Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. цель и задачи исследований 14
1.1. Причины возникновения пожаров и пути распространения их опасных факторов в зданиях различного функционального назначения. 14
1.2. Анализ противопожарных требований по применению кровельных материалов и конструкций кровельных покрытий в зданиях . 19
1.3. Анализ методов огневых испытаний по оценке пожарной опасности кровельных материалов и конструкций кровельных покрытий зданий. 38
1.4. Постановка исследований. 64
Глава 2. Исследование процесса распространения пламени по поверхности твердых горючих материалов 67
2.1. Анализ теоретических моделей распространения пламени по поверхности твердых горючих материалов. 67
2.2. Математическая модель распространения пламени по наклонной поверхности твердого горючего материала с набегающим потоком воздуха . 84
Глава 3. Разработка экспериментального крупномасштабного метода по определению и прогнозированию пожарной опасности конструкций кровельных покрытий зданий 102
3.1. Обоснование исходных параметров для разработки экспериментального крупномасштабного метода по определению и прогнозированию пожарной опасности конструкций кровельных покрытий зданий. 102
3.2. Экспериментальный крупномасштабный метод исследования по определению и прогнозированию пожарной опасности конструкций кровельных покрытий зданий . 105
3.3. Метод по определению критической поверхностной плотности теплового потока распространения пламени по поверхности строительных материалов. 114
3.4. Метод испытания строительных материалов на воспламеняемость. 122
Глава 4. Результаты экспериметальных исследованийваний по определению и прогнозированию пожарной опасности кровельных материалов и конструкций кровельных покрытий зданий 129
4.1. Результаты исследований по определению показателей пожарной опасности кровельных материалов и конструкций кровельных покрытий зданий. 129
4.2. Схема противопожарного нормирования и предложения по применению кровельных материалов и конструкций кровельных покрытий в жилых, административных общественных зданиях 165
4.3. Практическое использование результатов работы. 172
Основные выводы 174
Список использованной литературы 177
Приложение 1 185
Приложение 2 202
- Анализ противопожарных требований по применению кровельных материалов и конструкций кровельных покрытий в зданиях
- Математическая модель распространения пламени по наклонной поверхности твердого горючего материала с набегающим потоком воздуха
- Экспериментальный крупномасштабный метод исследования по определению и прогнозированию пожарной опасности конструкций кровельных покрытий зданий
- Схема противопожарного нормирования и предложения по применению кровельных материалов и конструкций кровельных покрытий в жилых, административных общественных зданиях
Введение к работе
Обеспечение пожарной безопасности при строительстве и реконструкции зданий является важной задачей в государственной деятельности. В современном строительстве зданий широкое распространение получили конструкции кровельных покрытий (далее - конструкции покрытий), в которых применяются: негорючие теплоизоляционные материалы - минераловатные плиты и маты с низким содержанием органического связующего; горючие теплоизоляционные материалы на основе пенополистирола, пенополиуретана, феноль-ных пенопластов; горючие гидроизоляционные кровельные материалы и композиции (КМ) - полимерные, битумно-полимерные и наплавляемые неармиро-ванные и армированные, рубероиды. Несмотря на высокую индустриализацию строительных работ, проводимых при монтаже таких покрытий, применяемые в них КМ пожароопасны. В условиях реальных пожаров скорость распространения пламени по поверхности КМ конструкций покрытий зданий, тепловыделение и дымообразование весьма высоки [1]. Горение КМ и горючих утеплителей нередко вызывает деформации их несущих элементов и проникновение в образующиеся при этом неплотности внутрь зданий жидких текучих горящих фракций расплава, создавая опасность распространения огня внутри зданий и обрушения покрытий.
В настоящее время согласно положениям СНиП 21-01-97* [2], СНиП II-26-76 [3], НПБ-244-97 [4] оценку пожарной опасности кровельных материалов и их противопожарное нормирование по применению в конструкциях покрытий зданий производят по результатам лабораторных исследований групп горючести и воспламеняемости, критической поверхностной плотности распространения пламени по поверхности. Однако как показывает мировой опыт, для более полной оценки пожарной опасности КМ и последующего их нормирования, этих лабораторных методов исследований явно недостаточно. Условия их проведения и оборудование испытательных установок позволяют определять
только качественные сравнительные характеристики исследуемых материалов
J^ и не позволяют моделировать условия пожара, проводить реальную оценку их
способности распространять пламя по поверхности в составе конструкций покрытий зданий, прогнозировать их поведение при пожаре и обосновать противопожарные требования по их применению в зависимости от функционального назначения зданий.
