автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Динамика развития опасных факторов в зданиях с ограждающими конструкциями из трехслойных сэндвич-панелей при пожарах и взрывах

На правах рукописи

Салммова Евгения Юрьевна

ДИНАМИКА РАЗВИТИЯ ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ В ЗДАНИЯХ С ОГРАЖДАЮЩИМИ КОНСТРУКЦИЯМИ ИЗ ТРЕХСЛОЙНЫХ СЭНДВИЧ-ПАНЕЛЕЙ ПРИ ПОЖАРАХ И ВЗРЫВАХ

Специальность 05.26.03 - Пожарная и промышленная безопасность (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

9 СЕН 2015

Москва 2015

005561988

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор

Горев Вячеслав Александрович

Официальные оппоненты:

Мартыннж Василий Филиппович, доктор технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный университет нефти и газа имени И. М. Губкина», кафедра «Промышленная безопасность и охрана окружающей среды», профессор;

Таубкнн Игорь Соломонович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Федеральное бюджетное учреждение Российской Федерации Центр судебной экспертизы при Министерстве юстиции РФ, отдел научно — методического обеспечения производства экспертиз в системе судебно - экспертных учреждений, главный эксперт по пожарам и взрывам.

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Государственный университет — учебно-научно-производственный комплекс».

Защита состоится «30» сентября 2015 года в 16 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.138.09, созданного на базе ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, д.26, ауд. 9 «Открытая сеть».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» www.musu.ni.

Автореферат разослан «//>> 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета:

КМ*

Ляпин Антон Валерьевич

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность пыбранпой темы. За последние десять лет появилось огромное количество зданий и сооружений, возведенных с использованием сэндвич-панелей.

Принимая во внимание легкость монтажа таких зданий, хорошую теплоизолирующую способность, а также долговечность эксплуатации, современные нефте- и газоперерабатывающие комплексы возведены полностью из зданий с сэндвич-панелями. Большую популярность получили газовые котельные из панелей.

Широкое применение такого типа зданий в различных отраслях хозяйства требует более тщательного и подробного изучения поведения этих зданий при взрывах и пожарах.

Существующие методики для расчета времени наступления критических значений ОФП в зданиях используют понятие коэффициента теплопотерь, который определен как доля тепла, выделившегося при пожаре, которая перешла в ограждающие конструкции. В современных методиках по расчету времени эвакуации, рекомендуемых МЧС России, коэффициент теплопотерь определяется с учетом свойств пожарной нагрузки, но не учитывает теплофизические характеристики ограждающих строительных конструкций, а точнее он определен для сравнительно больших кирпичных и бетонных стен. Поэтому использование полученных ранее выражений для расчета коэффициента теплопотерь для зданий из сэндвич-панелей не приемлемо и не правильно в виду отличия таких панелей от кирпичных и бетонных ограждающих конструкций.

Принимая во внимание вышеизложенное, расчет коэффициента теплопотерь для рассматриваемого вида зданий следует проводить с учетом их теплофизических характеристик.

Актуальной задачей на сегодняшний день является и обеспечение защиты несущих конструкций помещений, относящихся по взрывопожарной

опасности к категориям А и Б, от избыточного давления, образованного при взрыве газо-, паро- или пылевоздушной смесей. Именно с этой целью в СП 56.13330.2011. «Производственные здания» в наружном ограждении взрывоопасных помещений рекомендуется применять легкосбрасываемые или предохранительные конструкции.

ЛСК считаются эффективными, если их вскрытие не позволяет давлению взрыва возрасти до уровня предельно-допустимого значения Ряо„, которое характеризует несущую способность конструкций. Таким образом, предохранительная конструкция должна вскрываться быстрее, чем происходит рост давления взрыва до величины /'■„,„.

Трехслойные сэндвич-панели, по своим весовым характеристикам могут служить эффективными ЛСК, если обеспечить их надежное вскрытие (разрушение креплений) при давлениях ниже Ржт. Однако неопределенность процесса вскрытия проема, перекрываемого сэндвич-панелью, и поведения последней при этом не позволяет обоснованно использовать сэндвич-панель в качестве ЛСК.

