Здания и их устойчивость при пожаре / Roytman - Zdaniya i ikh ustoychivost pri pozhare 2013

Как отмечалось ранее, образцы для испытания должны быть проектных размеров, при невозможности испытания образцов проектных размеров их уменьшение допускается до величин, указанных в табл. 5.1.

Минимальные размеры строительных конструкций,			Таблица 5.1
испытываемых на огнестойкость
Наименование конструкции		Размеры, м
	ширина	длина		высота
Стены и перегородки	3,0	–		3,0
Покрытия и перекрытия, опирающиеся	2,0	4,0		–
по двум сторонам
Покрытия и перекрытия, опирающиеся	2,8	4,0		–
по четырем сторонам
Колонны, столбы и другие вертикальные	–	–		2,5
стержневые конструкции
Балки и другие горизонтальные стержневые элементы	–	4,0		–

Образцы несущих конструкций испытываются на действие нормативной нагрузки. Распределение нагрузки и опирание образцов при их огневых испытаниях должны соответствовать расчетным схемам, принятым при проектировании. При невозможности соблюдения этого условия в сечениях образцов должны быть созданы напряжения, соответствующие проектным расчетным схемам. Нагрузка устанавливается не менее чем за 30 мин до начала испытания и поддерживается в течение всего времени испытания постоянной.

Схемы обогрева конструкций должны соответствовать реальным условиям воздействия пожара [27]. Образцы перекрытий и покрытий испытываются на воздействие пожара снизу, несущие балки и фермы – с трех сторон, колонны и столбы – со всех сторон. Образцы наружных стен испытываются на воздействие пожара только с внутренней стороны. Образцы однослойных и многослойных симметричных по сечению внутренних стен и перегородок подвергаются температурному воздействию с одной стороны, а многослойных несимметричных – с каждой стороны отдельно, кроме случая, когда неблагоприятная сторона может быть заранее установлена.

Во время испытаний на огнестойкость ограждающих и разделяющих конструкций в печи поддерживается избыточное давление (10±2) Па. Это необходимо для определения времени наступления предельного состояния испытываемой конструкции по потере ее целостности. Потеря целостности фиксируется при помощи тампона из хлопка или натуральной ваты размером 10×10×3 см массой 3–4 г, помещенного в металлическую рамку с держателем.

181

Рамку с тампоном подносят к местам, где ожидается проникновение пламени или продуктов горения, и в течение 10 с держат на расстоянии 20–25 мм от поверхности образца. Время от начала испытания до воспламенения или возникновения тления со свечением тампона является пределом огнестойкости конструкции по потере целостности.

В процессе испытания регистрируются [27]:

–время наступления предельных состояний и их вид;

–температура в печи на необогреваемой поверхности конструкции,

атакже в других предварительно установленных местах;

–избыточное давление в печи;

–деформации несущих конструкций (величина прогиба определяется прогибомером);

–время появления пламени на необогреваемой поверхности образца;

–время появления и характер трещин, отверстий, отслоений;

–другие явления, например условия опирания или появление дыма. Указанный перечень измеряемых параметров и регистрируемых яв-

лений может дополняться и изменяться в соответствии с требованиями методов испытаний конкретных типов конструкций.

Как видно из рис. 5.1, а, стены и перегородки располагаются вертикально и обогреваются с одной стороны. При испытаниях кроме визуальных наблюдений и контроля целостности (регулярное поднесение рамки

сватным тампоном к отверстиям, щелям) осуществляется измерение температуры на необогреваемой поверхности.

Колонна (рис. 5.1, б) также располагается вертикально, но обогревается со всех сторон, к ней прилагается нормативная нагрузка. В ходе испытаний кроме визуального наблюдения контролируются время обрушения и прогиб.

Плита перекрытия или покрытия (рис. 5.1, в) располагается горизон-

тально, обогревается снизу и нагружается с помощью грузов до уровня нормативной нагрузки. В ходе испытаний осуществляются визуальные наблюдения и контролируется температура на необогреваемой поверхности, целостность материала плиты, прогиб плиты и время ее обрушения.

Предел огнестойкости конструкции определяется как среднее арифметическое результатов испытаний двух образцов [27]. При этом максимальное и минимальное значения пределов огнестойкости двух испытанных образцов не должны отличаться более чем на 20 % от показателя

сбольшим значением. Если результаты отличаются друг от друга более чем на 20 %, то нужно проводить дополнительное испытание, а предел огнестойкости определяется как среднее арифметическое двух меньших значений.

