Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ теоретических и экспериментальных работ по оценке влияния длительности эксплуатации деревянных конструкций на свойства древесины 12
1.1 Влияние продолжительности эксплуатации на физические, физико химические и механические свойства древесины 12
1.2 Пожарная опасность и поведение древесины длительного срока эксплуатации в условиях пожара 39
1.3 Нормативное применение деревянных конструкций в строительстве и подходы к оценке их огнестойкости 46
1.4 Цель и задачи исследования 54
ГЛАВА 2 Объекты и методы исследования 55
2.1 Объекты исследования 55
2.2 Методы исследования 56
ГЛАВА 3 Исследование влияния длительности эксплуатации деревянных конструкций на механические характеристики древесины и ее устойчивость к воздействию пожара 68
3.1 Изменение физико-механических характеристик древесины длительного срока эксплуатации в условиях нагрева 68
3.2 Исследование процесса обугливания деревянных конструкций различного срока эксплуатации методами термического анализа 71
ГЛАВА 4 Исследование процесса обугливания деревянных конструкций длительного срока эксплуатации в условиях нагрева 91
4.1 Характеристики процесса обугливания деревянных конструкций различного срока эксплуатации 91
4.2 Изучение структуры и теплофизических характеристик угольных слоев древесины длительного срока эксплуатации 95
ГЛАВА 5 Исследование влияния длительного срока эксплуатации на огнестойкость деревянных конструкций 104
5.1 Изучение интенсивности прогрева деревянных конструкций длительного срока эксплуатации в условиях стандартного температурного режима пожара 104
5.2 Исследование влияния срока эксплуатации на значение пределов огнестойкости деревянных конструкций 112
5.3 Расчетная оценка пределов огнестойкости деревянных конструкций различного срока эксплуатации 119
5.3.1 Расчет фактического предела огнестойкости несущей деревянной балки современной и несущей деревянной балки сроком эксплуатации 150 лет (церковь Николая Чудотворца, Брянская область) 120
5.3.2 Исходные данные для расчета фактического предела огнестойкости несущих деревянных балок музея Малика Габдуллина 124
Заключение 127
Список литературы
- Пожарная опасность и поведение древесины длительного срока эксплуатации в условиях пожара
- Исследование процесса обугливания деревянных конструкций различного срока эксплуатации методами термического анализа
- Изучение структуры и теплофизических характеристик угольных слоев древесины длительного срока эксплуатации
- Расчетная оценка пределов огнестойкости деревянных конструкций различного срока эксплуатации
Введение к работе
Актуальность работы. Деревянные конструкции (ДК) остаются одними
из наиболее применяемых и востребованных при строительстве зданий и
сооружений жилого, общественного, производственного, складского,
животноводческого и сельскохозяйственного назначения. Наиболее
динамичное развитие строительной индустрии с применением строительных
конструкций из древесины наблюдается в России, бывших странах СНГ, ряде
Европейских стран, Австралии, Японии, Канаде и США. Во многом это
объясняется эстетичностью, относительно высокой механической
прочностью, устойчивостью этих конструкций к воздействию внешней окружающей среды.
Уникальными примерами долговечности ДК служат такие здания и сооружения как: Гринстедская церковь (Гринстед, Эссекс, Великобритания, 1045 г.), церковь Воскрешения Лазаря (Кижи, Архангельская область, 1391 г.), церковь Святого Николая Чудотворца в Колодном (Закарпатье, Украина, 1470 г.), Успенская церковь (с. Нелазкое, Вологодская область, 1694 г.), Михаило-Архангельский собор (г. Уральск, Республика Казахстан, 1750 г.) и др.
Вместе с этим, необходимо свидетельствовать о существовании в мире огромного жилищного и общественного фонда, преимущественно здания довоенного периода (срок эксплуатации 100 – 150 лет), а также жилых зданий первой половины 50-х годов ХХ века. Учитывая значимость подобных объектов в культурно-историческом и жилищно-коммунальном плане, со стороны ведомств культуры, Всемирной организации Юнеско, строительных надзорных органов ведется постоянный мониторинг за техническим состоянием этих зданий и сооружений.
