Главная » Литература » Пожарные нормативы » Ройтман - Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируемых зданий
Ройтман - Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируемых зданий
В книге изложены физические основы огнестойкости зданий и сооружений, общие принципы инженерных оценок огнестойкости конструкций и зданий, на основе которых рассмотрены: оценка и расчет пределов огнестойкости строительных конструкций для случая воздействия "стандартного" пожара, с учетом режимов возможных реальных пожаров; оценка огнестойкости реконструируемых зданий, в т.ч. с надстройкой дополнительных этажей; оценка состояния зданий после пожара; проверка соответствия зданий и сооружений требованиям норм по показателю огнестойкости.
Приведены справочные данные: о требуемых нормами значениях огнестойкости зданий, конструкций, элементов; фактических пределах огнестойкости различных конструкций; данные, необходимые для расчета пределов огнестойкости различных конструкций; данные необходимые для расчетов огнестойкости конструкций с учетом режима возможного реального пожара; данные необходимые для оценки огнестойкости реконструируемых зданий.
Книга предназначена для специалистов научно-исследовательских, проектных, строительных организаций, органов государственного пожарного надзора, занимающихся вопросами противопожарной защиты зданий, а также может быть использована в качестве учебного пособия для высших учебных заведений при изучении курсов "Пожарная безопасность зданий и сооружений", "Безопасность жизнедеятельности", "Чрезвычайные ситуации в технобиосфере", курсовом и дипломном проектировании.
1.1. Опасность воздействия пожара на здания
1.1.1. Понятия о пожаре и пожарной опасности зданий
Пожар - неконтролируемое горение, причиняющее материальный ущерб, вред жизни и здоровью граждан, интересам общества и государства [1.1].
Пожарная опасность объекта - состояние объекта, заключающееся в возможности возникновения пожара и его последствий [1.2].
Специфика пожарной опасности зданий определяется [1.3]:
- пожароопасными свойствами, количеством и особенностями использования веществ и материалов находящихся и используемых в помещениях зданий;
- пожарной опасностью строительных материалов;
- пожарной опасностью строительных конструкций;
- пожарной опасностью здания в целом (функциональная пожарная опасность объекта).
Важным показателем пожарной опасности объекта является понятие о пожарной нагрузке помещения. Это - количество теплоты, отнесенное к единице поверхности пола, которое может выделиться в помещение или здание при пожаре.
Основным опасным фактором пожара, который и является причиной разрушения, повреждения строительных конструкций, элементов, частей зданий и зданий в целом является быстрое повышение температуры в очаге пожара (температурный режим пожара), которое резко отличается от условий обычной эксплуатации объекта.
Например, как показывают многочисленные исследования [1.4] при возникновении пожара в зданиях, температура среды в очаге пожара может достигать величин 900-1100°С, через 20-30 минут после его возникновения.
Для обычных строительных материалов и конструкций такое высокотемпературное воздействие является экстремальным, приводящим к быстрой утрате их несущей, ограждающей и теплоизолирующей способности (см.рис. 1.1; 1.2; 1.3; 1.4).
1.1.2. Температурные режимы пожаров
Температурный режим пожара - это изменение среднеобъемной температуры среды при пожаре, в зависимости от времени его развития.
Температурные режимы пожаров в помещениях различных зданий и сооружений могут весьма существенно отличаться друг от друга [1.5-1.7] (см. рис.1.5).
Наиболее "жесткий" температурный режим пожара может наблюдаться в дорожных, железнодорожных туннелях, шахтах, линиях метро (кривая 2 рис. 1.5). В отличие от пожаров в обычных зданиях и сооружениях, при возникновении пожара в туннеле, отвод тепла от очага пожара затруднен и, в результате, температура пожара может достигать величины до 1350° С.
На объектах нефтепереработки и нефтехимии температурные режимы пожаров также характеризуются быстрым повышением температуры до 1100°С и более (кривая 3, рис.1.5).
Кривые 5а,б,в рис. 1.5 дают представление о возможных температурных режимах пожара в помещениях жилых и общественных зданий при различных площадях проемов. Температурный режим пожара в подвальных помещениях представлен на рис. 1.5 кривой 4. Из-за недостатка притока воздуха в зону горения, температура среды в таких помещениях при пожаре ниже, чем в первых трех случаях. Однако эти пожары также представляют значительную опасность из-за их возможной большой продолжительности.
