firesmiПожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion SafetyPozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety0869-74932587-6201ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»10.22227/0869-7493.2023.32.06.56-68firesmi-1295Research ArticleБЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВSAFETY OF BUILDINGS, STRUCTURES, OBJECTSПрогнозирование огнестойкости железобетонных конструкций с полипропиленовой микрофиброй или огнезащитойPrediction of fire resistance of reinforced concrete structures with polypropylene microfibre or fire protectionhttps://orcid.org/0000-0002-2664-1397АнтоновС. П.AntonovS. P.

АНТОНОВ Сергей Порфирьевич, директор; соискатель на ученую степень кандидата наук

107564, г. Москва, ул. Краснобогатырская, 42, стр. 1; 129366, г. Москва, ул. Бориса Галушкина, 4

Sergey P. ANTONOV, Director; Applicant for the Degree of Candidate of Sciences

Krasnobogatyrskaya St., 42, bld. 1, Moscow, 107564; Borisa Galushkina St., 4, Moscow, 129366

asp@prozask.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8143-944XГаращенкоА. Н.GarashchenkoA. N.

ГАРАЩЕНКО Анатолий Никитович, д-р техн. наук, доцент, директор по науке

107564, г. Москва, ул. Краснобогатырская, 42, стр. 1

Anatoliy N. GARASHCHENKO, Dr. Sci. (Eng.), Assistant Professor, Science Director

Krasnobogatyrskaya St., 42, bld. 1, Moscow, 107564

a.n.gar@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6043-0537ГоловановВ. И.GolovanovV. I.

ГОЛОВАНОВ Владимир Ильич, д-р техн. наук, главный научный сотрудник

143903, Московская обл., г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, 12

Vladimir I. GOLOVANOV, Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher

VNIIPO, 12, Bala­shikha, Moscow Region, 143903

pavelgol1@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2945-663XНовиковН. С.NovikovN. S.

НОВИКОВ Николай Сергеевич, научный сотрудник

143903, Московская обл., г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, 12

РИНЦ ID: 942702

Nikolay S. NOVIKOV, Resercher

VNIIPO, 12, Balashikha, Moscow Region, 143903

agps.nick182@mail.comООО «ПРОЗАСК»; Академия Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствийРоссияPROZASK, LLC; The State Fire Academy of the Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination on Consequences of Natural DisastersRussian FederationООО «ПРОЗАСК»РоссияPROZASK, LLCRussian FederationВсероссийский ордена «Знак Почета» научно-исследовательский институт противопожарной обороны Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствийРоссияAll-Russian Research Institute for Fire Protection of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural DisastersRussian Federation2023151220233265668Copyright © Антонов С.П., Гаращенко А.Н., Голованов В.И., Новиков Н.С., 20232023Антонов С.П., Гаращенко А.Н., Голованов В.И., Новиков Н.С.Antonov S.P., Garashchenko A.N., Golovanov V.I., Novikov N.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.fire-smi.ru/jour/article/view/1295Введение

Введение. Рассмотрены варианты и особенности решения актуальной задачи по предотвращению взрыво­образной потери целостности (ВПЦ) бетона и обеспечению требуемой огнестойкости железобетонных конструкций (ЖБК) за счет использования полипропиленовой микрофибры (ППМФ) в составе бетона или средств конструктивной огнезащиты.

Цель и задачи

Цель и задачи. Обоснование выбора эффективных способов предотвращения взрывообразной потери целостности бетона и обеспечения заданной огнестойкости конструкций. Организация и проведение огневых испытаний железобетонных колонн и плит перекрытия под нагрузкой при наличии и отсутствии ППМФ в составе бетона, а также при использовании конструктивной огнезащиты. Анализ результатов и вариантов их практического использования.

