Расчет температурного режима пожара при определении пределов огнестойкости строительных конструкций в зданиях, расположенных над транспортными магистралями

ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВ

О. О. ВОРОГУШИН, аспирант кафедры пожарной безопасности Московского государственного строительного университета, г. Москва, Россия

А. Я. КОРОЛЬЧЕНКО, д-р техн. наук, профессор, академик МАНЭБ, профессор кафедры пожарной безопасности Московского государственного строительного университета, г. Москва, Россия

А. В. ЛЯПИН, канд. техн. наук, директор Научно-исследовательского института экспертизы и инжиниринга Московского государственного строительного университета, г. Москва, Россия

УДК 614.841.34:624

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ПОЖАРА

ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ПРЕДЕЛОВ ОГНЕСТОЙКОСТИ

СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ЗДАНИЯХ,

РАСПОЛОЖЕННЫХ НАД ТРАНСПОРТНЫМИ

МАГИСТРАЛЯМИ

Проведено численное моделирование пожара с использованием дифференциальной гидроди- намической (CFD) модели пожара в тоннеле, образованном строительными конструкциями здания, надстроенного над проезжей частью автомобильной дороги. Определен температур- ный режим пожара при возгорании транспорта в рассмотренном тоннеле.

Ключевые слова: моделирование пожара; огнестойкость; тоннель.

Проблема нехватки свободных территорий в круп- В настоящей работе предпринята попытка по- ных городах на сегодняшний день стоит достаточно средством математического моделирования пожара остро. В таких условиях возникает необходимость определить температурный режим, развиваемый при более плотной застройки территорий и поиска новых возгорании транспорта на автомобильной дороге, инженерных решений. Наряду с высотным строи- расположенной под зданием.

тельством, одним из эффективных решений сложив-

Постановка задачи шейся ситуации является строительство обществен- ных, производственных и складских зданий над Расчет проводился на примере многофункцио- многочисленными транспортными магистралями. нального комплекса, показанного на рис. 1. В каче-

Проекты надпутевого строительства на протя- стве расчетного варианта пожара принималось, что жении последних лет были успешно реализованы в на автомобильной дороге, расположенной под над-

Берлине, Гонконге, Нью-Йорке. В последнее время земным переходом, создалась аварийная ситуация этот опыт перенимают и отечественные градостро- с участием пассажирского автобуса. В результате ители. Однако заключение транспортного пути в пол- аварии произошло разлитие и последующее возго- ноценный тоннель — крайне дорогостоящее и не рание бензина.

всегда оправданное решение. Поэтому все большее распространение получают проекты зданий, над- строенных непосредственно над автомобильной до- рогой. Автомобильная дорога в этом случае прохо- дит насквозь через здание в уровне первого или пер- вых двух его этажей.

При этом актуальным становится вопрос об оп- ределении требований к огнестойкости строитель- ных конструкций в таких зданиях, так как в случае возгорания транспорта на путях, проходящих под зданием, указанные конструкции могут быть под- вергнуты тепловому воздействию, значительно от- личающемуся от условий стандартного огневого Рис. 1. Проект строительства общественного здания над ав- испытания. томобильной дорогой и трамвайными путями

ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 № 4

ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВ

Таблица 1. Свойства пожарной нагрузки

Свойство пожарной нагрузки Значение

Низшая теплота сгорания DHc, кДж/кг 43200,0 7 8

Линейная скорость распространения пла- 4 5

745 мени v, м/с 1 2

Удельная скорость выгорания yуд, кг/(м2·с) 0,05850

Дымообразующая способность, Нп·м /кг

256,00

Потребление кислорода (О2), кг/кг –3,4050

Количество выделяемого газа, кг/кг:

углекислого (СО2) 2,92000

Рис. 2. Схема размещения термопар угарного (СО) 0,17500 хлористого водорода (НCl)

Контроль температуры в припотолочном слое газа производится посредством 18 термопар: 9 из

Мощность пожара Nпож в соответствии с данны- них расположены непосредственно под потолком, ми, приведенными в стандарте [1], принимается рав- еще 9 — на расстоянии 30 см от нижнего пояса пере- ной 30 МВт. В качестве пожарной нагрузки прини- крытия. Схема размещения термопар представлена мается розлив бензина А-76. Свойства пожарной на рис. 2.

