Расчет температурного режима пожара при определении пределов огнестойкости строительных конструкций в зданиях, расположенных над транспортными магистралями

О. О. ВОРОГУШИН, аспирант кафедры пожарной безопасности Московского государственного строительного университета, г. Москва, Россия А. Я. КОРОЛЬЧЕНКО, д-р техн. наук, профессор, академик МАНЭБ, профессор кафедры пожарной безопасности Московского государственного строительного университета, г. Москва, Россия

А. В. ЛЯПИН, канд. техн. наук, директор Научно-исследовательского института экспертизы и инжиниринга Московского государственного строительного университета, г. Москва, Россия

УДК 614.841.34:624

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ПОЖАРА ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ПРЕДЕЛОВ ОГНЕСТОЙКОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ЗДАНИЯХ, РАСПОЛОЖЕННЫХ НАД ТРАНСПОРТНЫМИ МАГИСТРАЛЯМИ

Проведено численное моделирование пожара с использованием дифференциальной гидродинамической (СРй) модели пожара в тоннеле, образованном строительными конструкциями здания, надстроенного над проезжей частью автомобильной дороги. Определен температурный режим пожара при возгорании транспорта в рассмотренном тоннеле. Ключевые слова: моделирование пожара; огнестойкость; тоннель.

Проблема нехватки свободных территорий в крупных городах на сегодняшний день стоит достаточно остро. В таких условиях возникает необходимость более плотной застройки территорий и поиска новых инженерных решений. Наряду с высотным строительством, одним из эффективных решений сложившейся ситуации является строительство общественных, производственных и складских зданий над многочисленными транспортными магистралями.

Проекты надпутевого строительства на протяжении последних лет были успешно реализованы в Берлине, Гонконге, Нью-Йорке. В последнее время этот опыт перенимают и отечественные градостроители. Однако заключение транспортного пути в полноценный тоннель — крайне дорогостоящее и не всегда оправданное решение. Поэтому все большее распространение получают проекты зданий, надстроенных непосредственно над автомобильной дорогой. Автомобильная дорога в этом случае проходит насквозь через здание в уровне первого или первых двух его этажей.

При этом актуальным становится вопрос об определении требований к огнестойкости строительных конструкций в таких зданиях, так как в случае возгорания транспорта на путях, проходящих под зданием, указанные конструкции могут быть подвергнуты тепловому воздействию, значительно отличающемуся от условий стандартного огневого испытания.

В настоящей работе предпринята попытка посредством математического моделирования пожара определить температурный режим, развиваемый при возгорании транспорта на автомобильной дороге, расположенной под зданием.

Постановка задачи

Расчет проводился на примере многофункционального комплекса, показанного на рис. 1. В качестве расчетного варианта пожара принималось, что на автомобильной дороге, расположенной под надземным переходом, создалась аварийная ситуация с участием пассажирского автобуса. В результате аварии произошло разлитие и последующее возгорание бензина.

Рис. 1. Проект строительства общественного здания над автомобильной дорогой и трамвайными путями

© Ворогушин О. О., Королъченко А. Я., Ляпин А. В., 2012

Таблица 1. Свойства пожарной нагрузки

1,5 м 1,5 &

Свойство пожарной нагрузки Значение

Низшая теплота сгорания АИС, кДж/кг 43200,0

Линейная скорость распространения пламени v, м/с 745

Удельная скорость выгорания ^уд, кг/(м2-с) 0,05850

Дымообразующая способность, Нп-м2/кг 256,00

Потребление кислорода (02), кг/кг -3,4050

Количество выделяемого газа, кг/кг:

углекислого (С02) 2,92000

угарного (С0) 0,17500

хлористого водорода (HCl) 0

Мощность пожара ^пож в соответствии с данными, приведенными в стандарте [1], принимается равной 30 МВт. В качестве пожарной нагрузки принимается розлив бензина А-76. Свойства пожарной нагрузки взяты из Пособия [2] (табл. 1).

Площадь розлива 5розл (м2) определяется по формуле

5 р

N г

3 • 107

Vуд АЯС 0,0585 • 4,32 • 107

= 11,87м2.

Для ужесточения условий расчета принимаем, что затухание пожарной нагрузки вследствие ее выгорания не происходит и мощность тепловыделения сохраняется постоянной в течение всего времени моделирования пожара (90 мин).

Согласно расчетному сценарию розлив бензина образуется у наружной стены здания в середине тоннеля (образованного строительными конструкциями здания), так как в данном случае обеспечивается минимальный отвод нагретых продуктов горения в атмосферу и, как следствие, максимальное тепловое воздействие на строительные конструкции объекта.

Высота от поверхности проезжей части до нижнего пояса перекрытия принимается равной 4,8 м. В качестве материала ограждающих конструкций принимается тяжелый бетон на известняковом щебне. Теплофизические свойства бетона [3, 4] приведены в табл. 2.

Таблица 2. Теплофизические свойства бетона

Свойство бетона Значение

Массовая плотность, кг/м3 2250

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К) 1,29-0,00055t

Удельная теплоемкость, Дж/(кг-К) 481 + 0,84t

Степень черноты 0,63

Примечание. t — температура бетона, К.

