 124
40 97 110
50 92 96
Поперечное сечение конструкции: 1 — стена из пенобетон-ных блоков; 2 — пена РгошаГоаш®-С
В информационных материалах норвежского [4], нидерландского [5] и французского [6] отделений компании "Ргоша!" представлены экспериментальные данные по пределам огнестойкости по признаку потери целостности щелей в стенах, заполненных Ргоша£оаш®-С (табл. 2-4).
Существует способ оценки свойств защитного материала, для которого достаточно одного классификационного испытания [7]. Он основан на том, что нагрев конструкции возрастает с увеличением массивности и ослабляется с увеличением толщины защитного слоя.
Тождественность температурных полей двух геометрически подобных конструктивных элементов
Таблица 2. Предел огнестойкости по теплоизолирующей способности и целостности по данным [4]
Наибольшая ширина х наименьшая глубина зазора, мм Предел огнестойкости, мин
- 30 х 200 20 х 150 - 120
40 х 200 30х150 - 10 х 100 90
40 х 150 - 20 х 100 10 х 70 60
- 30 х 100 - - 45
40 х 100 - 20 х 70 10х50 30
Таблица 3. Глубина заделки шва для обеспечения предела огнестойкости 30; 60 и 120 мин по данным [5]
Ширина зазора,
Глубина заполнения пеной шва в каменной стене, мм, для достижения предела огнестойкости
мм 30 мин 60 мин 120 мин
<10 50 80 120
10-20 70 100 160
20-30 80 130 -
30-40 90 160 -
Таблица 4. Минимальная глубина уплотнения для обеспечения предела огнестойкости 30; 60 и 120 мин по данным [6]
Ширина уплотнения, мм Минимальная глубина уплотнения, мм, для достижения предела огнестойкости
30 мин 60 мин 120 мин
<10 70 70 100
10-20 70 100 150
20-30 70 120 200
30-40 70 150 200
при одинаковых начальных температурных условиях может быть достигнута с помощью критерия Фурье (Fo). При подобных температурных полях критерии Фурье равны между собой:
Fo = idem. (1)
Критерий Фурье представляет собой следующее отношение:
Fo = ax/r2, (2)
где а — коэффициент температуропроводности материала;
x — длительность воздействия температуры; r — геометрический параметр, характеризующий размер образца.
При тождественных температурных полях
x 2 =Х1 ^ f ^ 12, (3)
а 2 V r1 J
где x1, x2 — длительность воздействия температуры соответственно на 1-й и 2-й образцы; а1, а2 — коэффициенты температуропроводности материалов соответственно 1-го и 2-го образцов;
r1, r2 — геометрические параметры, характеризующие размеры соответственно 1-го и 2-го образцов.
Таким образом, может быть определено время, в течение которого должен нагреваться натурный образец для достижения тождественности температурных полей данного образца и модели. Зависимости, выраженные уравнением (3), не учитывают постепенного нарастания температуры по стандартной кривой время - температура, а предполагают нагрев от источника с постоянной температурой. Из анализа [6] экспериментальных работ видно, что показатель степени находится в диапазоне 1,5-1,7. Таким образом, предел огнестойкости натурного объекта рассчитывается по результатам испытаний модельного объекта из того же материала по формуле
П
ф.н
- Пф.м I ^
(4)
где Лф.м, Пф.н — фактические пределы огнестойкости соответственно модельного и натурного объектов;
гм, гн — геометрические параметры, характеризующие размеры соответственно модельного и натурного объектов; п — показатель степени; п = 1,5^1,7. Поскольку в процессе испытания стен с температурным швом, заполненным пеной, происходит разрушение слоя пены, представленная формула может оказаться неточной.
По аналогии с подходом, основанным на приведении реальных температурных режимов к стан-
n
дартному, в данной работе предполагалось, что скорость разрушения пены пропорциональна количеству подведенного тепла. Для разрушения равных объемов пены, находящихся на разной глубине от поверхности стены, потребуется подведение равного (эквивалентного) количества тепла.