Поэтому работы, связанные с исследованием пожарной опасности кон
струкций покрытий зданий с точки зрения определения способности, приме-
**' няемых в них КМ, воспламеняться и распространять пламя по поверхности в
условиях, приближенных к условиям реального пожара с учетом условий их эксплуатации, а также разработка на основании проведенных исследований предложений по противопожарному нормированию их применения в зданиях являются актуальными и перспективными.
Целью настоящей работы является разработка экспериментального
ч крупномасштабного метода определения и прогнозирования пожарной опасно-
* ста конструкций кровельных покрытий зданий с учетом условий их эксплуата-
ции, а также разработка предложений по их противопожарному нормированию.
Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо было решить следующие основные задачи:
выбрать и обосновать параметры для оценки и прогнозирования пожар
ной опасности конструкций кровельных покрытий и определения области их
ах применения в зданиях;
разработать математическую модель процесса распространения фронта пламени по наклонной поверхности твердого горючего материала (ТГМ) с набегающим потоком воздуха;
разработать экспериментальный крупномасштабный метод оценки
способности конструкций кровельных покрытий зданий распространять пламя по поверхности;
разработать и создать испытательную крупномасштабную установку для определения способности конструкций кровельных покрытий распространять пламя по поверхности;
провести лабораторные исследования по определению показателей пожарной опасности КМ и крупномасштабные исследования по определению способности конструкций покрытий распространять пламя по поверхности;
провести аналитическую обработку результатов крупномасштабных исследований распространения фронта пламени по поверхности конструкций кровельных покрытий с помощью параметров разработанной математической модели;
разработать схему противопожарного нормирования по применению КМ и конструкций покрытий в зданиях;
разработать классификацию конструкций кровельных покрытий по пожарной опасности;
разработать предложения по применению КМ и конструкций покрытий в жилых, административных и общественных зданиях.
Объект исследований. В качестве объекта исследований выбраны конструкции кровельных покрытий зданий с рулонными полимерными, битумно-полимерными КМ, рубероидами с пылевидной и крупнозернистой посыпкой, КМ на основе резинотканевых материалов.
Методы исследований. В настоящей работе использованы: математическое моделирование процесса распространения пламени по наклонной поверхности ТГМ с набегающим потоком воздуха; математическая обработка данных экспериментальных крупномасштабных исследований по определению способности конструкций кровельных покрытий распространять пламя по поверхности; стандартные методы определения показателей горючести, воспламеняемости, температур воспламенения и самовоспламенения, критической поверхностной плотности распространения пламени.
Предмет исследований - пожарная опасность образцов конструкций кровельных покрытий.
Достоверность полученных результатов подтверждается адекватностью теоретической модели реальным условиям процесса распространения пламени по поверхностям конструкций кровельных покрытий; выбором энергетических, моделируемых при исследовании пожара параметров и критериев оценки пожарной опасности конструкций кровельных покрытий; удовлетворительной точностью экспериментальных методов и измерений; корреляционным анализом результатов, полученных по разработанной и стандартным методикам.
Обоснованность научных положений и выводов, сформулированных в настоящей работе, подтверждены достаточным объемом, исследований, апробацией используемых разработанных математической модели и экспериментальной методики определения пожарной опасности конструкций кровельных покрытий зданий, а также положительным опытом внедрения результатов работы на практике.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана новая методика крупномасштабных исследований пожарной опасности конструкций кровельных покрытий зданий с учетом условий их эксплуатации;
разработана и изготовлена испытательная крупномасштабная установка, позволяющая моделировать условия огневого воздействия на образцы конструкций кровельных покрытий, близкие к условиям возможного реального пожара;
разработана математическая модель процесса распространения фронта пламени по наклонной поверхности ТГМ с набегающим потоком воздуха, в которой в отличие от других известных моделей масштабы длины и времени зависят от плотности потока теплового излучения факела пламени источника огневого воздействия и теплофизических свойств ТГМ;
проведены крупномасштабные исследования по определению пожарной
j опасности 16 видов образцов конструкций покрытий, по результатам обра-
ботки которых определены: критическая плотность теплового потока прекращения распространения пламени по поверхности q*, кВт/м2; изменения во
времени температур в контролируемых точках на поверхности образцов конструкций покрытий - Т„ =/(?), а также между КМ и подложками конструкций покрытий - Т=/(0; изменения пути, проходимого фронтом пламени по поверхностям испытываемых образцов конструкций покрытий, во времени - S =/(0;
получены новые экспериментальные данные по результатам проведенных лабораторных исследований горючести, воспламеняемости, распространению пламени по поверхности, температур воспламенения и самовоспламенения некоторых широко применяемых в конструкциях покрытий зданий теплоизоляционных и гидроизоляционных кровельных материалов;
в результате обработки экспериментальных данных определены виды
tf функции S =/(т)- зависимости безразмерного расстояния распространения
фронта пламени по поверхности КМ образцов конструкций покрытий от безразмерного времени;
разработана новая классификация конструкций покрытий по пожарной опасности;
разработана схема противопожарного нормирования применения КМ и конструкций покрытий в зданиях, в основу которой взят принцип предотвра-
"4*3
щения пожара и ограничения материального ущерба;
разработаны предложения по применению КМ и конструкций покрытий в жилых, административных, общественных зданий в зависимости от их этажности, вида застройки и вида чердачного помещения, а также от показателей пожарной опасности КМ и конструкций покрытий.