Рис. 2. Схема размещения термопар

Контроль температуры в припотолочном слое газа производится посредством 18 термопар: 9 из них расположены непосредственно под потолком, еще 9 — на расстоянии 30 см от нижнего пояса перекрытия. Схема размещения термопар представлена на рис. 2.

Контроль температурного режима, воздействующего на колонну, производился посредством двух термопар, размещенных непосредственно у поверхности колонны со стороны очага пожара: одна из них — непосредственно под потолком, другая — на расстоянии 30 см от нижнего пояса перекрытия (см. рис. 2).

Значения температуры при моделировании пожара замеряются в течение 45 мин для термопар, находящихся под перекрытием, и в течение 90 мин для термопар, расположенных у колонны.

Математическая модель пожара

Для описания термогазодинамических параметров пожара в тоннеле применимы две основные группы детерминистических моделей — зонная и полевая. Приоритетность использования полевой модели пожара в данном случае обусловлена тем, что она позволяет получать локальные значения замеряемых величин в определенных точках области моделирования.

Полевая математическая модель пожара основана на уравнениях, выражающих законы сохранения массы, импульса, энергии и масс компонентов в малом рассматриваемом объеме [5].

Уравнение сохранения массы:

Ф д , N „ 57 + äX"(рu) =

Уравнение сохранения импульса:

д . . д . . dp дт ij

^ (PU ) + (РUj Ui ) = -— + —

dt д х; J дх,- дх:

J 1 J

Pgi.

34

ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 TOM 21 №4

Для ньютоновских жидкостей, подчиняющихся закону Стокса, тензор вязких напряжений определяется формулой

* а

f duг. duj Л 2 duk „

Уравнение энергии:

d; (Ph) + (P ujh) =

dt

dp д dt d x

d Xj

X dh Л dq

\ cP d xa

dx

j

Здесь h — статическая энтальпия смеси;

T

• • +| Cp dT + X (YkHk);

"'0

T0

k

cP

теплоемкость смеси при постоянном дав-

лении; c

= 1 Yk

p к cp, к ' к

Нк — теплота образования k-го компонента;

qR

радиационный поток энергии в направ-

лении Xj.

Уравнение сохранения химического компонента k:

d d d dt (pYk) + ^ (P ujYk) =

dt dXj J dXj

(

P D

djt d X:

+ Sk.

Для замыкания представленной выше системы уравнений используется уравнение состояния идеального газа. Для смеси газов оно имеет вид:

p =pRoTX (Yk Mk),

где R0 — универсальная газовая постоянная;

Mk — молярная масса k-го компонента.

Очевидно, что решение полевой модели пожара требует использования ЭВМ. На сегодняшний день существует ряд компьютерных программ, предназначенных для решения данной модели, таких как PHOENICS, JASMINE, SOFIE, FDS, FLUENT, CFX. В рамках моделирования был использован программный комплекс Fire Dynamics Simulator (FDS), разработанный институтом стандартов и технологий США (NIST) [6].

Результаты расчета

Наиболее наглядно температурный режим пожара можно оценить с помощью температурных полей (рис. 3), представленных в вертикальной плоскости, проходящей через геометрический центр розлива ЛВЖ.

Значения локальных и средних температур приведены в табл. 3. При расчете средней температуры притолочного слоя газа не учитывались данные, по-

Таблица 3. Значения локальных и средних температур, К

k

R

Время, мин Термопара Среднее по перекрытию Термопара Среднее по колонне

1 1' 2 2' 3 3' 4 4' 5 5' 6 6' 7 7' 8 8' 9 9' 10 10'

5 1012 629 1468 1080 1329 866 1358 846 1561 1580 1369 1007 1064 649 1387 1010 1295 863 1237 729 1313 1021

10 1026 607 1489 1165 1191 911 1427 909 1544 1512 1415 1083 1239 718 1411 967 1380 915 1235 792 1320 1056

15 1014 596 1454 933 1354 1004 1394 992 1563 1531 1329 1036 1092 734 1506 1064 1356 930 1249 784 1269 1007

20 1027 618 1450 1036 1357 901 1281 882 1591 1578 1433 1197 1221 764 1387 955 1290 858 1255 782 1296 1039

25 1064 673 1486 945 1557 1020 1409 1004 1591 1598 1448 1040 1011 617 1557 1180 1237 834 1253 861 1345 1103

30 1017 613 1549 1207 1334 875 1307 898 1591 1581 1534 1100 975 574 1368 956 1473 1024 1291 849 1329 1089

35 1026 654 1419 1121 1223 958 1287 834 1588 1613 1502 1205 1161 756 1520 1069 1401 984 1299 873 1352 1113

40 1064 649 1526 1103 1349 999 1338 874 1590 1588 1445 1119 1084 679 1517 1082 1293 840 1300 836 1348 1092

45 1040 574 1538 1152 1177 868 1379 983 1548 1581 1472 1108 1121 673 1428 994 1348 883 1288 846 1403 1125

50 825 1210 1018

55 839 1287 1063

60 824 1266 1045

65 810 1325 1068

70 833 1257 1045

75 832 1362 1097

80 874 1299 1087

85 862 1218 1040

90 841 1300 1071

Примечание. Курсивом показаны значения, не учитываемые в расчете среднего значения температуры.

Рис. 3. Температурные поля (°С) в вертикальной плоскости, расположенной на оси, в моменты времени: а — т = 5 мин; б— т = 15 мин; в — т = 30 мин; г — т = 45 мин; д — т = 60 мин; е — т = 75 мин; ж—т = 90 мин; 1 — очаг пожара; 2 — междуэтажное перекрытие; 3 — колонна

лученные посредством термопар 1, 4, 7, 1', 4' и 7' (см. разд. "Анализ результатов и их обсуждение").

График зависимости от времени температуры газовой среды под перекрытием и у поверхности

30 40 50 60 Время, мин

Рис. 4. Температура газовой среды при реальном пожаре и при стандартном огневом испытании: 1 — под перекрытием при реальном пожаре; 2 — у поверхности колонны при реальном пожаре; 3 — при стандартном огневом испытании

колонны показан на рис. 4. Кроме того, на нем представлена температурная кривая стандартного огневого испытания (стандартного пожара), определяемая по формуле

Т = 345 ^

где т — время с момента начала пожара, мин; Т — температура газовой среды, К;

[0

начальная температура, К.

Анализ результатов и их обсуждение

На основе представленных полей сделаны следующие выводы:

1) поскольку с двух сторон от очага пожара отсутствуют ограждающие конструкции (в местах въезда в тоннель и выезда из него), продукты горения беспрепятственно удаляются из рассматриваемой области моделирования в атмосферу, в результате нагрев газовой среды наблюдается только в припо-

36

{ББИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №4

толочном слое, а общий вид температурных полей с течением времени практически не меняется;

2) наблюдается локальное воздействие высоких температур на конструкцию перекрытия в зоне пересечения конвективной колонки с нижним поясом перекрытия;

3) колонна подвержена воздействию высоких температур также только в припотолочном слое газовой среды.

Ввиду высокой теплопроводности арматура имеет свойство даже при локальном воздействии высоких температур быстро прогреваться вдоль всей длины стержня, теряя при этом свои эксплуатационные свойства. Поэтому за температуру пожара в расчете следует принимать среднеобъемную температуру наиболее прогретой области газа, расположенной в припотолочном слое:

а) над конвективной колонкой пожара — при расчете огнестойкости конструкции перекрытия;

б) непосредственно у поверхности колонны со стороны очага пожара — при расчете огнестойкости колонны.

Из представленных температурных полей видно, что ближе к стене наблюдается больший прогрев припотолочного слоя газов, так как стена препятствует свободному отводу нагретых продуктов горения. Поэтому за температуру газовой среды при расчете огнестойкости перекрытия принимаем среднеарифметическое значение показателей термопар 2, 3, 5, 6, 8, 9,2', 3', 5', 6', 8' и 9', не учитывая при этом данные, полученные на термопарах 1, 4, 7, 1', 4' и 7' (см. рис. 2).

По графику на рис. 4 можно судить о том, что температурный режим, воздействующий на конструкции перекрытия при рассмотренном сценарии пожара, в значительной мере отличается от условий стандартного огневого испытания. На протяжении всего времени моделирования температура припо-толочного слоя газа при рассмотренном расчетном варианте значительно превышает температуру "стандартного пожара". При этом температурный режим, воздействующий на колонну, в условиях смоделированного сценария отличается от стандартного температурного режима пожара незначительно.

Выводы

В данной статье проведен расчет температурного режима пожара, развитие которого возможно при возгорании транспорта на автомобильной дороге, проходящей под зданием. Результаты расчета показали, что в рассмотренных условиях возможно тепловое воздействие на строительные конструкции здания, значительно отличающееся от условий стандартного огневого испытания.

Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что применение стандартных требований к огнестойкости строительных конструкций рассматриваемого типа зданий некорректно. Необходимо рассматривать различные условия пожара (возгорание различных видов транспорта, различные параметры надстраиваемого здания и его взаимного расположения с дорогой и т. п.) и на основе полученных данных определять требования к огнестойкости строительных конструкций в зданиях, построенных над транспортными магистралями.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. National Fire Protection Association (NFPA) 502 "Standard for Road Tunnels, Bridges, and other Limited Access Highways", 2004 edition.

2. Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении. — М. : Академия ГПС МВД России, 2000.

3. Яковлев А. И. Расчет огнестойкости строительных конструкций. — М. : Стройиздат, 1988.

4. Молчадский И. С. Пожар в помещении. — М. : ВНИИПО, 2005. — 456 с.

5. Методика определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности : приказ МЧС России от 30.06.2009 г. № 382; введ. 30.06.2009 г. // Российская газета. — 2009. — № 161; М. : ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2009.

6. K. McGrattan, S. Hostikka, J. Floyd. Fire Dynamics Simulator User's Guide. —W. : U. S. Government Printing Office, 2007.

Материал поступил в редакцию 15 марта 2012 г.

Электронный адрес авторов: oo.vorogushin@gmail.com.