Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы анализа и выбора противопожарной защиты общественных зданий с большими внутренними объемами 9
1.1. Проблема анализа и проектирования противопожарной защиты зданий с атриумами 9
1.2. Типы и классы атриумов 11
1.3. Причины высокой пожарной опасности атриумных зданий 15
1.4. Критерии принятия решений при выборе вариантов противопожарной защиты 19
1.5. Современные подходы к противопожарному нормированию атриумных зданий 23
1.6. Вопросы эффективного нормирования систем противопожарной защиты атриумов 24
1.7. Направление исследования, цели и задачи исследования 26
2. Исследование пожарной опасности атриумных зданий приближенными методами 30
2.1. Расчетные очаги пожаров в атриумных зданиях 30
2.2. Моделирование параметров конвективной колонки 34
2.3. Качественная картина формирования пожарной опасности в атриумах и зданиях с открытыми лестничными клетками 35
2.4. Аналитические модели оценки высоты незадымленной зоны 37
2.5. Интегральные показатели пожарной опасности атриумов 42
3. Численные методы исследования пожарной опасности и выбора параметров СПЗ атриумов 49
3.1. Зональная модель задымления помещения пожара 50
3.2. Зональная модель распространения продуктов горения в системе помещений 54
3.3. Методика оценки времени эвакуации людей в случае пожара 55
3.4. Экспериментальные исследования пожарной опасности зданий с внутренними открытыми объемами 56
4. Принципы и инженерные методы обеспечения пожарной безопасности атриумов 62
4.1. Локализация ОФП в помещении очага пожара 62
4.2. Распространение продуктов горения из помещения очага пожара в атриум 65
4.3. Организация дымовых резервуаров до атриумов 69
4.4. Температура дымовых газов в движущемся слое. Влияние автоматической системы пожаротушения 71
4.5. Высота движущегося слоя дыма 73
4.6. Компенсационная подача воздуха в атриум 75
4.7. Повышение эффективности систем дымоудаления 76
4.8. Оптимизация конструктивных решений приемных устройств дымоудаления 78
4.9. Методика обоснования параметров системы дымоудаления из помещений, смежных с атриумом (квазистатическая постановка) 80
4.10. Общие понятия о задымлении атриумов 81
4.11. Инженерные оценки скорости поступления дыма в атриум.. 87
5. Оценка пожарной опасности зданий с большими внутренними объемами 98
5.1. Анализ пожарной опасности здания с открытыми лестничными клетками 98
5.2. Анализ пожарной опасности атриумного здания с одним большим внутренним объемом 109
5.3. Анализ пожарной опасности здания с двумя атриумами 120
6. Выбор рациональных систем противопожарной защиты зданий с большими внутренними объемами 135
6.1. Методология выбора рациональных вариантов СПЗ зданий с большими внутренними объемами 135
6.2. Здания с открытыми лестничными клетками 137
6.3. Синтез рациональных систем противопожарной защиты зданий с одним атриумом 140
6.4. Особенности построения СПЗ зданий с несколькими атриумами 142
6.5. Физические причины снижения эффективности дымоудаления из подпотолочного слоя 144
6.6. Дальнейшее совершенствование нормативной базы по СПЗ зданий с большими внутренними объемами 151
Выводы 153
Список литературы 156
Приложение 1 161
Приложение 2 Акты внедрения 190
- Причины высокой пожарной опасности атриумных зданий
- Экспериментальные исследования пожарной опасности зданий с внутренними открытыми объемами
- Общие понятия о задымлении атриумов
- Физические причины снижения эффективности дымоудаления из подпотолочного слоя
Причины высокой пожарной опасности атриумных зданий
Можно определить атриумы как помещения в зданиях, пронизывающие более чем один этаж и выделенные или не отделенные ограждениями от остальной части здания.
Известно, что пожарная опасность в части обеспечения безопасности людей при эвакуации в зданиях контролируется посредством:
1. Предотвращения условий возникновения пожаров.
2. Ограничением динамики и пределов распространения опасных факторов пожара.
3. Созданием условий для успешной эвакуации людей из здания при пожаре.
