ОГНЕСТОЙКОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОЛОНН С КОНСТРУКТИВНОЙ ОГНЕЗАЩИТОЙ

БЕЗОПАСНОСТЬ ОБЪЕКТОВ

SAFETY OF FACILITIES

НАУЧНАЯ СТАТЬЯ / ORIGINAL ARTICLE

УДК 614.841.332:691.328.1

DOI 10.25257/FE.2022.2.67-81

©

И. И. ПОЛЕВОДА1, С. М. ЖАМОЙДИК 1, Д. С. НЕХАНЬ1

Университет гражданской защиты Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь,

Минск, Республика Беларусь

Огнестойкость железобетонных колонн
с конструктивной огнезащитой
АННОТАЦИЯ
Тема. Одним из существенных требований, предъ-                                ванных кольцевого сечения и виброуплотненных сплошного
являемых к зданиям и сооружениям, является обеспечение                                сечения железобетонных колонн, защищённых конструктив-
пожарной безопасности, которое включает в себя нормирова-                             ной огнезащитой. Для указанных конструкций проведен рас-
ние огнестойкости строительных конструкций. Опыт приме-                               чёт пределов огнестойкости при коэффициенте использования
нения тонкостенных элементов показал высокую эффектив-                                несущей способности 0,7. На основании определенного масси-
ность, технологические и эксплуатационные преимущества.                               ва значений пределов огнестойкости железобетонных колонн
Воспринимая значительные силовые нагрузки, железобетон-                               получены табличные данные для оценки огнестойкости указан-
ные колонны зачастую обладают низкой огнестойкостью (R30…                             ных конструкций с конструктивной огнезащитой.
R60), что несёт определённые риски при пожаре и ограничи-                                     Область применения результатов. Полученные результаты
вает область использования их в строительстве. Для повыше-                            могут быть использованы проектно-конструкторскими органи-
ния огнестойкости конструкций применяют конструктивную                                зациями, органами государственного пожарного надзора и го-
огнезащиту. Целью настоящей работы является установление                              сударственной строительной экспертизы при оценке пределов
пределов огнестойкости железобетонных колонн, защищённых                              огнестойкости железобетонных центрифугированных колонн
негорючими гипсовыми плитами Knauf Fireboard различной                                кольцевого сечения и виброуплотнённых сплошного сечения,
толщины на стальном каркасе, и получение на основании этого                           защищённых конструктивной огнезащитой, а также при под-
обобщённых табличных данных.                                                          боре параметров указанных конструкций, обеспечивающих
Методы. Проведены модельные огневые испытания                                 заданный предел огнестойкости, без проведения серии трудо-
центрифугированных железобетонных колонн с конструктив-                               ёмких расчётов.
ной огнезащитой, а также моделирование прогрева серии полых                                   Выводы. Огневые испытания в сочетании с моделирова-
и сплошного сечения железобетонных колонн с конструктивной                            нием в системе конечно-элементного анализа ANSYS позволя-
огнезащитой в системе конечно-элементного анализа ANSYS.                              ют провести множество расчётов и получить табличные данные
Результаты. Получены экспериментальные данные                                 по оценке огнестойкости железобетонных колонн с конструк-
по прогреву центрифугированных железобетонных колонн                                  тивной огнезащитой, что значительно снижает трудозатраты
кольцевого сечения внешним диаметром 560 мм с толщи-                                  при проектировании строительных конструкций.
ной стенки 55 мм и толщиной защитного слоя бетона 20 мм
для продольной арматуры (диаметром 12 мм), защищённых
негорючими гипсовыми плитами Knauf Fireboard толщиной                                         Ключевые слова: огневые испытания, центрифугиро-
12,5 мм, 20 мм и 40 мм на стальном каркасе, и незащищён-                              ванные железобетонные колонны, конструктивная огнезащи-
ных (без приложения силовой нагрузки). В системе конечно-                             та, огнестойкость, теплообмен, система конечно-элементного
элементного анализа ANSYS разработаны расчётные модели                                анализа ANSYS, негорючие гипсовые плиты Knauf Fireboard,
и проведено моделирование прогрева серии центрифугиро-                                стандартное огневое воздействие

University of Civil Protection of the Ministry for Emergency Situations of the Republic of Belarus,

Minsk, Republic of Belarus

Fire resistance of reinforced concrete columns
with structural fire retardance
ABSTRACT
Purpose. One of the significant requirements for buildings                   and limits their application in construction industry. To increase
and constructions is providing fire safety, which includes                            structures fire resistance, structural fire retardance is applied.
standardization of building structures fire resistance. The experience                The purpose of this work is to set the fire resistance limits
in applying thin-walled elements has shown high efficiency,                           of reinforced concrete columns protected by non-combustible
technological and operational advantages. Bearing significant                         Knauf Fireboard gypsum slabs of various thicknesses on a steel
power loads, reinforced concrete columns often have low fire                          frame and obtain the generalized tabular data based on this
resistance (R30... R60), which poses certain risks in case of fire                    research.

ПОЖАРЫ И ЧРЕЗВЫЧАЙНЫЕ СИТУАЦИИ: ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ, ЛИКВИДАЦИЯ. 2022. № 2

FIRE AND EMERGENCIES: PREVENTION, ELIMINATION. 2022. No. 2

Methods. Model fire tests of spun reinforced concrete         tabular data have been obtained to assess the fire resistance
columns with structural fire retardance have been carried out,         of these structures with structural fire retardance.
as well as simulation of heating a series of hollow and solid                    Research application field. The obtained results can be
section reinforced concrete columns with structural fire retardance    applied by design bureaus, state fire supervision authorities and
in ANSYS finite element analysis system.                               state construction expertise in assessing fire resistance ratings
Findings. Experimental data have been obtained on             of reinforced concrete spun columns of annular section and
heating spun reinforced concrete columns of an annular section         vibration-compacted solid section protected by structural fire
with an external diameter of 560 mm with a wall thickness              retardance as well as in selecting parameters for these structures
of 55 mm and a protective concrete layer thickness of 20 mm            that provide specified fire resistance rating without carrying out
for longitudinal reinforcement (12 mm diameter) protected by           a series of time-consuming calculations.
non-combustible Knauf Fireboard gypsum slabs with 12.5 mm,                       Conclusions. Fire tests combined with simulation in ANSYS
20 mm and 40 mm thickness on a steel frame, and unprotected ones       finite element analysis system make it possible to carry out a lot
(without applying a power load). ANSYS finite element analysis         of calculations and obtain tabular data on assessing fire resistance
system design models have been developed and the heating               of reinforced concrete columns with structural fire retardance
of a series of spun annular sections and vibration-compacted           which significantly reduces labor costs at designing building structures.
solid sections of reinforced concrete columns protected by
structural fire retardance have been simulated. For these                        Key words: fire tests, spun reinforced concrete columns,
structures, fire resistance ratings have been calculated at a load-    structural fire retardance, fire resistance, heat exchange, ANSYS
bearing capacity utilization factor of 0.7. Based on a certain array   finite element analysis system, non-combustible Knauf Fireboard
of values of fire resistance limits of reinforced concrete columns,    gypsum slabs, standard fire exposure

ВВЕДЕНИЕ Огнестойкость (предел огнестойкости) сог-

Ж   елезобетон – комплексный строитель-
ный материал, представляющий собой
рационально объединённые и совместно работаю-
ласно СН 2.01.03-2019 «Воздействия на конструк-
ции. Общие воздействия. Воздействия для оп-
ределения огнестойкости» – способность кон-
щие бетон и стальные стержни. Благодаря своим                          структивной системы, её части или отдельной
качествам он массово применяется в строитель-                          конструкции выполнять требуемые функции (не-
стве, постепенно вытесняя другие строительные                          сущая и (или) ограждающая) в течение установ-
материалы [1]. Применение новых и эффектив-                            ленной продолжительности регламентируемого
ных конструкций – одна из констант социально-                          пожара при заданном уровне нагрузки. С учётом
экономического развития любого государства.                            специфики работы колонн для них характерно
Постоянное стремление повысить технико-                                предельное состояние R, заключающееся в потере
экономические показатели строительных конст-                           несущей функции при пожаре.
рукций натолкнуло учёных и инженеров на поиск                                К настоящему времени проведено значи-
оптимальных решений по сокращению исходных                             тельное количество научных исследований, посвя-
материалов при изготовлении железобетонных                             щенных вопросам огнестойкости железобетонных
конструкций с обеспечением эксплуатационных                            конструкций [9–24], разработаны технические нор-
требований. Снижение массы конструкций осу-                            мативные правовые акты по проектированию же-
ществляется путём использования прогрессивных                          лезобетонных конструкций и правилам определе-
технологий изготовления. Именно так в строитель-                       ния их огнестойкости, такие как СП 5.03.01-2020
стве появляется технология центрифугирования                           «Бетонные и железобетонные конструкции»,
железобетонных изделий [2–6]. Опыт применения                          СП 63.13330.2018 «Бетонные и железобетонные
тонкостенных элементов показал высокую эффек-                          конструкции. Основные положения», ТКП EN 1992-
тивность, технологические и эксплуатационные                           1-1-2009 «Еврокод 2. Проектирование железобе-
преимущества [5–9].                                                    тонных конструкций. Часть 1-1. Общие правила
Известно, что здания и сооружения должны                         и правила для зданий», ТКП EN 1992-1-2-2009
быть запроектированы таким образом и построе-                          «Еврокод 2. Проектирование железобетонных кон-
ны из таких строительных материалов и конструк-                        струкций. Часть 1-2. Общие правила определения
ций, чтобы в течение расчётного периода обеспе-                        огнестойкости», ТКП 45-2.02-110-2008 «Строи-
чивалось соблюдение существенных требований,                           тельные конструкции. Порядок расчёта пределов
одним из которых является сохранение конструк-                         огнестойкости», СП 468.1325800.2019 «Бетонные
циями зданий (сооружений) своих функций в те-                          и железобетонные конструкции. Правила обеспе-
чение регламентируемого периода времени, не-                           чения огнестойкости и огнесохранности».
обходимого для обеспечения безопасности людей,                               Центрифугированные железобетонные колон-
защиты имущества или ликвидации горения. Это                           ны воспринимают с назначенным уровнем безо-
требование достигается путём нормирования огне-                        пасности силовые нагрузки в нормальных условиях
стойкости конструкций.                                                 эксплуатации, обладают высокой долговечностью,

