Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор состояния вопроса 11
1.1. Пожароустойчивость огнестойких и упрочненных (ламинированных) светопрозрачных конструкций и их огнезащита 11
1.2. Огнезащита светопрозрачных конструкций водяным орошением 18
1.3. Методы оценки огнестойкости и пожароустойчивости светопрозрачных конструкций
1.3.1. Экспериментальные методы исследования огнестойкости и пожароустойчивости светопрозрачных конструкций 27
1.3.2. Теоретические основы расчета времени разрушения светопрозрачных конструкций при пожаре... 34
1.3.3. Условия разрушения стекла при пожаре 38
1.4. Цели и задачи исследования 40
ГЛАВА 2. Методы и средства исследования 42
2.1. Методика расчета пожароустойчивости светопрозрачного заполнения строительных конструкций 42
2.1.1. Алгоритм расчёта фактической пожароустойчивости светопрозрачного заполнения строительных конструкций 42
2.1.2. Выбор и обоснование исходных данных для расчета 52
2.2. Методики маломасштабных огневых испытаний фрагментов огнестойкого и упрочненного (ламинированного) заполнения строительных конструкций
2.3. Маломасштабные установки. Условия проведения эксперимента 2.4.
Методики крупномасштабных испытаний светопрозрачного заполнения строительных конструкций и установка для их з
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования влияния водяного орошения на разрушение фрагментов огнестойкого и упрочненного (ламинированного) заполнения строительных конструкций при пожаре
3.1. Определение критериев разрушения строительного стекла при
тепловом воздействии
3.2. Определение значения коэффициента теплопроводности геля, входящего в огнестойкое стекло 88
3.3. Исследование особенностей разрушения фрагментов огнестойкого и упрочненного (ламинированного) заполнения строительных конструкций с использованием водяного орошения при огневых испытаниях на маломасштабной установке 91
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования влияния водяного орошения на разрушение светопрозрачного заполнения строительных конструкций 100
4.1. Обоснование режима орошения светопрозрачных конструкций . 100
4.2. Исследование особенностей разрушения огнестойкого светопрозрачного заполнения строительных конструкций с использованием водяного орошения при огневых испытаниях на крупномасштабной установке 104
4.3. Влияние водяного орошения на температурный режим пожара 113
4.4. Оценка достоверности теоретического расчета разрушения светопрозрачной конструкции 117
4.5. Предложения по противопожарному нормированию применения водяного орошения для повышения пожароустойчивости светопрозрачных конструкций 126
Заключение 131
Список литературы
- Экспериментальные методы исследования огнестойкости и пожароустойчивости светопрозрачных конструкций
- Алгоритм расчёта фактической пожароустойчивости светопрозрачного заполнения строительных конструкций
- Определение значения коэффициента теплопроводности геля, входящего в огнестойкое стекло
- Исследование особенностей разрушения огнестойкого светопрозрачного заполнения строительных конструкций с использованием водяного орошения при огневых испытаниях на крупномасштабной установке
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Анализ современных пожаров в Рос
сии и за рубежом показал, что существенное влияние на динамику развития по
жара может оказывать разрушение ограждающих светопрозрачных
конструкций (далее СПК). При разрушении СПК и вскрытии проёмов
происходит резкий приток воздуха в зону горения, что приводит к
возникновению объемной вспышки. Объёмная вспышка, в свою очередь,
способствует резкому увеличению площади пожара и интенсивному
образованию опасных факторов пожара.
Таким образом, актуальными являются исследования, направленные на развитие теоретических основ и получение новых экспериментальных данных по поведению огнестойкого светопрозрачного заполнения строительных конструкций при пожаре.
Степень разработанности темы исследования. Несмотря на большое количество отечественных и зарубежных исследований, посвящённых разрушению СПК при пожаре (Ройтман М. Я., Пух В. П., Бартенева Г. М., Святкин Г. К., Карпов А.В., Лицкевич В.В., Казиев М.М., Дудунов А.В., Pagni P. J., Joshi A. A., Hassani, S. K., Shields T. J., Silcoc, G. W., Mowrer F. W.), отсутствуют общепринятые критерии разрушения и недостаточно отработана методика прогнозирования времени разрушения СПК.