182

В обозначении предела огнестойкости среднее арифметическое результатов испытания приводится к ближайшей меньшей величине из ряда цифровых показателей пределов огнестойкости, рекомендуемых Техниче-

ским регламентом [3]: 15, 30, 45, 60, 90, 180, 240, 360 мин.

5.3.Огнестойкость зданий и сооружений

Здание обычно состоит из большого количества конструктивных элементов, обладающих различной огнестойкостью. Здания и сооружения (далее – здания) будут различным образом сопротивляться воздействию пожара в зависимости от используемых конструкций (см. разд. 1).

Всвязи с этим возникла необходимость в специальном показателе,

спомощью которого можно было бы оценивать и сравнивать способность различных зданий в целом сопротивляться воздействию пожара.

Встроительных нормах в качестве такого показателя сопротивления зданий воздействию пожара используется степень огнестойкости (в отличие от предела огнестойкости для конструкций).

Степень огнестойкости – это нормируемая характеристика огнестойкости зданий или сооружений.

Согласно Техническому регламенту [3], для зданий высотой до 75 м выделяют пять степеней огнестойкости, обозначаемых римскими цифрами: I, II, III, IV, V.

Для установления соответствия зданий и сооружений требованиям пожарной безопасности по показателю их огнестойкости используются понятия фактической и требуемой степеней огнестойкости здания (соору-

жения) [4, 29].

Фактическая степень огнестойкости здания Оф – это действительная степень огнестойкости запроектированного или построенного здания, определяемая по значениям фактических пределов огнестойкости основных строительных конструкций зданий и сооружений. Фактические пределы огнестойкости строительных конструкций (как это уже было отмечено выше) определяются по результатам огневых испытаний конструкций на огнестойкость, обобщенных в специальных справочных пособиях, или расчетом.

Требуемая степень огнестойкости здания Отр – минимальная степень огнестойкости здания в соответствии с требованиями пожарной безопасности. Требуемая степень огнестойкости зданий регламентируется

[32]с учетом назначения зданий, их этажности, площади противопожарных отсеков, вместимости, категории производства по взрывопожарной опасности, наличия автоматических установок пожаротушения и других факторов.

183

Таблица 5.2

Соответствие степени огнестойкости и предела огнестойкости строительных конструкций зданий, сооружений, строений и пожарных отсеков

Степень		Предел огнестойкости строительных конструкций, не менее
огнестой-
	Несущие	Наружные	Перекрытия	Элементыбесчердачных			Лестничные клетки
кости	элементы	несущие	междуэтажные	покрытий
здания	здания	стенки	(в том числе
				Настилы		Фермы,	Внутренние	Марши и
			чердачные	(втомчислес		балки,	стены	площадки
			и над	утеплителем)		прогоны		лестниц
			подвалами)
I	R 120	E 30	REI 60	RE 30		R 30	REI 120	R 60
II	R 90	E 15	REI 45	RE 15		R 15	REI 90	R 60
III	R 45	E 15	REI 45	RE 15		R 15	REI 60	R 45
IV	R 15	E 15	REI 15	RE 15		R 15	REI 45	R 15
V			не	нормируется

Требуемые степени огнестойкости зданий различного назначения (табл. 5.2) приведены в своде правил СП СПЗ «Обеспечение огнестойкости объектов защиты» [32] и других нормативных документах.

Условие обеспечения противопожарной защиты здания или сооружения по показателю его огнестойкости формулируется следующим образом: если значения фактических пределов огнестойкости основных конструкций здания соответствуют (равны или превышают) требуемым значениям пределов огнестойкости этих конструкций, то фактическая степень огнестойкости здания Оф соответствует требуемой Отр, т. е.

если Пф основной конструкции здания
больше или равен Птр основной конструкции здания,	(5.3)

то Оф соответствует требуемой Отр.

На основе этой зависимости (5.3) производится оценка и экспертиза огнестойкости зданий и сооружений.

5.4.Методика оценки и экспертизы пожарной безопасности зданий и сооружений по показателю их огнестойкости

Соответствие строительных конструкций и зданий требованиям пожарной безопасности по показателю их огнестойкости устанавливается на основе проверки выполнения условия (5.3).

Эта проверка проводится путем решения следующих задач:

1. Определение требуемой степени огнестойкости здания или соору-

жения Отр. Эта задача решается на основе нормативных документов [3, 32].