БЕЗОПАСНОСТЬ ОБЪЕКТОВ

SAFETY OF FACILITIES

живучестью и морозостойкостью. Вместе с тем          получить табличные данные, учитывающие их
их предел огнестойкости, являющийся одним            работу под силовой и температурной нагрузкой
из элементов пассивной противопожарной защи-         (статическую и теплотехническую задачи огне-
ты, оказывается в большинстве случаев невысоким.     стойкости).
Результаты работы [9] показали, что предел огне-           Для этого решён ряд задач:
стойкости указанных конструкций в ряде случаев             1) разработана методика и проведены мо-
не превышает R60. При коэффициенте использо-         дельные огневые (при стандартном температурном
вания несущей способности 0,3…0,5 он, как пра-       режиме) испытания центрифугированных железо-
вило, составляет от R45 до R60, а при более вы-      бетонных колонн без применения и с применением
соком уровне нагрузок и вовсе может составлять       конструктивной огнезащиты (в виде огнестойких
R30 [19]. Это не позволяет их применять в качестве   гипсовых плит) различной толщины;
колонн зданий выше II и IV степеней огнестойко-            2) построены расчётные модели нагре-
сти соответственно в Республике Беларусь сог-        ва испытанных конструкций в системе конечно-
ласно СН 2.02.05-2020 «Пожарная безопасность         элементного анализа ANSYS, заданы начальные
зданий и сооружений», а в Российской Феде-           и граничные условия теплообмена, а также про-
рации – выше III и IV степеней огнестойкости         ведено моделирование прогрева указанных кон-
соответственно согласно Федеральному закону          струкций (для уточнения теплофизических харак-
от 22.07.2008 № 123-ФЗ «Технический регламент        теристик материалов);
о требованиях пожарной безопасности».                      3) разработаны в системе конечно-элемент-
Для повышения предела огнестойкости           ного анализа ANSYS расчётные модели нагрева
строительных конструкций, как правило, применя-      железобетонных колонн (сплошных и пустотелых)
ют огнезащиту. При этом более надёжным спосо-        с конструктивной огнезащитой, заданы началь-
бом обеспечения пределов огнестойкости строи-        ные и граничные условия теплообмена, проведено
тельных конструкций (до R180 и выше) считается       моделирование их прогрева (теплотехнический
конструктивная огнезащита [25–27]. В настоящей       расчёт);
работе будет рассмотрена конструктивная огне-              4) проведён статический (прочностной)
защита вертикальных стержневых конструкций,          расчёт железобетонных колонн с учётом получен-
состоящая из негорючих гипсовых плит, армиро-        ного температурного поля в них;
ванных стекловолокном Knauf Fireboard (далее               5) на основании массива расчётных значе-
негорючие гипсовые плиты).                           ний получены табличные данные для оценки огне-
Классификация методов расчёта огнестой-       стойкости железобетонных колонн с конструктив-
кости принята согласно ТКП EN 1992-1-2-2009          ной огнезащитой в виде негорючих гипсовых плит.
и включает в себя общие, упрощённые и методы,              1. Модельные огневые испытания. Проведение
использующие табличные данные. Упрощённые            конечно-элементного расчёта для получения рас-
методы расчёта и методы, применяющие таблич-         пределения температур в сечении конструкции
ные данные, в основном используются для оп-          при оценке огнестойкости железобетонных колонн
ределения огнестойкости отдельных элементов          с конструктивной огнезащитой возможно, если
конструкций, в то время как общий метод расчё-       известны теплофизические характеристики ма-
та огнестойкости используется для анализа части      териалов конструкции для диапазона температур
конструктивной системы. Наименее трудоёмкой          их нагрева при пожаре. Теплофизические характе-
считается оценка огнестойкости строительных          ристики конструктивной огнезащиты определяют,
конструкций с использованием табличных дан-          как правило, решением обратной задачи тепло-
ных, получаемых путём объединения результа-          проводности на основании значений температур
тов испытаний и расчётов (упрощённым и общим         в конструкции при проведении огневых испытаний.
методами) типовых строительных конструкций.                Для корректировки (уточнения) теплофизи-
Применение табличных данных в большинстве            ческих характеристик конструктивной огнезащи-
случаев не требует дополнительных вычислений.        ты, полученных в работе [20], и теплофизических
характеристик бетона из ТКП EN 1992-1-2-2009
разработана методика модельных огневых ис-
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ                        пытаний. Её суть заключается в оценке нагрева

С целью снижения трудоемкости подбо- ра параметров железобетонных колонн с конструктивной огнезащитой, обеспечивающих образцов с конструктивной огнезащитой различ- ной толщины и образца без огнезащиты при стан- дартном огневом воздействии по ГОСТ 30247.0 требуемый предел огнестойкости, необходимо «Конструкции строительные. Методы испытаний

ПОЖАРЫ И ЧРЕЗВЫЧАЙНЫЕ СИТУАЦИИ: ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ, ЛИКВИДАЦИЯ. 2022. № 2

FIRE AND EMERGENCIES: PREVENTION, ELIMINATION. 2022. No. 2

на огнестойкость. Общие требования» (без прило-                   как показали результаты исследований [14, 15],
жения силовой нагрузки).                                          способствует более раннему, в том числе сквозно-
Испытанию были подвергнуты четыре об-                       му трещинообразованию, в результате чего про-
разца. Один из образцов испытывался без приме-                    дукты горения проникают в полость конструкции,
нения огнезащиты. Три образца были защищены                       и становится возможен нагрев ими конструкции
конструктивной огнезащитой толщиной 12,5, 20                      изнутри, что непременно приводит к преждевре-
и 40 мм соответственно. В качестве образцов для                   менной утрате конструкцией своих функций.
испытаний использованы центрифугированные                               Образец № 2. В процессе огневого воздей-
железобетонные колонны кольцевого сечения на-                     ствия произошло раскрытие вертикальных швов,
ружным диаметром 560 мм, с толщиной стенки                        в результате чего огневому воздействию стали
55 мм, армированные пространственным карка-                       подвергаться профили каркаса. Вместе с тем рез-
сом, состоящим из семи равномерно распределён-                    кие скачки температур на внешней и внутренней
ных по окружности стержней класса S500 диаме-                     поверхности колонны и на арматуре после этого
тром 12 мм и приваренной к ним конструктивной                     не были зафиксированы (рис. 2) по сравнению
поперечной спиральной арматуры в виде прово-                      с аналогичными испытаниями металлических
локи В-1 диаметром 4 мм. Толщина защитного                        конструкций [26, 27].
слоя бетона для рабочей (продольной) арматуры                           На 120-й минуте испытания образца № 2
во всех случаях составила 20 мм, длина образцов –                 температура, зарегистрированная ТП, установлен-
(1500±10) мм. Более подробное описание колонн                     ными на арматуре, составила (332…351) ± 2 °С;
и конструктивной огнезащиты, а также порядок                      установленными на обогреваемой поверхности
и схема расстановки термоэлектрических преоб-                     бетона, – (498…518) ± 4 °С; установленными
разователей (ТП) в испытываемых конструкциях                      на необогреваемой поверхности бетона, –
и огневой печи представлены в работе [18].                        (297…329) ± 2 °С; установленными на необо-
Началу испытания соответствовал момент                      греваемой поверхности конструктивной огнеза-
воспламенения горючей паровоздушной смеси в                       щиты, – (637…641) ± 4 °С [18].
печи. Продолжительность испытаний составила                             Образец № 3. Поведение конструктивной
для образца без конструктивной огнезащиты (об-                    огнезащиты образца № 3 близко к образцу № 2.
разец № 1) – 101 мин; для образца с конструк-                     Отличие во времени начала раскрытия швов.
тивной огнезащитой толщиной 12,5 мм (образец                      При испытании образца № 3 раскрытие происхо-
№ 2) – 130 мин; для образца с конструктивной                      дило медленнее, в связи с чем уголки открепились
огнезащитой толщиной 20 мм (образец № 3) –                        от плит позже. Более медленное раскрытие швов
182 мин; для образца с конструктивной огнезащи-                   связано с увеличением толщины конструктивной
той толщиной 40 мм (образец № 4) – 185 мин.                       огнезащиты и, соответственно, меньшими отно-
Образец № 1. Характер изменения температу-                  сительными объёмными деформациями в задан-
ры бетона на обогреваемой и необогреваемой по-                    ные моменты времени.
верхности колонны, а также на арматуре в процес-                        Отсутствие скачков температур и практиче-
се испытания представлен на рисунке 1. Хрупкое                    ски постоянная скорость роста температур после
взрывообразное разрушение бетона в ходе испыта-                   удаления влаги из бетона (рис. 3) говорят о том,
ния не зафиксировано.                                             что наличие возникших зазоров в вертикальных
На 90-й минуте огневого испытания образ-                   швах не оказывает существенного влияния на ус-
ца № 1 температура, зарегистрированная термо-                     ловия теплообмена, а также целостность конст-
электрическими преобразователями, установлен-                     руктивной огнезащиты в процессе испытания.
ными на арматуре, составила (514…616) ± 4 °С;                           На 180-й минуте огневого испытания об-
установленными на обогреваемой поверхности                        разца № 3 температура, зарегистрированная ТП,
бетона, – (826…947) ± 6 °С; установленными                        установленными на арматуре, составила (434…
на необогреваемой поверхности бетона, –                           456) ± 3 °С; установленными на обогреваемой по-
(479…493) ± 3 °С [18].                                            верхности бетона, – (569…632) ± 4 °С; установлен-
Для ненагруженных центрифугированных                       ными на необогреваемой поверхности бетона, –
железобетонных колонн было выявлено трещино-                      (402…411) ± 2 °С; установленными на необогрева-
образование вследствие протекающих процессов                      емой поверхности конструктивной огнезащиты, –
в структуре бетона при его нагреве, а также раз-                  (647…685) ± 5 °С [18].
личия в температурном расширении бетона и ар-                           Образец № 4. После остывания образца и из-
матуры. Вместе с тем сквозное трещинообразова-                    влечения его из печи можно было наблюдать, что
ние не наблюдали. Приложение силовой нагрузки,                    плиты внешнего слоя обшивки с двух сторон