Площадь ЛСК и их характеристики определяются расчетами, однако их проведение невозможно вследствие неизученности процесса их вскрытия.

Актуальность выбранной темы обусловлена широким использованием сэндвич-панелей в современном строительном комплексе, особенно при возведении зданий, относящихся к классу пожаровзрывоопасных, и наряду с этим недостаточным учетом специфичности свойств сэндвич-панелей в действующих нормативных документах.

Методология и методы исследования. Методология исследования заключается в анализе работ отечественных и зарубежных специалистов в области изучения процессов формирования опасных факторов пожара и взрывозащиты зданий, а также в определении задач, которые необходимо решить для достижения поставленной цели и выборе методов решения этих задач.

Методами решения поставленных задач являются: теория подобия и размерностей, аналитические и численные методы решения уравнений теплообмена и динамики изменения давления в объёме внутреннего взрыва. Изучение вскрытия ЛСК при внутреннем взрыве велось экспериментальным методом с использованием автоматической регистрации давления и видеосъемки.

Степень разработанности выбранной темы характеризуется доведением результатов исследования до конкретных выражений, для внедрения их в нормативные документы.

Целью диссертационной работы является выявление влияния теплофизических характеристик сэндвич-панелей на величину коэффициента теплопотерь при пожарах, изучение закономерностей вскрытия сэндвич-панелей при внутреннем взрыве, внесение дополнений в документы, регламентирующие эвакуацию людей при пожаре и взрывозащиту при внутреннем взрыве в зданиях из сэндвич-панелей Основные задачи:

- Проанализировать теплофизические, прочностные характеристики сэндвич-панелей, свойства крепежных узлов, определить коэффициент теплопотерь для интегральной и зонной моделей развития пожара и установить его зависимость от объема помещения (масштабный эффект).

- Установить зависимость критических времен образования ОФП от отметки места истечения газов (интегральная модель).

- Проанализировать динамику изменения давления при внутреннем взрыве при вскрытии проемов перекрытых ЛСК.

- Изучить экспериментально процесс вскрытия проемов при использовании сэндвич-панелей в качестве ЛСК.

- Рекомендовать способы крепления сэндвич-панелей для обеспечения максимальной защиты здания при внутреннем взрыве.

Теоретическая значимость заключается в анализе тепловых процессов, происходящих на стадии развития пожара, методом сравнения характерного

времени отдельных его стадий (без использования теплофизических критериев).

Практическая значимость заключается в том, что результаты исследований представляют интерес для специалистов, рассчитывающих время эвакуации людей из зданий с ограждающими конструкциями из сэндвич-панелей, занимающихся расчетом пожарного риска, а также связанных с обеспечением взрывобезопасности и взрывозащиты при внутренних взрывах на промышленных объектах с взрывоопасными производствами.

Результаты диссертации нашли применение в ОАО «ЦНИИПпромзданий» и ООО «Агентство Пожарного Аудита», внедрены в учебный процесс в Московском государственном строительном университете по специальности «Пожарная безопасность» в дисциплины «Взрывоустой-чивость зданий» и «Прогнозирование опасных факторов пожара», а также в дипломное и курсовое проектирование.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением физически обоснованного критериального анализа теплофизических свойств трехслойных сэндвич-панелей, а также использованием сертифицированного и поверенного компанией ООО «ГлобалТест» датчиков динамического давления со встроенной электроникой Р32001.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- Получены выражения для определения коэффициента теплопотерь в зданиях из сэндвич-панелей при разных моделях развития пожара (интегральной и зонной).

- Сравнительный анализ величин коэффициента теплопотерь и значений ОФП для ограждающих конструкций из кирпича и сэндвич-панелей.

- Учет вертикальной отметки места истечения газов при пожаре на формирование ОФП (интегральная модель).

- Определение эффективности сэндвич-панелей на стадии вскрытия и достижения допустимого давления.

- Экспериментальные результаты вскрытия сэндвич-панелей при различных способах крепления.

На защиту выносятся:

- Методика расчета коэффициента теплопотерь, используемая при определении опасных факторов пожара в зданиях из трехслойных сэндвич-панелей (интегральная и зонная модели развития пожара).