184

В соответствии с этими нормативными документами предварительно необходимо выяснить или подобрать основные показатели, на основе которых проводится определение Отр. Это – категория объекта по взрывопожарной или пожарной опасности, класс конструктивной пожарной опасности здания, высота здания (число этажей), площадь противопожарного отсека или этажа и др. На основе этих показателей по нормам [3, 32] и производится определение требуемой степени огнестойкости объекта.

2. Определение требуемых значений пределов огнестойкости основ-

ных конструкций объекта Птр. Эта задача решается в соответствии с табл. 5.2, приведенной в нормах [3, 32]. Зная значение требуемой степени огнестойкости здания Отр, по табл. 5.2 определяют минимально допустимые пределы огнестойкости основных конструкций объекта.

3.Определение фактических пределов огнестойкости Пф основных конструкций объекта проводится с помощью соответствующих справочных пособий или расчетом.

4.Проверка выполнения условия (5.3). Эта проверка производится пу-

тем сопоставления значений фактических пределов огнестойкости основных конструкций объекта со значениями требуемых пределов огнестойкости этих же конструкций. Если условие (5.3) выполняется, то фактическая степень огнестойкости здания или сооружения соответствует требованиям норм и пожарная безопасность объекта по критерию огнестойкости обеспечена. Если условие (5.3) не выполняется, то пожарная безопасность объекта по критерию огнестойкости не обеспечивается и возникает необходимость

вразработке специальных мер по повышению огнестойкости объекта. Оценку и пожарно-техническую экспертизу огнестойкости строи-

тельных конструкций целесообразно выполнять в табличной форме

(табл. 5.3).

Таблица 5.3

Оценка соответствия огнестойкости основных строительных конструкций объекта требованиям норм

Наименование и краткая	Пф, мин	Ссылка на	Птр, мин	Ссылка на	Вывод
характеристика основных		источник		таблицы	о соответствии
строительных конструкций				[3, 32]	требованиям норм
1	2	3	4	5	6

5.5.История отечественных исследований в области огнестойкости зданий и сооружений

В СССР вопросу о пожарно-профилактических мероприятиях в общей системе строительства придавалось важное государственное зна-

чение [1, 2, 4, 29, 30, 46, 48–50].

185

Однако вплоть до 1945 г. в СССР отсутствовала база для полномасштабных, систематических огневых испытаний строительных конструкций на огнестойкость, что в значительной мере препятствовало прогрессу

встроительной отрасли.

В1945–1950 гг. во Всесоюзном научно-исследовательском институте противопожарной обороны (ВНИИПО) по инициативе и под руководством проф. Н. А. Стрельчука началось создание первой в СССР базы для испытаний строительных конструкций на огнестойкость [46].

Создание во ВНИИПО центра испытаний строительных объектов на огнестойкость для того времени было чрезвычайно сложной задачей. Ведь согласно международным стандартам для такого рода испытаний, образцы для испытания конструкций должны иметь проектные размеры, т. е. испытываться в натуральную величину. Кроме того, несущие конструкции должны испытываться при нормативной рабочей нагрузке, поэтому огневые установки должны были быть оборудованы соответствующими нагружающими и опорными устройствами, обеспечивающими нагружение образца в соответствии с его расчетной схемой. Это значило, что огневые установки для испытаний на огнестойкость реальных конструкций должны были представлять собой сложные сооружения, к которым предъявлялись специальные требования. Размеры этих сооружений предполагали проектирование специальных цехов для их размещения.

Николай Антонович Стрельчук (рис. 5.3) не боялся масштабных проектов. Под его руководством при участии профессора, доктора техниче-

ских наук В. И. Мурашева, профессора, доктора технических наук А. И. Фоломина, группы энтузиастов – сотрудников ВНИИПО (В. П. Бушева, В. А. Пчелинцева, В. С. Федоренко, А. И. Яковлева, А. И. Милинского) этот сложный научно-технический проект был успешно реализован.

Рис. 5.3. Профессор Н. А. Стрельчук (в центре), начальник отдела огнестойкости ВНИИПО В. С. Федоренко (справа), профессор МИСИ им. В. В. Куйбышева В. Н. Предтеченский (слева)

во время проведения огневых испытаний во ВНИИПО

186

Эти сотрудники ВНИИПО затем стали участниками последующих масштабных системных исследований в области огнестойкости зданий и сооружений и ведущими специалистами в этой области [46, 50].

Во время работы над реализацией этого проекта были разработаны методики и проекты уникальных в СССР установок для испытаний строительных конструкций на огнестойкость (рис. 5.4–5.9), построены специальные цеха, в которых возводились крупногабаритные огневые установки.