Современные методы испытаний СПК на огнестойкость не учитывают
всех особенностей эксплуатации конструкций, в том числе применение
автоматических установок пожаротушения (далее – АУП). При этом наиболее
экономичным способом огнезащиты и обеспечения необходимой
пожароустойчивости СПК является использование водяного орошения как части системы АУП.
Проблемой поведения СПК на пожаре, при орошении водой, занимались такие зарубежные специалисты как Kim A. K., Lougheed G. D., Richardson J. K., Oleszkiewicz I., Chan-Wei Wu, Shao Quan и Li Fang и другие. В их работах, в качестве защищаемого заполнения СПК рассмотрено закалённое, листовое или армированное стекло, как наиболее распространённые в строительстве в начале 90-х гг. XX века. В настоящее время широкое распространение в строительстве жилых и общественных зданий, в том числе зданий повышенной этажности, получили огнестойкие стекла с гелевым слоем и триплексы с полимерной плёнкой. При этом, для повышения пожароустойчивости огнестойких СПК активно используется водяное орошение. Стоит отметить, что особенности и степень влияния водяного орошения на пожароустойчивость триплекса и огнестойкого заполнения светопрозрачных конструкций изучена недостаточно. Изучение этого вопроса позволит разработать эффективный способ и режим орошения для защиты и повышения пожароустойчивости триплекса и огнестойкого стекла.
Целью работы являлось изучить поведение при нагреве огнестойкого светопрозрачного заполнения строительных конструкций и установить влияние водяного орошения на его пожароустойчивость.
Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие
задачи:
разработать методику расчёта времени разрушения при пожаре свето-прозрачных конструкций;
установить критерии разрушения светопрозрачного заполнения строительных конструкций;
установить критерии и параметры огнезащиты огнестойких и ламинированных светопрозрачных конструкций водяным орошением;
разработать нормативные требования пожарной безопасности по применению водяного орошения для огнезащиты светопрозрачного заполнения строительных конструкций.
Объектом исследования являлось огнестойкое светопрозрачное заполнение строительных конструкций.
Предметом исследования являлась пожароустойчивость огнестойкого светопрозрачного заполнения строительных конструкций. Научная новизна заключается в следующем:
-
Впервые установлено влияние водяного орошения на пожароустой-чивость триплекса и огнестойкой СПК.
-
Определены факторы, влияющие на разрушение листового стекла во время пожара, и их численные значения.
-
Разработана методика расчёта пожароустойчивости СПК при орошении водой.
-
Впервые определены коэффициенты теплопроводности вспученного огнезащитного геля.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается:
в возможности применения полученных результатов для подбора вида светопрозрачного заполнения строительной конструкции с учётом требуемой пожароустойчивости и применения водяного орошения;
в применении расчёта времени разрушения СПК при пожаре для прогнозирования развития пожара в помещении;
в разработке алгоритма по выбору и обоснованию мероприятий по повышению пожароустойчивости эксплуатируемых светопрозрачных конструкций.
Полученные результаты могут быть применены для усовершенствования
программных комплексов по расчёту динамики пожара и обоснованию
требований по противопожарному нормированию и эксплуатации
светопрозрачных конструкций.
Методы исследования. Для решения сформулированных задач были проведены теоретические и экспериментальные исследования. Основу теоретических исследований составил анализ отечественных и зарубежных работ, посвящённых поведению светопрозрачных конструкций во время пожара и механизмам разрушения стекла. Был проведен анализ нормативных документов по пожарной безопасности в части требований к светопрозрачным конструкциям.
Для определения исходных данных и оценки достоверности методики
расчёта времени разрушения СПК проведены огневые испытания на
маломасштабных и крупномасштабной установках. Кроме того, были
проведены крупномасштабные экспериментальные исследования по
определению способа и режима сплошного и равномерного водяного орошения светопрозрачной конструкции.