Кроме этого, в последние десятилетия большое внимание научного сообщества было обращено на изменение качественных характеристик древесины в результате продолжительной эксплуатации ДК зданий и сооружений. Это работы таких ученых как Варфоломеев А.Ю., Варфоломеев Ю.А., Гусев Б.П., Кескюлла Т.Э., Кистерная М.В., Ковальчук Л.М., Окамото К., Пищик И.И., Стрельцов Д.Ю., Терентьев В.Я., Фефилов В.В., Фукада Е., Шаповалова Л.Г. и других. В этих работах показано значительное влияние длительного естественного старения на физико-химические, механические и другие свойства древесины в результате трансформации ее структуры и химических превращений, происходящих в древесном материале.
Несмотря на это, в настоящее время нерешенной остается научная проблема изучения влияния продолжительного естественного старения на пожароопасные свойства древесины. Анализ происшедших пожаров свидетельствует о необычном поведении объектов продолжительного срока эксплуатации с ДК в условиях воздействия высоких температур. Наиболее характерными особенностями таких пожаров являются: аномально высокая температура, быстрое развитие пожара и высокая степень термического повреждения конструкций. Примерами деревянных объектов со сроком эксплуатации 100 и более лет, утраченных в результате разрушительных
пожаров, являются такие как: Костел Святой Катерины (Острава, Чехия, 1543 год), церковь Богоявления (Воскресенский монастырь Нового Иерусалима (Московская область, 1673 г.), церковь Спаса на сваях (Ипатьевский монастырь, г. Кострома, 1713 г.), церковь Покрова Пресвятой Богородицы (Узденский район, Минская область, Республика Беларусь, 1898 г.), дом тканей «Кызыл-Тан» (г. Алматы, республика Казахстан, 1912 г.) и десятки других исторических объектов.
Изучению нестандартного поведения в условиях пожара деревянных конструкций длительного строка эксплуатации и их пожарной опасности были посвящены немногочисленные работы таких ученых как: Альменбаев М.М., Асеева Р.М., Нагановский Ю.К., Покровская Е.Н., Серков Б.Б., Сивенков А.Б. и других. В этих работах авторами были получены результаты, свидетельствующие о возможном повышении пожарной опасности ДК с увеличением срока их эксплуатации. Вместе с тем, одним из главных требований, которые предъявляются к ограждающим и несущим ДК, является обеспечение нормативных показателей огнестойкости. Снижение несущей способности элементов и узлов ДК, выраженной пределом огнестойкости, обусловлено изменением в условиях пожара прочностных и геометрических характеристик сечений конструкции.
Однако, как изменяются особенности процесса обугливания,
определяющего потерю несущей способности и огнестойкость ДК в результате их длительной эксплуатации, остается не изученным. Отсутствие научных исследований в этом направлении определяют актуальность диссертационной работы.
Цель работы – исследовать влияние длительного срока эксплуатации на огнестойкость ДК с учетом особенностей процесса обугливания, сопровождающего потерю их несущей способности в условиях пожара.
Указанная цель предопределила следующие задачи исследования:
- выявить эксплуатационные показатели деревянных конструкций,
влияющие на их огнестойкость;
- установить количественные взаимосвязи эксплуатационных
показателей деревянных конструкций с показателями их огнестойкости, на
основе исследования процессов пиролиза и термоокислительного разложения
древесины различного срока эксплуатации;
- изучить особенности обугливания ДК различного срока эксплуатации –
главного процесса, определяющего их огнестойкость, особенности
формирования структуры обугленного слоя этих ДК при пожаре;
- исследовать влияние длительности эксплуатации ДК на параметры
необходимые для расчетной оценки огнестойкости ДК, в т.ч. их скорости
обугливания, а также на их механические, физические и теплофизические
свойства в условиях пожара;
- провести огневые испытания по определению предела огнестойкости
деревянных конструкций продолжительного срока эксплуатации в
соответствии с ГОСТ 30247.0-94 «Конструкции строительные. Методы
испытаний на огнестойкость. Общие требования» и ГОСТ 30247.1-94
«Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции» с оценкой времени прогрева конструкции, времени воспламенения и параметров обугливания.
Объектом исследования являются ДК различного срока эксплуатации.
Предмет исследования: особенности процесса обугливания и огнестойкость ДК различного срока эксплуатации в условиях пожара.