Практическая ценность работы.
Решены научно-технические вопросы оценки пожарной опасности кон-струкций кровельных покрытий зданий с учетом условий их эксплуатации, ус-
11 довий огневого воздействия, приближенных к условиям реального пожара, показателей пожарной опасности КМ.
Разработан крупномасштабный метод оценки и прогнозирования пожарной опасности конструкций кровельных покрытий, позволяющий их классифицировать ;
Разработана математическая модель распространения пламени по наклонной поверхности ТГМ с набегающим потоком воздуха. С помощью выявленных безразмерных параметров математической модели установлены зависимости вида функции S =/(т), позволяющие прогнозировать без проведения испытаний величины расстояний распространения пламени по поверхности КМ, аналогичных (или близких) по структуре, теплофизическим характеристикам.
Результаты работы могут быть использованы при определении области применения КМ в конструкциях покрытий зданий различного функционального назначения.
На защиту выносятся:
математическая модель распространения фронта пламени по наклонной поверхности ТГМ с набегающим потоком воздуха;
расчетный метод прогнозирования расстояния распространения фронта пламени по поверхности КМ образцов конструкций кровельных покрытий;
экспериментальный крупномасштабный метод определения и прогнозирования пожарной опасности конструкций кровельных покрытий;
результаты экспериментальных крупномасштабных исследований по определению способности образцов конструкций кровельных покрытий распространять пламя по поверхности;
результаты экспериментальных лабораторных исследований пожарной опасности кровельных и теплоизоляционных материалов;
классификация конструкций кровельных покрытий по пожарной опасности;
схема противопожарного нормирования и предложения по применению КМ и конструкций покрытий жилых, общественных и административных зданиях.
Практичекое внедрение. На основании результатов исследований разработаны и изданы:
Техническая информация (в помощь инспектору Государственной противопожарной службы).-М.: ВНИИПО, 1995.- 26 с;
Техническая информация (в помощь инспектору Государственной противопожарной службы).- М.: ВНИИПО, 1997.- 31 с;
Справочник по огнестойкости и пожарной опасности строительных конструкций, пожарной опасности строительных материалов и огнестойкости инженерного оборудования зданий (в помощь инспектору Государственной противопожарной службы).- М.: ВНИИПО, 1999.- 63 с;
НПБ "Покрытия зданий. Метод определения пожарной опасности" (окончательная редакция);
Результаты исследований используются в лекциях УЦ ФГУ ВНИИПО МЧС России по программе "Огнезащита".
Апробация работы. Результаты работы, основные ее положения и выво
ды докладывались и обсуждались на ХІП Всероссийской научно-практической
конференции "Пожарная безопасность-95" (Москва, 1995), Научно-
технической конференции молодых ученых ВНИИПО и ВИПТШ МВД России (Москва, 1995), ХУШ Научно-практической конференции "Снижение риска гибели людей при пожарах" (Москва, 2003).
Публикации и личный вклад автора. По теме диссертационной работы опубликовано 7 научных публикаций (5,6,7,8,9,10,11). В диссертации обобщены результаты многолетней самостоятельной работы, а также совместно с коллегами: И.С.Молчадским, Н.В.Смирновым, Р.А.Яйлияном, К.НХольцовым, А.А.Меркуловым, В.ВЛономаревым. В совместных работах автор определял направления исследований, принимал участие в разработке математической
модели, методик, экспериментах; осуществлял обработку, анализ и обобщение
\ полученных экспериментальных данных; принимал участие в формулировке
выводов и внедрении в практику.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы, приложений и насчитывает 206 страниц текста, иллюстрированного 43 рисунками, имеет 18 таблиц, 97 наименований цитируемой литературы.