Материалы диссертации реализованы при разработке:
новой редакции нормативного документа по пожарной безопасности: Свод правил СП 5.13130 «Системы противопожарной защиты. Установки пожарной сигнализации и пожаротушения автоматические. Нормы и правила проектирования;
при проектировании и строительстве объектов капитального строительства в г. Оренбург;
при разработке специальных технических условий «Технические решения по противопожарным преградам ограждений атриуимного пространства и эскалаторов Торгового центра «Балтия Молл» по адресу: Московская область, Красногорский р-н, 23-й км автомагистрали «Москва-Рига»;
в учебном процессе Академии ГПС МЧС России при подготовке фондовой лекции по дисциплине «Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре» на тему: «Поведение каменных (минеральных) материалов в условиях пожара».
Положения, выносимые на защиту:
критерии разрушения светопрозрачной конструкции во время пожара; методика расчёта времени разрушения огнестойкой светопрозрачной конструкции во время пожара;
алгоритм защиты светопрозрачной конструкции при пожаре; методика защиты огнестойкой светопрозрачной конструкции с помощью водяного орошения.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность представленных в диссертации результатов достигалась:
проведением экспериментальных исследований с использованием сертифицированного, аттестованного и поверенного оборудования в аккредитованных лабораториях Академии ГПС МЧС России и АНО по сертификации «Электросерт»;
применением физически обоснованных математических моделей для решения теплотехнической задачи огнестойкости; достаточной точностью средств измерения. Основные результаты работы доложены на: 2-ой Научно-практической конференции «Ройтмановские чтения» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2013); 3-й Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы техносферной безопасности – 2014» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2014); Научно-практической конференции «Школа молодых ученых и специалистов МЧС России – 2014 (г. Екатеринбург, Уральский институт ГПС МЧС России, 2014); 4-й
Международной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы техносферной безопасности – 2015» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2015); XVIII Международной научно-практической конференции молодых учёных, докторантов и аспирантов «Строительство – формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, МГСУ, 2015); 4-ой Научно-практической конференции «Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2015).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ из них 4 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержание работы изложено на 182 страницах текста, включает в себя 10 таблиц, 70 рисунков, список литературы из 111 наименований, приложения на 38 страницах.
Экспериментальные методы исследования огнестойкости и пожароустойчивости светопрозрачных конструкций
Пожар — это неконтролируемый процесс горения, приносящий материальный ущерб, вред жизни и здоровью граждан, интересам государства и общества в целом [6]. Причин возникновения пожара много, но неизменны три элемента возникновения горения: горючее, окислитель, источник зажигания [7]. Если исключить какой-либо элемент - горение прекратится. Рассмотрим более подробно каждый компонент так называемого “треугольника пожара”.
Горючее (пожарную нагрузку) исключить достаточно сложно, так как оно является неотъемлемой частью любого помещения и здания, где живут или работают люди. К основным элементам пожарной нагрузки относится: мебель, личные вещи, декоративная отделка, строительные конструкции [8]. Повлиять на этот фактор пожара можно уменьшением количества пожарной нагрузки, в том числе за счет применения негорючих строительных материалов и строительных конструкций класса пожарной опасности К0. При этом, полное исключение горючего практически невозможно.
При пожаре в роли окислителя чаще всего выступает воздух, а точнее кислород воздуха. На ранних стадиях пожара расходуется кислород, который находится в помещении. После вскрытия проемов начинает поступать воздух из окружающей среды, что способствует увеличению массовой скорости выгорания пожарной нагрузки. Для исключения этого звена достаточно снизить количество поступающего воздуха, то есть не допустить вскрытия проемов. Источник зажигания - это любой источник теплоты, способный нагреть горючее вещество до необходимой температуры (воспламенения или самовоспламенения) [9]. Источник зажигания образуется в большинстве случаев в результате человеческого фактора или при стечении обстоятельств. И то и другое достаточно сложно предугадать и предупредить.
Следовательно, для предотвращения развития пожара, наиболее возможным вариантом решения поставленной задачи является исключение окислителя из реакции горения, то есть предотвращение вскрытия проемов.