Методы

Методы. Оценка огнестойкости колонн и плит проводилась в ходе испытаний в огневой печи образцов под нагрузкой с дополнительными термопарными измерениями для их использования в ходе теплотехнического анализа. Он проводился с использованием апробированных несложных методик и программ расчетов темпе­ратурных полей в конструкциях. Предложен порядок определения теплофизических характеристик материалов конструктивной огнезащиты в рабочем диапазоне температур.

Результаты

Результаты. Представлены и обобщены результаты уникальных огневых экспериментов образцов несущих колонн и плит под нагрузкой. Продемонстрирована эффективность использования ППМФ, а также роль огнезащиты в предотвращении ВПЦ конструкций и повышении их огнестойкости и огнесохранности при воздействии по стандартному и углеводородному режиму. Представлены примеры эффективного использования конструктивной огнезащиты в виде плит «ПРОЗАСК Файерпанель» и штукатурки «ИГНИС ЛАЙТ» для обеспечения высоких пределов огнестойкости ЖБК. В ходе новой серии испытаний железобетонных плит, впервые проведенных при углеводородном режиме воздействия, установлено, что при использовании ППМФ время достижения образцами предельного состояния превышает 120 мин, а при использовании конструктивной огнезащиты — 240 мин. Показана возможность пересчета (в том числе снижения) толщин огнезащиты, используемых при испытаниях. Это обосновывается теплотехническими расчетами, для которых предусмот­рено получение новых данных по теплофизическим характеристикам материалов огнезащиты в рабочем диапазоне температур.

Выводы

Выводы. Предложена методология комплексных исследований, проведен значительный объем уникальных огневых и прочих экспериментов с теплотехническим анализом их результатов. Получен значительный объем важной информации, необходимой для предотвращения взрывообразного разрушения и обеспечения заданной огнестойкости несущих ЖБК. Представлены рекомендации по дальнейшему проведению экспериментальных и теоретических исследований и использованию полученных результатов при проектировании и изготовлении железобетонных конструкций, средств их огнезащиты, а также при корректировке нормативных документов по ЖБК.

Introduction

Introduction. The options and features of solving the actual problem of preventing explosive loss of integrity of concrete and ensuring the required fire resistance of reinforced concrete structures (RCS) through the use of polypropylene microfibre (PPMF) in concrete or structural fire protection products are considered.

Goal and objectives

Goal and objectives. Justification of the choice of effective methods to prevent explosive loss of concrete integrity and ensure the given fire resistance of structures. Organization and carrying out of fire tests of reinforced concrete columns and floor slabs under load in the presence and absence of PPMF in the concrete composition, as well as with the use of structural fire protection. Analysis of the results and variants of their practical use.

Methods

Methods. The fire resistance of columns and slabs was assessed by testing specimens under load in a fired furnace with additional thermocouple measurements. It was carried out using approved simple methods and programmes for calculating temperature fields in structures. The procedure for determining the thermophysical characteristics of structural fire protection materials in the operating temperature range was proposed.

Results

Results. The results of unique fire experiments of load-bearing columns and slabs are presented and summarized. The effectiveness of the use of PPMF is demonstrated, as well as the role of fire protection preventing loss of integrity in structures and increasing their fire resistance and fire protection under standard and hydrocarbon exposure. Examples of the effective use of structural fire protection in the form of “PROZASK Firepanel” slabs and “IGNIS LIGHT” plaster are presented to ensure high fire resistance limits of concrete. In the course of a new series of reinforced concrete slabs tests, for the first time carried out under hydrocarbon mode of exposure, it was found that when using PPMF, the time of reaching the limit state of specimens exceeds 120 minutes, and when using structural fire protection — 240 minutes. The possibility of recalculation (including reduction) of fire protection thicknesses used in the test is shown. This is substantiated by thermal engineering calculations, for which it is provided to obtain new data on the thermophysical characteristics of fire protection materials in the operating temperature range.

