CC BY
23
Огнезащита
УДК 614.841:620.197.6
РАСЧЕТ ОГНЕЗАЩИТЫ ИЗ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ВЯЖУЩИХ (НА ПРИМЕРЕ ПОКРЫТИЯ СОТЕРМ-1М)
Гаращенко Страхов
Анатолий Никитович Валерий Леонидович
'Огнезащита"
Рудзинский Казиев
Владимир Петрович Махач Магомедович
A. Н. Гаращенко
кандидат технических наук, заместитель директора по науке ЗАО
B. Л. Страхов
доктор технических наук, директор по науке ЗАО "Огнезащита"
В. П. Рудзинский
кандидат технических наук,
старший научный сотрудник ЗАО "Теплоогнезащита"
М. М. Казиев
кандидат технических наук, доцент кафедры пожарной безопасности в строительстве Московского государственного строительного университета
Показаны практические возможности разработанных авторами алгоритма и программы расчета параметров огнезащиты строительных конструкций на примере водосодержащего покрытия СОТЕРМ-1М. Программа разработана в результате численного решения уравнения нестационарной теплопроводности с учетом процессов испарения, конденсации и переноса массы пара. Определены параметры математической модели путем согласования результатов расчета с экспериментальными данными огневых испытаний конструкций с рассматриваемым покрытием. Приведены номограммы и таблицы для оперативного определения требуемых толщин огнезащиты, построенные с использованием данной программы и комплекса параметров, определенныхдля покрытия СОТЕРМ-1М.
Согласно требованиям НПБ 236-97 [1] применение средств огнезащиты строительных конструкций осуществляется в соответствии с проектом. В состав проекта огнезащиты следует включать описание принятой методики расчета температурных полей в конструкциях с огнезащитой, данные по ее экспериментальной проверке для выбранных средств огнезащиты, а также исходные данные и результаты расчетов.
При проектировании необходимо использовать надежные и апробированные алгоритмы и программы расчетов, позволяющие, в частности, обоснованно переносить результаты огневых испытаний средств огнезащиты по НПБ [1], проводимые преимущественно на стальных колоннах из двутав-
ра № 20, на конструкции иной формы и размеров. На практике в некоторых случаях назначение толщин огнезащиты производится непосредственно по результатам огневых испытаний без учета отличия формы и размеров рассматриваемой конструкции, условий ее силового нагружения и степени нагрева при пожаре. Очевидно, что при таком подходе проектные решения могут не отвечать условиям необходимой и достаточной огнезащиты строительных конструкций.
Основные положения удовлетворяющего современным требованиям подхода к расчету огнезащиты строительных конструкций изложены в монографии [2] и многочисленных публикациях авторов, например в статьях [3-8]. Согласно приня-
тому подходу алгоритм и программа расчета огнезащиты конкретного типа вначале проверяются и (при необходимости) уточняются по результатам ее огневых испытаний по методике НПБ [1], а затем по этой программе рассчитываются параметры огнезащиты для всего многообразия встречающихся на практике типов строительных конструкций, которые отличаются от испытанного образца формой и размерами.
В данной статье показаны практические возможности разработанных авторами алгоритмов и программ расчета параметров огнезащиты стальных конструкций на примере покрытия СОТЕРМ-1М, являющегося типичным представителем покрытий на минеральных вяжущих. В состав его материала входит цемент (вяжущее), а также каолин, вспученный вермикулит и базальтовое волокно (термостойкий наполнитель).
При решении рассматриваемой задачи применительно к данному покрытию использовался алгоритм расчета нестационарных температурных полей в конструкциях с огнезащитой из водосодержа-щих составов на минеральных вяжущих, представленный в работах [2 - 6], а также разработанный на основе этого алгоритма "Программный комплекс для расчетов нестационарных температурных полей в конструкциях с водосодержащей огнезащитой на неорганической основе ("ОГНЕЗАЩИТА", версия ВН.1)" [6]. Программный комплекс прошел тестирование и сертификацию в специализированном и аккредитованном в системе Госстандарта РФ органе — "Независимом испытательном центре программных средств «КУРС»" при МГТУ им. Н. Э. Баумана. В процессе сертификации проверялось соответствие разработанного программного продукта требованиям нормативных документов: ГОСТ Р ИСО/МЭК 9126-93 и ГОСТ Р ИСО/МЭК ТО 9294-93, принятых как в нашей стране, так и за рубежом. Получен сертификат соответствия № РОСС.Яи.СП05.С00039.
