Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 . Современное состояние исследований распространения пожара по зданиям и сооружениям . 7
1.1.Опасные факторы пожара, влияющие на устойчивость зданий и сооружений 7
1 2. Распространение продуктов горения по зданиям при пожаре 9
1.3.Современное состояние противопожарной защиты 11
1.4. Матер и алы предназначенные для заполнения строительных пустот. 21
1.5 Огнестойкость строительных конструкций, зданий и сооружений 24
1.5.1.Несущая способность деревянных конструкций при огневом воздействии 29
Глава 2. Пожарная опасность пустотных строительных конструкций 33
2.1 .Классификация строительных пустот. 35
Глава 3. Теоретическое исследование факторов влияющих на развитие пожара по пустотным строительным конструкциям . 41
3.1.Разработка методики расчета давления при пожаре в помещении 41
3.2. Передача тепла при пожаре в многослойных строительных конструкциях, в зависимости от свойств заполнителя . 46
Глава 4. Методология огневых испытаний 55
Глава 5.Разработка конструктивной огнезащиты 58
5.1.Влияние структуры карбамидоформальдегидного пенопласта на распространения пожара. 58
5.2.Разработка состава силикатно-твердеющей пены 72
5.3. Разработка конструктивной огнезащиты пустотных конструкций 80
5.4.Определение группы горючести и оценка пожаровзрывоопасности конструктивной огнезащиты. 85
Глава 6.Экспериментальное исследование распространения горения в пустотных конструкциях. 87
6.1.Результаты расчетов распространения продуктов горения из условно герметичного помещения по зданию. 87
6.2.Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов по исследованию влияния герметизирующего материала на изменение температуры в пустотной конструкции. 90
6.3.Экспериментальное определение огнестойкости пустотной конструкции с огнезащитой. 98
Заключение 108
Литература 110
Приложения 119
- Распространение продуктов горения по зданиям при пожаре
- Огнестойкость строительных конструкций, зданий и сооружений
- Передача тепла при пожаре в многослойных строительных конструкциях, в зависимости от свойств заполнителя
- Разработка конструктивной огнезащиты пустотных конструкций
Введение к работе
Актуальность исследований. В соответствии с ГОСТ 12.1.004-91 «Пожарная безопасность. Общие требования» пожарная безопасность зданий и сооружений должна обеспечиваться системами противопожарной защиты. В настоящее время в нашей стране и за рубежом разработаны и научно обоснованны нормативные требования пожарной безопасности зданий и сооружений, учитывающие развитие научно-технического прогресса. Но, несмотря на это, продолжается эксплуатация зданий старой постройки, строительство которых велось с учетом требований пожарной безопасности существовавших на период их строительства. Недостаток противопожарных требований существовавших в то время объясняется ограниченными знаниями о характере развития пожара и отсутствием технологии производства негорючих строительных конструкций, не уступающих по своим эксплуатационным характеристикам горючим. В связи с этим при строительстве, вплоть до начала серийного производства железобетонных плит перекрытия повсеместно использовались деревянные конструкции. Наряду с тем, что дерево является горючим строительным материалом пожарная опасность деревянных строительных конструкций усугубляется наличием воздушных прослоек, которые необходимы для предохранения древесины от гниения, т.е. характеризуется наличием пустот.
Анализ развития пожаров произошедших в зданиях с горючими пустотными конструкциями показал, что огонь распространяется не только по наружным открытым для обзора поверхностям, но скрытно внутри конструкций. При этом развитие пожара сопровождается задымлением всего объема здания и распространением токсичных продуктов сгорания на значительное расстояние от зоны горения. Вследствие этого становиться невозможным пребывание людей и личного состава Государственной противопожарной службы (ГПС) без защиты органов дыхания. Ликвидация пожара осложняется и тем, что подача огнетушащих веществ на поверхность
пустотной конструкции не дает эффекта тушения. Поэтому тушение производят с их разборкой и одновременной подачей внутрь огнетушащих веществ. Это в свою очередь приводит к увеличению количества личного состава ГПС. Для сосредоточения сил и средств необходимо время, в течение которого огонь и продукты сгорания распространяются по всему зданию[1-9]. Учитывая опыт ликвидации подобных пожаров в г. Улан-Удэ на каждый пожар произошедший в зданиях с пустотными конструкциями, дополнительно высылаются силы и средства ГПС [1,10].