БЕЗОПАСНОСТЬ ОБЪЕКТОВ

SAFETY OF FACILITIES

(из четырёх) открепились от каркаса. Это подтверж-   огневой средой и конструктивной огнезащитой
дается увеличением скорости роста температур         (образцы № 2–4) при назначении граничных ус-
на внутренней поверхности конструктивной огне-       ловий задавали в соответствии с СН 2.01.03-2019.
защиты во время огневых испытаний [18] (рис. 4).           Полученные температурные поля в колоннах
Осмотр образца № 4 после испытания показал,          по результатам моделирования прогрева в Ansys
что окраска поверхности и структура плит Knauf       Workbench корректировались путём умножения
Fireboard соответствуют плитам образцов № 2          на коэффициент khet = 1,02, учитывающий влия-
и № 3. Легкими механическими движениями мож-         ние неоднородности центрифугированного бетона
но было вызвать разрушение плит внешнего слоя        в поперечном сечении рассматриваемой конструк-
(толщиной 20 мм) конструктивной огнезащиты.          ции (толщиной 55 мм) [12].
Внутренний слой оказался несколько прочнее.                Начальные условия. Температуры материалов
Деформирование плит произошло в областях их          колонны, плит конструктивной огнезащиты и гре-
примыкания друг к другу на участках между само-      ющей среды во всех точках в начальный момент
нарезающими винтами, вследствие чего расходи-        времени τ = 0 одинаковы.
лись швы во время испытаний.
На 180-й минуте огневого испытания об-                   θw (x, y, z, 0) = θp (x, y, z, 0) =
разца № 3 температура, зарегистрированная тер-                                                                  (1)
моэлектрическими преобразователями, установ-                           = θƒ (x, y, z, 0) = θ0 ,
ленными на арматуре, составила (167…198) ±
± 2 °С; установленными на обогреваемой поверх-       где θw – температура материалов колонн, °C; θp –
ности бетона, – (257…314) ± 2 °С; установлен-        температура плит конструктивной огнезащиты, °C;
ными на необогреваемой поверхности бетона, –         θƒ – температура греющей среды, °C; θ0 – темпе-
(172…193) ± 2 °С; установленными на необогре-        ратура окружающей среды, принятая равной 25,
ваемой поверхности конструктивной огнезащиты, –      28, 29 и 30 °C для моделей № 1–4 соответственно,
(394…501) ± 3 °С [18].                               что имело место во время проведения соответству-
2. Разработка расчётных моделей испытанных    ющих испытаний образцов № 1–4 [18].
конструкций. Для определения (корректировки)                Граничные условия. Поперечное сечение ко-
теплофизических характеристик конструктивной         лонны (в случае моделирования колонны без кон-
огнезащиты был проведён теплотехнический             структивной огнезащиты) и плит конструктивной
расчёт с использованием системы конечно-             огнезащиты подвергается равномерному теплово-
элементного анализа Ansys Workbench 2020 R2          му воздействию по всему наружному периметру
(модуль Transient Thermal).                          конструкции.
Объекты моделирования – центрифугиро-                Нагрев наружной поверхности колонны
ванные железобетонные колонны кольцевого сече-       без конструктивной огнезащиты (модель № 1)
ния без конструктивной огнезащиты и с конструк-      определялся граничными условиями 3-го рода
тивной огнезащитой толщиной 12,5, 20 и 40 мм         с учётом конвективной и лучистой составляющей
соответственно. Теплофизические характеристики       теплообмена:
арматурной стали приняты согласно ТКП EN 1993-
1-2-2009 «Проектирование стальных конструкций.
Часть 1-2. Общие правила определения огнестой-
кости», бетона – согласно ТКП EN 1992-1-2-2009                                                                  (2)
(коэффициент теплопроводности взят по нижней
границе). Начальная плотность бетона в конструк-
ции составляет 2500 кг/м3, весовая влажность –
2,2 %, что имело место при проведении испыта-
ний [14]. Теплофизические характеристики плит
конструктивной огнезащиты определены с исполь-       где qnet – результирующий удельный тепловой
зованием экспериментально-расчётного метода          поток, падающий на внешнюю поверхность ко-
оценки теплофизических характеристик строитель-      лонн, Вт/м2; αс – коэффициент теплоотдачи кон-
ных материалов, основанного на применении метода     векцией, принятый равным 25 Вт/(м2⋅°C) по СН
решения обратной задачи теории теплопроводно-        2.01.03-2019; εс – степень черноты поверхности бе-
сти, значения которых представлены в работе [26].    тона, принятая равной 0,7 по ТКП EN 1992-1-2-2009;
Параметры теплообмена между огневой           εƒ – степень черноты огневой среды, приня-
средой и колонной (образец № 1), а также между       тая равной 1 по СН 2.01.03-2019; Ф – угловой

ПОЖАРЫ И ЧРЕЗВЫЧАЙНЫЕ СИТУАЦИИ: ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ, ЛИКВИДАЦИЯ. 2022. № 2

FIRE AND EMERGENCIES: PREVENTION, ELIMINATION. 2022. No. 2

коэффициент облученности, принятый равным 1 ми условиями 3-го рода без учёта конвективной по СН 2.01.03-2019; σ = 5,67⋅10–8 Вт/(м2⋅°C4) – по- составляющей теплообмена. Для внешней по- стоянная Стефана – Больцмана; λc – коэффициент верхности колонн оно записывается следующим теплопроводности бетона, Вт/(м⋅°C). n⊥ – нор- образом:

маль к изотермической поверхности; индекс «o.w»

относится к внешней поверхности колонны.

Контактные взаимодействия арматуры и бе- тона задавались через граничные условия 4-го (6) рода:

(3) где qnet.2 – результирующий удельный тепловой поток между внутренней поверхностью плит кон- где индексы «с» и «s» относятся к бетону и арма- структивной огнезащиты и наружной поверхно- туре, соответственно, индекс «к» – к местам кон- стью колонны, Вт/м2.

