Теплотехнический анализ результатов огневых испытаний под нагрузкой чугунных тюбингов обделок тоннелей метрополитена, обеспечение их рациональной огнезащиты и заданной огнестойкости

Введение. Рассмотрена проблема обеспечения фактического предела огнестойкости чугунных тюбингов обделки тоннелей метрополитена. Ее актуальность обусловлена тем, что до настоящего времени в нашей стране и за рубежом не проводились огневые испытания таких конструкций и, соответственно, теплотехнический анализ их результатов, что необходимо для гарантирования их работоспособности.

Цель и задача. Анализ результатов двух огневых экспериментов: испытание чугунного тюбинга без огнезащиты, и тюбинга, защищенного огнезащитной плитой. Выбор и использование рациональной методики для проведения теплотехнического анализа.

Методы. Оценивалась огнестойкость натурных образцов тюбингов по стандартизованной методике в ходе испытаний в огневой печи под нагрузкой с проведением термопарных измерений, результаты которых использовались в ходе теплотехнического анализа. Он проводился с использованием методик и программ численных расчетов нестационарных температурных полей в конструкциях с огнезащитой в одно- и двумерной постановке.

Результаты. Установлено, что предел огнестойкости чугунного тюбинга тоннельной обделки марки 5,6-25-НУ, испытанного без огнезащиты под воздействием постоянной статической нагрузки (150 кН), составляет 54 мин, что соответствует классификации R 45, а тюбинга с огнезащитой плитами «ПРОЗАСК Файерпанель» толщиной 25 мм — не менее 121 мин (R 120). Расчеты позволили дать прогноз, насколько изменится уровень огнестойкости, если учитывать отличие условий испытаний и эксплуатации тюбингов. Представлены результаты расчетов для различных вариантов огнезащиты, продемонстрирована высокая эффективность огнезащиты плитами «ПРОЗАСК Файерпанель» и возможность обеспечения с ее помощью требуемых пределов огнестойкости чугунных тюбингов. Показана возможность прогнозирования их огнестойкости при режимах воздействия, отличающихся от стандартного температурного режима.

Выводы. Теплотехнический анализ результатов двух огневых экспериментов, впервые проведенных для оценки огнестойкости чугунных тюбингов обделки тоннелей, позволил получить важную информацию, необходимую для обеспечения огнезащиты и заданной огнестойкости указанных ответственных конструкций метрополитена и дальнейшего развития данного направления экспериментальных и теоретических исследований. Продемонстрирована эффективность теплотехнических расчетов как инструмента для оценки параметров огнезащиты и огнестойкости тюбингов и возможность сокращения с их помощью количества дорогостоящих огневых испытаний.

1. Голованов В.И., Пехотиков А.В., Павлов В.В., Новиков Н.С. Огневые испытания тюбингов тоннельной обделки // Пожарная безопасность. 2019. № 4 (97). С. 50–55. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41442482

2. Голованов В.И., Пехотиков А.В., Новиков Н.С., Павлов В.В., Кузнецова Е.В. Огнестойкость -железобетонных тюбингов подземных сооружений с полипропиленовой фиброй // Пожаро-взрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2019. Т. 28. № 5. С. 60–70. DOI: 10.18322/PVB.2019.28.05.60-70

3. Kordina K. Brände in unterirdischen Verkehrsanlagen // Bautechnik. 2003. Nr. 80. Heft 5. Pp. 327–338. DOI: 10.1002/bate.200302620

4. Dehn F., Werther N., Knitl J. Groβbrandversuche fur den city-tunnel Leipzig // Beton- und Stahlbetonbau, 2006. Nr. 101. Heft 8. Pp. 631–635. DOI: 10.1002/best200608186

5. 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: 10.2749/101686614X13830790993041

6. 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. Pp. 1–10.

7. Pagani E., Cassani G. Terzo valico dei Giovi: Milan-genoa high speed/High capacity line // Proceedings of Swiss Tunnel Congress, Luzern, 2016. Pp. 48–57.

8. Chiarini M., Lunard 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. Pp. 1–10.

9. Fire testing procedure for concrete tunnel and other tunnel components // Report No. Efectis-R0695:2020. EfectisNederland BV, 2020. Pp. 1–46.

10. Меркин В.Е., Зерцалов М.Г., Петрова Е.Н. Подземные сооружения транспортного назначения : учеб. пос. М. ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. 432 с.

11. Porter A., Wood C., Fidler J., McCaig I. The behavior of structural cast iron in fire // English Heritage Transaction. 1998. Vol. 1. Pp. 11–20.

12. Maraveas C., Wang Y.C., Swailes T., Sotiriadis G. An experimental investigation of mechanical properties of structural cast iron at elevated temperatures and after cooling down // Fire Safety Journal. 2015. Vol. 71. Pp. 340–352. DOI: 10.1016/j.firesaf.2014.11.026

13. Maraveas C., Wang Y.C., Swailes T. Fire resistance of 19th century fireproof flooring systems:

14. A sensitivity Analysis // Construction and Building Materials. 2014. Vol. 55. Pp. 69–81. DOI: 10.1016/J.CONBUILDMAT.2014.01.022

15. Maraveas C., Wang Y.C., Swailes T. Elevated temperature behavior and fire resistance of cast iron columns // Fire Safety Journal. 2016. Vol. 82. Pp. 37–48. DOI: 10.1016/j.firesaf.2016.03.004

16. Голиков А.Д., Черкасов Е.Ю., Данилов А.И., Сиваков И.А. Предел огнестойкости конструкций чугунных тоннельных обделок метрополитена без огнезащитных покрытий // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2014. Т. 23. № 12. С. 20–27. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=25866626

17. Голиков А.Д., Черкасов Е.Ю., Данилов А.И., Сиваков И.А. Способ огнезащиты обделки транспортных тоннелей из чугунных тюбингов // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2016. Т. 25. № 12. С. 22–29. DOI: 10.18322/PVB.2016.25.12.22-29

18. 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.

19. Голованов В.И., Павлов В.В., Пехотиков А.В. Инженерный метод расчета огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой плитами КНАУФ-Файерборд // Пожарная безопасность. 2016. № 3. С. 171–179. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=26731725

20. Голованов В.И., Павлов В.В., Пехотиков А.В. Огнезащита стальных конструкций плитным материалом PYRO-SAFE AESTUVER T // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2016. Т. 25. № 11. С. 60–70. DOI: 10.18322/PVB.2016.25.11.8-16

21. Яковлев А.И. Расчет огнестойкости строительных конструкций. М. : Стройиздат, 1988. 143 с.

22. Страхов В.Л., Гаращенко А.Н., Рудзинский В.П. Программные комплексы для расчетов тепломассопереноса в строительных конструкциях с огнезащитой с учетом термического разложения, вспучивания-усадки и испарения-конденсации // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2001. Т. 10. № 4. С. 9–11.

23. Исаченко В.П., Осипов В.А., Сукомел А.С. Теплопередача : учеб. для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М. : Энергия, 1974. 488 с.

24. Володин Ю.Г., Дульнев Г.Н. Исследование конвективного теплообмена в замкнутом пространстве // Инженерно-физический журнал. 1965. Т. 9. № 5. С. 603–608.

25. Данилов А.И., Маслак В.А., Вагин А.В., Сиваков И.А. Численное моделирование пожара в вагоне метрополитена // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2017. Т. 26. № 10. С. 27–35. DOI: 10.18322/PVB.2017.26.10.27-35