нагрузки взяты из Пособия [2] (табл. 1). Контроль температурного режима, воздейству-

Площадь розлива Sрозл (м2) определяется по фор- ющего на колонну, производился посредством двух муле термопар, размещенных непосредственно у поверх-

N пож 3 Ч 107 ности колонны со стороны очага пожара: одна из

S розл = = = 11,87 м2. (1) y уд DH c 0,0585 Ч 4,32 Ч 10 7 них — непосредственно под потолком, другая — на расстоянии 30 см от нижнего пояса перекрытия

Для ужесточения условий расчета принимаем, (см. рис. 2).

что затухание пожарной нагрузки вследствие ее вы- Значения температуры при моделировании по- горания не происходит и мощность тепловыделения жара замеряются в течение 45 мин для термопар, сохраняется постоянной в течение всего времени находящихся под перекрытием, и в течение 90 мин моделирования пожара (90 мин). для термопар, расположенных у колонны.

Согласно расчетному сценарию розлив бензина образуется у наружной стены здания в середине тоннеля (образованного строительными конструк- Математическая модель пожара циями здания), так как в данном случае обеспечива-

Для описания термогазодинамических парамет- ется минимальный отвод нагретых продуктов горе- ров пожара в тоннеле применимы две основные ния в атмосферу и, как следствие, максимальное теп- группы детерминистических моделей — зонная и ловое воздействие на строительные конструкции полевая. Приоритетность использования полевой объекта.

модели пожара в данном случае обусловлена тем,

Высота от поверхности проезжей части до ниж- что она позволяет получать локальные значения за- него пояса перекрытия принимается равной 4,8 м.

меряемых величин в определенных точках области

В качестве материала ограждающих конструкций моделирования.

принимается тяжелый бетон на известняковом щеб- не. Теплофизические свойства бетона [3, 4] приве- Полевая математическая модель пожара основа- дены в табл. 2. на на уравнениях, выражающих законы сохранения массы, импульса, энергии и масс компонентов в ма- лом рассматриваемом объеме [5].

Таблица 2. Теплофизические свойства бетона Уравнение сохранения массы:

Свойство бетона Значение

3 ¶r ¶

Массовая плотность, кг/м 2250 + (r u j ) = 0 . (2)

¶t ¶x j

Коэффициент теплопроводности,

1,29 – 0,00055t

Вт/(м·К)

Удельная теплоемкость, Дж/(кг·К) 481 + 0,84t

Уравнение сохранения импульса:

Степень черноты 0,63 ¶ ¶ ¶p ¶t ij

(ru i ) + (r uj u i ) = - + + rg i . (3)

П р и м е ч а н и е . t — температура бетона, К. ¶t ¶ xj ¶x i ¶xj

34 ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 № 4

ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВ

Для ньютоновских жидкостей, подчиняющихся                                            Для замыкания представленной выше системы
закону Стокса, тензор вязких напряжений tij опре-                                    уравнений используется уравнение состояния иде-
деляется формулой                                                                    ального газа. Для смеси газов оно имеет вид:
ж ¶u  ¶ u j ц 2 ¶ uk                                                  p = rR 0T е (Y k M k ) ,                         (7)
t ij = m зз i +       ч- m     d .                     (4)
и ¶xj ¶x i чш 3 ¶ xk ij                                                         k
где R0 — универсальная газовая постоянная;
Уравнение энергии:                                                         Mk — молярная масса k-го компонента.
Очевидно, что решение полевой модели пожара
¶           ¶
(rh ) +      (r uj h ) =                         требует использования ЭВМ. На сегодняшний день
¶t         ¶ xj                                     существует ряд компьютерных программ, предна-
¶ ж l ¶h ц ¶q j
R
¶p                                                      значенных для решения данной модели, таких как
=      +       зз          чч -   .               (5)       PHOENICS, JASMINE, SOFIE, FDS, FLUENT, CFX.
¶t   ¶ x j и c p ¶ x j ш ¶xj
В рамках моделирования был использован про-
Здесь h — статическая энтальпия смеси;                                               граммный комплекс Fire Dynamics Simulator (FDS),
T                                                       разработанный институтом стандартов и технологий
h = h0 + т cp dT + е (Y k H k ) ;                                      США (NIST) [6].
T0                  k
cp — теплоемкость смеси при постоянном дав-
Результаты расчета
лении; c p = е Y k c p, k ;
k                                                  Наиболее наглядно температурный режим пожа-
Hk — теплота образования k-го компонента;
q Rj — радиационный поток энергии в направ-                                      ра можно оценить с помощью температурных по-
лении xj.                                                                        лей (рис. 3), представленных в вертикальной плос-
Уравнение сохранения химического компонен-                                       кости, проходящей через геометрический центр роз-
та k:                                                                                лива ЛВЖ.
Значения локальных и средних температур при-
¶             ¶                  ¶ ж       ¶Y ц
(rY k ) +      (r uj Y k ) =      зз r D k чч + S k . (6)                      ведены в табл. 3. При расчете средней температуры
¶t            ¶ xj               ¶ xj и     ¶ xj ш                                 притолочного слоя газа не учитывались данные, по-

