автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Пожарная опасность конструкций кровельных покрытий зданий

Павловский Андрей Владимирович

ПОЖАРНАЯ ОПАСНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ КРОВЕЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ ЗДАНИЙ

Специальность 05.26.03 - "Пожарная и промышленная безопасность" (технические науки, отрасль - "Строительство")

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Павловский Андрей Владимирович

ПОЖАРНАЯ ОПАСНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ КРОВЕЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ ЗДАНИЙ

Специальность 05.26.03 - "Пожарная и промышленная безопасность" (технические науки, отрасль — "Строительство")

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

214 2 НН

Работа выполнена в Федеральном государственном учреждении "Всероссийский ордена «Знак Почета» научно-исследовательский институт противопожарной обороны" Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (ФГУ ВНИИПО МЧС России).

Научный руководитель:

доктор технических наук, старший научный сотрудник Н.В. Смирнов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.И. Присадков, кандидат технических наук, профессор В. А. Пчелинцев

Ведущая организация:

Государственное унитарйое предприятие «Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций им. В. А. Кучеренко» Госстроя России

Защита состоится " " ^ _2004 г. в 10 часов на заседании

диссертациошшго совета ДС 205.003.01 при ФГУ ВНИИПО МЧС России по адресу: 143903, Московская область, г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, д. 12, зал Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУ ВНИИПО МЧС России.

Автореферат разослан 2004 г., исх. № 2 6

Отзыв на реферат с заверенными подписями и печатью просим выслать в ФГУ ВНИИПО МЧС России по указанному адресу.

Телефон для справок: 521-29-00

Ученый секретарь

диссертационного совета /7 /)

кандидат технических наук, с.н.с, СУ^^^ Е.Ю. Сушкина

»•ОС. ¡<* \ '-.ьнлй1

"... ! !-"Д (. ... нг

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Обеспечение пожарной безопасности при строительстве и реконструкции зданий является важной задачей в государственной деятельности. В современном строительстве зданий широкое распространение получили конструкции кровельных покрытий, в которых применяются горючие кровельные гидроизоляционные материалы и композиции (КМ) - полимерные, битумно-полимерные и наплавляемые неармированные и армированные, рубе-роиды, а также горючие и негорючие утеплители.

Статистка и анализ пожаров в зданиях, а также результаты натурных исследований на фрагментах зданий свидетельствуют о том, что при выходе пламени очага пожара на кровельные покрытия, выполненные из горючих КМ, скорость его распространения по поверхности, а также тепловыделение при их горении весьма высоки, что приводит к значительному материальному ущербу.

Пожарная опасность строительных конструкций и материалов - проблема комплексная. Однако с учетом специфики эксплуатации конструкций покрытий зданий в данной работе рассматриваются вопросы.воспламеняемости и распространения пламени по поверхности.

В настоящее время область применения КМ в конструкциях покрытий зданий определяется по результатам лабораторных исследований горючести, воспламеняемости, распространения пламени по поверхности. Условия их проведения и оборудование испытательных установок позволяют определять только качественные сравнительные характеристики исследуемых материалов и не позволяют моделировать условия пожара, реально оценивать их способность распространять пламя по поверхности в составе конструкций покрытий зданий, прогнозировать поведение при пожаре и обосновать противопожарные требования по применению данных материалов в зависимости от функционального назначения зданий. Поэтому исследования пожарной опасности кровельных покрытий зданий с точки зрения определения способности воспламеняться и распространять пламя по поверхности в условиях, приближенных к условиям реального пожара и эксплуатации, а также разработка на их основе предложений по нормированию являются весьма актуальными.

Анализ действующих за рубежом средне- и крупномасштабных методов по определению пожарной опасности конструкций кровельных покрытий, а также результатов проведенных отечественными и зарубежными специалистами натурных экспериментов по исследованию огнестойкости строительных конструкций и распространения

пожара по фасадам фрагментов зданий позволили разработать методику исследований и создать новую испытательную установку, которые дают возможность определять параметры распространения пламени по поверхности образцов конструкций кровельных покрытий, разрабатывать рекомендации по их применению в зданиях.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка экспериментального крупномасштабного метода определения и прогнозирования пожарной опасности конструкций кровельных покрытий зданий с учетом условий их эксплуатации, а также разработка предложений по их противопожарному нормированию.

Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо было решить следующие основные задачи:

выбрать и обосновать параметры для оценки и прогнозирования пожарной опасности конструкций кровельных покрытий и определения области их применения в зданиях;

разработать математическую модель процесса распространения фронта пламени по наклонной поверхности твердого горючего материала (ТГМ) с набегающим потоком воздуха;

разработать экспериментальный крупномасштабный метод оценки способности конструкций кровельных покрытий зданий распространять пламя по поверхности;

разработать и создать испытательную крупномасштабную установку для определения способности конструкций кровельных покрытий распространять пламя по поверхности;

провести лабораторные исследования по определению показателей пожарной опасности КМ и крупномасштабные исследования по определению способности конструкций покрытий распространять пламя по поверхности;

провести аналитическую обработку результатов крупномасштабных исследований распространения фронта пламени по поверхности конструкций кровельных покрытий с помощью параметров разработанной математической модели;

разработать схему противопожарного нормирования по применению КМ и конструкций покрытий в зданиях;

разработать классификацию конструкций кровельных покрытий по пожарной опасности;

разработать предложения по применению КМ и конструкций покрытий в жилых, административных и общественных зданиях.

Объект исследований. В качестве объекта исследований выбраны конструкции кровельных покрытий зданий с рулонными полимерными, битумно-полимерными КМ, рубероидами с пылевидной и

крупнозернистой посыпкой, КМ на основе резинотканевых материалов.

Методы исследований. В настоящей работе использованы: математическое моделирование процесса распространения пламени по наклонной поверхности ТГМ с набегающим потоком воздуха; математическая обработка данных экспериментальных крупномасштабных исследований по определению способности конструкций кровельных покрытий распространять пламя по поверхности; стандартные методы определения показателей горючести, воспламеняемости, температур воспламенения и самовоспламенения, критической поверхностной плотности распространения пламени.