Conclusions

Conclusions. The methodology of complex researches is proposed, a considerable volume of unique fire and other experiments with thermotechnical analysis of their results is carried out. A considerable amount of important information necessary to prevent explosive failure and ensure the specified fire resistance of load-bearing reinforced concrete structures was obtained. Recommendations for further experimental and theoretical studies are presented. The use of the obtained results in the design of reinforced concrete structures, means of their fire protection, as well as in the adjustment of normative documents on reinforced concrete structures are presented.

конструктивная огнезащитапредел огнестойкостистандартный режим воздействияуглеводородный режим воздействиятеплотехнические расчетыстатическая нагрузкатеплофизические характеристикиstructural fire protectionfire resistance limitstandard mode of exposurehydrocarbon mode of exposurethermotechnical calculationsstatic loadthermophysical characteristicsReferencesMcNamee R.J., Bostrom L. Fire spalling-the moisture effect // 1st International workshop on Concrete Spalling due to Fire Exposure-From Real Life Experiences and Practical Applications to Lab-scale Investigations and Numerical Modelling. MFPA Institute Leipzig, Germany. September 3–5, 2009. Pp. 120–129.McNamee R.J., Bostrom L. Fire spalling-the moisture effect. 1st International workshop on Concrete Spalling due to Fire Exposure-From Real Life Experiences and Practical Applications to Lab-scale Investigations and Numerical Modelling. MFPA Institute Leipzig, Germany. September 3–5, 2009; 120-129.Jansson R. Fire spalling of concrete: Theoretical and experimental studies : Doctoral Thesis in Concrete Structures: KTH Royal Institute of Technology. Stockholm : Trita-BKN, Bulletin, 2013. 117 p.Jansson R. Fire spalling of concrete: Theoretical and experimental studies : Doctoral Thesis in Concrete Structures: KTH Royal Institute of Technology. Stockholm, Trita-BKN, Bulletin, 2013; 117.Maraveas C., Vrakas A.A. Design of concrete tunnel linings for fire safety // Structural Engineering International. 2014. Vol. 24. Issue 3. Pp. 319–329. DOI: 10.2749/101686614X13830790993041Maraveas C., Vrakas A.A. Design of concrete tunnel linings for fire safety. Structural Engineering International. 2014; 24(3):319-329. DOI: 10.2749/101686614X13830790993041Annerel E., Boch K., Lemaire T. Passive fire protection end life safety // Topic Safety of Tunnel and Undeground Structure. “SEE Tunnel: Promoting in SEE Region” ITA WTS 2015 Congress and 41st General Assambly. Dubrovnik, Croatia, 2015. Pp. 1–10.Annerel E., Boch K., Lemaire T. Passive fire protection end life safety. Topic Safety of Tunnel and Undeground Structure. “SEE Tunnel: Promoting in SEE Region” ITA WTS 2015 Congress and 41st General Assambly. Dubrovnik, Croatia. 2015; 1-10.Chiarini M., Lunardi G., Cassani G., Bellocchio A., Frandino M. High speed railway Milan – Genoa, implementation of coupled analysis to estimate thermo-mechanical effects produced by the fire on the TBM segmental lining // Proceedings of the World Tunnel Congress 2017 – Surface challenges – Underground solutions. Bergen, Norway, Bergen, 2017. Pp. 1–10.Chiarini M., Lunardi G., Cassani G., Bellocchio A., Frandino M. High speed railway Milan – Genoa, implementation of coupled analysis to estimate thermo-mechanical effects produced by the fire on the TBM segmental lining. Proceedings of the World Tunnel Congress 2017 – Surface challenges – Underground solutions. Bergen, Norway. 