-#*
Анализ противопожарных требований по применению кровельных материалов и конструкций кровельных покрытий в зданиях
В развитой стадии пожара значительному тепловому воздействию подвергаются не только ограждающие и несущие строительные конструкции, зданий, но и конструкции покрытий- Тепловое воздействие на конструкции покрытий в этой стадии может осуществляется как снизу - со стороны помещения очага пожара, так и сверху - выход пламени через технологические и оконные проемы, витражи, световые фонари, купола на внешнюю поверхность покрытия - на поверхность, как правило горючих кровельных материалов водоизоляци-онного ковра.
Распространение пламени по поверхности КМ конструкций покрытий зданий на развитой фазе пожара может осуществляться по трем схемам: - по поверхности конструкции покрытия здания, расположенного над помещением очага пожара, в результате воспламенения и последующего горения КМ при воздействии на них теплового излучения от факела пламени; - по поверхности конструкции покрытия соседнего здания в результате воспламенения КМ от воздействия теплового излучения факела пламени или от переносимых ветром или конвективными потоками на их поверхность горящих материалов; - распространение пламени по поверхности КМ покрытия смежного более низкого здания в результате теплового воздействия падающих горящих материалов. Основными опасными факторами, способствующими быстрому распространению пламени по поверхности конструкций покрытий с битумосодер-жащими кровельными материалами и горючими утеплителями являются: - большое тепловыделение - более 200000 ккал/м2 [4,13]; - текучесть битумосодержащих кровельных материалов и горючих утеплителей; - большая скорость распространения пламени по поверхности: от более 0,4 м/мин по рулонному ковру из трех слоев рубероида марки РМ-350 с верхним слоем рубероида с крупнозернистой посыпкой марки РК-420 до 7 м/мин по утеплителю ПСБ-С [5,6,7,13,14].
Классическим подтверждением приведенных выводов может служить пожар, произошедший в 1973 году на Бухарском хлопчато-бумажном комбинате. Покрытие всех производственных корпусов комбината было выполнено из стального профлиста, уложенного по незащищенным от огня несущим металлическим конструкциям. В качестве утеплителя в покрытии использовался плитный пенополистирол марки ПСБ-С, кровля - три слоя рубероида на битумной мастике. После возникновения пожара в одном из производственных помещений и выхода пламени на кровлю произошло неконтролируемое распространение огня по горючим элементам покрытия, что привело в результате к быстрому обрушению покрытия всех зданий и уничтожению практически всего производственного оборудования комбината.
В результате пожара в апреле 1993 года выведен из строя завод двигателей АО "КамАЗ" (г. Набережные Челны). Причиной катастрофического развития пожара явилось быстрое распространение огня по горючим элементам покрытия (пенополистиролу и кровле из трех слоев рубероида на битумной мастике) с последующим обрушением основы из стального профлиста и несущих металлических конструкций.
В мае 1998 года в селе Кашкарево Азовского Немецкого национального района Омской области из-за нарушения правил монтажа электрооборудования произошел пожар в здании гаража ЗАО "Звонаревокутское" в результате которого огнем были уничтожены кровля здания и 16 единиц автотракторной техники [15]. Прямой ущерб от пожара составил 645 000 рублей. В декабре этого же года в селе Биллингс Шмидтовского района Чукотского автономного округа из-за нарушения регламента технологического процесса производства произошел пожар в здании дизельной электростанции. В результате пожара, огнем были уничтожены кровля здания и обрудование, прямой ущерб составил 300 000 рублей. В августе 1999 года в городе Онега Архангельской области из-за неосторожного обращения с огнем произошел пожар на территории лесопильного цеха ОАО "Онежский" [12]. В результате пожара обрушилась кровля здания, повреждено оборудование, ущерб составил 300 000 рублей. В ноябре 1999 года в г. Санкт-Петербурге из-за неосторожности при курении произошел пожар в квартире жилого дома. Огнем была повреждена кровля здания на площади 40 м2 и чердачное перекрытие на площади 50 м2, прямой ущерб - 6 млн. рублей.
