УДК61.614.0.06

Основные методы исследования стальных конструкций в экспертизе пожара

Унру Евгений Сергеевич – магистрант Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России.

Аннотация: Данная статья посвящена исследованиям стальных конструкций в контексте их участия в экспертизе пожаров. В свете современных требований к безопасности зданий в условиях пожара, данное исследование направлено на анализ структурной устойчивости стальных элементов под воздействием высоких температур. Авторы проводят комплексный анализ механических свойств сталей, используемых в строительстве, при различных температурах, а также рассматривают эффекты, вызываемые изменениями в микроструктуре материала в условиях пожара. Особое внимание уделяется вопросам влияния теплового расширения, деформаций и термической усталости на интегритет конструкций. Исследование также охватывает разработку методов диагностики и мониторинга стальных конструкций в режиме реального времени при возможных пожарах. Авторы представляют новые технологические подходы к повышению степени предсказуемости поведения стальных элементов в условиях пожара, что имеет критическое значение для разработки эффективных стратегий противопожарной безопасности. Настоящая статья представляет собой важный вклад в область пожарной инженерии и структурной безопасности, предоставляя ценные научные данные и практические рекомендации для инженеров, проектировщиков и экспертов, занимающихся оценкой и восстановлением зданий после пожаров.

Ключевые слова: стальные конструкции, пожарная безопасность, экспертиза пожара, термический анализ, механические деформации, диагностика повреждений, микроструктура стали.

Исследование стальных конструкций в контексте экспертизы пожара представляет собой важное направление инженерных и научных исследований. Стальные конструкции являются неотъемлемой частью современных зданий и сооружений, обеспечивая им прочность, устойчивость и долговечность. Однако, в случае возникновения пожара, эти конструкции подвергаются серьезным испытаниям, что может привести к различным механическим и термическим деформациям.

Целью данного исследования является разработка и совершенствование методик, направленных на комплексное анализ состояния стальных конструкций после воздействия пожара. Это включает в себя не только оценку структурной целостности, но и анализ воздействия высоких температур на свойства стали, ее микроструктуру и механические характеристики [1].

Исследование также фокусируется на разработке новых методов диагностики и контроля, которые позволят инженерам и экспертам более точно определить степень повреждения стальных конструкций, а также предсказать их поведение в условиях пожара. Это важно не только для оценки степени безопасности зданий и сооружений, но и для разработки эффективных методов реставрации и усиления поврежденных элементов.

Данное исследование также принимает во внимание влияние различных факторов, таких как конструктивные особенности, материалы, используемые в строительстве, и интенсивность пожара. Накопленные знания будут иметь практическую значимость для строительной индустрии, позволяя разрабатывать более эффективные строительные стандарты и меры пожарной безопасности.

Последствия тепловых воздействий при пожаре на сталь и металлоконструкции можно разделить на шесть основных групп, условно расположив их по последовательности проявления при нагреве в следующий ряд:

  1. деформации;
  2. окислы на поверхности стальных изделий;
  3. растворение металла в металле;
  4. плавление и проплавление;
  5. горение металлов и сплавов.

Последствия всех рассмотренных изменений, происходящих с металлическими изделиями при пожаре, могут быть зафиксированы при осмотре места пожара по визуальным признакам. Более объективная оценка изменений в материале при нагреве может быть произведена с помощью инструментальных исследований, позволяющих детально изучить структурные превращения в материале, которые собственно и приводят к изменению физико-химических и механических свойств [2].

Среди методов исследования металлоконструкций наиболее распространенными в пожарно-технической экспертизе являются следующие:

  • вихретоковый метод измерения толщины стальной окалины (индукционная толщинометрия) - натурный метод исследования, применяемый на пожаре для изучения горячекатаных сталей;
  • магнитный метод, связанный с измерением величины коэрцитивной силы или пропорционального ей тока размагничивания, - полевой метод, применяемый при исследовании холоднодеформированного стального проката
  • металлография - метод, основанный на изучении морфологических превращений (оценка коэффициента формы зерна), применяемый при исследовании как горячекатаного, так и холоднодеформированного стального проката.
  • химический анализ стальной окалины, позволяющий оценить время и температуру нагрева по соотношению двухвалентного и трехвалентного железа в образце окалины (в настоящее время этот метод практически перестал применяться из-за своей трудоемкости),
  • рентгеноструктурный анализ стальной окалины - РСА, позволяющий оценить время и температуру нагрева материала по соотношению вюстита и гематита в образце окалины.