Перечень исходных данных, необходимых для проведения численных расчетов, а также порядок их определения описан в работах [2-6]. При определении массовой доли основных окислов, входящих в состав материала, учитывались предоставленные фирмой-производителем данные по составу покрытия СОТЕРМ-1М. Использовались также определенная по стандартным методикам зависимость от температуры относительной потери массы (степени разложения), а также данные по эффективной теплопроводности и плотности образцов исследуемого материала (табл. 1, 2). Степень разложения определялась по данным термогравиметрического анализа на установке Т0Б-5000Н, а коэффициент теплопроводности измерялся на экспериментальной установке ИТ-5 в диапазоне температур 18 - 27°С.
Таблица 1. Исходные данные для расчета теплофизических характеристик материала
Плотность
Коэффи- Массовая Массовые доли основных
циент доля несухого
теплопро- разлагаю
материа- г „
г . 3 водности, щеися части ла, кг/м
окислов в исходном составе материала
Вт/(м ■ К) материала SiO2 Al2O3 MgO CaO
370
0,11
0,86 0,386 0,4 0,12 0,094
Таблица 2. Эмпирическая зависимость степени завершенности процесса термического разложения материала от температуры
Т, °С 30 50 60 100 120 190 240
X 0 0,012 0,03 0,151 0,226 0,317 0,369
Продолжение табл. 2
Т, °С 300 440 460 480 500 520 540
X 0,391 0,425 0,434 0,445 0,468 0,507 0,554
Продолжение табл. 2
Т, °С 560 580 620 700 730 760 770
X 0,6 0,639 0,693 0,808 0,848 0,908 0,927
Продолжение табл. 2
Т, °С 800 820 840 860 880 900
X 0,95 0,961 0,964 0,98 0,989 1,0
Параметры математической модели (параметр лучистого теплопереноса в порах 0, входящиИ в выражение для определения эффективной теплопроводности разлагающегося материала в рабочем диапазоне температур, и константа коэффициента диффузии пара в сообщающихся порах покрытия kD [2, 4, 6]) определялись как параметры согласования расчета по разработанной методике с результатами огневых испытании фрагментов строительных конструкциИ с огнезащитоИ рассматриваемого типа.
Для определения указанных параметров, а также экспериментальной проверки методики расчетов температурных полеИ в конструкциях с покрытием СОТЕРМ-1М использовались представленные фирмоИ-производителем результаты огневых испытаниИ шести образцов — колонн из двутавра с покрытием СОТЕРМ-1М различноИ толщины, полученные в Испытательном центре "Опытное" 26 ЦНИИ МО РФ. Рассматривались данные по испытаниям четырех колонн двутаврового сечения профиля № 20 по ГОСТ 8239-89 с приведенной толщиной металла 3,4 мм, а также одноИ колонны профиля 30Б2 и одноИ колонны профиля 40Б2 по СТО АСЧМ 20-93. Основные результаты и номера протоколов испытаниИ представлены в табл. 3.
Таблица 3. Результаты огневых испытаний колонн из двутавра с покрытием СОТЕРМ-1М по НПБ [1]
Номер пыта Количество образцов Приведенная толщина металла, мм Толщина покрытия, мм Время достижения температуры 500°С Номер протокола испытаний
1 1 3,4 30 127 430/ИЦ-03 от 13.05.2003 г.
1 1 3,4 30 128 430/ИЦ-03 от 13.05.2003 г.
2 2 3,4 17,5 72 922/ИЦ-03 от 23.09.2003 г.
3 1 5,17 27,4 117 728/ИЦ-04 от 2.08.2004 г.
3 1 3,82 16,4 74 728/ИЦ-04 от 2.08.2004 г.
Определение параметров 0 и кв проводилось следующим образом. В диалоговом режиме работы пользователя с компьютерной программой многократно проводилось численное решение прямой задачи [6] для ряда значений искомых параметров, выбранных из заданного диапазона их возможного изменения. Результаты расчетов сопоставлялись с результатами измерения температуры стальной конструкции с огнезащитой известной толщины при огневых испытаниях, указанных в табл. 3. В итоге выбирались такие значения искомых параметров, при которых средние расчетные и экспериментальные значения времени достижения защищаемой конструкцией температуры 500°С согласовывались с достаточной точностью.
Удовлетворительное согласование результатов расчета времени достижения температуры 500°С с экспериментальными данными получено при следующих значениях параметров математической модели:
• 0 = 5,7 • 10-11 Вт/(м • К4);
• к0 = 0,33 • 106.
На рис. 1-4 дано сопоставление результатов расчетов и огневых испытаний образцов колонн с огнезащитой при указанных выше параметрах математической модели.