Учитывая большой материальный ущерб в результате подобных пожаров, практическую невозможность их локализации, представляется необходимым: разработать новые перспективные КМ, обладающие более низкими по казателями пожарной опасности с учетом их способности воспламеняться от пламени очага возможного пожара, распространять пламя по поверхности конструкций покрытий и выделять тепло; - разработать противопожарные требования по применению КМ и конструкций покрытий в зданиях различного функционального назначения и компенсирующие мероприятия, в зависимости от: - пожароопасных свойств КМ; - типа зданий с учетом их степени огнестойкости, этажности, конструк тивной и функциональной пожарной опасности, конструктивной особенности и архитектурно-планировочных решений; - условий эксплуатации конструкций покрытий и возможного режима теплового воздействия. Противопожарное нормирование в строительстве как у нас в России, так и за рубежом является неотъемлемой частью строительного нормирования, и в сочетании с решением общих задач, связанных с проектированием зданий различного функционального назначения, преследует цель обеспечения безопасности людей при пожаре, ограничения его распространения, создания усло-вий, необходимых для нормальной жизнедеятельности людей и нормального функционирования промышленных предприятий. Проводимые с 50-х годов прошлого века в странах западной Европы и в США исследования по определению в условиях огневых испытаний показа телей пожарной опасности кровельных гидроизоляционных материалов и кон струкций покрытий, послужили началом к разработке противопожарных тре А бований по их применению в строительстве. Основными показателями пожарной опасности КМ являются их горючесть и воспламеняемость, а для конструкций покрытий - определение способности КМ к проникновению пламени в подстилающий слой (или к основанию покрытия) и способность КМ конструкций покрытий распространять пламя по поверхности. Так во Франции, применяемые в конструкциях покрытий зданий КМ подразделяются на 5 классов: МО — негорючие; Ml - невоспламеняющиеся; М2 - трудновоспламеняющиеся; МЗ - средней степени воспламенения; М4 - лег ковоспламеняющиеся. Принадлежность КМ к тому или иному классу опреде ф, ляется исходя из их горючести, воспламеняемости, величины теплоты сгора ния и способности к распространению пламени по поверхности [10,16]. Применение КМ классов М1;М2 и МЗ не ограничено, если они укладываются на сплопшые основания покрытий из негорючих материалов или на основания из дерева или древесноволокнистых плит [10,17]. Область применения КМ класса М4 в покрытиях зданий 1 ;2;3 и 4 групп (табл. 1.2.1) устанавливается в зависимости от определенного в результате ог " невых испытаний класса проникновения пламени в подстилающий слой (табл. 1.2.2), а в зависимости от определенного индекса распространения пламени по поверхности конструкций покрытий устанавливаются минимальные размеры противопожарных расстояний между зданиями (табл. 1.2.3) [10,17].
Математическая модель распространения пламени по наклонной поверхности твердого горючего материала с набегающим потоком воздуха
Полученное выражение для расчета скорости распространения пламени по поверхности ТГМ содержит целый ряд неизвестных параметров, экспериментальное определение которых представляет значительные трудности. Поэтому оно может быть использовано только для качественных оценок.
В настоящее время наряду с аналитическими методами используются численные методы [61,80], позволяющие изучать более общие постановки решения задачи о распространении пламени по поверхности ТГМ, а также дают возможность введения химической кинетики газофазных пламен, что для аналитических методов представляет определенные трудности.
Таким образом, в настоящее время накоплен большой опыт в теоретическом и экспериментальном исследовании процесса распространения пламени по поверхности ТГМ, а происходящие при этом физико-химические процессы достаточно ясны. При строгой математической постановке задачи процессы, происходящие в газовой фазе, описываются уравнениями, выражающими собой законы сохранения количества движения, массы, компонент и энергии, включающие в себя радиационный перенос и химическую кинетику. Но эти уравнения в полном виде вместе с уравнениями сохранения энергии не поддаются решению с помощью современных математических методов вследствие трехмерности в нестационарном случае.
Введением же ряда допущений возможно сведение этой сложной системы к более простым уравнениям, некоторые из которых позволяют получить аналитическое решение [63-67]. Но подобные допущения сильно ограничивают область применения этих моделей, а также приводят к необходимости введения ряда эмпирических параметров. Однако этот подход дает возможность получать достаточно простые выражения для скорости распространения пламени, учитывающие влияние основных факторов, поэтому его предполагается использовать в настоящей работе.