Практика показывает, что пламя и продукты горения, возникающие при пожаре в зданиях данного типа, быстро распространяются в объеме здания, образуя новые очаги горения, вызывая отравления людей и создавая сложную обстановку для работы пожарных подразделений. Поэтому вести борьбу с такими пожарами трудно и в ряде случаев они наносят значительный материальный ущерб, а иногда связаны с гибелью людей.
Такие пожары будут продолжаться, так на сегодняшний день в г. Москве около 30% всего жилого фонда здания с пустотами - это дома, построенные до 1955 года, 2835 из них дореволюционное зодчество, 4321 - возведены в период с 1917 по 1945 годы, а 3530 - послевоенное строительство[4]. Подобных зданий в г. Чита более 150, в г. Иркутске превышает 400 зданий, а в г. Улан-Удэ 541 [1]. Существующие методы огнезащиты позволяющие ограничить, распространение пожара в зданиях с пустотными строительными конструкциями связаны с конструктивными изменениями зданий и требуют значительных материальных затрат [6,9]. В тоже время существенное разнообразие пустотных строительных конструкций требует их анализа, и классификацию для разработки научно-обоснованных рекомендаций по их огнезащите.
Цель диссертационной работы:
- установить механизм и причины распространения пламени по пустотам строительных конструкций;
ь - разработка способов ограничивающих скрытое горение в_ пустотных
конструкциях. Научная новизна:
Теоретически доказано, что при диффузионном горении твердых горючих материалов в помещении развивается давление способное выдавливать продукты горения в пустоты строительных конструкций.
Теоретически и экспериментально доказано, что для герметизации строительных пустот наиболее целесообразно использовать негорючие материалы с максимально возможной теплопроводностью.
Впервые предложена методика для оценки пожаровзрывоопасности способа герметизации строительных пустот с использованием тонкоизмельченного материала содержащего кремний.
Установлен критерий достижения наименьшей дымопроницаемости' поропластов, имеющей вид максимально возможного отношения объема твердой фазы к средней толщине.
Разработаны эффективные пустотные конструкции с ограниченным развитием пожара.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Предложен алгоритм расчета скорости распространения продуктов горения по пустотным строительным конструкциям в зависимости от их геометрических размеров и шероховатости стенок. Результаты экспериментально-теоретических исследований по повышению пожарной безопасности зданий с пустотными строительными конструкциями используются Управлением Государственной Противопожарной Службой МЧС Иркутской области при разработке профилактических мероприятий по снижению пожарной опасности памятников архитектуры г. Иркустка.
Распространение продуктов горения по зданиям при пожаре
При возникновении пожара в одном из помещений здания продукты горения заполняют само это помещение и начинают поступать в смежные с горящим помещения. Попав в помещение, где нет очага пожара, продукты горения смешиваются с находящимся там воздухом и начинают выходить в следующее помещение и т.д. Путями распространения продуктов горения являются открытые проемы, различного рода каналы и шахты, щели в закрытых проемах, неплотности в местах сочленения конструкций и проходов электрического и инженерного оборудования. Движущими силами процесса распространения продуктов горения и пламени по зданию являются перепады давлений между помещениями здания и между помещениями и улицей, а также расширение газов за счет их нагревания. Перепады давлений являются следствием разности температур в различных помещениях здания и на улице, ветровых воздействий на здание, работы систем вентиляции. Процесс распространения продуктов горения по зданию подчиняется, в основном, тем же закономерностям, что и аэрация, т.е. движения воздуха в здании под действием разностей давлений, обусловленных разностью температур в различных помещениях и вне здания, и ветровых воздействий на здание. Система уравнений гидравлики, описывающая движения воздуха по зданию, включает в себя уравнения, связывающие перепады давлений на всех проемах помещения с расходами через эти проемы, и уравнения сохранения массы (интегральные уравнения неразрывности) для каждого помещения. Кроме того, используется уравнение состояния, связывающее температуру воздуха с плотностью [12]. Выше перечисленные методы хотя и позволяют решать определенные задачи, но они не учитывают специфику пожара.