Рассмотрение температурных режимов пожара в различных помещениях позволяет представить развитие пожара в виде трех стадий:
1. Начальная стадия пожара - от возникновения неконтролируемого локального очага горения до полного охвата помещения пламенем. Средняя температура среды в помещении имеет небольшие значения, но внутри и вокруг зоны горения местные температуры могут достигать значительного уровня.
2. Стадия полного развития пожара (или пожара полностью охватившего помещение). Горят все горючие вещества и материалы, находящиеся в помещении. Интенсивность тепловыделения от горящих объектов достигает максимума, что приводит к быстрому нарастанию температуры в помещении до максимальных, которые могут достигать 11000С и более.
3. Стадия затухания пожара - интенсивность процесса горения в помещении начинает уменьшаться за счет израсходования основной массы горючих материалов в помещении или воздействия средств тушения пожара.
Скорость изменения температуры в каждой стадии пожара, максимальная температура пожара и время ее достижения в помещениях зданий и сооружений зависит от многих факторов, к основным из которых относятся [1.6, 1.7]:
- вид и количество пожарной нагрузки в помещении;
- геометрия помещения;
- вид и количество проемов в помещении;
- материал и толщина конструкций, ограждающих помещение.
1.1.3. Последствия воздействия пожаров на здания Строительные конструкции зданий и сооружений в обычных условиях эксплуатации могут сохранять необходимые рабочие качества в течение десятков лет. Эти же конструкции при пожаре исчерпывают свой ресурс долговечности в течение всего лишь десятков минут. Следствием быстрого разрушения строительных конструкций зданий и сооружений являются весьма значительные величины социального и материального ущербов.
Столь быстрый выход из строя строительных материалов и конструкций при пожаре определяется тем, что в этих условиях возникает и начинает действовать дополнительный особый опасный фактор - резкое изменение температуры среды в помещении при возникновении и развитии пожара.
Различные строительные материалы и конструкции по разному себя ведут в условиях повышенных температур. Обычные строительные материалы и конструкции, используемые в нормальных условиях эксплуатации, обычно подвергаются воздействию температур в диапазоне от +50°С до -50°С. Поэтому возникновение и развитие пожара в помещениях зданий и сооружений, когда температура среды в помещении может повышаться до 1000 и более °С, создает для обычных строительных материалов и конструкций экстремальные условия эксплуатации. Именно это и является причиной того, что строительные объекты при пожаре очень быстро утрачивают свои эксплуатационные качества, разрушаются или не могут препятствовать распространению пожара (см. рис. 1.1+1.4).
Например [1.8], пожар в здании из легких металлических конструкций. В 1984 году сгорело здание стоянки автобусов в Воронеже. Здание имело размеры 54x96 м. и высоту
Пожар начался с загорания одного из автобусов. Через 30 минут после безуспешных попыток потушить пожар первичными средствами поступило сообщение в пожарную охрану. Через 6 минут после сообщения о пожаре произошло обрушение конструкций покрытия на площади более
Характерные последствия воздействия пожара на железобетонные конструкции наблюдались при пожаре в производственном корпусе швейной фабрики [1.9]. Производственный корпус имел размеры в плане 114х24м, 4-х этажный. Конструкции сборные железобетонные. Обследование состояния здания после пожара показало, что средняя максимальная температура в очаге пожара составляла 1200-1250°С, время от начала горения до достижения максимальной температуры - 2 часа.
Железобетонные колонны в очаге пожара разрушились от среза, плиты перекрытий получили недопустимые деформации. Это привело к значительной осадке и смещениям остальных конструкций.
Было признано, что эксплуатация здания после пожара невозможна, необходимо восстановление здания в целом, путем замены, восстановления и усиления несущих конструкций. Из приведенных выше случаев пожара в различных зданиях можно сделать вывод о том, что воздействия пожаров на здания зависят от способности строительных конструкций сопротивляться воздействию пожара, т.е. способности сохранять при пожаре свои несущие, ограждающие, теплоизолирующие способности.
Последствия воздействия пожара на основные типы строительных конструкций можно охарактеризовать следующим образом:
Деревянные конструкции. Древесина является горючим материалом. Причиной выхода из строя деревянных конструкций при пожаре является уменьшение их сечения, 9 результате обугливания древесины при горении (см.рис.1.2). По мере уменьшения рабочего сечения деревянной конструкции при пожаре, напряжения от норматиэноф нагрузки возрастают, и при достижении ими предела прочности древесины происходит обрушение конструкций. Деревянные конструкции могут утратить и ограждающую способность - при возникновении несплошностей при их горении.
Металлические конструкции. Металл отличается высокой теплопроводностью. Это приводит к тому, что в условиях пожара незащищенные металлические конструкции быстро прогреваются до температур, превышающих 400-500°С. Под воздействием этих температур и нормативной нагрузки интенсивно развиваются температурные деформации и деформации ползучести. Это приводит к быстрому обрушению металлических колонн, балок (в пределах всего 0,12-0,25 часа), потере ограждающей и теплоизолирующей способностей ограждений (см.рис. 1.3).
Железобетонные и каменные конструкции. Колонны - в результате воздействия пожара и нормативной нагрузки поверхностные слои бетона, и рабочая арматура теряют свои эксплуатационные качества. Это приводит к снижению несущей способности конструкции. При достижении несущей способностью конструкции уровня рабочих нагрузок конструкция выходит из строя (см.рис.1.4).
Стены и перегородки. Потеря эксплуатационных качеств этих конструкций при пожаре происходит от 0,5 до 2,5 и более часа, в результате утраты несущей, ограждающей, теплоизолирующей способностей.
Изгибаемые элементы - наиболее уязвимые конструкции воздействию пожара. Наиболее неблагоприятный вариант воздействия пожара снизу, т.к. в этом случае рабочая арматура растянутой зоны конструкции защищена от действия высоких температур лишь защитным слоем бетона. В зависимости от толщины защитного слоя бетона, режима пожара, типа бетона и арматуры такого рода конструкции могут сопротивляться воздействию пожара от 0,4 до 2,0 часов.
1.2.Особенности прогрева конструкций зданий при воздействии пожара
1.2.1. Нестационарный характер процессов теплопереноса в конструкциях зданий при пожаре Прогрев строительных конструкций в условиях воздействия пожара сопровождается протеканием сложных теплофизических процессов, приводящих к утрате конструкциями своих эксплуатационных качеств, разрушению, в ряде случаев имеющему взрывоопасных характер.
При пожаре в помещении определяющими теплофизическими процессами являются процессы теплообмена. При возникновении и развитии пожара в помещении, строительные материалы и конструкции оказываются в среде с более высокой температурой. Между нагретой при пожаре средой помещения и строительными конструкциями возникает процесс теплообмена и эти конструкции начинают прогреваться.
Сначала прогреваются поверхностные слои конструкций, затем постепенно процесс прогрева распространяется вглубь сечений конструкций, т.е. температурное поле конструкций зданий и сооружений при пожаре изменяется не только в пространстве, но и во времени (является функцией времени). Выше было показано, что температурное поле в помещении при пожаре также быстро изменяется во времени.
Тепловые процессы, протекающие в таких условиях, называются нестационарными, в отличие от стационарных процессов, когда температура в любой точке тела не изменяется во времени и является функцией только координат.
1.2.2. Влажностный фактор и его влияние на процессы теплопереноса в конструкциях зданий при пожаре [1.10]
Материалы строительных конструкций в своем большинстве являются системами капиллярнопористых тел, которые всегда содержат некоторое количество влаги, находящейся в различных состояниях (в виде жидкой влаги, пара, льда).
Количество влаги в структуре строительных материалов, ее свойства, поведение в условиях пожара оказывает значительное, а в ряде случаев решающее значение на скорость прогрева конструкций, их напряженно-деформационное состояние и огнестойкость.
Прогрев строительных конструкций в условиях пожара приводит к резкой интенсификации теплофизических процессов, которые имеют место в обычных условиях, а также к возникновению и развитию новых, присущих только высокотемпературным воздействиям, явлений.
Рассмотрим механизм тепло-влажностных процессов в строительной конструкции при воздействии пожара на примере одностороннего прогрева бетонной плиты.
До начала пожара температура Т конструкции находится примерно на постоянном уровне, соответствующем условиям ее обычной эксплуатации. Влагосодержание U материала конструкций равно эксплуатационному уровню, а давление Р внутри конструкции соответствует давлению окружающей среды, т.е. барометрическому.