Математическая модель распространения пламени по наклонной поверхности твердого горючего материала с набегающим потоком воздуха Из проведенного выше обзора аналитических работ, посвященных проблеме разработки математических моделей распространения пламени по поверхности ТГМ очевидно, что важнейшей количественной характеристикой этого процесса является скорость распространения пламени. Она зависит от физико-химических свойств реагентов, кинетических параметров реакции горения, условий протекания процесса; при осуществлении процесса в одинаковых условиях является количественной мерой сравнительной горючести ТГМ. Основной задачей в теоретическом и экспериментальном исследовании горения ТГМ является определение скорости распространения пламени по поверхности в зависимости от теплофизических свойств конденсированной и газовой фаз, кинетических параметров реакции пиролиза и газофазных реакций в пламени, а также физико-химических свойств ТГМ и условий окружающей среды (табл. 2.2.1).
По своей сути математическая модель процесса распространения пламени по поверхности ТГМ должна прогнозировать скорость распространения как функцию большого числа параметров реагирующей системы и пределы устой чивого горения по разным параметрам. Так как учет и строгий анализ их не все гда возможны, при разработке моделей обычно рассматривают доминирующие факторы, определяющие скорость распространения пламени. Наиболее логич ный подход - выделение в многостадийном процессе горения ТГМ ведущих стадий и выявление механизмов тепло - и массообмена, контролирующих ско рость распространения пламени при заданных условиях. Скорость распространения пламени по поверхности ТГМ может быть выражена в единицах массовой или линейной скорости. В случае распространения пламени по поверхности ТГМ, перемещение фронта пламени может происходить в двух направлениях: перемещение фронта пламени вдоль поверхности и выгорание конденсированной фазы в направлении, перпендикулярном поверхности раздела фаз. Одновременный учет этих процессов при разработке модели распространения пламени по поверхности ТГМ приводит к ее усложне нию. Поэтому в данном случае для упрощения модели рассматривается про цесс распространения пламени в одном направлении. Для постановки математической модели сделаем следующие необходимые допущения: - фронт пламени имеет высоту Н и бесконечен в обе стороны в направлении перпендикулярном поверхности раздела фаз; - конвективный нагрев ТГМ характеризуется эффективным коэффициентом теплоотдачи; - критерием положения фронта пламени является температура воспламенения ТГМ; - не происходит теплопередачи из зоны нагрева в подложку, за счет че го задача становится одномерной, что соответствует более жесткому случаю распространения пламени. Процесс распространения пламени вдоль поверхности термически тонкого ТГМ будем рассматривать как нестационарную задачу теплопередачи: при воздействии источника теплового излучения на ТГМ происходит воспламенение и продвижение фронта пламени по поверхности, при котором его кромка выступает в качестве дополнительного источника тепла, приводящего к повышению температуры ТГМ перед фронтом до температуры воспламенения. Принципиальная схема процесса распространения пламени по поверхности ТГМ изображена на рис. 2.2.1. Решение задачи распространения пламени по поверхности слоя ТГМ сводится к решению уравнений теплопроводности на стадии индукции и собственно на стадии распространения [11]. Сформулируем физическую постановку задачи. Стадия индукции (задача воспламенения). - твердое топливо; 2 — зона диффузионного горения; 3 - зона кинетического пламени (носик пламени); 4 - зона газификации твердого топлива; 5 - зона газообразных продуктов разложения; 6 - зона разложения ТГМ перед фронтом пламени; 7 - продукты горения; дк - конвективная составляющая теплового потока факела пламени; л- лучистая составляющая теплового потока факела пламени; д0 - тепловой поток в зоне факела пламени к поверхности ТГМ.
Экспериментальный крупномасштабный метод исследования по определению и прогнозированию пожарной опасности конструкций кровельных покрытий зданий
Процесс распространения пламени по поверхности КМ конструкций покрытий зданий необходимо рассматривать в совокупности с процессами, протекающими на стадии развивающегося пожара, наступающей после вскрытия наружного оконного остекления в помещении очага пожара.
На стадии развивающегося пожара пламенное горение становится более интенсивным с быстрым нарастанием параметров пожара: скорости выгорания, тепломассообмена, температур, давления и т.д. Длительность этой стадии на реальных пожарах небольшая: от 5 до 20 мин [81]. Пожар на этой стадии сопровождается нарастанием выделения большого количества дыма, газообразных продуктов горения и огня, интенсивно перемешивающихся в объеме помещения, и выходом их из проемов и отверстий за пределы помещения очага пожара как в соседние помещения, так и через вскрывшееся остекление оконных проемов на фасад здания.
