СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ МАССОВОЙ СКОРОСТИ ВЫГОРАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ В ПЕРЕКРЫТИИ ЗДАНИЯ

Изобретение относится к области пожарной безопасности, к исследованию параметров горения твердых веществ, строительных материалов и деревянных конструкций, в частности к определению массовой скорости выгорания древесины конструкций в условиях затрудненного газообмена при локальном пожаре в здании.

Необходимость определения показателей выгорания древесины строительных конструкций возникает при их проектировании и эксплуатации в соответствии с требованиями пожарной безопасности строительных норм и правил, при их работе в условиях огневого воздействия и внешней нагрузки и/или после пожара. Необходимость выявления величины массовой скорости выгорания древесины строительных конструкций возникает при определении фактических (проектных) пределов огнестойкости и показателей пожароустойчивости деревянных конструкций, при проведении пожарно-технической или строительной экспертизы состояния безопасности строительных конструкций после пожара.

Известен способ выявления массовой скорости выгорания твердых материалов в муфельной печи при t=920±10°C, в котором испытуемый образец древесины размером 150×60×30 мм сначала взвешивают и затем укладывают на фарфоровые салазки, прикрепленные кронштейном к торговым весам. При опыте фиксируют момент воспламенения образца и моменты потери образцом каждые (5-10) г массы до прекращения пламенного горения. Получив еще 5÷10 точек по потере массы при тлении образца, опыт прекращают. Полученные результаты обрабатывают; по ним строят график выгорания образца и рассчитывают массовую скорость выгорания образца за фиксированный промежуток времени m_υ, кг/(м²·сек)/ Монахов В.Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. / В.Т.Монахов - М.: Химия, 1972. - С.288-290 / [1].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе массовую скорость выгорания древесины поперечного сечения образца деревянных конструкций можно определить косвенным путем, приближенно; при этом невозможно определить массовую скорость выгорания натурных деревянных конструкций, имеющих другие геометрические размеры и различные условия газового обмена, при этом не учитываются фактические (проектные) прочность, плотность и влажность древесины, массивность сечения элементов деревянных конструкций и условия обогрева деревянных конструкций при внутреннем локальном пожаре в перекрытии здания.

Известен способ определения массовой скорости выгорания твердых материалов, в котором опытный образец изготовляют в виде цилиндра длиной 150 мм, диаметром 15 мм и укрепляют на валу вращающегося механизма. Затем образец воспламеняют в среде окислителя в реакционной камере, вращая его в процессе горения вокруг своей оси с заданной скоростью. По результатам регистрации изменения диаметра и массы образца во времени его горения, рассчитывают скорость выгорания материала. При этом предполагается повышение точности выявления искомого параметра - массовой скорости выгорания материала, m_υ, кг/м²·сек / Штейнберг, А.С. А.с. 1434963, МКИ-5, G01N 25/50, «Способ определения скорости выгорания твердых безгазовых и газифицирующихся при горении материалов». / А.С.Штейнберг, В.Н.Воробьев, Н.А. Халтуринский и др. Опубл. 07.01.91. Бюл. №1 / [2].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе массовую скорость выгорания поперечного сечения образца деревянных конструкций можно выявить косвенным путем, приближенно; при этом невозможно определить показатели выгорания натурных деревянных конструкций, имеющих другие геометрические размеры и различные условия газового обмена, при этом не учитываются фактические (проектные) прочность, плотность и влажность древесины, массивность сечения и условия обогрева элементов деревянных конструкций при внутреннем локальном пожаре в перекрытии здания.