Определим, в какой момент времени развития пожара происходит вскрытие проемов. Из литературы известно[7,9,10], что существует 7 фаз пожара (Рисунок 1.1). Примерно на 7 минуте, при температуре газовой среды в помещении 300 С, наступает III фаза пожара и происходит разрушение остекления. После вскрытия проемов резко изменяется интенсивность газообмена: она резко возрастает, интенсифицируется процесс оттока горячих продуктов горения и приток свежего воздуха в зону горения. При изменении условий газообмена возрастают такие параметры пожара, как полнота сгорания, скорость выгорания и скорость распространения процесса горения. Соответственно резко возрастает удельное и общее тепловыделение на пожаре. Температура достигает 800-900 С, это происходит на IV фазе пожара. На V-VII фазах пожара происходит стабилизация горения и интенсивность пожара постепенно снижается вплоть до прекращения горения.
Можно сделать вывод, что если на III фазе пожара не произойдет вскрытия проемов (разрушения остекления), то развитие пожара перейдёт сразу же на VI и VII фазу пожара, минуя наиболее опасные IV-V фазы пожара, где происходит интенсивное горение при высокой температуре. Следовательно, исключается возможность перехода пожара на другой этаж или в другое помещение
Также следует учесть, что закрытый пожар (контролируемый вентиляцией) при разрушении остекления превращается в открытый (контролируемый пожарной нагрузкой) и его угасание будет зависеть от величины пожарной нагрузки доступной пожару, что будет способствовать его распространению на другие помещения и этажи [7].
В работе Казиева М.М. [11] было установлено, что динамика развития пожара на начальном этапе, до достижения площади пожара 0,5-0,75 м (Рисунок 1.2), зависит от мощности источника зажигания и места первоначального возникновения горения. После превышения площадью пожара значения 0,75 м, рост площади во всех испытаниях описывается похожими зависимостями. При сопоставлении кривых, если начальной точкой считать площадь пожара равную 0,75 м, мы видим, что они идентичны. Таким образом, развитие пожара имеет различие только на начальном этапе. Когда пожар переходит в развитую стадию, форма его развития идентична для всех опытов.
Изменение площади пожара во времени Результаты исследования [11] позволили также установить, что «объёмная вспышка» в помещении может наступить при достижении площади пожара 7-8 м, что составляет 35-40 % от площади пола экспериментальной установки. Следовательно, разрушение СПК может произойти от 17 до 40 минуты пожара, в зависимости от продолжительности начальной стадии. Причем, время разрушения СПК может различаться в зависимости от вида заполнения.
В настоящее время в строительстве, для заполнения проемов в СПК, все чаще применяется триплекс [12, 13, 14, 15, 16], имеющий, в отличие от закалённого стекла, высокую ударопрочность. Это весьма важно, так как СПК имеют большую площадь и часто используются на наружных фасадных системах. Триплекс состоит из двух листов стекла, склеенных между собой с помощью высокопрочной полимерной пленки или полимерной композиции, которая обладает повышенной механической прочностью и защитой от УФ-излучения. Плёнка как связующий элемент сдерживает конструкцию от разрушения, защищает от ультрафиолета и существенно предотвращает потери тепла из помещения.
Существует две технологии производства триплекса: Заливной (полимерная композиция). Используется два и более листа стекла, которые склеивают между собой, с помощью полимерной композиции, с дальнейшей термической обработкой под прессом.
Пленочный. Два и более стекла склеивают между собой, с помощью пленки, с дальнейшей термической обработкой под прессом (130-140 С, 12 бар). Самые распространенные плёнки в строительстве – это этиленвинилацетатная (EVA) и поливинилбутиральная (PVB) плёнки. Из них наиболее часто используется плёнка типа PVB. Она используется с 1938 года и за это время зарекомендовала себя с положительной стороны. Также, для защиты огнестойких СПК с гелевым заполнением от УФ-излучения, требуется 1 слой плёнки PVB в триплексе или 2 слоя плёнки типа EVA, что экономически более невыгодно. Предположение о том, что, наклеенная на стекло, плёнка повышает предел огнестойкости, не нашло подтверждения при исследованиях, которые были прове 15 дены во ВНИИПО и Академии ГПС МЧС России (Рисунок 1.3). Испытания показали, что полимерные пленки (независимо от их толщины), наклеенные на поверхность стекла, не только не увеличивают огнестойкость листового стекла, а напротив, повышают пожарную опасность СПК. Это объясняется тем, что при возгорании пленки образуется горящий расплав, выделяется значительное количества дыма и токсичных продуктов горения. Подобные явления наблюдаются при сравнительных испытаниях опытных образцов многослойного стекла с различными клеевыми композициями (триплекс, стеклопакеты и т. п.) [17].
