Програмна реалізація оцінювання стійкості будівель до прогресуючого обвалення

Майборода Роман Ігорович

Національний університет цивільного захисту України

http://orcid.org/0000-0002-3461-2959

Отрош Юрій Анатолійович

Національний університет цивільного захисту України

http://orcid.org/0000-0003-0698-2888

DOI: https://doi.org/10.52363/2524-0226-2025-41-12

Ключові слова: прогресуюче обвалення, пожежа, вибух, ЛІРА–САПР, комп’ютерна модель, комбінація навантажень

Анотація

Розроблена комп’ютерна модель, яка дозволяє оцінювати стійкість залізобетонної монолітної будівлі до прогресуючого обвалення під впливом комбінованої дії пожежі та внутрішнього дефлаграційного вибуху. Для цього було створено просторову фізично та геометрично нелінійну модель шестиповерхової виробничої будівлі. Модель враховує сумісну роботу несучих конструкцій, зміну теплофізичних і механічних властивостей матеріалів під впливом підвищених температур, утворення локальних руйнувань, перерозподілу внутрішніх зусиль та динамічних ефектів від вибухового навантаження. Модель реалізована в програмному комплексі ЛІРА–САПР із використанням модуля «теплопровідність» для врахування температурного впливу режиму стандартної пожежі тривалістю 60 хвилин та налаштувань «динаміка в часі» для моделювання імпульсного навантаження від вибуху в 15 кПа. У результаті моделювання встановлено, що ізольована дія пожежі призводить до зростання прогинів плит перекриття у 2,6 рази, а внутрішній вибух – до збільшення прогину нижньої плити у 5,2 рази відносно нормального стану. Найбільшу небезпеку становить сценарій сумісного впливу пожежі та вибуху при якому прогин нижньої плити досягнув 55,8 мм, що перевищує початкове значення у 8,3 рази. Такі деформації при комбінованих діях, потенційно можуть викликати втрату несучої здатності конструкцій і розвиток прогресуючого обвалення будівлі. Отримані результати становлять основу для підвищення рівня конструктивної безпеки будівель та зменшення ризику втрат людських життів в умовах надзвичайних ситуацій. Запропонований підхід забезпечує можливість всебічного оцінювання стійкості залізобетонних монолітних будівель до прогресуючого обвалення за комбінованої дії термічних та вибухових навантажень, а також обґрунтування та реалізації ефективних заходів для підвищення їхньої надійності та живучості.