Для исследования на месте пожара отбираются образцы однородных стальных изделий, рассредоточенных по исследуемой площади пожара. Например, это могут быть крепежные детали, которыми скреплялись части автомобиля. Не менее важно взять образцы одного и того же материала для изучения в лабораторных условиях литых конструкций и деталей. Изъятые предметы должны быть одинакового размера. Количество образцов должно быть не менее 10-12 (чем больше, тем лучше). По возможности желательно взять один образец того же изделия вне зоны нагрева в качестве объекта сравнения. В настоящее время дознаватель определяет однородность образцов для дальнейшего исследования приблизительно, ориентируясь только на внешний вид продукции. Он должен принять решение об изъятии непосредственно на месте пожара и задокументировать их. Результаты исследования помогут определить область наибольших термических повреждений, что, в свою очередь, укажет на очаг возгорания. Сроки проведения проверки по факту пожара строго регламентированы, они составляют три дня и только в особых случаях продлеваются до 10 дней. За это время дознаватель должен решить, возбуждать или нет уголовное дело. Этому предшествует поиск очага возгорания, а затем дознаватель ищет следы источника зажигания в зоне пожара [3]. Актуальной проблемой при проведении пожарно-технической экспертизы является определение состава металла на месте пожара. Эту задачу можно решить с помощью портативного рентгенофлуоресцентного анализа (РФА).

Современные портативные рентгенофлуоресцентные приборы позволяют качественно, полуколичественно и количественно определять все элементы от бериллия до урана, находящиеся в металле, кроме того, они уже имеют базу по составу известных марок стали, используя портативный рентгенофлуоресцентный прибор на месте пожара, для дальнейшего исследования будет гарантирован отбор проб того же материала.

Основные выводы по результатам этих испытаний были изложены Аасеном в 1985 году в отчете Норвежского технологического института, Университет Тронхейма, Норвегия. Для колонн без ограничений было сделано следующее заключение: - Высокие уровни нагрузки снижают огнестойкость колонн. - Первоначальная непрямолинейность и случайные эксцентриситеты колонн снижали огнестойкость. - Искривление колонн и скорость нагрева незначительно влияли на прочность колонн. Для колонн с ограничением вращения были сделаны следующие выводы: - Соединения балки с колонной изменяют поведение колонны, уменьшая боковые прогибы и постепенно изменяя тип разрушения. Соединения с торцевой заделкой показали лучшие результаты, чем соединения с защелкой. - Колонны с промежуточными коэффициентами жесткости показали изгибно-крутильный режим разрушения. Для колонн с осевыми нагрузками были сделаны следующие выводы: - При более высоком уровне приложенной нагрузки максимальные сдерживающие силы достигались раньше, а огнестойкость была ниже. - Исходные геометрические дефекты колонн изменили форму кривых сдерживающих сил и кривых боковых прогибов в зависимости от температуры. Колонны с дефектами показали более круглые кривые с плавным переходом между нагруженной и ненагруженной фазами. В 1980-х годах в Боремвуде (Англия) в FIRTO - Организации по исследованию и испытаниям страховщиков от пожаров было проведено несколько испытаний стальных колонн на огнестойкость. Были испытаны одиночные колонны без защиты, колонны с блоками на полотне и колонны, вставленные в стены. Колонны испытывались постоянной нагрузкой, составляющей процент от проектного значения, рассчитанного в соответствии с BS (British Standard). Одиночные колонны с блоками на полотне и без них подвергались воздействию со всех четырех сторон, а колонны, вставленные в стены, - только с одной стороны [4]. Приводятся некоторые результаты испытаний, такие как температура, достигнутая в стальных профилях, и смещения в зависимости от времени.

