Расчёт в программе Ansys выполнен на основании положений ст. 87 Федерального закона РФ от 22 июля 2008 г. №123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» [1], ГОСТ 30247.0-94. «Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость» [2], ГОСТ 30247.1-94. «Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции» [3].
1. Требования к оценке пределов огнестойкости
Пределы огнестойкости и классы пожарной опасности строительных конструкций должны определяться в условиях стандартных испытаний по методикам, установленным нормативными документами по пожарной безопасности. Согласно положениям п.10, ст. 87 ФЗ №123-ФЗ [1], пределы огнестойкости и классы пожарной опасности строительных конструкций, аналогичных по форме, материалам, конструктивному исполнению строительным конструкциям, прошедшим огневые испытания, могут определяться расчетно-аналитическим методом.
Пределы огнестойкости строительных конструкций определяются в условиях стандартных испытаний. Наступление пределов огнестойкости несущих и ограждающих строительных конструкций в условиях стандартных испытаний или в результате расчетов устанавливается по времени достижения одного или последовательно нескольких из следующих признаков предельных состояний [1]:
- 1) потеря несущей способности (R);
- 2) потеря целостности (E);
- 3) потеря теплоизолирующей способности вследствие повышения температуры на необогреваемой поверхности конструкции до предельных значений (I) или достижения предельной величины плотности теплового потока на нормируемом расстоянии от необогреваемой поверхности конструкции (W).
Тепловое воздействие на конструкцию определяется стандартным температурным режимом, характеризуемым следящей зависимостью [2]:
Т – То = 345 lg (8 t + 1), °С.
В графическом виде температурная зависимость «стандартного» температурного режима пожара представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Температурная зависимость «стандартного» температурного режима пожара от времени
Также, согласно ГОСТ Р 1363-2-2014 [4], требования к пожарно-техническим характеристикам некоторых строительных конструкций в определенных случаях могут быть более низкими по сравнению с требованиями к элементам, используемым в качестве противопожарных преград внутри здания. Например, наружные стены зданий могут быть подвержены воздействию внешнего пожара, распространяющегося от соседнего здания или из окон зданий. При этом возникает необходимость исключить возможность распространения пожара по причине потери огнестойкости наружных стен при внешнем огневом воздействии. С учетом особенностей внешнего пожара для оценки пределов огнестойкости наружных строительных конструкций используется наружный температурный режим.
Таким образом, при оценке огнестойкости междуэтажных поясов, рассматриваются «стандартный» и «наружный» температурные режимы пожара.
Для определения пределов огнестойкости глухих участков наружных навесных стен совместно с ГОСТ [5] применяют «Методика испытаний на огнестойкость конструкций стен наружных ненесущих навесных светопрозрачных. – Часть 1. Конструкции стен наружных ненесущих навесных с огнестойким светопрозрачным заполнением. Часть 2. Конструкции стен наружных ненесущих навесных с неогнестойким светопрозрачным заполнением» утверждена Департаментом надзорной деятельности МЧС России 26.12.2011 г [6].
Классы пожарной опасности конструкций определяются по ГОСТ 30403-2012 [7].
Сущность метода заключается в определении показателей пожарной опасности конструкций при их испытаниях в условиях теплового воздействия, установленных указанным стандартом, в течение времени, определяемого требованиями к этой конструкции по огнестойкости (но не более 45 минут).
При установлении класса пожарной опасности конструкции определяются следующие показатели:
– наличие теплового эффекта от горения или термического разложения составляющих конструкцию материалов;
– наличие пламенного горения газов или расплавов, выделяющихся из конструкции в результате термического разложения составляющих её материалов;
– размеры повреждения конструкции и составляющих её материалов, возникшего при её испытании, вследствие их горения или термического разложения;
– при необходимости характеристики пожарной опасности (горючесть, воспламеняемость, дымообразующая способность) составляющих конструкцию материалов, повреждённых при испытании по данному методу.
2. Требования к расчетам пределов огнестойкости
Согласно п. 3.22 СП 2.13130.2020 [8] стена наружная навесная светопрозрачная (светопропускающая) — наружная ненесущая стена, устанавливаемая при помощи крепежных элементов на торцевые части перекрытий и покрытий, имеющая в своем составе несущий каркас и светопропускающие элементы. Конструкция навесной светопрозрачной стены может иметь в своем составе междуэтажный пояс и простенки.
Согласно п. 3.23 СП 2.13130.2020 [8], междуэтажный пояс — это участок наружной стены с нормируемым пределом огнестойкости, расположенный между смежными по высоте проемами (оконными или иными проемами) или участками светопрозрачной конструкции с ненормируемым пределом огнестойкости. Междуэтажный пояс всегда выполняется глухим (без применения открывающихся конструкций).