На рис. 1.6 показана типовая картина распространения опасных факторов пожара в зданиях с атриумом в случае возникновения пожара на 1-ом этаже здания. Для сравнения на рис. 1.7 приведена картина заполнения ОФП здания с открытой лестницей. Во внешнем сходстве распространения ОФП в зданиях с атриумами и зданиях с открытыми лестницами лежит общая физическая картина, что позволяет исследовать их пожарную опасность с общих позиций.
Рассмотрим, как влияет на составляющие пожарной опасности устройство атриумов в зданиях по сравнению с традиционными зданиями.
В атриумных зданиях в Риме, используемых первоначально как входные холлы, пожарная нагрузка была относительно невелика. Создание в покрытиях зданий проемов для освещения помещений, одновременно служащих устройствами для естественного дымоудаления, снижало динамику и максимальную температуру пожара в помещениях.
Предотвращение распространения пожаров в зданиях обеспечивается в том числе объемно-планировочными решениями, а именно устройством пожарных отсеков и секций, выделяющих части зданий с различной функциональной пожарной опасностью и обеспечивающих пути эвакуации для людей при пожаре. Можно констатировать, что в зданиях традиционной схемы, несмотря на некоторую эмпирику подходов (а возможно, это особенно ценно, так как нормы должны и отражают практику спасения людей и тушения пожаров!) безопасность людей в зданиях может быть обеспечена при выполнении требований норм.
С другой стороны, в современных атриумных зданиях находится большая временная и в ряде случаев постоянная пожарная нагрузка. Также распространены открытые типы атриумов с входящими в них помещениями в ряде случаев с высокой пожарной нагрузкой.
Количество людей в атриумных зданиях может быть также весьма значительно. Особенно, если атриумы устраиваются в торговых учреждениях, театрах, общественных центрах.
Проектировщики атриумных зданий стремятся, как правило, «замкнуть» наибольшее количество помещений на атриум. При этом атриум или помещения остаются открытыми или выгораживаются зачастую ограждениями со све-топрозрачными вставками из обычного стекла.
То есть архитектурные средства, эстетические требования приводят к возникновению дополнительных проблем обеспечения безопасности людей при пожарах в зданиях с атриумами, так как опасные факторы пожара [9] в том числе пламя могут распространяться из смежного помещения в атриум или из атриума в смежные помещения. В результате зоны воздействия опасных факторов пожара в атриумных зданиях существенно больше, чем в обычных зданиях.
Угроза распространения пожара между этажами как это, например, имело место в гостинице «Ленинград» в Санкт-Петербурге через окна, возрастает существенно при устройстве атриумов в зданиях.
Вместе с тем, как показывает практика тушения пожаров в атриумных зданиях, проблема распространения горения внутри здания менее угрожающа, чем распространение продуктов горения, накапливающихся и опускающихся вниз, блокируя при этом пути эвакуации [10,11]. Отсюда следует, что проблема прогноза пожарной опасности возникновения и распространения ОФП выходит на первое место для атриумных зданий.
Таким образом, по природе и причинам возникновения пожаров атриум-ные здания не должны отличаться от обычных зданий. Вместе с тем, в случае возникновения загораний в атриумах при наличии большого количества кислорода вероятность перерастания загорания в крупный пожар резко возрастает. К сожалению, отсутствуют статистические данные, количественно подтверждающие это положение. Конечно, при этом следует учитывать, что в атриумных зданиях профилактические службы, режимные мероприятия организованы в среднем несколько лучше, чем в других зданиях. Так как практически все руководители в этих зданиях знают о повышенной их пожарной опасности и принимаются соответствующие адекватные меры, в том числе режимного плана. Это во-первых.
Во-вторых, наличие атриумов создает потенциальную угрозу для быстрого заполнения ОФП всех помещений, смежных с атриумами и не отделенных от атриума газодымонепроницаемыми противопожарными преградами.
В третьих, наличие эвакуационных путей, связанных с атриумом при условии отсутствия для их защиты средств дымоудаления значительно повышает угрозу жизни людей в случае пожара.