Научная новизна работы:
- изучено влияние продолжительности эксплуатации на огнестойкость
ДК. Установлен новый, ранее не учитываемый в нормативных документах и
оценках огнестойкости, вид опасности – снижение огнестойкости
деревянных конструкций длительного срока эксплуатации;
- доказано, что снижение огнестойкости деревянных конструкций в
результате их длительной эксплуатации (до 150 лет) обусловлено
значительным повышением скорости обугливания древесины (в 1,5 – 2 раза),
а также потерей своих первоначальных механических свойств при
температуре 80 С и выше;
- исследованы особенности пиролиза и термоокислительного
разложения древесины длительного срока эксплуатации, определены
кинетические параметры процесса окисления угольного остатка исследуемых
образцов древесины;
установлено, что начало интенсивного пиролиза и обугливания ДК с увеличением срока эксплуатации смещается в область низких температур. При этом происходит образование коксового слоя с упорядоченной и мелкопористой структурой, характеризующегося высокой окислительной и теплотворной способностью;
определены теплофизические характеристики древесины длительного срока эксплуатации по результатам огневых испытаний.
Практическая ценность работы:
- полученные значения скоростей обугливания при различных
температурных режимах, а также значения температуры и времени начала
процесса обугливания используются в расчетных методиках оценки предела
огнестойкости ДК;
- полученный комплекс экспериментальных значений показателей
пожарной опасности и огнестойкости ДК расширяет базу данных, которые
необходимы для моделирования динамики развития пожара, оценки
нарастания опасных факторов пожара (ОФП) в зданиях и сооружениях
различных классов функциональной пожарной опасности;
- показана взаимосвязь результатов, полученных методом
термогравиметрического анализа (ТГ, ДТГ) и дифференциально-
сканирующей калориметрии (ДСК) с интенсивностью процесса обугливания
– главного процесса, сопровождающего потерю несущей способности
деревянных конструкций. Это позволяет проводить прогнозную оценку
огнестойкости ДК продолжительного срока эксплуатации в зданиях и
сооружениях;
разработана методика оценки параметров обугливания деревянных конструкций в условиях стандартного температурного режима пожара. Расхождение результатов измерений скорости обугливания образцов ДК на лабораторной огневой печи и стандартной огневой установке составляет не более 15 %;
проведена расчетная оценка огнестойкости существующих зданий и сооружений длительного срока эксплуатации в Российской Федерации и Республике Казахстан с использованием новых экспериментальных данных по огнестойкости ДК.
Практическая реализация результатов работы.
- результаты диссертации использованы в нормативном документе
Российской Федерации своде правил СП 64.13330.2011. Деревянные
конструкции (актуализированная редакция СНиП II-25-80);
- результаты диссертационной работы были использованы на
предприятии ООО «Пожарная безопасность» при оценке огнестойкости
объектов с деревянными конструкциями длительного срока эксплуатации;
- результаты исследования были использованы при оценке
огнестойкости деревянных конструкций длительного срока эксплуатации и
уточнении пожарной обстановки на объектах деревянного зодчества в
Республике Казахстан;
- результаты исследования используются в Академии государственной
противопожарной службы МЧС России и Кокшетауском техническом
институте КЧС МВД Республики Казахстан при чтении курса лекций по
дисциплине «Пожарная безопасность строительных материалов и
конструкций», а также при написании учебно-методических материалов и
учебного пособия по данной дисциплине;
- полученные показатели огнестойкости деревянных конструкций
различного срока эксплуатации использованы при оценке оперативной
обстановки и последствий пожаров, а также при разработке рекомендаций по
тушению пожаров на объектах длительного срока эксплуатации в Российской
Федерации;
- диссертационная работа была выполнена в соответствии с планами
научной работы Кокшетауского технического института КЧС МВД
Республики Казахстан (2014, 2015 гг.).
Апробация работы. Основные положения проведенных исследований были доложены и обсуждены на следующих конференциях и семинарах: V международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности, предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций» Кокшетауский технический институт МЧС Республики Казахстан, г. Кокшетау, (2014); IV международной научно-практической конференции молодых ученых «Проблемы техносферной безопасности – 2015», г. Москва, (2015); V международной конференции-школы по химии и физикохимии олигомеров «Олигомеры – 2015», г. Волгоград, (2015); VI международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности, предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций»,
Кокшетауский технический институт МЧС Республики Казахстан, г. Кокшетау, Республика Казахстан, (2015); V международной научно-практической конференции молодых ученых «Проблемы техносферной безопасности – 2016», г. Москва, (2016).
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием стандартных методов исследования и методов огневых испытаний в аккредитованных лабораториях Академии ГПС МЧС России и АНО по сертификации «Электросерт», значительным объемом экспериментальных результатов с применением современных методов их обработки и метрологически аттестованной контрольно-измерительной аппаратуры.