При компьютерном моделировании теплотехнической задачи определяется время прогрева конструкции. В данном случае решается задача нахождения нестационарного поля температур в заранее известной области.
При проведении моделирования теплофизические свойства материалов рассматриваемых междуэтажных поясов необходимо принимать:
- на основании данных, полученных при натурных огневых испытаниях;
- по справочным материалам, представленным организациями (или сотрудниками таких организаций), которые осуществляют свою профессиональную деятельность по исследованию теплофизических свойств материалов, исследованию огнестойкости строительных конструкций.
При расчетно-аналитическом обосновании фактических пределов огнестойкости междуэтажных поясов Объекта применялось компьютерное моделирование теплотехнической задачи в программном комплексе Ansys, реализующем решение инженерных задач при помощи метода конечных элементов [10, 11, 12].
Данный программный комплекс верифицирован и валидирован для проведения оценок огнестойкости строительных конструкций [9].
Компьютерное моделирование обладает рядом преимуществ по сравнению с экспериментальным методом:
- низкая стоимость;
- высокая скорость;
- полнота информации;
- возможность моделирования реальных условий;
- возможность получения идеальных условий.
3. Расчет предела огнестойкости межэтажного пояса
Рисунок 2 – Схема межэтажного пояса
Программная модель межэтажного пояса создавалась на основе данных проектной документации. Программная модель приведена на рисунке 3.
Рисунок 3 – Программная модель пояса
Условия проведения компьютерного моделирования соответствовали условиям проведения натурных испытаний по ГОСТ [2, 3, 4, 6].
При проведении компьютерного моделирования задавались граничные условия 3-го рода:
– изменение температуры среды (задавалось воздействие «стандартного/наружного режима пожара»);
– изменение коэффициента теплоотдачи от среды пожара к поверхности конструкции.
При проведении компьютерного моделирования учитывались теплофизические характеристики материалов [13, 14, 15] рассматриваемого узла, приведенные в таблице 1.
Таблица 1 – Теплотехнические характеристики материалов рассматриваемого пояса
|
№ |
Наименование материала | Плотность, кг/м3 | Коэффициент теплопроводности, Вт/м·К |
Коэффициент теплоемкости, Дж/(кг·К) |
|
1 |
Сталь | 7800 | 78 – 0,048 · t |
310 + 0,48 · t |
|
2 |
Утеплитель – минераловатные плиты | 37-40* | -0,107 + 5,8 × 10^-4 · t |
634 + 0,84 · t |
|
3 |
Утеплитель – минераловатные плиты | 108 – 111* | -0,107 + 5,8 × 10^-4 · t |
634 + 0,84 · t |
|
4 |
Цементно-песчаная стяжка | 1930 | 0,96 – 4,4 × 10^-4 · t |
598 + 0,63 · t |
|
5 |
Аквапанель/ГКЛО | 900 | 0,135 + 0,00035 · t |
849 + 0,59 · t |
|
6 |
Натуральный камень | 2500 | 1,4 |
770 |
| 7 |
Бетон |
2330 |
1,3 – 0,00035 · t |
481 + 0,84 · t |
| *Примечание – плотность принималась по усредненному значению | ||||
При компьютерном моделировании теплотехнической задачи рассматривались три сценария обогрева рассматриваемого узла при «стандартном» и «наружном» температурном режиме пожара.
Рисунок 4 – Расчетная схема обогрева Сценария 1
Рисунок 5 – Расчетная схема обогрева Сценария 2
Рисунок 6 – Расчетная схема обогрева Сценария 3
4. Результаты расчетов
4.1. Сценарий 1. Пожар на нижележащем этаже
При проведении компьютерного моделирования рассматривалось односторонее воздействие «стандарного» температурного режима пожара со стороны помещения нижележащего этажа.
Рисунок 7 – Температура необогреваемой поверхности рассматриваемого межэтажного пояса при пожаре
Рисунок 8 – Температурное поле. Время обогрева 15 минут
Рисунок 9 – Температурное поле. Время обогрева 30 минут
Рисунок 10 – Температурное поле. Время обогрева 45 минут
Рисунок 11 – Температурное поле. Время обогрева 60 минут
4.2. Сценарий 2. Пожар на вышележащем этаже
При проведении компьютерного моделирования рассматривалось односторонее воздействие «стандарного» температурного режима пожара со стороны помещения вышележащего этажа.
Рисунок 12 – Температура необогреваемой поверхности рассматриваемого межэтажного пояса при пожаре
Рисунок 13 – Температурное поле. Время обогрева 15 минут
Рисунок 14 – Температурное поле. Время обогрева 30 минут
Рисунок 15 – Температурное поле. Время обогрева 45 минут
Рисунок 16 – Температурное поле. Время обогрева 60 минут
4.3. Сценарий 3. Пожар с наружной стороны здания
При проведении компьютерного моделирования рассматривалось односторонее воздействие «наружного» температурного режима пожара с наружной стороны.
