ИССЛЕДОВАНИЕ ОГНЕСТОЙКОСТИ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПОКРЫТИЯ СКЛАДСКОГО ЗДАНИЯ В УСЛОВИЯХ РАЗЛИЧНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: проведено математическое моделирование развития реального пожара полевым методом в складском здании при различной пожарной нагрузке, а также моделирование прогрева несущих конструкций покрытия при «стандартном» температурном режиме и полученных в процессе моделирования «реальных» температурных
Прямых ссылок нет — публикация используется как справочный материал.
Объём оцифровки: 49,162 знаков. Ссылки внутри текста ведут на карточки источников и публикаций библиотеки.
SAFETY OF BUILDINGS, STRUCTURES, OBJECTS
https://doi.org/10.22227/PVB.2020.29.03.54-65 оригинальная статья / original paper
УДК 614841.332.699.812
Исследование огнестойкости стальных конструкций покрытия складского здания в условиях различного температурного воздействия
Судебно-экспертное учреждение Федеральной противопожарной службы «Испытательная пожарная лаборатория»
по Калининградской области (Россия, 236010, г. Калининград, ул. Бассейная, д. 35а)
АННОТАЦИЯ
Введение. В процессе проектирования складских зданий требуется оценить соответствие фактических пределов ог- нестойкости строительных конструкций требуемым пределам огнестойкости с учетом принятых проектных решений.
Определение пределов огнестойкости (фактических) строительных конструкций производится в условиях воздействия
«стандартного» температурного режима, применение которых может привести к закладыванию в проект завышенного запаса по огнестойкости и к недооценке теплового воздействия в условиях реального пожара.
Цели и задачи. Цель исследования — оценка сходимости «стандартного» температурного режима и возможных «реаль- ных» температурных режимов пожаров в современных складских зданиях, а также соответствия фактических преде- лов огнестойкости воздействию реальных пожаров. Для достижения поставленной цели были решены следующие за- дачи: проведено математическое моделирование развития реального пожара полевым методом в складском здании при различной пожарной нагрузке, а также моделирование прогрева несущих конструкций покрытия при «стандарт- ном» температурном режиме и полученных в процессе моделирования «реальных» температурных режимах пожара;
определены требуемые пределы огнестойкости несущих строительных конструкций покрытия через эквивалентную продолжительность пожара.
Методы. В качестве объекта исследования было выбрано складское здание типовой формы размерами 12Ч12Ч6,5 м.
В здании предусмотрены ворота размером 4Ч4 метра в количестве 2 шт. и входная дверь размером 1Ч2 м. В стенах здания размещены 32 окна размерами 0,7Ч1 м. Покрытие — беспрогонная плоская кровля на металлических фермах покрытия. Параметры пожарной нагрузки при математическом моделировании принимались по справочным данным
Ю.А. Кошмарова. Рассмотрено 12 видов типовой пожарной нагрузки. Для математического моделирования «реаль- ных» температурных режимов пожара использовался программный комплекс Fire Dynamics Simulator (FDS), реализу- ющий полевую (дифференциальную) математическую модель. Для математического моделирования процесса прогре- ва стальных строительных конструкций применялся конечно-разностный метод решения уравнения теплопроводности
Фурье при внешней и внутренней нелинейности, реализованный в программном комплексе ANSYS Mechanical.
Результаты и обсуждение. Результаты математического моделирования в программном комплексе FDS показывают, что температурное воздействие, оказываемое на конструкцию при «стандартном» температурном режиме и таких пожарных нагрузках, как кабели и провода, индустриальное масло, этиловый спирт, оказалось ниже, что указывает на недооценку теплового воздействия на конструкцию. Результаты моделирования прогрева конструкций продемон- стрировали, что время прогрева фермы покрытия до 400…700 °С для указанных пожарных нагрузок (кабели и про- вода, индустриальное масло, этиловый спирт) меньше времени, полученного в результате стандартных испытаний, что указывает на изначальное занижение фактической огнестойкости стальных конструкций покрытия при проектирова- нии складских зданий.
Заключение. Предположение о недооценке теплового воздействия при «стандартном» температурном режиме на стальные конструкции современных складских комплексов подтвердилось для 3 из 12 рассмотренных пожарных нагрузок, а именно: кабелей и проводов, индустриального масла, этилового спирта.
Ключевые слова: компьютерное моделирование; FDS; ANSYS; пожарная нагрузка; температурный режим пожара;
оценка предела огнестойкости; требуемый предел огнестойкости; эквивалентная продолжительность пожара
Для цитирования: Минайлов Д.А. Исследование огнестойкости стальных конструкций покрытия складского здания в условиях различного температурного воздействия // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2020.
Т. 29. № 3. С. 54–65. DOI: 10.22227/PVB.2020.29.03.54-65
Минайлов Денис Александрович, e-mail: minailov-denis@mail.ru
Investigation of fire resistance of steel structures covering a warehouse building under different temperature conditions
Forensic institutions Federal Fire Service “Fire testing laboratory” of Kaliningrad Region
(Russian Federation, 236010, Kaliningrad, Basseynaya St., 35 a)
ABSTRACT
Introduction. In the process of designing warehouse buildings, taking into account the adopted design decisions, it is re- quired to assess the compliance of the actual fire resistance limits of building structures with the required fire resistance
54 POZHAROVZRYVOBEZOPASNOST/FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2020 VOL. 29 NO. 3
БЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВ
limits. The fire resistance limits of the (actual) building structures are determined under the influence of a “standard” temperature regime, the use of which can lead to both laying an overestimated fire resistance margin in a project and underestimating the thermal effect in a “real” fire.