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты исследования особенностей пиролиза и
термоокислительного разложения древесины различного срока эксплуатации,
а также процесса обугливания методами термического анализа;
свойства и особенности структуры угольных слоев древесины различного срока эксплуатации;
результаты оценки влияния продолжительности эксплуатации на физические, теплофизические и механические показатели деревянных конструкций в условиях высокотемпературного нагрева (пожара);
параметры обугливания деревянных конструкций при воздействии различных температурных режимов пожара;
результаты экспериментальной оценки огнестойкости деревянных конструкций длительного срока эксплуатации при стандартном температурном режиме пожара в соответствии с ГОСТ 30247.0-94 и ГОСТ 30247.1-94.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в виде 12 научных статей, в том числе 7 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 109 наименований и 3 приложений. Работа изложена на 141 странице машинописного текста, содержит 60 рисунков и 23 таблицы.
Пожарная опасность и поведение древесины длительного срока эксплуатации в условиях пожара
Изучение особенностей физико-химических превращений, протекающих в древесном комплексе во времени и приводящих к значительному изменению его свойств, является традиционным предметом исследований в области древесиноведения.
До сих пор четкая взаимосвязь между условиями и длительностью эксплуатации древесины с химическим и элементным составом, а также с ее структурой не установлена. Имеются немногочисленные результаты исследований, связанные со сравнительным анализом вышеуказанных физико химических параметров различных пород древесины в зависимости от климатогеографических зон их произрастания. Использование данных результатов имеет ценное практическое значение, например, для производства материалов на основе древесины и целлюлозы.
В последнее время подобные исследования приобретают все большую актуальность и практическую значимость для обеспечения долговечности конструкций из древесины при проведении работ по реконструкции памятников деревянного зодчества [1, 2, 3]. Результаты данных исследований позволяют определить оптимальные и эффективные консервационные условия для повышения долговечности ДК. В прошлом столетии на базе научно-исследовательских, учебных, научно-производственных учреждений был создан ряд научных отечественных школ по данному направлению. Это такие ведущие организации как: - Институт химии древесины АН Латвийской ССР (Эриньш П.П. и др.). - Сенежская лаборатория консервации древесины (г. Солнечногорск,
Московская область) (Миллер В.В., Вакин А.Т., Горшин С.Н., Максименко Н.А., Максименко С.А. и др.). - Северный федеральный университет (г. Архангельск) (Варфоломеев Ю.А., Кистерная М.В., Шаповалова Л.Г. и др.). - Московский государственный университет леса (Уголев Б.Н., Перелыгин Л.М., Пищик И.И.). - Московский государственный строительный университет (Покровская Е.Н. и ее ученики). - Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций им. Кучеренко В.А. (Ковальчук Л.М., Стрельцов Д.Ю., Варфоломеев А.Ю. и др.). - Белорусский технологический институт им. С.М. Кирова (Казанская С.Ю., Вихров Ю.В., Гольман Л.П. и др.). - Санкт-Петербургская лесотехническая академия им. С.М. Кирова (Москалева В.Е. (1962 г.), Исаева Т.И., Брюханова Н.К. (1969 г.), Фефилов В.В., Бурковская Ю.И. (1971 г.), Никитин М.К., Ошкаев А.Х. (1992 г.), Козлов В.Л., Крутов В.И. (1996 г., 2000 г.), Терентьев В.Я. (1998 г.), Гусев Б.П. (1999 г.) и др.). Среди зарубежных ученых, внесших весомый вклад в развитие рассматриваемого направления, можно отметить таких как: Окамото (1955 г.), Фукада Е. (1965 г.), Кескюлла Т.Э. (1986 г.), Фенгел Д., Вегенер Г. (1988 г.), Патон, Хирман (60 – 70-е годы XX века), Эриксон (90-е годы XX века), Витинен Н. (90-е годы XX века) и ряд других ученых.
По результатам работы данных научных школ получено следующее: - установлено, что в основе процесса старения древесины лежит процесс гидролиза; - изучены кинетические параметры химических реакций, протекающих в древесине длительного естественного старения; - исследовано строение и деструкция лигноуглеводной матрицы древесины естественного старения; - сформированы основы обеспечения долговечности деревянных конструкций; - изучены некоторые свойства (физические, механические, акустические, пьезоэлектрические и др.) древесины длительного естественного старения; - выявлены сложные нелинейные закономерности изменения физико-химических и механических свойств во время продолжительного естественного старения древесины; - разработаны эффективные препараты (антисептики (биоциды), фунгициды и т.д.) для повышения долговечности деревянных конструкций; - разработаны различные технические конструктивные решения для повышения длительности эксплуатации объектов из древесины.