Пожар представляет собой многогранный физико-химический процесс, включающий помимо горения явления массо - и теплообмена, развивающегося в пространстве. Различают три основных стадии развития пожара в помещении: начальную, основную (развитую) и конечную. Начальной стадии соответствует развитие пожара от небольшого источника зажигания до момента, когда помещения полностью охвачено пламенем. Основной стадии соответствует повышение среднеобъемной температуры помещения до максимума. На этой стадии сгорает 80-90% объемной массы сгораемых материалов. На конечной стадии завершается процесс горения и постепенно снижается температура.
На начальной стадии пожара в помещении воздух увеличивается в объеме и создается избыточное давление до нескольких десятков паскалей. Нагретый воздух выходит из неплотностей в стыках конструкций, через зазоры в притворах, воздуховоды и другие отверстия. Горение поддерживается кислородом воздуха, находящимся в помещении. Постепенно его концентрация снижается, и развитие процесса горения может замедлится, если помещение в достаточной степени изолировано от окружающей среды, не разрушена целостность окон, закрыты двери и заслонки воздуховодов. На начальной стадии пожара прогреваются материалы и конструкции, горение или тление распространяются на значительную площадь. Среднеобъемная температура поднимается до 200-300 С. Меняется состав газовой среды - концентрация кислорода падает с 21 до 14-16% [16-19].
Известно, что при температуре 250 С происходит разложение древесины (пиролиз) с выделением таких газов, как СО, СН4, Н2, С02, Н20 и т.д. [16,20].
Образующаяся газовая смесь уже способна к воспламенению. Учитывая, вышесказанное, ввиду отсутствия проемов или их малой площади из-за нехватки кислорода часть продуктов пиролиза твердых материалов под избыточным давлением может сгорать за пределами помещения.
Распространяясь в объеме здания через проемы, вентиляцию и образовавшихся вследствие пожара прогаров. Это объясняется выбросом пламени через проемы и образованием новых очагов горения происходящим на пожаре[16,17].
Согласно литературным данным в качестве фактора способствующего распространению пожара предложено, что давление, непосредственно формируемое пожаром создает выталкивающие силы, приводящие к вытеснению продуктов горения через вентиляционные проемы или через другие подходящие пути утечки газо-воздушыой смеси. Которое, определяется по выражению [16]:
Данный подход позволяет оценить прирост давления только при развившемся пожаре. В настоящее время расчет этого давления на начальной стадии пожара не производится и существующие методики [21-27] для этого не пригодны. Так как рассматривают пожар при вскрывшихся проемах и в качестве пожарной нагрузки используются горючие жидкости, т.е. не учитывают пиролиз древесины. Аэродинамические сопротивления, возникающие при движении газа, препятствуют распространению продуктов горения по пустотам, и его увеличение является одной из основных целей герметизации. Разработка методики, позволяющей определять величину давления внутри помещения на начальной стадии пожара, позволит производить оценку необходимости герметизации строительных пустот.
Огнестойкость строительных конструкций, зданий и сооружений
В настоящее время в нашей стране иод понятием огнестойкость строительных конструкций подразумевается свойство конструкций сохранять несущую и ограждающую способность в условиях пожара. Требования к огнестойкости строительных конструкций сосредоточены в СНиП 21-01-97 „Пожарная безопасность зданий и сооружений".
Потеря несущей способности при пожаре обозначает обрушение конструкции. В особо ответственных случаях понятие - потеря несущей способности - уточняется и принимается в зависимости от величины деформации и остаточной прочности конструкции, превышение которых при пожаре исключает возможность ее дальнейшей эксплуатации.