Известен способ определения массовой скорости выгорания древесины строительных конструкций здания путем неразрушающего испытания, включающего проведение технического осмотра, выявление схемы обогрева поперечных сечений элементов деревянных конструкций в условиях пожара в здании, установление вида древесины и определение скорости обугливания деревянных конструкций в зависимости от расчетного сопротивления древесины на изгиб (R_u, МПа), длительности огневого воздействия (τ, мин) и глубины обугливания древесины посередине стороны прямоугольного сечения балки (x₁, мм) или по радиусу закругления углов сечения (x₂, мм) / Ильин, Н.А. Техническая экспертиза зданий, поврежденных пожаром. - М.: Стройиздат, 1983. - С.101-103 / [3].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе оценку скорости обугливания деревянных конструкций производят приближенно, при ограниченном (два из шести возможных) числе единичных показателя качества (R, МПа; τ, мин); при этом длительность огневого испытания деревянных конструкций принимают равной длительности исследуемого натурного пожара, τ, мин, в ограниченных пределах (10÷120) мин; в качестве одного из показателей качества деревянных конструкций в известном способе принято расчетное сопротивление древесины сжатию R, МПа, при котором не учитываются особенности сопротивления древесины деревянных конструкций термосиловому воздействию в условиях пожара в здании; в известном способе не учтено влияние плотности ρ, кг/м³, и влажности ω, %, древесины, массивности сечения деревянных конструкций (b_min, см) и расположения элементов деревянных конструкций в пространстве здания (ψ₀); следовательно, экономические затраты в известном способе возрастают за счет проведения дополнительных огневых испытаний, уточняющих фактические показатели выгорания древесины.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ выявления скорости обугливания деревянных конструкций здания путем неразрушающего испытания, включающего проведение технического осмотра, выявление расположения деревянных конструкций в пространстве здания и схемы обогрева поперечных сечений деревянных конструкций в условиях пожара, установление породы древесины, плотности и влажности древесины в естественном состоянии, нормативного сопротивления сортовой древесины на изгиб и определение скорости обугливания деревянных конструкций здания / Ильин Н.А. Патент RU №2282179, МПК-7, G01N 25/00 «Способ определения скорости обугливания деревянных конструкций здания» / Н.А.Ильин, К.П. Козлито, В.Н.Ильина и др; заявка СГАСУ 06.09.04, опубл. 20.08.06. Бюл.№23 [4], - принято за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе выявление массовой скорости выгорания древесины возможно косвенным путем, приближено, при этом не учитывается влияние проемности замкнутого пространства контрольной ячейки перекрытия на условия газообмена при внутреннем пожаре; вследствие этого невозможно выявить показатели массовой скорости выгорания древесины при затрудненных условиях газообмена.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в установлении показателей пожароопасности здания в части его устойчивости, в выявлении массовой скорости выгорания древесины в условиях затрудненного газообмена, в оценке фактических пределов пожароустойчивости несущих элементов деревянных конструкций при их проектировании или реконструкции; в снижении экономических затрат при испытании строительных конструкций на огнестойкость или пожароустойчивость.

Технический результат - испытание строительной древесины несущей деревянной конструкции здания без огневого воздействия, неразрушающими методами, по комплексу единичных показателей качества; снижение трудоемкости определения показателей возгораемости деревянных конструкций; расширение технологических возможностей оценки массовой скорости выгорания деревянных конструкций любой толщины, имеющих различное напряженное состояние и различно расположенных в пространстве; математическое описание процесса массовой скорости выгорания древесины в условиях затрудненного газообмена; повышение точности и экспрессивности испытания, повышение достоверности контроля качества строительных деревянных конструкций и неразрушающих испытаний; снижение экономических затрат на испытание.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе путем испытания строительной древесины неразрушающими методами по комплексу единичных показателей ее качества, включающем проведение технического осмотра перекрытия, выявление схемы огневого воздействия на составные элементы перекрытия в условиях пожара, установление породы и сорта строительной древесины, показателей ее плотности и влажности в естественном состоянии, массивности элементов деревянных конструкций перекрытия, нахождение нормативного сопротивления строительной древесины на изгиб и скорости ее обугливания, особенностью является то, что технический осмотр дополняют инструментальными измерениями геометрических размеров площади горения, назначают контрольную ячейку перекрытия в очаге пожара, измеряют площадь поперечного сечения проемов ячейки перекрытия, выявляют схему расположения элементов конструкции в ячейке перекрытия, а также дефекты и термоповреждения составных элементов перекрытия, затем вычисляют показатель проемности ячейки перекрытия, выявляют массовую скорость выгорания строительной древесины в условиях нормального газообмена, определяют коэффициент снижения массовой скорости выгорания древесины в условиях затрудненного газообмена, затем вычисляют комплексный показатель условий выгорания строительной древесины и величину линейной скорости обугливания ее в условиях нормального газообмена и, используя полученные единичные показатели качества, выявляют массовую скорость выгорания строительной древесины в объеме ячейки перекрытия в условиях затрудненного газообмена при локальном пожаре.

Показатель проемности ячейки перекрытия вычисляют по алгебраическому уравнению (1):

где α - показатель проемности ячейки перекрытия;

A_щ и A_гор - соответственно площадь проема, щели в стенках ячейки и площадь горения ячейки перекрытия, м².

Массовую скорость выгорания древесины m_v,α, кг/(м²·мин), в зависимости от показателя проемности (α) ячейки перекрытия определяют по математической зависимости (2):

где m_v,α - массовая скорость выгорания древесины при различном газообмене, кг/(м²·мин);

α - показатель проемности контрольной ячейки перекрытия здания.

Коэффициент снижения массовой скорости выгорания древесины в перекрытии при различном показателе проемности стенок ячейки вычисляют по алгебраическому уравнению (3):

где k_го - коэффициент снижения массовой скорости выгорания древесины в ячейке перекрытия в условиях затрудненного газообмена при пожаре;

m_v,α - массовая скорость выгорания древесины, кг/(м²·мин), в условиях различного газообмена;

m_v,max - 0,88 кг/(м²·мин) - максимальная массовая скорость выгорания сосновой древесины в условиях нормального газообмена.

Комплексный показатель (C) условий выгорания древесины при нормальном газообмене находят по математическому выражению (4):

где b - толщина доски деревянного наката перекрытия здания, см;

R_u - нормативное сопротивление строительной древесины на изгиб, МПа, - по приложению 2 СНиП II-25-80 «Деревянные конструкции»;

ω - влажность строительной древесины, %;

δ_о - предельная толщина слоя обугливания доски, см, вычисляемая по алгебраическому уравнению (5):

J_σо - интенсивность силовых напряжений в доске к началу пожара; в пределах 0,1÷1,0.

Линейную скорость обугливания древесины V_о, мм/мин, находят по математическому выражению (6):

где V_о - линейная скорость обугливания древесины, мм/мин;

Ψ_o,i - показатель, учитывающий расположение элементов деревянных конструкций в пространстве, в пределах 1,0-1,33;

ρ - плотность древесины, кг/м³;

C - комплексный показатель условий выгорания древесины.

Массовую скорость выгорания древесины в условиях нормального газообмена при пожаре m_v, кг/(м²·мин), находят по алгебраическому уравнению (7):

где m_v - массовая скорость выгорания древесины, кг/(м²·мин);

ρ - плотность древесины, кг/м³;

V_о - линейная скорость обугливания древесины, м/мин.

Массовую скорость выгорания древесины m_v,зго, кг/(м²·мин) в ячейке перекрытия в условиях затрудненного газообмена при пожаре определяют по алгебраическому уравнению (8) или (9):

или

где m_v,зго - массовая скорость выгорания древесины в ячейке перекрытия в условиях затрудненного газообмена, кг/(м²·мин);

k_го - коэффициент снижения скорости выгорания древесины в ячейке перекрытия в условиях затрудненного газообмена;

m_v - массовая скорость выгорания древесины в ячейке перекрытия в условиях нормального газообмена, кг/(м²·мин);

V_о - линейная скорость обугливания древесины, м/мин;

ρ - плотность древесины, кг/м³;

α - показатель проемности ячейки перекрытия.

За единичные показатели качества, влияющие на массовую скорость выгорания древесины строительной конструкции, принимают геометрические размеры деревянной конструкции, площадь горения в контрольной ячейке, площадь поперечного сечения проемов замкнутого пространства конструкции, нормативную нагрузку при пожаре или интенсивность напряжений в расчетном сечении элемента деревянной конструкции, нормативное сопротивление сортовой древесины на сжатие и на изгиб, предельную толщину слоя обугливания элемента деревянной конструкции, влажность и плотность древесины, расположение деревянной конструкции в пространстве здания и условия ее обогрева при пожаре.

Выявление массовой скорости выгорания древесины строительной конструкции в перекрытии здания в условиях затруднительного газообмена прошедшего пожара ведут при положительной и отрицательной температуре воздуха.

Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом изобретения заключена в следующем: устранение огневых испытаний в существующем здании и замена их на неразрушающие испытания снижает трудоемкость оценки показателей возгораемости строительных материалов и конструкций, расширяет технологические возможности определения массовой скорости выгорания различно напряженных деревянных конструкций любых размеров в условиях эксплуатации здания без нарушения его функционального процесса, а также сопоставления полученных результатов со стандартными огневыми испытаниями аналогичных деревянных конструкций. Следовательно, условия испытания строительных конструкций на возгораемость и пожароустойчивость значительно упрощены и экономически целесообразны.

Определение массовой скорости выгорания древесины строительных конструкций только по одному показателю качества, например, по прочности древесины, приводит, как правило, к существенной ее недооценке. Вследствие этого в предложенном способе оценку массовой скорости выгорания древесины строительных конструкций предусматривают не по одному показателю, а по комплексу единичных показателей их качества. Это повышает точность оценки ее фактического значения. Уточнен комплекс единичных показателей качества сжатых и изгибаемых деревянных конструкций, влияющих на массовую скорость выгорания древесины, определяемых неразрушающими испытаниями.

На фиг.1÷3 изображена ячейка деревянного перекрытия здания с несущими стальными балками: план (фиг.1); разрез (фиг.2) и разрез 2-2 (фиг.3):

1 - двутавр стальной №32; 2 - утеплитель; 3 - брус высотой 200 мм; 4 - черновой пол; 5 - брус высотой 320 мм; 6 - необрезная доска; 7 - обрезная доска; 8 - штукатурка; в кружках показаны координационные оси здания.

На фиг.4 изображены графики зависимости m_v,α=f(α), т.е. массовой скорости выгорания m_v,α, кг/м²·мин строительной древесины от показателя проемности замкнутого пространства (α=A_щ/A_гор) пустотного канала деревянного перекрытия: I - график изменения опытных данных; II - график степенной функции (2).

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного выше технического результата.

Последовательность действия способа выявления массовой скорости выгорания древесины строительных конструкций состоит в следующим. Сначала проводят технический осмотр здания, включая в него детальное освидетельствование элементов деревянного перекрытия, назначают контрольную ячейку перекрытия в зоне интенсивного горения в условиях пожара; выявляют схему расположения элементов конструкции контрольной ячейки перекрытия, а также дефекты и термоповреждения составных элементов перекрытия, затем вычисляют показатель проемности объема контрольной ячейки перекрытия, выявляют массовую скорость выгорания строительной древесины в условиях нормального газообмена при пожаре, определяют коэффициент снижения массовой скорости выгорания древесины в условиях затрудненного газообмена, затем вычисляют комплексный показатель обгорания строительной древесины и величину линейной скорости обгорания ее в условиях нормального газообмена, и, используя полученные единичные показатели качества, выявляют массовую скорость выгорания строительной древесины в объеме контрольной ячейки перекрытия в условиях затрудненного газообмена при пожаре.

Проверку прочности древесины конструкций определяют по ГОСТ 18321 и ГОСТ 20736. Прочность древесины брусьев и круглых лесоматериалов в полевых условиях оценивают визуально по сортообразующим признакам и дополнительным требованиям к древесине по СНиП II-25-80* «Деревянные конструкции», приложение 1.

Для экспресс оценки свойств и качества материалов и изделий из строительной древесины используют справочное пособие / «Определение свойств и качеств строительных материалов в полевых условиях» / Марцинчик А.Б., Шубенкин П.Ф. - М., Стройиздат, 1983. - С.88-100 / [5].

