Материал: Анализ реальных пожаров и их воздействия на строительные конструкции. Зайцев А.М

Глава 11. Анализ возможности эксплуатации железобетонных ферм после пожара

Для решения вопроса о возможности эксплуатации строитель­ных конструкций, в частности, железобетонных ферм (рис. 11.1), склада каучука шинного завода после воздействия реального пожа­ра были проведены следующие исследования с использованием следующих работ [7,19-38]:

1. Изучены материалы о развитии пожара в складе каучука, обследовано состояние строительных конструкций после пожара.

2. Определены фактические прогибы железобетонных ферм, сох­ранившихся после пожара.

3. Проведен расчет температурного режима в складе каучука при пожаре.

4. Проведен расчет прогрева железобетонных ферм.

5. Проведено испытание характеристик прочности бетона и арматуры после огневого воздействия.

Рис.11.1. Вид на железобетонные фермы после пожара

Изучение материалов о развитии пожара в складе каучука, обследование состояния строительных конструкций после пожара

Здание склада предназначено для хранения синтетического каучука марки СКИ-3. Площадь отсека склада, где произошел пожар, составляет 24x60=1440 м². Здание одноэтажное, пролет отсе­ка 24 м, длина 60 м, высота до нижнего пояса ферм 6 м. Степень огнестойкости здания – П. Капитальные стены и пилястры выполне­ны из силикатного кирпича. Стропильные фермы железобетонные, пролетом 24 м. Плиты покрытия – железобетонные, марки ПКЖ-3, размером 6x1,5 м. По торцам отсека склада расположены по 3 окна размером 2x3 м и дверь размером 3x3 м.

Начало пожара зафиксировано в 18 час 45 мин, окончание по­жара - I час ночи 15 мин. Длительность пожаре 5 час 30 мин. Время открытия ворот 19 час.19 мин. Время начала тушения пожара 19 час. 26 мин. или через 41 мин. после возникновения пожара. Время обнаружения пламени 19 час. 55 мин. Время от начала до обнаружения пожара 32 мин. Время разрушения остекления 20 час. 45 мин. или через 2 часа от начала пожара. Время обрушения фермы и плит покрытия 21 час. 13 мин. Площадь обрушения 288 м².

Фактическая загрузка склада горючими материалами составляла 230 кг/м². Количество сгоревшего материала: каучук марки СКИ-3 I400 кг, регенерат PКT I200 кг, обертка 50 кг, всего 2650 кг. Площадь горения 50 м².

В результате пожара произошло обрушение фермы Ф₀ и 32 плит покрытия ПКЖ-3; на Фермах Ф₅, Ф₆, Ф₇ появились нормальные и косые трещины с раскрытием до 0,3 мм; на ферме Ф₆ имеются разрушенные участки бетона вплоть до полного оголения арматуры. В зо­не горения произошло отслаивание кирпичной кладки стены и верх­ней части пилястр.

Определение фактических прогибов железобетонных ферм

Для определения фактических прогибов ферм принят стереофотограмметрический метод [20]. Съемки ферм выполнялись с помощью фо­тотеодолита С-Зв. Следует отметить, что использование данного метода для определения прогибов строительных конструкций после пожаров повышает безопасность проведения работ, точность измерений при незначительных затратах времени и средств.

После проведенной обработки диапозитивов получили, что величина прогибов изменяется вдоль ферм следующим образом: Ф₈ от +2,34 см до -0,29 см; Ф₇ то +6,42 см до 0,0 см; Ф₆ от +8,8 см до 0,0 см; Ф₅ от +5,14 см до 0,0 см; Ф₄ от +4,5 см до 0,0 см; Ф₃ от 4,86 см до 0,0 см; Ф₂ от +2,83 до 0,0 см. Вдоль отсека оклада максимальные прогибы ферм изменяется таким образом: (рис. 2.10) от фермы Ф₈ к Ф₆ прогибы возрастают от 2,34 см до 8,8 см и от Ф₂ к Ф₅ возрастают от 2,83 см до 5,14 см. Следовательно, уменьшение прогибов ферм происходит в соответствии с их прогревом в направлении от очага пожара до вентиляционных проемов.

Согласно СНиП 2.03.01.-84*, прогибы железобетонных элементов не должны превышать предельно допустимых величин (табл.11.1) для перекрытий с ребристыми потолками при пролете свыше 10 м 1/400 пролета или 6,0 см.

При сопоставлении фактических прогибов ферм с допустимыми (предельно) установлено, что фермы Ф₁, Ф₂, Ф₃ , Ф₄ ,и Ф₈ имеют прогибы, меньшие нормативных; фермы Ф₆ и Ф₇, имеют прогибы, превышающие предельно допустимые значения; ферма Ф₅ имеет прогиб, близкий к предельно допустимому значению (5,14 см).

Рис.11.2. Фактические прогибы ΔН ферм после пожара: I-очаг горения каучука; II и III - зоны средней и слабой интенсивности огневого воздействия;

1–3 – границы температур по низу плит покрытия, соответственно 800, 400, 200 ⁰С; 4 – направления движения продуктов горения;

5 – въездные ворота; 6 – оконные проемы.

