Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ состояния вопроса и постановка исследований 17
1.1 Необходимость своевременной и беспрепятственной эвакуации людей из помещений при пожаре 17
1.2 Опасность воздействия факторов пожара на человека 26
1.3 Анализ существующих методов по определению необходимого времени эвакуации людей из зрительного зала театра при возникновении пожара на сцене 35
Глава 2 Математическая модель начальной стадии пожара в театре с колосниковой сценой 57
2.1 Общие сведения о методах прогнозирования опасных факторов пожара в помещении 57
2.2 Исходные положения, использованные при моделировании начальной стадии пожара в театре с колосниковой сценой 63
2.3 Математическая модель начальной стадии пожара для сценического помещения театра с колосниковой сценой (при возникновении пожара на сцене) 67
2.4 Математическая модель начальной стадии пожара для зрительного
зала театра (при возникновении пожара на сцене) 70
2.5 Определение коэффициента теплопоглощения (коэффициента
теплопотерь) при определении критической продолжительности пожара в
театрах 19
2.5.1 Общие положения. Анализ имеющихся данных о способах определения коэффициента теплопотерь 79
2.5.2 Коэффициент теплопотерь при определении критической продолжительности пожара в театрах 85
2.6 Лучистое (тепловое) излучение как опасный фактор пожара. Опасность теплового излучения от горящих декораций при пожаре в театре 91
Глава 3 Экспериментальные исследования. Методика экспериментов, анализ результатов измерений. Сравнение теоретических расчетов с опытом 103
3.1 Анализ опытных данных, полученных при исследованиях пожаров в театрах при горении сценических декораций 103
3.2 Методика определения поправки к показанию ТЭТ при измерении температуры газовой среды, заполняющей зрительный зал театра в начальной стадии пожара 106
3.3 Методика экспериментального определения средней температуры газовой среды в зрительном зале театра 121
3.4 Методика коррекции результатов измерений массы пакета выгоревших декораций 132
3.4.1 Процессы, обуславливающие изменение массы горящего пакета декораций 132
3.4.2 Экспериментальное исследование процессов выпаривания влаги из тканевых декораций 134
3.4.3 Обоснование условий проведения экспериментальных исследований 139
3.4.4 Результаты экспериментального исследования процессов выпаривания влаги из тканевых декораций и их обобщение 145
3.4.5 Определение скорости выгорания тканевых декораций в опытах 151
3.5 Сравнение теоретических расчетов и результатов экспериментального исследования температурного режима в модели зрительного зала 158
3.6 Сравнение теоретических расчетов и результатов экспериментального исследования дальности видимости в модели
зрительного зала 165
Глава 4 Методика расчета необходимого времени эвакуации людей из рабочих зон зрительного зала театра 168
4.1 Расчет критических значений среднеобъемных параметров ОФП для каждой рабочей зоны зрительного зала театра 168
4.2 Определение критической массы горючего материала (декораций) на сцене театра 170
4.3 Определение необходимого времени эвакуации людей из зрительного зала театра 172
4.4 Методика определения необходимого времени эвакуации людей из зрительного зала театра по воздействию лучистых потоков со стороны сцены 174
4.5 Сравнение результатов определения критической продолжительности пожара 176
4.6 Пример определения необходимого времени эвакуации людей из зрительного зала театра 180
Общие выводы 190
Литература
- Опасность воздействия факторов пожара на человека
- Исходные положения, использованные при моделировании начальной стадии пожара в театре с колосниковой сценой
- Методика определения поправки к показанию ТЭТ при измерении температуры газовой среды, заполняющей зрительный зал театра в начальной стадии пожара
- Определение критической массы горючего материала (декораций) на сцене театра
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Человечество вступило в XXI век, пресыщенный информационными потоками, стремительно развивающий новые технологии познания и преобразования окружающего мира. Быстрое развитие науко- и техноемких отраслей промышленности в развитых странах мира, научно-технический прогресс способствуют появлению новых опасностей техногенного характера. Наряду с расширением масштабов хозяйственной деятельности человечества, растет и его культурный уровень жизни. В связи с этим наблюдается тенденция роста строительства зрелищных учреждений, театров, клубов, концертных залов и т.п. С увеличением масштаба строительства зрелищных предприятий и возрастанием их роли в подъеме культурного уровня жизни, возникает ряд трудностей и проблем, связанных с обеспечением необходимой безопасности людей, посещающих эти заведения. Здесь имеется в виду безопасность людей, связанная с возникновением пожаров.