такта арматуры с бетоном. Для внутренней поверхности плит конструк-

В расчётных моделях принято, что всё ко- тивной огнезащиты данное граничное условие личество теплоты, получаемое колонной, аккуму- записывается следующим образом:

лируется в сплошной её части. Из этого следует граничное условие, задающее передачу теплоты от внутренней (необогреваемой) поверхности ко- лонны в полость:

(7) qi.net = 0, (4)

где qi.net – результирующий удельный тепловой
поток, передаваемый от внутренней поверхности                      где индекс «i.p» относится к внутренней поверхно-
колонны в её полость.                                              сти плит конструктивной огнезащиты.
Для моделей № 2–4 нагрев наружной по-                             Изменение температуры огневой (греющей)
верхности конструктивной огнезащиты опреде-                        среды θƒ в моделях принято в соответствии с из-
лялся граничными условиями 3-го рода с учётом                      менением температуры в процессе испытаний со-
конвективного и лучистого теплообмена:                             ответствующих образцов (рис. 1–4).
Размеры конечных элементов. Размер ячеек
при моделировании принят равным для бетона
1/20 толщины стенки колонны, для арматуры –
(5)   1/10 её диаметра [12], для плит конструктивной
огнезащиты не более 5 мм [26].
Сравнение результатов эксперимента и моде-
лирования. В результате моделирования прогрева
испытанных образцов были получены темпера-
турные поля в колоннах и плитах конструктивной
где qnet.1 – результирующий удельный тепловой                      огнезащиты толщиной 12,5, 20 и 40 мм в задан-
поток, падающий на поверхность плит конструк-                      ные моменты времени.
тивной огнезащиты, Вт/м2; εp – степень черноты                           Модель № 1. Температуры, полученные при
поверхности плит конструктивной огнезащиты,                        моделировании, показывают удовлетворитель-
принятая равной 0,8 по СН 2.01.03-2019; λp –                       ное соответствие расчётных и экспериментальных
эффективный коэффициент теплопроводности не-                       значений за исключением температуры бетона
горючих гипсовых плит, Вт/(м⋅°C); индекс «o.p»                     на внутренней поверхности колонны. Это объясня-
относится к наружной (обогреваемой) поверхности                    ется тем, что при постановке эксперимента горя-
плит конструктивной огнезащиты.                                    чие спаи ТП, регистрирующие температуру бетона
Перенос теплоты от внутренней (необогре-                     на необогреваемой поверхности колонны, нес-
ваемой) поверхности плит конструктивной огне-                      колько заглублялись (2–3 мм) в тело колонны,
защиты к внешней поверхности защищаемой ко-                        исходя из чего экспериментальные значения тем-
лонны (в моделях № 2–4) определяется граничны-                     ператур принимают более высокие значения, чем

БЕЗОПАСНОСТЬ ОБЪЕКТОВ

SAFETY OF FACILITIES

расчётные. Этим же объясняется превышение                                                     выходят за область доверительного интерва-
расчётных температур над экспериментальными                                                   ла экспериментальных данных. Далее расчётные
на обогреваемой поверхности колонны (рис. 1).                                                 температуры находятся в указанном интервале.
Модель № 2. Моделирование прогрева с вы-                                                Температура арматуры до 115-й мин соответствен-
бранными теплофизическими характеристиками                                                    но находится в области доверительного интервала.
бетона, стали и негорючих гипсовых плит также                                                 Затем наблюдается незначительное превышение
показало высокое соответствие расчётных зна-                                                  расчётных температур над экспериментальными
чений температур экспериментальным. Вместе                                                    значениями (к моменту времени, соответствующе-
с тем расчётные температуры бетона на внут-                                                   му окончанию эксперимента, отклонение в боль-
ренней поверхности колонн с 20-й по 90-ю мин                                                  шую сторону от верхней границы доверительного

1 100

1 000

Температура, єC

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Время испытания, мин

Рисунок 1. Значения экспериментальных и расчётных температур (образец № 1):

внешняя поверхность (эксперимент); внутренняя поверхность (эксперимент); арматура (эксперимент);

арматура (моделирование); огневая среда (эксперимент); внешняя поверхность (моделирование);

внутренняя поверхность (моделирование)

Figure 1. Experimental and design temperatures values (sample no. 1):

external surface (experiment); internal surface (experiment); reinforcement (experiment); reinforcement (simulation);

fire medium (experiment); external surface (simulation); internal surface (simulation)

1 100

1 000

Температура, єC

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Время испытания, мин

Рисунок 2. Значения экспериментальных и расчётных температур (образец № 2):
огневая среда (эксперимент);     внешняя поверхность колонны (эксперимент);     арматура (эксперимент);
внутренняя поверхность колонны (эксперимент);     необогреваемая поверхность конструктивной огнезащиты (эксперимент);
необогреваемая поверхность конструктивной огнезащиты (моделирование);     внешняя поверхность колонны (моделирование);
арматура (моделирование);      внутренняя поверхность колонны (моделирование)
Figure 2. Experimental and design temperatures values (sample no. 2):
fire medium (experiment);        external surface of the column (experiment);         reinforcement (experiment);
internal surface of the column (experiment);        unheated surface of structural fire retardance (experiment);
unheated surface of structural fire retardance (simulation);       external surface of the column (simulation);
reinforcement (simulation);        internal surface of the column (simulation)

ПОЖАРЫ И ЧРЕЗВЫЧАЙНЫЕ СИТУАЦИИ: ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ, ЛИКВИДАЦИЯ. 2022. № 2

FIRE AND EMERGENCIES: PREVENTION, ELIMINATION. 2022. No. 2

1 200

1 100

1 000

Температура, єC

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

Время испытания, мин

Рисунок 3. Значения экспериментальных и расчётных температур (образец № 3):

огневая среда (эксперимент); внешняя поверхность колонны (эксперимент);

арматура (эксперимент); внутренняя поверхность колонны (эксперимент);

необогреваемая поверхность конструктивной огнезащиты (эксперимент);

необогреваемая поверхность конструктивной огнезащиты (моделирование);

внешняя поверхность колонны (моделирование); арматура (моделирование);

внутренняя поверхность колонны (моделирование)

Figure 3. Experimental and design temperatures values (sample no. 3):

fire medium (experiment); external surface of the column (experiment); reinforcement (experiment);

internal surface of the column (experiment); unheated surface of structural fire retardance (experiment);

unheated surface of structural fire retardance (simulation); external surface of the column (simulation);

reinforcement (simulation); internal surface of the column (simulation)

1 200

1 100

1 000

Температура, єC

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

Время испытания, мин

Рисунок 4. Значения экспериментальных и расчётных температур (образец № 4):

огневая среда (эксперимент); внешняя поверхность колонны (эксперимент);

арматура (эксперимент); внутренняя поверхность колонны (эксперимент);

необогреваемая поверхность конструктивной огнезащиты (эксперимент);

необогреваемая поверхность конструктивной огнезащиты (моделирование);

внешняя поверхность колонны (моделирование); арматура (моделирование);

внутренняя поверхность колонны (моделирование)

Figure 4. Experimental and design temperatures values (sample no. 4):

fire medium (experiment); external surface of the column (experiment); reinforcement (experiment);

internal surface of the column (experiment); unheated surface of structural fire retardance (experiment);

unheated surface of structural fire retardance (simulation); external surface of the column (simulation);

reinforcement (simulation); internal surface of the column (simulation)