Экспериментальные исследования пожарной опасности зданий с внутренними открытыми объемами
В Китае построен полигон для полномасштабных огневых испытаний в здании с атриумом [42]. По разработанной совместно Университетом науки и техники Китая (USTC) и Гонконгским политехническим университетом (Poly U) программе экспериментально будут исследоваться:
процесс заполнения дымом зданий с атриумом;
удаление дыма при естественной вентиляции;
эффективность механических систем удаления дыма;
эффективность спринклеров смонтированных в атриуме;
наукоемкие методы обнаружения пожара в больших пространствах. Габариты экспериментального здания с атриумом 30.6x18.4x30.6 (длина х ширина х высота, м3), при внутреннем размере 22.4.х12.0х27.0 (длина х ширина х высота, м ). Снаружи атриума на высоту шести этажей устроены коридоры с окнами для наблюдения за экспериментом. Для исследований по удалению дыма в покрытии атриума предусмотрены восемь вентиляционных люка по 1.2x1.2 м2 и четыре вентилятора. Зарезервировано место для размещения двух сетей трубопроводов для выполнения экспериментов по тушению пожаров спринклерами.
Схема предварительных экспериментов по заполнению дымом атриума дана на рис. 3.3. Пожар имитировался горением дизельного топлива в противне диаметром 1 м, установленном на полу в центре атриума. Три двери первого этажа были открыты, а все люки и окна коридоров верхних этажей - закрыты. Высота нижней границы слоя дыма фиксировалась визуально и термопарами.
Тепловая мощность пожара быстро увеличивалась до максимального значения 650 кВт. Конвективная колонка приняла форму перевернутого конуса и достигла потолка, имея диаметр Юм. Подпотолочная струя формировалась, имея скорость 1ч-2 м с"1.
Устойчивая задымленная зона формировалась еще две минуты. Даже когда нижняя граница дыма была на высоте -20 м над полом, наблюдалось, как толщина слоя варьировалась на 2 м. До окон четвертого этажа (-16 м выше уровня земли) слой дыма снижался шесть минут. На уровне окон второго этажа (то есть, приблизительно на 6 м выше пола) слой дыма практически остановился и на восьмой минуте эксперимент прервали.
На рис. 3.4данные предварительных экспериментов по динамике высоты нижней границы слоя дыма сравниваются с расчетами по разным моделям. Расчеты по формуле (2.17) при подстановке 2=650 кВт, как и следовало ожидать, сразу же дают самую большую скорость опускания слоя дыма (см. рис. 3.4, штрихпунктирная линия). Поэтому модель -пожара (формула (2.19)) в первые минуты ближе к реальному пожару (см. рис. 3.4, точечная линия). Так как мощность тепловыделения по модели -пожара к концу второй минуты становиться больше 650 кВт и продолжает расти, после шестой минуты высота неза дым-ленной зоны по этой модели становится ниже, чем по модели Q=650 кВт. Несколько лучшее соответствие эксперименту дает модель ASET (см. рис. 3.4, сплошная линия) по формуле (2.20), учитывающей тепловое расширение дыма.
Расчеты по численной модели ВНИИПО, описанной в предыдущем разделе, даны пунктирной линией. В первые минуты пожара модель дает лучшие предсказания т.к. учитывает процесс последовательного формирования конвективной колонки и подпотолочной веерной струи. На этом периоде задымленная зона еще не сформировалась и высота незадымленной зоны равна высоте помещения, в то время как высота конвективной колонки по мере ее формирования растет от нуля до высоты помещения. В последующий период объем задымленной зоны растет не так быстро как при і2-пожаре, т.к. пожар стабилизируется, достигнув мощности 2=650 кВт. Кроме того после формирования незадымленной зоны учитывается теплоотдача в ограждающие конструкции.
При огневых испытаниях в атриуме с размерами 30x24x26.3 (длина х ширина х высота, м3) Yamana Т. и Tanaka Т. очаг пожара имитировали горением метанола на площади 1.8x1.8 м2. Тепловая мощность пожара при этом была равна 1.3 МВт [40]. Время задымления 80% объема атриума равнялось 5.4 мин. На рис. 3.5 экспериментальные данные по заполнению атриума дымом сравниваются с расчетом по численной модели.
Результаты расчетов сравнивались с экспериментальными данными, полученными для условий естественной вентиляции через проемы. Открытые окна общей площадью 6,46 м2 были установлены в верхней части атриума (см рис. 3.6).