Исследования процесса естественного старения древесного композита свидетельствуют о том, что в нем происходят существенные физико-химические изменения, оказывающие влияние на его эксплуатационные характеристики. Так было показано [3, 4], что влияние длительности эксплуатации древесины на эти характеристики является цикличным и состоит из двух симметричных ветвей: восходящей и нисходящей. Для хвойных разновидностей древесины временной цикл составляет 200 лет, для лиственных пород – 260 лет.
Естественное старение полимерных материалов можно рассматривать как совокупность физико-химических процессов, протекающих в материале при хранении, переработке, эксплуатации и приводящих к изменению его свойств. При этом имеет место уменьшение степени полимеризации или молекулярной массы полимера. По своей сущности процесс старения полимерных материалов представляет собой деструктивное явление при воздействии различных факторов, приводящее к структурным и химическим изменениям полимера. В зависимости от того, какой из факторов преобладает, различают термическое, фотохимическое, механохимическое, радиационное, гидролитическое, биологическое старение. В зависимости от места разрыва химических связей различают деструкцию в основных и боковых цепях макромолекулы полимера [5]. Известны химические и физические факторы старения полимерных материалов. Химические превращения обычно протекают по механизму цепных реакций с образованием активных центров – свободных радикалов, ионов, электронно-возбужденных частиц по трем основным стадиям: инициирование, развитие процесса и гибель активных центров. Наиболее распространенные типы химических превращений при старении полимеров – это процессы, приводящие к разрыву химических связей, сшиванию и т.д. К физическим превращениям можно отнести физическую обработку материала, длительное воздействие нагрузки, удаление отдельных компонентов материала, приводящие к изменению его прочностных свойств, плотности, объема, возникновению механических напряжений [6].
Исследование процесса обугливания деревянных конструкций различного срока эксплуатации методами термического анализа
В проведенных работах, к сожалению, оценка кинетических параметров для основной термического разложения стадии и стадии окисления кокса древесины длительного естественного старения не проводилась. Однако, имеются исследования направленные на установление влияния искусственного старения древесины на изменение окислительной способности образующегося кокса [34]. Установлено, что максимальное значение энергии активации окисления кокса современной древесины березы (540 кДж/моль) проявлялось при степени превращения кокса 60 %, тогда как у кокса состаренной древесины энергия активации снижается до 290 кДж/моль при той же степени превращения. Для кокса древесины березы, подвергнутой искусственному старению, эффективная энергия активации окислительных процессов была значительно меньше, чем для современной древесины березы [34].
Динамика старения древесины в естественных и искусственных условиях зависит от разновидности древесины. Это сказывается на изменении химического состава и свойствах материала в целом. Особый интерес представляет вопрос, как изменяются в результате старения такие характеристики пожарной опасности древесины, как показатели воспламеняемости, массовая скорость выгорания, скорость тепловыделения и дымообразующая способность при горении, токсичность продуктов горения.
Установлено, что с увеличением эксплуатационного возраста древесины увеличиваются время задержки воспламенения материала и критическая поверхностная плотность теплового потока. Одновременно с этим наблюдается уменьшение максимальной массовой скорости выгорания, косвенно отражающей тепловыделение материала при огневом воздействии [34].
Максимальная массовая плотность дыма исследуемых образцов древесины различного срока эксплуатации сложным образом зависит от плотности внешнего радиационного теплового потока. Коэффициент дымообразования сначала растет с повышением интенсивности теплового воздействия до 20 кВт/м2, а затем уменьшается. Экстремум на кривых изменения коэффициента дымообразования от величины внешнего теплового потока обусловлен самовоспламенением образцов. Положение экстремума соответствует значению критической плотности теплового потока, ниже которого пламенный процесс горения древесины без инициирующего источника зажигания не реализуется.
Сосна естественного старения претерпевает достаточно глубокие изменения, приводящие к трансформации структуры и содержания основных компонентов древесины и, соответственно, к изменению коэффициента дымообразования. В отдельности основные компоненты древесины характеризуются различным дымообразованием.