Предмет исследований - пожарная опасность образцов конструкций кровельных покрытий.

Достоверность полученных результатов подтверждается адекватностью теоретической модели реальным условиям процесса распространения пламени по поверхностям конструкций кровельных покрытий; выбором энергетических, моделируемых при исследовании пожара параметров и критериев оценки пожарной опасности конструкций кровельных покрытий; удовлетворительной точностью экспериментальных методов и измерений; корреляционным анализом результатов, полученных по разработанной и стандартным методикам.

Обоснованность научных положений и выводов, сформулированных в настоящей работе, подтверждена достаточным объемом исследований, апробацией используемых разработанных математической модели и экспериментальной методики определения пожарной опасности конструкций кровельных покрытий зданий, а также положительным опытом внедрения результатов работы на практике. Научная новизна работы заключается в следующем: разработана методика крупномасштабных исследований пожарной опасности конструкций кровельных покрытий зданий с учетом условий их эксплуатации;

создана испытательная крупномасштабная установка, позволяющая моделировать условия огневого воздействия на образцы конструкций кровельных покрытий, близкие к условиям возможного реального пожара;

разработана математическая модель процесса распространения фронта пламени по наклонной поверхности ТГМ с набегающим потоком воздуха, в которой в отличие от других известных моделей масштабы длины и времени зависят от плотности потока теплового излучения факела пламени источника огневого воздействия и тепло-физических свойств ТГМ;

проведены крупномасштабные исследования по определению пожарной опасности 16 видов образцов конструкций покрытий, по результатам обработки которых определены: критическая плотность теплового потока прекращения распространения пламени по поверхности д'™, кВт/м2; изменения во времени температур в контролируемых точках на поверхности образцов конструкций покрытий -Т„ -/(0, а гакже между КМ и подложками конструкций покрытий -Т=/(0; изменения пути, проходимого фронтом пламени по поверхностям испытываемых образцов конструкций покрытий, во времени -

получены экспериментальные данные по результатам лабораторных исследований горючести, воспламеняемости, распространению пламени по поверхности, температур воспламенения и самовоспламенения некоторых широко применяемых в конструкциях покрытий зданий теплоизоляционных и гидроизоляционных кровельных материалов;

в результате обработки экспериментальных данных определены виды функции .1 = /(г) - зависимости безразмерного расстояния распространения фронта пламени по поверхности КМ образцов конструкций покрытий от безразмерного времени;

разработана новая классификация конструкций покрытий по пожарной опасности;

разработана схема противопожарного нормирования применения КМ и конструкций покрытий в зданиях, в основу которой взят принцип предотвращения пожара и ограничения материального ущерба;

разработаны предложения по применению КМ и конструкций покрытий в жилых, административных, общественных зданиях в зависимости от их этажности, вида застройки и вида чердачного помещения, а также от показателей пожарной опасности КМ и конструкций покрытий.

Практическая ценность работы.

Решены научно-технические вопросы оценки пожарной опасности конструкций кровельных покрытий зданий с учетом условий их эксплуатации, условий огневого воздействия, приближенных к условиям реального пожара, показателей пожарной опасности КМ.

Разработан крупномасштабный метод оценки и прогнозирования пожарной опасности конструкций кровельных покрытий, позволяющий их классифицировать.

Разработана математическая модель распространения пламени по наклонной поверхности ТГМ с набегающим потоком воздуха. С

помощью выявленных безразмерных параметров математической модели установлены зависимости вида функции 5 = / (г), позволяющие прогнозировать без проведения испытаний величины расстояний распространения пламени по поверхности КМ, аналогичных (или близких) по структуре, теплофизическим характеристикам.

Результаты работы могут быть использованы при определении области применения КМ в конструкциях покрытий зданий различного функционального назначения. На защиту выносятся;

математическая модель распространения фронта пламени по наклонной поверхности ТГМ с набегающим потоком воздуха;

расчетный метод прогнозирования расстояния распространения фронта пламени по поверхности КМ образцов конструкций кровельных покрытий;

экспериментальный крупномасштабный метод определения и прогнозирования пожарной опасности конструкций кровельных покрытий;

результаты экспериментальных крупномасштабных исследований по определению способности образцов конструкций кровельных покрытий распространять пламя по поверхности;

результаты экспериментальных лабораторных исследований пожарной опасности кровельных и теплоизоляционных материалов;

классификация конструкций кровельных покрытий по пожарной опасности;

схема прошвопожарного нормирования и предложения по применению КМ и конструкций покрытий в жилых, общественных и административных зданиях.

Практическое внедрение. На основании результатов исследований разработаны и изданы:

Техническая информация (в помощь инспектору Государственной противопожарной службы). - М.: ВНИИПО, 1995. - 26 е.;

Техническая информация (в помощь инспектору Государственной противопожарной службы). - М.: ВНИИПО, 1997. - 31 е.;

Справочник по огнестойкости и пожарной опасности строительных конструкций, пожарной опасности строительных материалов и огнестойкости инженерного оборудования зданий (в помощь инспектору Государственной противопожарной службы). - М.: ВНИИПО, 1999. - 63 е.;

НПБ "Покрытия зданий. Метод определения пожарной опасности" (окончательная редакция).

Результаты исследований используются в лекциях УЦ ФГУ ВНИИГЮ МЧС России по программе "Огнезащита".

Апробация работы. Результаты работы, основные ее положения и выводы докладывались и обсуждались на XIII Всероссийской научно-пракгической конференции "Пожарная безопасность-95" (М., 1995), Научно-технической конференции молодых ученых ВНИИПО и ВИ11ТШ МВД России (М., 1995), XVIII научно-практической конференции "Снижение риска гибели людей при пожарах" (М., 2003).

Публикации и личный вклад автора. По теме диссертационной работы опубликовано 7 научных публикаций. В диссертации обобщены результаты многолетней самостоятельной работы, а также совместно с коллегами: И.С. Молчадским, Н.В.Смирновым, P.A. Яй-лияном, К.Н. Гольцовым, A.A. Меркуловым, В.В. Пономаревым. В совместных работах автор определял направления исследований, принимал участие в разработке математической модели, методик, в экспериментах; осуществлял обработку, анализ и обобщение полученных экспериментальных данных; принимал участие в формулировке выводов и внедрении в практику.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы, приложений и насчитывает20В страниц текста, иллюстрированного ¿¡ъ рисунками, имеет /& таблиц,^ / наименований цитируемой литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность исследуемой проблемы, представлены общие положения диссертации, цель и задачи исследований.