Под понятием - потеря ограждающей способности конструкции при пожаре - подразумевается прогрев конструкции до температур, превышение которых может вызвать самовоспламенение веществ, находящихся в смежных помещениях, или образование трещин (прогаров) в конструкциях через которые могут проникать продукты горения. Установлено, что прогрев ограждающих конструкций до температуры, равной 140-180 С, может представлять опасность для самовоспламенения различных твердых и жидких веществ (хлопок, линолеум, и т.д.) [16, 18, 30, 39]. Представляет интерес тот факт что, после прекращения действия теплового источника на поверхность конструкции ее внутренние слои продолжают нагреваться. В том числе продолжается повышаться температура и на необогреваемой поверхности. Это объясняется тем, что в течении известного времени в конструкции сохраняется перепад температур, способствующей передаче тепла от наиболее нагретых слоев к менее нагретым/ Опасность прогрева ограждающих конструкций увеличивается, если к их необогреваемой поверхности прислонены различные органические вещества или изделия из них [30].
Исходя из вышеизложенного, за призрак потери ограждающей способности строительной конструкции при пожаре принято считать повышение температуры на ее необогреваемой поверхности в среднем более чем на 140 С или в любой точке этой поверхности более чем на 180 С по сравнению с первоначальной температурой конструкции или более 220 С независимо от первоначальной температуры конструкции.
Огнестойкость строительных конструкций характеризуется пределом огнестойкости. Под понятием - предел огнестойкости - принято считать время до наступления одного или последовательно нескольких, нормируемых для данной конструкции, признаков предельных состояний. В нашей стране различают следующие основные виды предельный состояний строительных конструкций: потеря несущей способности (R); потеря целостности (Е); потеря теплоизолирующей способности (I).
Наступление предела огнестойкости строительных конструкций так или иначе связано с их прогревом до определенной температур, именуемых критическими. В связи с этим предел огнестойкости строительных конструкций
устанавливают опытным или расчетным путем, а также по специальным пособиям [21, 40-42, 46]. Опытное определение пределов огнестойкости строительных конструкций стандартизовано. Для более четкого определения пределов огнестойкости различают фактический и требуемый пределы. Пределы огнестойкости запроектированных или функционирующих конструкций принято называть фактическим и обозначают Пф. Пределы огнестойкости строительных конструкций, требуемых нормами или определяемых условиями безопасности, принято называть требуемыми и обозначают Пф. С учетом вышеизложенного требования безопасности для строительной конструкции считаются выполненными, если выполняется условие [13, 30]:
Пф Пф (1.3). Исходя из этого условия различные конструкции имеют разные пределы огнестойкости, вследствие чего по разному ведут себя при воздействии пожара. По сложившейся практике огнестойкость зданий и сооружений зависит от огнестойкости основных конструктивных элементов. Способность здания сопротивляться разрушению в условиях пожара - степень огнестойкости -характеризуется пределом огнестойкости и классом конструктивной пожарной опасности строительных конструкций. Разделение зданий по степеням огнестойкости в соответствии со СНиП 21-01-97 представлено в таблице 1.1.
Передача тепла при пожаре в многослойных строительных конструкциях, в зависимости от свойств заполнителя
Основное влияние на скорость распространения пламени оказывает толщина образца. Различают термически толстые и термически тонкие образцы. Такое деление основано на сравнении геометрической или физической толщины с термической, под которой понимают толщину слоя твердого материала, прогретого перед фронтом пламени выше начальной температуры к моменту распространения пламени на данный участок поверхности [90].
Если физическая толщина превышает термическую, такой образец называют термически толстым, если наоборот термически тонким. Отсюда следует, что температура со стороны образца, противоположной той, по которой распространяется пламя, перед фронтом пламени для термически толстого равна начальной температуре образца, а для термически тонкого -выше.
При увеличении толщины в пределах термически тонких образцов снижение скорости распространения пламени происходит главным образом вследствие увеличения теплопотерь от поверхности горения, связанных с прогревом материала вглубь. Для термически толстых образцов скорость распространения пламени не зависит от их толщины. Действительно, если физическая толщина превышает термическую, то дальнейшее увеличение толщины не приведет к изменению характера распространения температуры по глубине материала перед фронтом пламени и скорость горения останется неизменной. Роль материала подложки.