Aims and purposes. The purpose of the study is to assess the convergence of the “standard” temperature regime and possible “real” temperature regimes of fires in modern warehouse buildings, as well as the correspondence of actual fire resistance limits to the effects of “real” fires. To achieve this goal, the following tasks were solved: mathematical modeling of the development of a “real” fire by the field method in a warehouse building at different fire loads was carried out, as well as modeling of heating of the supporting structures of the coating according to the standard temperature regime and the
“real” temperature conditions of the fire obtained during the simulation; the required fire resistance limits of the bearing building structures of the coating are determined through the equivalent duration of the fire.
Methods. A storage building of a standard form with dimensions of 12Ч12Ч6.5 m was chosen as the object of the study.
The building has a 4Ч4 meter gate in the amount of 2 pieces and an entrance door of 1Ч2 meter size. Within the walls of the building are 32 windows measuring 0.7Ч1 meter. Coverage — an impassable flat roof over metal trusses. The parameters of the fire load during mathematical modeling were taken according to the reference data of Yu.A. Koshmarov 12 types of typi- cal fire load stored in warehouse buildings are considered. For mathematical modeling of “real” temperature fires, the “Fire
Dynamics Simulator” (FDS) software package was used, which implements a field (differential) mathematical model. For mathematical modeling of the heating process of steel building structures, the finite-difference method for solving the Fourier heat equation with external and internal nonlinearity was used, implemented in the ANSYS Mechanical software package.
Results and discussion. The results of modeling in the FDS software package show that the temperature impact on the structure according to the standard temperature regime for fire loads: cables+wires, industrial oil, ethyl alcohol was less, which indicates an underestimation of the thermal impact on the structure. The results of modeling the heating of structures showed that the heating time of the coating truss is up to 400–700 °C for fire loads: cables+wires, industrial oil, ethyl alcohol less than the time obtained from standard tests, which indicates an initial underestimation of the actual fire resistance of steel structures of the coating when designing warehouse buildings.
Conclusions. The assumption that the thermal impact of the standard temperature regime on the steel structures of mod- ern warehouse complexes was underestimated was confirmed for 3 of the 12 fire loads considered, namely: cables+wires, industrial oil, ethyl alcohol.
Keywords: computer simulation; FDS; ANSYS; fire load; fire temperature; fire resistance rating; required fire resistance;
equivalent fire duration
For citation: Minailov D.A. Investigation of fire resistance of steel structures covering a warehouse building under differ- ent temperature conditions. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety. 2020; 29(3):54-65. DOI: 10.22227/
PVB.2020.29.03.54-65
Denis Aleksandrovich Minailov, e-mail: minailov-denis@mail.ru
Введение ция наблюдается, в основном, в зданиях II–V сте- пеней огнестойкости, к конструкциям покрытия ко-
В последние десятилетия в России при строитель- торых согласно требованиям Федерального закона стве складских зданий стали активно применять
«Технический регламент о требованиях пожарной стальные конструкции [1], которые, обладая рядом безопасности» от 11 июля 2008 г. № 123-ФЗ либо преимуществ перед традиционными строительны- предъявляются требования по потере несущей спо- ми материалами, имеют один существенный не- собности в течение 15 мин, либо такие требования достаток — быстро теряют несущую способность отсутствуют. Именно в складских зданиях II–V при воздействии высоких температур, как правило, степеней огнестойкости происходит подавляющее выше 500 °С [2, 3].
количество пожаров, сопровождающихся гибелью
Статистические данные по пожарам [4]1 по- и травмированием людей, а также большим матери- казывают, что за последние 9 лет систематически альным ущербом (рис. 1)1, что указывает на низкий происходят пожары в складских зданиях. В период уровень противопожарной защиты таких зданий, с 2010 по 2019 гг. количество пожаров составило связанный, в том числе и с ошибками, допущенны-
14 464, количество погибших — 259 человек, ко- ми при проектировании.
личество травмированных — 450 человек, общий
В настоящее время соответствие конструк- ущерб — 28,9 млрд руб. Анализ произошедших ций требованиям Федерального закона № 123-ФЗ за этот период пожаров показывает, что низкий по огнестойкости подтверждается эксперименталь- предел огнестойкости несущих металлических но по ГОСТ 30247.1–94 «Конструкции строитель- конструкций покрытия приводит во многих случа- ные. Методы испытаний на огнестойкость. Несу- ях к его обрушению на значительной площади еще щие и ограждающие конструкции» или расчетными до приезда пожарных подразделений. Такая ситуа- методами [2, 3] в условиях воздействия «стандарт-
Федеральный банк данных «ПОЖАРЫ». URL: http://www.vnii- ного» температурного режима по ГОСТ 30247.0–94 po.ru/institut/informatsionnye-sistemy-reestry-bazy-i-banki-danny/ «Конструкции строительные. Методы испытаний federalnyy-bank-dannykh-pozhary/ (дата обращения: 24.04.2020). на огнестойкость. Общие требования».
ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ/FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2020 ТОМ 29 № 3
SAFETY OF BUILDINGS, STRUCTURES, OBJECTS
Количество пожаров
4000
Number of fires
2500
500 279
I II III IV V Не определена
Unspecified
Степень огнестойкости
Degree of fire resistance
2010–2019
Рис. 1. Количество пожаров в складских зданиях за период с 2010 по 2019 гг.
Fig. 1. Number of fires in warehouse buildings between 2010 and 2019
«Стандартный» температурный режим явля- ствия фактических пределов огнестойкости воздей- ется простым средством оценки огнестойкости ствию реальных пожаров.