2017; 1-10.Dehn F., Werther N., Knitl J. Groβbrandversuche fur den City-Tunnel Leipzig // Beton-und Stahlbetonbau, 2006. Vol. 101. Issue 8. Pp. 631–635. DOI: 10.1002/best200608186Dehn F., Werther N., Knitl J. Groβbrandversuche fur den City-Tunnel Leipzig. Beton-und Stahlbetonbau. 2006; 101(8):631-635. DOI: 10.1002/best200608186Liu J-C., Tan K.H., Yao Y. A new perspective on nature of fire-induced spalling in concrete // Construction and Building Materials. 2018. Vol. 184. Pp. 581–590. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.06.204Liu J-C., Tan K.H., Yao Y. A new perspective on nature of fire-induced spalling in concrete. Construction and Building Materials. 2018; 184:581-590. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.06.204Hendrix B., Pimienta P. The future for fire protection // Tunnelling Journal. September, 2019. Pp. 8–12. URL: www.researchgate.net/publication/287431544_Fire_behaviour_of_high_performance_concrete_-_An_experimental_investigation_on_spalling_riskHendrix Bart, Pimienta Pierre. The future for fire protection. Tunnelling Journal. September, 2019; 8-12. URL: www.researchgate.net/publication/287431544_Fire_behaviour_of_high_performance_concrete_-_An_experimental_investigation_on_spalling_riskГолованов В.И., Пехотиков А.В., Новиков Н.С., Павлов В.В., Кузнецова Е.В. Огнестойкость железобетонных тюбингов подземных сооружений с полипропиленовой фиброй // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2019. Т. 28. № 5. С. 60–70. DOI: 10.18.18322/PVB.2019.28.05.60-70Golovanov V.I., Pekhotikov A.V., Novikov N.S., Pavlov V.V., Kuznetsova E.V. Fire resistance of reinforced concrete tubings of underground structures with polypropylene fiber. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety. 2019; 28(5):60-70. DOI: 10.18.18322/PVB.2019.28.05.60-70 (rus).Новиков Н.С. Огнестойкость конструкций из фибробетона для автодорожных тоннелей и метрополитена : дис. … канд. техн. наук. М., 2019. 167 с.Novikov N.S. Fire resistance of fiber concrete constructions for auto roads tunnels and underground : dis. Candidate of Technical Sciences. Moscow, 2019; 167 (rus).Антонов С.П. Технологии предотвращения взрывообразного разрушения бетонов при огневом воздействии // Пожарная безопасность. Специализированный каталог. 2021. С. 56–61.Antonov S.P. Technologies of concrete spalling preventing under fire action. Fire Safety. Special Catalog. 2021; 56-61 (rus).Гаращенко А.Н., Антонов С.П., Данилов А.И., Павлов В.В., Новиков Н.С. Анализ результатов огневых испытаний под нагрузкой железобетонных колонн и плит с реализацией вариантов, исключа­ющих взрывообразную потерю целостности и обеспечивающих заданную огнестойкость конструкций // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2022. Т. 31. № 3. С. 45–64. DOI: 10.22227/0869-7493.2022.31.03.45-64Garashchenko A.N., Antonov S.P., Danilov A.I., Pavlov V.V., Novikov N.S. Analyzing the fire performance of concrete columns and slabs under loading and using options, preventing explosive spalling to ensure the pre-set fire resistance. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety. 2022; 31(3):45-64. DOI: 10.22227/0869-7493.2022.31.03.45-64 (rus).Кузнецова И.С., Рябченкова В.Г., Корнюшина М.П., Саврасова И.П., Востров М.С. Полипропиленовая фибра — эффективный способ борьбы со взрывообразным разрушением бетона при пожаре // Строительные материалы. 2018. № 11. С. 15–20. DOI: 10.31659/0585-430X-2018-765-11-15-20Kuznetsova I.S., Ryabchenkova V.G., Kornyushina M.P., Savrasov I.P., Vostrov M.S. Polypropylene fiber is an effective way to struggle with the explosion-like destruction of concrete in case of fire. Building materials. 2018; 11:15-20. DOI: 10.31659/0585-430X-2018-765-11-15-20 (rus).Khoury G.A., Willoughby B. Polypropylene fibres in heated concrete. Part 1: Pressure relief mechanisms and concrete // Magazine of Concrete Research. 2008. Vol. 60. Issue 2. Pp. 125–136. DOI: 10.1680/macr.2008.60.2.125Khoury G.A., Willoughby B. Polypropylene fibres in heated concrete. Part 1: Pressure relief mechanisms and concrete. Magazine of Concrete Research. 2008; 60(2):125-136. DOI: 10.1680/macr.2008.60.2.125Khoury G.A. Polypropylene fibres in heated concrete. Part 2: Pressure relief mechanisms and modeling criteria // Magazine of Concrete Research. 2008. Vol. 60. Issue 3. Pp. 189–204. DOI: 10.1680/MACR.2007.00042Khoury G.A. Polypropylene fibres in heated concrete. Part 2: Pressure relief mechanisms and modeling criteria. Magazine of Concrete Research. 2008; 60(3):18-204. DOI: 10.1680/MACR.2007.00042Shihada S. Effect of polypropylene fibers on concrete fire resistance // Journal of Civil Engineering and Management. 2011. Vol. 17. Issue 2. Pp. 259–264. DOI: 10.3846/13923730.2011.574454Shihada S. Effect of polypropylene fibers on concrete fire resistance. Journal of Civil Engineering and Management. 2011; 17(2):259-264. DOI: 10.3846/13923730.2011.574454Serrano R., Cobo A., Prieto M.I., Gonzales M. Analysis of fire resistance of concrete with polypropylene or steel fibers // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 122. Pp. 302–309. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.06.055Serrano R., Cobo A., Prieto M.I., Gonzales M. Analysis of fire resistance of concrete with polypropylene or steel fibers. Construction and Building Materials. 2016; 122:302-309. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.06.055Пухаренко Ю.В., Кострикин М.П. Стойкость фибробетона к высокотемпературному воздействию // Строи­тельные материалы и технологии. 2020. № 2 (88). C. 96–106. DOI: 10.33979/2073-7416-2020-88-2-96-106Pukharenko Yu.V., Kostrikin M.P. Resistance of fiber-reinforced concrete to high-temperatures. Building and reconstruction. 2020; 2(88):96-106. DOI: 10.33979/2073-7416-2020-88-2-96-106 (rus).Ройтман В.М., Габдулин Р.Ш. Обеспечение стойкости железобетонных конструкций против взрывообразного разрушения при пожаре с помощью тонкослойных огнезащитных вспучивающихся покрытий // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2013. № 2. С. 11–16. URL: https://elibrary.ru/item. asp?id=22413522Rojtman V.M., Gabdulin R.Sh. Ensuring of the reinforced concrete constructions durability against spalling under fire by thin layer intumescent fire retardant coating. Fire and emergencies: prevention, elimination. 2013; 2:11-16.Габдулин Р.Ш. Повышение огнестойкости железобетонных конструкций с помощью тонкослойных огнезащитных покрытий : дис. … канд. техн. наук. М., 2014. 146 с.Gabdulin R.Sh. Ensuring of the fire resistance concrete constructions durability against spalling by thin layer fire retardant coating : dis. Candidate of Technical Sciences. Moscow, 2014; 146. (rus).Антонов С.П., Гаращенко А.Н., Голованов В.И., Новиков Н.С. Результаты определения огнестойкости железобетонных конструкций с полипропиленовой микрофиброй // Огнезащита материалов и конструкций SPBPU FPM-2023 : cб. тез. докл. I Междунар. науч.-практ. конф. Санкт-Петербург, 18–20 апреля 2023 г. СПб. : Университет ГПС МЧС. C. 23–26.Antonov S.P., Garashchenko A.N., Golovanov V.I., Novikov N.S. The results of determining the fire resistance of reinforced concrete structures with polypropylene microfiber. Fire protection of materials and structures SPBPU FPM-2023 : collection of abstracts of the I Inter. scientific and practical conference. St. Petersburg, April 18-20, 2023. Saint Petersburg, University of GPS of the Ministry of Emergency Situations, 2003; 23-26. (rus).Голованов В.И., Павлов В.В., Пехотиков А.