Например, первая установка ВНИИПО для испытания огнестойкости колонн (рис. 5.4) состояла из печи размером 3,5×2,0×2,0 м, стационарной грузовой рамы с гидравлическим прессом и подъемно-транспортных устройств. Колонна для испытания на огнестойкость устанавливалась между опорными плитами и нагружалась постоянной нагрузкой от пресса, затем подвергалась высокотемпературному воздействию по «стандартному» режиму пожара. Общая высота этой установки превышала 7 м.

С этого момента в СССР начались систематические исследования огнестойкости различных строительных объектов [46]. В числе первых исследований проводились: испытания на огнестойкость металлических колонн с различной облицовкой (В. С. Федоренко); железобетонных изгибаемых элементов и колонн (А. И. Яковлев); стен, перегородок, противопожарных дверей и остекления (В. П. Бушев). Одновременно под руководством В. А. Пчелинцева проводились исследования температурного режима пожаров в жилых и производственных зданиях.

Многочисленные испытания строительных конструкций на огнестойкость позволили выявить основные причины и характер разрушения железобетонных, стальных, деревянных и других конструкций под действием огня, особенности их прогрева в этих условиях [46].

За последние годы в результате усилий ученых и специалистов во ВНИИПО [53] была полностью модернизирована старая и создана современная экспериментальная база, позволяющая проводить огневые испытания, включая испытания эффективности огнезащитных покрытий, наружных фасадных систем, несущих конструкций под статической нагрузкой и др.

Проведена большая работа по экспериментальному и теоретическому исследованию огнестойкости стальных и железобетонных конструкций,

втом числе и с огнезащитой. Разработаны методы огневых испытаний,

вкоторых сформулированы критерии оценки и методы испытаний стальных конструкций с огнезащитными покрытиями, а также огнестойких подвесных потолков.

187

1 128

13

1

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3	3

1

2

2

2 380

5 080

1 796

4 904

Рис. 5.4. Первая огневая установка ВНИИПО для испытания колонн на огнестойкость:

1 – траверсы рамы; 2 – дымовой канал; 3 – тележка; 4 – нагревательный канал форсунки; 5 – форсунки; 6 – термопары; 7 – колонна;

8 – стенки печи; 9 – верхняя опорная плита; 10 – направляющая вставка; 11 – пресс; 12 – манометр; 13 – стойка грузовой рамы

188

Рис. 5.5. Огневые испытания на натурном фрагменте здания

Сравнение огнестойкости различных строительных конструкций требует того, чтобы испытания проходили в одинаковых условиях теплового воздействия пожара. Однако «стандартный» температурный режим является усредненной зависимостью и соответствует развитию пожара в помещениях жилых и общественных зданий. При этом предполагается, что пожарная нагрузка эквивалентна 50 кг/м2 древесины. В связи с этим иногда такой температурный режим называют «целлюлозной кривой» [53].

Вместе с тем температурный режим пожара (изменение во времени среднеобъемной температуры среды при пожаре) в помещениях различных зданий и сооружений может существенно отличаться.

Так, горение различных углеводородных топлив (ЛВЖ и ГЖ) характеризуется быстрым повышением температуры до 1 100 °С. Такие пожары возможны на объектах нефтегазового и нефтехимического комплексов. В этом случае для оценки огнестойкости строительных конструкций и инженерного оборудования используется «углеводородная кривая»:

T = 1080 [1 − 0,325 exp (−0,167t) − 0,675 exp (−2,5t) + 20],

где T – температура пожара, °C; t – время, мин.

Другой возможный вид горения различного углеводородного топлива – пожар в тоннеле. В этих условиях, когда отвод тепла от очага затруднен, создается наиболее интенсивный температурный режим – «тоннельная кривая». Температура пожара может достигать 1 200 °С и выше уже через 5–10 мин.

Специалистами ВНИИПО были спроектированы установки для огневых испытаний несущих строительных конструкций с гидравлической

189

системой создания необходимой механической нагрузки на испытываемую конструкцию, позволяющие создавать в объеме печи перечисленные выше температурные режимы (рис. 5.6 и 5.7).

Рис. 5.6. Современная огневая установка ВНИИПО МЧС России для испытания изгибаемых конструкций

Рис. 5.7. Современная установка ВНИИПО МЧС России для испытаний на огнестойкость несущих колонн, стоек, опор, столбов, распорок и раскосов

190