строительных конструкций и не учитывает особен- Задачи исследования:
ностей распространения и развития пожара в склад- ●● провести математическое моделирование раз- ских зданиях. Нередко в процессе проектирования вития пожара в складском здании при различ- и строительства крупных логистических центров ных пожарных нагрузках с оценкой темпера-
(складов) с учетом технологических процессов, турного режима реального пожара;
проходящих в них, динамика развития пожара и, ●● выполнить математическое моделирование следовательно, «реальные» температурные режи- прогрева несущих конструкций покрытия при мы могут существенно отличаться от «стандартно- «стандартном» температурном режиме и при го» [4–11]. Поэтому для подобных зданий, ввиду полученных в процессе моделирования темпе- высокой стоимости и физической невозможности ратурных режимах;
проведения натурных огневых испытаний здания ●● определить эквивалентную продолжительность или сооружений в целом, может применяться метод пожара для несущих конструкций покрытия.
компьютерного моделирования развития пожара с помощью специализированных программных ком- Методы плексов [12–14]. В настоящее время широко исполь-
Оценка огнестойкости стальных конструкций зуются такие компьютерные программы, как Fire покрытия складских зданий производилась путем
Dynamics Simulator (FDS), PHOENICS, FLUENT, решения теплотехнической задачи прогрева в усло-
SOFIE и отечественные разработки профессора виях нестационарного теплового воздействия при
С.В. Пузача [15], позволяющие решать дифферен-
«стандартном» температурном режиме и в услови- циальные уравнения (полевой метод) с учетом мно- ях температурного режима реального пожара. Для жества факторов, влияющих на динамику опасных моделирования процесса прогрева стальных кон- факторов пожара (объемно-планировочные реше- струкций применялся конечно-разностный метод ния, вентиляция, автоматические установки пожа- решения уравнения теплопроводности Фурье при ротушения (АУПТ), противодымная вентиляция, внешней и внутренней нелинейности, реализован- ветер, применяемые пожарными подразделениями ный в программном комплексе ANSYS mechanical.
огнетушащие вещества и др.).
Моделирование температурных режимов реальных пожаров осуществлялось на программном комплек-
Цели и задачи исследования се Fire Dynamics Simulator (FDS), реализующем по-
Цель исследования — оценка сходимости левую математическую модель.
«стандартного» температурного режима и возмож- В качестве объекта исследования было вы- ных «реальных» температурных режимов пожаров брано складское здание типовой формы размера- в современных складских зданиях, а также соответ- ми 12Ч12Ч6,5 м (рис. 2), которые были приняты
56 POZHAROVZRYVOBEZOPASNOST/FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2020 VOL. 29 NO. 3
БЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВ
исходя из анализа [16] объемно-планировочных в рулонах; тара (древесина, картон, полистирол); решений 12 тыс. типовых зданий на стальном радиоматериалы, индустриальное масло, склад каркасе. Рассматриваемое складское здание вхо- хлопка в тюках. дит в группу зданий площадью до 1000 м2, кото- Объектом, моделирующим пожарную нагрузку рые составляют около 35 % от общего количе- в программном комплексе FDS, принималось вен- ства рассмотренных зданий. В качестве несущих тиляционное отверстие. Для оценки температуры элементов здания использовались стальные кон- на поверхности стальных конструкций верхнего струкции. Покрытие — беспрогонная плоская пояса ферм были расставлены датчики (термопары) кровля на металлических балках и фермах покры- с шагом 1 м (рис. 3), также измерялась среднеобъ- тия. В качестве несущих конструкций покрытия применены фермы из гнутосварных профилей емная температура на высоте 4,7…6,5 м. При прове- по ГОСТ 30245–2003 «Профили стальные гнутые дении расчетов ворота здания были открыты, окна замкнутые сварные квадратные и прямоугольные закрыты. для строительных конструкций. Технические ус- В качестве рассматриваемой конструкции по- ловия». В здании предусмотрены ворота разме- крытия была принята ферма (рис. 4). ром 4Ч4 м в количестве 2 шт. и входная дверь раз- мером 1Ч2 м. В стенах здания размещены 32 окна размерами 0,7Ч1 м.
