О разработке свода правил СП "Конструкции стальные строительные. Правила обеспечения огнестойкости"

Илья Гришин, Александр Стрекалёв, 21/09/23

В статье представлена информация о разработке проекта свода правил "Конструкции стальные строительные. Правила обеспечения огнестойкости", предложено обоснование актуальности разработки его проекта и проведен анализ текущих проблем при выработке технических решений по обеспечению требуемого предела огнестойкости стальных конструкций. Помимо этого, представлены основные положения расчетно-аналитического метода определения предела огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой и изложены предусмотренные проектом свода правил дополнительные требования к содержанию в технической документации на средства огнезащиты расширенной информации об его огнезащитной эффективности.

Специалистами ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко совместно со специалистами ФГБУ ВНИИПО МЧС России, ФГБУ "ЦНИИП Минстроя России", ФГАОУ ВО СПбПУ при активном содействии и поддержке Ассоциации развития стального строительства и ведущих металлургических компаний России разработан проект свода правил СП "Конструкции стальные строительные. Правила обеспечения огнестойкости".

Актуальность разработки свода правил

Проект СП устанавливает правила обеспечения огнестойкости несущих стальных строительных конструкций из горячекатаного проката по признаку потери несущей способности для зданий и сооружений различного назначения.

Разработка СП направлена на дальнейшее совершенствование системы противопожарного нормирования в строительстве, оптимизацию подходов к обеспечению огнестойкости зданий и сооружений, стальных несущих конструкций.

Актуальность разработки обусловлена необходимостью урегулирования следующих вопросов:

разработка нормативного документа по пожарной безопасности, устанавливающего расчетно-аналитический метод определения пределов огнестойкости по признаку потери несущей способности (R) стальных конструкций с огнезащитой, в соответствии с № 123-ФЗ, ч. 10 ст. 87 [1];
конкретизация содержащихся в технической документации на средства огнезащиты сведений об их огнезащитной эффективности, в соответствии с ТР ЕАЭС 043/2017, п. 19, 20 раздела V [2];
определение порядка выработки оптимальных проектных решений по способам и средствам огнезащиты стальных конструкций для обеспечения требуемого предела огнестойкости.

Сводом правил определены подходы к экспериментальному определению огнезащитной эффективности средств огнезащиты по расширенной программе, сформулированы дополнительные требования к информации об огнезащитной эффективности средств огнезащиты и включению такой информации в техническую документацию на средство огнезащиты.

Анализ действующей системы нормирования огнестойкости в строительстве

В соответствии с действующей системой нормирования огнестойкости в строительстве требуемые пределы огнестойкости несущих строительных конструкций устанавливаются по № 123-ФЗ, ст. 87, таблица 21 [1], в зависимости от принятой по СП 2.13130.2020 [3] степени огнестойкости зданий, сооружений и пожарных отсеков, либо по нормативным документам по пожарной безопасности (СТУ или СТО) для конкретных объектов.

Предел огнестойкости стальных конструкций определяется в условиях стандартных огневых испытаний по ГОСТ 30247.1-94 [4] или расчетно-аналитическим методом по времени (в минутах) от начала огневого испытания или расчетного воздействия пожара до наступления предельного состояния по потере несущей способности.

Огнезащитная эффективность средства огнезащиты определяется при испытаниях по ГОСТ Р 53295–2009 [5] по времени в минутах от начала огневого испытания при стандартном температурном режиме по ГОСТ 30247.0-94 [6] до достижения критической температуры (500 °C) образцом стальной колонны двутаврового сечения с приведенной толщиной металла ≈3,6 мм.

Действующая система нормирования огнестойкости в строительстве нуждается в дальнейшем усовершенствовании по следующим основным направлениям:

1. Как правило, для выполнения нормативных требований огнестойкости применяется стандартный температурный режим пожара по ГОСТ 30247.0-94 [6]. Стандартный температурный режим пожара применяется в мировой практике нормирования огнестойкости с начала XX века, принят по результатам специальных исследований температурных режимов горения пожарной нагрузки (древесины) в помещениях. При этом было принято допущение, что при решении задач огнестойкости для всех объектов вне зависимости от их специфики применяется единый стандартный температурный режим, характеризуемый следующей зависимостью:

Т - T₀ = 345lg(8t + 1) ,

где Т – температура в печи, соответствующая времени t, °С;

Т₀ – температура в печи до начала теплового воздействия (принимают равной температуре окружающей среды), °С;

t – время, исчисляемое от начала испытания, мин.

