CC BY
11
ОГНЕСТОЙКОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
УДК 614.842.6
к ВОПРОСУ ОГНЕСТОЙКОСТИ ВОЗДУХОВОДОВ СИСТЕМ ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЫ ГОРОДСКИХ АВТОТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ
Для расчета огнестойкости и параметров огнезащиты воздуховодов систем дымоудаления городских автотранспортных тоннелей разработана методика, основанная на численном решении связанных между собой теплотехнической и статической задач. Методика позволяет учитывать отличия условий сертификационных испытаний огнестойких воздуховодов по методу НПБ 239-97 [1] от условий их работы при вероятном пожаре.
В последнее десятилетие из-за быстрого роста автотранспортного парка крупных городов строительство объектов транспортного назначения приобрело масштабный характер. К таким объектам относятся и тоннели.
Система противодымной защиты является одной из систем, играющих ключевую роль в противопожарной защите подземного сооружения. Она предназначена для исключения заполнения образующимися при пожаре продуктами горения (дымом, токсичными газовоздушными смесями) жизненно важных зон: путей эвакуации; мест спасения людей; помещений, требующих постоянного присутствия персонала; мест проведения боевой работы специальных подразделений по ликвидации чрезвычайной ситуации. Надежное функционирование этой системы при пожаре особенно важно в крупных со сложной планировкой подземных сооружениях и тоннелях [2].
Одним из основных элементов системы противодымной защиты является разветвленная сеть воздуховодов с нормируемыми пределами огнестойкости.
Условия работы воздуховодов системы дымоудаления принципиально отличаются от условий их огневых испытаний по методике НПБ 239-97 [1] прежде всего наличием интенсивного внутреннего нагрева стенки дымовыми газами, текущими внутри воздуховода, поэтому непосредственный перенос результатов сертификационных испытаний огнезащиты воздуховодов по методике указанных норм на натуру невозможен. Из сказанного со всей
очевидностью следуют важность и необходимость разработанной коллективом авторов методики расчета огнестойкости и требуемых толщин огнезащиты воздуховодов противодымной защиты, позволяющей учитывать отличия условий сертификационных испытаний от условий их работы при вероятном пожаре в подземном сооружении [3-6].
Расчет толщины огнезащиты выбранного варианта, необходимой для обеспечения требуемого (нормируемого) предела огнестойкости каждого конкретного воздуховода, производится из условия
Пф — П-тр ;
где Пф — фактический предел огнестойкости воздуховода с огнезащитой;
Птр — требуемое (нормативное) значение предела огнестойкости.
Дополнительно к признакам предельных состояний воздуховодов при пожаре, сформулированных в НПБ 239-97 [6], применительно к воздуховодам системы дымоудаления тоннелей были введены следующие признаки, которые позволяют конкретизировать и формализовать их с целью использования в разработанной математической модели тепломассопереноса и напряженно-деформированного состояния воздуховодов.
Предельными состояниями воздуховода прямоугольного сечения на участках, нагруженных внешним давлением, являются:
а) потеря прочности — превышение максимальным действующим напряжением пре-
32
ПаЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2007 ТОМ 16 №3
дельного значения, равного пределу текучести материала стенки при данной температуре;
б) потеря жесткости — превышение максимальным относительным прогибом стенки* предельного значения, равного 0,05;
в) уменьшение площади проходного сечения воздуховода вследствие прогиба его стенок до ПредеёьН°г° зНачеНия (РНач - Рдеф )/РНач =
= 0,05 (Рнач, Едеф — значения площади проходного сечения воздуховода до и после деформации).
Предельными состояниями воздуховода прямоугольного сечения на участках, нагруженных внутренним давлением, являются:
а) потеря прочности — превышение максимальным действующим напряжением предельного значения, равного пределу текучести материала стенки при данной температуре;
б) потеря жесткости — превышение максимальным относительным прогибом стенки предельного значения, равного 0,05.
Предельными состояниями воздуховода круглого сечения на участках (секциях), нагруженных внешним давлением, являются:
а) потеря прочности — превышение максимальным действующим напряжением предельного значения, равного пределу текучести материала стенки при данной температуре;
б) потеря устойчивости — резкое изменение формы при превышении действующей нагрузкой критического уровня, соответствующего данной температуре.
Предельным состоянием воздуховода круглого сечения на участках (секциях), нагруженных внутренним давлением, является потеря прочности — превышение максимальным действующим напряжением предельного значения, равного пределу текучести материала стенки при данной температуре.