Определение температурного режима в отсеке склада каучука во время пожара

Для определения среднеобъемной температуры в отсеке склада каучука, а также температур в различных точках объема помещения воспользуемся методикой, изложенной в [7,19-38]. Среднеобъемная температура в помещении зависит от удельной тепло­ты пожара , коэффициента избытка воздуха _m и продол­жительности горения t.

Определяем удельную теплоту пожара по формуле

, (1)

где z – коэффициент химического недожога, принимаем, соглас­но /87/, равным 0,95; β_c – коэффициент изменения скорости го­рения принимаем, согласно /16,48/, равным 0,5; Q_H – низшая тепло­та сгорания, согласно /87/, для каучука принимаем равной 40-I0³ кДж/кг; n – массовая скорость выгорания, согласно /180/, принимаем равной 31,8 кг/м²; Fгор – площадь поверхности горения, согласно данным экспертизы пожара, равна 50 м²; F_T - пло­щадь поверхности теплообмена в отсеке склада равна 5010 м². При этом площадь поверхности теплообмена равна

FT= Fпола + Fстен + Fпотолка =1440 + 1134 + 2436 = 5010 (м²).

По формуле (2.53) определяем значение удельной теплоты пожара отнесенной к единице площади поверхности теплообмена

или .

Коэффициент избытка воздуха определяем по формуле /183/

, (2)

где φ – коэффициент расхода, принимаем, согласно /16/ равным 0,64; f_О – площадь приточных отверстий, м²; h₁ – расстояние от плоскости равных давлений до центра тяжести приточных отвер­стий, м; ρ_и , ρ_п.г. – соответственно плотность наружного воздуха и продуктов горения, кг/м³; W_в^о – объем воздуха, пот­ребный для сгорания 1 кг горючих веществ, согласно /16/ равен 10,82 м /кг; g = 9,81 м/сек².

Из данных экспертизы пожара известно, что до разрушения остекления и обрушения ферм и плит покрытия воздухообмен при пожаре в отсеке склада происходил через дверные проемы в тече­ние 2 часов.

Примем, что после 15 мин площадь горения, установленная экспертизой, будет охвачена огнем. Найдем для этих условий коэф­фициент избытка воздуха. Примем также, что температура в поме­щении отсека склада к этому времени достигнет 373 К.

Для нахождения площади приточной части дверных проемов оп­ределим значение h₁ по формуле

, (3)

где Т_н – температура наружного воздуха, согласно данным экс­пертизы пожара равна 265 К; Т_п.г = 448 К.

Подставляя значение температур в формулу (2.55), получим

.

Учитывая, что 2(h₁ + h₂)= h, получим 2(0,892h₂ + h₃ ) =3, откуда h₂= 3/2·1,892 = 0,793 м. Следовательно,

h₁ = 0,892 ּ 0,793 = 0,707 м.

Площадь приточной части дверных проемов равна

.

Подставляя полученные значения в формулу (2.54), получим

.

В дальнейшем значения коэффициента уточнялись в соответствии с температурой продуктов горения. Так для времени пожара равного 1 часу равно 2,51; для 2 часов равно 2,74.

Перерасчет коэффициента избытка воздуха

Для 1 часа Т_п.г. = 423 К (для 30 и 45 мин эти расчеты опускаем, так как Т_п.г. близка к 373 К)

; 2(0,856h₂ + h₂) =3; h₂= 3/2·1,856 = 0,808,

h₁ = 0,856·0,808 =0,692; f_o=2h₁b·2=2·0,692·3·2=8,304;

.

Для 2 часов Т_п.г. = 478 К

; 2(0,821h₂ + h₂) = 3; h₂= 3/2·1,821 = 0,824;

h₁ = 0,821-0,824=0,676; f₀= 2·0,676·3·2=8,112;

.

По полученным значениям для различных моментов времени и при =1,68·10³ Вт/m² с помощью номограммы /16,180/ рассчитаны среднеобъемные значения температуры в отсеке склада каучука в период развития пожара, а также значения температуры среды на уровне нижнего пояса ферм. Результаты расчета представлены в таблице 11.1.

Полученные в результате расчета значения температуры среды в основном совпадают с результатами освидетельствования железо­бетонных конструкций, проведенного [7,19-38]. Результа­ты освидетельствования максимальных температур по зонам в отсе­ке склада каучука представлены на рис. 11.1. Необходимо отметить, что максимальная температура среды непосредственно над очагом пожара равнялась примерно от 800 до 900 ⁰С, что следует учиты­вать при расчете прогрева железобетонных конструкций.

Представив полученные результаты в графическом виде (рис. 11.3) получим ряд кривых, пропорциональных стандартной кривой по­жара, характеризующих повышение температуры среды на уровне ниж­него пояса ферм. Поэтому для расчета прогрева нижнего пояса ферм можно использовать методику, изложенную в предыдущем параграфе.

Таблица 11.1.

Рис.11.3. Изменение температуры пожара на уровне нижнего пояса ферм