Посилання

1. 1. Отрош Ю. А., Майборода Р. І., Ромін А. В. Дослідження методик розрахунку прогресуючого обвалення. Механіка та математичні методи. 2023. Вип. 2. С. 25–40. doi: 10.31650/2618–0650–2023–5–2–25–40
2. Skob Y., Dreval Y., Vasilchenko A., Maiboroda R. Selection of material and thickness of the protective wall in the conditions of a hydrogen explosion of various power. Key Engineering Materials. 2023. Vol. 952. P. 121–129. doi: 10.4028/p–ST1VeT
3. Maiboroda R., Zhuravskij M., Otrosh Y., Karpuntsov V. Determination of the required area of easily removable structures to protect against progressive collapse. Key Engineering Materials. 2024. Vol. 1004. P. 73–83. doi: 10.4028/p–V0xA6H
4. Tanapornraweekit G., Haritos N., Mendis P. Behavior of FRP–RC plates under multiple independent air blasts. Journal of Performance of Constructed Facilities. 2011. Vol. 25. № 5. P. 433–440. doi: 10.1061/(ASCE)CF.1943–5509.0000191
5. Liu Y., Yan J., Huang F. Behavior of reinforced concrete beams and columns subjected to blast loading. Defence Technology. 2018. Vol. 14. № 5. P. 550–559. doi: 10.1016/j.dt.2018.07.026
6. ДСТУ–Н Б EN 1991–1–7:2010. Єврокод 1. Дії на конструкції. Частина 1–7. Загальні дії. Особливі динамічні впливи. Чинний від 01.07.2013 р. Вид. офіц. Київ: Технічний комітет стандартизації «Металобудівництво», 2010. 81 с.
7. ДСТУ–Н Б EN 1990:2008. Єврокод. Основи проєктування конструкцій. Чинний від 01.07.2009 р. Вид. офіц. Київ: Технічний комітет з стандартизації «Арматура для залізобетонних конструкцій», 2009. 105 с.
8. Shan S., Wang H., Li S., Wang B. Evaluation of progressive collapse resistances of RC frame with contributions of beam, slab and infill wall. Structures. 2023. Vol. 53. P. 1463–1475. doi: 10.1016/j.istruc.2023.04.114
9. Білошицька Н., Білошицький М., Татарченко З., Дячук Б. Математичне моделювання роботи будівельних конструкцій в складних умовах хімічного ви-робництва. Містобудування та територіальне планування. 2022. Вип. 81. С. 59–69. doi: 10.32347/2076–815x.2022.81.59–69
10. Almusallam T., Elsanadedy H., Abbas H., Alsayed S., Al–Salloum Y. Progressive collapse analysis of a RC building subjected to blast loads. Structural Engineering and Mechanics. 2010. Vol. 36. № 3. P. 301–319. doi: https://doi.org/10.12989/SEM.2010.36.3.301
11. Ding Y., Chen Y., Shi Y. Progressive collapse analysis of a steel frame subjected to confined explosion and post–explosion fire. Advances in Structural Engineering. 2016. Vol. 19, № 11. P. 1780–1796. doi:10.1177/1369433216649381
12. Jahromi H., Izzuddin B., Nethercot D. Robustness assessment of building structures under explosion. Buildings. 2012. Vol. 2. № 4. P. 497–518. doi: 10.3390/buildings2040497
13. Luccioni B., Ambrosini R., Danesi R. Analysis of building collapse under blast loads. Engineering Structures. 2004. Vol. 26. № 1. P. 63–71. doi: 10.1016/j.engstruct.2003.08.011
14. Майборода Р. І., Отрош Ю. А. Дослідження методики розрахунку стійко-сті до прогресуючого обвалення будівель внаслідок пожежі та вибуху. Комуналь-не господарство міст: наук.–техн. зб. Серія: Технічні науки та архітектура. 2023. Т. 3. Вип. 191. С. 115–127. doi: 10.31650/2618–0650–2023–5–2–25–40
15. ДСТУ 9294:2024. Розрахунок будівель на стійкість до прогресуючого (непропорційного) обвалення. Чинний від 01.03.2025 р. Вид. офіц. Київ : Техніч-ний комітет стандартизації «Захист будівель та споруд», Державне підприємство «Державний науково–дослідний інститут будівельних конструкцій», 2025. 70 с.
16. ДСТУ 9176:2022. Пожежна безпека. Методи визначення параметрів лег-коскидних конструкцій для приміщень та будинків. Основні положення. Чинний від 01.10.2023 р. Вид. офіц. Київ: Технічний комітет стандартизації «Пожежна безпека та протипожежна техніка», 2023. 23 с.
17. ДСТУ–Н Б EN 1991–1–7:2010. Єврокод 1. Дії на конструкції. Частина 1–7. Загальні дії. Особливі динамічні впливи. Чинний від 01.07.2013 р. Вид. офіц. Київ : Технічний комітет стандартизації «Металобудівництво», 2013. 100 с.
18. ДСТУ Б В.1.1–36:2016. Визначення категорій приміщень, будинків та зо-внішніх установок за вибухопожежною та пожежною небезпекою. Чинний від 01.01.2017 р. Вид. офіц. Київ : УкрНДІЦЗ, 2017. 34 с.