В. Инженерный метод расчета огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой плитами КНАУФ-Файрборд // Пожарная безопасность. 2016. № 3. С. 171–179. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=26731725Golovanov V.I., Pavlov V.V., Pekhotikov A.V. Engineering method for designing fire resistance of steel constructions protected by KNAUF-fireboard plates. Fire Safety. 2016; 3:171-179. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=26731725 (rus).Пронин Д.Г., Тимонин С.А., Голованов В.И. СТО АРСС 11251254.001-018–03. Проектирование огне­защиты несущих стальных конструкций с применением различных облицовок. М. : АРСС, 2018. 70 с.Pronin D.G., Timonin S.A., Golovanov V.I. STO ARSS 11251254.001-018–03. Design of fire protecting loaded steel constructions using different facings. Moscow, ARSS Publ., 2018; 70. (rus).Гаращенко А.Н., Данилов А.И., Антонов С.П., Марченкова С.В., Павлов В.В. Теплотехнический анализ результатов огневых испытаний под нагрузкой чугунных тюбингов обделок тоннелей метрополитена, обеспечение их рациональной огнезащиты и заданной огнестойкости // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Esplosion Safety. 2022. Т. 31. № 1. С. 21–39. DOI: 10.22227/0869-7493.2022.31.01.21-39Garashchenko A.N., Danilov A.I., Antonov S.P., Marchenkova S.V., Pavlov V.V. The thermal analysis of fire test results obtained for loaded cast iron tubing used to line subway tunnels, their rational fire protection and preset fire resistance. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety. 2022; 31(1):21-39. DOI: 10.22227/0869-7493.2022.31.01.21-39 (rus).Волков А.А., Ройтман В.М., Приступюк Д.Н., Федоров В.Ю. Влияние влажности строительных материалов на точность расчетов прогрева конструкций при оценке их огнестойкости // Системотехника строительства. Киберфизические строительные системы : cб. мат. семинара, в рамках VI Междунар. науч. конф. Москва, 14–16 ноября 2018 г. М. : МГСУ, 2018. C. 207–212.Volkov A.F., Roytman V.M., Pristupyuk D.N., Fedorov V.U. Influence of building materials humidity on heating calculation accuracy at fire protecting grade. Systemotechnique of building. Cyberphysique building systems, VI scien­tifique conference. Moscow, November 14–16, 2018. Moscow, MGSU, 2018; 207-212. (rus).Гаращенко А.Н., Виноградов А.В., Кобылков Н.В., Никольченкин А.А., Антипов Е.А. Экспериментальное и расчетное моделирование огнетепло-защиты и огнестойкости конструкций и изделий в условиях высокотемпературного воздействия // Авиационные материалы и технологии. 2022. № 3 (68). Ст. 08. URL: htt://www.jornal.viam.ru. DOI: 10.18577/2713-0193-2022-0-3-84-97Garashchenko A.N., Vinogradov A.V., Kobylkov N.V., Nikolchenkin A.A., Antipov E.A. Experimental and computatio­nal modeling of fire and thermal protection composite materials under high-temperature exposure. Aviation materials and technologies. 2022; 3(68):08. URL: http://www.jornal.viam.ru. DOI: 10.18577/2713-0193-2022-0-3-84-97 (rus).Гаращенко А.Н., Антонов С.П., Виноградов А.В. Исследование теплотехнических характеристик и эффективности конструктивной огнезащиты на основе цементных плит типа «Прозаск Файерпанель» при воспроизведении условий высокотемпературного воздействия // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2022. Т. 31. № 6. С. 13–29. DOI: 10.22227/0869-7493.2022.31.06.13-29Garashchenko A.N., Antonov S.P., Vinogradov A.V. Studying the thermal characteristics and effectiveness of structural fire proofing made of PROSASK Firepanel cement boards by means of reproducing the high-­temperature effect. Pozharo­vzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety. 2022; 31(6):13-29. DOI: 10.22227/0869-7493.2022.31.06.13-29 (rus).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.