На рис. 3.7 проведено сравнение расчетных данных динамики нижней границы слоя дыма с экспериментальными данными, полученными для случая механического дымоудаления из атриума; объемный расход дыма из атриума Vd = 6,0 м3/с.
Совпадение расчетных данных с результатами прогнозирования вытекания дыма без дымоудаления, с естественным и механическим дымоудалением по модели ВНИИПО вполне удовлетворительное.
При полномасштабных испытаниях Hagglunda В. в холле с размерами 5.62x5.62x6.15 (длина х ширина х высота, м3) очаг пожара варьировался в пределах от 0.25x0.25 м до 0.75x0.75 м Тепловая мощность очага изменялась от 70 кВт до 630 кВт. Высота пламени над очагом колебалась в пределах от 0.2 м до 4.5 м [41].
На рис. 3.8 каждый из пяти экспериментов представлен одной точкой -временем задымления объема на 80 % и сравнивался с расчетами по численной модели ВНИИПО. Расхождение объясняется сложностью измерений при малых высотах нижней границы дыма, когда слой дыма опускается медленно и небольшая ошибка в определении высоты приводит к значительной ошибке по времени.
Общие понятия о задымлении атриумов
Задымление атриумов возможно при пожарах в них самих или при распространении дыма в них из смежных помещений, что приводит к задаче удаления дыма непосредственно из атриумов. Эта задача может рассматриваться как в квазистатической постановке, так и в динамической. В последнем случае считается, что граница раздела находится в квазистатическом состоянии на некотором заданном уровне и количество дыма, поступившего в зону задымления, равно количеству удаленного дыма из атриума.
Дымоудаление происходит в сильной степени за счет плавучести горячего дыма, приводящего к его подъему и возникновении границы раздела между зоной задымления и чистым воздухом.
При обосновании характеристик системы дымоудаления, обычно рассматриваются наиболее тяжелые случаи расположения очага пожара в атриуме. Поэтому очаги пожара на нижнем уровне атриума должны рассматриваться в первую очередь для обоснования характеристик системы дымоудаления. Вообще говоря, еще более тяжелый вариант пожара, когда очаг находится на 1-ом уровне в помещении, связанном с атриумом открытым проемом. В последнем случае, при равных условиях по очагу пожара, производится наибольшее количество дыма с относительно низкой температурой.
Образуемое количество дыма зависит при прочих равных условиях от того, находится ли факел очага пожара в задымленной зоне (см., например, ф. (2.5)). До сих пор мы рассматривали случай, когда факел пламени оканчивался в слое дыма.
Характер входа струи дыма в атриум также определяет блокирование путей эвакуации на уровнях, расположенных выше уровня очага пожара. Конвективная колонка дыма после входа в непосредственно в объем атриума может быть двух видов, различающихся также по расположению в атриуме и по количеству образованного дыма в колонке в атриуме, а именно, «односторонние» и «двусторонние» колонки.
В первом случае струя дыма касается вертикальных конструкций атриума, непосредственно после выхода из помещения в атриум (рис.(4.12)), обозначенная как «присоединенная струя». Во втором случае слой дыма выходит, поворачиваясь вокруг нижнего края перекрытия, в атриум и отходит от вертикальной стенки атриума, «свободная струя» (рис. 4.13).
Маршал Н.Р. в качестве основных параметров, определяющих количество дыма, поступающего в слой дыма в атриуме, выделил четыре фактора [68].
1. Массовый поток газов, поворачивающих у кромки перекрытия в атриум.
2. Тепловой поток газов, втекающих в атриум.
3. Длина линии перетекающей в атриум струи, измеренной вдоль кромки перекрытия, после которой дым в слое превращается в веерную струю (конвективную колонку).
4. Высота, на которую перетекающая струя дыма должна подняться.
На 1, 2 факторы влияет наличие системы автоматического пожаротушения в здании, время введения сил и средств пожаротушения. Допустимая высота расположения слоя дыма определяется условиями безопасной эвакуации людей из здания. То есть на практике возможно лишь уменьшение длины кромки перекрытия, вдоль которой дым попадает в атриум.