Визначення мінімального напору води при її подачі на охолодження резервуара

Басманов Олексій Євгенович

Національний університет цивільного захисту України

http://orcid.org/0000-0002-6434-6575

Олійник Володимир Вікторович

Національний університет цивільного захисту України

http://orcid.org/0000-0002-5193-1775

Морщ Євген Володимирович

Державний НДІ технологій кібербезпеки та захисту інформації

http://orcid.org/0000-0003-0131-2332

Кальченко Ярослав Юрійович

Національний університет цивільного захисту України

http://orcid.org/0000-0002-3482-0782

DOI: https://doi.org/10.52363/2524-0226-2025-41-10

Ключові слова: пожежний ствол, подача води на охолодження, траєкторія водного струме-ня, настильна траєкторія

Анотація

Побудовано модель руху водного струменя після виходу з пожежного ствола. Модель спи-рається на систему лінійного однорідного і лінійного неоднорідного диференціальних рівнянь 2-го порядку з початковими умовами, що описують рух елементарного об’єму води в полі сили тя-жіння і враховують опір повітря. Їх розв’язання разом з початковими умовами дає траєкторію руху водного струменя в залежності від горизонтальної і вертикальної складових початкової швидкості струменя. Побудовано залежність напору води від горизонтальної складової швидко-сті водного струменя на виході з пожежного ствола за умови досягнення струменем заданої точ-ки на стінці резервуара. Показано, що така залежність є опуклою донизу функцією з єдиною то-чкою мінімуму. Мінімальному напору води відповідає лише одна траєкторія руху струменя, яка досягає заданої точки. Збільшення напору призводить до появи двох можливих траєкторій, одна з яких навісна, а інша може бути як навісною, так і настильною. Показано, що умовою настиль-ності траєкторії є перевищення горизонтальною складовою швидкості певного граничного зна-чення, яке пропорційне відстані до резервуара. Побудовано алгоритм визначення мінімального напору води при подачі в задану точку на стінці резервуара по настильній траєкторії. Алгоритм використовує метод Ньютона для чисельного розв’язання задачі умовної оптимізації. Показано, що для відстані до резервуара (5÷30) м напір води має становити (23÷58) м для резервуарів висо-тою 12 м і (37÷70) м для резервуарів висотою 18 м. Отримані результати можуть бути використані для визначення місць розташування пожежних стволів для подачі води на охолодження резервуа-рів при розробці плану локалізації та ліквідації пожежі в резервуарному парку, а також для змен-шення витрат води внаслідок розбризкування після удару струменя об стінку резервуара.

Посилання

1. Khan F. I., Abbasi S. A. An assessment of the likelihood of occurrence, and the damage potential of domino effect (chain of accidents) in a typical cluster of industries. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2001. Vol. 14(4). P. 283–306. doi: 10.1016/S0950-4230(00)00048-6
2. Yang R., Khan F., Neto E. T., Rusli R., Ji J. Could pool fire alone cause a domino effect? Reliability Engineering & System Safety. 2020. Vol. 202. P. 106976. doi: 10.1016/j.ress.2020.106976
3. Reniers G., Cozzani V. Features of Escalation Scenarios. Domino Effects in the Process Industries. 2013. P. 30–42. doi: 10.1016/B978-0-444-54323-3.00003-8
4. Amin M. T., Scarponi G. E., Cozzani V., Khan F. Improved pool fire-initiated domino effect assessment in atmospheric tank farms using structural response. Reliability Engineering & System Safety. 2024. Vol. 242. P. 109751. doi: 10.1016/j.ress.2023.109751
5. Kustov M. V., Kalugin V. D., Tutunik V. V., Tarakhno E. V. Physicochemical principles of the technology of modified pyrotechnic compositions to reduce the chemical pollution of the atmosphere. Voprosy khimii i khimicheskoi tekhnologii. 2019. Vol. 1. P. 92–99. doi: 10.32434/0321-4095-2019-122-1-92-99
6. Одинець А., Ніжник В., Сізіков О., Фещук Ю., Балло Я., Климась Р., Жихарєв О. Обґрунтування додаткових заходів щодо оперативних дій під час гасіння пожеж на складах нафтопродуктів в умовах бойових дій. Науковий вісник: Цивільний захист та пожежна безпека. 2022. № 1(13). С. 72–79. doi: 10.33269/nvcz.2022.1(13).72-79
7. НАПБ 05.035 – 2004. Інструкція щодо гасіння пожеж у резервуарах із нафтою та нафтопродуктами. URL; https://zakon.isu.net.ua/sites/default/files/

