автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Исследования эффективности огнезащиты деревоклеевых конструкций

На правах рукописи

ГАРАЩЕНКО Пикша Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОГНЕЗАЩИТЫ ДЕРЕВОКЛЕЕНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05 26 03 - «Пожарная и промышленная безопасность»

(с1роите1ьсгво)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

00305Э507

Москра-2007

Работа выполнена в государственном образовательном учреждение высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

КОРОЛЬЧЕНКО Александр Яковлевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

РОИТМАН Владимир Миронович

кандидат технических наук ХАРИТОНОВ Виктор Сергеевич

Ведущая организация ЦНИИпромзданий

Защита состоится « » . /{(< _2007 г в « /{- » часов на

заседании диссертационного совета Д 212 138 04 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу г Москва, Шлюзовая наб , д 8, ауд 224

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета

У. ^

/У > ' <<

Автореферат разослан « ¿t' » /Л/7/1С 'tL 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Ширшиков Б Ф

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Деревянные клееные конструкции (ДКК) традиционны для отечественной строительной отрасли, что обусловлено богатыми лесосырьевы-ми ресурсами страны, а также тем, что по многим показателям их применение является более предпочтительно, чем конструкций из железобетона и металла До настоящего времени объем применения ДКК явно не соответствует потребностям строительства и потенциальным возможностям страны В то же время объемы строительства постоянно растут, и увеличивается потребность в ДКК,

ПРОИЗВОДСТВО КОТОПЫХ требует \:е"Ь"7В\ ЗНСрГл^~Тг,аТ, а ЧикТЗЖ На ООЪсКГаХ

более технологичен по сравнению с конструкциями из железобетона и стали

В/ЧТ Т ТТ П1 __/•

(Лии! И-4 1-у I сидсржсиси греоования по пожарной опасности строительных материалов и конструкций Для ДКК их выполнение возможно только при наличии огнезащиты Она позволяет снизить показатели пожарной опасности древесины и снизить кпясс пожарной опасности конструкции, определяемый по ГОСТ 30403-96 Считалось, что существенное снижение класса пожарной опасности ДКК возможно только при защите их такими неестественными для них средствами огнезащиты, как плитные негорючие материалы или обмазки (штукатурки), имеющие относительно большую толщину Отсутствовали обоснования возможности использования для ДКК таких приемлемых и естественных материалов, как прозрачные напучивающиеся покрытия (таки), поскольку испытания, предусмотренные ГОСТ 30403, не проводились Это, естественно, ограничивало возможности применения ДКК в строительстве

Для проведения расчетов огнестойкости конструкций из древесины используются методики, содержащие решения теплотехнической и статической задач Актуальность совершенствования расчетных методик очевидна, поскольку последние 15 лет испытаний ДКК в огневых печах в нашей стране проводилось крайне мало В настоящее время для теплотехнических расчетов ДКК с огнезашитой применяются упрощенные методики, использующие достаточно грубые приближения, что снижает точность определения температурных полей в ДКК и уровня их огнестойкости Это характерно также для методик теплотехнических расчетов стальных элементов узлов (нагелей, болтов, накладок и пр), обеспечивающих сопряжение элементов ДКК Они имеют, как правило, относи гельчо небольшие пределы огнестойкости и подлежат огнезащите

Научно-техническая задача экспериментальных и теоретических исследований эффективности средств огнезащиты ДКК является актуальной и представляет практический интерес Особый интерес представляют исследования эффективности применения для конструкций из древесины вспучивающихся покрытий Экспериментальные и теоретические исследования должны быть направлены на разработку научно-технических основ применения современных средств огнезащиты ДКК, позволяющих повысить качество проектирования за счет большей достоверности и точности расчетов конструкций с огнезащитой

Цель работы и задачи исследования Целью работы является научное обоснование способов обеспечения пожарной безопасности ДКК за счет применения эффективных средств огнезащиты, что создает предпосылки для расширения области и увеличения объема применения ДКК

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи

1 Экспериментальное определение параметров вспучивания современных прозрачных покрытий ДКК и их влияния на снижение уровня прогрева и обугливания образцов из древесины при высокотемпературном воздействии на лабораторном оборудовании

2 Определение класса пэзкарной опасности ДКК со вспучивающимися лаками в огневой печи, выявление и устранение недостатков методики испытаний и установки для их проведения в случае применения покрытий со значительным вспучиванием

3 С. оеделение характеристик, необходимых для проведения теплотехни-

4 Экспериментальная проверка методики теплотехнических расчетов ДКК со вспучивающимися покрытиями для подтверждения возможности ее использования при проектировании огнезащиты и оценках огнестойкости

5 Проведение математического моделирования с использованием наиболее совершенных методик теплотехнических расчетов для сопоставления эффективности типичных представителей различных еидов огнезащиты ДКК

6 Проведение численных исследований используемых расчетных методик для выявления уровня влияния основных параметров огнезащиты на прогрев ДКК и стальных элементов узлов

7 Подготовка рекомендаций но рациональным средствам и толщинам огнезащиты ДКК и стальных элементов ^злов

Научная новизна работы заключается в следующем

1 Впервые получены экспериментальные данные о динамике прогрева и вспучивания современных огнбз?щиткых покрытий для дрезесипь7 при висо\о-температурном воздействии в огневой печи при исследованиях класса пожар-

ТГЛЙ ТГТГТГ п ■ ---

пип а па уыапионь псиусоа

2 Впервые определены основные характеристики исследуемых материалов (кратность и температура начала вспучивания, параметры математической модели), необходимые для проведения теплотехнических расчетов

3 Обоснована методика и программа теплотехнических расчетов нестационарных температурных полей в ДКК с огнезащитой, учитывающая основные особенности разложения, вспучивания и поверхностного уноса исследуемых огнезащитных покрытий

4 На основании математического моделирования прогрева ДКК и стальных элементов узлов сопряжения для различных видов и толщин огнезащиты установлено влияние основных харак!ерисшк ошезащитных покрытий на прогрев ДКК и эффективность снижения их пожарной опасности

Практическая значимость работы заключается в следующем

1 Внесены изменения в конструкции крупномасштабной установки для испытаний строительных конструкций и методику испытаний, предусмотренную ГОСТ 30403-96 «Конструкции строительные Метод определения пожарной опасности», позволяющие определять класс пожарной опасности ДКК со вспучивающейся огнезащитой

2 Показана возможность снижения класса пожарной опасности и повышения пределов огнестойкости ДКК путем их обработки вспучивающимися огнезащитными составами

3 Получен комплекс характеристик материалов, необходимых дпч проведения теплотехнических расчетов ДКК, защищенных вспучивающимися покрытиями

4 Получены данные математического моделирования температурных полей и глубин обугливания деревоклееных конструкций с различными средствами огнезащиты, которые могут использоваться при определении класса пожарной опасности и пределов огнестойкости ДКК

5 Разработаны «Рекомендации по огнезащите деревоклееных конструкций», в коюрых приведены способы и средства достижения необходимого уровня пожарной безопасности ДКК при их использовании на строительных объектах

Достоверность результатов работы подтверждена использованием надежных методик экспериментальных исследований и методик расчетов Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждена также взаимным соответствием ре?ультатов расчетов прогрева конструкций данным крупномасштабных испытаний ДКК в огневых печах

На гу вьшосктея следующие потажеиия диссертации

1 Результаты экспериментальных исследований особенностей прогрева и вспучивания огнезащитных лаков при высокотемпературном воздействии в огневой печи и на установке лучистого нагрева

2 Результаты определения класса пожарной опасности ДКК со вспучивающимися покрытиями и рекомендации по уточнению методики и конструкции установки для испытаний по ГОСТ 30403

3 Комплекс характеристик материалов, необходимых для проведения расчетов, полученных с использованием результатов испытаний образцов на установке лучистого нагрева и испытаний ДКК в огневой печи

4 Результаты математического моделирования и параметрических исследований влияния различных характеристик материалов и режимов нагрева на прогрев и обугливание конструкций из древесины и на прогрев стальных элементов при использовании различных вариантов и толщин современных средств огнезащиты

5 Рекомендации по рациональным средствам и толщинам огнезащиты ДКК и стальных элементов узлов

Апробация работы Основные результаты диссертации доложены и обсуждены на следующих конференциях и семинарах на 1П Российской национальной конференции по теплообмену, Москва, 2002, международной научной конференции «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии», Томск, 2002, научно-практических конференциях «Пожарная безопасность зданий и сооружений-2004», Москва, 2004, IV Всероссийской научной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики», Томск, 2004, научно-практической конференции «Пожарная безопасность зданий и сооружений-2005», Москва, 2005, научно-практической конференции <'Гог;олскай стпоптслытьтгГ тсомгтлекс и бет^п^^ность "»к т с''"" ■; ** дан», Москва, 2005, научно-практической конференции «Пожарная безопасность здании и сооружений-2006», Москва, 2006

Внедрение результатов работы Основные результаты научных исследований в' .дрены при подготовке и проведении крупномасштабных огневых испытаний ДКК при подготовке «Рекомендаций по огнезащите дерево^лееных конструкций» и выборе средств 01 незащиты на ряде объектов

Публикации По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, сделано 10 докладов на научно-технических конференциях

Объем и структура работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка используемой литературы, включающего 92 наименования Общий объем диссертации 136 страниц в том числе 42 рисунка и 9 таблиц (с приложением 157 страниц)

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследовании, научная и практическая значимость полученных в диссертации результатов Указаны объекты исследований и основные положения диссертации которые выносятся на затттиту

В первой главе проведен анализ литературных источников по методам и результатам исследований огнезащиты и определения показателей пожаркой опасности деревоклееных конструкций

Рассмотрены основные преимущества и недостатки способов и средств огнезащиты ДКК Указаны типичные представители всех видов огнезащиты, которые способны снизить класс пожарной опасности конструкций и повысить их предел огнестойкости Это различные покрытия, плиты, обмазки Отмечено, что эффективными для ДКК могут быть вспучивающиеся лаки

Анализ методов и результатов исследований показателей пожарной опасности огнезащищенной древесины показал, что материалами, для которых получен достаточный объем и хороший уровень этих показателей, являются вспучивающиеся лаки ПРОТЕРМ ВУД и ФЕНИКС ДП При расходе покрытия ПРОТЕРМ ВУД 390 г/м2 получена 1-я группа огнезащитной эффективности и