Можно видеть, что для испытаний конструкций с приведенной толщиной металла 3,4 мм расчетные
1200 1000 800 600 400 200 0
С
о Й
ур
ута р
е п м е Т
150
60 90 Время, мин
Рис. 1. Зависимость от времени температуры газовой среды (1) и двух колонн из двутавра № 20 (2) с приведенной толщиной металла 3,4 мм при толщине огнезащитного покрытия СОТЕРМ-1М, равной 30 мм в опыте № 1: -расчет; —•—•— эксперимент (здесь и в рис. 2-4)
значения в области температур порядка 500°С на рис. 1 проходят несколько выше, а на рис. 2 — несколько ниже экспериментальных значений. Подобная картина характерна и для испытаний конструкций с приведенной толщиной металла 3,82 и 5,17 мм (см. рис. 3, 4). В результате получено, что среднее время достижения температуры 500°С в расчетах и экспериментах совпадает. Следует также признать удовлетворительным совпадение характера изменения всех расчетных и экспериментальных кривых при использовании приведенных выше характеристик материала.
1000
С
о й
ур
ута р
е п м е Т
800 600 400 200 0
40
Время, мин
Рис. 2. Зависимость от времени температуры газовой среды (1 ) и двух колонн из двутавра № 20 (2 ) с приведенной толщиной металла 3,4 мм при толщине огнезащитного покрытия СОТЕРМ-1М, равной 17,5 мм в опыте №2
1200 1000 800 600 400 200 0
С
о Й
60
Время, мин
Рис. 3. Зависимость от времени температуры газовой среды (1 ) и колонны из двутавра 40Б2 (2 ) с приведенной толщиной металла 5,17 мм при толщине огнезащитного покрытия СОТЕРМ-1М, равной 27,4 мм в опыте № 3
о
о Й
1000
800
600
а р
ер п
400
200
Таблица 4. Результаты расчетов требуемых толщин покрытия СОТЕРМ-1М
40
Время, мин
Рис. 4. Зависимость от времени температуры газовой среды (1) и колонны из двутавра 30Б2 (2) с приведенной толщиной металла 3,82 мм при толщине огнезащитного покрытия СОТЕРМ-1М, равной 16,4 мм в опыте № 3
Сказанное свидетельствует о том, что разработанную программу расчетов и определенный выше комплекс характеристик огнезащитного покрытия СОТЕРМ-1М можно использовать при расчетах требуемых толщин этого покрытия для конструкций различных типоразмеров с различной схемой обогрева, а также построения номограмм или таблиц для быстрых приближенных оценок в тех случаях, когда допускается использование понятий "приведенная толщина металла" и "критическая температура стали". Их построение необходимо, поскольку во многих практически важных случаях возникает потребность в оперативной предварительной оценке требуемых толщин огнезащиты различных типов для всей номенклатуры конструкций рассматриваемого здания или сооружения.
Для построения номограмм проведен большой объем расчетов при значениях приведенной толщины металла от 2 до 14 мм и различной продолжительности теплового воздействия по стандартному температурному режиму. В ходе расчетов определялись толщины огнезащитного покрытия, необходимые для повышения предела огнестойкости рассматриваемых конструкций до различного уровня: 30,45,60,90,120,150 и 180 мин. Требуемые толщины огнезащиты конструкций рассчитывались из условия достижения критической температуры к концу воздействия по стандартному температурному режиму.
При построении номограмм определялись требуемые толщины огнезащитного покрытия для каждого конкретного сочетания толщины покрытия и приведенной толщины металла. Расчеты проводились для четырех значений критической температуры стальных конструкций. Кроме значения 500°С, использование которого допускается НПБ [1], получены данные для критических температур 450,550 и 600°С. Результаты расчетов требуемых толщин покрытия СОТЕРМ-1М представлены в табл. 4.
Предел Приведенная Критическая температура стали, °С
огнестой-
30
45
60
90
120
толщина металла, мм 450 500 550 600
2 10,7 9,8 9,0 8,0
3 9,5 8,5 7,8 7,0
4 8,5 7,6 6,9 6,1
5 7,7 6,8 6,0 5,2
6 7,0 6,0 5,4 4,6
8 5,8 4,9 4,2 3,6
11 4,6 3,7 3,2 2,6
14 3,5 3,0 2,5 2,0
2 15,2 14,2 13,3 12,3
3 14,0 13 12,0 11,1
4 13,0 11,9 11,0 10,1
5 12,1 11 10,0 9,3
6 11,2 9,9 9,2 8,6
8 9,7 8,5 7,7 7,1
11 7,9 6,7 6,0 5,5
14 6,5 5,4 4,8 4,3
2 19,0 17,9 16,7 15,5
3 17,7 16,6 15,4 14,2
4 16,6 15,4 14,2 13,1
5 15,6 14,3 13,1 12,0
6 14,6 13,3 12,1 11,0
8 12,8 11,7 10,5 9,5
11 10,7 9,6 8,6 7,7
14 9,3 8,2 7,0 6,2
2 25,7 24,4 22,9 21,7
3 24,5 23,1 21,6 20,4
4 23,2 21,7 20,4 19,3
5 22,0 20,6 19,3 18,2
6 20,9 19,5 18,2 17,1
8 19,1 17,5 16,3 15,3
11 16,7 15,1 13,9 13,0
14 14,8 13,2 12,2 11,3
2 31,7 30,2 28,4 26,8
3 30,2 28,8 27,0 25,3
4 28,8 27,3 25,7 24,0
5 27,6 26,0 24,4 22,7
6 26,4 24,8 23,2 21,5
8 24,6 22,9 21,3 19,8
11 21,9 20,2 18,7 17,6
14 19,7 18,0 16,7 15,7
0
Продолжение табл. 4
Предел Приведенная Критическая температура стали, °С
огнестойкости, мин толщина металла, мм 450 500 550 600
2 37,0 35,7 33,6 32,2
3 35,5 34,1 32,2 30,8
4 34,3 32,6 30,8 29,4
150 5 32,8 31,3 29,6 28,1
6 31,5 30,1 28,2 26,8
8 29,5 27,9 26,0 24,5
11 26,7 25,0 23,2 21,7
14 24,2 22,7 21 19,4
2 42,0 40,3 38,1 36,2
3 40,4 38,7 36,6 34,7
4 39,2 37,3 35,2 33,5
180 5 37,8 35,9 33,8 32,1
6 36,7 34,8 32,5 30,9
8 34,5 32,6 30,3 28,6
11 31,8 29,6 27,4 25,7
14 29,2 27,1 25,1 23,0
Для наглядности и удобства использования эти результаты могут быть представлены в виде номограмм. На рис. 5 показаны зависимости толщины покрытия от приведенной толщины металла, необходимые для обеспечения различных пределов огнестойкости при конкретном значении критической температуры стали (в данном случае — 500 и 600°С). Как видно из графиков, полученные зависимости отличаются от линейных, в особенности при пределах огнестойкости от 30 до 120 мин.
Результаты расчетов могут быть представлены также в виде изменения времени достижения конструкцией конкретной температуры в зависимости от толщины покрытия СОТЕРМ-1М при различных приведенных толщинах металла. Пример построения таких зависимостей при значении критической температуры стали 500°С представлен на рис. 6. Как видно из графиков, характер изменения искомой величины существенно отличается от линейного. Следовательно, линейная интерполяция подобных результатов, полученных при огневых испытаниях, практикуемая в некоторых случаях, приводит к существенным погрешностям при определении толщин аналогичных огнезащитных покрытий на минеральных вяжущих.
На рис. 6 приведены также экспериментальные значения времени достижения температуры 500°С, полученные при огневых испытаниях покрытия СОТЕРМ-1М (см. табл. 3). Они подтверждают высказанное выше предположение о нецелесообраз-
м
«
и т
ы кр
о п а н и
3
л
лоТ
м
а «
и т
ы кр
о п а н и
3
л
лоТ
40
30
20
10
0 40
30
20
10
4 6 8 10 12 Приведенная толщина металла, мм
14
Рис. 5. Зависимость от приведенной толщины металла толщины огнезащитного покрытия СОТЕРМ-1М, необходимой для повышения пределов огнестойкости строительных конструкций до заданного уровня: 30 (1), 45 (2), 60 (3), 90 (4), 120 (5), 150 (6) и 180 мин (7), при значении критической температуры металла, равной 500 (а) и 600°С (б)
180
1 23456
я и н
%
и т с
о
д
я м
е р
В
С
120-
60
0
// 'Л
0
40
10 20 30
Толщина покрытия, мм
Рис. 6. Изменение времени достижения конструкцией температуры 500°С от толщины покрытия СОТЕРМ-1М при значениях приведенной толщины металла, равных 11 (1 ), 8 (2), 6 (3), 5 (4), 4 (5), 3 (6) и 2 мм (7): • —экспериментальные точки для двутавров с приведенной толщиной 3,4 мм и толщинах покрытия 17,5 и 30 мм; ■ —экспериментальная точка для двутавра с приведенной толщиной 5,17 мм при толщине покрытия 27,4 мм; А — экспериментальная точка для двутавра с приведенной толщиной 3,82 мм при толщине покрытия 16,4 мм; 8 — прямая, аппроксимирующая экспериментальные значения, полученные для двутавров с приведенной толщиной металла 3,4 мм и толщинах покрытия 17,5 и 30 мм
0
2
7
8
ности линейной аппроксимации результатов, полученных при испытаниях (см. прямую 4 на рис. 6, проведенную через точки, полученные для конструкций с приведенной толщиной металла 3,4 мм).
Построенные в результате расчетов таблицы и номограммы позволяют производить расчеты проектных толщин огнезащитного покрытия СОТЕРМ-1М в случаях, когда допускается использование понятий "приведенная толщина металла" и "критическая температура стали".
Разработанная методика и полученные с ее помощью результаты позволяют:
• учесть с достаточной точностью отличие толщины металла фрагмента колонн из двутавра, на котором проводятся огневые испытания средств огнезащиты, от толщины металла реальной строительной конструкции;
• перенести результаты огневых испытаний по НПБ [1] на другие условия, отличающиеся, например, продолжительностью огневого воздействия на конструкции с огнезащитой. Изложенный подход прошел с положительным
результатом рецензирование в ряде специализированных организаций. С его помощью выпущены и
прошли согласование в органах ГПС проекты огнезащиты многочисленных объектов в московском и других регионах РФ.
Следует также отметить, что ранее авторами были разработаны и использовались на практике алгоритмы и программы расчета применительно к целому ряду средств огнезащиты других типов. С их помощью результаты расчетов обобщались в виде номограмм для вермикулитовых плит на минеральном вяжущем ПВТН [4], вспучивающегося покрытия на минеральном вяжущем ОСП-1 [5], атак-же вспучивающихся покрытий на органической основе Хенсотерм 4КС [7] и ПРОТЕРМ СТИЛ [8].
Таким образом, разработаны и апробированы алгоритм и программа расчета прогрева конструкций с огнезащитным покрытием СОТЕРМ-1М на основе минерального вяжущего. Их использование позволило, в частности, построить номограммы и таблицы для оперативного определения требуемых толщин покрытия. Имеется заключение Академии Государственной противопожарной службы МЧС РФ о возможности практического использования данной методики и полученных с ее помощью результатов.
ЛИТЕРАТУРА
1. НПБ 236-97. Огнезащитные составы для стальных конструкций. Общие требования. Метод определения огнезащитной эффективности.
2. Страхов В. Л., Кругов А. М., Давыдкин Н. Ф. Огнезащита строительных конструкций / Под ред. Ю. А. Кошмарова. — М.: ТИМР, 2000. — 433 с.
3. Страхов В. Л., Гаращенко А. Н., Крутов А. М., Давыдкин Н. Ф. Расчет требуемых толщин огнезащиты по результатам ее огневых испытаний // Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков: Материалы XV научно-практической конференции. Ч. 3. — М.: ВНИИПО, 1999.
— С. 75 - 83.
4. Страхов В. Л., Гаращенко А. Н., Рудзинский В. П. Математическое моделирование процесса работы тепло- огнезащиты из водосодержащих материалов // Вопросы оборонной техники.
— Сер. 15. — 1998. — Вып. 2(119). — С. 6 - 12.
5. Страхов В. Л, Гаращенко А. Н., Рудзинский В. П., Олейник В. А. Математическое моделирование работы водосодержащих вспучивающихся огнезащитных покрытий // Пожаровзрыво-безопасность. — 2003. — Т. 12,№ 1. — С. 39 - 46.
6. Страхов В. Л., Гаращенко А. Н., Рудзинский В. П. Программный комплекс для расчетов нестационарных температурных полей в конструкциях с водосодержащей огнезащитой на неорганической основе ("ОГНЕЗАЩИТА", версия ВН.1). — М.: НИИЦ ПС "КУРС" МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. — 23 с.
7. Гаращенко А. Н., Страхов В. Л., Рудзинский В. П., Рыжков А. А. Апробирование методики расчетов вспучивающейся огнезащиты строительных конструкций на примере покрытия Хенсотерм 4КС // Пожаровзрывобезопасность. — 1999. — Т. 8,№ 5. — С. 16 - 25.
8. Гаращенко А. Н., Страхов В. Л., Устрехов А. И. Результаты исследований и расчетов вспучивающегося огнезащитного покрытия ПРОТЕРМ СТИЛ // Пожары и окружающая среда: Материалы XVII научно-практической конференции. — М.: ВНИИПО, 2002. — С. 253 - 255.
Поступила в редакцию 06.05.05.