normdocs/instrukciya_schodo_gasinnya_pozhezh_u_rezervuarakh_iz_naftoyu.pdf 

8. Abramov Y., Basmanov O., Salamov J., Mikhayluk A., Yashchenko O. Developing a model of tank cooling by water jets from hydraulic monitors under conditions of fire. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2019. Vol. 1/10(97). P. 14–20. doi: 10.15587/1729-4061.2019.154669.
9. Basmanov O., Oliinyk V., Afanasenko K., Hryhorenko O., Kalchenko Y. Developing the model of water cooling an oil tank in the case of fire. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2024. Vol. 5/10(131). P. 53–61. doi: 10.15587/1729-4061.2024.313827
10. Saber A., El-Nasr M. A., Elbanhawy A. Y. Generalized formulae for water cooling requirements for the fire safety of hydrocarbon storage tank farms. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2022. Vol. 80. P. 104916. doi: 10.1016/j.jlp.2022.104916
11. Oliinyk V., Basmanov O., Shevchenko O., Khmyrova A., Rushchak I. Building a model of choosing water supply rate to cool a tank in the case of a fire. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2025. Vol. 1/10(133). P. 45–51. doi: 10.15587/1729-4061.2025.323197
12. Wassenberg J. R., Stephan P., Gambaryan-Roisman T. The influence of splattering on the development of the wall film after horizontal jet impingement onto a vertical wall. Experiments in Fluids. 2019. Vol. 60(11). doi: 10.1007/s00348-019-2810-6
13. Qian S., Zhu D. Z., Xu H. Splashing generation by water jet impinging on a horizontal plate. Experimental Thermal and Fluid Science. 2022. Vol. 130. P. 110518. doi: 10.1016/j.expthermflusci.2021.110518
14. Kim H., Choi H., Kim D., Chung J., Kim H., Lee K. Experimental study on splash phenomena of liquid jet impinging on a vertical wall. Experimental Thermal and Fluid Science. 2020. Vol. 116. P. 110111. doi: 10.1016/j.expthermflusci.2020.110111
15. Hu B., Zhao T., Shi Z., Li W., Lin Q., Liu H., Wang F. Spreading and splashing of liquid film on vertical hot surface by inclined jet impingement. Experimental Thermal and Fluid Science. 2024. Vol. 154. P. 111147. doi: 10.1016/j.expthermflusci.2024.111147
16. Liu X., Wang J., Li B., Li W. Experimental study on jet flow characteristics of fire water monitor. The Journal of Engineering. 2018. Vol. 2019(13). P. 150–154. doi: 10.1049/joe.2018.8950
17. Abramov Y., Basmanov O., Krivtsova V., Khyzhnyak A. Estimating the influence of the wind exposure on the motion of an extinguishing substance. EUREKA: Physics and Engineering. 2020. Vol. 5. P. 51–59. doi: 10.21303/2461-4262.2020.001400

    18.       ДСТУ Б В.2.6-183:2011. Резервуари вертикальні циліндричні сталеві для нафти та нафтопродуктів. Загальні технічні умови.

Моделювання в умовах невагомості розкриття стержневих конструкцій як багатоланкових маятників

Калиновський Андрій Якович

Національний університет цивільного захисту України

http://orcid.org/0000-0002-1021-5799

Куценко Леонид Михайлович

Національний університет цивільного захисту України

http://orcid.org/0000-0003-1554-8848

Сухарькова Ольга Ігорівна

Національний університет цивільного захисту України

http://orcid.org/0000-0003-1033-4728

Назаренко Сергій Юрійович

Національний університет цивільного захисту України

http://orcid.org/0000-0003-0891-0335

Дячков Олександр Олександрович

Національний університет цивільного захисту України

http://orcid.org/0000-0002-7978-0024

Гринько Юрій Миколайович

Національний університет цивільного захисту України

http://orcid.org/0000-0003-1957-025X

DOI: https://doi.org/10.52363/2524-0226-2025-41-11

Ключові слова: стержнева конструкція, процес розкриття у невагомості, багатоланковий маятник, рівняння Лагранжа

Анотація

Розглянуто геометричне моделювання стержневих конструкцій в умовах невагомості шляхом дослідження елементів їх каркасів, складених з багатоланкових маятників. Наведено геометричну модель розкриття таких конструкцій із урахуванням імпульсного впливу реактивних двигунів, встановлених на прикінцевих точках ланок. Механізм розкриття ґрунтується на ініціюванні інерційного руху без зовнішнього контролю після короткочасного імпульсного впливу. Динаміка процесу розкриття описана за допомогою рівнянь Лагранжа другого роду, причому особливу увагу приділено адаптації формулювання до умов мікрогравітації, де значення потенціальної енергії можна вважати близькою до нуля. Це забезпечує практично точне моделювання розкриття конструкцій виключно під дією кінетичної енергії, без подальшого зовнішнього керування. В результаті дії імпульсів розкриття маятника відбувається за інерцією. Звідси зрозумілим є вибір терміну «інерційний спосіб розкриття каркасу». Розроблено математичні моделі та мето-дику одержання комп’ютерної анімації для прогнозування положення ланок у часі й визначення моменту фіксації (стоп-коду) бажаного положення конструкції. Досліджено похибки імпульсних впливів на точність розкриття і встановлено допустимі межі відхилення для збереження прийнятної форми стержневої конструкції. Наведено тестові приклади розкриття дволанкових і чотириланкових маятників, а також спеціальних конфігурацій – магдебурзького маятника і маятника Томсона-Тета. Одержані результати доцільно використовувати в режимі анімації для унаочнення динаміки формування стержневих конструкцій. Проілюструвати розкриття силових каркасів для сонячних дзеркал чи космічних антен. Ці підходи дозволяють спростити технології керування розкриттям об’єктів без потреби в складних електромеханічних приводах, що особливо важливо для зниження маси і вартості космічних місій.

Посилання

1. Алпатов А. П., Горбулин В. П. Космические платформы для орбитальных промышленных комплексов: проблемы и перспективы. Вісник НАН України. 2013. № 12. С. 26–38.
2. Алпатов А. П., Белоножко П. А., Белоножко А. А., Витушкин А. А. Боль-шие отражающие поверхности в космосе. Антенны спутникой связи. Системні технології. 2007. № 3(50). С. 73–87.
3. Алпатов А. П., Белоножко П. А., Белоножко А. А., Витушкин А. А. Боль-шие отражающие поверхности в космосе. Радотелескопы, солнечные концентра-торы, плоские отражатели. Системні технології. 2007. № 3(50). С. 88–101.
4. Hoyt R. SpiderFab. Architecture for On-Orbit Manufacture of Large Aperture Space Systems. FISO Briefing, 2015. 33 p.
5. Алпатов А.П. Динаміка перспективних космічних апаратів. Вісник НАН України. 2013. № 7. C. 6–13
6. Udwadia F. E., Koganti P. B. Dynamics and control of a multi-body planar pendulum. Nonlinear Dynamics. 2015. Vol. 82. № 1–2. P. 1059–1059. doi: 10.1007/s11071-015-2362-0
7. Lope A. M., Machado J. A. Dynamics of the N-link pendulum: a fractional per-spective. International Journal of Control. 2017. Vol. 90. № 6. P. 1192–1192.
8. Fritzkowski P., Kaminski H. Dynamic of a rope as a rigid multibody system. Journal of mechanics of materials and structures. 2008. Vol. 3. № 6. P. 1059–1075.
9. Szuminski W. Dynamics of multiple pendula without gravity. Chaotic Modeling and Simulation. 2014. P. 57–67. URL: https://www.researchgate.

net/publication/285143816_Dynamics_of_multiple_pendula_without_gravity

10. Pisculli A., Felicetti L., Gasbarri P., Palmerini G B., Sabatini M. Deployment analysis and control strategies of flexible space manipulators, in: Proceedings of the International Astronautical Congress. China. 2013. URL: https://www.researchgate.

net/publication/288131553_Deployment_analysis_and_control_strategies_of_flexible_space_manipulators