Подведение тепла к поверхности пены, заполняющей температурный шов, происходит в основном за счет излучения. При разрушении поверхностных слоев пены угловой коэффициент облучения поверхности пены уменьшается. Угловой коэффициент ф для двух неограниченно длинных узких параллельных полос одинаковой ширины Ь на расстоянии а [7] определяется по формуле
ф =
-I +1 - 1 а
(5)
Значения угловых коэффициентов облучения поверхности пены в зависимости от расстояния а от поверхности пены до поверхности стены и ширины щели Ь приведены в табл. 5. Тепловой лучистый поток дизл, падающий на поверхность пены в момент времени т, определяется как
9 изл = фае Т^(т),
(6)
где а — постоянная Стефана-Больцмана;
е — коэффициент черноты продуктов горения; е = 0,85;
Т (т) — температура стандартного температурного режима пожара, К; т — время, с.
Количество теплоты бизл, падающей на поверхность пены за время t, определяется выражением
б изл = ае | ф[(х )т1' (т)1т
(7)
где х — координата поверхности пены в момент времени т; 0 < х < /; / — толщина стены, мм.
Для упрощения вычислений принимаем х = 0,5/. Тогда
б изл = аеф(0,5/) | Т4 (т)<1т.
Таблица 5. Значения угловых коэффициентов облучения ф поверхности пены в зависимости от расстояния а от поверхности пены до поверхности стены и ширины щели Ь
Расстояние а, мм Значение ф при ширине шва Ь, мм
10 20 30 40 50
5 0,414 0,618 0,721 0,781 0,820
10 0,236 0,414 0,535 0,618 0,677
15 0,162 0,303 0,414 0,500 0,566
20 0,123 0,236 0,333 0,414 0,481
25 0,099 0,193 0,277 0,351 0,414
30 0,083 0,162 0,236 0,303 0,362
35 0,071 0,140 0,205 0,266 0,320
40 0,062 0,123 0,181 0,236 0,287
45 0,055 0,110 0,162 0,212 0,259
50 0,050 0,099 0,147 0,193 0,236
55 0,045 0,090 0,134 0,176 0,217
60 0,042 0,083 0,123 0,162 0,200
65 0,038 0,076 0,114 0,150 0,186
70 0,036 0,071 0,106 0,140 0,173
75 0,033 0,066 0,099 0,131 0,162
80 0,031 0,062 0,093 0,123 0,153
85 0,029 0,059 0,088 0,116 0,144
90 0,028 0,055 0,083 0,110 0,136
95 0,026 0,052 0,078 0,104 0,129
100 0,025 0,050 0,075 0,099 0,123
105 0,024 0,048 0,071 0,094 0,117
110 0,023 0,045 0,068 0,090 0,112
115 0,022 0,043 0,065 0,086 0,107
120 0,021 0,042 0,062 0,083 0,103
125 0,020 0,040 0,060 0,079 0,099
130 0,019 0,038 0,058 0,076 0,095
135 0,019 0,037 0,055 0,074 0,092
140 0,018 0,036 0,053 0,071 0,089
145 0,017 0,034 0,052 0,069 0,086
150 0,017 0,033 0,050 0,066 0,083
(8)
Сначала рассчитывается
бизл.э = ф(0,5/э )ае! (т)1т
С помощью интерполяции степенным полиномом с коэффициентом корреляции 0,99 устанавливаем, что
стеТ? (т) = 980,77т0,56
или
>е| Т?(т)ёт = 1751,4?1,Я6.
(9)
для каждого значения ширины щели экспериментального образца стены.
Из предположения, что для разрушения одинаковых количеств пены необходимо подведение одинаковых количеств тепла, определялось количество тепла, которое падает на поверхность пены прогнозируемого образца стены:
б изл.пр = б изл.э(/пр//э). (10)
а
Ь
0
0
0
0
Далее определяется время t при котором удовлетворяется равенство
Q и
t пр
= стер (0,5/пр) • 1751,4t
Q изл.э / пр
1751,4стбф (0,5/ пр) /э
1,56. пр .
0,641
(11) (12)
Подставляя выражение (11) в формулу (12), получаем:
Л,56 Л0,641
. (13)
t пр =
<Р(0,5/э) /
прt э
Р(0,5/пр) /э
Результаты расчетов в сравнении с экспериментальными данными для стен толщиной 120 и 100 мм представлены в табл. 6 и 7. В качестве экспериментальных брались данные из протокола по испытаниям [3]. Как видно из табл. 6, прогнозируемые результаты по модели эквивалентного количества тепла, подведенного к объекту, хорошо согласуются и с экспериментальными данными [4-6], и с результатами, полученными по методике [7] для п = 1,5 при толщине стены 120 мм.