Пример практического применения. Техническим осмотром частей перекрытия 2-го этажа особняка установлено, что подлежащее реставрации двухэтажное общественное здание с массивными каменными стенами содержит деревянное перекрытие со стальными несущими балками в виде прокатного двутавра I№32 из стали марки Ст.3, установленными с шагом 1,5 м. Состав перекрытия второго этажа (фиг.2):

1 - необрезная доска - 30 мм; 2 - утеплитель - 200 мм; 3 - брус высотой 200 мм; 4 - черновой пол - 50 мм; 5 - брус высотой 320 мм; 6 - двутавр стальной №32 - 320 мм; 7 - обрезная доска - 30 мм; 8 - штукатурка - 30 мм.

Конструкция перекрытия была разделена продольными металлическими балками и поперечными деревянными брусьями на замкнутые пространства (ячейки) с узкими щелями, через которые происходил затрудненно 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. Горючая нагрузка в замкнутом объеме ячейки пустотного перекрытия: g_о=M/A_пож=67,5/1,5=45 кг/м².

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 воспламенения 255°C; температура самовоспламенения 400°C; температура тления 295°C; коэффициент дымообразования 717 м²/кг при 400°C.

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

Требуется выявить массовую скорость выгорания древесины.

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

A_гор=l₁·l₂=1,5·1=1,5 м²;

где l₁ - шаг стальных двутавровых балок I №32, м;

l₂ - шаг поперечных деревянных брусьев перекрытия, м.

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

A_щ=l₁·h_щ=1,5·0,1=0,15 м²;

где h_щ=H-2·δ₁-H_б=520-2·50-320=100 мм=0,1 м - ширина щели.

Показатель проемности замкнутого пространства (ячейки) перекрытия вычисляют по алгебраическому уравнению (1):

α= A_щ/A_гор=0,15/1,5=0,1.

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

m_V,α=(0,5·а)^0,03/α=(0,5·0,1)^0,03/0,1=0,41 кг/(м²·мин).

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 (3):

k_ГО=m_V,зго/m_V, mах=0,41/0,88=0,466.

4. Среднюю линейную скорость обугливания, V_о мм/мин, древесины вычисляют по математическому выражению (6):

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

,

здесь ;

R_u=31 МПа, - по СНиП II-25; ω=9%.

5. Удельную массовую скорость выгорания древесины m_V, кг/(м²/мин), в условиях нормального газообмена при пожаре вычисляют по алгебраическому уравнению (7):

m_V=V_o·ρ=1,12·10^-3·500=0,56 кг/(м²/мин);

где V_о=1,12·10^-3 - линейная скорость выгорания древесины, м/мин;

ρ=500 - плотность сосновой древесины, кг/м³.

6. Удельную массовую скорость выгорания сосновой древесины 2-го сорта m_v,зго, кг/(м²/мин), в условиях затрудненного газового обмена внутреннего локального пожара в замкнутых объемах ячеек перекрытия вычисляют по алгебраическому уравнению (8):

m_v,зго=m_V·k_го=0,56·0,466=0,261 кг/(м²/мин).

Предложенный способ применен при натурном осмотре деревянных конструкций перекрытия и исследовании пожара в двухэтажном общественном здании в г.Самаре, 2009 г.

Источники информации

1. Монахов В.Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. /В.Т.Монахов - М.: Химия, 1972. - С.288-290.

2. Штейнберг А.С. А.с. 1434963, МКИ-5, G01N 25/50 «Способ определения скорости выгорания твердых безгазовых и газифицирующихся при горении материалов» // А.С. Штейнберг, В.Н. Воробьев, Н.А. Халтурянский и др. - Опубл. Бюл. №1 от 07.01.1991 г.

3. Ильин Н.А. Техническая экспертиза зданий, поврежденных пожаром. - М.: Стройиздат, 1983. - С.101-103.

4. Ильин Н.А. Патент RU №2282179, МПК-7, G01N 25/00. Способ определения скорости обугливания деревянных конструкций здания /Н.А. Ильин, К.П. Козлито, В.Н. Ильина, А.С. Ковалевский; заявка СГАСУ: 06.09.04, опубл. 20.08.06. Бюл.№23.

5. Марцинчик А.Б. Определение свойств и качеств строительных материалов в полевых условиях. / А.Б. Марцинчик, П.Ф. Шубенкин - М., Стройиздат, 1983. - С.88-100.