Уменьшение длины распределенной вдоль кромки балкона струи дыма может достигаться путем устройства экранов, расположенных перпендикулярно фасадам атриумов под балконами, галереями. Высота экранов определяется аналогично способу, описанному в п.4.5. Экраны могут быть заранее установлены или опускаться при обнаружении пожара, в том числе по сигналам от дымовых пожарных извещателей. Чем ближе экраны располагаются друг к другу, тем в итоге меньший расход дыма потребуется удалять из слоя дыма под покрытием атриума.
Это следует рассмотреть подробнее.
Задача исследования пожарной опасности атриумных зданий включает оценку динамики высоты незадымленной зоны. При этом большой интерес представляет оценка квазистационарного уровня расположения границы неза-дымленного слоя воздуха при выбранных характеристиках системы дымоуда-ления.
Может ставиться и обратная задача: установить параметры системы дымоудаления для поддержания границы раздела зон на некотором уровне. Конечно, при этом надо следить за тем, чтобы струя дыма от очага пожара имела достаточную температуру и импульс движения для достижения как минимум нижней границы раздела слоев. При этом также важно, какой очаг пожара принимается как расчетный. Кроме того, очаг пожара, расположенный на полу атриума и рассматриваемый как генератор дыма, имеет другие параметры, чем дым от очага в спальном помещении или под балконом, что отдельно и подробнее будет рассмотрено ниже.
В настоящем разделе речь идет о так называемых «линейных» струях дыма, входящих в атриум. Слово «линейная» соответствует тому признаку струи, что при входе в атриум основание струи относительно узкое.
Таким образом, если нет ограничений в боковых направлениях, то струя входящего в атриум дыма может быть весьма широкой, оставаясь достаточно тонкой и имеющей достаточно большой периметр (рис. 4.12). Чем больше периметр поперечного сечения струи, тем выше количество дыма, поступающего со струей в зону задымления в атриуме.
Расширение струи может быть ограничено специально устраиваемыми каналами (проходами) под балконами (галереями) для выходящего из помещения очага пожара дыма (рис. 4.14).
Высота опускающихся экранов устанавливается из условия, чтобы при входе в атриум было обеспечено ограничение струи дыма от бокового ее распространения. Это способ снижения требуемой производительности вентиляторов дымоудаления может успешно использоваться при строительстве торговых центров с атриумами.
Минимальная высота экрана может быть рассчитана по формуле (4.6). Здесь ширина WB должна быть заменена на фактическую ширину канала. Экраны могут устанавливаться заранее или опускаться при пожаре. С учетом точности расчетов и возможных отклонений на практике расчетную величину высоты экрана целесообразно увеличить на 0,25 м. [65].
То есть, чем чаще будут установлены «продольные» экраны, тем на большую высоту можно допускать подъем струи слоя дыма в атриуме при установленной производительности вентилятора.
Экраны должны быть выполнены на всю ширину подбалконного пространства.
Необходимо отметить, что исследования Hansella G.O. показали, что экраны становятся эффективными при ширине балконов более 1,5 м [66]. Эти исследования также показали, что при ширине подбалконного пространства менее 2 м происходит обратный заброс струи дыма на следующий уровень галереи (балкона), то есть отрицательный эффект присоединенной струи может быть усилен при узких галереях, балконах.
Физические причины снижения эффективности дымоудаления из подпотолочного слоя
При подъеме вверх свободная струя горячего дыма увеличивается по массовому расходу в сечении, при этом охлаждаясь достаточно быстро по мере увеличения высоты подъема. Можно ожидать, что начиная с некоторой высоты целостность слоя дыма теряется, струя дыма теряет резкие границы и дым перестает подниматься вверх. В результате контроль за дымоудалением может быть потерян. По некоторым данным, это может наблюдаться при тд 150-200 кг-с" [8]. Это первая причина, снижающая эффективность систем дымоудаления из резервуаров дыма в атриуме.
Во-вторых, за счет солнечной радиации, работы оборудования, температура воздуха в верхней части атриумов повышена в том месте, где по расчету находится дымовой резервуар. На практике отмечаются случаи повышения до 50 С температуры в верхней части атриума по сравнению с температурой в нижней части атриума. В этом случае, особенно при работе кондиционера, когда температура воздуха где-то около 20 С, поднимающаяся свободная струя дыма охлаждается и, не имея возможности подняться выше, начинает растекаться в горизонтальном направлении по помещениям, коридорам, примыкающим к атриуму. Это явление можно назвать адекватно «верхней стратификацией», при которой чистый воздух находится выше задымленного, закупоривая дымовой резервуар. При этом граница раздела между слоем дыма и чистого воздуха может находиться также значительно ниже расчетного уровня.