В первой главе ("Состояние вопроса. Цель и задачи исследований") проведен анализ причин возникновения пожаров и пути распространения их опасных факторов в зданиях различного функционального назначения, рассмотрены зарубежные и отечественные системы противопожарного нормирования по применению КМ и конструкций покрытий в зданиях, а также экспериментальные методы оценки их пожарной опасности. Сформулированы задачи исследований.

Проведенный анализ состояния вопроса позволил определить важность поставленной задачи по исследованию пожарной опасности конструкций кровельных покрытий зданий, в частности по определению способности КМ кровельных покрытий воспламеняться и распространять пламя по поверхности для определения области их при-

менения в зданиях различного функционального назначения. Действующая в настоящее время в России система противопожарного нормирования по применению конструкций кровельных покрытий в зданиях основана на лабораторных методах оценки пожарной опасности применяемых в них КМ. При внимательном анализе условий проведения исследований по этим методам проявляются следующие их важные недостатки: не моделируются условия реального пожара, не учитываются условия эксплуатации исследуемых КМ в составе конструкций покрытий, получаемые результаты исследований носят сравнительный характер. Поэтому возникает необходимость проведения дополнительных исследований по определению пожарной опасности конструкций кровельных покрытий, т. е. проведение крупномасштабных исследований с учетом условий их эксплуатации на установках, моделирующих условия реального пожара.

Во второй главе ("Исследование процесса распространения пламени по поверхности твердых горючих материалов") представлен анализ теоретических исследований по изучению процессов распространения пламени по поверхности ТГМ различной ориентации в пространстве. На основе этого анализа разработана математическая модель распространения пламени по наклонной поверхности ТГМ с набегающим потоком воздуха.

При ее постановке были сделаны следующие допущения: фронт пламени имеет высоту Н и бесконечен в обе стороны в направлении, перпендикулярном поверхности раздела фаз; конвективный нагрев ТГМ характеризуется эффективным коэффициентом теплоотдачи; критерием положения фронта пламени является температура воспламенения ТГМ; не происходит теплопередачи из зоны нагрева в подложку, в следствие эгого задача становится одномерной, что соответствует более жесткому случаю распространения пламени.

Процесс распространения пламени вдоль поверхности ТГМ рассматривается как нестационарная задача теплопередачи: при воздействии источника теплового излучения на ТГМ происходит его воспламенение и продвижение фронта пламени по поверхности, при котором его кромка выступает в качестве дополнительного источника тепла, приводящего к повышению температуры ТГМ перед фронтом до температуры воспламенения.

С учетом сделанных допущений были определены основные уравнения, начальные и граничные условия физической и математической постановок задачи на стадиях индукции и распространения пламени по поверхности ТГМ.

Стадия индукции (задача воспламенения)

эт , , а'т д2т ч

ср—-А ( —г +—г ) - уравнение теплопроводности на стадии

дI дх~ ду

индукции, (1)

где Т=Т (х,у,1), х - координата в направлении распространения;

у - координата в направлении, перпендикулярном поверхности раздела фаз.

Начальное условие: Т|,„=Т0 - температура во всех точках ТГМ в начальный момент времени. (2) Граничные условия:

-А3^! 0 - а (Г 10-Т,)-теплообмен с атмосферой на торце ТГМ, (3)

дх

где Т, - температура окружающей атмосферы

— | Л=0— теплонепроницаемость подложки. (4)

ду

,ЭТ. ду'

ТГМ с атмосферой. Т|,0 = Т1шр - условие окончания стадии индукции. (6)

Т| ,,„ = 'Тпир - условие воспламенения ТГМ. (7)

Стадия распространения пламени

ОТ ЗТ , Э2Т Э2Т .

ср-- - и(1)ср - - А ( —+ —г ) - уравнение теплопроводности Зг дх дх ду

на стадии распространения. (8)

Начальные условия:

тр„сп [,-,,„ =Т„„„- условие перехода стадии индукции в (9)

стадию распространения,

ЭТ ,

— =° ■ условие теплонепроницаемости в подложку, (10)

ду ""

т|I..«) =Тт,Р - условие на кромке фронта пламени. (11)

Граничное условие при у = 0

|, о=яг (11.а - Т„) - теплообмен на верхней границе слоя (5)

V(*>')+"(TU -ТД (12)

- сумма падающего радиационного потока и теплообмена с атмосферой,

где IaJ(x,t) = R(x,t) - количество радиационного тепла, падающее на единицу поверхности ТГМ в единицу времени.

1 , „ Я2 cos2 а.

J ---ln(l+--) - радиационная составляющая тепло-

4/rcosa (x-SQ)f

вого потока, падающего на элементарную площадку dxdy. (13)

Уравнение общего теплового баланса

\qUhpm +а ](Т|„0 ^Ta)dx=cmPJ/MTmp - Т0) + спра PnpJJh^„, -Tmp) + -> s< о И

+<-'««*> кР«м f77l(T™ ~ Т«,»)-

Представленная модель отличается от других существующих моделей тем, что в ней рассматривается процесс распространения пламени по наклонной поверхности ТГМ с набегающим потоком воздуха; масштабы длины ^ =— и времени ?„ = с помощью ко-

h h

— — St

торьгх определяется зависимость S = /(г) (где S = —, т = — - безраз-

хо h

мерные величины расстояния и времени), зависят от теплофизических свойств ТГМ, начальной температуры ТГМ, плотности потока теплового излучения факела пламени.

Третья глава ("Разработка экспериментального крупномасштабного метода по определению и прогнозированию пожарной опасности конструкций кровельных покрытий зданий") посвящена описанию разработанных экспериментального крупномасштабного метода, испытательной установки по определению пожарной опасности конструкций кровельных покрытий; описанию лабораторных методов определения групп горючести и воспламеняемости строительных материалов, метода испытаний строительных материалов по определению критической поверхностной плотности теплового потока распространения пламени по поверхности.