Эта стадия характеризуется наступлением так называемой общей вспышки, когда происходит воспламенение всех горючих предметов и материалов, находящихся в помещении. Максимальная температура в помещении достигает величин 900 - 1000 С, а среднеобъемная повышается до 600-800 С. Стадия развивающегося пожара переходит в развитую стадию, характеризующуюся наступлением экстремальных значений параметров пожара. В основном на этой стадии происходит пламенное горение. Длительность этой стадии до 20-30 мин в зависимости от пожарной нагрузки и условий воздухообмена. Проведенные зарубежными и отечественными специалистами натурные испытания по исследованию огнестойкости зданий и распространения пожара по фасадам фрагментов зданий, позволили определить размеры факела и поле температур по высоте фасадов [14,82-87]. Так согласно [82,84,85] на уровне пола вышерасположенного этажа на фасаде температура более 700 С наблюдалась в течение 13 мин, начиная с 10-й минуты испытания, а на уровне подоконника верхнего проема температура пламени более 550 С начала повышаться с 9-й минуты эксперимента и наблюдалась в течение 8 мин.
Величины этих температур и длительность их воздействия достаточны для распространения пожара по элементам фасадов зданий, выполненных из горючих строительных материалов: подоконников и рам окон вышележащих этажей из дерева или пластика; горючей отделке стен фасадов. Такого температурного режима и его длительности вполне достаточно и для воспламенения КМ, применяемых в конструкциях покрытий зданий, а также для распространения пожара по их поверхности.
Таким образом, исходя из полученных экспериментальных данных натурных испытаний, длительности стадии развивающегося пожара и ее температурных параметров, а также положений [88] для крупномасштабного метода оценки способности образцов КМ конструкций покрытий зданий распространять пламя по поверхности, целесообразно установить следующие параметры: температура факела пламени источника огневого воздействия должна быть не менее 800 С; плотность потока теплового излучения факела пламени - не менее 24 кВт/м2; время проведения испытаний - до полного прекращения распространения пламени по поверхности конструкции покрытия.
В начале 70-х годов прошлого века инженерным факультетом Высшей школы МВД СССР на натурных фрагментах были проведены исследования по определению зависимости размеров пламени от направления и скорости ветра [89]. Обработка полученных экспериментальных данных, кино- и фотоматериалов позволила сделать вывод о том, что размеры пламени существенно изменяются при скорости ветра в пределах от 0 до 3,8 м/с, при дальнейшем увеличении скорости ветра размеры пламени остаются постоянными. Исходя из этого, для экспериментальных исследований способности КМ конструкций покрытий распространять пламя по поверхности, скорость набегающего на образцы воздушного потока примем равной 3,8 м/с.
Угол наклона образцов конструкций покрытий с мастичными и рулонными КМ к плоскости пола испытательной установки примем равным 30 град - максимальный угол наклона конструкций покрытий согласно требованиям [3,90]. Экспериментальный крупномасштабный метод исследования по определению и прогнозированию пожарной опасности конструкций кровельных покрытий зданий.
В связи с решением ГУ ГПС МВД России от 18.10.94 г. о создании нормативной базы ведомственного уровня во ВНИИПО разработан крупномасштабный метод определения пожарной опасности конструкций покрытий зданий - НПБ ГПС "Покрытия зданий. Метод определения пожарной опасности" [91] (взамен СТ СЭВ 5987-87 [92] ).
Сущность этого метода заключается в определении величины распространения фронта пламени по поверхности КМ образцов конструкций покрытий зданий в условиях огневых испытаний.
Испытательная установка (рис. 3.2.1) представляет собой камеру (помещение) габаритным размером 10,5x3,0x2,55 м, стены которой выполнены из огнеупорного кирпича, потолок из железобетонных плит, защищенных слоем огнеупорного бетона по металлической сетке. Воздухообмен в установке и удаление продуктов горения осуществляется естественной вентиляцией через вытяжную трубу (дымоход) круглого сечения диаметром 1000 мм. Установка оборудована двумя противопожарными дверями и смотровыми окнами для визуального наблюдения за процессом проведения экспериментов и поведением испытываемых конструкций покрытий.
Схема противопожарного нормирования и предложения по применению кровельных материалов и конструкций кровельных покрытий в жилых, административных общественных зданиях
Результаты проведенных лабораторных исследований по определению показателей пожарной опасности кровельных гидро- и теплоизоляционных материалов опубликованы в сборниках технической информации "В помощь инспектору Государственной противопожарной службы" за период с 1995-1999 гг. [95-97].
Результаты проведенных лабораторных исследований по определению показателей пожарной опасности КМ, а также крупномасштабных исследований по определению пожарной опасности образцов конструкций покрытий зданий с точки зрения определения способности применяемых в них КМ распространять пламя по поверхности, были использованы при разработке приложения 8 СНиП П-26-76 [3], а также используются ОАО "Завод ФИЛИКРОВЛЯ" при выпуске кровельных рулонных материалов.