Рис. 2. Общий вид расчетной модели в программном ком- плексе FDS
Рис. 3. Схема расстановки датчиков температуры (термопар)
Fig. 2. General view of the calculation model in the FDS software
Fig. 3. The arrangement of temperature sensors (thermocouples) package
В качестве пожарной нагрузки по справоч- Конструктивные элементы металлической фер- ным данным [17, 18] были приняты: промтовары мы приведены в табл. 1. (текстильные изделия); резинотехнические изде- Теплотехнический расчет производился со- лия (резина и изделия из нее); склад льноволокна; гласно [2, 19] при условии изменения температуры склад оргстекла; этиловый спирт; кабели и про- нагревающей среды во времени по кривой стан- вода (0,75 (АВВГ, АПВГ, ТПВ)+0,25 (КПРТ, ПР, дартного пожара по ГОСТ 30247.0–94. Уравнение ШРПС)); хлопок разрыхленный; склад бумаги кривой стандартного пожара имеет вид:
10740 2675 2675 2675 t20 1 t20 C245 А Б А C245 А –106 –366 –366 –106 А
54°
54°
53°
53°
53°
53°
54°
54°
3
12 31 31 24 12 7
–145 –140 –140 –145
158 9 t5 153 9 9 153 9 158
4 6 t5 6
C245
C245
53°
54°
53°
54°
53°
54°
54°
53°
Б Б
t8 193 366 2 193 t8 A = 118 кН C245 300 2674 2676 2674 300 C245 A = 118 кН
Рис. 4. Ферма покрытия
Fig. 4. Coating farm
ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ/FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2020 ТОМ 29 № 3
SAFETY OF BUILDINGS, STRUCTURES, OBJECTS
Таблица 1. Конструктивные элементы фермы
Table 1. Structural elements of the farm
Количество Площадь Периметр Приведенная Размеры сторон обогрева поперечного обогреваемой толщина № п/п Сечение конструкции, мм The number сечения, мм2 поверхности, мм металла, мм No. Section Construction of sides of the Cross-sectional Perimeter of the heated Reduced metal dimensions, mm heating area, mm2 surface, mm thickness, mm
1 □ 160Ч160Ч5 4 3100 640 4,84 2 □ 140Ч140Ч5 4 2700 560 4,82 3 □ 100Ч100Ч5 4 1900 400 4,75
□ 160Ч160Ч5, L = 11 240 мм □ 140Ч140Ч5, L = 8622 мм □ 100Ч100Ч5, L = 2086 мм □ 160Ч160Ч5, L = 11 240 mm □ 140Ч140Ч5, L = 8622 mm □ 100Ч100Ч5, L = 2086 mm
Рис. 5. Модели элементов фермы покрытия в программном комплексе ANSYS mechanical
Fig. 5. Models of coating farm elements in the “ANSYS mechanical” software package
(1) s0 — степень черноты обогреваемой поверхно- сти конструкции, для незащищенных стальных где tв,τ — температура нагревающей среды, К;
конструкций s0 = 0,74.
τ — время, с;
Для теплотехнического расчета в программном tн — начальная температура нагревающей среды, К.
комплексе ANSYS mechanical были построены мо-
Коэффициент теплопередачи α, Вт/(м2град), дели элементов фермы (рис. 5).
от нагревающей среды с температурой tв,τ поверхно- сти с температурой t0 вычисляется по формуле (2):
Результаты и обсуждение
Результаты численного моделирования темпе-
(2) ратурного режима пожара в помещении складского здания представлены на рис. 6.
где αк — конвективная составляющая; Полученные при моделировании температур- αл — лучистая составляющая; ные режимы таких пожарных нагрузок, как кабели sпр — приведенная степень черноты: «нагрева- и провода, индустриальное масло, этиловый спирт, ющая среда –– поверхность конструкции». были выше максимальных значений температур
В формуле (2) значение приведенной степени «стандартного» температурного режима. Однако черноты: значения максимальных температур, определен- ные по результатам численных экспериментов для
(3) остальных пожарных нагрузок, приведенных выше, оказались ниже, чем при «стандартном» темпера- турном режиме.
где s — степень черноты огневой камеры печи, Результаты теплотехнических расчетов приве- s = 0,85; дены в табл. 2 и на рис. 7.
58 POZHAROVZRYVOBEZOPASNOST/FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2020 VOL. 29 NO. 3
БЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВ
Температура, °С / Temperature, °С
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 Время, мин / Time, min Стандартный температурный режим Промтовары / Industrial consumer goods Standard thermal effect Склад льноволокна / Flax fiber Резинотехнические изделия Этиловый спирт / Ethyl alcohol Rubber products Хлопок разрыхленный / Loosened cotton Склад оргстекла / Acrylic glass Тара, древесина + картон + полистирол Кабели + провода / Cables + Wires Crating, timber + cardboard + polystyrene Склад бумаги в рулонах / Paper in rolls Индустриальное масло / Industrial oil Радиоматериалы / Electronic products Склад хлопка в тюках / Cotton bales
Рис. 6. Результаты численного моделирования «стандартного» температурного режима при среднеобъемной температуре на высоте 4,7…6,5 м
Fig. 6. Standard temperature regime and average volume temperature at an altitude of 4.7–6.5 m
Таблица 2. Результаты теплотехнического расчета
Table 2. The results of the heat engineering calculation
Размеры Время прогрева конструкции, мин
Температура конструкции Heating time of the structure, min прогрева, °С
Construction
Temperature, °C dimensions 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