При воздействии пожара на рассматриваемую конструкцию (см. рис. 1.6) повышается температура слоев материала, прилегающих к обогреваемой поверхности. При достижении в этих слоях материала температуре порядка 95-100°С начинается процесс перехода жидкой влаги, заключенной в порах и капиллярах материала, в пар. В силу того, что влага внутри материала связана со скелетом различными силами связи (капиллярными, сорбционными и др.) процесс испарения происходит не при одной температуре 100°С, а в некотором интервале температур (95-170°С).
В результате внутри конструкции возникает зона испарения влаги (см.рис.1.6). Значительное количество тепла, поступающего от прогреваемой поверхности в зону испарения влаги, будет тратиться на скрытую теплоту парообразования. Это значит, что прогрев влажной конструкции при пожаре будет происходить иначе, чем сухой конструкции. Например, на кривых прогрева реальных конструкций, полученных при огневых испытаниях на огнестойкость, можно наблюдать характерные изломы (см.рис. 1.7).
Первый излом характеризует замедление прогрева материала при начале испарения влаги за счет скрытой теплоты парообразования. Второй излом температурной кривой свидетельствует об окончании испарения влаги в данном объеме материала, после чего темп нагрева вновь резко возрастает. Таким образом, по характеру температурных кривых по сечению конструкции, испытывающей воздействие пожара, можно судить о положении зоны испарения влаги внутри нее. При испарении влаги в зоне испарения возникает избыточное давление паровоздушной среды и в структуре материала формируется качественно новый по сравнению с обычными условиями процесс фильтрационного переноса влаги.
Возникшие фильтрационные потоки пара двигаются из зоны испарения как к обогреваемой, так и не обогреваемой поверхности конструкции. Влага, двигающаяся к обогреваемой поверхности конструкции, удаляется из нее в виде перегретого пара. Влага, фильтрующаяся к ее необогреваемой поверхности, накапливается внутри конструкции, образуя зону повышенного влагосодержания (см.рис.1.6). Влагосодержание материала в этой зоне может превышать начальное 50-70%.
Границы всех зон по мере прогрева конструкции смещаются к необогреваемой поверхности и может наступить момент (см.рис.1.6.б), когда граница зоны повышенного влагосодержания достигнет необогреваемой поверхности конструкции и будет наблюдаться прямое выделение влаги на этой поверхности конструкции. Это явление часто наблюдается при огневых испытаниях конструкций на огнестойкость.
При воздействии пожара на металлические конструкции, защищенные капиллярно-пористыми облицовками, у необогреваемой поверхности облицовки находится влагонепроницаемый слой металла. В этом случае удаление влаги, содержащейся в структуре облицовки, возможно только в сторону обогреваемой поверхности. Ввиду того, что на испарение влаги, содержащейся в облицовке, требуется затратить значительное количество тепла, а также то, что поток пара, двигаясь против потока тепла, возникает дополнительный эффект торможения прогрева защищаемой металлической конструкции в условиях пожара. Этот эффект может быть использован при решении различных задач огнестойкости конструкций [1.11].
В целом необходимо отметить, что влияние влагосодержания материала конструкции на ее огнестойкость имеет сложный и неоднозначный характер. С одной стороны, это - эффект замедления прогрева необогреваёмой поверхности увлажненной конструкции в условиях пожара и в данном случае наличие влаги в структуре материала играет положительную роль. С другой стороны, наличие влаги внутри тела создает более тяжелые условия работы материала в зонах прилегающих к обогреваемым поверхностям конструкции. Это происходит за счет увеличения градиентов температуры, развития поля избыточных давлений, фильтрационных потоков и резких перепадов влагосодержания по сечению тела. Следствием такой концентрации неблагоприятных факторов в зонах прилегающих к обогреваемым поверхностям конструкций является резкое увеличение скорости накопления повреждений в структуре материала, часто имеющему взрывообразный характер. Особенно опасными эти явления могут стать в связи с современной тенденцией в строительстве - применения тонкостенных конструкций.
Поэтому понимание физической природы процессов переноса тепла и влаги в строительных конструкциях при пожаре является необходимым условием для правильного выбора того или иного метода оценки и регулирования огнестойкости объекта.
...