При толщине стены 100 мм наблюдается существенный разброс данных [4-6] по пределу огнестойкости (см. табл. 7). Предположительно, при ширине швов 10 и 20 мм фактические пределы огнестойкости составляют около 90 мин с небольшими отклонениями в большую или меньшую сторону. Согласование прогнозов по разным моделям сохраняется.
Близость результатов по прогнозным формулам, полученным независимо друг от друга и исхо-
Таблица 6. Пределы огнестойкости щелей в стене толщиной 120 мм, заполненных Promafoam®-C на всю ее толщину
Ширина шва, мм Экспериментальные данные Прогноз по [6] Прогноз по мо-
n = 1,7 n = 1,5 дели эквивалентного количества тепла
10 120 [4], 120 [5] 107-111 112-116 118
20 120 [3], 120 [5] 104-107 109-112 116
30 90 [3], 60 [5] 85-88 89-92 95
40 60 [3] 66-75 69-79 78
50 - 63-66 66-69 71
Таблица 7. Пределы огнестойкости щелей в стене толщиной 100 мм, заполненных Ргота"оат®-С на всю ее толщину
Ширина шва, мм Экспериментальные данные Прогноз по [5] Прогноз по модели эквивалентного количества тепла
n = 1,7 n = 1,5
10 90 [3], 60 [4, 5] 79-81 85-88 94
20 90 [3], 60 [4, 5] 76-79 83-85 92
30 45 [3] 62-65 67-70 76
40 - 49-55 57-60 62
50 - 46-48 50-52 57
дя из разных предпосылок, дает дополнительное подтверждение достоверности прогноза.
Таким образом, данные, полученные по модели эквивалентного количества тепла, дают удовлетворительное совпадение с результатами испытаний температурных швов стен, заполненных огнестойкой пеной.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности : Федер. закон от 22.07.2008 г. № 123-Ф3; принят Гос. Думой 04.07.2008 г.; одобр. Сов. Федерации 11.07.2008 г. // Собр. законодательства РФ. — 2008. — № 30 (ч. I), ст. 3579.
2. ГОСТ 30247.1-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции.—Введ. 01.01.96 г.—М.: ИПКИзд-во стандартов, 1995. —11 с.
3. Пена монтажная противопожарная огнезащитная полиуретановая Promafoam®-C для заполнения зазоров, стыков, швов и т. п. по технической документации изготовителя: протокол № 18 ск/и-2012 ИЦ "Огнестойкость", ЗАО "ЦСИ Огнестойкость" // Конструктивная противопожарная защита зданий и сооружений А2.1 : справочник Promat, 2012. URL : http://www.know-house.ru/infotek/ inf pdf/3 promat 01.pdf (дата обращения: 14.05.2013 г.).
4. SINTEF produktdokumentasjon. SINTEF 030-0267. URL : nbl.sintef.no (дата обращения: 14.05.2013 г.).
5. Promat. PROMAFOAM®-C Technischegegevens. URL: www.promat.nl (датаобращения: 14.05.2013 г.).
6. Rapport d'essaiCSTB 92. 34937 PV94-CVB-R0639-R0640/PVCSTBnoRS00-217 etnoRS01-063. URL : http://www.promat.fr/pdf/catalogues/calfeutrement.pdf (дата обращения: 14.05.2013 г.).
7. РойтманМ. Я. Пожарная профилактика в строительном деле.—М.: Изд-во МКХ РСФСР, 1954.
— 304 с.
8. УонгХ. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров : справочник / Пер. с англ.
— М. : Атомиздат, 1979. — 216 с.
Материал поступил в редакцию 17 мая 2013 г.
ОГНЕСТОЙКОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ_
FORECASTING LIMIT OF FIRE RESISTANCE OF WALLS OF BUILDINGS WITH EXPANSION JOINTS FILLED WITH FIRE-RESISTANT FOAM
GOLIKOV A. D., Cand. of Technical Sciences, Senior Researcher, Deputy Head of Scientific Work of Saint-Petersburg Branch of Federal State Establishment All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia (Oktyabrskaya Naberezhnaya, 35, St.-Petersburg, 193079, Russian Federation)
CHERKASOV Ye. Yu., Cand. of Technical Sciences, Senior Research Fellow of Saint-Petersburg Branch of Federal State Establishment All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia (Oktyabrskaya Naberezhnaya, 35, St.-Petersburg, 193079, Russian Federation; e-mail address: cherkasovspb@inbox.ru)
GRIGORIEV D. M., Technical Director of "Fire Technology Ltd" (Novolitovskaya St., 16, St.-Petersburg, 194100, Russian Federation)
ABSTRACT
The technique of predicting the fire resistance of the expansion joints of walls filled with fire-resistant foam collapsing during thermal exposure of a fire have been made. Expansion joint is a gap between the individual parts of the structure facilities, allowing their relative movement caused by thermal expansion of materials. Expansion joints protect the building from the masonry breaks, cracks, distortions and shifts. Filling of expansion joints by foam made to seal the structure. Existing methods of evaluating the properties of protective material on the basis of a classification test based on the fact that the heating structure increases with the massiveness and attenuated with increasing thickness of the protective layer while maintaining the structural integrity during heat exposure. The developed method is based on the assumptions:
1) for the destruction of equal amounts of foam requires summing equal amounts of heat;
2) heat to the surface of the foam, located in a gap between the walls, mainly due to applied radiation.
The data obtained from the developed procedure gives satisfactory agreement with the published literature on the test results.
Keywords: fire safety; fire resistance; modeling; expansion joint; flame retardant foam.
REFERENCES
1. Technical regulations on fire safety requirements: Federal Law of Russian Federation on 22.07.2008 No. 123. Sobraniye zakonodatelstva RF— Collection of Laws of the Russian Federation, no. 30 (partI), art. 3579 (in Russian).
2. Interstate Standard 30247.1-94. Elements of building constructions. Fire-resistance test methods. Load bearing and separating constructions. Moscow, IPKIzdatelstvo standartovPubl., 1995.11 p. (in Russian).
3. Pena montazhnaya protivopozharnaya ognezashchitnaya poliuretanovaya Promafoam®-C dlya zapolne-niyazazorov, stykov, shvovit. p. po tekhnicheskoy dokumentatsii izgotovitelya: Protokol№ 18 sk/i-2012 IC "Ognestoykost'", ZAO "CSI Ognestoykost" [Foam assembly fire resistant polyurethane Proma-foam®-C to fill the gaps, joints, seams etc., according to the technical documentation of the manufacturer. Protocol No. 18 sk/e-2012 of Testing Center "Fire Resistance", CJSC "Center for Contemporary Art Fire Resistance"]. Konstruktivnayaprotivopozharnayazashchitazdaniy i sooruzheniyA2.1: spravoch-nikPromat [Structural fire protection of buildings and structures A2.1. Reference Promat]. Available at: http://www.know-house.ru/infotek/inf pdf/3 promat 01.pdf (Accessed 14 May 2013).
4. SINTEF produktdokumentasjon. SINTEF 030-0267. Available at: nbl.sintef.no (Accessed 14 May 2013).
5. Promat. PROMAFOAM®-C Technische gegevens. Available at: www.promat.nl (Accessed 14 May 2013).
6. Rapport d'essai CSTB 92.34937 PV94-CVB-RO639-RO640/PVCSTBnoRS00-217 etnoRS01-063. Available at: http://www.promat.fr/pdf/catalogues/calfeutrement.pdf (Accessed 14 May 2013).
7. Roytman M. Ya. Pozharnayaproflaktika v stroitelnom dele [Fire prevention in the construction business]. Moscow, Izdatelstvo Ministerstva kommunalnogo khozyaystva RSFSR, 1954. 304 p.
8. Wong H. Y. Handbook ofEssential Formulae and Data on Heat Transfer for Engineers. London and New York, LONGMAN Group, 1977. 212 p. (Russ. ed.: Wong H. Osnovnyye formuly i dannyye po teploobmenu dlya inzhenerov. Moscow, Atomizdat, 1979. 216 p.).
