автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Эффективность функционирования при пожаре отдельной противопожарной системы

МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ РФ

ВСЕРОССИЙСКИЙ ОРДЕНА "ЗНАК ПОЧЕТА" НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ОБОРОНЫ

"г— На правах рукописи

а:.

СМИРНОВ СЕРГЕЙ ПЕТРОВИЧ

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПРИ ПОЖАРЕ ОТДЕЛЬНОЙ

ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СИСТЕМЫ (НА ПРИМЕРЕ ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЫ МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ)

Специальность 05.26.03 - Пожарная безопасность

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 1997

- г -

Работа выполнена во Всероссийском ордена "Знак почёта" научно-исследовательском институте противопожарной обороны МВД России.

Научный руководитель - доктор, технических наук,

с.н. с. Молчадский И. С.

Научный консультант - доктор технических наук,

профессор Есин В.М.

Официальные оппоненты - доктор технических наук.

профессор Титов В.П., ' кандидат технических наук

Зигерн-Корн В. Н.

Ведущая организация - Московский институт пожарной

безопасности МВД России.

Защита состоится 6 ноября 1997 г. в __ часов на заседании диссертационного совета ССД 052.06.01 во Всероссийском институте противопожарной обороны МВД России по адресу: 143900 Московская область, Балашихинский р-н, пос. ВНИИПО, д. 12.

С диссертацией можно Ознакомиться в библиотеке ВНИИПО МВД России.

Автореферат разослан 3 октября 1997 г.

Отзыв на автореферат, заверенный подписью и печатью, прошу направлять по указанному адресу.

Телефон для справок: 521-29-00

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

'А. А Шульга

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В современных условиях обеспечение безопасности людей при пожаре невозможно без инженерных систем, являющихся составной частью самого здания. С этой целью в нормативные документы введены требования об устройстве пожарной сигнализации, противопожарного водопровода, автоматического пожаротушения, системы противодымной защиты (СПДЗ) и других противопожарных систем.

Несмотря на совершенствование этих систем и увеличивающееся оснащение ими зданий, полной отдачи от них, в частности от СПДЗ, нет. Наиболее значимыми причинами этого являются недостатки массового обслуживания СПДЗ: при натурных обследованиях только около 20% СПДЗ оказалось возможным включить в работу. При этом вопрос обеспечения безопасности людей при пожаре, даже с функционирующей СПДЗ, остаётся открытым: современные нормы требуют отсутствия дыма только в определённых помещениях здания и только в единственной расчетной ситуации. Уровень информации, представленной в статистическом листке о пожаре, не позволяет достаточно объективно оценить ее достоверность, т.к. в нем отсутствует разъяснение признаков, по которым следует судить о выполнении задачи отдельной противопожарной системой. Описания реальных пожаров только в единичных случаях позволяют оценить функционирование отдельной противопожарной системы, в частности СПДЗ. При этом, как правило, ни положение проемов в здании, ни параметры внешних климатических условий, ни параметры пожара в описаниях не приводятся. Эффективность функционирования при пожаре отдельной противопожарной системы до настоящего времени оценивается по результатам единичных "холодных" и "огневых" испытаний. Игнорируется тот очевидный факт, что условия функционирования системы при пожаре будут всегда отличаться от заданных при проектировании и имевшихся при испытаниях (т.к. имеют стохастическую природу), а реакция системы на эти отличия неизвестна. Отсюда следует, что исходные данные, принятые при проектировании противопожарной системы, обоснованы в той же мере, что и "наиболее жесткий вариант расчета". Как отмечает академик В. в.Болотин, при применении таких понятий "имеет место использование теории вероятности без привлечения методов теории вероятности". Сравнивать СПДЗ различных схемных решений в зданиях с отличающейся планировкой на основании единичных экспё-

риментов также не представляется достаточно корректным.

С другой стороны, действующий на сегодня ГОСТ 12.1.004.91 в отношении обеспечения безопасности людей требует проведения её расчетной оценки, одной из составляющих которой является определение вероятности выполнения задачи противопожарной защитой здания в целом. При этом расчётный (или иной) метод определения этой величины отсутствует как в отношении отдельной противопожарной системы, так и для их совокупности. Ранее исследований функционирования при пожаре противопожарных систем в условиях стохастических внешних воздействий на них не проводилось.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является создание расчётного метода количественной оценки эффективности функционирования при пожаре отдельной противопожарной системы. Так как СПДЗ является одной из основных систем, обеспечивающих безопасность людей при пожаре, указанный метод целесообразно разработать в первую очередь применительно к этой системе. Этот метод должен учитывать стохастическую природу функционирования противопожарной системы при пожаре и позволять проводить обоснованные сравнения различных схемных решений противопожарной системы при минимуме затрат на проведение экспериментов. Для достижения поставленной цели в отношении СПДЗ необходимо решить следующие задачи:

- определить пространства входных и выходных параметров СПДЗ как сложной системы;

у. усовершенствовать метод и алгоритм расчета газообмена здания при пожаре в условиях функционирования СПДЗ, позволяющий адекватно определять связь между входными и выходными параметрами СПДЗ;

- обосновать критерии выполнения СПДЗ своего функционального назначения;

- определить влияние на эти критерии входных параметров СПДЗ и выбрать из них наиболее значимые; определить статистические характеристики входных параметров СПДЗ;

- разработать расчетный метод количественной оценки эффективности функционирования при пожаре отдельной противопожарной системы;

- проверить применимость разработанного метода оценки эффективности функционирования отдельной противопожарной системы для

СПДЗ зданий повышенной этажности различных планировок и схемных решений СПДЗ;

- разработать методы определения требуемых и фактических параметров СПДЗ в условиях, отличающихся от проектных.

Научная новизна работы. Обоснованы критерии выполнения СПДЗ своего функционального назначения. Определены граничные условия для расчета газообмена здания при функционировании СПДЗ. Выведена зависимость подачи вентилятора от перепада давлений на вентиляторе при наличии входного сопротивления вентилятора. Определены входные и выходные параметры СПДЗ. На основе расчета газообмена здания при функционировании СПДЗ определена реакция СПДЗ на изменение 27 входных параметров системы для 8 зданий повышенной этажности различных планировочных решений. Выявлены наиболее значимые входные параметры СПДЗ: скорость и направление ветра, положение оконных проёмов в помещении очаге пожара, порядковый номер этажа пожара. Определены статистические характеристики входных параметров СПДЗ. Эффективность функционирования при пожаре отдельной противопожарной системы предложено оценивать как вероятность нахождения входных параметров системы в области их допустимых значений. Разработаны алгоритмы определения границы этой области, реализующие: 1) метод градиента наискорейшего спуска: 2) метода секущих плоскостей. Разработан метод численного интегрирования плотности распределения входных параметров системы, позволяющий при ограниченном числе интервалов интегрирования получать значение искомой вероятности (0-1) с погрешностью < 0.005.

Практическая ценность работы. Разработан расчётный метод количественной оценки эффективности функционирования при пожаре отдельной противопожарной системы, позволяющий проводить, в частности, оценку функционирования СПДЗ многоэтажного здания на основе "холодных" аэродинамических испытаний. В целях улучшения функционирования СПДЗ при пожаре показана желательность вскрытия оконных проёмов в очаге пожара и (при определенных условиях) в лестничных клетках с подпором воздуха (лестничных клетках 2 типа) . Выявлена необходимость отказа от подачи воздуха в весь объем лестничной клетки 2 типа для зданий высотой более 30 этажей. Предложены способы организации подачи приточного воздуха для "запирания" дыма на этаже пожара с использованием шахты лифтов. Определена вероятность выполнения задачи СПДЗ для 8 зданий повышен-

ной этажности различных планировочных решений. Рассмотрены способы её кардинального увеличения для 6 зданий. Показано, что отсутствие организованной подачи приточного воздухй на этаж пожара нецелессообразно. Разработаны вычислительные программы по определению фактических и требуемых параметров вентиляционного оборудования СПДЗ. Определены возможные условия функционирования клапанов и вентиляторов дымоудаления в зданиях высотой до 50 этажей при дымоудалении из поэтажного коридора и непосредственно из очага пожара.

Практическое внедрение результатов работы проведено при разработке:

- изобретения "Устройство для предотвращения задымляемости многоэтажных зданий" (A.c. N1258438, 1986.);

- изобретения "Устройство дымозащиты высотного здания" (A.c. N1465681, 1988.);

- пособия "Удаление дыма из зданий и сооружений" к СНиП 2.04.05-86 (Промстройпроект, 1988.);

- рекомендаций "Испытание клапанов вентиляционных, систем противодымной защиты зданий" (ВНИИПО МВД СССР, 1987.)

- методических рекомендаций "Автоматизированное проектирование систем обеспечения пожарной безопасности объектов народного хозяйства" (ВНИИПО МВД СССР, 1989.);

- рекомендаций по повышению пожарной безопасности зданий Российской Государственной Библиотеки (Москва, 1993.);

- предложений по повышению безопасности людей при пожаре в инженерном и административном корпусе П/0 "АПАТИТ" (Кировск. 1994.);

- предложений по повышению эффективности функционирования СПДЗ здания гостиницы "АРКТИКА" (Мурманск, 1995.);

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на IX и X Всесоюзных конференциях "Процессы горения и проблемы тушения пожаров" (Москва 1987, 1989г.), Всесоюзном совещании-семинаре "Проблемы обеспечения пожарной безопасности зданий и сооружений" (Москва 1989 г.), XIII Всероссийской научно-практической конференции "Пожарная безопасность-95".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ; получено 2 авторских свидетельства на изобретения.

Объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти

глав, выводов и приложений. Диссертация содержит стр. машинописного текста, рис., табл., наименований библиографии.

На защиту выносятся следующие результаты работы:

- метод и алгоритм расчёта газообмена в здании при функционировании СПДЗ;

- критерии выполнения СПДЗ своего функционального назначения;

- множества входных и выходных параметров СПДЗ как сложной системы;

- перечень наиболее значимых входных параметров СПДЗ;

- статистические характеристики входных параметров СПДЗ:

- два алгоритма определения границы области допустимых значений входных параметров отдельной противопожарной системы;

- метод и алгоритм количественной оценки эффективности функционирования при пожаре отдельной противопожарной системы;

- результаты расчетов вероятности выполнения СПДЗ своего функционального назначения при пожаре для 8 типовых зданий повышенной этажности;

- методы определения проектных и фактических параметров СПДЗ зданий повышенной этажности.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность проблемы, определены цель и способы ее достижения, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен анализ статистики пожаров: проведен аналитический обзор работ по исследованию функционирования противопожарных и других сложных систем, который выполнялся последовательно в три этапа.

На первом этапе выявлялись факторы, способствующие гибели людей при. пожаре в многоэтажном здании. Эти факторы были разделены на три группы: явления социальной природы; явления, имеющие физическую природу; явления технического характера. Показано, что весомость социальных факторов является превалирующей. Среди явлений физической природы отмечено отсутствие учета собственной стохастической природы функционирования противопожарной системы. Учет факторов технического характера обусловлен низкой надежностью

противопожарных систем.

На втором этапе рассматривались выполненные исследования по изучению функционирования СПДЗ здания повышенной этажности. Проанализированы экспериментальные исследования функционирования СПДЗ на натурных объектах, а также используемые в настоящее время математические модели развития пожара и распространения продуктов горения по зданию с точки зрения их применимости для описания реакции СПДЗ на внешние воздействия (М.П.Стецовский, Л.И.Карпов. В.М.Есин, Ю.М.Кошмаров. Ю.С.Зотов. Т.Вакаматсу и др.). Показано, что в отечественных работах вопрос о функционировании СПДЗ в условиях. отличающихся'от проектных, не рассматривался.

На третьем этапе анализировались исследования по -оценке эффективности функционирования сложных систем (И.Д.Кочубиевский, И.А.Ушаков, В.В.Болотин, Н.Ф.Бубырь, М.А.Брагин, И.В,Севриков и др.). Из проведенного обзора следует, что исследования функционирования систем противопожарной защиты идут, в основном, вокруг поиска технических решений, обеспечивающих { в детерминированных условиях расчетов и экспериментов) наступление определенного события: отсутствие дыма на путях эвакуации, прекращение горения и т.д. 1не связи с процессом функционирования систем при пожаре рассматривается вопрос о надежностных характеристиках исполнительных механизмов систем.

На основе проведенного анализа сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе проведено обоснование критериев выполнения СПДЗ своего назначения: модифицирована математическая модель, адекватно описывающая функционирование СПДЗ при пожаре; определена последовательность разработки расчётного метода количественной оценки эффективности функционирования этой системы.

Выбор критериев успешного функционирования СПДЗ проведен, исходя из необходимости обеспечения безопасности людей в защищаемых объёмах здания. Показано, что наиболее жестким является условие по обеспечению видимости: отношение Скз/Св не должно превышать в защищаемых обьемах здания значения 0.03 (Скз - расход дыма. выходящего из коридора в защищаемый объем здания; Св - расход воздуха, подаваемый СПДЗ в защищаемый объем здания). Это позволяет принять в качестве первого критерия выполнения задачи СПДЗ такое значение перепада давлений ДР4 между защищаемым объёмом и по-

этажным коридором, при котором Скз =0. Расчеты теплогазообмена на этаже пожара показали, что условию Скз = 0 соответствует значение скорости приточного воздуха, равное 1.3 м-с"1. Такую скорость можно обеспечить при наличии перепада давлений ДР, > ДРкр ~ 2.5 Па. Поскольку опасность выхода дыма из шахты дымоудаления на верхних этажах зданий с ростом этажности здания увеличивается, естественно требовать, чтобы перепад давлений ДРг - между поэтажным коридором и вахтой дымоудаления на всех этажах был больше нуля - ДРг > 0. Это второй основной критерий выполнения СПДЗ своего назначения. При этом следует учесть, что СПДЗ не может гарантировать безопасность в квартирах (помещениях) на этаже пожара, имеющих гидравлические связи с поэтажным коридором на этаже пожара, а также во всех вышележащих помещениях, имеющих гидравлические связи с очагом пожара.

Выбор адекватной математической модели проводился, исходя из того, что оценка вероятностных событий требуют проведения многочисленных детерминированных расчетов. Учитывая возможности современных ЭВМ, наилучшим вариантом для рассматриваемой задачи следует признать использование наиболее упрощенных зависимостей, позволяющих определять выполнение основных критериев успешного функционирования СПДЗ: ДР4 > ДРкр и ДР2 >0. Математическая модель, удовлетворяющая этим требованиям, описана ниже.

Оценки показали, что при функционировании СПДЗ скорость ф изменения массы горючей нагрузки намного превышает скорость изменения массы газа в очаге пожара. Тогда уравнение сохранения массы газа в очаге пожара можно записать в виде п ш

ф + I Ск+ I 0, (1)

к=1 1=1

где (р - скорость изменения массы горючей нагрузки, кг-с"! ; Ск -расход газа, поступающего в данное помещение из "к"-го помещения, кг'С1 ; - расход газа, выходящего из данного помещения в "Г'-ое помещение, кг-с"')-

Зависимость величины расхода газа из 1-го помещения в З-ое от перепада давлений ДРи между помещениями записана как

С = э1еп(Х)-/ТН". (2)

где X = ДРц/С: ДРц -перепад давлений между помещениями, Па; С -гидравлическое сопротивления пути перетекания, С= = ИТ), кг"1-м-1; Т - температура текущего газа. К.

Исходное распределение давления воздуха в здании, при условии постоянства в нем температуры, описывается известной формулой гидростатики. Для определения зависимости давления снаружи здания от высоты составлено и решено дифференциальное уравнение при Ка=сог^ (Ка - температурный градиент в атмосфере. Ка = 0.0014+0.008 К-м"1 для высоты менее 200 м). Распределение параметров воздуха снаружи здания описано следующими соотношениями:

Т№) = т0 Р№)

= Р„-( У(й)=0 V

Л-1

(М^/Ка/Ю

р№) = (м-Р№) I И

у(ь) = У0-|—

Р(Ю = Р№)

У(Ь)=0 т

+ А„

Т0 >

) / (И-Т(Ь))

(3)

р(Ю-У(Юг

У(Ю=0

где Ь - высота от уровня земли, м; Т0- температура воздуха на уровне земли. К; Р0- давление воздуха на уровне земли. Па; р - плотность воздуха, кг-м-3; т - численный коэффициент ; Г10 -высота флюгера, м; У0 - скорость ветра на этой высоте, м-с"1; Ак - аэродинамический коэффициент; ¡х - молекулярный вес воз-

духа, моль; И -

дж-кмоль-К" м-с"2.

е ~

универсальная газовая постоянная. 11=8.31 ускорение свободного падения, g=9.8065

Аэродинамическая характеристика вентилятора при наличии входного сопротивления Свх представлена зависимостью

(4)

где Н - перепад давлений от атмосферы до обвязки вентилятора. Па;

- и -

а - подача вентилятора, м3 • с~1; А,В.С - числовые коэффициенты (А=А(Т0)/Т; В=В(Т0)/Т); А(Т0), В(Т0) - значения коэффициентов, полученных из справочных данных при Т0=293 К; Т - температура текущего через вентилятор газа, К.

Решение этого уравнения относительно 0. имеет вид

э^пСЮ'/Тх! + С

й = - , (5)

1 + Свх/В

(Н - А)■(1 + С/В) - С2-Свх

где X = -

В

Представленная выше математическая модель позволяет рассчитать давление в каждом помещении здания и величины расходов протекающих между помещениями газов, т. е. решить систему нелинейных

уравнений вида

= Г(АРи) I Си + ф = О

(6)

V

где Си - расход газа из 1 в о помещение (узел), кг-с"1; ДР13 -перепад давлений между 1 и о помещением, Па; ф - скорость изменения массы горючей нагрузки (ф=0 во всех помещениях, кроме помещения очага пожара ), кг-с"1.

Алгоритм решения состоит в определении такого давления в рассматриваемом узле, при котором в нем, с точностью до невязки, выполняется баланс масс (считая, что известны давления в соседних узлах). Для решения системы уравнений (6) применяется итерационный процесс. С целью упрощения алгоритма использован метод идентификации, предложенный для расчета газообмена в зданиях В.М.Еси-ным. Экспериментальные исследования функционирования СПДЗ проводились на 18-ти этажном жилом здании серии КОПЭ. Была проведена серия "холодных" и "огневых" испытаний. Сопоставление некоторых результатов расчетов и экспериментов показызает следующее:

- среднеквадратичное отклонение экспериментальных значений перепада давлений ДР2 от расчетных составляет 3.6+3.7 Па, что меньше 5% от его минимального значения;

- отличие величины сопротивления Скл закрытого клапана дымо-удаления (КДУ), полученное расчетным путем в "холодных" и "огневых" испытаниях, не превышает 11%;

- отличие экспериментальных и расчётных значений величин расходов через клапан дымоудаления и вентилятор дымоудаления не превышает 20%;

- значение температуры удаляемых через вентилятор дымоудаления газов не отличается больше, чем на 9% (при неучёте теплообмена потока дымовых газов с конструкцией шахты дымоудаления).

Таблица

Сравнение экспериментальных и расчетных данных при "огневых" испытаниях СПДЗ в здании серии КОПЭ

Условия проведения опыта ТоК Ткл К ДЫМ* Па б; Па Скл> КГ"1М"1 Цел • м3с"' Чу м3с"' Тду к

Т„ =293 К. Ув=2.5м-с"1 т = 10 мин. 550 350 Эксперимент 74,74, 108,186 3.7 а * 6308 * * 0.87 2.58 322

Расчет Ф=0.1 кг/с 78,80, 109,186 7000 1.14 2.92 314

Тн.293 К, Ув=7. бм-с"1 т = 22 мин. 627 478 Эксперимент 84.64, 80.142 3.6 • • 6308 * * 1.29 2.68 334

Расчёт <р=0.5 кг/с 78,67, 80,141 7000 1.62 3.22 364

Условные обозначения:

Тн - температура наружного воздуха; V,, - скорость ветра; Т0 -температура газов, выходящих из очага пожара; Ткл - температура газов, удаляемых через КДУ; 1(1 - скорость изменения массы пожарной нагрузки; Схл - сопротивление закрытого КДУ; Ькл - расход газов, удаляемых через КДУ; Тду - температура газов, удаляемых через вентилятор дымоудаления; Ьду - расход газов, удаляемых через вентилятор дымоудаления; б - среднеквадратичное отклонение экспериментальных и расчетных данных по давлению.

* Значения ДР2 (М даны для уровней 3,6,12,18 этажей. *»Значения Скл получены расчетом из результатов холодных продувок. Значения Ькл определены расчетом, исходя из значений Скл.

Проведена также проверка использованного при моделировании

способа отнесения давлений наружу здания. Для этого вычислительная программа изменена с целью определения абсолютных значений давлений в узлах гидравлической схемы здания. Сопоставление результатов расчётов не выявило существенных отличий того и другого способа. Из изложенного следует, что математическая модель, предложенная для расчета газообмена здания при Функционировании СПДЗ, достаточно работоспособна, надежна и адекватна.

В качестве количественной меры оценки эффективности функционирования противопожарной системы (СПДЗ) при пожаре была принята вероятность В события, состоящего в том, что система выполнит своё назначение при любых внешних воздействиях на неё: В = - В(ЛР1>ДРкр, ДР2>0).

Первым этапом разработки метода количественной оценки эффективности функционирования СПДЗ являлась формализация этой системы, т.е. ее выделение из окружающей среды. Анализ логического дерева причин, приводящих к возможному отказу СПДЗ, показал, что все внешние воздействия можно разделить на четыре группы: - параметры атмосферы; - параметры гидравлической схемы здания и вентиляционного оборудования;- характеристики очага пожара; - отказы инженерного оборудования. При таком способе формализации СПДЗ понимается как идеально выполненная система, обеспечивающая выполнение условий: ДР,>ДРкр, ДР2>0,- а все возможные отказы, приводящие к невыполнению указанных условий, происходят по независящим от нее причинам (внешним воздействиям). Тогда указанные выше 4 группы внешних воздействий на СПДЗ можно объединить в пространство X входных параметров х(т). В рамках теории случайных процессов каждый из элементов х(х) Е* X в общем случае характеризуется Э - мерной плотностью распределения вероятности:

Ч (х(т,), х(т2).....х(т5); т,. т2.....т5] (7)

К элементам пространства и выходных параметров СПДЗ в первую очередь относятся параметры ДР1 и ДР2, характеризующие выполнение

' Знак Е в дальнейшем тексте означает принадлежность частного множества общему.

условий безопасности. Кроме этих параметров существует ряд других, но в любом случае количество этих параметров ограничено. С помощью выбранных таким образом пространства и выходных параметров СПДЗ и области V их допустимых значений (Ч< Б и) однозначно описываются (см.систему уравнений 6) возможные состояния системы, исходя из ее функционального назначения. Учитывая конечномерность пространств X и и и однозначную зависимость выходных параметров от входных, СПДЗ можно отнести к классу дискретных вырожденных систем. Тогда вероятность события, состоящего в том, что выходные параметры системы не выходят за границу у своих предельных сочетаний, тождественно равна вероятности события, состоящего в том, что входные параметры системы не выходят за границу ¡5 (являющуюся отображением у) области й их допустимых значений. Исходя из самого определения вероятности, можно записать следующее выражение для определения вероятности успешного выполнения системой своей задачи в виде интеграла Лебега-Стилтьеса:

Р1х(т)Е X, х(т)Е Ш =//.../ я(х,,хг____хт,т)-с!х1 -бхг •... ■с!хт-йх (8)

где я(Х1,хг,...Хд.г)- совместная плотность распределения входных параметров системы.

С учетом изложенного была определена последовательность разработки расчётного метвда количественной оценки эффективности функционирования СПДЗ, состоящая из двух этапов:

1.На основе математического моделирования процессов газообмена в здании при функционировании СПДЗ необходимо определить границу р области А. то есть исследовать поведение СПДЗ при случайных внешних воздействиях во всем диапазоне их возможного изменения. определяя для каждого сочетания входных параметров выполнение условий успешного функционирования СПДЗ.

2. Выполнить интегрирование совместной плотности распределения вероятности входных параметров по "ш"-мерной области Й.

В третьей главе на основе расчетов газообмена здания при пожаре проанализирована реакция СПДЗ на ее входные параметры; выбраны наиболее значимые из них; определены проемы, положение которых наиболее существенно для функционирования СПДЗ; даны рекомендации о направлениях дальнейших исследований.

Так как для выявления закономерностей реакции системы на

случайные входные параметры необходимо перебрать по крайней мере ш! вариантов (ш- число входных параметров) только для учета самого факта наличия входного параметра, исследования проведены вблизи многомерной точки, имеющей в качестве координат многомерного пространства X входных параметров их наиболее вероятные значения (моды). С учетом того, что схемные решения СПДЗ могут быть различны, проанализированы здания, имеющие различные компоновочные решения лестнично-лифтового узла, причём рассмотренные планировки охватывают большинство компоновочных решений лестнично-лифтового узла и расположения помещений на типовом этаже из существующих в настоящее время. Реакция СПДЗ определялась на изменение всех 27 входных параметров системы.

Выходные параметры сгруппированны по степени их влияния на функционирование системы. Среди них выявлены такие, которые, во-первых оказывают наиболее значительное влияние на функционирование СПДЗ, а во-вторых свойственны большинству рассмотренных планировок зданий. К ним относятся: 1) скорость и направление ветра; 2) состояние остекления в очаге пожара; 3) порядковый номер этажа пожара. На эти параметры, в отличие от других, в принципе нельзя повлиять при проектировании СПДЗ. Учитывая, что количественная оценка эффективности функционирования СПДЗ до настоящего момента не проводилась, было решено ограничиться оценкой функционирования СПДЗ на основе именно этих входных параметров.

Необходимо отметить, что положение оконных и дверных проемов в квартирах (офисах) во всем здании за исключением этажа пожара не оказывает существенного влияния на функционирование СПДЗ. Это подтверждает возможность использования зависимости (2) для течения через окна и двери. Показано, что для улучшения функционирования СПДЗ при пожаре можно рекомендовать в определенных случаях принудительное вскрытие остекления в очаге пожара. Учитывая существенное влияние на функционирование СПДЗ сопротивления трактов дымоудаления и подпора воздуха, необходимо дальнейшее уточнение величины сопротивления каналов дымоудаления, лестничных клеток, а также реальных обвязок вентагрегатов.

Степень влияние подсистемы притока и подсистемы дымоудаления на результат функционирования СПДЗ различна. В общем случае подсистема дымоудаления оказывает более значительное влияние. Однако, СПДЗ в зданиях с объединённым лестнично-лифтовым холлом по

сравнению с СПДЗ, не имеющими организованного притока воздуха, более устойчивы к внешним воздействиям именно за счет функционирования подсистемы притока.

В четвертой главе изложен способ вычисления интеграла (8), определенного на многомерной области Q, граница которой ß задана точками m-мерного пространства X входных параметров х(т); определены законы распределения входных параметров СПДЗ (в виде q(xt) = f(хх}) и приведены результаты количественной оценки эффективности функционирования СПДЗ для всех анализируемых зданий.

Способ вычисления интеграла (8) основан на возможности замены предельных соотношений формулами приближённых вычислений. В частности, для двух входных параметров, используя их.независимость, искомый интеграл (8) при известных границах области Q можно представить в виде

Р,.г=Р(х,.х2 Е Q) = q(x1,x2)-dx,-dx2 = q(xt)-q(x2)-dx,-dx2

n к

= lim I [q, (ÄXj-D-ÄXt • (Ilm I % (Дхг-J)-Дх2)] « n-*» 1=1 к-*» 3=1

■£{[(*>. • Aj/h] - jjiqeij- Az/n]j (9)

где q, ,2 - плотность распределения первого (второго) входного параметра; а1>2 - предел изменения первого (второго) входного параметра; п - количество интервалов интегрирования; Дх,, 2 . длина элементарного участка по оси Xj (х2), Дх, /п, (Дхг=А2/п); 1 - номер элементарного участка по оси х,; к= 1+п - номер элементарного участка на оси х2. соответствующий (с помощью отражения от границы ß) номеру 1 на оси х,; J - номер элементарного участка по оси х2.

Выражения в квадратных скобках вычисляются, как площади криволинейных трапеций, в соответствии с зависимостью

f, + f2 + 2d-f(x. +AXJ/2)

(S). = qr A,/n= - • AXj . (10)

2-(d+1)

где Axt =Aj/п - длина элементарного участка по оси Xj; d - числовой коэффициент; ft.rz — значения функции на концах этого элементарного участка; Нх^Дх^г)- значение функции в середине

этого элементарного участка.

Значения f,, f2. Г (хх + ^/2), используемые в зависимости (10), определяются для каждого i участка с помощью уточненной квадратичной интерполяции.

Для оценки погрешности предлагаемого метода расчета решена модельная задача. Показано, что наибольшее влияние на точность вычислений оказывают погрешности одинаковых знаков в исходных табличных значениях q(xt). Поэтому программа вычислений искомого интеграла дополнена блоком проверки и коррекции исходных зависимостей q(xt). При этом погрешность вычислений достигает 0.0004 при дискретном числе исходных значений плотности распределения каждого входного параметра равном 12.

При трех, четырех, и т.д. независимых входных параметрах расчетные соотношения имеют вид:

Р!-2-3 ^{[(ЯзЬ ■ Аз /п ] • Р^гЕХз = (1 -0.5)- A3/n]j (И)

Pl-2-3-4 ^([<44)1 • А4/П]- Pl-2-3[>4 = (Ь 0.5 ) ' A4 /п] j (12) где Pt_г [х3 = (1 - 0.5)- А3/п]- значение вероятности Р4_2 при фиксированном хэ = (1 - 0.5)- А3/п;

Pi_г_з [х4 = (1 - 0.5)- А4/п]- значение вероятности Р]-2.3 при фиксированном х4 = (1 - 0.5)- А4/п.

Определение границы ß производится в поле 1 и 2 входных параметров при фиксированных значениях других входных параметров. Способ нахождения границы ß базируется на реализации метода градиента наискорейшего спуска. Для осуществления контроля за выполнением программы расчётов осуществляется отображение на мониторе графической интерпретации всех этапов ее выполнения. В диссертации приведены фотографии с экрана монитора основных вычислительных моментов этой программы.

Для оценки возникающей при расчётах Р^г-з-* погрешности также решалась модельная задача. Показано, что при количестве шагов интегрирования п = 10 +12 обеспечивается точность вычисления значения ?!.г-з-л равная 0.005, что является приемлемым для оцен1 ки технических систем.

Для получения необходимых для расчета исходных распределений входных параметров СПДЗ (в виде я^) = Г(х1)) проведена статистическая обработка исходных данных многолетних наблюдений для параметров атмосферы: температуры воздуха, температурного градиента атмосферы, скорости ветра (по величине и направлению), влажности воздуха. На основе статистических данных о пожарах в зданиях повышенной этажности определено наиболее вероятное значение времени возникновения пожара (месяцы, часы), что, в свою очередь, позволило принять обоснованные значения наружной температуры и скорости ветра. Также определены функция и плотность распределения порядкового номера этажа пожара в зданиях повышенной этажности. Количественная оценка эффективности функционирования СПДЗ проведена для СПДЗ зданий 8 планировок, описанных в главе 3. При непосредственных вычислениях координат границы р использовался метод секущих плоскостей. Применение метода градиента наискорейшего спуска для СПДЗ оказалось нецелесообразным вследствие двух причин : длительности времени определения координат точек границы р, а также наличия большого количества " плоскогорий", "лощин" и "вершин" на поверхности Г, описывающей реакцию СПДЗ.

Анализ результатов расчетов показал следующее:

1. Единственной планировкой, обеспечивающей Р(Х1.Х2....Е Й)> >0.5 при принятых исходных данных, является планировка здания серии ПЗ-16/2 с объединенным лестнично-лифтовым холлом.

2. При одинаково плохо выполненной СПДЗ определённое преимущество можно отметить у зданий с планировками, имеющими отдельные входы в лифтовой холл и лестничную клетку с подпором воздуха по сравнению с планировками, имеющими переход через наружную зону, и планировками, имеющими в своем составе сочетание различных элементов лестнично-лифтового узла. При этом для всех планировок вскрытие оконных проемов в очаге пожара повышает значение вероятности Р(х!,х2____ Е 0).

3. Для повышения надежности результатов применительно к реально существующим зданиям необходимо предварительное проведение "холодных" аэродинамических испытаний, позволяющих определить фактические значения сопротивлений трактов подпора, дымоудаления и обвязки вентиляторов.

В пятой главе рассмотрены практические приложения выполненных исследований: способы повышения вероятности Р(х, ,х2!... Ей)

для зданий повышенной этажности 6 планировочных решений; упрощённые математические модели, предназначенные для определения проектных и фактических параметров подсистемы притока и подсистемы ды-моудаления в зданиях повышенной этажности.

Способы повышения вероятности Р(х1,х2>... Ей) разработаны, исходя из тех причин, которые снижают значения выходных параметров СПДЗ в конкретных планировках зданий. Для здания с объединённым лестнично-лифтовым холлом задача увеличения Р(х,.х2,... Е 0) сводится, в первую очередь, к увеличению области й при закрытых оконных проемах в очаге пожара. Изменение схемы подачи приточного воздуха, увеличение герметичности закрытых клапанов дымоудаления, замена вентилятора дымоудаления на более производительный решает эту задачу. При этом повышается устойчивость СПДЗ к положению открытых проёмов в трактах подпора и дымоудаления. Показано, что только изменение схемы подачи воздуха повышает исходное значение вероятности на - 50%. Предлагаемый способ подачи воздуха нашел свое отражение в двух авторских свидетельствах на изобретения.

В зданиях с переходом через наружную зону рассмотрены различные способы увеличения выходного параметра ДР1. В частности, показано, что повышение герметичности закрытых КДУ до значения 2 -104 кг^'-м'1 приводит к значительному росту вероятности Р(Х1,Х2>... ЕЙ): в одном из рассмотренных зданий она повышается от 0.1075 до 0.9662. Для зданий с такой планировкой эффективность функционирования СПДЗ при пожаре существенно зависит от количества помещений, имеющих гидравлические связи с атмосферой. Например для здания, имеющего низкие эквивалентные гидравлические сопротивления горизонтальных связей (что соответствует большому числу помещений и. соответственно, окон в них на типовом этаже) вероятность Р(Х1 ,х2,.:. Е Я) не удалось повысить более, чем до 0.5520. . Отсюда был сделан вывод о том, что в составе СПДЗ целесообразно иметь подсистему организованной подачи воздуха на этаж пожара.

В зданиях с раздельными входами в лифтовой холл и лестничную клетку 2 типа определена основная причина возможного поступления дыма в лифтовую шахту при пожаре на верхних этажах здания - несоблюдение на верхних этажах условия:

ДР5 = Рл - Рк > 2• ДРКр (13)

где Рл - давление в шахте лифтов. Па; Рк - давление в коридоре,Па.

Это объясняется тем. что из-за значительной потери давления при течении воздуха в лестничной клетке с 30-го до первого этажа давление в лестничной клетке на 30 этаже значительно больше, чем на 1. в отличие от лифтовой шахты, где оно слабо меняется с высотой. Изменение схемы подачи приточного воздуха; повышение эквивалентного сопротивление воздухопроницанию шахты лифтов на один этаж до 7300 кг"1 м"1, а шахты дымоудаления - до 2-Ю4 кг"1 -м"1 в совокупности позволило для СПДЗ одного из зданий такой планировки повысить искомую вероятность с 0.4458 до 0.9982. В здании, имеющем в своём составе различные элементы лестнично-лифтового узла, для кардинального повышения искомой вероятности необходимо, кроме того, на всех этажах разделить здание в середине поэтажного коридора глухими перегородками. При выполнении этих условий значение искомой вероятности удалось повысить от 0.0000 до 0.9932. Как видим. для всех типов рассмотренных планировок удалось добиться кардинального повышения искомой вероятности.

Расчеты, проведенные в главах 3.4, показали, что при наличии подсистемы притока и подсистемы дымоудаления собственно планировочные решения типового этажа многоэтажного здания (также как и величины гидравлических сопротивлений закрытых оконных и дверных проёмов во всем здании за исключением этажа пожара) определяющей роли не играют. Это позволило, приняв некоторые дополнительные допущения, разработать методы расчёта подсистемы дымоудаления и подсистемы притока в зданиях .повышенной этажности, пренебрегая конкретным расположением и количеством квартир (в жилом здании) или офисов (в административном).

И в том и в другом случае рассматривается одномерное течение по вертикальному каналу без теплообмена со стенками канала с точечным натеканием в местах расположения открытых отверстий (клапанов или дверей) и с распределенным натеканием в остальной части канала. Система уравнений, описывающая параметры течения в канале дымоудаления. представлена в диссертации. Сопоставление экспериментальных м расчётных данных, полученными при решении этой системы уравнений, показало их удовлетворительное совпадение. Практическое приложение предложенный метод расчета параметров подсистемы дымоудаления нашёл при разработке требований к параметрам испытаний инженерного оборудования СПДЗ в зданиях различной - до 50 этажей включительно - этажности. Совместно с Г.Н.Валеевым по-

казано, что при дымоудалении непосредственно из очага пожара и из промежуточного объема (коридора) для недопущения выхода дыма из канала дымоудаления необходимо ограничение сверху на площадь поперечного сечения канала и сопротивление газопроницанию его конструкции. Также разработана вычислительная программа, позволяющая определять выполнение условий безопасности при выбранном вентиляторе дымоудаления и при внешних условиях , отличающихся от заданных в проекте .

Для определения требуемых параметров вентиляторов притока, а также для проверки выполнения условий безопасности с выбранным вентилятором притока составлена аналогичная система уравнений, разработан алгоритм и вычислительная программа, состоящая из двух частей. В первой части этой программы производится определение требуемых параметров вентиляторов. В ней учтено, что подача приточного воздуха в защищаемые объемы здания может осуществляться из нескольких каналов. Особенностью данного расчета является то. что канал притока не всегда используется для подачи воздуха на этаж пожара. Во второй части этой программы производится поверочный расчет, который позволяет оценить устойчивость подсистемы притока данного здания к внешним воздействиям.

Описанные в этой главе вычислительные программы явились составной частью разработанной во ВНИИПО МВД РФ системы САПР ПБ.

ВЫВОДЫ

1. Усовершенствован метод расчета газообмена многоэтажного здания при функционировании СПДЗ, что позволяет определять реакцию СПДЗ на изменение ее входных параметров.

2. Доказана работоспособность используемых математических моделей путем сравнения с данными, полученными при полномасштабных натурных испытаниях.

3. Определены критерии выполнения СПДЗ своего функционального назначения - обеспечения незадымления защищаемых объемов здания повышенной этажности при пожаре.

4. Выявлены наиболее значимые входные параметры СПДЗ. В частности, показано: а) вскрытие оконных проемов в очаге пожара и лестничной клетке 2 типа в определенных случаях улучшает функционирование СПДЗ; б) положение оконных и дверных проемов в кварти-

рах во всем здании (за исключением проемов на этаже пожара) существенной роли не играет. Выявлено, что при пожаре на верхних этажах 30-этажного здания возможно вытеснение дыма из коридора в лифтовый холл и. далее, в шахту лифтов.

5. Разработаны 2 алгоритма определения границы области допустимых значений входных параметров отдельной противопожарной системы, реализующие метод градиента наискорейшего спуска и метод секущих плоскостей.

6. Разработан метод и вычислительная программа численного интегрирования плотности распределения входных параметров противопожарной системы, позволяющие при малом количестве интервалов интегрирования (10-12) обеспечить высокую точность полученных результатов.

7. Проведена количественная оценка эффективности функционирования СПДЗ в 8 зданиях различных объемно-планировочных решений. Показаны способы её повышения. Выяснено, что в некоторых условиях наличие подсистемы притока повышает эффективность функционирования СПДЗ примерно в два раза.

8. В области вентиляционных систем противодымной -защиты нерешённым вопросом остаётся обоснование требуемых значений вероятности выполнения СПДЗ своего назначения и связанный с ним вопрос выбора исходных данных для экономически целесообразных вариантов СПДЗ.

9. Результаты проведенных исследований использовались:

- при разработке перспективных способов противодымной защиты зданий повышенной этажности;

- при определении условий работы и параметров испытаний инженерного оборудования СПДЗ для зданий высотой до 50 этажей;

- при определении требований к геометрическим размерам шахт и клапанов дымоудаления при организации дымоудаления из поэтажного коридора и непосредственно из очага пожара;

- при создании вычислительных программ по определению требуемых и фактических параметров СПДЗ;

- при оценке уровня пожарной безопасности различных объектов;

- при разработке пособия по расчёту вентиляционных систем противодымной защиты общественных зданий;

- при разработке пособия к СНиП 2.04.05-86.

В приложениях к диссертации приведены исходные данные о зна-

чениях гидравлических сопротивлений всех исследуемых планировочных решений зданий, а также параметры аэродинамических характеристик используемых вентиляторов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. ЕсинВ.М., Смирнов Н.В.. Смирнов С.П. Математическая модель теплогазообмена в коридоре этажа пожара // Безопасность людей при пожарах: Сб. научн.тр. ВНИИПО МВД СССР - М.. 1986.-С.38-44.

2. Ерофеев А.Н.. Ильминский И.И.. Смирнов С.П. Об оценке эффективности систем противодымной защиты зданий // Пожарная профилактика: Сб. научн.тр. ВНИИПО МВД СССР - М.. 1982,-с.38-43.

3. Ильминский И.И.. Смирнов С.П. Выбор параметров для определения эффективности систем противодымной зашиты зданий // Пожарная профилактика: Сб. научн.тр. ВНИИПО МВД СССР - м., 1983,- с. 146-152.

4. Смирнов С.П.. Ильминский И.И. Влияние параметров атмосферы на функционирование системы противодымной защиты здания //Обеспечение пожарной безопасности зданий, сооружений и населенных пунктов : Сб. научн.тр. ВНИИПО МВД СССР - М.. 1990.- с. 83-91.

5. A.c. N1258438 (СССР) Устройство для предотвращения задымляе-мости многоэтажных зданий. / Валеев Г.Н.. Есин В.М., Ильминский И. И., Смирнов С.П., Попов П.Н. // Открытия. Изобретения.

-1986. N 35

6. A.c. N1465681 (СССР) Устройство дымозащиты высотного здания. /Валеев Т.Н.. Ильминский.И.И., Смирнов С.П. // Открытия. Изобретения. - 1988

7. Смирнов С. П. Способ повышения эффективности функционирования систем противодымной защиты зданий // Безопасность лвдей при пожарах в зданиях и сооружениях: Сб. научн.тр. ВНИИПО МВД СССР - М. . 1987.- с. 100-104.

8. Ильминский И.И., Смирнов С.П., Сухаренко Г.Г. Перспективные схемы противодымной защиты и определение их эффективности в натурных испытаниях / Проблемы обеспечения пожарной безопасности зданий и сооружений. Материалы семинара.- М.: МДНТП. 1989. с. 88-97.

9. Ильминский И.И.. Валеев Г.Н.. Сухаренко Г.Г., СоснерЮ.М.,

Смирнов С. П. Испытание клапанов вентиляционных систем проти-водымной защиты зданий. Методические рекомендации. М.: ВНИИ-ПО, 1987. - 16с.

10.Удаление дыма из зданий и сооружений / Пособие к СНиП 2.04.05.86.-М. :СтроЙиздат. 1988.- 94 с.

И.Смирнов С.П.. Валеев Г.Н. Оценка параметров системы дымоуда-ления многоэтажных зданий // Водоснабжение и санитарная техника,- 1987., N7. с.11-14.

12. Смирнов С. П. Удаление дыма непосредственно из очага пожара в многоэтажном здании //Огнестойкость строительных конструкций и обеспечение пожарной безопасности людей и материальных ценностей: Сб. научн.тр. ВНИИПО МВД СССР - М... 1989. - с. 96-98.

13. Автоматизированное проектирование системы обеспечения пожарной безопасности объектов народного хозяйства: Методические рекомендации. - М.: ВНИИПО МВД СССР. 1989. - 207 с.

14. Смирнов С. П. Расчет аварийной приточной противодымной вентиляции // Водоснабжение и санитарная техника.- 1991. N7. С. 18-19.

15.Молчадский И.С., Смирнов С.П. О вероятности выполнения своего функционального назначения отдельной противопожарной системой (на примере системы противодымной защиты). // Пожаровзрывобе-зопасность .- М. :ВНИИПО МВД РФ, 1995. N4

16. Смирнов С. П. Возможность применения одной из систем противопожарной защиты в жилых зданиях повышенной этажности // Пожарная безопасность - 95 : Стенд, докл. XIII Всероссийской научно-практической конференции; Секция: "Пожаровзрывобезо-пасность объектов", - М.: ВНИИПО МВД РФ, 1995.

17. Смирнов С. П. Определение требуемых значений вероятности выполнения своего функционального назначения одной из противопожарных систем. // Пожаровзрывобезопасность .- М. :ВНИИПО МВД РФ, 1996. N1

18.Смирнов С.П., Васильев Е.П. Выбор рационального варианта защиты зданий АО "АПАТИТ". Доклад. XIII Всероссийская научно-практическая конференция "Пожарная безопасность-95" / Программа .- М.:ВНИИПО МВД РФ, 1995.

Соискатель

Министерство внутренних дел РФ

ВСЕРОССИЙСКИЙ ОРДЕНА "ЗНАК ПОЧЕТА" НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПРИ ПОЖАРЕ ОТДЕЛЬНОЙ

ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СИСТЕМЫ (НА ПРИМЕРЕ ПРОТИВОДЫМНОЙ ЗАЩИТЫ МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ)

Специальность 05.26.03 - Пожарная безопасность

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

ИНСТИТУТ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ОБОРОНЫ

УДК 614.841.415

На правах рукописи

СМИРНОВ СЕРГЕЙ ПЕТРОВИЧ

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ Доктор технических наук -^СГ, Молчадский И. С.

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ Доктор технических наук

/¿^/Есин В.М

Москва - 1996 г.

- г -

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ......................... 4

1.АНАЛИЗ РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ И

1.1 Анализ факторов, способствующих гибели людей при

пожаре в многоэтажном здании..............13

1.2 Обзор исследований функционирования системы противодымной защиты (СПДЗ) многоэтажного здания при пожаре ..... 24

1.3 Исследования эффективности функционирования сложных систем.........................37

1.4 Выводы и задачи исследования..............49

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СПДЗ МНОГОЭТАЖНОГО

ЗДАНИЯ ПРИ ПОЖАРЕ.........................52

2.1 Выбор критериев функционирования СПДЗ ......... 53

2.2 Математическая модель газообмена в здании при пожаре. . 59

2.3 Проверка работоспособности модели в условиях

натурных экспериментов ................ 82

2.4 Входные и выходные параметры СПДЗ...........104

2.5 Метод определения эффективности функционирования противопожарной системы при пожаре...........110

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ СПДЗ НА ЕЁ ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ПРИ ПОЖАРЕ................115

3.1 Выбор представительной группы зданий.........117

3.2 Влияние входных параметров СПДЗ на ее функционирование...................138

3.3 Определение наиболее существенных входных параметров

СПДЗ..........................193

4. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СПДЗ .201

4.1 Математическая модель и алгоритм расчёта для отдельной

противопожарной системы ................ 201

4.2 Определение вероятностных характеристик входных параметров СПДЗ....................225

4.3 Проведение расчётов для СПДЗ типовых зданий ......244

5. ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ......262

5.1 Разработка рекомендаций по повышению эффективности функционирования СПДЗ некоторых типовых зданий.....264

5.2 Методы расчёта параметров подсистем дымоудаления и притока воздуха в зданиях повышенной этажности.....276

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ................302

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..............305

ПРИЛОЖЕНИЯ.........................323

ВВЕДЕНИЕ

Проблема обеспечения безопасности людей при пожаре в многоэтажных зданиях возникла естественным образом в связи с ростом этажности городской застройки и ограниченными возможностями технических средств, применявшихся ранее для спасения людей из мало-и среднеэтажных зданий. Устойчивая тенденция развития крупных и средних городов во всём мире в "высоту" и "глубину" однозначно вытекает из возрастания затрат на освоение земли, инженерное оборудование зданий [1], а также введения, в частности в России, платы за использование - земли.

Ограниченность материальных ресурсов (в связи с продолжающимся в России спадом производства и потребления [2,3]), которые могут быть предоставлены народным хозяйством на реализацию противопожарной защиты зданий, заставляет более обоснованно относится к действующим и проектируемым техническим средствам обеспечения пожарной безопасности зданий.

Обеспечение пожарной безопасности жилых и общественных зданий сопряжено с разработкой и реализацией адекватных средств противопожарной защиты, в первую очередь средств защиты людей.

В соответствии со стандартом [4] одной из важнейших противопожарных систем, которая оказывает непосредственное влияние на обеспечение безопасности людей при пожаре, является система про-тиводымной защиты (СПДЗ) многоэтажного здания. Поэтому представлялось необходимым создание расчётного метода количественной оценки эффективности функционирования при пожаре в первую очередь именно для этой противопожарной системы.

В настоящее время эффективность функционирования СПДЗ оцени-

вается в единичных (из-за дороговизны проведения) натурных экспериментах по признаку отсутствия дыма в некоторых объёмах здания. При этом невозможность полного учёта в экспериментах внешних воздействий во всём диапазоне их изменения не позволяет распространить полученные результаты на условия функционирования СПДЗ, отличающиеся от имевшихся в экспериментах.

Вопросами противодымной защиты, и более широко - газообменом зданий при пожаре - занимались многие отечественные и зарубежные исследователи ( Е.Батчер [5], А.Парнэл [5], М. Ферье [6], Н.Разумов [7], М.Грудзинский [8], В.Дубовик [9], М.Стецовский [10], Л.Карпов [И], В.Есин [12] и др.). Проведенные ими работы позволили практически реализовать в массовом и индивидуальном строительстве разработанные схемы противодымной защиты. Совершенно в другой плоскости проводились исследования эффективности применения, замены, эксплуатации различных технических систем противопожарной защиты, которые относятся к сложным системам. В свою очередь, функционирование сложных систем при различных внешних воздействиях исследовалось применительно к радиоэлектронным устройствам, средствам автоматики, некоторым конструкциям, военным объектам и т.д. Причём в отношении противодымной защиты (которая была отнесена к средствам автоматики) исследовались события, которые могут повлиять на сам факт включения её в работу (М.Брагин [13]). Заведомо предполагалось, что это и есть выполнение системой своей задачи.

Данная работа представляет собой попытку синтеза указанных направлений исследований применительно к одной из противопожарных системам, в частности - к СПДЗ. Результаты выполненных в данной работе исследований позволяют количественно оценивать качество ее функционирования при пожаре, вследствие чего появляется возмож-

ность более обоснованно подходить к вопросу устройства СПДЗ в тех или иных зданиях.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является создание расчётного метода количественной оценки эффективности функционирования при пожаре противопожарной системы (на примере СПДЗ многоэтажного здания жилого или общественного назначения) .

Для достижения этой цели решены следующие задачи:

- усовершенствован метод расчёта газообмена здания при пожаре в условиях функционирования СПДЗ;

- обоснованы критерии выполнения СПДЗ своего функционального назначения;

- определено влияние на эти критерии входных параметров СПДЗ (внешних воздействий), и из них выбраны наиболее значимые;

- определены статистические характеристики наиболее значимых входных параметров СПДЗ;

- разработан расчётный метод количественной оценки эффективности функционирования при пожаре отдельной противопожарной системы;

- показана применимость разработанного метода для оценки эффективности функционирования СПДЗ всех анализируемых в работе многоэтажных зданий;

- предложены способы повышения эффективности функционирования СПДЗ для ряда зданий с различными планировочными решениями;

- разработаны методы определения требуемых и фактических параметров СПДЗ в условиях, отличающихся от расчётных.

Объект исследования - одна из систем противопожарной защиты многоэтажных зданий - система противодымной защиты - в условиях влияния на неё различных внешних воздействий (входных парамет-

ров).

Предметом исследования являлась эффективность функционирования СПДЗ при пожаре в многоэтажном здании.

Теоретической основой исследования являлся комплекс работ, проведенных ранее советскими и зарубежными исследователями в различных областях знаний: гидравлики, теплообмена, радиоэлектроники, строительной механики и т.д.

Исследования осуществлялись с применением методов математического моделирования, теории вероятностей, анализа стохастического функционирования сложных систем и экспериментального подтверждения используемых моделей и исходных данных.

Научная новизна работы. Обоснованы критерии выполнения СПДЗ своего функционального назначения. Определены граничные условия для расчёта газообмена здания при функционировании СПДЗ. Выведена зависимость для расхода протекающих через вентилятор газов при наличии входного сопротивления вентилятора. Определены входные и выходные параметры СПДЗ. На основе расчёта газообмена здания при функционировании СПДЗ определена реакция СПДЗ на изменение 27 входных параметров системы для 8 зданий повышенной этажности различных планировочных решений. Выявлены наиболее значимые входные параметры СПДЗ: скорость и направление ветра, положение оконных проёмов в помещении очаге пожара, порядковый номер этажа пожара. Определены статистические характеристики входных параметров СПДЗ. Эффективность функционирования при пожаре отдельной противопожарной системы предложено оценивать как вероятность нахождения входных параметров системы в области их допустимых значений. Разработаны алгоритмы определения границы этой области, реализующие: 1) метод градиента наискорейшего спуска; 2) метод секущих плоское-

тей. Разработан метод численного интегрирования плотности распределения входных параметров системы, позволяющий при ограниченном числе интервалов интегрирования получать значение искомой вероятности (0-1) с погрешностью < 0.005.

Практическая ценность работы. Разработан расчётный метод количественной оценки эффективности функционирования при пожаре отдельной противопожарной системы, позволяющий проводить, в частности, оценку функционирования СПДЗ многоэтажного здания на основе "холодных" аэродинамических испытаний. В целях улучшения функционирования СПДЗ при пожаре показана желательность вскрытия оконных проёмов в очаге пожара и (при определённых условиях) в лестничных клетках с подпором воздуха (лестничных клетках 2 типа) . Выявлена необходимость отказа от подачи воздуха в весь объем лестничной клетки 2 типа для зданий высотой более 30 этажей. Предложены способы организации подачи приточного воздуха для "запирания" дыма на этаже пожара с использованием шахты лифтов. Определена вероятность выполнения задачи СПДЗ для 8 зданий повышенной этажности различных планировочных решений. Рассмотрены способы её кардинального увеличения для 6 зданий различных планировок. Показано, что отсутствие в системе противодымной защиты подсистемы организованной подачи воздуха на этаж пожара нецелесообразно. Разработаны вычислительные программы по определению фактических и требуемых параметров вентиляционного оборудования СПДЗ. Определены возможные условия функционирования клапанов и вентиляторов ды-моудаления в зданиях высотой до 50 этажей при дымоудалении из поэтажного коридора и непосредственно из очага пожара, а также допустимые геометрические параметры клапанов и шахт дымоудаления. Показана необходимость отказа от понятия "наиболее тяжелый вари-

ант расчёта" при проектировании СПДЗ.

Практическое внедрение результатов работы проведено при разработке:

- изобретения "Устройство для предотвращения задымляемости многоэтажных зданий" (A.c. N1258438, 1986.);

- изобретения "Устройство дымозащиты высотного здания" (A.c. N1265643, 1988.);

- пособия "Удаление дыма из зданий и сооружений" к СНиП 2.04.05-86 (Промстройпроект, 1988.);

- рекомендаций "Испытание клапанов вентиляционных систем противодымной защиты зданий" (ВНИИПО МВД СССР, 1987.)

- методических рекомендаций "Автоматизированное проектирование систем обеспечения пожарной безопасности объектов народного хозяйства" (ВНИИПО МВД СССР, 1989.);

- рекомендаций по повышению пожарной безопасности зданий Российской Государственной Библиотеки (Москва, 1993.);

- предложений по повышению безопасности людей при пожаре в инженерном и административном корпусе П/0 "АПАТИТ" (Кировск, 1994.);

- предложений по повышению эффективности функционирования СПДЗ здания гостиницы "АРКТИКА" (Мурманск, 1995.);

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на IX и X Всесоюзных конференциях "Процессы горения и проблемы тушения пожаров" (Москва 1987, 1989г.), Всесоюзном совещании- семинаре "Проблемы обеспечения пожарной безопасности зданий и сооружений" (Москва 1989 г.), XIII Всероссийской научно-практической конференции "Пожарная безопасность-95".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных ра-

бот; получено 2 авторских свидетельства на изобретения.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений. Диссертация содержит 238 стр. машинописного текста, 76 рис., 36 табл., 158 наименований библиографии.

На защиту выносятся следующие результаты работы:

- метод и алгоритм расчёта газообмена в здании при функционировании СПДЗ;

- критерии выполнения СПДЗ своего функционального назначения;

- множества входных и выходных параметров СПДЗ как сложной системы;

- перечень наиболее значимых входных параметров СПДЗ;

- статистические характеристики входных параметров СПДЗ:

- два алгоритма определения границы области допустимых значений входных параметров отдельной противопожарной системы;

- метод и алгоритм проведения количественной оценки эффективности функционирования при пожаре отдельной противопожарной системы;

- результаты расчётов вероятности выполнения СПДЗ своего функционального назначения при пожаре для 8 типовых зданий повышенной этажности;

- методы определения проектных и фактических параметров СПДЗ зданий повышенной этажности.

1. АНАЛИЗ РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

Система противопожарной защиты здания относится к сложным системам. В соответствии со стандартом [4] она включает в себя как подсистемы различные технические устройства и агрегаты, функционально объединённые между собой поставленной задачей и способом достижения уменьшения возможных потерь от пожара. В дальнейшем эти подсистемы будем называть противопожарными системами.

Система противодымной защиты является одной из противопожарных систем. Учитывая, что СПДЗ включает в себя, в соответствии с [4], кроме инженерного оборудования объёмно-планировочные решения здания, рассматривать её функционирование при пожаре целесообразно, учитывая их совместное влияние на выполнение задачи СПДЗ.

Предварительно необходимо отметить, что для вентиляционных систем с механическим побуждением, которые являются основным видом СПДЗ в многоэтажных зданиях, существуют различные схемные решения, реализующие идею об ограничении воздействия дыма на человека. Схемное решение противодымной защиты (Великобритания), описанное в [5], предусматривает создание избыточного давления в лестничных клетках, лестнично-лифтовых холлах, шахтах лифтов. При этом принудительное удаление дыма не предусмотрено. Величина избыточного давления в перечисленных защищаемых объёмах должна составлять 50-60 Па (при пожаре), скорость приточного воздуха в открытых дверных проемах - 0.5-1.0 м-с-1. Избыточное давление создаётся постоянно работающими вентиляторами, которые при пожаре переходят на форсированный режим работы. В схемном решении, применяющемся во Франции [6], вентиляционные системы предназначены

для создания избыточного давления: в лестничных клетках, промежуточных объёмах (тамбурах) между лестничными клетками и поэтажными коридорами,- и принудительного удаления дыма с этажа пожара. В свою очередь, создание избыточного давления в тамбурах возможно несколькими способами. В первом способе через тамбур проходит две шахты (приточная и вытяжная), каждая из которых имеет свой вентилятор и поэтажные клапаны. Во втором способе применяется одна (приточная) шахта. В третьем способе избыточное давление создаётся при перетекании воздуха из объёма лестничной клетки через специальный клапан, открывающийся на этаже пожара. Приточный воздух подается в нижнюю часть лестничных клеток. Удаление дыма с этажа пожара производится через специальный клапан в шахте дымоудале-ния. Схемное решение, использующее общеобменную вентиляцию и систему кондиционирования, реализовано в Центре международной торговли в Москве. При возникновении пожара на всех этажах, кроме этажа пожара, каналы вытяжной вентиляционной системы перекрываются клапанами. Каналы приточной общеобменной вентиляции закрываются только на этаже пожара. В результате на этаже пожара возникает разрежение по отношению к другим этажам здания, что ограничивает поступление на них дыма с этажа пожара.

В нашей стране первые требования к устройству СПДЗ в зданиях высотой более 26 м были установлены в нормах [14]. Предусматривалось создание избыточного давления в объёмах лестничных клетках, шахт лифтов и удаление дыма из коридора на этаже пожара. С различными модификациями эти принципы построения СПДЗ с