Исследование огнестойкости стальных конструкций покрытия складского здания в условиях различного температурного воздействия

Введение. В процессе проектирования складских зданий требуется оценить соответствие фактических пределов огнестойкости строительных конструкций требуемым пределам огнестойкости с учетом принятых проектных решений. Определение пределов огнестойкости (фактических) строительных конструкций производится в условиях воздействия «стандартного» температурного режима, применение которых может привести к закладыванию в проект завышенного запаса по огнестойкости и к недооценке теплового воздействия в условиях реального пожара.

Цели и задачи. Цель исследования — оценка сходимости «стандартного» температурного режима и возможных «реальных» температурных режимов пожаров в современных складских зданиях, а также соответствия фактических пределов огнестойкости воздействию реальных пожаров. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: проведено математическое моделирование развития реального пожара полевым методом в складском здании при различной пожарной нагрузке, а также моделирование прогрева несущих конструкций покрытия при «стандартном» температурном режиме и полученных в процессе моделирования «реальных» температурных режимах пожара; определены требуемые пределы огнестойкости несущих строительных конструкций покрытия через эквивалентную продолжительность пожара.

Методы. В качестве объекта исследования было выбрано складское здание типовой формы размерами 12×12×6,5 м. В здании предусмотрены ворота размером 4×4 метра в количестве 2 шт. и входная дверь размером 1×2 м. В стенах здания размещены 32 окна размерами 0,7×1 м. Покрытие — беспрогонная плоская кровля на металлических фермах покрытия. Параметры пожарной нагрузки при математическом моделировании принимались по справочным данным Ю.А. Кошмарова. Рассмотрено 12 видов типовой пожарной нагрузки. Для математического моделирования «реальных» температурных режимов пожара использовался программный комплекс Fire Dynamics Simulator (FDS), реализующий полевую (дифференциальную) математическую модель. Для математического моделирования процесса прогрева стальных строительных конструкций применялся конечно-разностный метод решения уравнения теплопроводности Фурье при внешней и внутренней нелинейности, реализованный в программном комплексе ANSYS Mechanical. результаты и обсуждение. Результаты математического моделирования в программном комплексе FDS показывают, что температурное воздействие, оказываемое на конструкцию при «стандартном» температурном режиме и таких пожарных нагрузках, как кабели и провода, индустриальное масло, этиловый спирт, оказалось ниже, что указывает на недооценку теплового воздействия на конструкцию. Результаты моделирования прогрева конструкций продемонстрировали, что время прогрева фермы покрытия до 400…700 °С для указанных пожарных нагрузок (кабели и провода, индустриальное масло, этиловый спирт) меньше времени, полученного в результате стандартных испытаний, что указывает на изначальное занижение фактической огнестойкости стальных конструкций покрытия при проектировании складских зданий.

Заключение. Предположение о недооценке теплового воздействия при «стандартном» температурном режиме на стальные конструкции современных складских комплексов подтвердилось для 3 из 12 рассмотренных пожарных нагрузок, а именно: кабелей и проводов, индустриального масла, этилового спирта.

1. Якубсон В.М. Перспективы металла как строительного материала // Инженерно-строительный журнал. 2015. № 2 (54). С. 4–5. DOI: 10.5862/MCE.54.1

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

3. Ройтман В.М. Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируемых зданий. М. : Пожнаука, 2001. 382 с.

4. Еремина Т.Ю., Минайлов Д.А. Гармонизация российских и международных нормативных документов по оценке огнестойкости строительных конструкций (основные подходы к проведению огневых испытаний) // Пожарная безопасность. 2014. № 2. С. 151–155.

5. Roitman V.M. Consideration of real fire condition while calculating the fire resistance of building structures on the basis of the kinetic approach // Fire Safety Journal. 1990. Vol. 16. Pp. 433–442.

6. Phan L.T., McAllister T.P., Gross J.L., Hurley M.J. Best practice guidelines for structural fire resistance design of concrete and steel buildings. NIST Technical Note 1681. Gaithersburg, Maryland : NIST, 2010. 200 p. DOI: 10.6028/nist.tn.1681

7. Garlock M., Kruppa J., Li G.-Q., Zhao B. White paper on fire behavior of steel structures. NIST GCR 15-984. Gaithersburg, Maryland : NIST, 2014. 20 p. DOI: 10.6028/nist.gcr.15-984

8. Kotsovinos P. Analysis of the structural response of tall buildings under multifloor and travelling fires. Edinburgh : The University of Edinburgh, 2013. 240 p.

9. Kowalski R. The use of Eurocode model of reinforcing steel behavior at high temperature for calculation of bars elongation in RC elements subjected to fire // Procedia Engineering. 2017. Vol. 193. Pp. 27–34. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.06.182

10. Razdolsky L. Structural fire loads: theory and principles. New York : McGraw-Hill Education, 2012. 448 p.

11. Du Y. A new temperature-time curve for fire-resistance analysis of structures // Fire Safety Journal. 2012. Vol. 54. Pp. 113–120. DOI: 10.1016/j.firesaf.2012.07.004

12. Mouritz A.P., Feih S., Kandare E., Gibson A.G. Thermal–mechanical modelling of laminates with fire protection coating // Composites Part B: Engineering. 2013. Vol. 48. Pp. 68–78. DOI: 10.1016/j.compositesb.2012.12.001

13. Outinen J., Samec J., Sokol Z. Research on fire protection methods and a case study «Futurum» // Procedia Engineering. 2012. Vol. 40. Pp. 339–344. DOI: 10.1016/j.proeng.2012.07.105

14. Гогоберидзе Н.В., Благородова Н.В. К вопросу автоматизации системы определения предела огнестойкости строительных конструкций // Инженерный вестник Дона. 2012. № 4–1 (22). С. 110.

15. Пузач С.В. Математическое моделирование газодинамики и тепломассообмена при решении задач пожаровзрывобезопасности. М. : Академия ГПС МЧС России, 2002. 149 с.

16. Кошмаров Ю.А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: учеб. пособие. М. : Академия ГПС МВД России, 2000. 118 с.

17. Абашкин А.А., Карпов А.В., Ушаков Д.В., Фомин М.В., Гилетич А.Н., Комков П.М., Самошин Д.А. Пособие по применению «Методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности». М. : ВНИИПО, 2014. 226 с.

18. Голованов В.И., Павлов В.В., Пехотиков А.В. Инженерный метод расчета огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой из минераловатных плит «ROCKWOOL CONLIT» // Пожарная безопасность. 2006. № 4. С. 78–85.

19. Korolchenko D., Eremina T., Minailov D. New method for quality control of fire protective coatings // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 471. Issue 11. DOI: 10.1088/1757-899X/471/11/112016

20. Lucherini A., Giuliani L., Jomaas G. Experimental study of the performance of intumescent coatings exposed to standard and non-standard fire conditions // Fire Safety Journal. 2018. Vol. 95. Pp. 42–50. DOI: 10.1016/j.firesaf.2017.10.004