БЕЗОПАСНОСТЬ ОБЪЕКТОВ

SAFETY OF FACILITIES

интервала составило 20 °C). Температуры бето-      нагрева (теплотехнический расчёт) железобетон-
на на обогреваемой поверхности колонны после       ных колонн с конструктивной огнезащитой тол-
80-й мин начали превышать значения верхней         щиной от 12,5 до 40 мм. При этом для оценки
границы доверительного интервала (к окончанию      температурного поля в центрифугированных желе-
моделирования превышение составило около           зобетонных конструкциях поправочным коэффи-
100 °C. Объяснениями этому явлению могут слу-      циентом khet следует учитывать ускорение их про-
жить ранее описанные (для модели № 1) причины,     грева из-за переменных свойств бетона по толщине
а также неучтенная конвективная составляющая       их стенки [12].
теплообмена между внутренней поверхностью плит            3. Разработка расчётных моделей нагрева же-
конструктивной огнезащиты и внешней поверх-        лезобетонных колонн с конструктивной огнезащитой
ностью колонны при задании граничных условий.      (теплотехнический расчёт). Для получения табличных
Расчётная температура на внутренней поверхно-      данных по оценке огнестойкости колонн (сплош-
сти конструктивной огнезащиты с использованием     ных и пустотелых), защищённых негорючими гип-
принятых теплофизических характеристик прак-       совыми плитами, в дальнейшем разрабатывали
тически на протяжении всего времени находит-       расчётные модели их нагрева, используя ранее
ся в пределах границ доверительного интервала.     указанные зависимости теплофизических харак-
Для заключительных моментов времени (за 20 мин     теристик бетона, стали и плит. Процесс теплооб-
до окончания испытания) расчётные температуры      мена принят двумерным. Начальная температура
незначительно (на 10–20 °C) превысили экспери-     материалов колонн и плит конструктивной огне-
ментальные (рис. 2).                               защиты принята 20 °C. Во всех моделях предусмо-
Модель № 3. Моделирование прогрева ко-      трено стандартное огневое воздействие по наруж-
лонны с конструктивной огнезащитой толщиной        ному периметру. Остальные граничные условия
20 мм показывало высокое соответствие расчёт-      теплообмена идентичны заданным в моделях ис-
ных температур экспериментальным. Из отклоне-      пытанных конструкций (№ 1–4). Расчётное время
ний расчётных значений от области доверитель-      огневого воздействия принималось с интервалом
ного интервала следует отметить температуры        в 30 мин, но не более 180 мин.
бетона на внешней поверхности колонны с 10-й              Центрифугированные колонны кольцевого
по 55-ю мин до 50 °C в меньшую сторону, а в по-    сечения. В системе конечно-элементного анализа
следующем – отклонения до 80–90 °C в большую       ANSYS разработаны расчётные модели центрифу-
(рис. 3). Расчётные температуры плит конструк-     гированных железобетонных колонн кольцевого
тивной огнезащиты на внутренней поверхности        сечения наружным диаметром 300, 400, 500, 600,
в интервале времени 25–45 мин оказались ниже       700, 800 и 1 000 мм с толщиной стенки от 50 мм
экспериментальных (до 80 °C). Температуры бе-      до 120 мм и расстоянием до оси арматуры от 20
тона на внутренней поверхности колонны и арма-     до 60 мм, не защищённые и защищённые конст-
туры отличались от экспериментальных значений      руктивной огнезащитой толщиной 12,5, 20 и 40 мм
не более чем на 20 °C, на протяжении 182 мин.      соответственно. Начальная плотность бетона в конст-
Модель № 4. Конечно-элементный расчёт       рукции принята 2 500 кг/м3, весовая влажность –
указанной модели с последующей корректиров-        2,2 %. Размеры ячеек, на которые разбивались
кой полученного температурного поля коэффи-        сечения колонн и плит конструктивной огнезащи-
циентом khet показал, что результаты на большем    ты, аналогичны моделям, построенным для испы-
(по продолжительности) интервале времени нахо-     танных конструкций. Полученные в моделировании
дятся в области доверительного интервала экспе-    температурные поля корректировали коэффи-
риментальных измерений. При этом на остальных      циентом khet, зависящим от толщины стенки ко-
участках расчётные значения на графиках нахо-      лонн [12], а поскольку при определении огнестой-
дятся, как правило, выше верхних границ довери-    кости колонн для них будет установлено силовое
тельного интервала. Следует отметить, что темпе-   воздействие, дополнительное увеличение темпера-
ратура на внутренней поверхности конструктивной    тур вследствие трещинообразования учитывалось
огнезащиты находится в области доверительного      путём умножения на коэффициент kth =1,0…1,4
интервала на протяжении всей продолжительности     после достижения температур в сечении колонн
моделирования (рис. 4).                            550 °C [12].
Анализ рисунков 2–4 говорит о том, что             Виброуплотненные колонны сплошного се-
выбранные теплофизические характеристики бе-       чения. В системе ANSYS также разработаны рас-
тона, стали и негорючих гипсовых плит допустимо    чётные модели железобетонных колонн квадрат-
использовать при разработке расчётной модели       ного сечения с конструктивной огнезащитой в виде

ПОЖАРЫ И ЧРЕЗВЫЧАЙНЫЕ СИТУАЦИИ: ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ, ЛИКВИДАЦИЯ. 2022. № 2

FIRE AND EMERGENCIES: PREVENTION, ELIMINATION. 2022. No. 2

негорючих гипсовых плит. Геометрические харак-                    тём увеличения эксцентриситета продольной
теристиками сечений идентичны приведённым                         силы относительно центра тяжести поперечного
в ТКП EN 1992-1-2-2009: 200Ч200 мм, 250Ч250 мм,                   сечения колонн, а также с учётом изменения ме-
300Ч300 мм, 350Ч350 мм, 400Ч400 мм и 450Ч450 мм.                  ханических характеристик бетона и арматуры.
Для каждого железобетонного сечения предус-                              Виброуплотненные колонны сплошного се-
матривалась защита негорючими гипсовыми пли-                      чения. Критическая температура для колонн с гео-
тами толщиной 12,5, 20 и 40 мм. Огневое воздей-                   метрическими размерами от 200Ч200 мм до 300Ч
ствие (стандартное) принято четырехсторонним.                     Ч300 мм принята равной 334 °C, а для сечений
Начальная плотность бетона 2 300 кг/м3, весо-                     с размерами 350Ч350 мм и более – 467 °C.
вая влажность – 1,5 % по ТКП EN 1992-1-2-2009.                           5. Табличные данные по оценке огнестойкости
Сечение конструкций разбивалось на элементы                       железобетонных колонн с конструктивной огнезащитой.
призматической формы с шириной грани не бо-                       Выполнение задач 1–4 позволило обобщить ре-
лее 2 мм для сечения негорючих гипсовых плит                      зультаты модельных огневых испытаний, расчётов
и не более 5 мм для сечения колонн.                               и свести их в табличные данные.
Проведённые расчёты позволили получить                            Центрифугированные колонны кольцевого
среднеплощадные температуры арматуры в ко-                        сечения с конструктивной огнезащитой. После
лоннах, а также бетона в установленных зонах                      проведения теплотехнического и статического рас-
конструкций.                                                      чётов сравнивали силовое воздействие на колонны
4. Решение статической задачи для центрифу-                с их расчётным сопротивлением, на основании чего
гированных колонн. Полученные значения темпе-                     делали вывод о сохранении ей несущей способ-
ратур использовали в статической части расчёта.                   ности в рассматриваемый момент времени. Если
Указанный расчёт проводили для моментов вре-                      в рассматриваемом сечении центрифугированной
мени с интервалом 30 мин, но не более 180 мин.                    железобетонной колонны усилие сжатия или из-
Силовое воздействие на внецентренно-сжатые                        гибающий момент при пожаре превышает сопро-
колонны при пожаре задано на уровне 70 % от их                    тивление сечения сжатию или изгибающему мо-
несущей способности в начальных условиях, как                     менту, то огнестойкость конструкции достигнута.
наиболее неблагоприятного случая.                                 За предел огнестойкости принимали значение
Центрифугированные колонны кольцево-                       из стандартного ряда по ГОСТ 30247.0-94.
го сечения. Статический (прочностной) расчёт за-                         Полученные результаты позволили устано-
ключался в определении сопротивления колонн                       вить минимальные размеры поперечного сечения
(диаметром 300…1 000 мм, с толщиной стенки                        центрифугированных железобетонных колонн
50…120 мм, расчётной длиной 2,5…13,4 м) и си-                     кольцевого сечения, расстояние до оси арматуры
ловых воздействий в заданный момент времени                       и толщину негорючих гипсовых плит, которые
стандартного пожара. Он проводился с исполь-                      обеспечат требуемый предел огнестойкости при
зованием зонного метода оценки огнестой-                          коэффициенте использования несущей способно-
кости по ТКП EN 1992-1-2-2009. Для оценки                         сти колонн до 0,7 включительно (табл. 1).
сопротивления сечения колонн использован ме-                             Виброуплотненные колонны сплошного се-
тод предельных усилий и подход, заложенный                        чения с конструктивной огнезащитой. Вывод
в СП 63.13330.2018 для колонн кольцевого сече-                    о сохранении колоннами несущей способности
ния при соотношении внутреннего и наружного                       в рассматриваемый момент времени делали на осно-
радиусов не менее 0,5 и равномерно распреде-                      вании средней температуры растянутой арматуры.
лённой по окружности арматурой (не менее чем                      Если средняя температура растянутой арматуры,
из семи продольных стержней). Сопротивление                       полученная при моделировании, не превышала
бетона сжатию определено с использованием со-                     критическое значение, то конструкция не утра-
ответствующих коэффициентов условий работы                        тила свою несущую способность в рассматривае-
бетона (c силикатным заполнителем) kc(θ) и арма-                  мый момент времени, иначе предел огнестойкости
туры ks(θ) при пожаре из ТКП EN 1992-1-2-2009,                    наступил.
а также поправочных коэффициентов kcor для цен-                          В результате обобщения результатов мо-
трифугированного бетона, учитывающего неод-                       делирования прогрева сплошных железобетон-
нородность его прочностных свойств по толщине                     ных колонн различного сечения с конструктивной
стенки колонн согласно [24].                                      огнезащитой были получены минимальные рассто-
Определение силового воздействия в задан-                  яния до оси арматуры от обогреваемой поверхно-
ный момент времени стандартного пожара осу-                       сти колонн различного сечения, которые обеспе-
ществлялось с учётом эффектов второго рода пу-                    чивают соответствующий предел огнестойкости

БЕЗОПАСНОСТЬ ОБЪЕКТОВ

SAFETY OF FACILITIES

Таблица 1 (Table 1)

Минимальные размеры, расстояние до оси арматуры и толщина негорючих гипсовых плит для железобетонных центрифугированных колонн кольцевого сечения

Minimum dimensions, distance to reinforcement axis and thickness of non-combustible gypsum slabs for reinforced concrete centrifuged columns of circular section

Внешний диаметр колонны D, мм / толщина стенки b, мм / расстояние до оси арматуры с, мм

Предел

Толщина огнезащиты, мм огнестойкости

12,5 20

R120 300/50/20 *

300/50/20 *

300/50/20*

600/100/35

R180 400/60/26* 300/50/20*

800/120/26*

Примечание: * – расположение арматуры обеспечивается выполнением основных требований по проектированию и изготовлению железобетонных конструкций по СП 5.03.01-2020, в том числе железобетонных центрифугированных колонн кольцевого сечения (Руководство по проектированию, изготовлению и применению железобетонных центрифугированных конструкций кольцевого сечения).