Очевидно, что реальные температурные режимы пожара, зависящие от специфики объекта (фактической пожарной нагрузки, зон воздействия пожара, объемно-планировочных решений, наличия систем пожаротушения и др.), в большинстве случаев отличаются от стандартного температурного режима. При этом необходимо отметить, что стандартный температурный режим был принят как вынужденная мера в связи с отсутствием в начале XX века технической возможности определения (моделирования) реальных температурных режимов пожара. В настоящее время существуют и активно применяются программные комплексы, позволяющие моделировать пожар на конкретном объекте на всех стадиях его развития в любой его точке, решать вопросы огнестойкости с учетом специфики объекта. Важной функцией при моделировании пожара является возможность определения зон наиболее интенсивного воздействия опасных факторов пожара, это позволяет акцентированно решать вопросы обеспечения огнестойкости в таких зонах, что особенно актуально для объектов нефтегазового комплекса.
Вопросам огнестойкости при реальных и альтернативных температурных режимах пожара посвящено большое количество научных исследований и публикаций [7–10].

Проект СП содержит отдельные положения по применению реальных и альтернативных температурных режимов пожара при решении вопросов обеспечения огнестойкости. При этом представляется необходимой разработка нормативных документов, регулирующих вопросы определения степени огнестойкости объектов с учетом их специфики и определения пределов огнестойкости строительных конструкций при реальных температурных режимах пожара. Решение этих вопросов особенно актуально для строительных конструкций из алюминиевых сплавов, широкое применение которых сдерживается их низкими показателями огнестойкости.

2. В соответствии с положениями № 123-ФЗ, ст. 87 [1] пределы огнестойкости строительных конструкций должны определяться в условиях стандартных испытаний по методикам, установленным нормативными документами по пожарной безопасности [4], или расчетно-аналитическим методом, установленным нормативными документами по пожарной безопасности.

В настоящее время отсутствуют нормативные документы по пожарной безопасности, устанавливающие расчетно-аналитический метод определения пределов огнестойкости стальных конструкций. На практике в большинстве случаев проектные решения по способам и средствам огнезащиты стальных конструкций определяются на основе расчетов, произведенных по методикам, установленным документами различного уровня [7, 11–14]. При этом результаты расчетов и, соответственно, адекватность выработанных проектных решений по обеспечению огнестойкости зависят от выбранной методики расчета, а также от квалификации и добросовестности специалистов, выполнивших расчеты.

Проектом СП после его принятия будет установлен на федеральном уровне единый расчетно-аналитический метод определения пределов огнестойкости стальных строительных конструкций.

3. Информации о группе огнезащитной эффективности средства огнезащиты по ГОСТ Р 53295–2009 [5] недостаточно для выработки технических решений по обеспечению требуемого предела огнестойкости стальных конструкций различного сортамента при разных значениях критической температуры. Группа огнезащитной эффективности по ГОСТ Р 53295–2009 [5] содержит сведения о пределе огнестойкости (времени достижения критической температуры 500 °C) стальной конструкции приведенной толщины 3,6 мм с огнезащитным покрытием определенной толщины.

Проект СП определяет порядок получения расширенной информации об огнезащитной эффективности средств огнезащиты, а также конкретизирует состав информации, которая должна содержаться в технической документации на средства огнезащиты стальных конструкций в соответствии с ТР ЕАЭС 043/2017, п. 19, 20 раздела V [2].

Революции не будет?

Проект СП разработан в соответствии с № 123-ФЗ и [1] и ТР ЕАЭС 043/2017 [2], с учетом анализа нормативных документов, регулирующих вопросы огнестойкости [3–6], изучения результатов проведенных научных исследований и научных публикаций [7–11], а также анализа практики применения расчетно-аналитических методов определения пределов огнестойкости стальных строительных конструкций, установленных документами различного уровня [7, 11–14].

Отдельно необходимо остановиться на выполненной в 2021–2022 гг. ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко совместно с ФГБУ ВНИИПО МЧС России, НИТУ "МИСиС", ФГБУ "ЦНИИП Минстроя России", ФГАОУ ВО "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого", при активном участии Ассоциации развития стального строительства комплексной научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы (НИОКР) по теме "Исследование механических свойств основных марок строительных сталей (включая огнестойкие) при повышенных температурах". Основным результатом НИОКР явились температурные коэффициенты снижения механических свойств строительных сталей (температурные коэффициенты снижения предела текучести и модуля упругости), являющиеся основой при выполнении предусмотренного проектом СП прочностного расчета. Справочные данные о температурных коэффициентах снижения механических свойств строительных сталей приведены в приложении к проекту СП.