□ 160Ч160Ч5 6,6 13,6 7,2 4,6 — 1,7 8,2 5,0 — 11,1 7,4 2,3 24,1 □ 140Ч140Ч5 400 6,6 13,6 7,2 4,6 — 1,7 8,2 5,0 — 11,1 7,4 2,3 24,1 □ 100Ч100Ч5 6,5 13,5 7,1 4,5 — 1,7 8,1 4,9 — 11,0 7,3 2,2 24,0 □ 160Ч160Ч5 7,4 14,3 7,7 5,2 — 1,9 8,6 5,6 — 11,7 8,1 2,6 25,8 □ 140Ч140Ч5 450 7,4 14,3 7,7 5,2 — 1,9 8,6 5,6 — 11,7 8,1 2,6 25,8 □ 100Ч100Ч5 7,4 14,3 7,7 5,2 — 1,9 8,6 5,5 — 11,7 8,0 2,5 25,7 □ 160Ч160Ч5 8,4 15,0 8,2 6,0 — 2,2 9,0 6,2 — 12,4 8,9 2,9 27,9 □ 140Ч140Ч5 500 8,4 15,0 8,2 6,0 — 2,1 9,0 6,2 — 12,4 8,9 2,9 27,8 □ 100Ч100Ч5 8,3 15,0 8,2 6,0 — 2,1 9,0 6,2 — 12,4 8,8 2,9 27,7 □ 160Ч160Ч5 9,5 15,8 8,9 7,0 — 2,4 9,5 7,1 — 13,2 9,8 3,3 30,3 □ 140Ч140Ч5 550 9,5 15,8 8,9 7,0 — 2,4 9,5 7,1 — 13,2 9,8 3,2 30,3 □ 100Ч100Ч5 9,5 15,7 8,9 6,9 — 2,4 9,4 7,0 — 13,1 9,7 3,2 30,2 □ 160Ч160Ч5 10,9 16,7 9,7 8,4 — 2,7 9,9 8,1 — 14,1 10,8 3,7 34,0 □ 140Ч140Ч5 600 10,9 16,7 9,7 8,3 — 2,7 9,9 8,1 — 14,1 10,8 3,6 34,0 □ 100Ч100Ч5 10,8 16,7 9,7 8,2 — 2,6 9,9 8,1 — 14,0 10,7 3,6 33,9
ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ/FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2020 ТОМ 29 № 3 59
SAFETY OF BUILDINGS, STRUCTURES, OBJECTS
Окончание табл. 2 / End of Table 2
Размеры Время прогрева конструкции, мин
Температура конструкции Heating time of the structure, min прогрева, °С
Construction
Temperature, °C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 dimensions
□ 160Ч160Ч5 12,7 17,7 10,7 10,7 — 3,0 10,3 9,7 — 15,2 12,2 4,1 52,0
□ 140Ч140Ч5 650 12,7 17,7 10,7 10,6 — 3,0 10,3 9,7 — 15,2 12,2 4,1 52,0
□ 100Ч100Ч5 12,6 17,7 10,7 10,5 — 2,9 10,3 9,6 — 15,1 12,1 4,0 52,0
□ 160Ч160Ч5 15,2 19,0 12,3 16,7 — 3,3 10,8 12,6 — 17,0 14,4 4,6 —
□ 140Ч140Ч5 700 15,2 19,0 12,2 16,7 — 3,3 10,8 12,6 — 17,0 14,3 4,6 —
□ 100Ч100Ч5 15,1 19,0 12,2 16,7 — 3,2 10,8 12,5 — 16,9 14,3 4,5 —
Примечания. * Позиции режимов и пожарных нагрузок: 1 — «стандартный» температурный режим; 2 — промтовары;
3 — резинотехнические изделия; 4 — склад льноволокна; 5 — склад оргстекла; 6 — этиловый спирт; 7 — кабели и про- вода; 8 — хлопок разрыхленный; 9 — склад бумаги в рулонах; 10 — тара (древесина и картон); 11 — радиоматериалы;
12 — индустриальное масло; 13 — склад хлопка в тюках.
**
Знак «—» в таблице означает, что указанная в таблице температура за время расчета не достигнута.
Note. * Items in the table: 1 –– Standard temperature conditions; 2 –– industrial Goods; 3 –– Rubber products; 4 –– flax fiber
Warehouse; 5 –– plexiglass Warehouse; 6 –– Ethyl alcohol; 7 –– Cables+wires; 8 –– loosened Cotton; 9 –– paper Warehouse in rolls; 10 –– packaging (wood+cardboard); 11 –– radio materials; 12 –– Industrial oil; 13 –– cotton Warehouse in bales.
**
The “ –– ” sign in the table means that the specified temperature in the table does not occur during the calculation.
Температура, °С / Temperature, °С
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 Время, мин / Time, min Стандартный температурный режим Промтовары / Industrial consumer goods Standard thermal effect Склад льноволокна / Flax fiber Резинотехнические изделия Этиловый спирт / Ethyl alcohol Rubber products Хлопок разрыхленный / Loosened cotton Склад оргстекла / Acrylic glass Тара, древесина + картон + полистирол Кабели + провода / Cables + Wires Crating, timber + cardboard + polystyrene Склад бумаги в рулонах / Paper in rolls Индустриальное масло / Industrial oil Радиоматериалы / Electronic products Склад хлопка в тюках / Cotton bales
а
Рис. 7. Кривые прогрева прямоугольных труб размером 160Ч160Ч5 мм (а) в условиях различного теплового воздействия
Fig. 7. Heating curves of a rectangular pipes with a size of 160Ч160Ч5 mm (а) under different temperature conditions
60 POZHAROVZRYVOBEZOPASNOST/FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2020 VOL. 29 NO. 3
БЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВ
Температура, °С / Temperature, °С
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 Время, мин / Time, min Стандартный температурный режим Промтовары / Industrial consumer goods Standard thermal effect Склад льноволокна / Flax fiber Резинотехнические изделия Этиловый спирт / Ethyl alcohol Rubber products Хлопок разрыхленный / Loosened cotton Склад оргстекла / Acrylic glass Тара, древесина + картон + полистирол Кабели + провода / Cables + Wires Crating, timber + cardboard + polystyrene Склад бумаги в рулонах / Paper in rolls Индустриальное масло / Industrial oil Радиоматериалы / Electronic products Склад хлопка в тюках / Cotton bales б Температура, °С / Temperature, °С
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 Время, мин / Time, min Стандартный температурный режим Промтовары / Industrial consumer goods Standard thermal effect Склад льноволокна / Flax fiber Резинотехнические изделия Этиловый спирт / Ethyl alcohol Rubber products Хлопок разрыхленный / Loosened cotton Склад оргстекла / Acrylic glass Тара, древесина + картон + полистирол Кабели + провода / Cables + Wires Crating, timber + cardboard + polystyrene Склад бумаги в рулонах / Paper in rolls Индустриальное масло / Industrial oil Радиоматериалы / Electronic products Склад хлопка в тюках / Cotton bales
в
Рис. 7. Кривые прогрева прямоугольных труб размером 140Ч140Ч5 мм (б) и 100Ч100Ч5 мм (в) в условиях различного тепло- вого воздействия
Fig. 7. Heating curves of a rectangular pipes with a size of 140Ч140Ч5 mm (b) и 100Ч100Ч5 mm (c) under different temperature conditions
ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ/FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2020 ТОМ 29 № 3 61
SAFETY OF BUILDINGS, STRUCTURES, OBJECTS
Эквивалентная продолжительность пожара, мин
Equivalent duration of fire, min
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Время, мин / Time, min Промтовары / Industrial consumer goods Резинотехнические изделия Склад льноволокна / Flax fiber Rubber products Кабели + провода / Cables + Wires Этиловый спирт / Ethyl alcohol Тара, древесина + картон + полистирол Хлопок разрыхленный / Loosened cotton Crating, timber + cardboard + polystyrene Радиоматериалы / Electronic products Индустриальное масло / Industrial oil Склад хлопка в тюках / Cotton bales
Рис. 8. Зависимость эквивалентной продолжительности пожара от вида пожарной нагрузки
Fig. 8. Dependence of the equivalent duration of the fire on the type of fire load
Результаты численных экспериментов пока- Полученные выше результаты оценки эквива- зывают, что время прогрева конструкций фермы лентной продолжительности пожара могут быть до 400…700 °С для рассматриваемых пожарных применены при определении требуемых пределов нагрузок существенно различается и в некоторых огнестойкости стальных конструкций покрытия случаях ниже, чем при «стандартном» температур- складских зданий, которые могут быть рассчитаны ном режиме. На рис. 8 показаны зависимости экви- по формуле (4) [20, 21]: валентной продолжительности пожара от пожарной нагрузки. Птр = К0tэкв, (4) Из рис. 8 видно, что эквивалентная продолжи- где Птр — требуемый предел огнестойкости; тельность пожара для таких нагрузок, как склад К0 — коэффициент огнестойкости; льноволокна, этиловый спирт, хлопок разрыхлен- tэкв — эквивалентная продолжительность по- ный, индустриальное масло, резинотехнические из- делия, выше продолжительности реального пожара, жара. что указывает на недооценку теплового воздей- Согласно требованиям п. 5.4.3 СП 2.13130.2012, ствия реальных пожаров на стальные конструкции допускается применять незащищенные стальные покрытия складских зданий в расчетах для «стан- конструкции покрытия независимо от их факти- дартного» температурного режима. Потеря несу- ческого предела огнестойкости, за исключением щей способности фермы покрытия при наиболее случаев, когда предел огнестойкости хотя бы од- критичном «реальном» температурном режиме по- ного из элементов несущих конструкций покрытия жара, полученном по результатам моделирования, по результатам испытаний составляет менее R8. наступает на 2-й и 4-й минутах, для «стандартного» Из приведенных выше расчетов следует, что в слу- температурного режима — на 6-й и 15-й минутах чае применения «стандартного» температурного для критических температур 400 и 700 °С соответ- режима для рассматриваемой фермы покрытия при ственно. Приведенные результаты численных экс- критической температуре 500 °С и выше требова- периментов показали, что применение показателей ния п. 5.4.3 СП 2.13130.2012 соблюдаются, и ог- одного «стандартного» температурного режима при незащитная обработка конструкции не требуется. проектировании складских зданий приводит к изна- В случае же оценки огнестойкости по полученному чальному занижению фактических пределов огне- в результате моделирования наиболее критичному стойкости несущих конструкций покрытия. «реальному» температурному режиму пожара дан-
62 POZHAROVZRYVOBEZOPASNOST/FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2020 VOL. 29 NO. 3
БЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВ
ное требование не соблюдается, и требуется огнеза- тепловое воздействие, оказываемое на несущие щитная обработка. При этом следует отметить, что конструкции покрытия при «стандартном» темпе- разработка мероприятий по огнезащите стальных ратурном режиме, для трех (кабели и провода, ин- конструкций с применением вспучивающихся по- дустриальное масло, этиловый спирт) из 12 рассмо- крытий в условиях воздействия реальных пожаров тренных пожарных нагрузок оказалось ниже, что связана с определенными трудностями, так как их указывает на недооценку теплового воздействия. огнезащитная эффективность зависит от темпера- Результаты моделирования прогрева конструк- турного режима [21, 22]. ций в программном комплексе ANSYS mechanical показали, что время прогрева фермы покрытия Заключение до 400…700 °С для указанных пожарных нагрузок Анализ пожаров, произошедших в складских оказалось меньше времени, полученного по резуль- зданиях с 2010 по 2019 гг., показал, что во многих татам прогрева при «стандартном» температурном зданиях II–V степеней огнестойкости еще до приез- режиме, что указывает на изначальное занижение да пожарных подразделений происходит обрушение фактической огнестойкости стальных конструкций покрытия на значительной площади, а сами пожары покрытия при проектировании складских зданий. сопровождаются гибелью и травмированием людей, Из полученных результатов исследования значительным материальным ущербом. Такая ситуа- можно сделать вывод о том, что проводимая при ция сложилась из-за низкой огнестойкости несущих проектировании оценка соответствия пределов стальных конструкций покрытия, которые, согласно огнестойкости конструкций покрытия значениям, нормативным требованиям, допускается применять требуемым Федеральным законом № 123-ФЗ, при без огнезащиты в случае, если к ним применяют- «стандартном» температурном режиме без уче- ся требования по огнестойкости в течение 15 мин та особенности пожарной нагрузки в ряде случа- и собственный предел огнестойкости конструкции ев приводит к недооценке теплового воздействия составляет не менее 8 мин. и занижению фактической огнестойкости, что от- В ходе проведения численных экспериментов рицательно сказывается на пожарной безопасно- в программном комплексе FDS установлено, что сти складских зданий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Якубсон В.М. Перспективы металла как строительного материала // Инженерно-строительный журнал.
2015. № 2 (54). С. 4–5. DOI: 10.5862/MCE.54.1
2. Яковлев А.И. Расчет огнестойкости строительных конструкций. М. : Стройиздат, 1988. 143 с.
3. Ройтман В.М. Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируемых зданий.
М. : Пожнаука, 2001. 382 с.
4. Еремина Т.Ю., Минайлов Д.А. Гармонизация российских и международных нормативных документов по оценке огнестойкости строительных конструкций (основные подходы к проведению огневых испыта- ний) // Пожарная безопасность. 2014. № 2. С. 151–155.
5. 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. Vol. 16. Pp. 433–442.
6. Phan L.T., McAllister T.P., Gross J.L., Hurley M.J. Best practice guidelines for structural fire resistance design of concrete and steel buildings. NIST Technical Note 1681. Gaithersburg, Maryland : NIST, 2010. 200 p. DOI: 10.6028/ nist.tn.1681
7. Garlock M., Kruppa J., Li G.-Q., Zhao B. White paper on fire behavior of steel structures. NIST GCR 15-984.
Gaithersburg, Maryland : NIST, 2014. 20 p. DOI: 10.6028/nist.gcr.15-984
8. Kotsovinos P. Analysis of the structural response of tall buildings under multifloor and travelling fires. Edinburgh :
The University of Edinburgh, 2013. 240 p.
9. Kowalski R. The use of Eurocode model of reinforcing steel behavior at high temperature for calculation of bars elongation in RC elements subjected to fire // Procedia Engineering. 2017. Vol. 193. Pp. 27–34. DOI: 10.1016/j.
proeng.2017.06.182
10. Razdolsky L. Structural fire loads: theory and principles. New York : McGraw-Hill Education, 2012. 448 p.
11. Du Y. A new temperature-time curve for fire-resistance analysis of structures // Fire Safety Journal. 2012. Vol. 54.
Pp. 113–120. DOI: 10.1016/j.firesaf.2012.07.004
12. Mouritz A.P., Feih S., Kandare E., Gibson A.G. Thermal–mechanical modelling of laminates with fire protection coating // Composites Part B: Engineering. 2013. Vol. 48. Pp. 68–78. DOI: 10.1016/j.compositesb.2012.12.001
13. Outinen J., Samec J., Sokol Z. Research on fire protection methods and a case study «Futurum» // Procedia
Engineering. 2012. Vol. 40. Pp. 339–344. DOI: 10.1016/j.proeng.2012.07.105
ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ/FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2020 ТОМ 29 № 3
SAFETY OF BUILDINGS, STRUCTURES, OBJECTS
14. Гогоберидзе Н.В., Благородова Н.В. К вопросу автоматизации системы определения предела огнестойкости строительных конструкций // Инженерный вестник Дона. 2012. № 4–1 (22). С. 110.
15. Пузач С.В. Математическое моделирование газодинамики и тепломассообмена при решении задач пожа- ровзрывобезопасности. М. : Академия ГПС МЧС России, 2002. 149 с.
16. Фисун В.А. Номенклатура базовых зданий комплектной поставки из легких металлических конструкций :
монография. М. : МИИТ, 2009. 143 с.
17. Кошмаров Ю.А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: учеб. пособие. М. : Академия
ГПС МВД России, 2000. 118 с.
18. Абашкин А.А., Карпов А.В., Ушаков Д.В., Фомин М.В., Гилетич А.Н., Комков П.М., Самошин Д.А. Посо- бие по применению «Методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности». М. : ВНИИПО, 2014. 226 с.
19. Голованов В.И., Павлов В.В., Пехотиков А.В. Инженерный метод расчета огнестойкости стальных конструк- ций с огнезащитой из минераловатных плит «ROCKWOOL CONLIT» // Пожарная безопасность. 2006. № 4.
С. 78–85.
20. Иванов В.Н. Комплексный подход к определению требуемых пределов огнестойкости высотных жилых зда- ний // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2018. № 1. С. 28–38. DOI: 10.25257/
FE.2018.1.28-38.
21. Korolchenko D., Eremina T., Minailov D. New method for quality control of fire protective coatings // IOP Conference
Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 471. Issue 11. DOI: 10.1088/1757-899X/471/11/112016
22. Lucherini A., Giuliani L., Jomaas G. Experimental study of the performance of intumescent coatings exposed to standard and non-standard fire conditions // Fire Safety Journal. 2018. Vol. 95. Pp. 42–50. DOI: 10.1016/j.
firesaf.2017.10.004
REFERENCES
1. Yakubson V.M. Prospects of metal as a construction material. Magazine of Civil Engineering. 2015; 2(54):4-5.
DOI: 10.5862/MCE.54.1 (rus.).
2. Yakovlev A.I. Calculation of fire resistance of building structures. Moscow, Stroyizdat, 1988; 143. (rus.).
3. Roitman V.M. Engineering decision of fire resistance projected and reconstructed buildings. Moscow, Pozhnauka,
2001; 382. (rus.).
4. Eremina T.Y., Minaylov D.A. Harmonization of the Russian and international normative documents on assessment of fire resistance of structures (key approaches to carrying out fire tests). Fire Safety. 2014; 2:151-155. (rus.).
5. 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; 16:433-442.