Алгоритм расчёта фактической пожароустойчивости светопрозрачного заполнения строительных конструкций
Как видно на представленной схеме, ряд критериев, приводящих к разрушению стекла, связаны между собой. К примеру, «особенности нагрева» и «падающий тепловой поток» связывают особенности развития пожара и особенности помещения, в котором произошло возгорание. Также существует связь между «падающим тепловым потоком» и «температурой поверхности стекла». Следовательно, зная функциональное назначение и геометрические размеры здания возможно спрогнозировать время разрушения стекла. При этом необходимо учитывать фактор масштабности, который также является одним из критериев разрушения стекла [73]. Нельзя предположить, что все критерии одновременно срабатывают и приводят к разрушению стекла. Один из них является первоочередным или диктующим. Таким критерием является падающий тепловой поток, значение которого превышает qкр кВт/м. Это связано с тем, что тепловой поток непосредственно воздействует на стекло, приводя к его нагреву и последующему разрушению.
При таком подходе, методика расчета разрушения СПК состоит из нескольких этапов: - расчет динамики развития пожара; - расчет динамики теплового воздействия на СПК; - расчет динамики прогрева и роста температуры защищаемого стекла; - расчет фактической пожароустойчивости, т.е. времени наступления предельного состояния для СПК, при котором конструкция теряет огнепреграждаю-щую способность; - определение эффективности различных способов и средств огнезащиты, включая водяное орошение, которые защищают от прогрева и повышают пожаро-устойчивость СПК. В этом случае сущность расчета пожароустойчивости СПК можно представить в виде следующего соотношения: Тп/Уст = рс + Атэсз (1) где: п/уст - фактическая пожароустойчивость СПК, мин; рс - время прогрева защищаемого стекла СПК до критической температуры (Ткр, С) или достижения критического значения теплового потока (qкр, кВт/м), мин; эсз - эффективность способа или средства огнезащиты СПК, мин.
Эффективность способов или средств огнезащиты в каждом случае может определяться временем, на которое увеличивается пожароустойчивость СПК [82, 83, 84].
Достоверность расчета пожароустойчивости СПК во многом определяется обоснованностью критериев разрушения защищаемого стекла, которые могут быть выражены в виде критической температуры (Ткр, С) или критического теплового потока (qкр, кВт/м), воздействующего на СПК или защищаемое стекло.
Проведенные экспериментальные исследования разрушения стекла при пожаре позволили установить, что разрушение стекла происходит при достижении определенной температуры. Эта температура может иметь разные значения в зависимости от качества, толщины и других геометрических размеров стекла. Испытания также показали, что фактор масштабности оказывает существенное влияние на критерии разрушения стекла [75]. Анализ результатов испытаний позволил установить, что усредненными в качестве критериев разрушения могут быть приняты прогрев стекла до 100 С и падающий тепловой поток 16 кВт/м [48]. При этих значениях температуры и теплового потока, как правило, происходит растрескивание и прогрессирующее обрушение светопрозрачного заполнения.
Зная параметры развития пожара и используя дополнительные формулы к интегральной модели пожара, представляется возможным рассчитать динамику и величину теплового потока, который будет падать на СПК во время пожара. При известных значениях теплофизических характеристик СПК становится возможным рассчитать время, когда величина теплового потока достигнет своего критического значения и защищаемое стекло разрушится. В случае, если это время не будет соответствовать требованиям [85], то тогда можно предложить соответствующие способы и средства огнезащиты по обеспечению требуемой пожароустойчивости СПК.