11. Sakovsky M., Pellegrino S., Mallikarachchi H. M. Y. C. Folding and Deploy-ment of Closed Cross-Section Dual-Matrix Composite Booms. 3rd AIAA Spacecraft Structures Conference. 2016. doi: 10.2514/6.2016-0970
12. Ma X., An N., Cong Q. et al. Design, modeling, and manufacturing of high strain composites for space deployable structures. Communications Engineering. 2024. Vol. 78. doi: 10.1038/s44172-024-00223-2
13. Deployable Perimeter Truss with Blade Reel Deployment Mechanism. NASA’s Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, California.Tuesday, 01 March 2016. URL:https://www.techbriefs.com/component/content/article/tb/techbriefs/mechanics-and-machinery/24098
14. Шамаханов В. К., Хорошилов С. В. Особливості створення та викорис-тання космічних стрілоподібних конструкцій, що трансформуються. Journal of Rocket-Space Technology. 2025. № 34(1). С. 3–20. doi: 10.15421/452501
15. Jennings A.L., Black J., Allen C. Empirically Bounding of Space Booms with Tape Spring Hinges. Shock and Vibration. 2013. Vol. 20. P. 503–518. doi: 10.3233/SAV-130764
16. Liu T.-W., Bai J.-B., Fantuzzi N. Folding behavior of the thin-walled lenticu-lar deployable composite boom: Analytical analysis and many-objective optimization. Mechanics of Advanced Materials and Structures. 2022. Vol. 30. № 11. P. 2221–2239. doi: 10.1080/15376494.2022.2053766
17. Yang H., Guo H., Wang Y., Feng J., Tian D. Analytical solution of the peak bending moment of an M boom for membrane deployable structures. International Journal of Solids and Structures. 2020. Vol. 206. P. 236–246. doi: 10.1016/j.ijsolstr.2020.09.005
18. Martınez-Alfaro H. Obtaining the dynamic equations, their simulation, and animation for N pendulums using Maple. URL: https://www.researchgate.net/

publication/228781742_Obtaining_the_dynamic_equations_their_simulation_and_animation_for_n_pendulums_using_Maple

19. Xu Yan, Guan Fu-ling, Zheng Yao, Zhao Mengliang. Kinematic Analysis of the Deployable Truss Structures for Space Applications. J. Aerosp. Technol. Manag., Sao Jose dos Campos. 2012. Vol. 4. № 4. P. 453–462. doi: 10.5028/jatm.2012.04044112
20. Hoyt R., Cushing J., Slostad J. SpiderFab: Process for On-Orbit Construction of Kilometer­Scale Apertures. NASA Goddard Space Flight Center 8800 Greenbelt Road Greenbelt, MD 20771, 2013. 53 p.
21. Kutsenko L., Shoman O., Semkiv, O., Zapolsky L., Adashevskay I., Danylenko V., Semenova-Kulish V., Borodin D., Legeta J. Geometrical modeling of the inertial unfolding of a multi-link pendulum in weightlessness. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2017. 6/7(90). P. 42–50.
22. Куценко Л. М. Ілюстрації до геометричного моделювання інерційного розкриття багатоланкового маятника у невагомості. 2017. URL: http://repositsc.

nuczu.edu.ua/handle/123456789/4868

23. Kutsenko L., Semkiv O., Zapolskiy L., Shoman O., Kalinovskiy A., Piksasov M., Adashevska I., Shelihova І., Sydorenko О. Geometrical modeling of the process of weaving a cloth in weightlessness using the inertial unfolding of dual pendulum. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2018. 1/7(91). P. 37–46. doi: 10.15587/1729-4061.2017.114269
24. Куценко Л. М. Ілюстрації до геометричного моделювання процесу розк-риття стержневих конструкцій у невагомості. 2018. URL: http://repositsc.