Таблица 2 (Table 2)

Минимальные расстояния до оси арматуры и толщина негорючих гипсовых плит, обеспечивающие заданные пределы железобетонных колонн шириной до 300 мм

Minimum distance to reinforcement axis and thickness of non-combustible gypsum slabs providing specified limits of reinforced concrete columns up to 300 mm wide

Толщина плит конструктивной огнезащиты, мм

Предел

12,5 20 огнестойкости

Расстояние до оси арматуры, мм

R30 0*

0*

R60 14*

0*

R90 32 15*

R120 49

R150 47 12*

–

R180 66

Примечание: * – расположение арматуры обеспечивается выполнением основных требований по проектированию и изготовлению железобетонных конструкций по СП 5.03.01-2020.

Таблица 3 (Table 3)

Минимальные расстояния до оси арматуры и толщина негорючих гипсовых плит, обеспечивающие заданные пределы железобетонных колонн шириной 350 мм и более

Minimum distance to reinforcement axis and thickness of non-combustible gypsum slabs providing specified limits of reinforced concrete columns 350 mm wide and more

Толщина плит конструктивной огнезащиты, мм

Предел

12,5 20 огнестойкости

Расстояние до оси арматуры, мм

R30 0*

0*

R60 2*

R90 17* 2* 0*

R120 30 14 *

R150

–

R180 36 7*

Примечание: * – расположение арматуры обеспечивается выполнением основных требований по проектированию и изготовлению железобетонных конструкций по СП 5.03.01-2020.

ПОЖАРЫ И ЧРЕЗВЫЧАЙНЫЕ СИТУАЦИИ: ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ, ЛИКВИДАЦИЯ. 2022. № 2

FIRE AND EMERGENCIES: PREVENTION, ELIMINATION. 2022. No. 2

защищаемых конструкций на заданных интервалах                     на, стали и плит конструктивной огнезащиты пу-
времени. Полученные данные для колонн сечением                    тём проведения конечно-элементного расчёта мо-
от 200Ч200 мм до 300Ч300 мм и колонн сечением                     делей испытанных конструкций;
350Ч350 мм и более представлены в таблицах 2                             4) pазработаны в системе ANSYS модели
и 3 соответственно.                                               нагрева и проведён конечно-элементный расчёт
Полученные табличные данные для сплош-                     серии центрифугированных железобетонных ко-
ных железобетонных колонн, защищённых огне-                       лонн внешним диаметром 300…1 000 мм с толщи-
стойкими гипсовыми плитами, распространя-                         ной стенки 50…120 мм и расстоянием от внешней
ются на конструкции, соответствующие разделу                      поверхности колонн до оси арматуры 20…60 мм,
5.3.2 ТКП EN 1992-1-2-2009.                                       защищённых негорючими гипсовыми плитами тол-
щиной 12,5…40 мм. Полученные температурные
поля в колоннах скорректированы поправочными
ВЫВОДЫ                                   коэффициентами, учитывающими ускорение их

В    ходе проведения теоретических иссле-
дований, основанных на результатах
модельных (без силовой нагрузки) и натурных
прогрева за счёт неоднородности бетона по толщи-
не стенки, а также вследствие наступления трещи-
нообразования при приложении силовой нагрузки;
огневых (под силовой нагрузкой) испытаний цент-                          5) разработаны в системе ANSYS расчётные
рифугированных железобетонных колонн коль-                        модели нагрева железобетонных колонн сплош-
цевого сечения:                                                   ного сечения размерами 200Ч200…450Ч450 мм
1) разработана методика и проведены мо-                    с конструктивной огнезащитой толщиной 12,5 мм,
дельные огневые испытания четырёх образцов                        20 мм и 40 мм. По результатам моделирования
центрифугированных железобетонных колонн дли-                     получено распределение температуры по сечению
ной 1 500 мм наружным диаметром 560 мм, с тол-                    конструкций, позволившее установить их пределы
щиной стенки 55 мм, толщиной защитного слоя                       огнестойкости;
для рабочей арматуры 20 мм без применения                                6) проведён прочностной расчёт серии цент-
и с использованием конструктивной огнезащиты,                     рифугированных железобетонных колонн с коэф-
состоящей из негорючих гипсовых плит, армиро-                     фициентом использования несущей способнос-
ванных стекловолокном Knauf Fireboard. Методика                   ти 0,7, учитывающий температурное поле в них,
основана на методе определения огнезащитной                       позволивший с использованием зонного метода
эффективности средства по металлу и служит                        оценки огнестойкости определить значения их
для оценки эффективности применения конструк-                     пределов огнестойкости. Для железобетонных
тивной огнезащиты железобетонных конструкций;                     колонн сплошного сечения установлены значе-
2) экспериментальным путём установлено,                    ния критической температуры растянутой арма-
что раскрытие швов в местах примыкания не-                        туры. Для конструкций с поперечным сечением
горючих гипсовых плит друг к другу и оголение                     350Ч350 мм и выше они составляют 467…537 °C,
профилей каркаса конструктивной огнезащиты                        а для конструкции сечением от 200Ч200 мм
практически не оказывает влияния на прогрев же-                   до 300Ч300 мм – 334…399 °C;
лезобетонных конструкций. Конструктивная огне-                           7) получен массив расчётных значений пре-
защита, выполненная в виде однослойных негорю-                    делов огнестойкости железобетонных колонн (по-
чих гипсовых плит, сохраняет свою целостность                     лых и сплошного сечения), защищённых негорю-
на протяжении не менее 101 мин при толщине                        чими гипсовыми плитами толщиной 12,5…40 мм.
плит 12,5 мм, 182 мин – при 20 мм. Её отслоение                   Использование конструктивной огнезащиты поз-
от профилей каркаса не происходит. Для огнеза-                    волило достичь пределов огнестойкости колонн
щиты, выполненной двухслойной, характерно от-                     при коэффициенте использования несущей спо-
деление (отслоение) внешнего (обогреваемого)                      собности 0,7 до R180, что не ограничивает область
слоя спустя более чем 150 мин от начала стандарт-                 их применения в строительстве с точки зрения
ного огневого воздействия;                                        пожарной безопасности.
3) получены экспериментальные зависимо-                           Обобщение результатов расчёта позволило
сти температур арматуры, бетона на обогреваемой                   получить табличные данные для оценки огнестой-
и необогреваемой поверхностях колонн, а также                     кости железобетонных колонн с конструктивной
необогреваемой поверхности плит конструктив-                      огнезащитой. Использование указанных таблиц
ной огнезащиты от времени стандартного огневого                   позволяет подобрать параметры конструкций,
воздействия. Указанные зависимости позволили                      обеспечивающие заданный предел огнестойкости,
уточнить теплофизические характеристики бето-                     без проведения серии трудоёмких расчётов.

БЕЗОПАСНОСТЬ ОБЪЕКТОВ

SAFETY OF FACILITIES

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Блещик Н. П., Жуков Д. Д., Лазовский Д. Н. Железо-                     15. Нехань Д. С., Кураченко И. Ю., Олесиюк Н. М., Кре-
бетонные конструкции. Основы теории, расчёта и конструиро-               ер Л. А. Исследования температуры газовой среды при прове-
вания: Учеб. пособие для вузов. Брест: БрГТУ, 2003. 380 c.               дении натурных огневых испытаний строительных конструкций
2. Полевода И. И., Нехань Д. С. Огнестойкость центри-              // Вестник Университета гражданской защиты МЧС Беларуси.
фугированных железобетонных колонн // Вестник Универ-                    2020. Т. 4. № 2. С. 130–141. DOI:10.33408/2519- 237X.2020.4-2.130
ситета гражданской защиты МЧС Беларуси. 2021. Т. 5. № 2.                        16. Barnas A., Rinnhofer G. Entwicklung hochbewehrter
С. 139–158. DOI:10.33408/2519-237X.2021.5-2.139                          Schleuderbetonstьtzen – Brandverhalten und Bemessungssoftware //
3. Неверович И. И. Железобетонные конструкции. Минск:              Zement+Beton. 2004. P. 16–21.
МИПК и ПК БНТУ, 2013. 211 c.                                                    17. Hua N., Khorasani N., Tessari A., Ranade R. Experimental
4. Нажуев М. П., Ефименко Е. А., Цокало Р. А., Насевич А. С.,      study of fire damage to reinforced concrete tunnel slabs // Fire Safety
Халюшев А. К. Исследование структурно-физических характе-                Journal. 2022. Vol. 127. P. 103504. DOI:10.1016/j.firesaf.2021.103504
ристик бетона опытных образцов центрифугированных желе-                         18. Полевода И. И., Жамойдик С. М., Нехань Д. С.
зобетонных колонн кольцевого сечения // Инженерный вестник               Модельные огневые испытания железобетонных центрифугиро-
Дона. 2019. № 4 (55). C. 45.                                             ванных колонн с конструктивной огнезащитой // Вестник Уни-
5. Чернильник А. А., Яновская А. В., Доценко Н. А. Неко-           верситета гражданской защиты МЧС Беларуси. 2020. Т. 5. № 3.
торые аспекты повышения эффективности производства цен-                  С. 289–299. DOI:10.33408/2519-237X.2021.5-3.289
трифугированных железобетонных изделий // Молодой иссле-                        19. Полевода И. И., Нехань Д. С. Огнестойкость центри-
дователь Дона. 2019. № 6 (21). С. 97–99.                                 фугированных железобетонных колонн // Вестник Универ-
6. Пастушков Г. П., Пастушков В. Г. Опыт применения                ситета гражданской защиты МЧС Беларуси. 2021. Т. 5, № 2.
центрифугированных линейных элементов с поперечными се-                  С. 139–158. DOI: 10.33408/2519-237X.2021.5-2.139
чениями различного профиля при строительстве многоэтаж-                         20. Flint G. Fire induced collapse of tall buildings: Dr. tech.
ных зданий // Архитектура и строительные науки. 2014. № 1, 2.            sci. diss. Edinburg, 2005. 393 p.
С. 36–38.                                                                       21. Stelmakh S. A., Scherban E. M., Korobkin A. P., Tkache-
7. Ахвердов И. Н. Железобетонные напорные центрифу-                va K. E., Osadchenko S. A., Kadrov A. A. Study of changes in strength
гированные трубы. М.: Стройиздат, 1967. 163 с.                           properties along section thickness of high-strength centrifuged
8. Казачек В. Г, Лазовский Д. Н., Рак Н. А., Тур В. В.             and vibro-centrifuged concrete // IOP Conference Series: Materials
Шагая в ногу со временем // Вестник Полоцкого государствен-              Science and Engineering. IOP Publishing, 2020. Vol. 905 (1).
ного университета. Серия F. Строительство. Прикладные науки              P. 012060–012066.
2014. № 16. С. 111–113.                                                         22. Michałek J., Sobуtka M. Assessment of Internal Structure
9. Mьller C., Empelman M., Hude F., Adam T.                        of Spun Concrete Using Image Analysis and Physicochemical
Schleuderbetonstьtzen aus hochfester Bewehrung und                       Methods // Materials. 2020. Vol. 13(18). Pp. 3987–4011.
ultrahochfestem Beton // Beton und Stahlbetonbau. 2012. Band             DOI:10.3390/ma13183987
107, Heft 10. P. 690–699. DOI:10.1002/best.201200040                            23. Полевода И. И., Нехань Д. С. Экспериментальные
10. Костюченко Е. Г., Захматов В. Д. Определение пре-              и теоретические исследования физических и теплофизических
дельных состояний пустотных преднапряжённых железобетон-                 характеристик центрифугированного бетона // Вестник Уни-
ных плит перекрытий при огневом воздействии под нагрузкой //             верситета гражданской защиты МЧС Беларуси. 2019. Т. 3, № 3.
Пожаровзрывобезопасность. 2018. Т. 27, № 2–3. С. 67–74.                  С. 255–267. DOI:10.33408/2519-237X.2019.3-3.255
DOI:10.18322/PVB.2018.27.02-03.67-74                                            24. Нехань Д. С., Полевода И. И. Решение статической
11. Тамразян А. Г., Звонов Ю. Н. К оценке резервов не-             задачи огнестойкости центрифугированных железобетонных
сущей способности железобетонных плит в условиях пожа-                   колонн // Вестник Полоцкого государственного университета.
ра // Пожаровзрывобезопасность. 2020. Т. 29, № 2. С. 26–33.              Серия F. 2021. № 8. С. 94–106.
DOI:10.18322/PVB.2020.29.02.26-33                                               25. Голованов В. И., Пехотиков А. В., Павлов В. В.
12. Полевода И. И., Нехань Д. С. Решение теплотехниче-             Инженерный метод расчета огнестойкости стальных конструк-
ской задачи огнестойкости центрифугированных железобетон-                ций с огнезащитой плитами КНАУФ-ФАЙЕРБОРД // Пожарная
ных колонн // Пожаровзрывобезопасность. 2021. Т. 30. № 2.                безопасность. 2016. Т. 27, № 2–3. С. 171–178.
С. 49–70. DOI:10.22227/PVB.2021.30.02.49-70                                     26. Басакович И. А., Ботян С. С., Жамойдик С. М., Куд-
13. Полевода И. И., Жамойдик С. М., Нехань Д. С., Ба-              ряшов В. А., Осяев В. А., Полевода И. И. Огнезащитная эффек-
тан Д. С. Исследование физико-механических свойств цент-                 тивность гипсовых плит KNAUF FIREBOARD для вертикальных
рифугированного бетона // Наука и техника. 2019. Т. 18. № 4.             стальных профилей различного сортамента // Вестник Уни-
С. 319–329. DOI:10.21122/2227-1031-2019-18-4-319-329                     верситета гражданской защиты МЧС Беларуси. 2019. Т. 3. № 3.
14. Полевода И. И., Нехань Д. С. Результаты натурных               С. 268–282. DOI:10.33408/2519-237X.2019.3-3.268
огневых испытаний центрифугированных железобетонных                             27. Жамойдик С. М. Методология оценки огнестойкости
колонн кольцевого сечения // Вестник Университета граж-                  стальных колонн с конструктивной огнезащитой, расположен-
данской защиты МЧС Беларуси. 2020. Т. 4. № 2. С. 142–159.                ных по периметру помещения // Вестник Командно-инженер-
DOI:10.33408/2519-237X.2020.4-2.142.                                     ного института МЧС Республики Беларусь. 2016. № 1. С. 39–51.

REFERENCES
1. Bleschik N.P., Zhukov D.D., Lazovsky D.N. Zhelezobetonnye       of concrete of prototypes of centrifuged reinforced concrete
konstruktsii. Osnovy teorii, rascheta i konstruirovaniia: Ucheb.         columns of an annular section. Inzhenerny vestnik Dona
posobie dlia vuzov [Reinforced concrete structures. Fundamentals         (Engineering journal of Don). 2019, no. 4 (55), 45 p.
of theory, calculation and design: Textbook for universities]. Brest,    (in Russ.).
BrGTU Publ, 2003. 380 p. (in Russ.).                                           5. Chernilnik A.A., Yanovskaya A.V., Dotsenko N.A. Some
2. Polevoda I.I., Nekhan D.S. Fire resistance of spun reinforced   aspects of increasing the efficiency of production of centrifuged
concrete columns. Vestnik universiteta grazhdanskoi zashchity            reinforced concrete products. Molodoi issledovatel Dona (Young
MCHS Belarusi (Journal of Civil Protection). 2021, vol. 5, no. 2,        researcher of the Don). 2019, 6 (21), pp. 97–99. (in Russ.).
pp. 139–158. (in Russ.). DOI:10.33408/2519-237X.2021.5-2.139                   6. Pastushkov G.P., Pastushkov V.G. Experience in the use of
3. Neverovich I.I. Zhelezobetonnye konstruktsi [Reinforced         centrifuged linear elements with cross sections of various profiles
concrete constructions]. Minsk: MIPK and PK BNTU Publ., 2013.            in the construction of multi-storey buildings // Architecture
211 p. (in Russ.).                                                       and construction sciences. 2014, no. 1.2, pp. 36–38. (in Russ.).
4. Nazhuev M.P., Efimenko E.A., Tsokalo R.A., Nasevich A.S.,             7. Akhverdov I.N. Reinforced concrete pressure centrifuged
Khalyushev A.K. Study of the structural and physical characteristics     pipes. Moscow, Stroyizdat Publ., 1967. 163 p. (in Russ.).

