Расчет фактического предела огнестойкости незащищенных стальных конструкций при различных температурных режимах пожара

В соответствии с требованиями нормативных документов по пожарной безопасности (см., например , п. 5.4.3 СП 2.13130.2012 ”Системы противопожарной защиты. Обеспечение огнестойкости объектов защиты"), если требуемый предел огнестойкости конструкций (за исключением конструкций в составе противопожарных преград) составляет R 15 (RE 15, REI 15), допускается применять незащищенные стальные конструкции независимо от их фактического предела огнестойкости. Исключением являются случаи, когда предел огнестойкости хотя бы одного из элементов несущих конструкций (структурные элементы ферм, балок, колонн и т. п.) по результатам испытаний составляет менее R 8. Однако на практике последним условием зачастую пренебрегают и принимают предел огнестойкости для незащищенных стальных конструкций равным R 15. Кроме того, недостаточно ясно, как фактический предел огнестойкости незащищенных стальных конструкций зависит от их приведенной толщины 6 кр (мм). При этом величина R 5 может быть как избыточной (при больших значениях бкр) , так и недостаточной (при малых значениях Дк р). Данные по фактическому пределу огнестойкости стальных незащищенных конструкций при различных значениях б , представленные в [1], относятся к стандартному температурному режиму так называемого ”целлюлозного” пожара (см. ISO 834-1 : 1999 ”Испытания на огнестойкость . Элементы строительных конструкций. Часть 1. Общие требования”; ГОСТ 30247.()—94 ”Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования”). В то же время незащищенные стальные конструкции зачастую используются на предприятиях нефтегазового комплекса, для которых характерен углеводородный температурный режим пожара (см. ГОСТ Р ЕН 1363-2—2014 ”Конструкции строительные. Испытания на огне- стойкость. Часть 2. Альтернативные и дополнительные методы"). Однако в литературе для такого случая отсутствует зависимость предела огнестойкости от приведенной толщины конструкции 6 кр• В работе [2] представлен инженерный метод расчета пределов огнестойкости стальных конструкций и для стандартного ”целлюлозного” пожара вычислены температуры конструкций, имеющих различные приведенные толщины. Вопросы оценки огнестойкости стальных конструкций, а также поведения строительных конструкций (в том числе стальных незащищенных) при пожаре освещались и в работах [3—1], но тоже в основном для случая стандартного ”целлюлозного” пожара. И лишь в работах [17—19] рассматриваются иные температурные режимы пожара. В связи с вышеизложенным настоящая работа посвящена расчетной оценке фактического предела огнестойкости незащищенных стальных конструкций для температурных режимов, соответствующих стандартным ”целлюлозному” и углеводородному пожарам. 

Методика расчета и полученные результаты 

Проведено численное моделирование прогрева незащищенных стальных конструкций, имеющих различные приведенные толщины бкр, при воздействии стандартных ”целлюлозного” и углеводород-ного пожаров. Использован программный комплекс FDS б [20]. Температурные режимы ”целлюлозного” и углеводородного пожаров описывались соотношениями: 

”целлюлозный” режим (ГОСТ 30247.0-94): 

т = то + 345*1оg(8t + 1); (1)

углеводородный режим (ГОСТ Р ЕН 1363-2-2014): 

Т=1080 (1-0,325е'-0,167t' -0,675е'25' )+20, (2) 

где Т, То — текущая и начальная температуры, С; 

t — время от начала пожара, мин. 

Рассмотрены стальные незащищенные конструкции с приведенной толщиной от З до 60 мм. Предел огнестойкости определялся по достижении конструкцией температуры 500 С (ГОСТ Р 53295—2009 ”Средства огнезащиты для стальных конструкций. Общие требования. Методы определения огнезащитной эффективности”). На рис. 1 представлена зависимость фактического предела огнестойкости незащищенных стальных конструкций от их приведенной толщины при 