В работе [35] было установлено, что наибольшей дымообразующей способностью обладает целлюлоза (1000 м2/кг). Коэффициент дымообразования ароматической составляющей – лигнина равен 550 м2/кг. Дымообразующая способность древесины в целом должна определяться способностью к дымообразованию отдельных ее компонентов. Показано [35], что коэффициент дымообразования при горении древесины в режиме тления составляет 700 м2/кг. В зависимости от эксплуатационного возраста древесины сосны максимальный коэффициент дымообразования изменяется по сложной синусоидальной кривой, подобно тому, как было найдено в случае изменения объемной массы (кажущейся плотности) древесины. Наименьшим коэффициентом дымообразования обладает древесина после эксплуатации в течение 150 и 300 лет. Это согласуется с предсказаниями, сделанными в работах [4, 13]. Подобный характер изменения дымообразующей способности установлен в результате огневых испытаний древесины ели с продолжительностью эксплуатации до 150 лет. Снижение дымообразующей способности древесины ели в результате е естественного старения в течение 150 лет во многом обусловлено изменением химического состава древесины, в частности, повышением содержания лигнина. Лигнин в силу своей ароматической природы химического строения обладает повышенной способностью к карбонизации и выходу нелетучего коксового остатка при разложении. Это объясняет снижение способности к образованию дыма при горении ели и сосны после длительной эксплуатации и старения в течение 150 лет.
Цикличный характер изменения пожароопасных свойств древесины удалось зафиксировать на примере коэффициента дымообразования при тлеющем горении образцов древесины сосны, исследуемых после длительного естественного старения в течение почти 400 лет. В результате наблюдаются заметные изменения объмной массы (кажущейся плотности) и химического состава древесины. Процессы длительного старения древесины характеризуются цикличностью. Цикл состоит из двух симметричных ветвей: нисходящей и восходящей. На нисходящей ветви происходит уменьшение регистрируемого физико химического показателя древесины – объемной массы и содержания легкогидролизных и экстрагируемых компонентов. На восходящей – увеличение объмной массы древесины вследствие усадки [4].
Проведенный анализ теоретических и экспериментальных работ в области изучения пожарной опасности древесины длительного срока эксплуатации свидетельствует о возможности значительного повышения пожарной опасности деревянных конструкций. Важные экспериментальные результаты, направленные на расширение понимания поведения древесины, материалов и конструкций длительного срока эксплуатации в условиях пожара, были получены сотрудниками и адъюнктами кафедры пожарной безопасности в строительстве Академии государственной противопожарной службы [36 – 46]. В большей степени исследования проводились на небольших образцах с использованием современных стандартных физико-химических и пожарно-технических методов.
Результаты исследования свидетельствуют о возможном повышении или снижении показателей пожарной опасности древесины в определенные периоды времени ее эксплуатации. Так было показано, что со временем эксплуатации древесины может повышаться ее устойчивость к воспламеняемости, дымообразующая способность, однако вместе с этим повышается ее теплотворная способность, характеристики тепловыделения и степень термического повреждения исследуемых образцов, выраженной обугливанием древесного материала. Известно, что обугливание древесины является одним из важных факторов, определяющих огнестойкость деревянных конструкций и сооружений.
Обугливание древесины в различных пожарных ситуациях до сих пор является предметом многочисленных исследований. Параметры процесса обугливания древесины при пожаре и свойства обугленного слоя представляют большой практический интерес. Обычно процесс обугливания древесины при огневом воздействии характеризуют такими параметрами, как скорость обугливания, толщина (глубина) обугленного слоя и его усадка, реже – скоростью потери массы. Параметры обугливания древесины и материалов на ее основе зависят от условий огневого воздействия. Именно условия внешнего воздействия тепла и огня определяют режим нагрева материала, скорость его пиролиза и обугливания. Для сравнения поведения древесины разных пород и материалов на ее основе по параметрам обугливания используют разные стандартные методы. В частности, методы, в которых реализуются следующие режимы: стандартный температурно-временной пожар; действие внешнего радиационного теплового потока постоянной плотности; действие окружающей среды с постоянной температурой.
Изучение структуры и теплофизических характеристик угольных слоев древесины длительного срока эксплуатации
С целью подтверждения интенсификации процесса обугливания для древесины длительного естественного старения были проведены огневые испытания при одностороннем нагреве на установке по определению воспламеняемости строительных материалов по ГОСТ 30402-96 и на экспериментальной лабораторной установке. Продолжительность испытаний составила 30 минут. Образец крепился с помощью специального держателя в виде рамки. Для измерения температуры были использованы лепестковые термопары типа хромель – алюмель. Испытания проводились для каждой серии на 3-х образцах, имеющих форму квадрата, со стороной 150 мм. Толщина образцов составляла 30 – 40 мм. Кроме этого, огневые испытания также проводились на образцах деревянных балок сечением 150х150 мм и длиной 1,5 метра.
В таблице 4.1 представлены результаты оценки параметров обугливания (толщина угольного слоя (к), скорость обугливания (v), плотность угольного остатка (к), время начала пламенного или беспламенного (тлеющего) горения (0) исследуемых образцов на лабораторной установке в условиях стандартного температурного режима пожара [96, 97].
Результаты, представленные в таблице 4.1, свидетельствуют о том, что при увеличении срока эксплуатации деревянных конструкций наблюдается интенсификация процесса обугливания. Так в условиях стандартного температурного воздействия для деревянных конструкций сроком эксплуатации 150 лет (церковь Николая Чудотворца, Брянская область) скорость обугливания по сравнению с современной древесиной повышается в 2,6 раза. Для образцов древесины длительного срока эксплуатации повышается время начала пламенного горения в 1,2 – 2,3 раза при огневых испытаниях на лабораторной установке.
Плотность образующегося угольного остатка с увеличением срока эксплуатации древесины значительно снижается. Это может свидетельствовать о том, что образующийся угольный слой обладает развитой пористой структурой и более низкими теплофизическими характеристиками по сравнению с образцами современной древесины. Образование подобных угольных структур, наряду с уменьшением количества легколетучих компонентов в древесине продолжительного естественного старения, приводит к повышению устойчивости материала к воспламеняемости. Для всех исследуемых образцов древесины длительного срока эксплуатации повышается время начала пламенного горения.
На рисунке 4.1 представлены фотоснимки поверхности исследуемых образцов древесины после огневых испытаний на маломасштабной огневой печи в условиях стандартного температурного режима пожара.
Фотоснимки поверхности образцов древесины после огневых испытаний на маломасштабной установке: а) – древесина сосны (Архангельская область); б) – древесина сосны (1890 год), элементы деревянного перекрытия, театр кукол «Гулливер», г. Курган, ул. Советская, д. 104; в) – древесина сосны (1865 год), церковь Николая
Чудотворца, Брянская область Из представленных фотоснимков видно, что для современной древесины сосны характерно значительное обугливание с образованием глубоких усадочных трещин. Для образцов длительного срока эксплуатации, наряду с высокой степенью термического повреждения, характерны «следы» переугливания верхних карбонизованных структур вследствие их высокой окислительной активности, интенсивного тепловыделения и создания высокотемпературного поля в зоне пиролиза поверхностного слоя. Эти особенности процесса обугливания, свойства и структура угольного слоя являются определяющими при рассмотрении поведения деревянных конструкций длительного срока эксплуатации в условиях пожара и их огнестойкости. Результаты оценки значений плотности древесины свидетельствуют о том, что при увеличении срока эксплуатации деревянных конструкций наблюдается повышение значения данного физического показателя, обусловленное удалением в процессе эксплуатации экстрагируемых компонентов и легколетучих фракций из древесины, усушкой и трансформацией морфологической структуры древесного субстрата. Однако, при анализе плотности карбонизованных остатков, образующихся при воздействии на образцы стандартного температурного режима пожара, наблюдается снижение плотности кокса. Это может свидетельствовать о значительном изменении структуры карбонизованного слоя для древесины длительного естественного старения.
При испытании на установке по оценке воспламеняемости был выбран изотермический режим нагрева при воздействии плотности теплового потока 20 кВт/м2 – пограничный режим между допламенным режимом и пламенным горением. Полученные результаты свидетельствуют о том, что даже при отсутствии пламенного горения происходило активное обугливание образцов (таблица 4.2).
Для древесины с увеличением срока эксплуатации скорость обугливания возрастала на 30 – 40 %. Интересно отметить, что визуальное время начала беспламенного (тлеющего) горения, выраженного характерным свечением, для древесины естественного старения началось значительно раньше, фактически на 2-ой минуте, что свидетельствует о более раннем обугливании по сравнению с обычной древесиной.
Расчетная оценка пределов огнестойкости деревянных конструкций различного срока эксплуатации
По полученным данным прогрева образцов древесины была проведены теплотехнические расчеты по оценке теплофизических характеристик образующегося коксового остатка исследуемых образцов. При сравнительном анализе значений коэффициентов теплопроводности можно сделать вывод, что продолжительность эксплуатации древесины оказывает значительное влияние на теплофизические свойства материала при горении древесины. Интересно отметить, что для образующегося карбонизованного слоя древесины длительной эксплуатации значения коэффициентов теплопроводности древесины ниже, чем для образцов современной древесины.
