Тамразян Ашот Георгиевич – Директор НТЦ «Риск и безопасность
сооружений» Московского государственного
строительного университета, советник РААСН,
доктор технических наук, профессор
Обследование здания магазина «Детский Мир» (ДМ) проводилось с целью оценки живучести здания в целом и его отдельных элементов и технических систем для принятия решения о возможности выполнения возложенной на него функциональной задачи или о проведении реконструкции.
На основе данных, полученных в процессе детального обследования, и сведений, предоставленных заказчиком, выполнены соответствующие расчетно-аналитические оценки риска возникновения пожара.
Предварительному обследованию подлежали все строительные конструкции, в которых повреждения и дефекты могли повлиять на несущую способность, огнестойкость и живучесть объекта.
Предварительному обследованию подлежали все строительные конструкции, в которых повреждения и дефекты могли повлиять на несущую способность, огнестойкость и живучесть объекта.
Конструктивная схема здания принята с кирпичными несущими стенами и внутренними железобетонными колоннами с жесткой арматурой.
Внутренний несущий каркас выполнен из металлических прогонов и балок и железобетонных колонн с жесткой арматурой, соединения выполнены на сварке.
Анализ произошедшего реального пожара показал следующие исходные данные:
1) здание из кирпичной кладки с металлическими балками покрытия и железобетонными плитами перекрытия;
2) помещение, где начинался пожар, – секция промтоварная, наличие источника возгорания в виде выключателя и световых ламп накаливания;
3) возгораемый продукт является частью горючей нагрузки – это транспортер эскалатора, обивочные панели стен, различные деревянные предметы;
4) источник возгорания относится к третьему классу с точки зрения горючих свойств;
5) расстояние между источником и горючей нагрузкой в данном помещении составляет 1,5-2,0 м.
На вероятность зарождения и развития пожара в здании ДМ влияет большое число факторов.
В процессе эксплуатации конструкций здания ДМ в них сформировались разного рода повреждения и дефекты, приведшие к отклонениям от исходного состояния и оказавшие существенное влияние на увеличение опасности пожара как для отдельных конструкций, так и для здания в целом.
Фактические пределы огнестойкости железобетонных конструкций зависят от величины эксплуатационной нагрузки на конструкцию, толщины защитного слоя бетона, площади поперечного сечения арматуры и других факторов.
Коррозионный износ арматуры в конструкциях приводит к уменьшению ее рабочего сечения, к увеличению напряжений в арматуре при тех же самых эксплуатационных нагрузках. В свою очередь, это ведет к снижению критической температуры нагрева арматуры при пожаре.
По результатам численного эксперимента получена зависимость значения критической температуры нагрева при пожаре (Tsсr) рабочей арматуры железобетонных плит от изменения ее диаметра (ds) при коррозии.
При относительном уменьшении диаметра арматуры ds на 25% эксплуатационное значение критической температуры нагрева при пожаре уменьшается на 10-12%.
То есть при реальном пожаре при коэффициенте проемности К1 = 0,02 м1/2 и пожарной нагрузке 251 МДж/м2 (выбранная как наиболее вероятная по ассортименту продукции) критическая температура вместо Tsсr = 800°С будет равна Tsсr = 700°С. Время достижения критической температуры с tf = 1,75 ч уменьшится до tf = 0,9 ч.
При минимальной пожарной нагрузке q = 63 МДж/м2 и коэффициенте проемности К1 = 0,02 м1/2 критическая температура вместо Tsсr = 610°С будет равна Tsсr = 550°С, а время достижения tf = 0,4 ч сократится вдвое tf = 0,2 ч.
Действие вышеперечисленных факторов приводит к существенному снижению значений фактических пределов огнестойкости основных конструкций эксплуатируемого здания.
После оценки возможности возникновения пожаров необходимо оценить условия развития пожаров, которые зависят от:
— огнестойкости здания;
— степени пожарной и пожаровзрывной опасности сырья, готовой продукции;
— плотности застройки территории объекта;
— величины противопожарных разрывов между зданиями;
— метеорологических условий.
Вероятностная оценка пожаровзрывоопасности рассматриваемого объекта определяется выражением
Qофп = QП (l-PП) (1-Pa) ≤ QНофп,
где QНофп = 10-6/год – нормативная вероятность воздействия на людей ОФП;
Qофп – вероятность достижения в течение года предельных значений ОФП, год.
Значения предельных величин ОФП, превышение которых с вероятностью выше нормативной не допускается, приведены в таблице.
Под обрушением конструкций имеются в виду разрушительные последствия при взрывах в зданиях, а также при превышении предела огнестойкости конструкций при пожарах.
Вероятность возникновения пожара или взрыва в течение года рассчитывается по формуле
Qп= Qгс·Qиз,
где Qгc = Qг Qo – вероятность образования горючей смеси (Qг – вероятность появления горючего вещества; Qo – вероятность появления окислителя, обычно Qo=l);
Qиз = Qт ·Qэ ·Qt – вероятность появления источника зажигания (Qt – вероятность появления теплового источника; Qэ – вероятность достаточности энергии источника; Qt – вероятность достаточности времени существования источника).
Вероятность появления достаточного для образования взрывоопасной смеси количества горючего вещества можно рассчитать по формуле
Qг = 1 – e–lt,
где l = 0,025 – интенсивность отказов оборудования в течение года. Значения l вычисляется на основе данных о надежности оборудования;
t = 12 – общее время работы оборудования, год (с учетом межремонтных сроков).
Qг = 1 – e–0,025·12 = 1– e–0,3 = 0,26.