- Особенности формирования ОФП при различных уровнях места истечения для интегральной модели развития пожара.

- Расчет эффективности сэндвич-панелей, используемых в качестве ЛСК, при внутренних взрывах.

- Экспериментальные результаты вскрытия проема, перекрытого сэндвич-панелью, используемой в качестве ЛСК, для обеспечения снижения давления при внутреннем взрыве.

Личный вклад автора состоит в самостоятельном проведении анализа теплофизических свойств сэндвич - панелей; разработке методики расчета коэффициента теплопотерь для зданий из сэндвич - панелей; проведении анализа результатов экспериментальных исследований на предмет использования сэндвич - панели в качестве легкосбрасываемой конструкции. Апробация результатов работы:

- Двенадцатая Международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, МГСУ, 2009 г.).

- Тринадцатая Международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, МГСУ, 2010 г.).

- I Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи «Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережение в современных архитектурных, конструктивных, технологических решениях и инженерных системах зданий и сооружений» (г. Москва, МГСУ, 2010 г.).

- Международная научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Проблемы техносферной безопасности-2012» (г. Москва, Академия ГПС МЧС РФ, 2012 г.).

- Пятнадцатая Международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, МГСУ, 2012 г.).

- Международная научная конференция «Интеграция, партнерство и инновации в строительстве» (г. Москва, МГСУ, 2012 г.).

- Семнадцатая Международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, МГСУ, 2014 г.).

Публикации: Основное содержание диссертационной работы отражено в 12 опубликованных работах, 3 из которых представлены в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК России.

Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, 3 (трёх) глав, заключения, библиографического списка и приложений.

Общий объем работы — 111 страниц машинописного текста, в том числе рисунков — 31, таблиц — 8, формул — 43, список литературы — 101 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы, определяются цели и задачи, объект и предмет исследования, научная новизна и практическая значимость работы, формулируются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ существующих методов по определению критических параметров опасных факторов пожара в помещении, а также методов определения площади ЛСК при внутренних взрывах»

анализируются основные методы определения ОФП и снижения давления взрыва внутри помещений с помощью проемов, перекрытых ЛСК.

При анализе формирования ОФП основное внимание уделяется интегральной и зонной моделям развития пожара на начальной его стадии — до момента появления критических значений ОФП. Это обусловлено тем фактором, что данные модели имеют широкое применение и используются для расчета времени эвакуации. При определении критического времени наступления ОФП применяется понятие коэффициента теплопотерь. До настоящей работы, согласно «Методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности», коэффициент теплопотерь определялся с учетом свойств пожарной нагрузки, а теплофизические характеристики ограждающих конструкций брались как для кирпичной стены. Таким образом, теплофизические характеристики для зданий из других ограждающих конструкций, в том числе сэндвич-панелей, не учитывались.

Во все выражения для определения времени наступления критических значений ОФП (высокая температура, пониженная концентрация кислорода, концентрация токсичных газов и потеря видимости) входит коэффициент теплопотерь, и, следовательно, время достижения этих значений также зависит от последнего.

Помимо сказанного, трехслойные сэндвич-панели являются легкой ограждающей конструкцией (20—25 кг/м2). При этом в СП 56.13330.2011 «Производственные здания» эти панели не рассматриваются в качестве возможных ЛСК. Тем не менее, их эффективность, оцененная по критериям, полученным в работах Пилюгина Л. П. «Обеспечение взрывоустойчивости зданий с помощью предохранительных конструкций» и Горева В. А., Салымовой Е. Ю. «Использование сэндвич-панелей в качестве эффективных легкосбрасываемых конструкций при внутренних взрывах в промышленных зданиях», выше, чем остекления. В литературе, посвященной вопросам

внутренних взрывов обсуждается использование сэндвич-панелей в качестве ЛСК, но при этом площадь, перекрываемая ими, определяется без расчета, так как отсутствует информация о давлении вскрытия.

В результате анализа в первой главе было установлено:

— большое значение в формировании ОФП имеет величина коэффициента теплопотерь в ограждающие конструкции;

— отсутствуют методики определения коэффициента теплопотерь для ограждающих конструкций из сэндвич-панелей, а применяются методики для ограждений из кирпича и бетона;

— по своим весовым характеристикам сэндвич-панели являются малоинерционными и пригодными для использования в качестве ЛСК;

— важной величиной при изучении процесса вскрытия проема, перекрываемого ЛСК, является давление вскрытия;

— для внедрения сэндвич-панелей в качестве ЛСК для сброса давления при внутренних взрывах необходимо определить давление вскрытия в зависимости от способа крепления сэндвич-панелей.

Во второй главе «Определение коэффициента теплопотерь в помещениях с ограждающими конструкциями из трехслойных сэндвич-панелей. Определение критических значений ОФП в зависимости от уровня истечения газов на начальной стадии пожара» проанализированы теплофизические характеристики сэндвич-панели; разработаны методики расчета коэффициента теплопотерь, определения опасных факторов пожара в зданиях из трехслойных сэндвич-панелей для интегральной и зонной моделей развития пожара; получены выражения для определения коэффициента теплопотерь для ограждающих конструкций из других строительных материалов.

Механизм прогрева сэндвич-панели определен на основании сравнения времен отдельных стадий процесса.

Характерное время прогрева газового объема помещения на начальной

стадии развития пожара составляет: г _. с?рьтУз | Т1 ~ 600 с.

1

Характерное время прогрева металлического листа по его толщине:

г _сг«р»5; , тг =3,3-10"2 с. А*

Характерное время прогрева стекловаты: г, _ сг.. а „<>,,., ; Тз =51480 с.

Характерное время прогрева металлического листа на характерную температуру: Т4=

Таким образом, в граничном условии теплообмена вместо температуры поверхности можно использовать среднюю температуру листа.

Из сравнения времен следует, что: 1) теплоизоляция за время достижения критических значений ОФП не прогревается, тз» т 1; 2) время выравнивания температуры листа меньше времени его прогрева на величину АТ ~ 50 °С, т.е. тг« Т4. Следовательно, можно считать, что лист прогревается равномерно по всей толщине, и его средняя температура равна температуре поверхности, обращенной к горячему газу.

Используя определение коэффициента теплопотерь, уравнения для изменения средней температуры металла и газа будут иметь вид:

+ = (1)

я/

С р УЛЛГ , ч —(2)

А их соотношение:

СрГп'\,

АТ, 1-р СЛ/. (3)

Используя (3) определим средний коэффициент теплопотерь для сэндвич - панелей:

(4)

Выражение (4) приведено к виду, близкому соответствующему выражению для кирпичных конструкций. Разница состоит только в том, что

металлические конструкции имеют обычно меньшую массу (теплоемкость) и нагреваются, что приводит к уменьшению потерь из-за снижения температурного напора от газа к металлу. Данное обстоятельство

учитывается членом:

ч>

I-</> с,

сгр,уЛ '

■ С„Л/„ J

Причем в этот член входит объем

помещения V, с ростом которого коэффициент теплопотерь <р уменьшается.

В случае пожара с постоянной площадью горения коэффициент теплопотерь определяется из выражения:

. _3 ч ) {

I- Арад

(5)

7

При определении коэффициента теплопотерь для других ограждающих конструкций, которые успевают прогреваться, но прогреваются неравномерно, вводится отношение у щ которое зависит от толщины

листа и учитывается при расчете коэффициента теплопотерь <р.

„-*-й»г фГ^-^^ГЧд,«, (6)

Для постоянной площади горения:

_ 3 Ч F- ) \ Х~<Р C^v/J

+ Apaó

(7)

1 ПО:Ф„Рг

На рис. 1 показана зависимость коэффициента (р от объема помещения для случая использования сэндвич—панели и кирпичных стен.

....... Кирпич

____Сэндвич- панель

К=100, 1000 , 5000 м3 Горючая нагрузка — текстиль

1С» losólo5 2.06x10' 504x10* 402*10* SxIO* V. Объём помещения. мЗ

Рис. 1. Зависимость значения коэффициента ср от объема помещения для сэндвич — панели и кирпичных стен.

Рассмотрим изменение парциальной плотности кислорода. Если место истечения газов находится на нулевой отметке (11=0 м), то:

0.233^)

(8)

На рис. 2 и показано изменение плотности О2 до критического значения в зависимости от места истечения в помещении.

о га 1» 1И Время Ьс

а б

Рис. 2. Достижение критического значения концентрации О: в зависимости от высоты истечения из помещения (а — начальная температура воздуха в помещении 253 К; б — начальная температура воздуха в помещении 293 К): 1 — изменение плотности СЬ при истечении газов с значением плотности на высоте 0,65/;; 2 -на высоте 0,5/г; 3 -на высоте Л/4; 4 -на высоте А = 0 (при истечении холодных газов); 5 - критическое значение изменения плотности О:

В табл. 1 показано время достижения критического значения для температуры и плотности кислорода для случаев разной высоты истечения.

Таблица 1

Высота места истечения Значение температуры, К Значение плотности Ог, кг/м3

Высота рабочей зоны, м Высота рабочей зоны, м

1,7 2,7 1,7 2,7

Начальное значение температуры, К Начальное значение температуры, К

-20 20 -20 20 -20 20 -20 20

0,65/1 186,8 150,8 152,6 121,3 196,15 148,9 137,5 112,2

Л/2 178,0 146,4 148,0 119,3 177,4 143,1 133,6 110,4

Л/4 167,8 141,4 142,8 117,0 165,9 138,2 129,6 108,7

0 160,6 138,5 139,8 115,7 161,1 135,7 127,6 107,6

Данные приведены для помещения объемом 5000 м3, высотой 6 м, пожарная нагрузка — хлопок.

В результате проведенной работы во второй главе:

— показано, что тепловые процессы в сэндвич-панелях происходят быстрее, чем в кирпичной стене;

— получены выражения для определения коэффициента <р;

— получены выражения для определения коэффициента ф для других тонких строительных материалов (стекло, гипсокартон) с учетом их тепло-физических свойств;

— получены зависимости критических времен наступления ОФП в зависимости от места истечения газов.

В третьей главе «Динамика изменения давления при внутреннем взрыве в зданиях с сэндвич-панелями в качестве ЛСК» проанализирован процесс изменения давления при внутреннем взрыве; рассмотрены прочностные характеристики панели; показана эффективность сэндвич-панели как ЛСК; описываются экспериментальные исследования и проанализированы их результаты.

Рассмотрим динамику изменения давления в помещении на основании анализа уравнения состояния газа:

PI' = \ —-Tt +—-тг я. V л )

Газы из помещения могут истекать соответственно через площади F\ (холодные) и F2 (горячие). Давление в системе увеличивается из-за взрывного горения газов и уменьшается за счет их истечения из объема взрыва.

Продифференцируем уравнение (9) по времени, считая, что система открыта и F= const, получим:

,,.(КТ, КГЛ ,/m,jr, m.JT.) ИТ, КГ. ,.,. ' — = л',--м—--- I т !■!' ——L + ^—---'-t-,..vl-l----р V.II , ......

л д ) л fi, л) д ¡1. (10)

Уравнение (10), после введения степени расширения при горении - Со, с учетом адиабатического сжатия системы и выражения для скорости

истечения газов, в случае

, примет вид:

«у? ''

(11)

и - ^

Здесь кфг/ ' = .!,„ - максимальная площадь пламени, которая соответствует максимальному давлению в системе. Этот максимум характеризуется вторым пиком давления. В отличие от первого пика, который появляется сразу после вскрытия ЛСК. Кф - коэффициент,

учитывающий форму помещения.

Далее проанализируем влияние изменения степени расширения газов в процессе взрыва, плотности истекающих газов, величин 71 и 72 на связь

между v " "■

на втором пике (рис. 3.).

Безразмерное

Рис. 3. График зависимости приведенной площади истечения от максимального давления: 1 — у| = уг = 1,4; 2 — сто = 7; А = 0 (истекают только холодные газы); у\ = 1.4; у? = 1,25; {/г = 2 м/с; 3 — газ — несжимаемая

I, р- —у ¡г __1'.

жидкость; 4 — - ; 5 — р! = 0 (истекают только горячие газы)

Из рис. 3 видно, что: 1) при истечении холодных газов значение давления практически не зависит от разницы значений у| и уг; 2) газ можно считать несжимаемой жидкостью при давлении взрыва меньше ЮкПа; 3) с увеличением относительной площади истечения горячих продуктов величина давления уменьшается.