При выборе и обосновании исходных параметров экспериментального крупномасштабного метода (температуры и плотности потока теплового излучения факела пламени источника огневого воздействия) были учтены результаты проведенных отечественными и зарубежными специалистами натурных экспериментов по исследованию огнестойкости строительных конструкций и распространения пожара

п

по фасадам фрагментов зданий. В процессе проведения этих исследований определялись длительность стадии развивающегося пожара и температуры пламени очага внутри испытательных помещений; поля температур и тепловых потоков, а также размеры факела пламени по высоте фасада здания; зависимость размера факела пламени от направления и скорости ветра.

Исходя из изучения полученных экспериментальных данных, а также согласно ГОСТ 31251-2003 "Конструкции строительные. Методы определения пожарной опасности. Стены наружные с внешней стороны" для крупномасштабного метода определения пожарной опасности конструкций кровельных покрытий зданий, целесообразно установить следующие параметры: температура факела пламени источника огневого воздействия должна быть в пределах 800 °С, величина плотности потока теплового излучения от факела пламени 24 кВт/м2, скорость набегающего на образец воздушного потока 3,8 м/с.

Геометрические размеры опытных образцов конструкций покрытий приняты следующие - ширина образцов 1000 мм, равная ширине факела пламени, выходящего из оконного проема такой же ширины; длина образцов 3000 мм - в соответствии с определенным экспериментально снижением темпа роста величины потока теплового излучения по длине тарировочного образца (рис. 1); толщина -согласно технической документации.

На основании этих параметров была разработана и создана испытательная установка, которая представляет собой камеру (Помещение) габаритным размером 10,5x3,0x2,55 м, стены которой выполнены из огнеупорного кирпича, потолок из железобетонных плит, защищенных слоем огнеупорного бетона по металлической сетке. Воздухообмен в установке и удаление продуктов горения осуществляется естественной вентиляцией через вытяжную грубу (дымоход) круглого сечения диаметром 1000 мм. Установка оборудована двумя противопожарными дверями и смотровыми окнами для визуального наблюдения за процессом проведения экспериментов и поведением испытываемых конструкций кровельных покрытий.

Определение пожарной опасности конструкций кровельных покрытий осуществляется с помощью экспериментального стенда (рис. 2), в состав которого входят опорная рама с изменяемым углом наклона до 30 град, несущее основание из гипсоволокнистых листов габаритными размерами (3000х1000±10) мм и толщиной не менее 20 мм для монтажа на нем образцов конструкций покрытий, источник огневого воздействия, вентилятор для имитации набегающего на образец воздушного потока со скоростью Ут=3,8 м/с, воздуховод

О 300 550 800 1050 1300 1550 1800 2050 2300 2550 2800

Ц мм

'' Рис. 1. Распределение плотности теплового потока

по длине тарировочного образца

Рис. 2. Схема экспериментального стенда при определении пожарной опасности конструкций кровельных покрытий

1 - основание из гипсоволокнистых листов для монтажа на нем образцов конструкций кровельных покрытий; 2 - опорная рама; 3 - топливосжигающее устройство

сечением 1100x400 мм для распределения вдоль образца подаваемого вентилятором воздушного потока.

В качестве источника огневого воздействия используется топ-ливосжигающее устройство, работающее на жидком топливе. До проведения испытаний проводят тарировку стендового оборудования таким образом, чтобы в контрольных точках а-г тарировочного образца (рис. 3) из гипсоволокнистых листов габаритными размерами (3000x1000 ± 10) мм и толщиной не менее 20 мм установившиеся величины поверхностной плотности теплового потока от факела пламени топливосжигающего устройства соответствовали распределению поверхностной плотности теплового потока, представленной на рис. I с отклонением ±15 %. При этом в центре тарировочного образца, обращенного к гопливосжигагощему устройству, установившаяся величина температуры должна быть в пределах 800 °С.

В процессе проведения испытаний измеряются и регистрируются следующие параметры: время задержки воспламенения КМ испытываемых образцов конструкций покрытий - мин; время возникновения тления (обугливания) КМ образцов конструкций покрытий от начала испытаний; время прохождения фронтом пламени контрольных зон -/ , мин (рис. 3); время / , мин, в течение которого фронт пламени распространился по поверхности испытываемых образцов конструкций покрытий на расстояние !.рпл, м; величины температур на поверхности испытываемых образцов конструкций покрытий и на поверхности оснований под КМ - т,, °С; образование плавления и текучести горючих утеплителей и КМ образцов конструкций покрытий (определяется визуально в процессе и после окончания испытаний).

Испытания проводятся до полного прекращения распространения фронта пламени по поверхности образцов конструкций кровельных покрытий.

По результатам проведенных исследований образцы конструкций покрытий классифицируют в соответствии со средней величиной распространения фронта пламени по поверхности КМ кровельных покрытий , м, которой соответствует значение критической поверхностной плотности теплового потокакВт/м2 (табл. 1).

1000 13

•-Я-............. 1000 (---.......—-54 1000 • - г« 1000 Г : 1000 /

3000

/

Рис.3. Схема установки термопар в контролируемых точках на образце конструкции покрытия (I) и приемников потока теплового излучения на поверхности тарировочного образца (II)

1-6- места установки термопар на поверхности КМ образца конструкции }

покрытия;

М2 - места установки термопар между КМ и основанием;

13 - образец КМ конструкции покрытия;

14- основание под КМ образца конструкции покрытия (теплоизоляция, 1

гипсоволокнистые листы);

15 - несущее основание из гипсоволокнистых листов;

а-г - места установки приемников потока теплового излучения на поверхности тарировочного образца

Классификация конструкций кровельных покрытий

Средняя величина распространения фронта пламени по поверхности конструкции покрытия , м Критическая поверхностная плотность теплового потока , кВт/м2 Класс пожарной опасности конструкции покрытия (К)

Й =24 КО

0<££<1 18< С <24 К1

1< Ь"< 2 рп 7^ <С<18 К2

2< < 3 рп 3<<£<7 КЗ

Четвертая глава ("Результаты экспериментальных исследований по определению пожарной опасности кровельных материалов и конструкций кровельных покрытий зданий") посвящена результатам проведенных исследований по определению на лабораторных установках показателей пожарной опасности кровельных и теплоизоляционных материалов (групп горючести и воспламеняемости, критической поверхностной плотности теплового потока распространения пламени по поверхности, температур воспламенения и самовоспламенения), а также результатам крупномасштабных исследований по определению пожарной опасности конструкций кровельных покрытий.

Результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что теплоизоляционные материалы относятся к группе горючести НГ или Г1 при содержании в них органического связующего от 0,6 до 6,08 %. КМ в основном относятся к материалам группы горючести Г4 и группы воспламеняемости В2 или ВЗ, температуры воспламенения КМ находятся в диапазоне 280-365 °С, самовоспламенения - 375-440 °С.

Для апробации предлагаемого аналитического и экспериментального крупномасштабного методов были проведены исследования по определению пожарной опасности 16 видов образцов конструкций кровельных покрытий.

В результате проведенных исследований, были установлены следующие зависимости: изменения температур в контролируемых

гонках на поверхности испытываемых образцов конструкций покрытий во времени -Т„ =/(/); изменения температур в контролируемых точках между КМ и подложками образцов конструкций покрытий -Т-/(f); изменения пути, проходимого фронтом пламени по поверхностям испытываемых образцов конструкций кровельных покрытий во времени - S = /(/); изменения суммарных тепловых потоков при горении КМ и радиационного потока от контакта фронта пламени с несго-ревшей их частью q-j (t).

Результаты проведенных исследований образцов конструкций кровельных покрытий позволяют сделать вывод о том, что испытанные образцы в основном относятся к классу пожарной опасности КЗ (табл. 2).

Полученные в результате проведенных исследований экспериментальные данные, были обработаны с помощью масштабов времени и расстояния разработанной математической модели и программы "CURVE EXPERT 1.3", в результате чего были определены зависимости безразмерных величин пути, проходимого фронтом пламени по поверхностям КМ образцов конструкций кровельных покрытий, от безразмерного времени - S -/(г) (для примера на рис. 4 представлены зависимости S = / (г) для пяти видов конструкций кровельных покрытий).

Экспериментальные кривые 1 и 2 описываются полиномиальной функцией четвертого порядка (для конструкций кровельных покрытий с КМ на основе резины и резинотканевых материалов):

S(t) = а + Ьт + сг2+ с/т* + ет\ (15)

где а = -2,39.10^, й = 2*1<Г5, £ = -7,33.10^, d = 1,47 «КГ5, е = -1»1(Г5.

Экспериментальные кривые 3-5 описываются полиномиальной функцией пятого порядка (для конструкций кровельных покрытий с КМ на основе полимерных материалов):

S (т) - а + Ьт + ст1 + г/г3 + ет4 + /т', (16)

где а -1,77»10^, 6 = 6,41.10^, с = 3,43.1<Г', d = -1,21 -Ю"4, е = 1,6 »МТ4, / = — 6,73 • 10-5.

Определение зависимости S - /(г) осуществляется по следующей схеме:

- по результатам проведенных экспериментов, определяется зависимость - S = /(/);

- по теплофизическим коэффициентам Я,р,с, а также т0 и /0, определяются характерные масштабы времени и длины:

Результаты исследований по определению пожарной опасности образцов конструкций покрытий

Наименование КМ конструкции покрытия Ьрп ' мм а"" Чрп > кВт/м2 Класс пожарной опасности конструкции покрытия (К)

Кровельный рулонный материал "Изо-фламм" 2950 3,01 КЗ

Битумные плитки "ТЕООЬА CANADEZE" тип "Престиж" 2480 3,49 КЗ

Битумные плитки "ТЕООЬА САКАОЕ7Е" тип "Стандарт" 2600 3,15 КЗ

Три слоя рубероида марки РКП-350 А 3000 <3 КЗ

Три слоя рубероида марки РКП-350 Б 3000 <3 КЗ

Три слоя рубероида марки РНП-420 3000 <3 КЗ

Кровельный рулонный материал "Армо-гидрокром" 3000 <3 КЗ

Кровельный рулонный материал "Кромел ПП" 870 18,85 К1

Кровельный рулонный материал "ваттае-(азН-БеИае^зГ 2000 7,0 К2

Кровельный рулонный материал "Днеп-рофлекс" 2800 3,07 КЗ

Кровельный рулонный материал "Поли-кром ПнТ" 850 18,9 К1

Кровельный рулонный материал "Стекло-маст П" 3000 <3 КЗ

Кровельный рулонный материал "8агпай1-8" 3000 <3 КЗ

Кровельный рулонный ма1ериал "БагпаШ-0" 3000 <3 КЗ

Кровельная мембрана Е.Р.О.М. 3000 <3 КЗ

Кровельный рулонный материал "итПекз" 2100 5,8 К2

Кровельный рулонный материал "Стекло-бит П" 3000 <3 КЗ

Кровельный рулонный материал "Филизол" 2650 3,13 КЗ

3/*о

«о

Рис. 4. Изменения безразмерной величины распространения

фронта пламени по поверхности КМ конструкций покрытий на основе резины, резинотканевых и полимерных материалов

1 - мембрана кровельная резиновая марки "Е.Р.О.М.";

2 - лист кровельный из резинотканевых материалов - тип "РТВ";

3 - материал рулонный кровельный полимерный марки "Армогидрокром";

4 - мембрана кровельная полимерная марки "8агпаШ-8";

5 - мембрана кровельная полимерная марки "8атаШ-0"

срЯ Т02

х,

(18)

I,

проводится расчет безразмерных величин пути S, и времени

- составляется таблица полученных значений S, и г,, обработка которых для определения вида функции S = /(г) осуществляется с помощью программы "CURVE EXPERT 1.3".

Представленная математическая модель позволяет определять расстояние распространения фронта пламени по поверхности КМ конструкций покрытий аналитическим методом. По известным теп-лофизическим характеристикам Л,р,с КМ по формулам (17) и (18) определяются характерные масштабы времени и длины; при заданных моментах времени I, по формуле (20) определяются значения безразмерных масштабов времени г, и по известному графику зависимости S =/(г) определяются значения S, = jit,). Для определения реального значения зависимости s = f(t) задается время t, и по нему определяется безразмерный масштаб времени г, = —; по определенному

'о

значению г, на графике зависимости S = /(г) определяют соответствующее значение S, (г,) и вычисляют величину реального расстояния распространения фронта пламени по поверхности КМ конструкции покрытия по формуле .V, (/,)=.V, .

На основе результатов исследований были разработаны схема противопожарного нормирования, предложения по применению КМ и конструкций покрытий в жилых, административных и общественных зданиях.

г, по формулам:

(19)

(20)

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основании проведенного анализа зарубежных и отечественных требований по противопожарному нормированию применения КМ и конструкций покрытий установлена зависимость области их применения в зданиях различного функционального назначения от

их пожарной опасности, степени огнестойкости зданий, классов кон- •

структивной и функциональной пожарной опасности, этажное ш зданий и вида их застройки, конструктивных решений элементов покрытий и фасадов зданий.

2. В результате проведенного анализа зарубежных и отечест- ' венных лабораторных методов испытаний по определению показателей пожарной опасности КМ, а также зарубежных средне- и крупномасштабных методов испытаний по определению пожарной опасности конструкций кровельных покрытий зданий установлено следующее:

перечень лабораторных методов испытаний весьма ограничен и сводится в основном к определению горючести и воспламеняемости КМ;

все существующие лабораторные методы оценки пожарной опасности КМ разработаны таким образом, что они не учитывают условия их эксплуатации в конструкциях покрьпий зданий при тепловых воздействиях режимов реальных пожаров, что затрудняет прогнозирование поведения КМ в конструкциях покрытий зданий в условиях реального пожара и его развитие;

основными показателями в зарубежных методах определения пожарной опасности конструкций кровельных покрытий зданий являются способность, применяемых в них КМ, распространять пламя по поверхности; степень проникновения пламени в подстилающий слой.

3. Разработана математическая модель распространения пламени по наклонной поверхности ТГМ с набегающим потоком воздуха, безразмерные параметры которой позволяют прогнозировать распространение пламени при известных значениях тешшфизических характеристик ТГМ и газовой среды.

4. Разработан метод крупномасштабных исследований по определению пожарной опасности конструкций покрытий с точки зрения определения способности применяемых в них КМ воспламеняться и распространять пламя по поверхности.

5. Создана испытательная крупномасштабная установка, позволяющая имитировать условия огневого воздействия факела пламени на поверхность образцов конструкций кровельных покрытий для

определения их пожарной опасности, приближенные к условиям реального пожара и с учетом условий их эксплуатации.

6. В результате проведенных крупномасштабных исследований гю определению пожарной опасности конструкций кровельных покрытий определены: расстояния, пройденные фронтом пламени по поверхностям /- х участков КМ образцов конструкций покрытий за время , с; критическая плотность теплового потока прекращения распространения пламени по поверхности qg, кВт/м2; изменения во времени температур в контролируемых точках на поверхности образцов конструкций покрытий - Т„ = /(0 и между КМ и подложками конструкций покрытий - Т=/(г); изменения пути, проходимого фронтом пламени по поверхностям испытываемых образцов конструкций покрытий во времени - S -f(t); виды функции S - f (г) - зависимости безразмерного пути распространения фронта пламени по поверхности КМ конструкций покрытий от безразмерного времени.

7. Разработана классификация конструкций кровельных покрытий по пожарной опасности.

8. Определены показатели пожарной опасности широко применяемых в конструкциях покрытий кровельных и теплоизоляционных материалов (группы горючести и воспламеняемости, критическая поверхностная плотность теплового потока распространения пламени, температуры воспламенения и самовоспламенения).

9. Разработана схема противопожарного нормирования применения КМ и конструкций покрытий в зданиях, в основе которой заложены качественные критерии нормирования, предотвращающие воспламенение КМ при условии q"v > q^ и распространение фронта пламени по поверхности конструкций покрытий при условиях

?£(£)><?„»(£)■

10. Разработаны предложения по применению КМ и конструкций покрытий в жилых, административных и общественных зданиях в зависимости от этажности, вида застройки и чердачных помещений, конструктивного исполнения, групп горючести и воспламеняемости КМ, класса пожарной опасности конструкций покрытий.

Научные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Молчадский И.С., Павловский A.B., Пономарев В.В. Методы испытаний покрытий кровель // Пожаровзрывобезопасность. - 1993. -Т. 2,№4.-С. 48-53.

2. Павловский A.B., Харитонов B.C., Пономарев В.В. Пожарная опасность гидротеплоизоляционных элементов покрытий зданий

и методы ее оценки // Пожарная безопасность - 95: Материалы Х1П Всероссийской науч. практ. конф. - М.: ВНИИГЮ, 1995. - С. 351-352.

3. Павловский A.B. Методология оценки и вопросы прогнозирования пожарной опасности теплогидроизоляционных материалов покрытий зданий // Материалы науч. техн. конф. молодых ученых ВНИИПО и ВИПТШ МВД России. - М.: ВНИИПО, 1995. - С. 53-55.

4. Павловский A.B., Смирнов Н.В., Пономарев В.В. Оценка пожарной опасности кровельных материалов и конструкций покрытий зданий и сооружений // Пожарная безопасность. - 1999. № 1. - С. 5360.

5. Павловский A.B.. Противопожарное нормирование применения кровельных материалов в конструкциях покрытий зданий. // Пожарная безопасность. - 2002. № 3. - С. 109-117.

6. Яйлиян P.A., Павловский A.B., Смирнов Н.В.. Математическая модель распространения трения по наклонной поверхности твердого топлива // Пожарная безопасность - 2003. № 3.- С. 79-88.

7. Павловский A.B. Распространение пламени по поверхности кровельных материалов конструкций покрытий жилых, общественных и административных зданий // Снижение риска гибели людей при пожарах: Материалы XVIII науч. практ. конф. - Ч. 1. - М.: ВНИИПО, 2003. - С. 265-267.

Подписано в печать 19.10.2004 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,39. Уч.-иэд. л. 1,19. Т. - 80 экз. Заказ № 85

Типография ФГУ ВНИИПО МЧС России. 143903, Московская обл., Балашихинский р-н, пос. ВНИИПО, д. 12

РНБ Русский фонд

2006-4 5764

О 9 НОЯ 2004

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИНДЕКСЫ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Причины возникновения пожаров и пути распространения их опасных факторов в зданиях различного функционального назначения.

1.2. Анализ противопожарных требований по применению кровельных материалов и конструкций кровельных покрытий в зданиях.

1.3. Анализ методов огневых испытаний по оценке пожарной опасности кровельных материалов и конструкций кровельных покрытий зданий.

1.4. Постановка исследований.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ ПО ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ГОРЮЧИХ МАТЕРИАЛОВ

2.1. Анализ теоретических моделей распространения пламени по поверхности твердых горючих материалов.

2.2. Математическая модель распространения пламени по наклонной поверхности твердого горючего материала с набегающим потоком воздуха.

Глава 3. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО КРУПНОМАСШТАБНОГО МЕТОДА ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ И ПРОГНОЗИРОВАНИЮ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ КРОВЕЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ ЗДАНИЙ

3.1. Обоснование исходных параметров для разработки экспериментального крупномасштабного метода по определению и прогнозированию пожарной опасности конструкций кровельных покрытий зданий.

3.2. Экспериментальный крупномасштабный метод исследования по определению и прогнозированию пожарной опасности конструкций кровельных покрытий зданий.

3.3. Метод по определению критической поверхностной плотности теплового потока распространения пламени по поверхности строительных материалов.

3.4. Метод испытания строительных материалов на воспламеня- 122 емость.

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВАНИЙ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ И ПРОГНОЗИРОВАНИЮ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ КРОВЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ КРОВЕЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ ЗДАНИЙ

4.1. Результаты исследований по определению показателей пожарной опасности кровельных материалов и конструкций кровельных покрытий зданий.

4.2. Схема противопожарного нормирования и предложения по применению кровельных материалов и конструкций кровельных покрытий в жилых, административных общественных зданиях

4.3. Практическое использование результатов работы. 172 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 174 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 177 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 185 ПРИЛОЖЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИНДЕКСЫ И СОКРАЩЕНИЯ с- коэффициент удельной теплоемкости топлива, Дж/кгхград р - плотность твердого горючего материала, кг/м3; Т - температура твердого горючего материала, °К; I - время, с;

Я - коэффициент теплопроводности твердого горючего материала, Вт/мхград; х - координата по оси х; у - координата по оси у; и - скорость распространения пламени, м/с; а - коэффициент теплоотдачи, Втхм хград; Та - температура окружающей атмосферы, °К; Кш> ~ время окончания стадии индукции, с; И - толщина слоя твердого горючего материала, м; Тшр - температура пиролиза твердого горючего материала, °К; 5 - путь, пройденный пламенем, м; I - ширина слоя твердого горючего материала, м; Я - суммарный радиационный тепловой поток, кВт/м ;

10 - лучистый тепловой поток с единицы площади пламени, кВт/м ; I - излучение, падающее на площадку <1хс1у;

J - тепловой поток, падающий на единичную площадку ёхёу, кВт/м ; р^ - плотность продуктов горения твердого горючего материала, кг/м3; рв - плотность воздуха, кг/м3; Ж - скорость конвективных потоков, м/с; РГ0 - характерный масштаб скорости конвективных потоков, м/с

V - скорость набегающего воздушного потока, м/с; и - безразмерная скорость распространения;

У0 - характерный масштаб скорости набегающего воздушного потока, м/с;

V - безразмерная скорость набегающего воздушного потока; Ж - безразмерная скорость конвективных потоков; х0 - характерный масштаб по оси х, м; х - безразмерная координата по оси х; 5 - безразмерный путь; Я - безразмерная высота пламени; ^уЦ 0„ - количество тепла, выделяемое твердым горючим материалом при горении, Дж; - лучистая составляющая от сгорания твердого горючего материала, Дж;

О.щ,.сгор. - количество тепла, выделяемое продуктами сгорания, Дж; ст - коэффициент теплоемкости твердого горючего материала, Дж/кгхград; тт - масса сгоревшего твердого горючего материала, кг;

Т0 - начальная температура твердого горючего материала, °К; сАТ Сгор - коэффициент теплоемкости продуктов сгорания, Дж/кгхград;

Т^ - температура пламени, °К; к - коэффициент сгорания твердого горючего материала; твозд - масса воздуха, кг;

Омм - количество тепла, идущее на нагрев воздуха, Дж; св030 - коэффициент теплоемкости воздуха, Дж/кгхград; Тлсай - температура воздуха, °К;

Оиап - количество тепла, передаваемое горячим газом твердому горючему материалу, Дж/кгхград; гй - характерный масштаб времени, с; т - безразмерное время; у0 - характерный масштаб по оси у, м; у - безразмерная координата по оси у; - безразмерная температура твердого горючего материала; Н - расстояние между , центрами элементарных площадок излучающей площади шара, м; и0 - характерный масштаб скорости распространения пламени; м/с тинд - безразмерное время на стадии индукции; Ял - лучистый тепловой поток, кВт/м2; а - безразмерный коэффициент теплоотдачи; А - безразмерная толщина твердого горючего материала; ц - количество полной энергии, выделившейся после сгорания единицы массы твердого горючего материала, Дж; 2Х - координата по оси Ъ.