В работе также представлена схема противопожарного нормирования применения КМ и конструкций покрытий в зданиях, в основу которой положен принцип предотвращения пожара и ограничения материального ущерба (раздел 4.2).
СНиП 21-01-97 "Пожарная безопасность зданий и сооружений" [2], в отдельных случаях допускает специальный подход к решению вопроса о применении КМ в конструкциях покрытий некоторых типов зданий и сооружений, при обязательной разработке согласованных технических условий. Эти условия должны отражать специфику противопожарной защиты зданий, включая комплекс дополнительных инженерно-технических и организационных мероприятий. Разработанные предложения по противопожарному нормированию применения КМ и конструкций покрытий в жилых, административных и общественных зданиях определяют область их применения в зависимости от их этажности, вида застройки и вида чердачных помещений [9,10]. Данные требования могут быть использованы при решении вопросов возможного применения в уникальных зданиях, зданиях важного государственного значения, а также сооружениях, на которые отсутствуют технические требования.
Предложенная в разделе 2.2 и в [11] математическая модель распространения фронта пламени по наклонной поверхности ТГМ с набегающим потоком воздуха, позволяет производить обработку полученных в результате исследований экспериментальных данных и определять по ним виды функции S = /(г), а также аналитически определять величины расстояния возможного распространения фронта пламени по поверхности КМ конструкций покрытий по известным значениям теплофизических характеристик Я,р,с, т.е. прогнозировать способность КМ распространять пламя по поверхности конструкций покрытий с учетом условий их эксплуатации. Этот подход может быть использован в дальнейшем при "гибком" нормировании и обеспечении пожарной безопасности зданий и сооружений.
Одним из основных результатов проведенной работы является разработанная окончательная редакция НПБ "ПОКРЫТИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ" (см. приложение 1). 1. На основании проведенного анализа зарубежных и отечественных требований по противопожарному нормированию применения кровельных ма териалов и конструкций покрытий установлена зависимость области их приме нения в зданиях различного функционального назначения от следующих фак торов: степени огнестойкости зданий, классов их конструктивной и функциональной пожарной опасности, этажности и вида застройки; конструктивных решений элементов покрытий и фасадов зданий; показателей пожарной опасности КМ: групп горючести и воспламеняемости, критической поверхностной плотности теплового потока распространения пламени по поверхности; показателей пожарной опасности конструкций покрытий: способности КМ распространять пламя по поверхности, степени проникновения пламени в подстилающий слой. 2. В результате проведенного анализа зарубежных и отечественных ла бораторных методов огневых испытаний по определению показателей пожар ной опасности КМ, а также зарубежных средне- и крупномасштабных методов огневых испытаний по определению пожарной опасности конструкций кро вельных покрытий зданий установлено следующее: а) перечень лабораторных методов испытаний весьма ограничен и сво дится в основном к определению горючести и воспламеняемости КМ; б) все существующие лабораторные методы оценки пожарной опасно сти КМ, разработаны таким образом, что они не учитывают условия их экс плуатации в конструкциях покрытий зданий при тепловых воздействиях режи мов реальных пожаров. Поэтому эти методы можно отнести к сравнительным методам, позволяющим оценить пожароопасные свойства КМ по принципу сравнения между собой или с "реперными" материалами. При использовании такого принципа оценки возникают трудности в прогнозировании поведения КМ в конструкциях покрытий в реальных условиях эксплуатации и развития пожара; в) основными показателями в зарубежных методах определения пожарной опасности конструкций кровельных покрытий зданий являются: способность, применяемых в них КМ, распространять пламя по поверхности; степень проникновения пламени в подстилающий слой. 3. Разработана математическая модель распространения пламени по наклонной поверхности ТГМ с набегающим потоком воздуха. Выявлены безразмерные параметры, описывающие процесс распространения пламени по поверхности ТГМ и позволяющие прогнозировать показатели распространения пламени, при известных значениях теплофизических характеристик ТГМ и газовой среды. 4. Разработан метод крупномасштабных исследований по определению пожарной опасности конструкций покрытий с точки зрения определения способности, применяемых в них КМ, воспламеняться и распространять пламя по поверхности. 5. Создана испытательная крупномасштабная установка, позволяющая имитировать условия огневого воздействия факела пламени на поверхность образцов конструкций покрытий для определения их пожарной опасности, приближенные к условиям реального пожара и с учетом условий их эксплуатации.
