Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЛОКАЛЬНОГО ПОЖАРА

Изобретение относится к области исследования материалов строительных конструкций с помощью тепловых средств и предназначено, в частности, для оценки параметров локального пожара (длительность-температура: τ_лок, мин - t_лок,_,max, °C) путем изучения последствий огневого воздействия натурного пожара на деревянное перекрытие с воздушными полостями в его толще.

Известен способ выявления параметров локального пожара, включающий изготовление огневой «камеры - весы», предварительную установку в ней регистрирующей аппаратуры до начала огневых испытаний, заполнение камеры горючей загрузкой в виде брусков из древесины, сжигание ее, построение опытного графика изменения в камере средней температуры во времени (t_on, °C - τ_on, мин) и накладку на него графика стандартного пожара (t_ст °C - τ_cт,_, мин), сопоставляя площади эпюр температуры; при этом площадь эпюры температуры опытного пожара ограничивают ординатой t_min=600°C, принимая ее за температуру окончания пожара (τ_ок, мин) / Огнестойкость зданий / В.П. Бушев, В.А. Пчелинцев, B.C. Федоренко, А.И. Яковлев (гл. 2, п. 4: Основные положения методики исследования температурных режимов пожаров; рис. 5), М.: Стройиздат, 1970, с. 17-21 / [1].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относятся следующие: каждый происшедший пожар в здании индивидуален, изготовление же огневой камеры (фрагмента здания), схожей со зданием, поврежденным огнем, требует больших материальных затрат и длительных сроков испытания, однако результаты опытного изучения тепловых режимов существенно разняться с натурными пожарами; при использовании огневой «камеры-весы» возможно исследование развития пожара, в основном для жилых комнат, для разнообразных помещений другого назначения (производственные здания, склады и другие) известный способ оценки параметров пожара не используют, оценку интенсивности натурного пожара по зонам огневого воздействия не производят; график изменения температуры во времени в известном способе ограничен ординатой t_min=600°C (температура окончания пожара), это для большинства случаев натурных пожаров недостоверно.

Известен способ выявления параметров локального пожара в помещениях зданий различного назначения, включающий определение интегральных теплотехнических параметров свободно развивающегося пожара в помещении, выявляя вид стихийного горения (горение, регулируемое пожарной нагрузкой или вентиляцией); расчет среднеобъемной температуры в помещении; представление математического описания изменения температуры при свободно развивающемся пожаре в зависимости от проектной пожарной загрузки, приведенной к древесине, и длительность начальной стадии / ГОСТ Р 12.3.047 - 98 ССБТ. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля (Приложение К: «Методы расчета температурного режима в помещениях зданий различного назначения»). М.: Госстандарт России, 1998, с. 33-38 [2].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относятся следующие: невозможно определение изменения параметров пожара по зонам интенсивности огневого воздействия на строительные конструкции здания; недостоверна оценка теплотехнических параметров не свободно развивающегося пожара (например, с учетом затрудненного газообмена).

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ выявления параметров локального пожара в здании путем изучения последствий огневого воздействия на строительные конструкции, включающий проведение технического осмотра деревянных конструкций, подвергшихся огневому воздействию натурного пожара; приближенное описание развития пожара и состояния строительных конструкций после него, очерчивая зоны разрушительности огневого воздействия по участкам здания; приближенное определение параметров теплового режима пожара / Ильин, Н.А. Техническая экспертиза зданий, поврежденных пожаром (Гл. 2 «Исследование огневого воздействия пожара на строительные конструкции зданий»), М.: Стройиздат, 1983, с. 82-110 [3] - принято за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относятся следующие: выявление основных параметров происшедшего локального пожара по степени разрушительности (интенсивности) огневого воздействия на обследуемые контрольные участки деревянных конструкций можно произвести приближенно, с большой погрешностью.

Сущность изобретения заключается в следующем: задача, на решение которой направленно изобретение, состоит в повышении точности и достоверности выявления параметров локального пожара (температура-время) путем изучения последствий огневого воздействия на деревянные конструкции здания, в снижении трудоемкости и сокращении сроков проведения технического осмотра и испытания материалов термически поврежденных конструкций.