Требуемые толщины выбранного средства огнезащиты воздуховода в общем случае определяются взаимосвязанными теплотехническим и статическим расчетами с учетом условия Пф — Птр. В результате проведения теплотехнического расчета находятся текущие распределения по длине воздуховода температуры дымовых газов, движущихся внутри него, и температурное поле в стенке воздуховода. В ходе статического расчета определяются перемещения стенок воздуховода и действующие в них напряжения в зависимости от времени.
При использовании для определения предела огнестойкости металлических воздуховодов поня-
тия критическая температура металла толщина выбранного средства огнезащиты определяется теплотехническим расчетом из условия непревы-шения температурой стенки воздуховода Тк критического значения в конце огневого воздействия Ткр в течение времени, равного требуемому пределу огнестойкости:
Т < Т
х кр ■
Критическая температура металла рассматриваемого воздуховода определяется по признакам предельных состояний, сформулированным ранее, статическим расчетом при допущении о равномерном распределении в каждый момент времени температуры по толщине стенки воздуховода [4,5].
Канал дымоудаления в общем случае может состоять из участков, представляющих собой стальные воздуховоды, которые проходят как через аварийное помещение, заполненное высокотемпературной газовой средой, так и через смежные поме-
Рис. 1. Обобщенная схема газообмена и теплопередачи в системе противодымной защиты: 1 — аварийное помещение (пожарный отсек), заполненный газовой средой с температурой 7у (х,Х); 2 — смежное помещение, заполненное газовой средой (воздухом) с температурой Тв; 3 — клапан дымоудаления; 4 — стена (перегородка); 5 — канал дымоудаления, проложенный в воздуховодах с огнезащитой, железобетонных строительных конструкциях и т.п.; 6 — устройства для подачи распыленного охладителя во внутреннюю полость воздуховода (спринклеры или дренчеры); 7 — огнестойкий вентилятор; 8 — характер изменения температуры дымовых газов по длине канала дымоудаления при отсутствии (а) и при наличии (б) подачи охладителя в его внутреннюю полость; Тд—температура дымовых газов; Тх—температура наружной поверхности воздуховода в смежном помещении; Тпр — предельные значения температуры дымовых газов, критические для вентилятора дымоудаления; 11 —длина обогреваемого участка воздуховода; 12 — длина необогреваемого участка (расстояние от входа в вентиляционную камеру до вентилятора)
Относительный прогиб стенки воздуховода равен отношению прогиба к ширине стенки.
*
ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАШСТЬ 2007 ТОМ 16 №3
33
Рис. 2. Схема газообмена при пожаре в тоннеле при двухстороннем удалении дыма и распределения по длине дымовой зоны, образованной водяными завесами, температур наружной газовой среды Ту и дымовых газов Тд, текущих внутри воздуховода, а также расхода дымовых газов Уд: 1 — воздуховод; 2 — отверстия в воздуховоде для забора дымовых газов с клапанами дымоудаления; 3 — поток дымовых газов; 4 — железобетонные конструкции; 5 — вентилятор; 6 — водяные завесы, создавае-
Рис. 3. Схема газообмена при пожаре в тоннеле при одностороннем удалении дыма и распределения по длине дымовой зоны, образованной термостойкими шторами, температур наружной газовой среды Ту и дымовых газов Тд, текущих внутри воздуховода, а также расхода дымовых газов Уд: 1 — стальная стенка венткороба; 2 — отверстие для забора дымовых газов с клапаном дымоудаления; 3 — участок канала в железобетонных конструкциях; 4 — дымовая зона (условный пожарный отсек);
мые дренчерными установками; 7 — припотолочная струя дыма; 8—поток атмосферного воздуха; 9—разлитое горючее; 10 — зона горения; 11 — опасная для работы огнестойкого воздуховода зона; 12 — ось симметрии; —длина дымовой зоны (условного пожарного отсека)
5 — поток атмосферного воздуха; 6 — поток дымовых газов; Уд — расход дымовых газов; Те — температура окружающей среды; 1д — расстояние между клапанами дымоудаления; /; и /п — участки воздуховода дымоудаления различного сечения
щения, заполненные воздухом. Он может также прокладываться внутри железобетонных строительных конструкций. Кроме того, на практике встречаются случаи, когда две или три стенки канала выполнены из стали, а остальными его стенками являются железобетонные строительные конструкции. И, наконец, возможны варианты, когда между стальной стенкой канала дымоудаления и железобетонной стеной находится воздушная прослойка.
На наружную поверхность участка воздуховода, расположенного внутри аварийного условного пожарного отсека тоннеля, действует газовая среда, имеющая температуру Ту(?). Теплота от газовой среды к наружной поверхности стенок этой части воздуховода передается конвекцией и излучением. Газовая среда является оптически плотной.
Обобщенная схема движения дымовых газов и теплопередачи в системе противодымной защиты
представлена на рис. 1. Можно видеть, что газовая среда аварийного помещения, имеющая температуру Ту, поступает во внутреннюю полость воздуховода дымоудаления через клапаны дымоудаления 3, при этом ее температура несколько понижается.
В тех случаях, когда горячие газы из пожарного отсека поступают во внутреннюю полость воздуховода через несколько клапанов дымоудаления, массовая скорость движения дыма внутри воздуховода увеличивается по его длине (рис. 2, 3).
Дымовые газы движутся внутри канала дымоудаления 5 в сторону вентилятора 7, обмениваясь теплотой с его стенками. Направление теплового потока через стенку зависит от соотношения температур внутреннего и наружного газов. Так, на участке, расположенном в смежном помещении 2, тепловой поток направлен наружу, вследствие чего дымовые газы охлаждаются. Причем интенсив-
34
ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2007 ТОМ 16 №3
ность их охлаждения зависит от теплоизолирующей способности стенки воздуховода (в частности, от толщины слоя огнезащитного покрытия), а степень охлаждения на участке от входа в помещение 2 до вентилятора — от его длины 12.
Требуемая толщина огнезащиты воздуховода на участке длиной 12 определяется из условия повышения температуры его наружной поверхности не более чем на 190°С за время, равное требуемому пределу огнестойкости системы противодымной защиты. Следовательно, чем выше температура дымовых газов на входе в помещение 2, тем больше толщина огнезащиты и тем меньше охлаждаются дымовые газы на участке длиной 12. Длина этого участка определяется, в основном, объемно-планировочными решениями конкретного сооружения, возможность ее произвольного изменения крайне ограничена.
Таким образом, принципиально возможны случаи, когда температура дымовых газов на входе в
вентилятор превышает критическое значение. В этих ситуациях возникает необходимость в активной теплозащите вентилятора дымоудаления.
Для математического описания процессов теп-ломассопереноса в рассматриваемой системе в общем случае может быть использована известная система дифференциальных уравнений: неразрывности, движения газовой среды, диффузии компонентов газовой смеси, заполняющей внутреннюю полость канала дымоудаления (воздуховодов) и аварийного помещения, сохранения энергии и нестационарной теплопроводности в стенках канала (воздуховодов) и ограждающих конструкций. Для замыкания этой системы к ней необходимо добавлять соответствующие условия однозначности, уравнения для определения параметров турбулентного переноса (модель турбулентности) и интегрально-дифференциальные уравнения лучистого переноса в газовой среде.
ЛИТЕРАТУРА
1. НПБ 239-97. Воздуховоды. Метод испытания на огнестойкость. — М.: ВНИИПО МВД России,
1997. — 15 с.
2. Давыдкин Н. Ф., Страхов В. Л., Мешалкин Е. А., Солнцев Н. Д. Пожарная опасность городских автотранспортных тоннелей и комплексная система их противопожарной защиты // Подземное пространство мира. — М.: ТИМР, 2003. — №5. — С. 43-47.
3. Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении. — М.: Академия ГПС МВД России, 2000. — 118 с.
4. Страхов В. Л., Давыдкин Н. Ф., Гаращенко А. Н., Крутов А. М., Рудзинский В. П., Девли-шев П. П. Расчет огнестойкости воздухо- и газоводов с композиционным теплоогнезащитным покрытием // Пожаровзрывобезопасность. — 1998. — Т. 7, № 4. — С. 53-64.
5. Давыдкин Н. Ф., Страхов В. Л., Каледин Вл. О., Солнцев Н. Д. Расчет огнезащиты венткоро-ба дымоудаления Лефортовского тоннеля глубокого заложения // Подземное пространство мира. — М.: ТИМР, 2004. — №1. — С. 40-45.
6. Солнцев Н. Д. Расчет пределов огнестойкости и требуемых толщин огнезащиты покрытий воздуховодов системы дымоудаления тоннелей // Системы безопасности-2005: Материалы четырнадцатой научно-технической конференции. — М.: Академия ГПС МЧС России, 2005. —
С.216-220.
Поступила в редакцию 14.03.07.
ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2007 ТОМ 16 №3
35