Рисунок 17 – Температура необогреваемой поверхности рассматриваемого межэтажного пояса при пожаре
Рисунок 18 – Температурное поле. Время обогрева 15 минут
Рисунок 19 – Температурное поле. Время обогрева 30 минут
Рисунок 20 – Температурное поле. Время обогрева 45 минут
Рисунок 21 – Температурное поле. Время обогрева 60 минут
5. Выводы
Анализ результатов моделирования показал, что при огневом воздействии «стандартного» температурного режима пожара в течении 60 минут (Сценарий 1, 2) и «наружного» температурного режима пожара в течении 60 минут (Сценарий 3) средняя температура на необогреваемой поверхности не превышает более 160 °С, или в выбранных контролируемых точках этой поверхности более 200 °С в сравнении с температурой конструкции до испытания (при начальной температуре 20 °С).
Температура в выбранных точках на необогреваемой поверхности и в сечении рассматриваемого узла на момент времени обогрева 60 минут показана на рисунках 22 – 24.
Рисунок 22 – Результаты Сценария № 1
Рисунок 23 – Результаты Сценария № 2
Рисунок 24 – Результаты Сценария № 3
На основании предоставленной справочной, проектной документации и полученных результатов компьютерного моделирования можно сделать следующие выводы:
- применяемые облицовочные материалы рассматриваемого межэтажного пояса являются негорючими;
- распределение температуры по сечению узла происходит неравномерно ввиду применяемых материалов. Температура необогреваемой поверхности не достигает максимальных значений, указанных выше;
- через 60 минут после начала огневого воздействия предельное состояние по показателю I не наступает.
Таким образом можно утверждать, что предельное состояние по потере целостности E (с учетом применяемых материалов) наступает не раньше наступления предельного состояния I (потеря теплоизолирующей способности вследствие повышения температуры на необогреваемой поверхности конструкции до предельных значений).
Таким образом, предел огнестойкости междуэтажного пояса составляет не менее EI60 – при воздействии огня со стороны помещения (стандартный температурный режим) и не менее EI60 – при воздействии огня с наружной стороны (наружный температурный режим).
Ссылки
- 1. Федеральный закон от 22.07.2008 N 123-ФЗ (в ред. Федеральных законов от 10.07.2012 N 117-ФЗ, от 02.07.2013 N 185-ФЗ, от 23.06.2014 N 160-ФЗ, от 13.07.2015 N 234-ФЗ) «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».
- 2. ГОСТ 30247.0-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования.
- 3. ГОСТ 30247.1-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции.
- 4. ГОСТ Р ЕН 1363-2-2014. Конструкции строительные. Испытания на огнестойкость. Часть 2. Альтернативные и дополнительные методы.
- 5. ГОСТ Р 53308-2009. Конструкции строительные. Светопрозрачные ограждающие конструкции и заполнения проемов. Метод испытаний на огнестойкость.
- 6. «Методика испытаний на огнестойкость конструкций стен наружных ненесущих навесных светопрозрачных. – Часть 1 Конструкции стен наружных ненесущих навесных с огнестойким светопрозрачным заполнением. Часть 2 Конструкции стен наружных ненесущих навесных с неогнестойким светопрозрачным заполнением». (Методика согласована Департаментом надзорной деятельности МЧС России 26.12.2011 г, утверждена Ассоциацией «Национальный союз организаций в области пожарной безопасности» 15.11.2011 г.).
- 7. ГОСТ 30403-2012. Конструкции строительные. Метод испытания на пожарную опасность.
- 8. СП 2.13130.2020. Системы противопожарной защиты. Обеспечение огнестойкости объектов защиты.
- 9. Верификационный отчет по программному комплексу Ansys Mechanical Москва / М.: ЗАО НИЦ СтаДио, НОЦ КМ МГСУ. – 2009. – 638 с.
- 10. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов: Пер. с англ. – М.: Мир, 1979, – 392 с.
- 11. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 152 с.
- 12. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация: Пер. с англ. – М.: Мир, 1986, – 318 с.
- 13. А.И. Яковлев. Расчёт огнестойкости строительных конструкций. Москва, Стройиздат. 1988 г.
- 14. Пузач С.В., Богатищев А.И., Зернов С.И., Карпов С.Ю. Расчёт фактических пределов огнестойкости строительных конструкций с учётом реальных параметров пожара, действий систем пожаротушения, механической вентиляции и дымоудаления (Математическая модель и методика). Саранск, Морд. кн. изд: Ковылк. тип.; 2004. – 80 с.
- 15. Франчук А.У. Таблицы теплотехнических показателей строительных материалов, М.: НИИ строительной физики, 1969 – 142 с.