Для угольного слоя современной древесины коэффициент теплопроводности составил 0,1 Вт/мК, а для древесины со сроком эксплуатации 150 лет – 0,03 Вт/мК. Это можно связать со структурными особенностями древесины продолжительного срока эксплуатации, а также с особенностями формирования мелкоячеистого угольного слоя и его теплоизолирующими свойствами. Применение метода электронной микроскопии позволило установить образование аналогичной структуры карбонизованных остатков, характерной для образцов угольных слоев, полученных при огневых испытаниях на лабораторной установке.
В целом, значительное снижение предела огнестойкости деревянных конструкций с увеличением срока их эксплуатации до 150 лет (в 2,2 раза) обусловлено повышением скорости обугливания конструкций, снижением температурных показателей процесса карбонизации и потери первоначальных механических характеристик древесины, а также повышением окислительной и теплотворной способности образующегося карбонизованного слоя.
Для проведения расчетной оценки пределов огнестойкости деревянных конструкций длительного срока эксплуатации необходимо учитывать следующее: - временное сопротивление при испытаниях в условиях нагружения А (таблица В.1 СП 64.13330.2011) при влажности древесины 12 % по ГОСТ на соответствующие виды испытания для древесины сосны со сроком эксплуатации 100 – 150 лет может быть установлено 50 – 70 МПа для сжатия вдоль волокон в зависимости от вида конструкции, особенностей ее нагружения и условий эксплуатации. При температуре 250 С временное сопротивление сжатию вдоль волокон древесины длительного срока эксплуатации (до 150 лет) снижается на 60 % по сравнению с начальными показателями прочности. - плотность хвойной породы древесины сосны (срок эксплуатации 100 – 150 лет) принимается 600 – 650 кг/м3 (при влажности 12 %). - температура начала обугливания древесины длительного срока эксплуатации (срок эксплуатации 150 лет) составляет 250 С. - условную скорость обугливания (скорость перемещения фронта обугливания), включающая влияние угловых закруглений, для конструкций из древесины хвойных пород необходимо устанавливать в зависимости от срока эксплуатации: 50 лет – 0,8 мм/мин, 80 лет – 0,9 мм/мин, 125 лет – 1,1 мм/мин, 150 лет – 1,2 мм/мин. - вследствие неравномерного распределения температур по сечению древесины за фронтом обугливания, при определении геометрических размеров сечения в любой момент времени огневого воздействия следует исключить слой перегретой выше 80 С древесины длительного срока эксплуатации с учетом угловых закруглений толщиной 12 мм. - в условиях стандартного температурного режима пожара время воспламенения деревянных конструкций длительного срока эксплуатации (100 – 150 лет) в 1,2 раза выше, чем для современных конструкций из древесины и может быть принято 6,5 минут.
Расчетная оценка пределов огнестойкости деревянных конструкций различного срока эксплуатации Предельное состояние элемента деревянной конструкции в случае достижения нормальными (касательными) напряжениями от нормативной нагрузки значения, величины нормируемой прочности (расчетного сопротивления) или снижения несущей способности до величины внутреннего силового фактора. Расчет огнестойкости несущих деревянных конструкций проводится по нормальным и касательным напряжениям. Снижение в условиях пожара геометрических характеристик сечения приводит к тому, что нормальные и касательные напряжения увеличиваются [105 – 108].
Предельное состояние деревянной конструкции определяется следующими равенствами: f(f) = Rf (5.1) Мf(Nf) = Мn(Nn) (5.2) где f(f) - нормальные (касательные) напряжения в расчетном сечении от действия нормативных нагрузок, Rf – расчетное сопротивление для определения предела огнестойкости определяется по СП 64.13330.2011 Деревянные конструкции, Мf(Nf) – несущая способность элемента или конструкции, Мn(Nn) – силовые факторы в расчетном сечении от действия нормативных нагрузок.
Расчет фактических пределов огнестойкости деревянных конструкций основан на следующих допущениях: нагрев деревянных конструкций происходит по режиму «стандартного» пожара; в горизонтальном и вертикальном направлениях сечения элемента древесина обугливается с постоянной скоростью; температура в различных точках необугленного сечения деревянного элемента принимается равной 80 С; прочностные, упругие и теплофизические характеристики во всех точках необугленной части сечения принимаются одинаковыми; радиус закругления узлов прямоугольного сечения r принимается равным расчетной глубине обугливания Z.