ПОЖАРЫ И ЧРЕЗВЫЧАЙНЫЕ СИТУАЦИИ: ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ, ЛИКВИДАЦИЯ. 2022. № 2

FIRE AND EMERGENCIES: PREVENTION, ELIMINATION. 2022. No. 2

8. Kazachek V.G., Lazovsky D.N., Rak N.A., Tur V.V.               fire protection. Vestnik Universiteta grazhdanskoi zashchity
Keeping up with the times. Vestnik Polotskogo gosudarstvennogo           MChS Belarusi (Journal of Civil Protection). 2020, vol. 5, no. 3,
universiteta. Seriia F. Stroitelstvo. Prikladnye nauki (Bulletin of      pp. 289–299. (in Russ.). DOI:10.33408/2519-237X.2021.5-3.289
Polotsk State University. Series F. Construction. Applied Sciences)             19. Polevoda I.I., Nekhan D.S. Fire resistance of centrifuged
2014, no.16, pp. 111–113. (in Russ.).                                    reinforced concrete columns. Vestnik Universiteta grazhdanskoi
9. Mьller C., Empelman M., Hude F., Adam T.                       zashchity MChS Belarusi (Journal of Civil Protection). 2021,
Schleuderbetonstьtzen aus hochfester Bewehrung und                       vol. 5, no. 2, pp. 139–158. (in Russ.). DOI:10.33408/2519-
ultrahochfestem Beton. Beton und Stahlbetonbau. 2012. Band 107,          237X.2021.5-2.139
Heft 10. P. 690–699. (in German). DOI:10.1002/best.201200040                    20. Flint G. Fire induced collapse of tall buildings: Dr. tech.
10. Kostyuchenko E.G., Zakhmatov V.D. Determination               sci. diss. Edinburg, 2005. 393 p. (in Eng.).
of the limit states of loaded prestressed hollow core concrete                  21. Stelmakh S.A., Scherban E.M., Korobkin A.P., Tkacheva K.E.,
floor slabs under fire exposure. Pozharovzryvobezopasnost (Fire          Osadchenko S.A., Kadrov A.A. Study of changes in strength
and Explosion Safety). 2018, vol. 27, no. 2–3, pp. 67–74. (in Russ.).    properties along section thickness of high-strength centrifuged
DOI:10.18322/PVB.2018.27.02-03.67-74                                     and vibro-centrifuged concrete. IOP Conference Series: Materials
11. Tamrazyan A. G., Zvonov Yu. N. To the estimation of           Science and Engineering. IOP Publishing, 2020. Vol. 905(1).
emergency bearing capacity of reinforced slabs in the case of fire.      P. 012060–012066 (in Eng.).
Pozharovzryvobezopasnost (Fire and Explosion Safety). 2020, vol. 29,            22. Michałek J., Sobуtka M. Assessment of Internal Structure
no. 2. pp. 26–33. (in Russ.). DOI:10.18322/PVB.2020.29.02.26-33          of Spun Concrete Using Image Analysis and Physicochemical
12. Polevoda I.I., Nekhan D.S. Solving the heat                   Methods. Materials, 2020, vol. 13(18), pp. 3987–4011. (in Eng.).
engineering problem of fire resistance of centrifuged reinforced         DOI: 10.3390/ma13183987
concrete columns. Pozharovzryvobezopasnost (Fire and                            23. Polevoda I.I., Nekhan D.S. Experimental and theoretical
Explosion Safety). 2021, vol. 30, no. 2, pp. 49–70. (in Russ.).          studies of the physical and thermal characteristics of centrifuged
DOI:10.22227/PVB.2021.30.02.49-70                                        concrete. Vestnik Universiteta grazhdanskoi zashchity MChS
13. Polevoda I.I., Zhamoydik S.M., Nekhan D.S., Batan D.S.        Belarusi (Journal of Civil Protection). 2019, vol. 3, no 3. pp. 255–267.
Study of the physical and mechanical properties of centrifuged           (in Russ.). DOI: 10.33408/2519-237X.2019.3-3.255
concrete. Nauka i tekhnika (Science and Technology). 2019, vol. 18,             24. Nekhan D.S., Polevoda I.I. Solution of the static problem
no. 4, pp. 319–329. (in Russ.). DOI:10.21122/2227-1031-2019-             of fire resistance of centrifuged reinforced concrete columns
18-4-319-329                                                             Vestnik Polotskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriia
14. Polevoda I.I., Nekhan D.S. Results of full-scale fire tests   F. Stroitelstvo. Prikladnye nauki (Bulletin of Polotsk State
of centrifuged reinforced concrete columns of annular section.           University. Series F. Construction. Applied Sciences). 2021, no. 8,
Vestnik Universiteta grazhdanskoi zashchity MChS Belarusi                pp. 94–106. (in Russ.).
(Journal of Civil Protection). 2020, vol. 4, no. 2, pp. 142–159.                25. Golovanov V.I., Pekhotikov A.V., Pavlov V.V., Engineering
(in Russ.). DOI:10.33408/2519-237X.2020.4-2.142                          method for designing fire resistance of steel constructions protected
15. Nekhan D.S., Kurachenko I.Y., Olesiyuk N.M., Kreer L.A.       by knauf-fireboard plates. Pozharnaia bezopasnost (Fire and
Investigations of the temperature of the gaseous medium during           Explosion Safety). 2016, vol. 27, no. 2–3, pp. 171–178. (in Russ.).
full-scale fire tests of building structures. Vestnik Universiteta              26. Basakovich I.A., Botyan S.S., Zhamoydik S.M.,
grazhdanskoi zashchity MChS Belarusi (Journal of Civil Protection).      Kudryashov V.A., Osyaev V.A., Polevoda I.I. Fire-retardant efficiency
2020, vol. 4, no. 2, pp. 130–141. (in Russ.). DOI:10.33408/2519-         of KNAUF FIREBOARD gypsum boards for vertical steel profiles
237X.2020.4-2.130                                                        of various grades. Vestnik Universiteta grazhdanskoi zashchity
16. Barnas A., Rinnhofer G. Development of highly reinforced      MChS Belarusi (Journal of Civil Protection). 2019, vol. 3, no. 3,
spun concrete columns – fire behavior and design software.               pp. 268–282. (in Russ.). DOI:10.33408/2519-237X.2019.3-3.268.
Zement+Beton. 2004, pp. 16–21. (in German).                                     27. Zhamoydik S.M. Methodology for assessing the
17. Hua N., Khorasani N., Tessari A., Ranade R.                   fire resistance of steel columns with structural fire protection
Experimental study of fire damage to reinforced concrete tunnel          located along the perimeter of the premises. Vestnik komandno-
slabs. Fire Safety Journal. 2022, vol. 127, p. 103504. (in Eng.)         inzhenernogo instituta MCHS Respubliki Belarus (Bulletin
DOI:10.1016/j.firesaf.2021.103504                                        of the Command and Engineering Institute of the Ministry
18. Polevoda I.I., Zhamoydik S.M., Nekhan D.S. Model fire         of Emergency Situations of the Republic of Belarus). 2016, no. 1,
tests of reinforced concrete centrifuged columns with structural         pp. 39–51. (in Russ.).

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ                                                  INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Иван Иванович ПОЛЕВОДА                                                   Ivan I. POLEVODA
Кандидат технических наук, доцент                                        PhD in Engineering, Associate Professor
Начальник Университета гражданской защиты Министерства                   Head of University of Civil Protection of the Ministry
по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь,                           for Emergency Situations of the Republic of Belarus,
Минск, Республика Беларусь                                               Minsk, Republic of Belarus
SPIN-код: 1662-9457                                                      SPIN-код: 1662-9457
AuthorID: 1034546                                                        AuthorID: 1034546
ORCID: 0000-0003-2469-3553                                               ORCID: 0000-0003-2469-3553
ip@ucp.by                                                                ip@ucp.by

Сергей Михайлович ЖАМОЙДИК                                               Sergey M. ZHAMOIDIK
Кандидат технических наук, доцент                                        PhD in Engineering, Associate Professor
Профессор кафедры пожарной безопасности,                                 Professor of Fire Safety Department,
Университет гражданской защиты Министерства                              University of Civil Protection of the Ministry
по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь,                           for Emergency Situations of the Republic of Belarus,
Минск, Республика Беларусь                                               Minsk, Republic of Belarus
SPIN-код: 4671-3890                                                      SPIN-код: 4671-3890
AuthorID: 1047561                                                        AuthorID: 1047561
ORCID: 0000-0003-0407-5176                                               ORCID: 0000-0003-0407-5176
zhamoidik.kii@gmail.com                                                  zhamoidik.kii@gmail.com

Денис Сергеевич НЕХАНЬ                                                  Denis S. NEKHAN 
Cтарший преподаватель кафедры пожарной безопасности,                     Senior lecturer of Fire Safety Department,

БЕЗОПАСНОСТЬ ОБЪЕКТОВ

SAFETY OF FACILITIES

Университет гражданской защиты Министерства                         University of Civil Protection of the Ministry
по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь,                      for Emergency Situations of the Republic of Belarus,
Минск, Республика Беларусь                                          Minsk, Republic of Belarus
SPIN-код: 3773-9964                                                 SPIN-код: 3773-9964
AuthorID: 1037873                                                   AuthorID: 1037873
ORCID: 0000-0001-7838-4663                                          ORCID: 0000-0001-7838-4663
 denis_nechany@mail.ru                                              denis_nechany@mail.ru
Поступила в редакцию 21.04.2022                                                            Received 21.4.2022
Принята к публикации 23.04.2022                                                          Accepted 23.04.2022

Для цитирования:                                                    For citation:
Полевода И. И., Жамойдик С. М., Нехань Д. С. Огнестойкость          Polevoda I.I., Zhamoidik S.M., Nekhan D.S. Fire resistance
железобетонных колонн с конструктивной огнезащитой //               of reinforced concrete columns with structural fire retardance.
Пожары и чрезвычайные ситуации: предупреждение, ликвидация.         Pozhary i chrezvychaynyye situatsii: predotvrashcheniye, likvidatsiya
2022. № 2. С. 67–81. DOI:10.25257/FE.2022.2.67-81                   (Fire and emergencies: prevention, elimination). 2022, no. 2, pp. 67–81.
DOI:10.25257/FE.2022.2.67-81