При анализе влияния толщины на скорость распространения пламени предполагалось, что с обратной распространению пламени поверхности образца находится воздух или другой газ. Однако в практике, например, при наклейке различных защитных декоративных покрытий на стены, металл, при изоляции электрических проводов и т. п. горючий образец (пленка) соприкасаясь с материалом (подложкой), теплофизические характеристики которого существенно отличаются от таковых газов. Если негорючая подложка обладает коэффициентом теплопроводности большим, чем у горючего материала, то она интенсифицирует сток тепла, поступающего от зоны пламени к поверхности горючего, вглубь твердой фазы. Чем меньше толщина горючего слоя, тем выше скорость оттока тепла от поверхности. Это замедляет рост температуры поверхностного слоя и, следовательно, уменьшает скорость распространения пламени. При достижении некоторой минимальной предельной толщины горючие покрытия уже не распространяют горение. Чем выше теплопроводность подложки, тем сильнее теплоотвод от поверхности горючего материала, тем при большей толщине горючего материала наступает прекращение горения. Очевидно, что, кроме теплопроводности, на величину предельной толщины покрытия будет оказывать влияние и масса подложки. Теперь непосредственно рассмотрим процесс передачи тепла при пожаре в конструкциях с пустотами.
Нестационарная теплопроводность наблюдается при нагревании ограждающих конструкций и оборудования в условиях пожара, при нагревании и охлаждении различных металлических заготовок при обжиге кирпича и т.д.
Во многих случаях решить аналитически задачу не возможно. Поэтому многие задачи о нестационарной теплопроводности в телах сложной формы решаются численными методами с использования ЭВМ. Численное решение представляется в виде таблицы цифр, по которой трудно установить влияние отдельных аргументов (независимых переменных и параметров) на развитие всего процесса или влияние одних величин па другие. Численные (или экспериментальные) методы позволяют найти решение для одного конкретного случая при фиксированных значения параметров. Для того чтобы придать результатам численного решения обобщенный характер, т.е. сделать решение пригодным не только для одного конкретного случая используются обобщенные параметры, представляющие собой безразмерные комплексы, составленные из заданных параметров математического описания процесса [22].
Чтобы получить обобщенную постановку задачи о нестационарной теплопроводности, переходят от уравнений в размерной форме к безразмерным уравнениям. Распределение температур в обогреваемой поверхности.
В тоже время в условиях пожара, когда температура продуктов горения стабилизировалась вследствие снижения интенсивности процессов горения из-за снижения концентрации кислорода (тление), а в пустотных строительных конструкциях существует постоянный воздухообмен, могут быть приняты условия стационарной теплопроводности. Переход интенсивного горения к тлению будет сопровождаться задымлением, снижением доли конвективного и лучистого теплообмена в процессе переноса теплоты в различные элементы строительных конструкций. Принимая эти условия можно считать, что температура внутри конструкции будет определяться в основном условиями теплоотдачи и теплопередачи. В случае если продукты горения отделены от ) воздуха плоской перегородкой рис.2.1, процесс передачи теплоты будет осуществляться в три стадии.
Разработка конструктивной огнезащиты пустотных конструкций
Для ограничения распространения пламени по пустотам строительных конструкций необходима их герметизация самовспенивающейся композицией, способной не растекаясь отверждаться при попадании в "пустоту" не давая усадки.
Этот результат достигается тем, что при осуществлении способі герметизации строительных пустот, включающего приготовление герметизирующей смеси, содержащей наполнитель и жидкое стекло, и подачу её і пустоты, отличающийся тем, что в герметизирующую смесь дополнительно вводят материал, содержащий тонкоизмельченный кремний, который предварительно подвергают механо-химической активации в присутствии щелочи при следующем соотношении компонентов, мас.%: материал, содержащий 90,0-99,8 тонкоизмельченний кремний щелочь 0,2-10
Механохимическая активация материала, содержащего тонкоизмельченный кремний в присутствии щелочи при указанном соотношении компонентов, является отличием от прототипа и доказывает новизну заявляемого технического решения [96, 97, 98].