nuczu.edu.ua/handle/123456789/6335

25. Kutsenko L., Semkiv O., Zapolskiy L., Shoman O., Ismailova N., Vasyliev S., Adashevska I., Danylenko V., Pobidash A. Geometrical modeling of the shape of a multilink rod structure in weightlessness under the influence of pulses on the end points of its links. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2018. 2/7(92). P. 44–58. doi: 10.15587/1729-4061.2018.126693
26. Chaotic Pendulum. Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations. URL: https://sciencedemonstrations.fas.harvard.edu/presentations/chaotic-pendulum
27. Space_Structure_Systems_Laboratory. Self deployable truss, 2016. YouTube. URL: https://www.youtube.com/watch?v=sH7NHZwPzMM
28. Qi X., Deng Z, Li B, Liu R, Guo H. Design of Large Deployable Networks Constructed by Myard Linkages. CEAS Space Journal. 2013. Vol. 5. P. 147–155. doi: 10.1007/s12567-013-0036-7
29. D. ter Haar. Elements of Hamiltonian mechanics Pergamon Press Second Edi-tion University Reader in Theoretica 1 Physics. Oxford, 1971. 212 p.

Study of the influence of sodium hexametaphosphate on the properties of silica-containing fireproofing coating for building materials

Lysak Nataliia

National University of Civil Protection of Ukraine

https://orcid.org/0000-0001-5338-4704

Skorodumova Olga

National University of Civil Protection of Ukraine

https://orcid.org/0000-0002-8962-0155

Chernukha Anton

National University of Civil Protection of Ukraine

https://orcid.org/0000-0002-0365-3205

Goncharenko Yana

National University of Civil Protection e of Ukraine

https://orcid.org/0000-0002-1766-3244

Melezhyk Roman

National University of Civil Protection of Ukraine

http://orcid.org/0000-0001-6425-4147

DOI: https://doi.org/10.52363/2524-0226-2025-41-9

Keywords: fire-retardant silica-containing coatings, sodium hexametaphosphate, building materials, heat resistance, fire resistance, wood, polystyrene foam

Аnnotation

The composition of a silicophosphate composition intended for fire protection of building materials was developed. Solutions of liquid glass, acetic acid and sodium hexametaphosphate were used as starting components. The influence of the content of the phosphorus-containing additive on the rheological properties of silicic acid sols was studied. By spectrophotometry, it was established that the latent coagulation time in the entire range of the studied content of sodium hexametaphosphate is ~20 minutes. The highest values of optical density were recorded for a sol with an additive content of 0.3 %. The probability of the influence of electrostatic and steric effects, which depend on the concentration of the phosphorus-containing additive, on the stability of the sol was considered. It is assumed that the minimum value of sol survivability at 0.3 % of the additive is associated with a decrease in the ζ-potential and compression of the double electric layer. The results of infrared spectroscopy confirmed the hypothesis of two different mechanisms of polycondensation in different intervals of hexametaphosphate content. At a content below 0.3 %, a linear mechanism of polycondensation was noted, above 0.3 % – a reticular one. Fire tests were carried out on samples of wood and extruded polystyrene foam coated with compositions of the studied composition. The best fire-retardant properties were recorded for systems with a sodium hexametaphosphate content of 0.1–0.3 %. Processing of wood samples allowed transferring the material to the “hard-to-flame” group, the mass losses of the samples were less than 10 %. Samples of extruded polystyrene foam did not support combustion at an additive content of 0.1 % or did not burn at all at a content of 0.3%, mass losses were less than 3 %. The effect of the number of coating layers on the effectiveness of its fire-retardant action was assessed: for wood in the range of hexametaphosphate concentrations of 0.1-0.3 %, three-layer coatings were the most heat-resistant, for extruded polystyrene foam at a content of 0.3 % – one- and two-layer.