Таблица 3. Значения локальных и средних температур, К

перекрытию

Время, мин

Термопара Термопара

Среднее по

по колонне

Среднее

1 1ў 2 2ў 3 3ў 4 4ў 5 5ў 6 6ў 7 7ў 8 8ў 9 9ў 10 10ў

5 1012 629 1468 1080 1329 866 1358 846 1561 1580 1369 1007 1064 649 1387 1010 1295 863 1237 729 1313 1021

10 1026 607 1489 1165 1191 911 1427 909 1544 1512 1415 1083 1239 718 1411 967 1380 915 1235 792 1320 1056

15 1014 596 1454 933 1354 1004 1394 992 1563 1531 1329 1036 1092 734 1506 1064 1356 930 1249 784 1269 1007

20 1027 618 1450 1036 1357 901 1281 882 1591 1578 1433 1197 1221 764 1387 955 1290 858 1255 782 1296 1039

25 1064 673 1486 945 1557 1020 1409 1004 1591 1598 1448 1040 1011 617 1557 1180 1237 834 1253 861 1345 1103

30 1017 613 1549 1207 1334 875 1307 898 1591 1581 1534 1100 975 574 1368 956 1473 1024 1291 849 1329 1089

35 1026 654 1419 1121 1223 958 1287 834 1588 1613 1502 1205 1161 756 1520 1069 1401 984 1299 873 1352 1113

40 1064 649 1526 1103 1349 999 1338 874 1590 1588 1445 1119 1084 679 1517 1082 1293 840 1300 836 1348 1092

45 1040 574 1538 1152 1177 868 1379 983 1548 1581 1472 1108 1121 673 1428 994 1348 883 1288 846 1403 1125

50 – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 825 1210 1018

55 – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 839 1287 1063

60 – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 824 1266 1045

65 – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 810 1325 1068

70 – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 833 1257 1045

75 – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 832 1362 1097

80 – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 874 1299 1087

85 – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 862 1218 1040

90 – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 841 1300 1071

П р и м е ч а н и е . Курсивом показаны значения, не учитываемые в расчете среднего значения температуры.

ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 № 4 35

ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВ

Рис. 3. Температурные поля (°С) в вертикальной плоскости, расположенной на оси, в моменты времени: а — t = 5 мин; б — t = 15 мин; в — t = 30 мин; г — t = 45 мин; д — t = 60 мин; е — t = 75 мин; ж — t = 90 мин; 1 — очаг пожара; 2 — междуэтаж- ное перекрытие; 3 — колонна

лученные посредством термопар 1, 4, 7, 1ў, 4ў и 7ў        колонны показан на рис. 4. Кроме того, на нем пред-
(см. разд. “Анализ результатов и их обсуждение”).         ставлена температурная кривая стандартного огнево-
График зависимости от времени температуры              го испытания (стандартного пожара), определяемая
газовой среды под перекрытием и у поверхности             по формуле
Т = 345 lg(8t + 1) + T0,          (8)
где t — время с момента начала пожара, мин;
T — температура газовой среды, К;
T0 — начальная температура, К.

Анализ результатов и их обсуждение

На основе представленных полей сделаны сле- дующие выводы:

1) поскольку с двух сторон от очага пожара от- сутствуют ограждающие конструкции (в местах въез- да в тоннель и выезда из него), продукты горения

Рис. 4. Температура газовой среды при реальном пожаре и при стандартном огневом испытании: 1 — под перекрытием беспрепятственно удаляются из рассматриваемой при реальном пожаре; 2 — у поверхности колонны при ре- области моделирования в атмосферу, в результате альном пожаре; 3 — при стандартном огневом испытании нагрев газовой среды наблюдается только в припо-

36 ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 № 4

ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВ

толочном слое, а общий вид температурных полей с                  По графику на рис. 4 можно судить о том, что
течением времени практически не меняется;                      температурный режим, воздействующий на конст-
2) наблюдается локальное воздействие высоких               рукции перекрытия при рассмотренном сценарии
температур на конструкцию перекрытия в зоне пе-                пожара, в значительной мере отличается от условий
ресечения конвективной колонки с нижним поясом                 стандартного огневого испытания. На протяжении
перекрытия;                                                    всего времени моделирования температура припо-
3) колонна подвержена воздействию высоких тем-             толочного слоя газа при рассмотренном расчетном
ператур также только в припотолочном слое газовой              варианте значительно превышает температуру “стан-
среды.                                                         дартного пожара”. При этом температурный режим,
Ввиду высокой теплопроводности арматура име-               воздействующий на колонну, в условиях смодели-
ет свойство даже при локальном воздействии вы-                 рованного сценария отличается от стандартного тем-
соких температур быстро прогреваться вдоль всей                пературного режима пожара незначительно.
длины стержня, теряя при этом свои эксплуатаци-
онные свойства. Поэтому за температуру пожара в                                     Выводы
расчете следует принимать среднеобъемную темпе-                    В данной статье проведен расчет температурно-
ратуру наиболее прогретой области газа, располо-               го режима пожара, развитие которого возможно при
женной в припотолочном слое:                                   возгорании транспорта на автомобильной дороге,
а) над конвективной колонкой пожара — при                  проходящей под зданием. Результаты расчета пока-
расчете огнестойкости конструкции пере-               зали, что в рассмотренных условиях возможно теп-
крытия;                                               ловое воздействие на строительные конструкции зда-
б) непосредственно у поверхности колонны со                ния, значительно отличающееся от условий стандарт-
стороны очага пожара — при расчете огне-              ного огневого испытания.
стойкости колонны.                                        Таким образом, полученные данные свидетель-
Из представленных температурных полей вид-                 ствуют о том, что применение стандартных требо-
но, что ближе к стене наблюдается больший про-                 ваний к огнестойкости строительных конструкций
грев припотолочного слоя газов, так как стена пре-             рассматриваемого типа зданий некорректно. Необ-
пятствует свободному отводу нагретых продуктов                 ходимо рассматривать различные условия пожара
горения. Поэтому за температуру газовой среды                  (возгорание различных видов транспорта, различ-
при расчете огнестойкости перекрытия принимаем                 ные параметры надстраиваемого здания и его вза-
среднеарифметическое значение показателей тер-                 имного расположения с дорогой и т. п.) и на основе
мопар 2, 3, 5, 6, 8, 9, 2ў, 3ў, 5ў, 6ў, 8ў и 9ў, не учитывая   полученных данных определять требования к огне-
при этом данные, полученные на термопарах 1, 4, 7,             стойкости строительных конструкций в зданиях,
1ў, 4ў и 7ў (см. рис. 2).                                      построенных над транспортными магистралями.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. National Fire Protection Association (NFPA) 502 “Standard for Road Tunnels, Bridges, and other Li- mited Access Highways”, 2004 edition.

2. Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении. — М. : Академия

ГПС МВД России, 2000.

3. Яковлев А. И. Расчет огнестойкости строительных конструкций. — М. : Стройиздат, 1988.

4. Молчадский И. С. Пожар в помещении. — М. : ВНИИПО, 2005. — 456 с.

5. Методика определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности : приказ МЧС России от 30.06.2009 г.

№ 382; введ. 30.06.2009 г. // Российская газета. — 2009. — № 161; М. : ФГУ ВНИИПО МЧС Рос- сии, 2009.

6. K. McGrattan, S. Hostikka, J. Floyd. Fire Dynamics Simulator Userўs Guide. — W. : U. S. Government

Printing Office, 2007.

Материал поступил в редакцию 15 марта 2012 г.

Электронный адрес авторов: oo.vorogushin@gmail.com.

ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 № 4