Технический результат - получение достоверной оценки основных параметров прошедшего локального пожара по степени разрушительности (интенсивности) огневого воздействия на обследуемые контрольные участки деревянных конструкций; определение длительности натурного локального пожара; нахождение фактической горючей загрузки, действовавшей при пожаре на обследуемые контрольные участки деревянных конструкций здания; нахождение наибольших, максимально возможных, температур локального пожара; определение толщины обугленного слоя древесины с учетом формы поперечного сечения деревянных конструкций и реальных схем обогрева; математическое описание изменения температуры локального пожара в зависимости от массовой скорости выгорания строительной древесины в условиях затрудненного газообмена; расшифровка данных, зафиксированных древесиной строительной конструкции, выступающей естественным термоиндикатором; снижение трудоемкости и сокращение сроков проведения технического осмотра, испытаний материалов термоповрежденных деревянных конструкций и материальных затрат на проведение восстановительных работ в здании; упрощение камеральной обработки результатов исследования параметров локального пожара.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе выявления параметров локального пожара, включающем проведение технического осмотра строительных конструкций деревянного перекрытия здания, подвергавшихся действию термического градиента в условиях локального пожара; выявление схемы огневого воздействия на составные элементы перекрытия; установление породы и сорта строительной древесины, показателей ее плотности и влажности в естественном состоянии, массивности элементов деревянного перекрытия, нахождение нормативного сопротивления строительной древесины на изгиб и скорости ее выгорания, особенностью является то, что технический осмотр деревянного перекрытия здания дополняют инструментальными измерениями геометрических размеров площади горения, назначают контрольную ячейку перекрытия в очаге пожара, измеряют площадь поперечного сечения проемов ячейки перекрытия, вычисляют показатель проемности ячейки перекрытия; определяют толщину слоя обугливания поперечного сечения элементов деревянного перекрытия; вычисляют величину горючей загрузки, массовую скорость выгорания строительной сосновой древесины в ячейке перекрытия и коэффициент снижения скорости выгорания сосновой древесины, затем выявляют длительность локального пожара и максимальную температуру локального пожара, причем показатель проемности ячейки перекрытия вычисляют по алгебраическому уравнению:

где α - показатель проемности ячейки перекрытия; А_щел - площадь проема, щели в стенах ячейки, м²; А_гор - площадь горения в ячейке перекрытия, м²; массовую скорость выгорания сосновой древесины m_ν;зго, кг/(м²·мин), в ячейке перекрытия в условиях затрудненного газообмена при локальном пожаре определяют по алгебраическому уравнению:

где m_ν,зго - массовая скорость выгорания древесины кг/(м²·мин) в условиях затрудненного газообмена; ν_о - линейная скорость обугливания древесины (мм/мин) в условиях нормального газообмена, вычисляемая по математическому выражению:

где ψ_o,i=1÷1,33 - показатель, учитывающий расположение элементов деревянного перекрытия в пространстве; ρ - плотность древесины, кг/м³;

С - комплексный показатель условий выгорания древесины при нормальном газообмене, вычисляемый по математическому выражению:

где R_u - нормативное сопротивление (МПа) древесины на изгиб; ω - влажность древесины, %; b - толщина доски (см) деревянного наката перекрытия;

δ_ou - толщина слоя обугливания (см) доски деревянного наката, вычисляемая по алгебраическому уравнению:

J_σo - интенсивность силовых напряжений в доске деревянного наката к началу пожара в пределах (0,1÷0,9);

коэффициент снижения скорости выгорания сосновой древесины (k_ro) при различном показателе проемности (α) ячейки перекрытия вычисляют по алгебраическому уравнению:

где k_го - коэффициент снижения скорости выгорания древесины в ячейке перекрытия в условиях затрудненного газообмена при локальном пожаре; m_ν,α - массовая скорость выгорания древесины (кг/(м²·мин)) в условиях различного газообмена; m_ν,max=0,88 кг/(м²·мин) - максимальная массовая скорость выгорания сосновой древесины в условиях нормального газообмена;

длительность локального пожара τ_лок, мин, вычисляют по алгебраическому уравнению:

где τ_лок - длительность локального пожара, мин; g₀ - горючая загрузка в ячейке перекрытия, кг/м²; m_ν,зго - массовая скорость выгорания древесины в условиях затрудненного газообмена, кг/(м²·мин);

максимальную температуру локального пожара t_τ,зго, °C, в условиях затрудненного газообмена локального пожара вычисляют по формуле:

где t_τ,зго - максимальная температура горячих газов (°C) в условиях затрудненного газообмена; m_ν,зго - массовая скорость выгорания древесины (кг/(м²·мин)) в условиях затрудненного газообмена.