Давление в помещении до момента вскрытия и начала истечения газов через проемы равно:

Время до начала момента вскрытия равно:

(12)

Г—1 гг 1 '¿О

И* У\ J [(<7-1^1"",' ст)

(12а)

С момента начала вскрытия ? > ?„ск уравнение (12) переходит в: _ (13)

<1Р Л

где — коэффициент истечения (предполагается, что в начальный момент истекает только исходная смесь); Я„ст — периметр истечения, м; X — перемещение ЛСК, м; Л^ск — количество ЛСК; ДР < ЮкПа;

Затем рассматриваем уравнение движения ЛСК:

тлс,^гМГ))=АР(,)аЬ, (14)

т

где Млск — масса ЛСК, кг.

Система уравнений (13)—(14) решалась численно при начальных

УСЛОВИЯХ / = ¿всю АР = АРвск, ДО = 0.

В результате, получили динамику изменения давления в помещении при вскрытии ЛСК для различных давлений вскрытия (рис. 4) и динамику изменения давления в помещении при вскрытии ЛСК для различных скоростей горения (рис. 5).

й я

ч:

0

Р10<О 0 042

о")

О 001 004

о|: о » о ||

Время, С

Время, с

Рис. 4. Динамика роста давления в Рис. 5. Динамика роста давления в помещении при вскрытии ЛСК для помещении при вскрытии ЛСК для различных давлений вскрытия (от 1 различных скоростей горения (от 0,5 до 4,5 кПа) при стандартном до 2 м/с) при стандартном креплении. креплении.

Для сэндвич-панелей давление на 1-м пике АР\ незначительно

отличается от /УРВСК и возможно аналитическое решение системы (13) - (14).

Это решение для давления на 1-м пике дает величину:

ДР,-Р, 2А1'~ -1 2 (15)

у, (а + Ь)аЬЬР„' './У

где 2 'пМжкРа (а--1)сг- ^ _ скорость горения на 1-м пике.

Критерий А является определяющим при моделировании давления на пике в момент вскрытия ЛСК, причем давление на 1-м пике при этом определяется в величинах ДРВ.

При квазистатическом режиме взрыва максимальное давление взрыва, соответствующее максимальной площади горения А/ тах при ДР < ЮкПа, равно:

.Л р^УГ (16)

При оценках считается, что из половины площади истекает холодный газ, а из другой половины - горячий.

В выражение (15) для нахождения давления на 1-ом пике входит величина давления вскрытия панели, которое зависит от способа крепления панели к конструкции и его величина определялась экспериментально.

Экспериментальное исследование осуществлялось на двух взрывных камерах объемом 1 и 10 м3. Для крепления панелей к камере объемом 10 м^ был сконструирован и изготовлен переходный узел — диффузор.

Испытывались оригинальные сэндвич-панели размером 1,2x2 м на камере 10 м3 и фрагменты панели 0,4x0,4 м — на камере 1 м3.

В серии экспериментов на взрывной камере объемом 10 м3, использовались сэндвич-панели размером 1,2x2x0,05 м. Толщина конструкции, к которой крепилась панель — 5 мм. 1) Способ крепления — штатный саморез (4 шт.), давление вскрытия — 3,38 кПа, (рис.6, рис.7). 2) Способ крепления — штатный саморез без шайбы (4 шт.), давление вскрытия — 2,03 кПа, (рис.8, рис.9). 3) Способ крепления — штатный саморез (4 шт.), надрез панели в месте крепления, давление вскрытия — 1,55 кПа, (рис.10, рис.11).

Рис. 6. Саморезы в металлическом рис. 7. Отверстие от самореза в ЛСК. профиле, после вскрытия ЛСК.

Рис. 8. Саморезы в металлическом Рис. 9. Отверстие от самореза в ЛСК. профиле, после вскрытия ЛСК.

Рис. 10. Саморезы в металлическом Рис- п- Отверстие от самореза в профиле, после вскрытия ЛСК. ЛСК.