Известно совместное дополнительное введение гидроксидов Na и А1 в состав, содержащий жидкое стекло и кремний, однако активирующего эффекта при этом практически не наблюдается. В результате осуществления заявляемого технического решения перемешанные компоненты за счет активированного материала содержащего тонкоизмельченный кремний вступают в реакцию вспенивания и отверждается гораздо быстрее, что приводит к снижению потерь тепла в окружающую среду, и, как следствие, уменьшается усадка, материалоемкость, увеличивается кратность, улучшается герметизация (смесь не отстает от стенок), увеличивается диапазон температур, при которых возможно использование данного способа, отпадает необходимость дополнительного нагрева, происходит испарение воды за счет выделения тепла, при зтоі\ просушивание и отверждение материала происходит более интенсивно, благодар; этому смесь меньше растекается и не расслаивается, материал заполняет пустое строительной конструкции. Проникновение герметизирующего раствора можеі регулироваться временем его отверждения, которое зависит от соотношенш материала содержащего тонкоизмельченный кремний: щелочь в процессе механохимической активации и содержания уже активированного кремния і используемом составе.
Способ осуществляется следующим образом. Материал, содержащий тонкоизмельченный кремний, измельчают до порошкообразного состояния к шаровой мельнице, затем производят отсев до фракции -100 МК. После этого фракцию -100 МК загружают в шаровую мельницу и производя! механохимическую активацию сухим методом в присутствии щелочи в течение 10 мин. Далее полученный материал смешивают с жидким стеклом, при постоянном перемешивании после начала реакции вводят наполнитель, после чего полученную смесь вводят в пустоты строительной конструкции.
Пример 1. Материал, содержащий тонкоизмельченный кремний фракции -100 мкм и массой 100 г обрабатывали в шаровой мельнице в течение 10 минут. Из полученного образца брали навеску 50 г, которую смешивали с 50 г жидкого стекла. Полученную смесь нагревали при перемешивании до 25 С и помещали в форму, температура которой составляла 18С. Через 30 минут происходило вспенивание, отверждение и высыхание герметизирующего состава, полученный образец имел кажущуюся плотность 158 кгхм" , усадка отсутствовала.
Пример 2. Материал, содержащий тонкоизмельченный кремний фракции -100 мкм и массой 100 г обрабатывали в шаровой мельнице в течение 10 минут. Навеску 45 г обрабатывали 20% раствором NaOH в количестве 5 г, после чего добавляли 50 г жидкого стекла смесь при перемешивании нагревали до 25 С и помещали в форму, температура которой составляла 18 С. Через 28 минут происходило вспенивание, отверждение и высыхание герметизирующего состава. Полученный образец имел кажущуюся плотность 145 кг х м"3, усадка отсутствовала.
Пример 3. Материал, содержащий тонкоизмельченный кремний фракции -100 мкм и массой 97,83 г смешивали с 2,17 г NaOH, полученную смесі обрабатывали в шаровой мельнице в течение 10 минут. После обработки навеск\ массой 46 г смешивали с 4 г воды и 50 г жидкого стекла и помещали в форму, температура которой составляла 18 С. Через 8 минут произошло вспенивание, отверждение и высыхание герметизирующего состава. Полученный образец имел кажущуюся плотность 126 кгхм" , усадка отсутствовала.
Пример 4. Материал, содержащий тонкоизмельченный кремний фракции -100 мкм и массой 100 г обрабатывали в шаровой мельнице в течение 10 минут. Из полученного образца брали навеску 30 г, которую смешивали с 50 г жидкого стекла 20 г S1O2. Полученную смесь нагревали до .25С и помещали в форму, температура которой составляла 18 С. Через 38 минут происходило вспенивание, отверждение и высыхание герметизирующего состава, полученный образец имел кажущуюся плотность 227кгхм"3, усадка отсутствовала.
Пример 5. Материал содержащий тонкоизмельченный кремний фракции -100 мкм и массой 30 г смешивали с 2 rNaOH полученную смесь обрабатывали в шаровой мельнице в течении 10 минут. После обработки полученную смесь массой 32 г смешивали с18 г Si02 и 50г жидкого стекла и помещали в форму, температура которой составляла 18 С. Через 28 минут произошло вспенивание, отверждение и высыхание герметизирующего состава. Полученный образец имел кажущуюся плотность 220 кгхм" , усадка отсутствовала.