Наиболее экономичным способом огнезащиты СПК является водяное орошение, которое имеет широкое применение на практике. При этом, как свидетельствуют проведенные испытания [82], водяное орошение может рассматриваться как способ повышения пожароустойчивости огнестойкого стекла, триплекса, закаленного и обычного листового стекол.
Для того чтобы рассчитать эффективность водяного орошения, необходимо опытным путём установить величину теплового потока без водяного орошения и при наличии водяного орошения. Разница полученных величин поможет оценить эффективность водяного орошения (Формула 2): Aq3 = x-y (2) где: Aqз - разность тепловых потоков с орошением и без него, Вт/м; х -тепловой поток без орошения, Вт/м; у - тепловой поток с водяным орошением, Вт/м. Зная эффективность водяного орошения возможно оценить, насколько оно повысит пожароустойчивость СПК. То есть, полученные при моделировании значения падающего теплового потока на конструкцию необходимо уменьшать на Aqз. С учетом наступления известных критериев разрушения СПК по тепловому потоку делается вывод о времени разрушения стекла. Исходя из этого можно сделать вывод о целесообразности применения водяного орошения, если требуемая пожароустойчивость СПК достигается.
Водяное орошение не может полностью исключить нагрев СПК, следовательно, даже при использовании орошения, стекло будет прогреваться. Спрогнозировать время критического прогрева многослойного стекла можно, используя формулу нестационарного теплового режима прогрева ограждений [83, 86, 87], с учетом критерия разрушения стекла по температуре на поверхности. tXr = tB- (tB - tH) / (j =) (3) где: tXT- температура в любой точке ограждения в любой момент времени, С; tB -температура на внутренней поверхности ограждения, С; tH- начальная температура ограждения, С; х - толщина рассматриваемого слоя, м; - коэффициент температуропроводности, м/час; - время нагрева, час
Определение значения коэффициента теплопроводности геля, входящего в огнестойкое стекло
При воздействии высоких температур стекло разрушается на 3-5 минуте от начала огневого воздействия. Разрушение может произойти гораздо раньше, в зависимости от температуры окружающей среды и вида светопрозрачного заполнения [105]. Наличие большого количества критериев разрушения для разнообразных видов стекла не позволяет точно ответить на вопрос: когда произойдёт разрушение СПК. В связи с этим нами были проведены испытания с целью уточнения критериев разрушения при пожаре. Испытания проводились на образцах листового стекла, наиболее распространенного в нашей стране. В результате данных испытаний также определялось влияние перепада температур на обогреваемой и необогреваемой сторонах стекла на время разрушения образца.
В качестве образцов для испытаний было выбрано листовое стекло производства ОАО «Эй Джи Си - Борский стекольный завод» толщиной 3 мм и размером 320 х 150 мм (Рисунок 3.1). Образцы подвергалась воздействию по стоянных тепловых потоков фиксированной величины – 44,6 кВт/м, 22,88 кВт/м, 14,87 кВт/м, а также динамическому нагреву (графики представлены на рисунке 3.2-3.3). Испытания проводились на установке «Индекс распространения пламени». В ходе проведенных испытаний со статическим тепловым потоком, были получены следующие результаты (Таблица 3.1).
Проведенные испытания показали, что разность температур, возникающая во время нагрева образцов, не превышает 14 С и не является критической для стекла.
Температура на обогреваемой поверхности образца на момент разрушения не превышала в среднем 100 С. При тепловом режиме с максимальным значением 45 кВт/м образец разрушался на 2-ой минуте испытания и температура на обогреваемой стороне образца составила 70 – 80 С (Рисунок 3.2). При тепловом потоке 15 кВт/м образец сохранял целостность в течении 5 минут.
Динамика изменения температуры на обогреваемой и необогреваемой поверхностях стекла при воздействии теплового потока 44,6 кВт/м2
За это время стекло нагрелось до 90 – 100 С (Рисунок 3.3). Таким образом, невозможно определить температуру стекла, которая напрямую влияет на рост напряжений, приводящих к разрушению стекла.