воздействии стандартных ”целлюлозного” (кривая 1) и углеводородного (кривая 2) пожаров. На рис. 1 для сравнения представлены также данные работы [1 , с. 356] для стандартного ”целлюлозного” пожара (кривая З). Видно, что с увеличением приведенной толщины конструкции б фактический предел огнестойкости заметно возрастает. Обращает на себя внимание и тот факт, что для стандартного ”целлюлозного” пожара рассчитанный предел огнестойкости превышает 15 мин. В соответствии с СП 2.13130.2012 (п. 5.4.3), если требуемый предел огнестойкости конструкции (за исключением конструкции в со- ставе противопожарных преград) составляет R 15 (RE 15, REI 15), допускается применять незащищенные стальные конструкции независимо от их фактического предела огнестойкости. Исключение составляют случаи, когда предел огнестойкости хотя бы одного из элементов несущих конструкций по результатам испытаний менее R 8. Результаты расчетов, выполненных в настоящей работе, подтверждают правильность этого требования для случая стандартного ”целлюлозного” пожара. В то же время применение данного требования для стандартного углеводородного пожара может привести к ошибочным результатам, так как фактический предел огнестойкости (см. рис. 1) может быть менее 1 5 мин. Следует отметить удовлетворительное согласие результатов, полученных в настоящей работе для стандартного ”целлюлозного” пожара, с данными, приведенными в [1] (см. рис. 1, кривые 1 и З). В работе [19] найдено приближенное соотношение между температурами строительных конструкций при воздействии на них стандартных ”целлюлозного” и углеводородного пожаров: (3) времена достижения одной и той же тем- где % , ts ¯ температуры соответственно для углеводородного и ”целлюлозного” режимов пожара; К — коэффициент, равный 0,6 для бетонной конструкции и 0,28 для стальной незащищенной конструкции. Соотношение (З) может быть распространено и на рассматриваемый случай. При этом для стальной незащищенной конструкции коэффициент К может зависеть от ее приведенной толщины. Для определения зависимости коэффициента К от приведенной толщины конструкции (рис. 2) использованы данные, представленные на рис. (кривые 1 и 2). Из рис. 2 видно, что коэффициент К зависит от приведенной толщины строительной конструкции б . При этом при б более 30 мм эта зависимость довольно слабая, и в этом случае величина К может быть принята приближенно равной 0,39. 

 Выводы 

В настоящей работе с помощью программного комплекса FDS б проведено численное моделирование воздействия стандартных ”целлюлозного” и углеводородного пожаров на стальные незащищенные строительные конструкции при их различных приведенных толщинах б . Найдено, что для ”целлюлозного” пожара фактический предел огнестойкости превышает 15 мин при б = 5 мм, что подтверждает обоснованность допущения СП 2.13130.2012 о применение защищенных стальных конструкций для данного температурного режима пожара. В то же время для углеводородного пожара это допущение неприемлемо. Найдена зависимость между пределами огнестойкости для ”целлюлозного” и углеводородного пожаров при различной приведенной толщине конструкций. Результаты работы свидетельствуют о необходимости корректировки п. 5.4.3 СП 2.13130.2012 в части применения стальных незащищенных конструкций для зданий и сооружений , для которых характерен углеводородный пожар. 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 

1. МолчадскиЙ И. С. Пожар в помещении. — М. : ВНИИПО, 2005 — 456с.

2. Голованов В. И., Павлов В. В., Пехотиков А. В. Инженерный метод расчета огнестойкости стальных конструкций с огнезащитными плитами КНАУФ-Файерборд Пожарная безопасность. — 2016. — Х! З. —С. 171-178. 

3. Голованов В. И., Павлов В. В., Пехотиков А. В. Оценка качества нанесения средств огнезащиты на стальные конструкции зданий и сооружений различного функционального назначения Пожарная безопасность. — 2015. — Ме 3. — С. 74—82. 

4. Голованов В. И., ПехотиковА. В., Павлов В. В. Расчет огнестойкости конструкций из стали с повышенными показателями огнестойкости для объектов нефтегазовой промышленности Территория НЕФТЕГАЗ. — 2007. — 4. —С. 72-77. 

5. Хасанов И. Р., Голованов В. И. Обеспечение огнестойкости несущих строительных конструкций // Юбилейный сборник трудов ФГБУ ВНИИПО МЧС России. — М. : ВНИИПО, 2012. — с. 81-101. 

б. PD 7974-7:2003. Application 0ff1re safety engineering principles to the design ofbuildings — Part 7: Probabilistic risk assessment. — London : British Standards Institution, 2003. — 88 р. 

7. LawM. А review offormulae forT-equivalence Fire Safety Science. — 1997. — Vol. 5. —Р. 985—996. DOI: 10.3801/iafss.fss.5-985. 

8. Thomas G. С., BuchananA. Н., Fleischmann С. М. Structural Пте design: the role oftime equivalence // Fire safety Science. — 1997. — vol. 5. —Р. 607-618. DOI: 10.3801/iafss.fss.5-607. 

9. Shebeko Уи. N., Shebeko А. Уи. Conditions 0ff1re and explosion safety at а determination ofoperation parameters 0f industrial facilities // Science and Technology 0f Energetic Material. — 2011. Vol. 72, No. 2. — Р. 57-61. 

10. CadorinJ. F., Perez Jimenez С., FranssenJ. М. Inf1uence ofthe section and ofthe insulation type оп the equivalent time // Proceedings ofthe 4th lntemational Seminar оп Fire and Explosion Hazards. — Ulster : University 0fUlster, 2004. — Р. 547—557. 

11. Уапд You-Fu, FuFeng. Fire resistance ofsteel beam to square CFST column compositejoints using RC slabs: Experiments and numerical studies Fire Safety Journal. — 2019. — Vol. 104. — Р. 90—108. DOI: 10.1016/j.frresaf.2019.Ol.009. 

12. Шебеко А. Ю., Шебеко Ю. Н., ГорДиенкоД. М. Расчетная оценка эквивалентной продолжительности пожара для стальных конструкций технологической эстакады нефтеперерабатывающего предприятия // Пожарная безопасность. — 2017. — Ме 1. — С. 25—29. 

13. CorreiaA. М., Pires Т. А. С., RodriguesJ. Р. С. Behaviourofsteel columns subjected to f1re//Proceedings ofthe Sixth Intemational Seminar оп Fire and Explosion Hazards (April 11—1 б, 201 О, Leeds, Uk) / D. Bradley, G. Makhviladze, V. Molkov (eds.). — Leeds : Research Publishing, 2011. — Р. 879—890. D01: 10.38507978-981-08-7724-8_13-Ol. 

14. Guo-Qiang Li, JianJiang, Уопд С. Wang. Experimental study ofthe inf1uence oftopcoaton insulation performance 0f intumescent coating for steel structures Fire Safety Journal. — 2018. — vol. 101. — Р. 25-38. DOI: 10.1016/j.frresaf.2018.08.006. 

15. Meijing Liu, Shenggang Fan, Wenjun Sun, Runmin Ding, Ting Zhu. Fire-resistant design ofeccentrically compressed stainless steel columns with constraints / / Fire Safety Journal. — 2018. — Vol. — Р. 1-19. DOI: lO.1016/j 6resaf.2018.06.006. 

16. Maciulaitis R., Grigoni,s М., Malaiskiene Ј. The impact ofthe aging ofintumescent f1re protective coatings оп f1re resistance // Fire Safety Journal. — 2018. — Vol. 98. — Р. 15—23. DOI: 1 О. 1016/j f1resaf.2018.03.007. 

17. Lucherini А., Giuliani L., Jomaas (7. Experimental study ofthe performance 0f intumescent coatings exposed to standard and non-standard f1re conditions // Fire Safety Journal — . 2018. — Vol. 95.— Р. 42-50. DOI: 10.1016/j.6resaf.2017.lO.004. 

18. QuielS. Е., УоКоуата Т., BregmanL. S , Muellerk. А., Marjani,shviliS. М. А streamlined frame work for calculating the response 0f steel-supported bridges to open-car tanker truck f1res // Fire Safety Journal. . Р. 63-75. DOI: 10.1016/j.fwesaf.2015.03.004. 

—2015. —Vol. 73. -- P. 63-75. DOI:10.1016/j.firesaf.2015.03.004

19. Шебенко А.Ю., Шебенко Ю.Н. Взаимосвязь величин температуры строительных конструкций при стандартном и углеводородном температурных режимах пожара // Пожарная безопасность. -- 2017. --№2 — C. 46—49. 

20. McGrattan K. B., McDermott R. J, Weinschenk C. G, Forney G. P. Fire Dynamics Simulator. Technical Reference Guide (version 6. l) / MST Special Publication- 1018. — Gaithersburg, Maryland : National Institute of Standards and Technology, 2013. 

Информация об авторах

Шебенко Юрий Николаевич, д-р техн. наук, профессор, главный научный сотрудник, Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС России, г. Балашиха Московской обл., Российская Федерация; 

Зубань Андрей Владимирович, канд. техн. наук, заместитель начальника отдела ФГБУ Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС России, г. Балашиха Московская обл., Российская Федерация;

Шебеко Алексей Юрьевич, канд. техн. наук, начальник отдела ФГБУ Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС России, г. Балашиха Московская обл., Российская Федерация;