При дальнейшем развитии пожара более горячие порции дыма поднимаются вверх и располагаются над более холодными. Такой процесс стратификации приводит к тому, что нижняя граница дыма начинает еще больше опускаться вниз. Одновременно, зарождается другой процесс - подъема вверх более нагретых порций дыма, достигающих покрытия атриума и одновременно перемешивающих слои дыма и чистого воздуха. Трудно оценить время, за которое наступит смешение сред в этом случае.
Можно рекомендовать эффективное мероприятие предотвращения обратной стратификации и ее отрицательных последствий. Следует установить на разных уровнях атриума дымовые (лучевые) пожарные извещатели или установить дымовые пожарные извещатели рядом с возможными очагами пожара в помещении. По их сигналам вентиляторы удалят сначала горячий чистый воздух, а затем - задымленный. Таким образом, вторая проблема решается с помощью раннего обнаружения пожара.
Третья проблема, возникающая при дымоудалении из атриумов, связана с периодом холодной погоды. Атриумы имеют большие поверхности остекления. При контакте с такими ограждениями горячего дыма происходит его охлаждение. Оценки показывают, что при размерах поверхностей остекления дымовых резервуаров порядка 1000-3000 м тепловые потери могут быть критичными для всплытия струй дыма.
Это приводит к тому, что плавучесть слоя дыма падает, приводя к опусканию нижней границы.
С другой стороны, уменьшение поверхностей остекления за счет замены их на теплоизоляционные приводит к разрушению самой архитектурной концепции атриумов.
Остывший дым весьма чувствителен к перемещению воздуха, возникающем при сквозняках, проветривании, работе системы кондиционирования. Экспериментально установлено, что холодный стратифицированный дым легко может быть смешан с чистым воздухом при относительно небольших возмущениях, распространяя задымление на большие области зданий. Стабильность стратификации дыма зависит от плавучести дыма. Границы слоев дыма, температура которых близка к температуре воздуха, подаваемого в здание для компенсации удаляемого из здания задымленного воздуха, оказываются неустойчивыми, что приводит в конечном счете к общему задымлению здания. Этот процесс близок к процессу разбавления дыма в задымленных помещениях.
В силу слабости механизма разделения при недостаточной разности температур дыма и окружающего воздуха может наступить, на первый взгляд, внезапное, но быстрое задымление объема всего атриума.
В литературе практически отсутствует информация о дестабилизации слоев охлаждаемого дыма. Вместе с тем ясно, что температура в слое дыма должна быть достаточной для устойчивой стратификации слоев.
Morgan утверждает, что в отсутствии точных данных и, основываясь на результатах испытаний можно принять, что критической температурой для слоев дыма является температура, превышающая на 15-20 С температуру окружающего воздуха [8].
Таким образом, практическими пределами для использования вентиляции из припотолочного слоя (резервуара дыма) являются:
1. Ограничение максимального массового потока дыма значениями 150-200КГ-С"1.
2. Минимальная разность температур между дымом и окружающим воздухом не должна опускаться ниже 15-20 С.
Какой предел первым достигается в конкретном случае зависит от вида пожара, объемно-планировочных и конструктивных характеристик атриума и т.д.
На основе расчетов следует, что запредельные массовые расходы дыма, поступающие в дымовой резервуар в атриуме, могут достигаться при высоте подъема струи дыма на 8-12 м, то есть уже для атриумов с 3-4 ярусами.
По-видимому, такие ограничения ставят препятствия проектированию высоких открытых атриумов с интересными решениями, что нашло уже отражение в противопожарных нормах США[76]. Большие, открытые атриумы, благодаря которым американские архитекторы приобрели мировую известность, больше не рассматриваются как безопасные и приемлемые. Новые проекты атриумов (открытые) ограничиваются тремя этажами. Однако, существуют различные методы и способы посредством чего эти ограничения преодолеваются, часть из которых была рассмотрена выше.