120 -100 - 80 - 60 - 40 -20 1 0 - ОбогреваемаясторонаНеобогреваемая сторона v y Ш X . І m M - V" Л I \ " РЧ 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 30Время, сек 0
Рисунок 3.3 – Динамика изменения температуры на обогреваемой и необогреваемой поверхностях стекла при воздействии теплового потока 14,874 кВт/м2
Разрушение стекла зависит от скорости роста температуры на поверхности, которая определяется динамикой нарастания падающего теплового потока. Как видно на графике (Рисунок 3.4), время разрушения при тепловом потоке 20 кВт/м в среднем равняется 1 – 1,5 мин. Было также установлено, что при тепловом потоке 4 кВт/м обычное стекло не разрушается в течение 30 минут. Такое значение падающего теплового потока можно считать «безопасным» для листового стекла толщиной 3 мм.
Испытания с различной динамикой нарастания теплового потока показали, что разрушение образцов происходит при близких значениях теплового потока -около 10 кВт/м и температуры 116 С (Рисунок 3.5). Отличие заключается во времени разрушения: при более интенсивной динамике нагрева разрушение происходит на 6 минуте испытания, при медленной динамике нагрева - на 9 минуте.
Результаты испытаний подтвердили зависимость времени разрушения листового стекла от динамики нарастания падающего теплового потока, которая имеет высокую вероятность в условиях реального пожара. Можно предположить, что, при различных режимах теплового воздействия, стекло начинает разрушаться при достижении температуры поверхности в диапазоне 80 - 100 С.
Динамика нагрева листового стекла 3 мм при медленном и быстром нарастании теплового потока Также результаты экспериментов дают основание полагать, что критериями разрушения стекла могут служить следующие факторы: - плотность падающего теплового потока на поверхность стекла, кВт/м; - скорость роста температуры поверхности стекла, С/с; достижение поверхностью стекла критической температуры.
Теплопроводностью называется свойство материалов передавать тепло от одной поверхности к другой [106]. В основе теории расчёта теплопроводности лежит закон Фурье. В соответствии с ним, тепловой поток прямо пропорционален температурному градиенту: Q = -Я— F, [Вт] (17)
Следовательно, величина коэффициента теплопроводности представляет собой количество тепла, которое проходит в единицу времени через единицу изотермической поверхности при температурном градиенте, равном единице.
Коэффициент теплопроводности имеет различные значения для разных веществ. Для каждого вещества коэффициент зависит от физических характеристик, природы тела, его пористости, влажности, давления, температуры и других параметров. На данный момент не существует аналитической зависимости коэффициента теплопроводности от физических характеристик, поэтому для расчётов значения берутся из справочных таблиц, составленных по опытным данным [106]. Одной из определяющих физических характеристик является температура. Для всех материалов с изменением температуры А. изменяется по линейному закону: Я = Л0[1 + bit - t0)]5 [Вт/м-С] (19) где Я0 - коэффициент теплопроводности при to С; b - постоянная, характеризующая приращение (уменьшение) материала при повышении его температуры на 1 С; t -температура, С.
Таким образом, численное значение коэффициента теплопроводности определяется опытным путем. Нами было установлено, что гель, входящий в состав огнестойкого стекла, во время нагрева меняет свои физические свойства. Из прозрачного гелевого вещества он превращается в твердый пористый материал. Время вспучивания составляет, в среднем, 1 минуту. Начало помутнения состава происходит при температуре 50-60 С на необогреваемой стороне образца. При температуре 100 С состав полностью вспучивается. Таким образом, с изменением структуры геля, меняется и его коэффициент теплопроводности.
Исследование особенностей разрушения огнестойкого светопрозрачного заполнения строительных конструкций с использованием водяного орошения при огневых испытаниях на крупномасштабной установке
В соответствии с проведённым анализом, одним из основных требований для СПК является необходимость определения требуемой пожароустойчивости. Пожароустойчивость светопрозрачного заполнения жилых и общественных зданий должна составлять не менее 10 минут. Для того чтобы достичь требуемой пожароустойчивости возможно применение средств противопожарной защиты, в частности водяного орошения. При этом, проведенные исследования показали, что необходимо учитывать некоторые особенности при защите СПК. Это связано с тем, что большинство стекол подвержены явлению «термического шока» и резкие перепады температуры (например, подача воды на нагретое стекло) могут спровоцировать преждевременное разрушение СПК.