В России в последнее десятилетие ежегодно на объектах различного назначения происходит примерно четверть миллиона пожаров. Каждый год на пожарах гибнет 17 - 18 тыс. человек и почти столько же травмируется. Особую опасность представляют объекты с массовым пребыванием людей, к числу которых относятся культурно-зрелищные заведения. Пожары в таких зданиях нередко сопровождаются человеческими жертвами. В подтверждение тому - статистические данные о количестве пожаров и гибели людей в зданиях культурно-зрелищного учреждения (таблицы l.B, 2.В). Количество жертв на некоторых пожарах достигало несколько сотен человек (приложение 1).
Актуальность проблемы повышения уровня обеспечения пожарной безопасности людей в зданиях культурно-зрелищных учреждений очевидна из вышеизложенного.
Безусловно, вместе с развитием научно-технического прогресса и культурного уровня жизни, развиваются новые современные способы борьбы с пожарами и их предотвращением. Но, необходимость обеспечения безопасности людей, находящихся на объекте, где возможно возникновение пожара, не отпадает. Примером тому служит ГОСТ 12.1.004-91 (Пожарная безопасность. Общие требования), где прописано о том, что «...допустимый уровень пожарной опасности для людей должен быть не более 10 6 воздействия опасных факторов пожаров, превышающих предельно допустимые значения, в год в расчете на каждого человека». Это означает, что в течение года от воздействия опасных факторов пожара в нашей стране могут погибнуть не более чем 1 человек на миллион россиян. Данный норматив уже действует более 25 лет. Однако современное социально-экономическое состояние российского общества не в состоянии достичь этого требования. Очевидна необходимость корректировки этой величины, т.е. для достижения безопасности людей на пожарах следует использовать иные подходы. В общем виде они сформулированы в СНиП 21-01-97 [3], допускающих применение расчетных методов для оценки уровней пожарной опасности зданий и безопасности людей в них.
СНиП 21-01-97 «Пожарная безопасность зданий и сооружений» определяет приоритетность требований, направленных на обеспечение безопасности людей при пожаре, по сравнению с другими противопожарными требованиями. В зданиях должны быть предусмотрены конструктивные, объемно-планировочные и инженерно-технические решения, обеспечивающие в случае пожара возможность эвакуации людей наружу на прилегающую к зданию территорию до наступления угрозы их жизни и здоровью вследствие воздействия опасных факторов пожара (ОФП). Эвакуационные пути в пределах помещения должны обеспечивать безопасную эвакуацию людей через эвакуационные выходы из данного помещения без учета применяемых в нем средств пожаротушения и противодымной защиты.
ГОСТ 12.1.004-91 «ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования» требует, чтобы каждый объект имел такое объемно-планировочное и техническое исполнение, при котором эвакуация людей с объекта была завершена до наступления предельно допустимых значений опасных факторов пожара.
Вопрос обоснованности величины необходимого времени эвакуации (НВЭ) людей при пожаре является одним из ключевых в решении задач обеспечения пожарной безопасности при проектировании путей эвакуации. От него зависит рациональный выбор объемно-планировочных и технических решений. Недооценка пожарной безопасности, равно как и ее переоценка, может привести к серьезным социальным или экономическим потерям.
Для обеспечения пожарной безопасности людей необходимо разрабатывать и обосновывать конструктивные и объёмно-планировочные решения в строительстве с учётом динамики ОФП и вероятности воздействия этих факторов на человека. Эти решения должны предусматривать возможность своевременной и безопасной эвакуации людей в случае возникновения пожара. Эвакуация является успешной, если расчётное время эвакуации меньше необходимого времени эвакуации. Это условие безопасности лежит в основе нормирования процесса эвакуации.
Расчетное время эвакуации определяется на основе метода моделирования процесса вынужденной эвакуации. Этот метод разработан в трудах профессора В. В. Холщевникова. При проектировании эвакуационных путей и выходов необходимо также располагать методом расчета критической продолжительности пожара по условию достижения каждым ОФП своего предельно допустимого значения в зоне пребывания людей и, соответственно, необходимого времени эвакуации людей. Особого внимания в этом отношении требуют объекты с массовым пребыванием людей, к числу которых относятся театры. Для разработки методов расчета критической продолжительности пожара (КПП) и, соответственно, НВЭ необходимы сведения о динамике ОФП.
Анализ статистических данных о пожарах в зрелищных учреждениях показал, что примерно 70% всех пожаров возникает в сценической части, что способствует быстрому распространению пожара. Разработке методов расчета КПП и, соответственно, НВЭ людей из зрительного зала театра был посвящен ряд экспериментальных и теоретических исследований динамики опасных факторов пожара, возникающих при загорании декораций в сценическом помещении театра. Такие исследования проводили В.А. Пчелинцев, Б.А. Шляпужников, Л.И. Дайнис, М.Я. Ройтман, П.Н. Романенко, И.Н. Кривошеев, Н.А. Стрельчук, а также Т.Г. Меркушкина, Ю.С. Зотов, В.Н. Тимошенко и др. Перспективным методом прогнозирования ОФП является метод, основанный на математическом моделировании процесса развития пожара, предложенный профессором Ю.А. Кошмаровым. Однако, до настоящего времени этот интегральный метод должным образом еще не использовался для исследования динамики ОФП в зрительном зале театра при загорании пакета декораций в сценическом помещении. В настоящее время значительное развитие получил полевой метод прогнозирования ОФП благодаря работам A.M. Рыжова, СВ. Пузача, А.Ю. Снигирева, В.Л. Страхова и ряда зарубежных ученых. Однако, использование этого метода для прогнозирования ОФП, возникших в результате загорания пакета декораций в сценическом помещении, является крайне трудоемким из-за чрезвычайно сложной (в геометрическом отношении) и очень большой (по массе) загрузке сценического помещения различным сценическим оборудованием (пакет из большого числа декораций, колосники, галереи и т.д.).
На основании проведённого анализа было установлено, что результаты расчётов НВЭ из театров при возникновении пожара на сцене по формулам, представленным разными авторами в опубликованных работах, могут отличаться друг от друга в несколько раз. Кроме того, существующие формулы плохо согласуются с данными экспериментов, полученными исследователями при различных условиях. Этот анализ показал, что в настоящее время отсутствует достаточно обоснованный и апробированный аналитический метод расчёта КПП и, соответственно, НВЭ из театров. Следовательно, разработка на базе интегрального метода более совершенной математической модели начальной стадии пожара в театре и создание на её основе обоснованного и достоверного аналитического метода расчёта КПП является актуальной задачей обеспечения безопасности людей при пожарах в театрах. Начальной стадией пожара (НСП) в данной работе называется интервал времени, отсчитываемый от момента воспламенения тканевой декорации на сцене театра до достижения средней температурой газовой среды в зрительном зале своего критического значения. Наиболее опасный вариант развития пожара возможен при открытом портальном проеме и закрытых дымовых люках. Этот наиболее опасный вариант развития пожара рассмотрен в данном исследовании. Достоверное прогнозирование динамики ОФП необходимо для разработки и обоснования объёмно-планировочных решений культурно-зрелищных учреждений, обеспечивающих в случае пожара возможность безопасной эвакуации людей.
Таким образом, разработка научных методов исследования необходимого времени эвакуации людей из зрительного зала театра при горении тканевых декораций в сценическом помещении с целью обоснования объемно-планировочных решений при проектировании и строительстве театров, является задачей актуальной.
Объектом исследования в данной работе являются пожары, возникшие в театрах с колосниковой сценой.
Предметом исследования являются закономерности процессов нарастания всех опасных факторов пожара в начальной его стадии в театре с колосниковой сценой.
Целью работы является разработка модернизированного аналитического метода расчёта критической продолжительности пожара на действующих и проектируемых театрах для обоснования их объёмно-планировочных и технических решений, обеспечивающих возможность безопасной эвакуации людей. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- провести краткий анализ действующей нормативной документации;
- провести сравнительный анализ и систематизацию существующих экспериментальных и теоретических данных о динамике опасных факторов пожара и методов расчёта критической продолжительности пожара в театрах, проводимых с целью обоснования объемно- планировочных решений, при возникновении пожара на колосниковой сцене;
- разработать интегральную математическую модель начальной стадии пожара в театрах, описывающую динамику опасных факторов пожара в зрительном зале при воспламенении тканевых декораций в сценическом помещении;
- получить новое аналитическое решение задачи о процессах нарастания температуры газовой среды, концентрации токсичных продуктов горения, оптической плотности дыма и снижения концентрации кислорода в зрительном зале при воспламенении тканевых декораций в сценическом помещении для обоснования объемно-планировочных решений при проектировании театров;
- проанализировать современные представления о тепловом взаимодействии ограждающих конструкций с газовой средой при пожаре и уточнить значение среднего коэффициента теплопотерь в ограждающие конструкции и сценическое оборудование в начальной стадии пожара при горении пакета тканевых декораций;
- выполнить анализ результатов измерений изменения при пожаре на сцене театра суммарной массы пакета тканевых декораций, которое было обусловлено частичным выгоранием тканей и интенсивной сушкой еще несгоревших декораций;
- провести экспериментальное исследование процесса выпаривания влаги из тканевых декораций в начальной стадии пожара в сценическом помещении и разработать методику экспериментального определения массы выгоревших тканевых декораций с учетом сушки несгоревших декораций;
- для обоснования проектирования путей эвакуации из зрительного зала разработать методику расчета процесса нарастания плотности лучистых потоков, падающих на людей в партере зрительного зала от горящих декораций на сцене;
- осуществить апробацию разработанной математической модели начальной стадии пожара путём сравнения теоретических расчётов динамики опасных факторов пожара с экспериментальными данными;
- разработать методику расчета необходимого времени эвакуации, как одного из основных критериев в регламентации требований пожарной безопасности к путям эвакуации при проектировании и строительстве зданий, из зрительных залов театров на основе полученного аналитического решения задачи о процессах нарастания опасных факторов пожара в зрительном зале с учетом влияния падающих на людей лучистых потоков.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- разработана новая двухзонная интегральная математическая модель начальной стадии пожара в театрах с колосниковой сценой, позволяющая прогнозировать динамику опасных факторов пожара при проектировании путей эвакуации;
- получено новое аналитическое решение задачи о процессах нарастания температуры газовой среды, концентрации токсичных продуктов горения, оптической плотности дыма и снижения концентрации кислорода в зрительном зале при воспламенении тканевых декораций в сценическом помещении для обоснования объемно-планировочных решений при проектировании театров;
- получены новые данные о коэффициентах теплопотерь для сценического помещения с большим количеством тканевых декораций и для зрительного зала;
- разработана новая методика расчета необходимого времени эвакуации из зрительного зала театра с учетом влияния падающих на людей лучистых потоков для обоснования проектирования путей эвакуации.
Достоверность представленных в работе результатов подтверждается использованием фундаментальных законов физики; удовлетворительной сходимостью результатов теоретических расчётов опасных факторов пожара и критической продолжительности пожара с экспериментальными данными, полученными при проведении опытов на модели театра с колосниковой сценой.
Практическая значимость работы заключается в совершенствовании научной основы обеспечения безопасности эвакуации людей при пожаре на сцене театра. Предложенная методика расчёта опасных факторов пожара и необходимого времени эвакуации позволяет более надёжно, чем существующие, решать задачи пожарной безопасности по обоснованию объемно-планировочных решений при проектировании объектов с массовым пребыванием людей.
Практическая реализация. Результаты работы использованы:
- при разработке «Технических условий на проектирование комплексной системы противопожарной защиты нового здания Государственного академического Мариинского театра в г. Санкт- Петербурге»;
- при проектировании путей эвакуации и при расчете безопасного расстояния от сцены до первого ряда зрительного зала Самарского государственного академического театра оперы и балета, расположенного по адресу: г. Самара, площадь Куйбышева, д. 1;
- ГУ МЧС России по Кировской области для экспертизы организационных и технических решений по обеспечению пожарной безопасности людей в здании драматического театра им. С.М.Кирова и разработке мероприятий, повышающих уровень обеспечения пожарной безопасности людей в театре;
- в учебном процессе Московского Государственного строительного университета при подготовке специалистов по специальности «Пожарная безопасность»;
- в учебном процессе Академии ГПС МЧС России при разработке фондовых лекций по курсу «Пожарная безопасность в строительстве».
Апробация работы. Основные положения диссертационного исследования докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Современные средства и способы обеспечения пожарной безопасности» 5-ой юбилейной международной специализированной выставки «Пожарная безопасность XXI века» (М., 2006), на 15-ой научно-технической конференции "Системы безопасности" - СБ-2006 Международного форума информатизации (М., 2006), на научно-практической конференции «Перспективы развития новых технологий и разработки пожарно-спасательной техники» 6-ой международной специализированной выставки «Пожарная безопасность XXI века» (М., 2007), на объединенном заседании кафедр инженерной теплофизики и гидравлики, процессов горения, пожарной тактики и службы, пожарно-строевой и газодымозащитной подготовки, физики Академии ГПС МЧС России (М., 2007).
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в четырёх научных статьях.
Основные положения, выносимые на защиту:
- новая двухзонная интегральная математическая модель начальной стадии пожара в театрах с колосниковой сценой;
- новое аналитическое решение задачи о процессах нарастания температуры газовой среды, концентрации токсичных продуктов горения, оптической плотности дыма и снижения концентрации кислорода в зрительном зале при воспламенении тканевых декораций в сценическом помещении для обоснования объемно-планировочных решений при проектировании театров;
- результаты экспериментального исследования процесса выпаривания влаги из тканевых декораций в начальной стадии пожара в сценическом помещении театра;
- экспериментальная методика определения массы выгоревших тканевых декораций в начальной стадии пожара с учетом процессов сушки несгоревших декораций;
- результаты апробации разработанного метода прогнозирования опасных факторов пожара для конкретных объемно-планировочных решений зданий театров путем сравнения теоретических расчетов с экспериментальными данными;
- методика определения необходимого времени эвакуации людей из разных зон зрительного зала театра при возникновении пожара на сцене с учетом влияния падающих на людей лучистых потоков для обоснования проектирования путей эвакуации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 243 страницы, в том числе 25 рисунков, 24 таблицы, список литературы 135 наименований и приложения из 37 страниц.
Опасность воздействия факторов пожара на человека
К опасным для здоровья человека факторам пожара относят температуру среды в рабочей зоне на уровне роста человека [114], пониженную до опасных величин концентрацию кислорода в помещениях, опасные концентрации токсичных продуктов горения и термического разложения, снижение или полную потерю видимости из-за задымленное помещений и путей эвакуации, лучистые тепловые потоки. Все эти факторы вредно воздействуют на организм человека и при достижении определенных значений могут привести к смертельным исходам.
Различают раздельное и совместное воздействие ОФП на человека [115].
Литературные источники, как показал их анализ, приводят примеры раздельного воздействии ОФП, показателем опасности которых являются температура на пожаре, концентрация токсичных веществ, концентрация продуктов полного и неполного горения, содержание кислорода в продуктах горения и воздействие лучистых потоков на людей. Степень раздельного влияния ОФП на человека и возникновение опасных для него ситуаций зависят от места пребывания человека, свойств горючих веществ и условий развития пожара.
Кроме эффекта раздельного воздействия на организм человека ОФП, различают комбинированный эффект, который может быть суммарным, синергическим и антагонистическим [115].
Суммарное воздействие рассматривается в тех случаях, когда механизм воздействия различных газов на организм человека одинаков. Так, например, зафиксированы случаи гибели живых организмов при одновременном воздействии разных газов (Ог, СОг, СО), в то время как концентрация каждого из газов не была смертельна.
Совместное воздействие факторов, превосходящее сумму отдельных воздействий тех же факторов, называют синергическим эффектом. Антагонистическим называют такое воздействие ОФП на человека, когда компоненты газовой смеси, оказывая влияние один на другого, снижают токсикологический эффект газовой смеси.
В данной работе рассматривается раздельное воздействие ОФП на зрителя в начальной стадии пожара на сцене театра и определяется какой опасный фактор достигнет предельно допустимого значения и при каких обстоятельствах.
Влияние температуры среды
Эффект воздействия высокой температуры на организм человека в значительной мере зависит от влажности воздуха: чем выше влажность, тем ниже предельно допустимая температура. Для начальной стадии пожара, которая характеризуется сравнительно высокой влажностью, критическая температура находится в пределах 60-70 С [16,114].
Автор работы [16] приводит некоторые данные из зарубежных литературных источников, где говорится о том, что люди не смогли сделать больше одного-двух вдохов насыщенного влагой воздуха при температуре в помещении 48,8 - 54,3 С, а при сухом воздухе в помещении совершенно непереносимой для дыхания является температура 138-149 С.
Автор работы [115] приводит данные, что при нагреве воздуха или продуктов горения в рабочей зоне пребывания человека до температуры, равной 60 С, возникают критические ситуации.
Согласно [15], во влажной атмосфере вторую степень ожога дыхательных путей вызывает температура 55 С при воздействии в течение 20 секунд и 70 С при воздействии в течение 1 секунды.
Кроме того, необходимо отметить, что повышенная температура усиливает токсическое воздействие двуокиси и окиси углерода. Причем резкое увеличение токсичности окиси углерода уже наблюдается при температуре 35 - 40 С [16].
Методические рекомендации к ГОСТ 12.1.004-91, разработанные во ВНИИПО МВД РФ, предлагают значение предельно допустимой температуры при расчете необходимого времени эвакуации принимать равной 70 С.
Исходные положения, использованные при моделировании начальной стадии пожара в театре с колосниковой сценой
Данная работа посвящена проблеме обеспечения безопасной эвакуации людей при возникновении пожара. В связи с этим термин «начальная стадия пожара» далее трактуется как промежуток времени, в течение которого средняя температура газовой среды в помещении повышается от начального значения до критического. Критическим значением средней температуры среды в помещении (или другого среднеобъёмного параметра состояния, входящего в список ОФП) называется такое, при достижении которого одновременно в рабочей зоне (зоне пребывания людей) температура среды (или парциальная плотность 02 , или парциальная плотность СО и т.д.) достигает своего предельно допустимого значения. Предельно допустимые значения ОФП указаны в Государственном стандарте [2]. Например, предельно допустимое значение температуры в рабочей зоне составляет величину Тпд = 343К (т.е. 70С). Критическое значение средней температуры среды в помещении (или другого среднеобъёмного параметра состояния среды) и предельно допустимое значение температуры среды в рабочей зоне (или предельно допустимое значение другого ОФП) взаимосвязаны. Исследованию этой взаимосвязи был посвящен целый ряд работ [17, 35, 68]. В Государственном стандарте [2] предлагается использовать для помещений, высота которых h 6, формулу следующего вида: У_ h г кр о -1 1,4 l h ехр пд г о (2.2) где Ркр - критическое значение среднеобъёмного параметра состояния газовой среды в помещении; Рпд - предельно допустимое значение ОФП в рабочей зоне; P0 - начальное значение ОФП; h - высота помещения, м; у - расстояние от пола до верхнего уровня рабочей зоны, м. Из формулы (2.2) следует; а) если =0,498, то Ркр = Рпд; б) если 0,498, то Ркр Рпд. п Таким образом, критическое значение ОФП зависит от расположения верхнего уровня рабочей зоны.
Время, по истечению которого среднее значение температуры среды в помещении (или среднеобъёмное значение другого параметра состояния среды) достигает своего критического значения, называется критической продолжительностью пожара (КПП). Для разных ОФП значение КПП в общем случае могут существенно различаться. Наименьшее из них используется для определения необходимого времени эвакуации. Интервал времени, равный КПП, рассматривается как начальная стадия пожара. Эту стадию пожара можно также назвать докритической.
В работе рассматривается начальная стадия пожара, когда наблюдается специфический газообмен сценического помещения с окружающей средой через открытые проёмы [52, 53, 70]. Поступление воздуха из окружающей среды совсем отсутствует. В течение всей начальной пожара наблюдается только выброс газов через проёмы.
Особенностью театров с колосниковой сценой является то обстоятельство, что в сценическом помещении находится большое количество легкогорючих материалов. Так, например, суммарная масса тканевых декораций может составлять несколько сотен килограмм, а площадь их поверхностей - тысячи квадратных метров.
В настоящей работе исследуется один из наиболее опасных сценариев возникновения и развития пожара, который начинается в сценическом помещении в результате поджога тканевых декораций. При этом предполагается, что портальный проем, соединяющий сценическое помещение со зрительным залом, остается открытым (т.е. противопожарный занавес отсутствует или не срабатывает механизм его опускания), а дымовой люк закрыт.
На рисунке 2.1 представлена условная схема театра с колосниковой сценой. На этой схеме указаны: сценическое помещение - 1; зрительный зал - 2; пакет тканевых декораций - 3; портальный проем - 4; дверные проемы, соединяющие сценическое помещение с окружающей средой - 5; дверные проемы, соединяющие зрительный зал с окружающей средой - 6; дымовой люк - 7; место поджога тканевой декорации - 8; колосники - 9.
На этой схеме показаны стрелками потоки газов, уходящих из помещений театра. Символом G\n обозначен массовый расход газов, уходящих из сценического помещения через портальный проем в зрительный зал, а символом G\a - массовый расход газов, уходящих из сценического помещения через открытые дверные проемы в задней и боковых стенах сцены в окружающую среду. Символом G2 обозначен массовый расход газов, уходящих через дверные проемы из зрительного зала в окружающую среду.
Методика определения поправки к показанию ТЭТ при измерении температуры газовой среды, заполняющей зрительный зал театра в начальной стадии пожара
При исследовании процессов нарастания температуры газовой среды в помещениях сцены и зрительного зала театра [16] И.Н.Кривошеев использовал термоэлектрические термометры (ТЭТ).
Для получения достаточно надёжных данных о средней (среднеобъёмной) температуре газовой среды в зрительном зале автор работы [16] установил в нем 16 термопар. Горячие спаи термопар этих ТЭТ размещались в центрах примерно равновеликих объёмов, на которые условно разделялось внутреннее пространство зрительного зала театра. Для измерения электродвижущей силы термопар (ЭДС термопар) использовались автоматические потенциометры (ЭПП-09-МЗ). В помещении сцены использовались такие же ТЭТ.
Кривошеее И.Н. корольки термопар не экранировал и термическую инерцию ТЭТ он не учитывал. Эти обстоятельства могли существенно влиять на результаты измерений быстроизменяющейся температуры среды и, соответственно, на результаты опытного определения критической продолжительности пожара по условию достижения температурой среды своего критического значения. Другими словами, между спаями термопар и газовой средой отсутствовало тепловое равновесие. Показания ТЭТ «отставали» по времени от действительного значения температуры газовой среды на значительную величину. Следовательно, время достижения температурой спая ТЭТ значения, равного, например, 70С, могло существенно превышать действительную величину КПП.
При сравнении разработанной математической модели начальной стадии пожара, представленной в главе 2, с результатами работы [16], воспользуемся методикой определения поправок к показаниям приборов (ГОСТ 16263 - 70. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Термины и определения) [119] и методикой определения поправки к показанию ТЭТ при измерении температуры газовой среды, заполняющей помещения в начальной стадии пожара, изложенной в работе [14]. Цель - исключение систематической погрешности, обусловленной влиянием термической инерции ТЭТ на результаты измерений быстро изменяющейся температуры газовой среды в помещении, а также влиянием радиации от факела пламени.
Как было сказано выше, при исследовании температурного режима пожара автор работы [16] использовал ТЭТ. Мы рассмотрим 16 ТЭТ, размещенных в объеме зрительного зала. Горячие спаи этих ТЭТ размещались в центрах равновеликих объёмов, на которые условно разделяется пространство внутри помещения зрительного зала. При этом спаи ТЭТ, предназначенные для измерения температуры газовой среды внутри зрительного зала, располагались за пределами зоны очага горения и зоны конвективной колонки над очагом горения.
Спай каждой термопары можно рассматривать как сферу, диаметр которой существенно превышает диаметр токоведущих проводов. Диаметр сферического спая термометров, применявшихся в этом исследовании составлял величину, примерно равную 10 3 м. Диаметр токоведущих проводов приблизительно в три раза был меньше. Влиянием токоведущих проводов на температуру спая, как показали оценки, можно пренебречь [14].
Уравнение теплового баланса для спая, расположенного в центре / - го элемента объёма внутри помещения, имеет следующий вид: где сс , рс - соответственно, удельная теплоёмкость и плотность материала спая термопары; Vc , Fc - соответственно, объём и площадь поверхности сферического спая; ТІ - температура спая термопары, расположенного в центре / -го элемента объёма газовой среды; АТ{ - разность между температурой газовой среды и температурой / -го спая термометра; Oil — коэффициент теплоотдачи для / -го спая при естественной конвекции; 0.ФП - радиационный тепловой поток от пламени со стороны сцены к спаю термопары; Qon - радиационный тепловой поток от спая к холодным ограждающим поверхностям; Т- время. При составлении уравнения теплового баланса (3.1) для спая ТЭТ предполагалось, что число Био много меньше единицы, т.е. к где dc- диаметр спая; Яс -коэффициентов теплопроводности спая.
При вычислении поправки необходимо располагать данными о физических свойствах материала спаев ТЭТ. Эти данные содержатся в различных справочниках и монографиях (см., например [120]). В экспериментальном исследовании температурного режима Кривошеее использовал хромель-алюмелевые термопары. Термоэлектродные провода этих термопар изготовлены из сплава никеля с различными металлами.
Хромель представляет собой сплав никеля (90%) и хрома (10%). Алюмель - сплав никеля (95%) и определённой комбинации Al, Si, Mg, (5%). Теплопроводность алюмеля составляет ЛАІ & 10 Вт м-2- 1С1. Теплопроводность хромеля несколько выше. Объёмная теплоёмкость спая составляет величину cv = рссс к 3,9 106 Дж м-3 К" . При условиях, которые обычно реализуются в опытах, значение числа Био для спая ТЭТ составляло величину, равную: Bi = L К) 2. К
При таких числах Био температурное поле в сферическом спае является практически однородным. Это положение было использовано при написании уравнения теплового баланса (3.1).
При рассмотрении конвективной теплоотдачи от газовой среды к сферическому спаю ТЭТ следует учитывать, вообще говоря, то обстоятельство, что движение газа около поверхности спая (сферы) обусловлено двумя причинами. Во-первых, в пространстве помещения в начальной стадии пожара возникает движение газа в виде крупномасштабных вихрей, инициируемое очагом горения. По отношению к спаю ТЭТ это движение газовой среды следует рассматривать как «вынужденное». Теплоотдача сферы при вынужденном движении газа зависит от числа Рейнолдса и может быть рассчитана с помощью формулы следующего вида [121], [122].
Определение критической массы горючего материала (декораций) на сцене театра
Наличие методики расчета КПП и необходимого времени эвакуации людей из помещения зрительного зала театра при пожаре является непременным условием не только для обеспечения безопасности людей, но и для расчета нужных для безопасной эвакуации людей из здания при пожаре размеров эвакуационных путей и выходов, определения требуемого количества первичных средств пожаротушения, обоснования необходимого времени обнаружения пожара автоматической пожарной сигнализацией и др.
Для определения КПП для каждой зоны пребывания людей в зрительном зале театра необходимо знать критическое значение каждого ОФП. Чтобы рассчитать критическое значение каждого ОФП необходимо знать высоту зрительного зала, где произошел пожар, местоположение людей (высоту рабочей зоны), для которых определяем НВЭ, начальные условия, и, конечно, предельно допустимое значение для человека каждого из ОФП.
Зависимости для расчета критических значений каждого ОФП имеют следующий вид: где Ткр, Хкр, Кр, JUKP - критические значения среднеобъемных, соответственно, температуры (К), концентрации кислорода (кг/м3), концентрации токсичного газа (кг/м3), оптической плотности дыма (Нп/м); То, Хо, Цо, JUo - начальные параметры состояния газовой среды в помещении зрительного зала, соответственно, температура (К), концентрация кислорода (кг/м ), концентрация токсичного газа (кг/м ), оптическая плотность дыма (Нп/м); Т„д, Хпд, пд, JLlnd - предельно допустимые значения среднеобъемных, соответственно, температуры (К), концентрации кислорода (кг/м ), концентрации токсичного газа (кг/м ), оптической плотности дыма (Нп/м); у - высота рабочей зоны, м, h - высота зрительного зала, м.
К рабочим зонам, или зонам пребывания (местонахождения) людей, в зрительном зале театра можно отнести такие места, как партер, амфитеатр, бельэтаж, балкон. Следует иметь в виду, что максимальной опасности при пожаре подвергаются люди, находящиеся на уровне более высокой отметки. Так, при определении необходимого времени эвакуации людей из партера зрительного зала с наклонным полом, значение у для партера нужно вычислять, ориентируясь на удаленные от сцены (расположенные на наиболее высокой отметке) ряды кресел.
Предельно допустимые значения среднеобъемных ОФП принимаются по данным, представленным в [2, 12] на основе медико-биологических исследований, для условий одноразового воздействия на эвакуирующихся при средних физических нагрузках и по критерию сохранения ими способности реально оценивать окружающую обстановку, уверенно принимать и выполнять соответствующие решения
Расчеты критических значений среднеобъемных ОФП показали, что наибольшей опасности в зрительном зале театра подвергаются люди, находящиеся на балконе зала.
Критическая масса горючих декораций на сцене театра представляет собой массу декораций, при сгорании которой в горизонтальной плоскости зоны нахождения людей на заданной высоте от пола помещения значения ОФП достигнут критических для жизни и здоровья людей значений.
В параграфе 2.4 настоящей работы уравнения, описывающие изменение со временем параметров состояния газовой среды в зрительном зале в зависимости от массы сгоревших декораций, представлены в виде формул (2.29) +- (2.32). Для определения критической массы горючего материала (декораций) на сцене Мкр формулы (2.29) - (2.32) можно представить в виде следующих зависимостей:
