автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Исследование тепловых потоков, поступающих в ограждающие строительные конструкции в условиях пожара, для расчета требуемых пределов огнестойкости

МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ РОССИИ ВЫСШАЯ ИНЖЕНЕРНАЯ ПОЖАРНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ШКОЛА

На правах рукописи

КАРПОВ АЛЕКСЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ.ПОСТУПАЮЩИХ В ОГРАЖДАЮЩИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ В УСЛОВИЯХ ПОЖАРА,ДЛЯ РАСЧЕТА ТРЕБУЕМ« ПРЕДЕЛОВ ОГНЕСТОЙКОСТИ

специальность 05.26.01 Охрана труда и пожарная безопасность

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-1994

Работа выполнена на кафедре пожарной безопасности в строительстве Высшей инженерной пожарно-технической школы №Д России.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

доцент Измаилов А.-Х.С.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Кошмаров Ю.А. кандидат технических наук, доцент Демехин В.Н.

Ведущая организация - НИИЖБ Госстроя России

Защита состоится " 21 _"..ноября _.1994г. в _14_ часов на заседании диссертационного совета Д 052.03.01 в Высшей инженерной пожарно-технической школе МВД России по адресу:129366,Москва,ул. Б.Галушкина,д.4.,эал Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВИПТШ кед России.

Автореферат разослан "_20_"_октября_ 1994 г. исх. N. 8/58_.

Отзыв на автореферат с заверенной подписью и печатью просим направить в ВИПТШ МВД России по указанному адресу.

Телефон для справок: 283 -19 -05

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук.с.н.с.

Т.Г.Меркушкина

Актуальность теш.Обоснование требований к огнестойкости зданий и конструкций является одной из основных задач комплексной проблемы обеспечения пожарной безопасности в строительстве. Различные аспекты решения этой задачи наиболее полно отражены в работах Бушева В.П., Вильямсона Р.В., Жукова В.В. «Измайлова А.-Х.С. «Ингберга С.И., Комарова Ю.А..Мурашова В.И., Молчадского И.С..Присадкова В.И., Пчелинцева В.И..Романенко И.Г.,Ройтмана В.М., Ройтмана М. Я., Федоренко B.C., Федорова В.В., Яковлева А.И. и др. По мере совершенствования производственной базы и роста требований к экономичности строительства всё более актуальным становится вопрос о затратах на решение этой задачи. В результате к уровню научного обоснования норм предъявляются всё более высокие требования.

В действующих строительных нормах огнестойкость здания определяется по второй части главы отраслевых норм и правил в зависимости от функционального его назначения, габаритов (этажности, площади противопожарного отсека), категории производства по пожарной опасности (для производственных зданий),вместимости зрительного зала (для культурно-зрелищных зданий), наличия средств автоматической пожарной защиты. Затем в зависимости от требуемой степени огнестойкости здания по СНиП "Противопожарные нормы" определяют требуемые пределы огнестойкости основных видов строительных конструкций, выраженные 'во времени "стандартного" температурного режима пожара. Заложенные в СНиП "Противопожарные нормы" числовые значения требуемых пределов огнестойкости конструкций лишь косвенно и формально зависят от некоторых факторов, влияющих на температурный режим и продолжительность возможного пожара. Эти показатели недостаточно надежно отражают важность отдельных видов конструкций в ограничении распространения пожара, а следовательно, сохранности здания и содержащихся в нем материальных ценностей.

Несмотря на то,что основные недостатки нормирования

требуемых пределов огнестойкости строительных конструкций известны более сорока лет, числовые показатели для внесения в эти нормы назначали, как правило,методом экспертных оценок с учетом опыта проектирования. Причём,на протяжении последних десятилетий,требования к огнестойкости строительных конструкт»! при периодической переработке СНиП постепенно снижались разработчиками противопожарных норм,как правило, лишь из чисто экономических соображений и величин фактических пределов огнестойкости строительных конструкций,используемых в действующих типовых проектач зданий,а не из условий обеспечения необходимой,научно обоснованной защиты зданий от воздействия возможных пожаров. Таким образом,часто нарушался объективный принцип,согласно которому требуемые пределы огнестойкости конструкций должны назначаться независимо от фактических.

Используемые при разработке норм чисто экономические соображения снижения противопожарных требований конструкциям научно не обосновывались, а базировались зачастую на интуиции разработчиков СНиП, либо с учётом недостаточно объективных данных, существенно заниженной статистики количества происшедших пожаров и убытков от них.

Первая попытка подвести научную базу к системе нормирования требуемых пределов огнестойкости конструкций в 50-е годы не получила широкого практического применения в нашей стране ввиду недостаточной научной проработки и ограниченности исходных данных для её реализации. Это послужило причиной возвращения к первоначальной системе противопожарного нормирования при разработке главы СНиП "Противопожарные нормы",в которой не учитывалась величина пожарной нагрузки помещений.

Очевидно для перехода к научно обоснованной системе нормирования требуемых пределов огнестойкости строительных конструкций необходимы соответствующие всесторонние научные исследования б данной области.

Цель диссертационной работы заключается в исследовании тепловых потоков пожара,поступающюс в ограждающие строительные конструкции .для оценки требуемых пределов огнестойкости.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1.Проведен анализ работ по теплообмену на пожаре в помещении между газовой средой и конструкциями, определению требуемых пределов огнестойкости расчетом.

2.Исходя из возможного теплообмена на пожаре между газовой средой и конструкциями,определено условие безопасности конструкций с учетом пожарной нагрузки в помещении. Проведен анализ размерностей физических величин,определяющих тепловые потоки,поступающие в ограждающие строительные конструкции и установлен вид функциональной зависимости между ними.

3. Разработана и реализована методика экспериментального исследования теплообмена между газовой средой и ограждающими конструкциями помещения на пожаре.

4.Определены тепловые потоки, поступающие в ограждающие строительные конструкции двумя независимыми методами. Исследованы параметры состояния газовой среды (распределение статического давления,температура), массовая скорость выгорания пожарной нагрузки. На основании обобщения результатов экспериментов установлена зависимость для определения тепловых потоков, поступающих в ограждающие конструкции помещения на пожаре с учётом пожарной нагрузки и других факторов.

5.Разработаны инженерные методики определения тепловых потоков, поступающих в ограждающие строительные конструкции, и времени окончания горения пожарной нагрувки с учётом различных факторов пожара для использования в целях оценки огнестойкости конструкций.

Научная новизна работы:

1.Получены новые экспериментальные данные по локаль-

ным тепловым потокам, поступающим в ограждающие строительные конструкции помещения на пожаре.

2.Лолучены функциональные зависимости, описывающие суммарный теплообмен между газовой средой помещения и конструкциями стен; и перекрытия.

3. Разработаны инженерные методики определения тепловых потоков, поступающих в ограждающие строительные конструкции помещения при различных величинах пожарной нагрузки, размерах проема помещения, площади пожара.

4.Получены экспериментальные данные о состоянии газовой среды на пожарах :(температура, статическое 1 давление) и массовой скорости выгорания горючей жидкости.

Практическая цённость работы состоит в следующем:

1.Полученные! экспериментальные данные по тепловым потокам, статическому давлению, температурным полям и массовой скорости выгорания могут быть использованы при решении дифференциальных уравнений, описывающих процесс пожара в различных задачах по пожарной безопасности.

2.Разработанные инженерные методики определения тепловых потоков, поступающих в строительные конструкции на пожаре, позволяют '.сформулировать граничные условия П-го рода для прогнозирования огнестойкости конструкций.

3.Сформулировано условие безопасности конструкций с учётом основного фактора пожара - пожарной нагрузки.

Реализация и внедрение результатов работы. Полученные экспериментальные данные и разработанные методики экспериментального исследования и расчетного определения тепловых потоков использованы в ВИПТШ МВД РФ и С.-П.ВПТШ МВД РФ в учебном процессе;в УГПС г.Москвы,Ассоциации Московских проектных организаций,Государственном проектно-изыска-тельском и научно-исследовательском институте гражданской авиации "Аэропроект" при разработке и экспертизе проектов зданий и сооружений.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались в ВИПТШ МВД РФ на научно-технических конференциях

-б-

"Совершенствование деятельности органов государственного • пожарного надзора" (1990г.) и "Совершенствование средств и способов ликвидации пожаров, аварий и катастроф"(1992г.);в Саратовской высшей школе МВД РФ на конференции "Использование достижений науки и техники в предупреждении,раскрытии и расследовании преступлений" (1994 г.);и на объединенном заседании кафедр ВИПТШ МВД РФ "Пожарная безопасность в строительстве", "Инженерной теплофизики и гидравлики" и "Высшей математики" (1994 г.);на 'заседаниях научно-исследовательского отдела ВИПТШ МВД Р2 (1991-1994 гг).

Публикации. По результатам исследования опубликованы 4 статьи.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы и приложений; изложена на 156 листах машинописного текста, содержит 7 рисунков,9 графиков,? таблиц, 7 приложений и список литературы, включающий 104 наименования.

На защиту выносятся:

методика исследования процессов теплообмена в экспериментальном помещении;

результаты экспериментального исследования теплообмена между газовой средой и ограждающими конструкциями помещения (поступающие в ограждающие строительные конструкции тепловые потоки),параметров состояния газовой среды в помещении на пожаре (статическое давление,температура среды);

методика расчетного определения тепловых потоков, поступающих в ограждающие строительные конструкции на пожаре.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

/

В первой главе" диссертации дан обзор литературных источников по расчетному определению пределов огнестойкости строительных конструкций.

Проблема расчета требуемых пределов огнестойкости строительных конструкций до настоящего времени не решена полностью.Существующие методики по оценке требуемых пределов огнестойкости строительных конструкций зданий,как правило, основываются на определении продолжительности пожара и его температурного режима.Пожарную нагрузку учитывают как массу сгораемого материала.

Представляется, что оценивать огнестойкость конструкций, как это отражено в анализе литературы, необходимо с учётом пожарной нагрузки.При этом определять её и применять в расчетах целесообразно на основании рекомендаций СТ СЭВ 446-77"ПротиБопожарные нормы строительного проектирования: Методика определения пожарной нагрузки".Исходя из определения пожарной нагрузки следует, что наиболее приемлемо оценивать огнестойкость конструкций с учетом теплового режима по;хара,т.е. критическое количество теплоты аккумулируемое конструкциями до наступления одного из предельных состояний.

По теории ¡0.А.Кошмарова, описывающей процесс пожара, теплообмен между конструкциями и омывающим их газом определяется тепловым и гидродинамическими явлениями.Вся совокупность этих явлений описывается системой дифференциальных уравнений; энергии, движения среды, неразрывности потока, состояния среды и соответствующих условий однозначности. Численное решение системы уравнений требует определённых упрощений и допущений.В конкретных задачах по пожарной безопасности краевые условия задаются по известным экспериментальным данным. Актуальным является вопрос приближенного решения ураинепий, внесение допущений необходимо подтверждать экспериментальными данными.Таким образом, целесообразно определить тепловые потоки, поступающие в конструкции в условиях пожара экспериментальным путем.

Необходимо отметить, что в литературе ограничено количество данных по теплообмену на пожаре, что затрудняет разработку методики расчета тепловых потоков, поступающих

в конструкции и падающих на них, а следовательно, и возможность прогнозирования огнестойкости конструкций.Для построения такой методики необходимо получить экспериментальные данные по тепловым потокам в зависимости от пожарной нагрузки и других факторов пожара; оценить погрешность полученных величин.

Во второй главе на основании анализа существующих подходов к обоснованию пределов огнестойкости конструкций предложено условие их безопасности на пожаре, в качестве основного критерия в расчетах предложено испольвовать пожарную нагрузку:

О® < Од. I№. (1)

где 0® - фактическая тепловая нагрузка на конструкцию. За величину фактической тепловой нагрузки предлагается принять количество теплоты, которое аккумулируется конструкцией при пожаре;

Од - допустимая тепловая нагрузка на конструкцию.За величину допустимой тепловой нагрузки предлагается принять количество теплоты, при аккумуляции которого наступает одно из предельных состояний по огнестойкости.

В данной работе рассмотрена левая часть неравенства (1) для ограждающих строительных конструкций.Проведен ана-лиэ размерностей физических величин, характеризующих распределение тепловых потоков, поступающих в конструкции на пожаре.

На основании анализа литературных источников и с учётом проведённых экспериментов установлено, что средне-интегральная плотность теплового потока ц, поступающего в ограждающие строительные конструкции при пожаре для рассматриваемых в данной работе условий,в основном зависит от количества пожарной нагрузки М, теплоты сгорания пожарной нагрузки ой. массовой скорости выгорания пожарной нагрувки Уо. объема V и высоты помещения Н. площади оконного проема Рпр.. площади пожара Рпож-. текущего времени х.

В связи с тем,что поглощённые тепловые потоки имеют непосредственное отношение к ограждающим конструкциям помещения, то при определении искомой зависимости использовали в качестве геометрических характеристик площадь пола помещения Рп и площадь всех ограждающих конструкций1Р* вместо высоты Н и объема V.

Поглощенные тепловые потоки исследованы только для развитой стадии пожара ,в результате получено уравнение в общем виде для определения тепловых потоков

(2)

«V

С учетом преобразований по методу теории размерностей уравнение (2) имеет вид

I ;

I я*- Цх*;Р";П) ' (3)

I

где - х - время>выгорания 1 кг топлива с 1 м2 площади противня при (стандартной (табличной) массовой скорости выгорания (¥0 ■ 2.5 кг-м-2-мин"1);

-1

г -х-х ; Р "Рпож'Рп - безразмерное время и площадь;

(Он-Уо)1 - безразмерный тепловой поток;

П-Рпр-^-ЮОХ - безразмерная площадь проема

помещения.

Локальные тепловые потоки, поступающие в ограждающие строительные конструкции определяли по методу вспомогательной стенки: измеряемые потоки воспринимались датчиками. расположенными на поверхности конструкций.

В начальной стадии пожара (для 1<0.05-52/а) тепловые потоки определяли по методу, базирующемуся на положениях теории нагревания полубесконечного массива при граничных условиях 1-го рода

X ЙТ*, сЗх

- . - - ---. (4)

--С1-С ,---

/ л-а / (1 - г)

В развитой стадии пожара локальные тепловые потоки определяли по формуле

Ч(х.у)1.-(А/5)-[Тхво,(и52/За)-Тх=о. (Ь-о2/6а)] . (5)

Для расчета тепловых потоков по формуле ¿5) экспериментальным путём определили температуру на поверхности тепломера (хО), обращенной внутрь помещения Т«, и температуру на его противоположной стороне (х*6) в моменты времени t+б2/3a и 1-о2/ба соответственно.

Для оценки результата совокупного действия конвекции,- теплопроводности и лучистого теплообмена дополнительно определили суммарные тепловые потоки другим независимым методом.В качестве второго метода использовали уравнение энергии на пожаре.

Изложенный подход изучения теплообмена строительных конструкций при различных режимах пожара в помещении позволяет анализировать составляющее элементы уравнения теплового баланса, определять тепловые потоки,поступающие в строительные конструкции, оценивать погрешность полученных результатов.

В третьей главе разработана методика экспериментального исследования тепловых потоков при пожаре с учетом полученной функциональной зависимости (3).'

Экспериментальное исследование проведено на фрагменте высотного здания ВНИИПО МВД ГО (рис.1) . Размеры помещения: высота 11®3м, ширина а2»5м,длина а1»5м.Стены выложены из шамотного кирпича: толщина наружных стен 5=0.38м, внутренних - 6=0.25м. Перекрытие и пол выполнены из железобетонных плит толщиной 0.4м и 0.2м соответственно.В геометрическом центре наружной стены помещения расположен оконный проем высотой 1.68м.Отсчитываемая от пола коорди-

Рис Л.Схема пкспериментального помещения

ната нижнего края проема составила УхО. 75м, верхнего -

43м.Ширину проема варьировали от опыта к опыту от 0.7м до 2.15м.Дверной проем по условиям эксперимента был закрыт.

Во всех опытах в качестве пожарной нагрузки использовали дизельное топливо марки Л-0.5 (плотность - 837кг/м3 .температура вспышки 73°С, низшая теплота сгорания -48870кДж/кг).Топливо сжигали в противнях, установленных в центре помещения.Площадь их изменяли от 0.5м2, до Зм2, количество жидкости соответственно от 40 до 500кг.

В соответствии с методикой исследования экспериментальное помещение было оснащено датчиками и приборами для измерения температуры газа и избыточного статического давления внутри помещения, температуры уходящего газа в сечении проема, температуры поверхности ограждений, падающего теплового потока и поступающего в строительные конструкции, потери массы горючей жидкости.

Измерение температурного поля внутри помещения проводили при помощи 48 хромель-алюмелевых термопар.Из них 28 термопар устанавливали на поверхностях строительных конструкций, '15 термопар - в объеме помещения,5 термопар - в оконном проеме.

Падающие тепловые потоки в опытах измеряли тепломерами суммарного теплового потока Ф0А-013-01 типа БЫ 2.824.013.Пределы измерения тепломеров 5+630 кВт/м2 и 1+224 кВт/м2,чувствительность 8.1+25.16 мкв-м2/кВт,основная погрешность градуирования 1.98±2.5%. В опытах использовали 28 датчиков данного типа.Тепловые потоки, поступающие в строительные конструкции, измеряли тепломерами, реализующими метод вспомогательной стенки.Тепломеры изготовлены из бетона на основе диоксида циркония* •. имели форму пластины ф=30 мм и б»7 мм. В помещении было установлено 48 датчиков.

Тепломеры и термопары в горизонтальных сечениях имели координаты; Х1-1.25 м; Х2В2.5 м; Хз*3.75 м; 2г"1 м; Ъ<1=2 м;2з33 м.Схема размещения датчиков отражена на рис.2.

Избыточное давление б опытах измеряли 8-ью полупроводниковыми преобразователями давления ПДП-12 м с диапазоном измерений, от -100 Па до +100 Па.Допускаемая основная приведенная погрешность по выходу не превышает 1.5 Па.

Массовую скорость выгорания дизельного топлива определяли дифференцированием зависимости массы горючей жидкости, выгоревшей при проведении эксперимента,от времени. Эту зависимость устанавливали путём аппроксимации экспериментальных данных на ЭВМ с использованием метода параболической интерполяции.Потерю массы горючей жидкости определяли по тарированной шкале уровнемера.

Для получения достоверной зависимости по определению тепловых потоков согласно разработанной методике необходимо было провести 18 экспериментов.

В экспериментах использовали приборы,прошедшие государственную метрологическую поверку и имеющие свидетельства об их пригодности для измерения исследуемых величин в определенном диапазоне с определенной точностью.

Разработанная методика позволяет исследовать теплообмен на пожаре при температурном режиме отличном от "стандартного" на коэффициент в пределах от 0.37 до 1.4 (рис.3) двумя независимыми методами.Минимальные значения количества пожарной нагрузки, площади пожара и оконного прооема подобраны с расчетом получения среднеинтегральных значений исследуемых параметров, максимачьные - из расчета возможных пожаров на производствах, связанных с обращением горючих жидкостей.Условия проведения опытов отражены в таблице 1.

В четвертой главе приведены результаты экспериментального исследования теплообмена; разработаны инженерные методики определения тепловых потоков, поступающих в ограждающие конструкции при пожаре.

Результаты опытов подтверждают необъективность оценки и нормирования огнестойкости конструкций только по продолжительности пожара.Анализ экспериментальных данных по-

Таблица 1. Услооия проведения опытов

N Площадь Количество Ширина Температура Атмосферное

ОП. пожара,мя топлива,кг проема,и наружного воздух а,°С давление, Па

1 0.5 41.8 0.7 17.5 99291

2 0.5 41.8 1.5 15.5 98357.9

т а.5 41.8 2. 15 17 98091.5

4 1 167. 4 0.7 25 99291.5

5 1 167. 4 1.5 30.5 100091.4

6 1 167.4 2. 15 31.5 100224.В

7 1.5 209.2 0. 7 17.5 99291

В 1.5 209.2 1.5 15.5 98357.9

9 1.5 209.2 2. 15 17 98091.5

10 2 334. В 0. 7 25 99291.5

1 1 334. 8 1.5 30.5 100091.4

12 334. 8 2. 15 31.5 100224.В

17 2.5 376. 6 0.7 99024.В

14 2.5 376. 6 1.5 20.5 99024.6

15 2.5 376. 6 2. 15 22 98758.1

16 т 502.2 0. 7 30 9995В.1

17 з 502.2 1.5 31.5 100757.9

16 502. 2 2. 15 32.5 100891.2

Время, мин

Рис. 3. Температурный режим в помещении (номера опытов на кривых)

««'«"« ОПЫТ;

---стандартный режим

каэал, что при, идентичном времени окончания горения пожарной нагрузки возможны различные, тепловые режимы пожаров. Поэтому и время достижения одного из предельных состояний конструкциями различны.Снижение несущей способности конструкций происходит на всех стадиях пожара.На стадии развития пожара учитывают минимальные пределы огнестойкости конструкций, крторые обеспечивают необходимое время для эвакуации людей из здания.Характерная черта развитой стадии пожара - достижение максимального количества теплоты, воспринимаемого конструкциями.Стадия затухания пожара, как известно, ограничивает теплоотвод с поверхности конструкций в окружающую среду, способствует переносу теплоты во внутренние слои конструкций и дальнейшему снижению ее несущей (ограждающей), способности.Поэтому в зависимости от назначения здания необхрдимо определить время воздействия тепловых потоков,] в течение которого предполагается обеспечить надежность работы исследуемой конструкции.

Газовую среду при пожаре в помещении характеризовали среднеобъемными термодинамическими параметрами состояния.

Максимальному тепловозу воздействию во время пожара подвергается перекрытие.При этом неравномерное распределение температуры на поверхности также зависит от размеров факела пламени и от площади поверхности горения.При небольших площадях горения (для данного помещения до 1м2) существенное влияние на распределение температуры по перекрытию оказывает место расположения очага пожара.Так, например, при площади пожара 0.5м2 разность между средне-интегральным и максимальным локальным значениями температуры может достигать 150°С, что составляет 302 среднеин-тегральной температуры.Разница локальных значений максимальной и минимальной температуры для этой площади горения достигает 250°С.Однако уже при площади горения 1м2 разница между среднеинтегральным и максимальным локальным значениями температуры поверхности снижается до 140°С или 19%, а при площади пожара Зм2 - не превышает 82 (рис.4а).Средне-

1600

*1200:

-N2 I

1400

1200

^1000^ сЗ

В н

Л 800 ^

О,

о

§ 600 ^ ш Е-

400 ^ 200 ■:

0 11 ! м I 111 I I I м I —; п | | 1111 11 11 , 1111 11 11 11 I > I I 111 11

0 20 40 60 80 100 Время,мин

2-2 Г \

в)

»

д

,6

опыт

18

*/

I к

6

опыт — 6

0 1 ' I I I г 1 I 1 1 I | | ГМ I I 1 I | I I I I I I I 1 I I I I I I I 1 I М | I I ) I I 1 I I I

0 20 40 60 80 100

Время, мин

Рис. 4. К оценке неравномерности температуры на поверхности потолка (а) и стен (в) Локальная температура Среднеинтегральная температура

а)ооооо минимальная; а)- потолок в) стена N (см.рис. 1):- - по всем стенам;

лдддй *,• ***** 2; осооо 3; ххххх 4

***** максимальная

интегральные значения температур поверхностей стен в проведённых опытах отличались между собой на величину порядка 100°С, В некоторых опытах эта величина достигала 150°С.Прежде всего это относится к опытам с небольшим очагом горения (до 1м2 ) и шириной оконного проёма 1.5 м и менее.В первом случае на распределение температуры влияют размеры факела пламени, во-втором - несимметричное расположение очага пожара относительно оконного проёма, так как по условиям проведения опытов металлические шторы навешивали только с одной стороны проема.При этом неравномерное расположение факела пламени относительно стен из-за условий газообмена способствовало увеличению разности средне-интегральных температур этих поверхностей (рис.4.в).Значительно больших размеров достигала разность локальных значений температур поверхностей стен по высоте помещения.Поэтому при использовании в расчетах огнестойкости конструкций среднеинтегральных температур поверхностей необходимо знать их распределение по высоте стек для введения соответствующих коэффициентов.

Таким образом, величина максимальной температуры среды в помещении и на поверхностях ограждающих строительных конструкций при горении горючих жидкостей в основном зависит от площади пожара.Достижение максимальной температуры газа в помещении наблюдается, как отмечено и в исследовательских работах ВИПТШ и ВНИШЮ.при максимальных значениях параметров состояния газовой среды и массовой скорости выгорания.

На развитой стадии пожара тепловые потоки достигают своего максимального значения.Время достижения этих величин для падаю ада тепловых потоков и среднеобъёмной температуры в экспериментах совпадает.Изменение площади пожара, размеров оконного проёма,количества пожарной нагрузки воздействует на распределение падающих на конструкции тепловых потоков по аналогии температурного поля в экспериментальном помещении.Доля теплоты, воспринимаемой строитель-

на

ными конструкциями от выделенного количества при пожаре (объемном), зависит в основном, от площади проёмов. Так. например, доля поглощённого количества теплоты для опытов с шириной оконного проема 0.7 м находится в пределах 37 - 452, а при ширине проёма 2.15 м эта величина составляет 15 - 232.

Соотношение поглощенного и падающего тепловых потоков в основном зависит от площади пожара и определяется степенью прогрева конструкций.С уменьшением разницы между температурой поверхности конструкций и газовой среды уменьшается и количество поглощённой теплоты.Это положение подтверждают и законы лучистого теплообмена.Установлено, что доля лучистой составляющей от падающего суммарного теплового потока для рассматриваемой стадии пожара является определяющей.При площади пожара 0.5 м2 (опыт N1) максимальное количество поглощенной конструкциями теплоты составило 702 от падающей на них.Для этих же условий при площади пожара 3 м2 (опыт N6) эта величина составила 542.

Экспериментальные данные по суммарным тепловым потокам, поглощенным конструкциями, сравнили с результатами расчетов по уравнениям, описывающим процесс пожара.Характер изменения кривых на всех стадиях пожара идентичен.Максимальное расхождение результатов приходится на развитую I стадию пожара и оно не превышает 252 (рис.5).Хорошее согласование результатов позволило их использование при разработке методик по определению поглощенных конструкциями тепловых потоков.Зависимости по определению тепловых потоков получили с помощью метода наименьших квадратов.Общий вид функции определили в зависимости от величины, являющейся для всех опытов переменной - текущего времени.При этом для каждого опыта значения коэффициентов В7и к'в исходном уравнении (7) были различные.Далее последовательно определили зависимости этих коэффициентов от площадей противней и оконного проёма соответственно.Полученные функции подставили в искомое уравнение.Формулы,определяющие погло-

8

ю

О ь о

с «

о т о с а

V

Е-

800

600

400

240

200

0" I 11 И 111 111 м 1111 II | 111 IIII И 11 I И III И | II I III11111 I I 11 I 11 I

О 10 20 30 40 50 60

1 20 1 П 11 I 11 I 11 111 111 |Щ 11 П I 11II |11 мч II |||Ч 11111 I | I I I П I I I I 20 40 60 80 100 120 140

Время, мин ?-100

Рис.5.Суммарный тепловой поток в поме- Рис.б.Тепловые потоки поступающие

щении (номера опытов на кривых) в потолок при пожаре

опыт; - расчет по (7);

расчет »**«» опыт 1 — 18 (см.табл.1)

щенные конструкциями тепловые' потоки для раззитой стадии полара,имеют вид:

к'-и^ х* - <С- для потолка (рис.6,где х--у-— + 1;Ц-—^ + 1.)

В В

q^B^-LogCc"), (7)

где

K/eF*•(-0.021«ГГ^-О.028)+3.11•10~3 -7.5-10~4-П+

,+1.32-10~4-П2 , (8)

B/sF*•(-0.05-11+0.43)+П-(-150.11-П+64.66)"1 . (9) - для степ

q¿=B//-exp(K//--c*r1 . (1.0)

где

B^F* • (-П-0.02+0.14) + (-3. Сб • 10"э+1.3-10~3-П+

+1.45-10~4-П2) , (11)

К'^'^.й-П-б.ГГ+П^^в-Кб.З-П'З.Т+П^О.?) •Log(Ff') . (12)

Предварительно аналогичны}/ образом определили с"/шг-рическое уравнение для расчета времени скончания горо:г/.я пожаркой нагрузки

-i -i -i П-(1.03-П+0.13)1

t^-Fn5»-V(l.l3-n +0.65) -М U ; , (13)

Входящие в уравнения (7).(10),(13) коэффициенты (В7,К'',В//,К//)являются безразмерными величгаами.

Таким образом, формулы для определения поглощенных конструкциями тепловых потоков получены с учётом основных для рассматриваемого случая факторов пакара.Это позволяет

исследовать вопросы огнестойкости конструкций в помещениях аналогичного объема при различном сочетании количества пожарной нагрузки, плошади пожара, площади оконного проема.

Основные выводы

1. Проведённый анализ литературных источников показал, что проблема определения пределов огнестойкости строительных конструкций при пожаре изучена недостаточно.В действующих нормах числовые значения требуемых пределов огнестойкости лишь косвенно и формально зависят от некоторых Факторов, влияющих на температурный режим и продолжительность пожара.

2. Предложено условие безопасности для строительных конструкций при пожаре в помещении.В качестве составляющих это условие величин приняты фактическая и допустимая тепловые нагрузки.

Разработана и реализована методика экспериментального исследования процессов теплообмена между газовой средой и ограждающими строительными конструкциями на пожаре в помещении с естественной вентиляцией.

3. Получены новые данные по величинам падающих тепловых потоков при среднеобъемной температуре в помещении во время пожара 200 - 1300°С.В этом интервале температур двумя независимыми методами определены тепловые потоки, поступающие в ограждающие строительные конструкции.

Поверхностная плотность теплового потока, поступающего в конструкции потолка, стен и пола в проведённых опытах составила 0.43 - IX, 0.19 - 0.33£, 0.04 - 0.19% от выделяемой теплоты на единицу площади ограждающих конструкций или 9.33 - 32.5 кВт/м2, 3.2 - 14.5 кВт/м2, 1.6 - 3.3

_ о

кВт/м*- соответственно.

Получены новые данные по распределению статического давления на пожаре в помещении при горении горючих жидкостей.

4. Проанализированы факторы, влияющие на процессы теплообмена на пожаре.на основании результатов проведённых экспериментов и расчётов составляющих элементов уравнения энергии по полученным данным в опытах.

Выведена эмпирическая зависимость для определения времени окончания горения пожарной нагрузки.

Разработана инженерная методика для расчета тепловых потоков, поступающих в конструкцию стен и перекрытия на стадии развитого пожара для использования в целях оценки огнестойкости.

Показана хорошая сходимость результатов, полученных при определении тепловых потоков,поступающих в строительные конструкции при пожаре, по разработанной методике с результатами экспериментальных данных.

5. Полученные локальные значения тепловых потоков, температуры среды и поверхностей конструкций показали, что существует неоднородность этих величин относительно очага пожара в различных сечениях помещения, которая увеличивается с уменьшением очага пожара.Это положение подтверждает необходимость исследования параметров пожара по вонам.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1.Бубнов В.М..Измаилов А.-X.С..Карпов A.C. Исследование среднеобъемной температуры внутри экспериментального помещения при пожаре. Сб. деп. рук. ГИД МВД РФ N 577 Д -М.,1992.

2.Карпов A.C. Тепловые нагрузки на конструкции при пожаре // Совершенствование деятельности органов государственного пожарного над8ора:Сб.научн.тр. - М.:ВИПТШ МВД РФ, 1991. - С.227-232.

3.Бубнов В.М..Карпов A.C. Методика исследования среднеобъемной температуры при пожаре // Совершенствование средств и способов ликвидации пожаров,аварий,катастроф:Сб. научн.тр. - М.:ВИПТШ МЗД РФ.1993. - С.

/

4.Бубнов В.М..Карпов A.C. Оценка проектных решений при проведении пожарно - технической экспертизы //Использование достижений науки и техники в предупреждении,раскрытии и расследовании преступлений:Сб.науч.тр.-Саратов: ВШ МВД РФ.1994.-С.301-303

Карпов A.C.

ВИПТШ ЪОД России

Тир.80 экз.