На этом здании было проведено множество испытаний, включая сейсмические, взрывные и огневые. Огневые испытания проводились на стальных балках, колоннах и рамах. Огневые испытания проводились в разных отсеках с различной пожарной нагрузкой. Стальные колонны испытывались как при реальном пожаре, поскольку можно было учесть осевые и вращательные ограничения. Для имитации эксплуатационной нагрузки здания использовались мешки с песком. В 2001 году Жуан Пауло Родригес провел два испытания двух разных колонн первого этажа этого здания. Одна из испытанных колонн находилась в середине, а другая - на границе конструкции здания. В первом испытании нагрузка была центрированной, а во втором - эксцентричной. Результаты этих испытаний будут сопоставлены с результатами испытаний, проведенных автором в IST в Лиссабоне на небольших стальных элементах с ограничениями, а также с другими испытаниями, проведенными в BAM в Берлине, и будут опубликованы в ближайшее время. Колонны нагревались путем помещения их в портативную газовую печь, в то время как остальная конструкция здания оставалась холодной. Мешки с песком, размещенные на разных этажах, имитировали эксплуатационную нагрузку здания. В ходе испытаний измерялись температуры на стальных колоннах и в других точках окружающей конструкции, а также сдерживающие силы и перемещения.

Традиционно огнестойкость несущих конструкций оценивается с помощью стандартных огневых испытаний с постоянной нагрузкой. Эти испытания не очень хорошо описывают поведение несущих элементов в строительных конструкциях, подвергающихся реальным пожарам. Существуют различия, обусловленные приложенными нагрузками, условиями удержания и характеристиками воздействия огня. В настоящее время для определения поведения конструкций при пожаре чаще используются аналитические методы. Высокая стоимость проведения реальных огневых испытаний на натурных конструкциях оправдывает использование расчетных или аналитических методов. Результаты всемирных экспериментальных работ, проведенных в последние десятилетия, представляют собой ценную базу данных для калибровки компьютерных инструментов, которые были разработаны в последнее время и которые, несомненно, станут в будущем основным средством оценки огнестойкости стальных колонн [5].

В результате обширного исследования, посвященного методике исследования стальных конструкций в экспертизе пожара, были выявлены значимые аспекты, имеющие важное значение для безопасности и долговечности строительных объектов. Проанализированы различные методы, используемые для оценки воздействия пожара на стальные конструкции, с учетом как механических, так и термических аспектов. Важной частью исследования стало выявление особенностей поведения стали при высоких температурах. Анализ микроструктуры и механических характеристик стали после экспозиции пожара дал возможность более глубокого понимания процессов, происходящих в материале. Это открывает перспективы для разработки более точных моделей и прогнозов поведения стальных конструкций в условиях пожара.

Предложенные методы диагностики и контроля деформаций, повреждений и ослабления материала стали также являются значимым вкладом в область пожарной безопасности. Их использование может значительно улучшить возможности предварительного выявления проблемных участков в конструкциях, позволяя принимать своевременные меры по предотвращению серьезных повреждений. В свете полученных результатов, данное исследование рекомендует дальнейшее развитие технологий и методов для повышения эффективности экспертизы пожара стальных конструкций. Это включает в себя разработку новых материалов с улучшенными характеристиками термической стойкости, а также усовершенствование стандартов проектирования с учетом реальных условий эксплуатации.

Обобщая, результаты данного исследования имеют практическое применение в области строительства и пожарной безопасности, способствуя созданию более надежных и устойчивых к пожарам конструкций. Это открывает перспективы для улучшения стандартов безопасности и повышения устойчивости строений к пожарам, что имеет важное значение для обеспечения безопасности общества в целом.

Список литературы

  1. Альбова Е. С. и др. Совершенствование методик пожарно-технической экспертизы, реализуемых при исследования материальных объектов на месте пожара // Научные исследования молодых учёных: сборник статей XXI. – 2022. – С. 22.
  2. Парийская А. Ю., Теплякова Т. Д. Исследование окалины, образовавшейся на поверхности стальных конструкций после пожара, для целей пожарно-технических экспертиз // Modern Science. – 2022. – №. 6-4. – С. 216-221.
  3. Парийская А. Ю., Мокряк А. В. Инструментальные методы в современной пожарно-технической экспертизе. 4. Рентгенофазовый анализ // Надзорная деятельность и судебная экспертиза в системе безопасности. – 2020. – №. 4. – С. 41-51.
  4. Виноградов С. В. и др. Изучение стальных конструкций и изделий после термического воздействия в целях определения очага пожара // Актуальные вопросы современной науки 3. – 2022. – С. 30.
  5. Якупов И. Ф., Галкин С. А., Топилкин П. С. Исследование оксидов, образующихся на поверхности стальных конструкций в экспертизе пожаров // Фундаментальные и прикладные научные исследования. – 2021. – С. 57.

Интересная статья? Поделись ей с другими: