Предел огнестойкости чугунных тоннельных обделок без огнезащитных покрытий

6. Израэль Ю. А. Экология и контроль состояния природной среды / Ю.А. Израэль. - М.: Гидрометеоиздат, 1984. - 560 с.

ПРЕДЕЛ ОГНЕСТОЙКОСТИ ЧУГУННЫХ ТОННЕЛЬНЫХ ОБДЕЛОК БЕЗ ОГНЕЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ

А.Д. Голиков, заместитель начальника, к.т.н.

Е.Ю. Черкасов, ведущий научный сотрудник, к.т.н.

НИИПИиИТвОБЖ, г.Санкт-Петербург А.И. Данилов руководитель группы ПБ и ГОЧС ОАО НИПИИ «Ленметрогипротранс», г.Санкт-Петербург И.А. Сиваков, аспирант, ассистент кафедры Университет ИТМО, г.Санкт-Петербург

Вопрос определения фактического предела огнестойкости конструкций из чугуна до настоящего времени остается не решенным, так как существующие методы испытаний конструкций на огнестойкость не учитывают специфических особенностей чугуна как конструкционного материала, а методики расчетного определения фактического предела огнестойкости отсутствуют. В то же время эксплуатируется и проектируется достаточно большое количество важных объектов с использованием конструкций из чугуна (тоннели и шахты метрополитенов, транспортные тоннели), к которым предъявляются жесткие требования по пределу огнестойкости. Существующая ситуация приводит к тому, что отсутствует возможность обоснованной оценки фактического предела огнестойкости чугунных конструкций и определения достаточности мероприятий по огнезащите конструкций, так как в силу большой протяженности объектов и условий эксплуатации монтаж и поддержание в работоспособном состоянии средств огнезащиты связаны с большими финансовыми и временными затратами. Целью данной работы является оценка возможности расчетного определения фактического предела огнестойкости конструкций из чугуна, использованных при строительстве объектов метрополитена.

Исследование реферативного журнала ВИНИТИ «Пожарная охрана» за 1982-2013 годы показало отсутствие публикаций по огнестойкости несущих элементов строительных конструкций из чугуна.

Результаты работ первой половины 20 века [1] показывают, что чугунные конструкции при нагреве теряют прочность в меньшей степени, чем стальные. Несущая способность сварочного железа при 550 °С уменьшается на 60%. Гораздо устойчивее оказывается чугун - чтобы понизить в такой же мере его способность выдерживать нагрузку нужно воздействие температуры 700 °С. На рисунке 1 приведены зависимости

температурных коэффициентов условий работы чугуна и стали от температуры. Как можно видеть, критической температуре 500 °С для стали соответствует значение 0,58. Для серого чугуна этому

значению, как минимум, соответствует температура 636 °С.

0,0 ------—1--

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Температура? С

Рис. 1. Зависимость температурного коэффициента условий работы ^ от температуры. 1 - серый чугун [2]; 2 - серый чугун [3]; 3 - сталь [4]

Предел огнестойкости несущих элементов металлических конструкций зависит от приведённой толщины 3 ^, которая обычно

определяется по формуле [4]:

х А

=- (1) и

где А - площадь поперечного сечения, и - обогреваемая часть периметра сечения.

При прогнозе пределов огнестойкости металлических конструкций пользуются выпусками ВНИИПО «Техническая информация (в помощь инспектору ГПН)», таблицами пособия 11 [5] или расчётными методами, приведенными в [6, 7]. В выпусках «Техническая информация...» информация по испытаниям конструкций из чугуна отсутствует.

Поскольку с необогреваемой поверхности тюбингов происходит теплоотдача в окружающий грунт и теплофизические свойства серого чугуна несколько отличаются от свойств конструкционной стали, были проведены расчеты прогрева конструкций тюбингов без огнезащитных покрытий. Теплофизические и прочностные характеристики серого чугуна СЧ20 взяты по данным [2,8,9,10]: Для учёта теплоотдачи с поверхности контакта тюбингов с грунтом, приведённая толщина 3 а определялась по следующей формуле:

. М

3 = 0,5 + Р д\~

' V нагр отд/

нагр отд / Р

где М - масса тюбинга, р - плотность чугуна, Гнагр - обогреваемая площадь поверхности тюбинга, Ротд - площадь поверхности тюбинга, контактирующей с окружающим тоннель грунтом.

Испытания на огнестойкость образцов строительных конструкций проводятся при воздействии на их поверхность стандартного температурного режима пожара. Расчёт распределения температуры в поперечном сечении обделки тоннеля и окружающем грунте производился путём численного решения уравнения теплопроводности с учетом зависимости теплофизических характеристик материалов от температуры.

Граничные условия задачи описывались лучистым и конвективным теплообменом внутренней поверхности конструкции с окружающей средой. Коэффициенты теплообмена приняты в соответствии с условиями испытаний на огнестойкость.

По линии контакта чугуна и грунта приняты условия равенства температур и тепловых потоков.

Рассмотрены варианты наличия за обделкой тоннеля глины, известняка и воды.

Принималось, что конструкция сохраняет несущую способность, если за время теплового воздействия средняя температура конструкции не превысит критической температуры 636 °С.

На рисунке 2 приведена расчетная схема, использованная при проведении тепловых расчетов. Область I, ограниченная линиями 1-2-7-6 -чугун. Область II, ограниченная линиями 3-4-5-7 - грунт. На линии 1 определено условие воздействия пожара, 2-6 - теплоизоляции, 7 -равенство температур и тепловых потоков на границе раздела чугун -грунт. Толщина слоя грунта за обделкой принята равной 0,3 м. В случае наличия воды за обделкой тоннеля область II отсутствует, по линии 7 устанавливается условие конвективной теплоотдачи.

Для оценки фактического предела огнестойкости конструкций тоннелей проведен тепловой расчёт зависимостей средних температур тюбингов от времени теплового воздействия пожара.

Рис. 2. Расчетная схема прогрева конструкции. I - чугун; II - грунт; Q - воздействие пожара

При строительстве эскалаторного тоннеля были использованы тюбинги Н из серого чугуна СЧ21-40. Масса тюбинга Н составляет 658 кг. Грунт за обделкой тоннеля - глина влажностью 30%. Площади нагрева 3,3 м2 и контакта с грунтом 1,55 м2определены по чертежам тюбинга. По формуле (2) приведенная толщина металла составляет 38,2 мм. Зависимость средней температуры тюбинга тоннеля от времени приведена на рисунке 3.

Время, мин

Рис. 3. Зависимость средней температуры тюбинга от времени воздействия стандартного температурного режима пожара

Средняя температура тюбинга на 60 минуте составляет 625 °С, что меньше критической температуры 636 °С. Таким образом, расчет предела огнестойкости обделки эскалаторного тоннеля со сборной обделкой из тюбингов Н из чугуна СЧ21-40 показал, что при воздействии стандартного температурного режима пожара предел огнестойкости по несущей способности составляет 60 минут при заданных свойствах окружающего грунта.

Анализ результатов проведенных исследований огнестойкости конструкций обделки тоннеля со сборной обделкой из тюбингов Н-3-Л, Н-2-Л, С-2-Л, К-2-Л из чугуна СЧ20 показал, что при воздействии стандартного температурного режима пожара предел огнестойкости по несущей способности составляет не менее Я45 при наличии с необогреваемой стороны грунта из глины влажностью 30% или известняка влажностью 50%. В случае наличия воды за обделкой, предел огнестойкости конструкции по несущей способности превышает Я90. Таким образом, предел огнестойкости чугунных тюбингов существенно зависит от условий теплоотдачи на необогреваемой поверхности.

Результаты расчётов показывают, что значения предела огнестойкости чугунных тюбингов по признаку потери несущей способности могут достигать значительных величин без нанесения огнезащитных покрытий при достаточной приведенной толщине металла

или наличии воды (переувлажненного грунта) с необогреваемой поверхности. Для получения более достоверных результатов при определении фактического предела огнестойкости конструкций из чугуна необходимо проведение исследований по уточнению зависимости коэффициента условий работы от температуры.

Список использованной литературы

1. Д-р Э.Шварц Пожары и взрывы от химико-технических причин.

- М.: Издательство Народного комиссариата внутренних дел РСФСР, 1929.

- 416 с.

2. Погодин-Алексеев Г.И. Справочник по машиностроительным материалам. Том З.Чугун - М.: Машгиз, 1959. - 359 с

3. Справочник по чугунному литью / под. Ред. Д-ра техн. Наук Н.Г.Гиршовича - М.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1978. -758 с.

4. Мосалков И.Л., Плюснина Г.Ф., Фролов А.Ю. Огнестойкость строительных конструкций: М.: ЗАО «Спецтехника», 2001. - 496 с.

5. Пособие по определению пределов огнестойкости конструкций, пределов распространения огня по конструкциям и групп возгораемости материалов (к СНиП П-2- 80) / ЦНИИС К им. Кучеренко - М.: Стройиздат, 1985. - 56 с.

6. Яковлев А.И. Расчёт огнестойкости строительных конструкций. -М.: Стройиздат, 1988.

7. Молчадский И.С. Пожар в помещении - М.: ВНИИПО, 2005. -

456 с.

8. СНиП П-23-81 «Стальные конструкции».

9. Зернов С.И. Расчётные оценки при решении задач пожарно-технической экспертизы. Учебное пособие - М: 1992.

10. Конструкционные материалы: Справочник / Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем, Н.А. Буше и др.; М.: Машиностроение, 1990. - 688 с.