Определение Qиз производится путем анализа условий появления в соответствующем объекте источника, температура, энергия и время контакта которого с горючей средой достаточны для зажигания.
Qгc = Qг× Qo = 1·0,26 = 0,26.
Qиз = Qт ·Qэ ·Qt = 0,01·0,2·0,2 = 0,0004.
Qп = Qгс·Qиз = 0,26·0,0004 = 0,000104 = 1,04·10-4.
Оценка величин Рп и Ра производится по надёжности функционирования соответствующих устройств и систем.
РП=0,9; Pa=0,8 – вероятностная эффективность противопожарных мероприятий профилактического и активного (например, устройство систем пожаротушения) характера соответственно.
Таким образом, Qофп = 1,04·10-4 (l-0,9) (1-0,8) = 2,1·10-6 > QНофп.
То есть вероятность достижения в течение года предельных значений опасных воздействий пожара в два раза выше нормативной вероятности.
Рассчитаем повторяемость пожара за период остаточного ресурса в соответствии с законом Пуассона
P(N,T) = (lt)Nexp(-lt)/N! =P(H).
Будем исходить из того, что в данном здании априори произошел один пожар за 50 лет (l = 0,02). Тогда вероятность одного такого пожара за оставшийся средний срок службы колонн (28 лет) составит
Р(1,28) = (0,02×28)1exp (-0,02×28)/1! = 0,32.
Расчётный секундный расход, необходимый для тушения пожара из пожарных кранов, составляет две струи по 2,5 л/с, то есть 5 л/с.
Требуемое давление для создания компактной струи высотой 6 м расходом 2,5 л/с при длине рукава 20 м и диаметре спрыска 16 мм составляет 10 м вод.ст.
Требуемое давление на вводе равно 56 м вод.ст. (0,56 МПа).
Инструментальные замеры давления в системе показывают, что давление в объединенной системе хозяйственно-противопожарного водоснабжения, составляет 0,7-0,8 МПа, достаточно для работы всех пожарных кранов.
Рассмотрим также модель отказа конструкции (плиты перекрытия) как наложение событий в виде случайных отклонений огнестойкости конструкции и человеческих ошибок специалистов-обследователей.
Вероятность ошибки контролирующего лица примем равной 0,1.
Учитывая, что ошибки проектировщика, строителей и эксплуатирующей организации не могут иметь практических последствий, если не допущена ошибка контролеров, вычислим вероятности реализации человеческих ошибок:
— при проектировании V1 = 0,1×0,1=0,01;
— при эксплуатации V3 = 0,15×0,1= 0,015.
Реализация ошибки контролирующего лица может быть определена в зависимости от его квалификации и приборного оснащения.
Реализация критического дефекта еще не является аварийной ситуацией.
Это же можно утверждать и для одной человеческой ошибки или случайного отклонения огнестойкости конструкции. Конечное состояние конструкции можно в этом случае охарактеризовать как ограниченно работоспособное. Реализация двух нежелательных событий в виде дефекта отклонения или ошибки может привести к неработоспособному (но еще не опасному) состоянию конструкции и, наконец, совместное событие приводит к аварийному состоянию.
— аварийное состояние:
P(A)=d0×[V1×V2(1-V3)+ V1×V3(1-V2) +V2×V3(1-V1)];
— неработоспособное состояние:
P(H) =d0×[V1×(1-V2)×(1-V3) + V2×(1-V1)×(1-V3) + V3× (1-V1)×(1-V2)];
— ограниченно работоспособное состояние:
P(OP) = (1-d0)×[V1×(1-V2)×(1-V3) +V2×(1-V1)×(1-V3) + V3(1-V1)×(1-V2)]+
+d0(1-V1)×(1-V2)×(1-V3).
Вероятность исходного события в виде дефекта d0 может быть определена статистически по данным контроля качества по количественному признаку.
Рассмотрим критический дефект в виде уменьшения диаметра арматуры вследствие коррозии арматуры.
Допустим, что ошибка в проекте заключается в уменьшении толщины защитного слоя плиты перекрытия. Некачественно выполненное бетонирование или применение материалов низкого качества может привести к снижению прочности и огнестойкости плиты перекрытия. Ошибка при эксплуатации может быть связана с переувлажнением и выветриванием защитного слоя бетона.
При обследовании доля выявленных дефектных мест равна 0,02. Доля отклонения огнестойкости материала плиты принимается V2 = 0,20.
Рассчитаем вероятность развития дефекта:
— в аварийную ситуацию:
Р(А) = 0,02(0,01×0,20×0,985+0,01×0,015×0,08+0,20×0,015×0,99) = 10,12×10-5;
— в неработоспособное состояние:
Р(Н) = 0,02(0,01×0,8×0,985+0,2×0,99×0,985+0,015×0,99×0,8) = 0,00430;
— в ограниченно работоспособное состояние:
Р(ОР) = (1-0,02)×(0,01×0,8×0,985+0,2×0,99×0,985+0,015×0,99×0,8)+ +0,02×0,99×0,8×0,985 = 0,226.
Полученная вероятность развития аварийной ситуации Р(А)=10,12×10-5 более чем в два раза превышает нормированную частоту отказов R=5×10-5 и не может считаться удовлетворительной.
Следовательно, уровень дефектности d0 =0,02 не может быть приемочным и его значение необходимо снизить до 0,01.
Вновь полученное значение вероятности разрушения плиты перекрытия от уменьшения защитного слоя и коррозии арматуры 5,06×10-5 близко к реально наблюдаемой частоте отказов по данному дефекту.