показатели для древесины Г1, В1, Д1, а при расходе покрытия ФЕНИКС ДП 320 г/м2 - 1-я группа и показатели Г1, В1, Д2 Сделано предположение, что их применение позволяет снизить класс пожарной опасности ДКК Рассмотрены результаты экспериментального определения пределов огнестойкости ДКК при наличии и отсу1С1вии огнезащиты по ГОСТ 30247 0-94 и ГОСТ 30247 1-94 Установлено, что в лшературных источниках содержится ограниченная информация по речуль-

800

600

ТОТО»

20 40

Время мин

Рис

Зависимости температуры от времени по толщине балок с сечением 140x150 мм при огневых испытаниях, пол} ченные с помощью термопар, уставов течных на обогреваемой поверхности (1), на расстоянии от поверхности 2-10м, 3-20,4-30,5-40,6-50,7-60 мм, —•—•— - эксперимент,--расчет

представительными являются данные огневых испытаний по оценке 01 нестойкости деревоклееных балок, приведенные в кандидатской диссертации В С Харитонова Засл^'живают внимания результаты термопарных измерений, проведенных при этих испытаниях (рис 1)

Проведен анализ методик расчетов пределов огнестойкости дерево-клееных конструкций, состоящих из решения двух задач теплотехнической и статической Он показал, что л большинстве случаев температурное поле в ДКК не рассчитывается, а решение теплотехнической задачи учитывается при определении фактического предела огнестойкости ДКК по зависимости

Пф=т0 + тКр, тКр = (5К? - 5)/У, (1)

где То - время от начала теплового воздействия на древесину до начала обугливания, а Ткр - время от начала обугливания древесины до наступления предельного состояния при пожаре, У=0;6-0,7 мм/мин - скорость обугтивяния кпееной древесины, 6=5 мм - толщины слоя древесины, который практически не сопротивляется действующим на элемент нагрузкам

В тех случаях, когда проводились численные расчеты температурных полей в ДКК (работы В С Харитонова, Г В Гераськова), использовались методики, не позволяющие проводить расчеты конструкций, защищенных современными средствами огнезащиты, в частности, вспучивающимися покрытиями Анализ показал, что требуется применение более совершенных методик теплотехнических расчетов ДКК, в то время как методики статических расчетов приемлемы для практического использования

На основании анализа и обобщения литературных источников сформулированы цель и задачи диссертационных исследований В работе рассматривает-

ся эффективность для ДКК типичных представителей всех современных видов огнезащиты Основной объект исследований - вспучивающиеся лаки ПРО-ТЕРМ ВУД и ФЕНИКС ДП

Во второй главе представлены методы, оборудование и результаты экспериментальных исследований ДКК со вспучивающейся огнезащитой при высокотемпературном воздействии

Проведены экспериментальные исследования образцов из древесины с нанесенной на них вспучивающейся ог-

тй н о н к с

г-

«ТТТТТ'ГГ^тт и о

^ >

ТТТТ7

//////////

грева, которой представлена на рис 2 Испытания проводили по методике, разработанной Страховым В Л и Гара-щенко А Н и используемой для исследований различных срелств огнезащиты металлоконструкций В процессе испытаний фиксировалась динамика изменения толщины вспученного слоя Для фиксации температуры на поверхности образцов и по их толщине устанавливались термопары

Проведено 5 испытаний образцов клееной древесины толщиной 50 мм с покрытием ПРО ГЕРМ ВУД, 3 - с покрытием ФЕНИКС ДП и 4 испытания -без огнезащиты Проведено также по 3 испытания этих неисследованные ранее покрытий, нанесенных на стальные пластины, поскольку, рассматривалась возможность их использования для огнезащиты узлов ДКК Типичные результаты термопарчых измерений представлены на рис 3 Они в частности, свипетелг -ствует о том, что вспучивание исследуемых покрытий начинается при уровне

Рис 2 Схема установки лучистого нагрева 1 - лампы с отражателем, 2- источник питания, 3 - термопары, 4 - регистрирующие приборы, 5 - держатель образца с перемещаемым основаним (6), 7 - образец

Т^ Л < Г Ь"-ГЛ')'Г\П 1 7П_1 (ТТПТТ^ 1ТТЛ Г-ТТГ* ГТI, НО 1 (1П Г-ПЯ ПЛ7Г*Г\П \ 11411 М 1'1 ир»л

,---. —« * ~ ^ ---А.« * л

шинства известных вспучивающихся материалов) В ходе визуальных наблюдений установлено, что толщина вспученного слоя уменьшается после достижения максимального значения, превышающего в 100-120 раз, начальную толщину покрытия Результаты испытаний показали, что использование вспучивающихся покрытий значительно снижает уровень прогрева и глубину обугливания образцов древесины, а также значительно увеличивает время до начала ее обугливания Это свидетельствуют о перспективности проведения испытаний ДКК с такой огнезащитой в огневых печах по стандартизованным методикам

Огневые испытания в соответствии с ГОСТ 30403 по определению класса пожарной опасности ДКК со вспучивающимися покрытиями были подготовлены по инициативе и при непосредственном участии автора и проводились для

10 20 Время, мин

Рис 3 Зависимости температуры от времени в образце древесины толщиной 50 мм с покрытием ПРОТЕРМ ВУД толщиной 0,5 мм при вечичине теплового потока 55 кВт/м2, полученные с помощью термопар, установленных на поверхности (1) и на расстоянии от нее 2,4 мм (2), 5,2 (3), 7,1 (4), 10,1 (5), 14,6 (6), 30,2 мм (7)

конструкций из древесины впервые Их целью было доказательство возможности обеспечения для ДКК класса пожарной опасности К0(15) или К0(30) Они проводились в испытательной лаборатории пожарной безопасности «Пожполитест-М» Исследуемые образцы представляли собой деревоклее-ные панели стандартного размера Схема установки дта проведения испытаний представлена на рис 4

' 1 Г Т 1 т 11 .'» огчо гтотл^тпил tro ТГГ\г1ПТГ\\71Г^

цию происходит в обеих камерах, причем в огневой камере задается стандартный температурный режим, а в тепловой должен рсализовываться режим, задаваемый зависимостью

7}= Г0+ 200 log(8í+ 1), (2) где Tf, Тд - температура газовой среды и начальная температура, °С, t - время от начала испытания, мин В соответствии с ГОСТ 30403 контролировался ряд параметров и предельных состояний, в числе которых определялось натичие недопустимого размера повреждения образца (древесины) в контрольной зоне Дополнительно к измерительным средствам, предусмотренным ГОСТ 30403, б различных зонах панели были установлены термопары в соответствии со схемой^ представленной на рис 5 Они позволяют получить допочнительную информацию по прогреву образцов и проводить более объективный анализ полученных результатов В качестве контрольного параметра рассматривалось время достижения температуры 300°С (температура обугливания древесины) на глубине 2 мм от поверхности панели в зоне тепловой камеры на различном рас-

Рис 4 Схема пета для оценки пожарной опасности конструкций по ГОСТ 3040396 1 - огневая камера, 2 - тепловая камера, 3 - стена печи, 4 - перекрыше тепловой камеры, 5 - перекрытие огневой камеры, 6 - испытуемый образец

стоянии от плиты перекрытия огневой камеры Для показателя КО, согласно ГОСТ 30403, это расстояние не должно превышать 50 мм

По ГОСТ 30403 были проведены два огневых испытания деревоклее-ных панелей с лаком ПРОТЕРМ ВУД и одно - с лаком ФЕНИКС ДП При подготовке деревоклеенной панели для первого и второго испытания на ее поверхность наносилось покрытие ПРОТЕРМ ВУД с расходом 1,8 кг/м2 (голшина 1,1 мм) н у к-сыбка" тенс Рго1сггр \Vooci 1пг) А1 с расходом 0,05 кг/м2

В ходе первого испытания установлено, что в результате значительного вспучивания покрытия ПРОТЕРМ ВУД череч 7-8 минут с момента начала эксперимента был перекрыт проем между обогреваемой поверхностью испытываемого образца и торцом перекрытия, разделяющего огневую и тепловую камеры печи В результате фиксировалась температура в тепловой камере, уровень которой был значительно ниже уровня, предусмотренного ГОСТ 30403 и задаваемого зависимостью (2) Результаты первого эксперимента свидетельствовали о необходимости уточнения методики испытаний с целью обеспечения постоянной величины сечения проема между обогреваемой поверхностью испытываемого образца и торцом перекрытия печи Были внесены изменения в методику испытаний и конструкцию печи, обеспечившие возможность перемещения плиты перекрытия в процессе эксперимента Информация, полученная в ходе первого испытания, позволила сделать прогноз об ожидаемом уровне прогрева панели и назначить впемч теплового воздействия для второго испытания (45 мин)

Второе испытание ДКК с покрытием ПРОТЕРМ ВУД проводилось по уточненной методике Кроме обеспечения корректности эксперимента это позволило оценивать изменение толщины вспученного слоя, поскольку перемещение плиты осуществлялось по мере изменения ширины проема, перекрываемого этим слоем На рис 6 представлена зависимость от времени толщины вспученного слоя, построенная с использованием данных по перемещению плиты в ходе эксперимента

Результаты термопарных измерений приведенные, в частности, на рис 7а, показали, что длина зоны обугливания за время огневого воздействия, равное 30 мин, оказалась менее 50 мм, те ниже порогового значения, предусмофено го ГОСТ 30403 для получение показателя КО С учетом показателей пожарной опасности огнезащищенной древесины сделан вывод о том, что исследуемая

Рис 5 и ема установки термопар на исс радуемых дерероклееных панелях термопары

№ 1, 5, 6,12, 13 размещены на границе образец-покрытие, № 2, 7, 14-18 - на глубине 2 мм от поверхности, №3,8-5 мм, № 4,9 -10, № 10 - 20, № 11 - 30 мм о1 поверхшхли

Время мин

Рис 6 Зависимости от времени толщины вспученного слоя в ходе испытания ДКК с покрышем ПРОТЕРМ ВУД тощиьой 1,1 мм (1) и ФЕНИКС ДП тотщипои 0,6 мм

ДКК с покрытием ПРОТЕРМ ВУД толщиной 1,1 мм соответствует классу пожарной опасности К0(30) Сделан вывод о том, что подобный результат может быть достигнут при значительно меньшей толщине огнезащиты Также установлено, что при указанной толщине покрытия достигнут класс попарной опасности К 1(45), поскольку дчиня зоны обугливания зэ врем? огневого воздействия, равное 45 мин, ока-

£лг*тте»л ттгл »с агтоо ЛОЛ »#»* т> а

онлиии ^V) ни ¿vi.wi.iksw ЧУУ тт? А ^

ниже порогового значения, предусмотренного ГОСТ 30403 для получения показателя К1

10 20 30 40 Время, мин

а)

15 30

Время "ин

б)

Рис т Зависимости от времени температуры газовой среды (1), поверуиостм деревочлееной панети (2) с покрытием ПРОТЕРМ ВУД толщиной 1,1 мм (а) и ФЕНИКС ДП тотщиной 0,6 мм (б), а также на расстоянии от поверхности 2 мм (3), 5 (4), 10 (5), 20 (6), 30 мм (7), полученные для зоны огневой ка™сры в процессе второго (а) и третьего (б) испытания

Целью третьего испытания деревоклееной панели был выбор более эффективного материала и оптимальных толщин огнезащиты Был использован прозрачный лак ФЕНИКС ДП, который продемонстрировал более высокую эффективность (чем ПРОТЕРМ ВУД) при испытаниях на установке лучистого нагрева Как показало математическое моделирование, результаты которого представлены в главе 4, возможно достижение класса пожарной опасности К0(30) при толщине покрытия ФЕНИКС ДП порядка 0,6 мм При подготовке образца для третьего испытания на его поверхность наносилось покрытие ФЕНИКС ДП

с расходом 1,0 кг/м2 (толщина 0,6 мм) и укрывной лак ФЕНИКС ДП ТОП с расходом 0,05 кг/м2 Типичные результаты термопарных измерений приведены на рис 76 Они свидетельствуют о том, что исследуемая деревоклееная конструкция с покрытием ФЕНИКС ДП толщиной 0,6 мм соответствует классу пожарной опасности К0(30) Достижение данного показателя подтверждено сертификатом пожарной безопасности

Полученные в ходе исследований данные свидетельствуют о способности исследуемых вспучивающихся покрытий значительно уменьшать величину обугливания древесины, что подтверждает перспективность их использования не только пля снижения класса пожярной опасности ДКК, но и для повышения пределов их огнестойкости

ности применения для конструкций из древесины методик и программных комплексов 'ТТК) серии «ОГНЕЗАЩИТА», разработанных ранее для теплотехнических расчетов конструкций из стали и железобетона

- ПК для расчетов нестационарных температурных полей (НТП) в конструкциях с разлагающейся и вспучивающейся или испытывающей усадку огнезащитой (ОГНЕЗАЩИТА Версия ВУ 1),

- ПК для расчетов НТП в конструкциях с водосодержащеи огнезащитой на неорганической основе (ОГНЕЗАЩИТА Версия ВН 1),

- ПК для расчетов двумерных ПТП в конструкциях с огнезащитой из пористых или волокнистых материалов (ОГНЕЗАЩИТА Версия 2Т)

Характеристики большинства рассматриваемых материалов, необходимые для проведения расчетов, были заимствованы из работ, опубликованных авторами методик Кроме того, были определены характеристики не исследованных ранее вспучивающихся лаков ФЕНИКС ДП и ПРОТЕРМ ВУД

Приведена система уравнений, описывающая процессы тепломассоперено-са в ДКК с разлагающейся и вспучивающейся огнезащитой на органической основе, поскольку она в наибольшей степени отражает особенности работы рассматриваемых конструкций с перспективной для них огнезащитой Основные соотношения системы уравнений записанной в системе координат, связанной с нагреваемой поверхностью огнезащиты, имеют вид

ппл паи #гч тт/>т*ч

д х 1 + еу Л

(3)

(4)

0 при Т<Т„

Мг)=х'(г)(1-ф(г)У5мк2\ (5)

В приведенных зависимостях приняты следующие условные обозначения Т - температура, ! - время, х - поперечная координата, Хц - эффективная (суммарная) теплопроводность, ф - пористость, р, р0 - плотность и исходное значение плотности, с, ср - теплоемкость, х - степень завершенности процесса термического разложения, К - массовая доля конденсированного остатка в продуктах полного термического разложения, т - масса; т" - массовая скорость

фильтрации газообразных продуктов термического разложения, О^ - суммап-ный тепловой эффект процесса термического разложения Индексы ' - каркас пористого материала,'' - среда, заполняющая поры, нп, кп - начало и окончание вспучивания

В табл 1 представлены характеристики вспучивания, которые определены в главе 2, а также параметр лучистого теплопереноса в порах (0) и параметр уноса (выгорания) вспученного слоя покрытия ( у/) Определение величин 0 и 1/У проводилось методом решения обратной задачи теплопроводности с использованием результатов испытаний образцов с огнезащитой на установке лучистого нагрева и в огневой печи Кроме того, были определены характеристики не ис-следопанных ранее минераловатнык плит СОМ1ЛТ-150

Таблица 1

Результаты определения нетрадиционными методами характеристик вспучивающихся покрытий ПРОТЕРМ ВУД и ФЕНИКС ДП

Материал /Су 0x10" , Вт/м К4 ¥

ПРОТЕРМ ВУД 120 130 12,8 8

ФЕНИКС ДП 120 130 8,6 7

Для расчетов прогрева конструкций из древесины использовался эффективный коэффициент теплопроводности для описания которого использовалась зависимость

= До +аТ+ 0Т3 (6)

Параметр 0, был определен подбором при сопоставлении результатов расчетов с данными огневых испытаний ДКК без огнезащшы, представленных, в частности, на рис 1 Получены значения параметров 0= 3,5 10"" Вт/м К4, а = 0,002 Вт/м, Ло = 0,16 Вт/м К На рис 1 показано сопоставление экспериментальных данных и результатов расчетов, проведенных с полученными характеристиками древесины

Проведена экспериментальная проверка методики теплотехнических расчетов ДКК с покрытиями ПРОТЕРМ ВУД и ФЕНИКС ДП при использовании приведенных выше харак1еристик исследуемых вспучивающихся покрытий и

древесины. Результаты расчетов сравнивались с результатами огневых испытаний Положительные результаты такой проверки демонстрируются, в частности, на рис 7 Они подтверждают возможность применения этой методики при расчетах температурных полей в ДКК с огнезащитой

Проведено математическое моделирование температурных полей в ДКК с типичными представителями всех видов средств огнезащиты при различных их толщинах Оценивалось влияние основных параметров на прогрев конструкций из древесины и эффективность их огнезащиты Расчеты проводились, в основном, при стандартом температурном режиме Определены температурные поля в ог"сз"""'тр и ДКК т'отолт.те могут использоваться пои опенках пределов их огнестойкости, а также класса пожарной опасности В числе важных и наглядных резулыаюв таких исследований - получение данных по времени до начала обугливания древесины, а также по скорости обугливания при различных вид огнезащиты (табл 2) Эти параметры обугливания учитываются при определении пределов огнестойкости ДКК с помощью зависимости (1)

Таблица 2

Время до начала обу1 ливания и средняя скорость обугливания для ДКК с различными средствами огиезащиты

Средство огнезащиты Толщина, мм То , мин Уср, мм/ мин за время, равное, мин

30 45

1 2 3 4 5

Без огнезащиты - 4 0,73 0,65

Вспучивающееся покрытие ПРОТЕРМ ВУД 0,6 26,9 0,87 0,78

1,0 35,1 0,84 0,73

1,5 41,8 0,8 0,69

2 0 47,3 0,78 0,67

Вспучивающееся покрытие ФЕНИКС ДП 0,6 31,1 0,93 0,8

1 0 3^5 0,91 0 78

1,5 44,5 0,89 0,76

2,0 49,9 0,87 0,74

Вспучивающееся покрытие ОГРАКС-В-СК 0,6 22,5 0,66 0,65

1,0 34,2 0,73 0,71

1,5 45,0 0,8 0,73

2,0 53,8 0,87 0,74

Вспучивающееся покрытие ОСП-1 1,0 11,3 0,67 0,6

3,0 40,5 0,55 0,51

5,0 78,0 0,46 0,44

Покрытие СОТЕРМ-1М 10 21,5 0.53 0,5

20 54,5 0,41 0,39

30 99,8 0,32 0,31

1 2 3 4 5

Плита вермикулитовая 10 16,0 0,52 0,49

ПВТН 20 38,5 0,4 0,38

30 68,9 0,32 0,31

40 106,7 0,3 0,29

Плита цементно- 10 15,5 0,67 0,61

силикатная РшпШесЬН 20 35,5 0,58 0,54

30 60,8 0,52 0,49

Плита базальтоволокни- 20 33,0 0,4 0,38

стая ПШь 30 53,1 0,33 0 31

40 73,2 0,3 0,29

Плита М1т м'1г" 4 ° СОМЯТ-! 5б 20 т; ? п ¿п ~ > п ■■-

30 54,5 0,36 0,32

40 74,3 0,32 0,3

Установлен характер изменения времени до начала обугливания ДКК от толщины рассматриваемых средств огнезащиты (см, например, рис 8)

Расчеты показали, что при толщине вспучивающихся покрытий 0,6-1 мм время до начала обугливания увеличивается до 30-38 мин, а его увеличение до 45 мин возможно только при значительных толщинах покрытий При облицовке ДКК плитными материалами или при нанесении на них покрытий типа СО-ТЕРМ-1М возможно более существенное его увеличение (до 60 мин и более)

Определялась также толщина слоя, ограниченного изотермами 175 и 300°С, Рис 8 Изменение времени до начала обуг- которая в большинстве случаев значи-ливания древесины от толщины вспучи- тельно превысила толшину (5 мм), кото-вающихся покрытий ФЕНИКС ДП(1), рую рекомендуется не учитывать при ОЕРАКС-В-СК (2), ОСП-1 (3) расчетах несущей способности ДКК

Результаты моделирования свидетельствуют, что использование удобной и наглядной методики расчетов огнестойкости ДКК с использованием зависимости (1) без учета представленных выше результатов может приводить к значительным погрешностям

Проведена также серия расчетов температурных полей в зонах расположения стальных соединительных элементов типовых узлов ДКК при защите их различными материалами В результате двумерных расчетов получены данные по изменению температуры по длине стальных нагелей при различных вариантах огнезащиты узла Расчеты позволили определить толщины огнезащиты, при которых обеспечиваются заданные пределы огнестойкости узлов ДКК Полу-

ченные результаты показали, что представляется перспективным применение для этой цели вспучивающихся покрытий типа ФЕНИКС ДП, ПРОТЕРМ ВУД, ПРОТЕРМ СТИЛ Например, при толщине покрытия ФЕНИКС ДП примерно 1 мм не только обеспечивается уровень прогрева стального элемента (накладки) ниже допустимого, но и исключается обугливание древесины под ним при 45 минутном стандартном воздействии Использование комбинированной огнезащиты с наружным слоем из вспучивающегося покрытия обеспечивает снижение уровня прогрева стальных элеменюв узлов практически до любого заданного уровня, что демонстрирует, в частности, рис 9

г_. 3 четвертой глзп£ Рассмотрено

использование полученных в диссертации результатов экспериментальных и теоретических исследований в практике обеспечения пожарной безопасности ДКК

В результате исследований на установке лучистого нагрева получена информация об уровне прогрева и обугливания древесины при использовании покрытий ПРОТЕРМ ВУД и ФЕНИКС ДП, по харакгериешкам вспучивания и другим параметрам, необходимым для проведения теплотехнических расчетов, а также данные по сравнительной эффективности исследуемых материалов

О 20

Бремя мин

Рис 9 Изменение от времени температуры стальной накладки с комбинированной огнезащитой из деревянной доски толщиной 20 мм и покрытия ФЕНИКС ДП толщиной 0,6 мм (1), 1,0 (2), 1,4 (3), 1,8 мм (4)

Представленные в работе результаты огневых испытаний ДКК, защищенных вспучивающимися покрытиями ФЕНИКС ДП и ПРОТЕРМ ВУД впервые продемонстрировали возможность и целесообразность применения ыких \iaie-риалов для обеспечения класса пожарной опасности конструкций из древесины КПП01 и К' я то япрмя кяк пянрр ппогнозиппия порт, [ттучрнир ппкязятрття

---Ч--у —---у -У»—--— I------ ~ Г ----—1--------I--------~J ------- ------------

К1(15) при использовании подобных материалов, что ограничивало возможности применение ДКК в строительстве Доработка методики испытаний по ГОСТ 30403, изменения, внесенные в конструкцию печи и средства измерений, обеспечили качественное проведение и всесторонний анализ огневых испытаний Использование результатов диссертационных исследований при таких испытаниях подтверждено актами внедрения

В диссертации обоснована возможность и целесообразность использования методик и программных комплексов серии «ОГНЕЗАЩИТА» для расчетов температурных полей в ДКК, определены недостающие характеристики материалов На этой основе предложена методика определения толщин огнезащиты ДКК, обеспечивающих требуемый класс пожарной опасности Представлены

результаты оценок таких толщин при использовании различных видов огнезащиты Показано, что более точные расчеты температурных полей позволяют повысить точность определения пределов огнестойкости ДКК и стальных элементов узлов с помощью существующих или новых методик статических расчетов В результат более обоснованным становится выбор материалов и определение толщин огнезащиты при проектировании конструкций из древесины

Результаты расчетов времени до начала и скорости обугливания древесины, полученные для различных видов огнезащиты (см габл 2), могут использоваться при проведении расчетов пределов огнестойкости с помощью зависимости (1) В?~чь:мк дчя праьткки являются та^же результаты параметрически-, исследований влияния различных характеристик материалов и режимов нагрева на аротрев и обуишвание конструкций из древесины, прогрев стальных элементов, а также влияния на них современных средств огнезащиты Полученные результаты экспериментальных исследований и математического моделирования позволил" ^одт^отон^тъ рекомендации по рациональным средствам и толщинам огнезащиты ДКК, обеспечивающим необходимый класс их пожарной опасности, а также заданные пределы огнестойкости конструкций из древесины и стальных элементов узлов Использование результатов диссертации при выборе материалов и толщин огнезащиты на конкрешых строшелькых объектах подтверждено актом внедрения Кроме того, выявлены рациональные пути последующих исследований по данной актуапьной научно-технической проблеме

В целом результаты экспериментальных и теоретических исследований, полученные в процессе подготовки диссертации, обеспечивают условия для расширения области и увеличения объема применения ДКК в строительстве

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 На основании анализа и обобщения содержащейся в литературных источниках информации по способа** тт средства** огнез?щт|тн деревоклееных конструкций, результатам экспериментальных исследований, а также методикам и результатам теплотехнических и статических расчетов пределов огнестойкости этих конструкций показана актуальность исследований эффективности различных видов огнезащиты ДКК, в особенности, вспучивающихся огнезащитных лаков типа ПРОТЕРМ ВУД и ФЕНИКС ДП, выбраных в качестве основного объекта исследований

2 В результате исследований образцов древесины с покрытиями ПРОТЕРМ ВУД и ФЕНИКС на установке лучистого нагрева выявлено их существенное влияние на прогрев и обугливание исследуемых образцов Установлено, что интенсивное вспучивание начинается при температурах, приблизительно на 100 градусов меньших, а кратность вспучивания в 2,5 раза больше, чем у большинства известных вспучивающихся огнезащитных материалов, получены данные по динамике изменения толщины вспученного слоя покрытий

3 Разработаны рекомендации по методике огневых испытаний ДКК со вспучивающейся огнезащитой, внесены изменения в конструкцию установки по ГОСТ 30403, связанные с необходимостью учета особенностей работы вспучивающихся покрытий. Проиедены крупномасштабные огневые испытания по ГОСТ 30403 показавшие соответствие ДКК при их защше покрытиями ФЕНИКС ДП или ПРОТЕРМ ВУД классу пожарной опасности КО(ЗО) и К 1(45) Получены данные по динамике изменения толщины вспученного слоя покрытий ПРОТЕРМ ВУД и ФЕНИКС ДП в условиях крупномасштабных испытаний, а также информация по динамике прогрева клеенодеревянных панелей, использованная пии совершенствовании методик™ теплотехнических "я^чртс™ ! У Г Т г^ вспучивающейся огнезащитой

4. Обоснована возможность и целесообразность использования для расчетов средств огнезащиты и температурных полей в ДКК методик и программ серии «ОГ* ¡ЕЗАЩИТА», разработанных для теплотехнических расчетов конструкций из стали и железобетона Дня огнезащитных материалов (ПРОТЕРМ ВУД, ФЕНИКС ДП, СОМЫТ-150) определен комплекс характеристик, необходимых для проведения расчетов С учетом результатов огневых испытаний ДКК уточнена зависимость для эффективной тепловодности древесины Получено экспериментальное подтверждение возможности применения методики теплотехнических расчетов ДКК со вспучивающейся огнезащитой

5 Проведено математическое моделирование температурных попей в огнезащите и ДКК с представителями различных видов огнезащиты Получены данные по времени до начала обугливания древесины, а также по характеру изменения глубины и скорости обугливания древесины от времени Оценено влияш1я основных исходных параметров на результаты теплотехнических расчетов ДКК с огнезащитой Проведены расчеты температурных полей в ДКК и стальных элементов узлов, позволяющие увеличить точность определения пределов огнестойкости ДКК с помощью существующих или новых методик статических расчеточ

6 Рассмотрены возможности и перспективы использования результатов экспериментальных и теоретических исследований в практике обеспечения пожарной безопасности ДКК Предложен порядок определения точщин огнезащиты ДКК, обеспечивающих требуемый класс пожарной опасности, а также заданные пределы огнестойкости ДКК и стальных элементов узлов Подготовлены рекомендации по рациональным средствам и толщинам огнезащиты ДКК и узлов Обозначены пути последующих исследований по данной актуальной научно-технической проблеме Результаты экспериментальных и теоретических исследований эффективности огнезащиты ДКК, полученные в процессе выполнения диссертационной работы, позволяют расширить область и увеличить объем применения ДКК в строительстве

Основное содержание диссертации о ¡ражено в следующих работах-

1 Гаращенко Л Н , Страхов В Л , Рудзинский В П , Гаращенко Н Л Экспериментальные и теоретические исследования особенностей тепломассоперено-са во вспучивающейся огнезащите на примере покрытия ПРОТЬРМ СТИЛ // Труды третьей Российской национальной конференции по теплообмену - Т 6 -М Изд-во МЭИ, 2002 - С 254-257

2 Гаращенко НА Параметрические исследования математических моде-тей и программ расчетов температурных полей в огнезащитных материалах // Труды третьей Российской национальной конференции по теплообмену Т 8 -М" Изд-во МЭИ, 2002 - С 112-113

3 Гаращенко АН, Кузнецов Г В , Рудзинский В П , Гаращенко Н А Чис-тенные исследования матемашческих модетей поведения различных видов огнезащиты при пол'аре // Сопряженные задачи механики, информатики и экологии Сб докл междун научн конф - Томск Из-во ТГУ, 2002 - С 46-47

4 Гаращенко А Н , Гаращенко Н А , Рудзинский В П Теплоперенос в элементах строительных конструкций с огнезащитой при пожаре // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики Докл IV Всерос научн конф - Томск И?-во ТГУ, 2004 - С 371-372

5 Корольченко АЯ, Гаращенко НА Особенности огнезащиты конструкций из древесины вспучивающимися покрытиями // Пожаровзрывобезопас-ность - 2005 - № 1 -С 38-41

6 Гаращенко НА, Бечьцова ТГ Способы огнезащиты клеедеревянных конструкций // Пожаровзрывобезоплсность -2005 - № 5 - С 34-36

7 Устрехов А И , Гаращенко Н А Рациональный способ огнезащиты клеедеревянных конструкций // Сборник докладов научно-практической конференции «Городской строительный комплекс и безопасность жизнеобеспечения граждан» - Часть 1 -М Из-во МГСУ, 2005 - С 115-119

8 Гаращенко НА Резучьгаты огневых испытаний клеенодеревянных панелей со вспучивающимися покрытиями // Пожаровзрывобезопасность - 2006 - № 2 - С 12-16

9 Устрехов АИ, Гаращенко НА Показатели конструктивной пожарной опасности и перспективы использования деревоклееных конструкций, защищенных вспучивающимися покрытиями // Монтажные и специальные работы в строительстве -2006 - № 6 - С 12-16

10 Гаращенко Н А , Гаращенко А Н , Рудзинский В П Теплотехнические расчеты огнестойкости деревоклееных конструкций с огнезащитой // Монтажные и специальные работы в строительстве -2006 -№10 - С 14-18

КОПИ-ЦППРсв 7 07 10429 Тираж 100 эм Гет 185-70-54 г Москва уп Гнисеиская т 56