References

1. Hou, X., Guo, L., Wang, F. (2021). Inhibiting effects of three phosphates on coal spontaneous combustion. International Journal of Coal Preparation and Utilization, 42(10), 3054–3069. doi: 10.1080/19392699.2021.1932844
2. Zhu, Z., Rao, W., Kang, A., Liao, W., Wang, Y. (2018). Highly effective flame retarded polystyrene by synergistic effects between expandable graphite and aluminum hypophosphite. Polymer Degradation and Stability, 154, 1–9. doi: 10.1016/j.polymdegradstab.2018.05.015
3. Ji, W., Yao, Y., Guo, J., Fei, B., Gu, X., Li, H., Sun, J., Zhang, S. (2020). Toward an understanding of how red phosphorus and expandable graphite enhance the fire resistance of expandable polystyrene foams. Journal of Applied Polymer Sci-ence, 137(35). doi: 10.1002/app.49045
4. Liu, J., Guo, Y., Chang, H., Li, H., Xu, A., Pan, B. (2018). Interaction between magnesium hydroxide and microencapsulated red phosphorus in flame‐retarded high‐impact polystyrene composite. Fire and Materials, 42(8), 958–966. doi: 10.1002/fam.2650
5. Baby, A., Tretsiakova-McNally, S., Arun, M., Joseph, P., Zhang, J. (2020). Re-active and Additive Modifications of Styrenic Polymers with Phosphorus-Containing Compounds and Their Effects on Fire Retardance. Molecules, 25(17), 3779. doi: 10.3390/molecules25173779
6. Zhu, Z., Xu, Y., Liao, W., Xu, S., Wang, Y. (2017). Highly Flame Retardant Expanded Polystyrene Foams from Phosphorus–Nitrogen–Silicon Synergistic Adhe-sives. Industrial & Engineering Chemistry Research, 56(16), 4649–4658. doi: 10.1021/acs.iecr.6b05065
7. Lysak, N., Skorodumova, O., Chernukha, A. (2023). Development of a fire-proof coating containing silica for polystyrene. Problems of Emergency Situations, 2(38), 192–202. doi: 10.52363/2524-0226-2023-38-10
8. Lysak, N., Skorodumova, O., Chernukha, A., Goncharenko, Y., Melezhyk, R. (2024). Silicophosphate fireproof coatings for building materials. Problems of Emer-gency Situations, 1(39), 262–271. doi: 10.52363/2524-0226-2024-39-19
9. Li, Y., Guo, A., Xu, X., Xue, Y., Yan, L., Hou, F., Liu, J. (2022). Preparation and properties of highly elastic, lightweight, and thermally insulating SiO2 fibrous porous materials. Materials, 15(9), 3069. doi: 10.3390/ma15093069
10. Zhang, Y., Liu, H., Liu, J., Tong, R. (2019). Effect of sodium hexametaphosphate and trisodium phosphate on dispersion of polycarboxylate superplasticizer. Materials, 12(24), 4190. doi: 10.3390/ma12244190
11. Ramirez, A., Rojas, A., Gutierrez, L., Laskowski, J. S. (2018). Sodium hexametaphosphate and sodium silicate as dispersants to reduce the negative effect of kaolinite on the flotation of chalcopyrite in seawater. Minerals Engineering, 125, 10–14. doi: 10.1016/j.mineng.2018.05.008
12. DSTU 4479:2005. Rechovyny vohnezakhysni vodorozchynni dlia derevyny. Zahalni tekhnichni vymohy ta metody vyprobuvannia. Chynnyi z 01.10.2006. Кyiv: Derzhspozhyvstandart Ukrainy, 17.
13. DSTU 8829:2019. Pozhezhovybukhonebezpechnist rechovyn i materialiv. Nomenklatura pokaznykiv i metody yikhnoho vyznachennia. Klasyfikatsiia. Chynnyi z 01.01.2020. Vyd. ofits. Kyiv: UkrNDNTs, 75.
14. Lysak, N., Skorodumova, O., Chernukha, A., Kochubei, V., Sotiriadis, K. (2025). Study of Gelation Processes in Flame Retardant Compositions of the SiO2 Sol System – A Phosphate-Containing Additive. Defects and Diffusion Forum, 438, 101–110. doi: 10.4028/p-I2sYIR
15. Zribi, M., Baklouti, S. (2021). Investigation of phosphate based geopolymers formation mechanism. Journal of Non-Crystalline Solids, 562, 120777. doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2021.120777
16. Karan, R., Pal, P., Maiti, P., Das, K. (2021). Structure, properties and in-vitro response of SiO2-Na2O-CaO-P2O5 system, based glass-ceramics after partial replace-ment of Na2O by Li2O. Journal of Non-Crystalline Solids, 556, 120554. doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2020.120554