Выявление параметров прошедшего локального пожара ведут при положительной и отрицательной температуре воздуха.

На чертежах представлено:

На фиг. 1 изображен план ячейки деревянного перекрытия с несущими стальными балками в осях 5-7 / Е-Ж здания: 1 - стальной двутавр №32 (h=320 мм); 2 - деревянный брус (b×h=200×50 мм).

На фиг. 2 изображено сечение 1-1 ячейки перекрытия: 1 - стальной двутавр №32 (h=320 мм); 2 - деревянный брус (b×h=200×50 мм); 3 - вертикальный брус (b×h=200×50 мм); 4 - верхний настил (необрезная доска - 30 мм); 5 - черновой пол (обрезная доска - 50 мм); 6 - брус в теле двутавра (70×320×1130 мм); 7 - нижний настил (потолок; обрезная доска - 50 мм); 8 - штукатурка по обрешетке (δ=30 мм).

На фиг. 3 изображено сечение 2-2 ячейки деревянного перекрытия: (позиции 1÷8 см. фиг. 2).

На фиг. 4 изображен график изменения температуры внутреннего пожара в перекрытии в зависимости от массовой скорости выгорания строительной древесины: I - данные опыта; II - график функции (8).

Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом заключена в следующем.

Разработка методики оценки тепловой (огневой, пожарной) загрузки, действовавшей на деревянные конструкции, позволяет получить более точную и достоверную оценку основных параметров температурного режима локального пожара и, как следствие, степень разрушительности локального пожара на обследуемые конструкции здания.

Контрольные ячейки деревянной конструкции назначают по результатам технического осмотра, который предполагает обнаружение и фиксацию очага поражения и прилегающие к нему участки повреждения конструкций, отыскание термосвидетелей, характеризующих температурные режимы локального пожара.

Определение в процессе технического осмотра толщины обугленного слоя древесины δ_ou, мм, позволяет достоверно оценить величину комплексного показателя выгорания древесины.

Расшифровка данных зафиксированных древесиной строительной конструкции, выступающей естественным термоиндикатором, заключается в измерении толщины обугленного слоя древесины, в определении показателей условий нагрева поперечного сечения элемента конструкции.

Снижение трудоемкости и сокращение сроков проведения технического осмотра, испытания материалов термоповрежденных деревянных конструкций и снижение материальных затрат на проведение восстановительных работ возможно при использовании предлагаемого способа выявления параметров локального пожара в пустотном деревянном перекрытии.

Упрощение камеральной обработки результатов исследования пожара возможно при использовании предлагаемого способа выявления длительности и наибольших температур локального пожара по представленным аналитическим зависимостям (7)÷(8).

Пример практического применения. Техническим осмотром частей перекрытия 2-го этажа установлено, что подлежащее реставрации двухэтажное общественное здание с массивными каменными стенами содержит деревянное перекрытие со стальными несущими балками в виде прокатного двутавра №32 из стали марки Ст.3, установленными с шагом 1,5 м. Состав перекрытия второго этажа: 1 - стальной двутавр №32 (h=320 мм); 2 - деревянный брус (b×h=200×50 мм); 3 - вертикальный брус (b×h=200×50 мм); 4 - верхний настил (необрезная доска - 30 мм); 5 - черновой пол (обрезная доска - 50 мм); 6 - брус в теле двутавра (70×320×1130 мм); 7 - нижний настил (потолок; обрезная доска - 50 мм); 8 - штукатурка по обрешетке (δ=30 мм).

Конструкция перекрытия была разделена продольными металлическими балками и поперечными деревянными брусьями на замкнутые пространства (ячейки) с узкими щелями, через которые происходил затруднено газообмен в условиях замедленного горения древесины в процессе пожара. В условиях внутреннего локального пожара в пустотном перекрытии замедленное горение древесины являлось неполным. Затрудненный газовый обмен вызывался недостаточным поступлением воздуха в отдельные замкнутые объемы (ячейки) перекрытия здания. Удельная горючая нагрузка в замкнутом объеме ячейки пустотного перекрытия равна:

Древесина сосновая - горючий материал; влажность ω=9%, плотность ρ=500 кг/м³; теплопроводность λ=0,37 Вт/(м·К); теплота сгорания 20,32 МДж/кг; показатель горючести более 2,1; температура самовоспламенения 400°C; температура тления 295°C.

Величина массовой скорости выгорания m_v, кг/(м²·мин), существенно снижается с уменьшением площади проема (А_щел, м²) через который осуществляется газовый обмен.

Требуется выявить максимальную температуру и длительность локального пожара.

Решение: 1. Удельная площадь (проекция на горизонтальную поверхность) горения в замкнутом пространстве ячейки перекрытия вычислена по уравнению:

где l₁ - шаг стальных двутавровых балок №32, м; l₂ - шаг поперечных деревянных брусьев перекрытия, м.

Размер площади проема (щели) пустотного перекрытия для доступа воздуха к месту горения вычисляют по уравнению:

где h_щел=Н-2·δ₁-Н_σ=520-2·50-320=100 мм=0,1 м - ширина щели. Показатель проемности замкнутого пространства (ячейки) перекрытия вычисляют по алгебраическому уравнению (1):

2. Массовую скорость выгорания эталонной сосновой древесины (при показателе проемности α=0,1) вычисляют по алгебраическому уравнению:

3. При нормальных условиях газообмена максимальная массовая скорость выгорания эталонной древесины m_v,max=0,88 кг/(м²·мин), следовательно, показатель снижения скорости выгорания древесины в условиях затрудненного газового обмена при пожаре (зго) вычисляют по алгебраическому уравнению (6):

4. Среднюю линейную скорость обугливания υ₀, мм/мин, древесины вычисляют по математическому выражению (3):

где С - комплексный показатель условий выгорания строительной древесины при нормальных условиях газового обмена, определяемый по математическому выражению (4):

5. Удельную массовую скорость выгорания древесины m_v, кг/(м²·мин), в условиях нормального газообмена при пожаре вычисляют по алгебраическому уравнению (9):

где ν₀=1,12·10^-3 - линейная скорость выгорания древесины, м/мин; ρ=500 - плотность сосновой древесины, кг/м³.

6. Удельную массовую скорость выгорания сосновой древесины m_v,_зго, кг/(м²·мин), в условиях затрудненного газового обмена внутреннего локального пожара в замкнутых объемах ячеек перекрытия вычисляют по алгебраическому уравнению (10):

7. Длительность локального пожара τ_лок, мин, вычисляемая по алгебраическому выражению (7), равна:

8. Максимальную температуру горячих газов локального пожара, окружавших стальные двутавровые балки в замкнутых пространствах (ячейках) деревянного перекрытия в условиях затрудненного газового обмена, вычислим по формуле (8):

Данные исследования натурного пожара, приведенного к стандартному, были использованы при оценке разрушительности локального пожара на деревянное перекрытие со стальными балками в процессе реставрации с элементами реконструкции памятника истории и культуры «Усадьба Курлиных», г. Самара, ул. Фрунзе, 159/15; (2009-2013 г. ).

Источники информации

1. Огнестойкость зданий / В.П. Бушев, В.А. Пчелинцев, B.C. Федоренко, А.И. Яковлев (гл. 2, п. 4: «Основные положения методики исследования температурных режимов пожаров»; рис. 5). М.: Стройиздат, 1970, с. 17-21.

2. ГОСТ Р 12.3.047 - 98 ССБТ. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля (Приложение К: «Методы расчета температурного режима в помещениях зданий различного назначения»). М.: Госстандарт России, 1998, с. 33-38.

3. Ильин Н.А. Техническая экспертиза зданий, поврежденных пожаром (Гл. 2 «Исследование огневого воздействия пожара на строительные конструкции зданий»). М.: Стройиздат, 1983, с. 82-110.