Согласно исследованиям, проведенным зарубежными специалистами Kim, A. K., и Lougheed, G. D, [34], закаленное стекло может выдерживать воздействие температур до +350 С. Попадание воды на термоупрочненного стекло, нагретое до +150-165 С (для обычного стекла – +80-90 С), приводит к его преждевременному разрушению. Представленные значения температур могут варьироваться в зависимости от размеров и толщины стекла и не являются константами из-за фактора масштабности. Таким образом, 100 % защита от пожара указанных видов стекла, при помощи водяного орошения, невозможна.
Так как существует вероятность позднего срабатывания системы водяного орошения, необходимо уточнить критические значения прогрева для каждого типа СПК. Следовательно, существует риск преждевременного разрушения некоторых видов стекол при попадании на него воды, и система водяного орошения не может гарантировать полноценную защиту таких СПК.
В результате проведенных нами исследований было установлено, что огнестойкое стекло и триплекс не подвержены термическому шоку, так как у них есть «сдерживающий» слой плёнки (геля), который препятствует разрушению образца. При попадании воды на такие виды стекла происходит только усиление растрескивания, которое не влечёт за собой разрушения образца.
Важным вопросом является момент включения системы водяного орошения при пожаре. Проведенные нами исследования для огнестойкого стекла показали, что система должна включаться в момент, когда гель полностью вспучится, а температура на поверхности достигнет +100 С. Это связано с тем, что гелевые составы имеют водную основу и, при контакте с водой, быстро растворяются и теряют свои эксплуатационные свойства.
Эта особенность гелевых составов указывает на то, что применение водяного орошения не всегда является эффективным для огнестойкого стекла. При испытаниях различных огнестойких стекол было установлено, что вспученное гелевое заполнение стекол производства Pilkington и Glas Trsch, при контакте с водой, не теряет свою прочность. При этом гелевый состав, применяемый в огнестойких стеклах AGC, теряет свои физические свойства и превращается в песок. Аналогичный эффект обнаруживался как на маломасштабных так и на крупномасштабных испытаниях. Таким образом, прежде чем устанавливать систему орошения для огнестойкого стекла, необходимо убедиться в стойкости гелевого состава к воздействию воды.
Для триплекса момент включения системы водяного орошения должен наступать раньше, так как решающим фактором является наличие горючей пленки. Подача воды необходима до момента, когда плёнка начнёт гореть. Это примерно соответствует пятой минуте пожара. Температура начала разложения плёнки, как показали испытания, составляет 80 С.
При защите огнестойкого стекла и триплекса с необогреваемой стороны по-жароустойчивость возрастает меньше, чем при орошении с обогреваемой стороны, при которой она возрастает в 2 раза от первоначальной.
В зданиях с большой площадью остекления для АУП обычно применяются спринклерные оросители с температурой вскрытия замка +72 С. Такой запас необходим для защиты от ложных срабатываний, которые могут быть вызваны, например, солнечным излучением.
При этом, применяемые оросители не совсем подходит для защиты СПК, по причине позднего времени срабатывания. Для наилучшей защиты СПК, включение системы водяного орошения должно происходить от термопар, находящихся на стекле. Поэтому мы предлагаем использовать в спринклерных оросителях, вместо термических замков, мембраны, которые будут разрушаться в момент достижения поверхностью стекла критической температуры, отслеживаемой термопарами (Рисунок 4.21).
Также стоит обратить особое внимание на способ подачи воды для орошения. Проведенные испытания показали, что наилучшим является достижение равномерного орошения всей поверхности защищаемого стекла. Это связано с тем, что резкие перепады температуры, в случае неравномерного орошения, могут привести к разрушению СПК. Например, если вода начинает собираться в «ручейки», на границах орошения стекло начнет растрескиваться и, вследствие этого, разрушится. Таким образом, оросители и геометрические параметры системы орошения должны подбираться с учетом достижения равномерного орошения поверхности защищаемого стекла.