Таким образом, проект СП по большей части является компиляцией различных ведомственных нормативных документов с учетом анализа научных исследований в области огнестойкости и не содержит каких-либо революционных положений. Отдельные вопросы, в частности по применению реальных температурных режимов пожара, стали предметом оживленных научных споров, после которых выработаны компромиссные формулировки. По результатам публичного обсуждения проекта поступило более 100 замечаний и предложений, которые были учтены при подготовке окончательной редакции проекта.

Вместе с тем проект СП содержит и ряд новаций, в том числе:

определяет общие положения по обеспечению огнестойкости стальных конструкций при реальных и альтернативных температурных режимах пожара;
определяет применение огнестойких сталей как одного из способов повышения предела огнестойкости стальных конструкций;
определяет порядок применения положений ГОСТ Р 53295–2009, п. 4.11 [5], в целях получения расширенных данных об огнезащитной эффективности огнезащитных покрытий;
конкретизирует и расширяет требования к технической документации на средства огнезащиты по содержанию информации об его огнезащитной эффективности;
определяет порядок выполнения прочностного расчета стальных конструкций;
определяет порядок решения теплотехнической задачи по определению предела огнестойкости стальной конструкции с огнезащитой;
содержит справочные данные об изменении механических свойств основных строительных сталей при повышенных температурах.

Реальные и альтернативные температурные режимы пожара

Подробное рассмотрение вопроса применения стандартного, реального и альтернативных температурных режимов пожара приведено в разделе настоящей статьи, посвященной анализу действующей системы нормирования огнестойкости в строительстве.

С учетом результатов анализа ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко подготовлены следующие предложения по разработке нормативных документов:

разработка свода правил "Здания и сооружения. Обеспечение огнестойкости с учетом специфики объекта". При разработке проекта свода правил планируется конкретизировать положения СП 2.13130.2020, п. 4.4 [3], при определении степени огнестойкости зданий с учетом их специфики, что будет способствовать оптимизации нормативных требований, реализации концепции гибкого противопожарного нормирования, объектно-ориентированного подхода в строительстве;
разработка ГОСТ Р "Конструкции строительные. Огнестойкость при реальных и альтернативных температурных режимах пожара". Целью разработки проекта ГОСТа Р является оптимизация нормативных требований огнестойкости, реализация концепции гибкого противопожарного нормирования в строительстве, в том числе объектно-ориентированного подхода при определении пределов огнестойкости строительных конструкций при реальных и альтернативных температурных режимах пожара.

Применение огнестойких сталей

Проектом СП предусматривается возможность применения стали повышенной огнестойкости (огнестойкая сталь) как одного из способов повышения огнестойкости стальных конструкций. В настоящее время металлургическими компаниями освоен выпуск строительных сталей, обладающих улучшенной сохранностью своих механических свойств при повышенных температурах. В обозначении класса прочности сталь повышенной огнестойкости маркируется буквой П.

По результатам проведенных исследований механических свойств основных марок строительных сталей при повышенных температурах установлено, что у огнестойких сталей снижение механических свойств происходит при более высокой температуре (примерно на 100 °С), чем у обычных сталей.

Справочные данные о температурных коэффициентах снижения механических свойств огнестойких строительных сталей приведены в приложении к проекту СП.

Порядок получения расширенной информации об огнезащитной эффективности средств огнезащиты

Проектом СП предусмотрены два варианта получения расширенной информации об огнезащитной эффективности средств огнезащиты (огнезащитных покрытий). При этом под расширенной информацией об огнезащитной эффективности средств огнезащиты понимаются данные об огнезащитной эффективности огнезащитных покрытий различной толщины, полученных в результате нанесения (монтажа) средств огнезащиты на стальные конструкции различной приведенной толщины при различных критических температурах.

При первом варианте расширенная информация получается по результатам серии из не менее чем девяти огневых испытаний по ГОСТ Р 53295-2009, п. 4.11 [3], образцов стальных колонн с различной приведенной толщиной металла (минимальной, средней и максимальной) с огнезащитным покрытием различной толщины (минимальной, средней и максимальной). При испытаниях контролируется скорость прогрева конструкции (зависимость температуры прогрева конструкции от времени температурного воздействия). Испытания проводятся до достижения температуры конструкции 700 °С для обычных сталей и 850 °С для огнестойких сталей.

Второй вариант, применяемый на практике [11, 14], основан на решении дифференциального уравнения теплопроводности Фурье и предусматривает выполнение теплотехнического расчета для стальных конструкций с конструктивной огнезащитой. Динамика прогрева стальных конструкций с огнезащитным покрытием определяется при пошаговом расчете по толщине для плоских конструкций с одномерным потоком тепла в соответствии с рис. 1.

рис1 (7)-Sep-21-2023-05-01-02-4153-AM Рис. 1. Схема к расчету прогрева стальной пластины с огнезащитным покрытием

При этом огнезащитное покрытие толщиной δ₀ разбивается на n-е число слоев Δ_x.

Данная задача является многофакторной, и расчеты достаточно трудоемки, так как исходными данными при проведении расчета являются теплотехнические свойства стали и огнезащитного покрытия (изменяющиеся при нагревании теплопроводность и теплоемкость огнезащитного покрытия, теплоемкость и теплопроводность стали, степень черноты обогреваемой поверхности и др.).
При этом теплотехнические свойства конкретных огнезащитных покрытий определяются путем решения обратной задачи теплопроводности по результатам огневых испытания стальных пластин размером 0,6 х 0,6 м, обогреваемых со стороны защищенной поверхности. Испытания проводятся на образцах защищенных пластин с минимальной, средней и максимальной толщинами огнезащитного покрытия в соответствии с технической документацией на средство огнезащиты.

Требования к информации об огнезащитной эффективности средств огнезащиты

В развитие требований к информации, содержащейся в технической документации на средство огнезащиты, установленных ТР ЕАЭС 043/2017, п. 19, 20 раздела V [2], проектом СП предусматривается наличие в документации на средство огнезащиты расширенной информации об его огнезащитной эффективности. В результате техническая документация на средство огнезащиты будет содержать всю необходимую для потребителей информацию, в том числе о толщине огнезащитного покрытия, необходимой для обеспечения требуемого предела огнестойкости стальной конструкции определенной приведенной толщины при установленной критической температуре.

Наличие данной информации максимально упростит и сделает прозрачной процедуру выбора оптимальных способов и средств огнезащиты стальных конструкций.

Полученная по результатам серии огневых испытаний по ГОСТ Р 53295-2009, п. 4.11 [3] или при решении дифференциального уравнения теплопроводности Фурье расширенная информация об огнезащитной эффективности средства огнезащиты оформляется в виде номограмм и (или) матриц прогрева стальных конструкций с огнезащитой при установленном температурном режиме пожара.

Пример номограммы прогрева стальных конструкций с огнезащитным покрытием до критической температуры 600 °С при стандартном температурном режиме пожара приведен на рис. 2.

рис2 (6)-2 Рис. 2. Пример номограммы прогрева стальных конструкций с огнезащитным покрытием при стандартном температурном режиме пожара до tкр = 600 °С

Пример оформления матрицы прогрева стальных конструкций с огнезащитным покрытием до критической температуры 550 °С по результатам серии из девяти огневых испытаний образцов колонн при температурном режиме стандартного пожара с приведенной толщиной металла 2,4, 8,7 и 15 мм и толщиной огнезащитного покрытия 10, 27 и 45 мм приведен в таблице.

Таблица. Пример оформления матрицы прогрева стальных конструкций с огнезащитным покрытием при стандартном температурном режиме пожара табл-Sep-21-2023-05-10-03-2117-AM

Прочностной расчет

Целью прочностного расчета является определение критической температуры стали исследуемой конструкции, с учетом параметров нагружения и опирания конструкции, ее геометрических размеров. Заложенная в проекте СП методика прочностного расчета интегрирована со сводами правил СП 16.13330.2017 "Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*" [15] и СП 20.13330.2016 "Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СниП 2.01.07-85*" [16], с использованием справочных данных об изменении механических свойств строительных сталей при повышенных температурах.

Применение данной методики позволит определять критическую температуру стальных конструкций при расчете стальных строительных конструкций зданий и сооружений в процессе их проектирования, в том числе с использованием современных методик проектирования, включая BIM-технологии. Такой подход дает возможность оптимизировать процесс выполнения прочностных расчетов, снизить их трудоемкость и повысить качество таких расчетов.

Решение теплотехнической задачи

Решение теплотехнической задачи заключается в определении времени прогрева стальных конструкций с огнезащитой от начала температурного воздействия при установленном температурном режиме пожара до определенной (критической) температуры. Результатом теплотехнического расчета является время прогрева стальной конструкции с огнезащитой до установленной по результатам прочностного расчета критической температуры (предел огнестойкости).

Проектом СП предусмотрено решение теплотехнической задачи с применением информации об огнезащитной эффективности огнезащитных покрытий, содержащейся в технической документации на средство огнезащиты. Предел огнестойкости стальной конструкции с огнезащитой определяется по номограммам или матрицам прогрева стальных конструкций с огнезащитным покрытием.

Номограммы и матрицы прогрева стальных конструкций с огнезащитным покрытием также могут использоваться для решения обратных задач – определения минимальной толщины огнезащитного покрытия для обеспечения требуемого предела огнестойкости стальной конструкции определенной приведенной толщины металла для заданной критической температуры.

Положительные эффекты от применения СП

Проект СП после его принятия позволит урегулировать ряд вопросов, связанных с обеспечением огнестойкости стальных конструкций. Ожидаемый положительный эффект от применения СП заключается в существенном упрощении и повышении качества выработки технических решений по выбору способов и средств огнезащиты для обеспечения требуемого предела огнестойкости стальных конструкций. Оптимизируется прочностной расчет стальных конструкций, результатом которого является определение критической температуры. Существенно упрощается решение теплотехнической задачи по определению времени прогрева стальной конструкции с огнезащитой до критической температуры (предел огнестойкости) за счет применения содержащейся в технической документации на средство огнезащиты расширенной информации об его огнезащитной эффективности. При этом на производителей средств огнезащиты возлагается обязанность предоставления расширенных данных об их огнезащитной эффективности, что позволит при проектировании зданий и сооружений обеспечить оптимальный выбор средств огнезащиты и толщину огнезащитного покрытия.

Публичное обсуждение проекта СП завершено в июне 2023 г., его утверждение планируется в конце 2023 – начале 2024 г.

Список литературы

Федеральный закон от 22.07.2008 г. № 123-ФЗ "Технический регламент о требованиях пожарной безопасности".
ТР ЕАЭС 043/2017 Технический регламент Евразийского экономического союза "О требованиях к средствам обеспечения пожарной безопасности и пожаротушения".
СП 2.13130.2020 "Системы противопожарной защиты. Обеспечение огнестойкости объектов защиты".
ГОСТ 30247.1–94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции.
ГОСТ Р 53295–2009 Средства огнезащиты для стальных конструкций. Общие требования. Метод определения огнезащитной эффективности.
ГОСТ 30247.0–94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования.
Ройтман В.М. Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируемых зданий / Ассоциация "Пожарная безопасность и наука": М., 2001.
Шебеко Ю.Н., Шебеко А.Ю., Гордиенко Д.М. Расчетная оценка эквивалентной продолжительности пожара для строительных конструкций на основе моделирования пожара в помещении // Пожарная безопасность. 2015. № 1. С. 31–39.
Ройтман В.М., Фирсова Т.Ф. Необоснованное завышение требований норм и СТУ по пределам огнестойкости ряда конструкций высотных зданий // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2017. № 2. С. 59–62. DOI: 10.25257/FE.2017.2.59-62.
Иванов В. Н. Комплексный подход к определению требуемых пределов огнестойкости высотных жилых зданий // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2018. № 1. С. 28–38. DOI: 10.25257/ FE.2018.1.28-38.
Яковлев А.И. Расчет огнестойкости строительных конструкций/Москва: Стройиздат, 1988. 143 с. ISBN 5-274-00178-5.
Средства огнезащиты для стальных конструкций. Расчетно-экспериментальный метод определения предела огнестойкости несущих металлических конструкций с тонкослойными огнезащитными покрытиями. Мeтoдика. Санкт-Петербург: ВНИИПО, 2013.
Пособие по определению пределов огнестойкости строительных конструкций, параметров пожарной опасности материалов.
Порядок проектирования огнезащиты. Справочный материал. ОАО "НИЦ "Строительство": Москва. 2013.
СТО АРСС 11251254.001-018-03 "Проектирование огнезащиты несущих стальных конструкций с применением различных типов облицовок".
СП 16.13330.2017 "Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II23-81*".
СП 20.13330.2016 "Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СниП 2.01.07-85*" (с Изменениями № 1, 2, 3).