В серии экспериментов на взрывной камере объемом 1 м3, использовались фрагменты сэндвич-панели размером 0,4x0,4x0,05 м. Способ крепления - штатный саморез (2 шт.). Толщина конструкции, к которой крепилась панель, — 2 мм. Давление вскрытия — 18 кПа.(рис.12, рис.13)

Рис. 12. Рис.13. Саморезы после вскрытия оставались в панели Результаты проведенных испытаний приведены в табл. 2.

Таблица №2

№ Серии экспериментов Испытываемая конструкция о и о а 2 3 г вг | ч 5 1 ё 8. н г с Кол-во саморезов Характер разрушения Давление вскрытия, кПа. Нагрузка на один саморез, кН Примечание.

1 Сэндвич-панель, 1200x2000x50 мм 5 4 Саморез в металлическом профиле 3,2 3,38 3.45 1,92 2,03 2,07 нет

2 Сэндвич-панель, 1200x2000x50 мм 5 4 Саморез в металлическом профиле 2.4 2,03 2.2 1,44 1,20 1,32 Без шайб

3 Сэндвич-панель, 1200x2000x50 мм 5 4 Саморез в металлическом профиле 1,2 1.55 1.1 0,72 0,93 0,66 Надрез листа

4 Фрагмент сэндвич-панели. 400x400x50м м 2 2 Саморез в панели 11.28 18,8 15,40 0.90 1.50 1.23 нет

В результате проведенной работы в третьей главе:

— получены выражения для определения давления на 1-ми 2-м пиках;

— проведен сравнительный анализ величины давления на 1-ом пике, в зависимости от безразмерной площади вскрытия ЛСК и установлено, что: изменением степени расширения можно пренебречь при значении избыточного давления до 80 кПа; истекающий газ можно считать несжимаемой жидкостью до давления 10 кПа.

В результате серии экспериментов по изучению вскрытия сэндвич-панелей, используемых как ЛСК, выяснено что:

— характер вскрытия панели зависит от толщины конструкции, к которой она крепится штатным креплением - саморезом (при толщине конструкции 5 мм вскрытие происходило с прорывом листов панели, саморезы оставались в конструкции; при толщине конструкции 2 мм вскрытие происходило с вырывом самореза из самой конструкции);

- надрез одного листа под шайбой и уменьшение размеров шайб приводили к снижению давления вскрытия, при толщине конструкции, к которой крепилась панель, 5 мм ;

- при уменьшении давления вскрытия (АР„СК) снижалось максимальное давление после вскрытии (APi); разница между АР, и А/'„ск составляла 1015% от Д/'Ьск, меньшим значениям давления вскрытия соответствовала большая разница;

- сэндвич-панели являются эффективными JICK и могут быть использованы для защиты зданий со взрывоопасным производством, независимо от типа несущих конструкций;

- применение сэндвич-панелей большего размера увеличивает нагрузку на единичный узел крепления, следовательно, возможна защита не только несущих, но и ограждающих конструкций из сэндвич-панелей меньшего размера.

III. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Итоги проведенных исследований:

определен коэффициент теплопотерь на начальной стадии развития пожара для зданий из трехслойных сэндвич-панелей для зонной и интегральной моделей;

- выявлено влияние высоты места истечения газов на режим формирования ОФП;

- давление вскрытия сэндвич - панели зависит от способа крепления и соответствует нагрузке на 1 саморез (при креплении в конструкцию толщиной 5 мм): 2 кН - при креплении штатным саморезом, 1,2 кН - при креплении саморезами без шайб и меньше 1 кН - при креплении с надрезом металлического листа панели. При уменьшении толщины конструкции происходит изменение характера разрушения узла крепления, в результате чего нагрузка на 1 саморез снижается;

- получено выражение для максимального давления взрыва после вскрытия сэндвич - панели.

- результаты исследований приспособлены к внедрению в действующие нормативные документы.

На основании проведенных исследований выработаны следующие рекомендации:

1. для определения времени необходимого для эвакуации людей из зданий с сэндвич - панелями в качестве ограждающих конструкций, необходимо использовать выражения для коэффициента теплопотерь, учитывающие теплофизические свойства панелей. Особенно это важно при горении горючих жидкостей в зданиях нефтегазового комплекса, когда площадь горения постоянная.

2. При креплении сэндвич - панелей к конструкции толщиной 5 мм и более целесообразно уменьшать контакт головки самореза с листом (убирать шайбу), делать надрез листа в месте крепления, на одной стороне листа.

3. Для защиты от взрыва ограждающих конструкций из сэндвич - панелей в качестве ЛСК применять ЛСК больших размеров и меньшей толщиной листа.

Дальнейшей перспективой разработки темы является изучение механизма вскрытия сэндвич-панелей большей длины - 6-9 м, так как их вскрытие может проходить без разрушения узлов крепления, а сопровождаться их деформацией (прогибом), тем самым открывая проем для истечения избыточного давления. Такой вид панелей, большей длины, применяется на крупнотоннажных производствах нефте-газового комплекса.

Осповные положения диссертации освещены в следующих работах автора:

1. Горев. В. А., Салымова Е. Ю. Использование сэндвич-панелей в качестве эффективных легкосбрасываемых конструкций при внутренних взрывах в промышленных зданиях // Пожаровзрывобезопасность. — 2010. — Т. 19, №2, — С. 41-44.

2. Салымова Е. Ю., Карякина А. М. Определение коэффициента теплопотерь в зданиях из трехслойных сэндвич-панелей // Пожаровзрывобезопасность.

— 2011, —Т. 20, № 12. —С. 27-31.

3. Горев. В. А., Салымова Е. Ю. Влияния условии газообмена и начальной температуры на формирование опасных факторов пожара на начальной стадии его развития // Пожаровзрывобезопасность. — 2013. —Т. 22, № 1.

— С. 63-68.

4. Салымова Е. Ю. Трехслойные панели как ограждающие и легкосбрасываемые конструкции при внутреннем взрыве // Сборник научных трудов Двенадцатой Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности». — М. : АСВ, 2009, —С. 516-519.

5. Рева К. М., Сергунина Т. В., Салымова Е. Ю. Пожар на линейной производственно-диспетчерской станции «Конда» // Пожарная безопасность в строительстве. — 2009. — октябрь. — С. 66-69.

6. Салымова Е. Ю. Использование сэндвич-панелей в качестве легкосбрасываемых конструкций // Сборник научных трудов Тринадцатой Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности». — М. : АСВ, 2010. — С. 664666.

7. Салымова Е. Ю. Использование сэндвич-панелей в качестве легкосбрасываемых конструкций // Сборник тезисов 1 Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Устойчивость, безопасность и энергоресурсосбережеиие в современных архитектурных, конструктивных, технологических решениях и инженерных системах зданий и сооружений». — М. : МГСУ, 2010. — С. 137-139.

8. Салымова Е. Ю. Теплопотери при пожаре в ограждающие конструкции из трехслойных сэндвич-панелей // Материалы Международной научно-

практической конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы техносферной безопасности-2012». — М. : Академия ГПС МЧС России, 2012, —С. 106-107.

9. Салымова Е. Ю., Медведев А. М. Теплопотери при пожаре в зданиях с ограждающими конструкциями из трехслойных сэндвич-панелей // Сборник научных трудов Пятнадцатой Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности». — М.: АСВ, 2012. — С. 311-314.

10.Салымова Е. Ю. Трехслойные панели — эффективные легкосбрасываемые конструкции при внутреннем взрыве // Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании. — М. :, МИСИ-МГСУ, 2012, —С. 211-213.

11 .Салымова Е. Ю. Зависимость времени формирования критических параметров опасных факторов пожара от начальной температуры и условий газообмена // Материалы 2 Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы техносферной безопасности-2013». — М. :, Академия ГПС МЧС России, 2013. — С. 116-118.

12.Салымова Е. Ю., Медведев Г. М. Динамика изменения давления при внутреннем взрыве в зданиях из трехслойных сэндвич-панелей И Сборник научных трудов Семнадцатой Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности». — М. : АСВ, 2014, —С. 596-598.

У сл.п. л. - 1.5 Заказ №28918 Тираж: 100 экз.

Копицентр «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 107023, Москва, ул.Б Семеновская 11, стр.12 (495) 542-7389 www.chertez.ru