6. Phan L.T., McAllister T.P., Gross J.L., Hurley M.J. Best Practice Guidelines for Structural Fire Resistance De- sign of Concrete and Steel Buildings. NIST Technical Note 1681. Gaithersburg, Maryland, NIST, 2010; 200. DOI:
10.6028/nist.tn.1681
7. Garlock M., Kruppa J., Li G.-Q., Zhao B. White Paper on Fire Behavior of Steel Structures. NIST GCR 15-984.
Gaithersburg, Maryland, NIST, 2014; 20. DOI: 10.6028/nist.gcr.15-984
8. Kotsovinos P. Analysis of the structural response of tall buildings under multifloor and travelling fires. Edinburgh,
The University of Edinburgh, 2013; 240.
9. Kowalski R. The use of Eurocode model of reinforcing steel behavior at high temperature for calculation of bars elongation in RC elements subjected to fire. Procedia Engineering. 2017; 193:27-34. DOI: 10.1016/j.pro- eng.2017.06.182
10. Razdolsky L. Structural Fire Loads: Theory and Principles. New York, McGraw-Hill Education, 2012; 448.
11. Du Y. A new temperature-time curve for fire-resistance analysis of structures. Fire Safety Journal. 2012; 54:113-
120. DOI: 10.1016/j.firesaf.2012.07.004
12. Mouritz A.P., Feih S., Kandare E., Gibson A.G. Thermal–mechanical modelling of laminates with fire protection coating. Composites Part B: Engineering. 2013; 48:68-78. DOI: 10.1016/j.compositesb.2012.12.001
13. Outinen J., Samec J., Sokol Z. Research on fire protection methods and a case study “Futurum”. Procedia Engi- neering. 2012; 40:339-344. DOI: 10.1016/j.proeng.2012.07.105
14. Gogoberidze N.V., Blagorodova N.V. On the automation system for determining the fire resistance of building structures. Engineering Journal of Don. 2012; 4-1(22):110. (rus.).
15. Puzach S.V. Mathematical modeling of gas dynamics and heat and mass transfer in solving fire and explosion safe- ty problems. Moscow, Academy of State Fire Service of EMERCOM of Russia, 2002; 149. (rus.).
16. Fisun V.A. Nomenclature of base buildings of complete delivery of light metal structures : monograph. Moscow,
MIIT, 2009; 143. (rus.).
64 POZHAROVZRYVOBEZOPASNOST/FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2020 VOL. 29 NO. 3
БЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВ
17. Koshmarov Y.A. Predicting indoor fire hazards: a training manual. Moscow, Academy of State Fire Service of
EMERCOM of Russia, 2000; 118. (rus.).
18. Abashkin A.A., Karpov A.V., Ushakov D.V., Fomin M.V., Giletich A.N., Komkov P.M., Samoshin D.A. Manual on the application of “Methods for determining the calculated values of fire risk in buildings, structures and structures of various classes of functional fire hazard”. Moscow, VNIIPO, 2014; 226. (rus.).
19. Golovanov V.I., Pavlov V.V., Pekhotikov A.V. Engineering method of design of fire resistance of steel constructions protected by “ROCKWOOL CONLIT” mineral wool boards. Fire Safety. 2006; 4:78-85. (rus.).
20. Ivanov V.N. Complex approach to determinig required fire-resistance of high-rise residential buildings. Fire and emergencies: prevention, elimination. 2018; 1:28-38. DOI: 10.25257/FE.2018.1.28-38 (rus.).
21. Korolchenko D., Eremina T., Minailov D. New method for quality control of fire protective coatings. IOP Confer- ence Series: Materials Science and Engineering. 2019; 471(11). DOI: 10.1088/1757-899X/471/11/112016
22. Lucherini A., Giuliani L., Jomaas G. Experimental study of the performance of intumescent coatings exposed to stan- dard and non-standard fire conditions. Fire Safety Journal. 2018; 95:42-50. DOI: 10.1016/j.firesaf.2017.10.004
Поступила 10.03.2020, после доработки 27.04.2020;
принята к публикации 07.05.2020
Received March 10, 2020; Received in revised form April 27, 2020;
Accepted May 7, 2020
Информация об авторе Information about the author Минайлов Денис Александрович, заместитель началь- Denis A. Minailov, Deputy Chief, Forensic Institutions Fe- ника, Судебно-экспертное учреждение Федеральной проти- deral Fire Service “Fire testing laboratory” of Kaliningrad re- вопожарной службы «Испытательная пожарная лаборатория» gion, Kaliningrad, Russian Federation; ORCID: 0000-0001- по Калининградской области, г. Калининград, Российская 9811-3908; ResearcherID: AAI-2064-2020; Scopus Author ID: Федерация; ORCID: 0000-0001-9811-3908; ResearcherID: AAI- 57207307581; e-mail: minailov-denis@mail.ru 2064-2020; Scopus Author ID: 57207307581; e-mail: minailov- denis@mail.ru
ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ/FIRE AND EXPLOSION SAFETY 2020 ТОМ 29 № 3
Ключевые слова
Похожие публикации
Доклад · 2009Нормирование огнестойкости конструкций как метод снижения пожарного риска
Доклад · 2009Расчётные методики при оценке огнестойкости конструкций: прогрев бетона, арматуры и металлоконструкций
Доклад · 2009Холщевников В. В., Самошин Д. А. Эвакуация и поведение людей при пожарах. Глава 3. Моделирование и расчёт движения людских потоков
Книга (глава) · 2009Фэнюнь Чен, Чао Хань. Исследование противопожарных характеристик портового резервуара для хранения сырой нефти на основе Pyrosim
Научная публикацияТР-5043. Огнестойкость остеклённых фасадов: обзор зарубежных источников
Обзор (СИТИС) · 2009