Обеспечение пожарной безопасности при строительстве и реконструкции зданий является важной задачей в государственной деятельности. В современном строительстве зданий широкое распространение получили конструкции кровельных покрытий (далее - конструкции покрытий), в которых применяются: негорючие теплоизоляционные материалы - минераловатные плиты и маты с низким содержанием органического связующего; горючие теплоизоляционные материалы на основе пенополистирола, пенополиуретана, феноль-ных пенопластов; горючие гидроизоляционные кровельные материалы и композиции (КМ) - полимерные, битумно-полимерные и наплавляемые неармиро-ванные и армированные, рубероиды. Несмотря на высокую индустриализацию строительных работ, проводимых при монтаже таких покрытий, применяемые в них КМ пожароопасны. В условиях реальных пожаров скорость распространения пламени по поверхности КМ конструкций покрытий зданий, тепловыделение и дымообразование весьма высоки [1]. Горение КМ и горючих утеплителей нередко вызывает деформации их несущих элементов и проникновение в образующиеся при этом неплотности внутрь зданий жидких текучих горящих фракций расплава, создавая опасность распространения огня внутри зданий и обрушения покрытий.

В настоящее время согласно положениям СНиП 21-01-97* [2], СНиП II-26-76 [3], НПБ-244-97 [4] оценку пожарной опасности кровельных материалов и их противопожарное нормирование по применению в конструкциях покрытий зданий производят по результатам лабораторных исследований групп горючести и воспламеняемости, критической поверхностной плотности распространения пламени по поверхности. Однако как показывает мировой опыт, для более полной оценки пожарной опасности КМ и последующего их нормирования, этих лабораторных методов исследований явно недостаточно. Условия их проведения и оборудование испытательных установок позволяют определять только качественные сравнительные характеристики исследуемых материалов и не позволяют моделировать условия пожара, проводить реальную оценку их способности распространять пламя по поверхности в составе конструкций покрытии зданий, прогнозировать вех поведение при пожаре и обосновать противопожарные требования по их применению в зависимости от функционального назначения зданий.

Поэтому работы, связанные с исследованием пожарной опасности конструкций покрытий зданий с точки зрения определения способности, применяемых в них КМ, воспламеняться и распространять пламя по поверхности в условиях, приближенных к условиям реального пожара с учетом условий их эксплуатации, а также разработка на основании проведенных исследований предложений по противопожарному нормированию их применения в зданиях являются актуальными и перспективными.

Целью настоящей работы является разработка экспериментального крупномасштабного метода определения и прогнозирования пожарной опасности конструкций кровельных покрытий зданий с учетом условий их эксплуатации, а также разработка предложений по их противопожарному нормированию.

Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо было решить следующие основные задачи: выбрать и обосновать параметры для оценки и прогнозирования пожарной опасности конструкций кровельных покрытий и определения области их применения в зданиях; разработать математическую модель процесса распространения фронта пламени по наклонной поверхности твердого горючего материала (ТГМ) с набегающим потоком воздуха; разработать экспериментальный крупномасштабный метод оценки способности конструкций кровельных покрытий зданий распространять пламя по поверхности; разработать и создать испытательную крупномасштабную установку для определения способности конструкций кровельных покрытий распространять пламя по поверхности; провести лабораторные исследования по определению показателей пожарной опасности КМ и крупномасштабные исследования по определению способности конструкций покрытий распространять пламя по поверхности; провести аналитическую обработку результатов крупномасштабных исследований распространения фронта пламени по поверхности конструкций кровельных покрытий с помощью параметров разработанной математической модели; разработать схему противопожарного нормирования по применению КМ и конструкций покрытий в зданиях; разработать классификацию конструкций кровельных покрытий по пожарной опасности; разработать предложения по применению КМ и конструкций покрытий в жилых, административных и общественных зданиях.

Объект исследований. В качестве объекта исследований выбраны конструкции кровельных покрытий зданий с рулонными полимерными, битумно-полимерными КМ, рубероидами с пылевидной и крупнозернистой посыпкой, КМ на основе резинотканевых материалов.

Методы исследований. В настоящей работе использованы: математическое моделирование процесса распространения пламени по наклонной поверхности ТГМ с набегающим потоком воздуха; математическая обработка данных экспериментальных крупномасштабных исследований по определению способности конструкций кровельных покрытий распространять пламя по поверхности; стандартные методы определения показателей горючести, воспламеняемости, температур воспламенения и самовоспламенения, критической поверхностной плотности распространения пламени.

Предмет исследований - пожарная опасность образцов конструкций кровельных покрытий.

Достоверность полученных результатов подтверждается адекватностью теоретической модели реальным условиям процесса распространения пламени по поверхностям конструкций кровельных покрытий; выбором энергетических, моделируемых при исследовании пожара параметров и критериев оценки пожарной опасности конструкций кровельных покрытий; удовлетворительной точностью экспериментальных методов и измерений; корреляционным анализом результатов, полученных по разработанной и стандартным методикам.

Обоснованность научных положений и выводов, сформулированных в настоящей работе, подтверждены достаточным объемом, исследований, апробацией используемых разработанных математической модели и экспериментальной методики определения пожарной опасности конструкций кровельных покрытий зданий, а также положительным опытом внедрения результатов работы на практике.

Научная новизна работы заключается в следующем: разработана новая методика крупномасштабных исследований пожарной опасности конструкций кровельных покрытий зданий с учетом условий их эксплуатации; разработана и изготовлена испытательная крупномасштабная установка, позволяющая моделировать условия огневого воздействия на образцы конструкций кровельных покрытий, близкие к условиям возможного реального пожара; разработана математическая модель процесса распространения фронта пламени по наклонной поверхности ТТ'М с набегающим потоком воздуха, в которой в отличие от других известных моделей масштабы длины и времени зависят от плотности потока теплового излучения факела пламени источника огневого воздействия и теплофизических свойств ТГМ; проведены крупномасштабные исследования по определению пожарной опасности 16 видов образцов конструкций покрытий, по результатам обработки которых определены: критическая плотность теплового потока прекращения распространения пламени по поверхности кВт/м2; изменения во времени температур в контролируемых точках на поверхности образцов конструкций покрытий - Т„ =/(?), а также между КМ и подложками конструкций покрытий - Т=/(0; изменения пути, проходимого фронтом пламени по поверхностям испытываемых образцов конструкций покрытий, во времени - 5 = /(0; получены новые экспериментальные данные по результатам проведенных лабораторных исследований горючести, воспламеняемости, распространению пламени по поверхности, температур воспламенения и самовоспламенения некоторых широко применяемых в конструкциях покрытий зданий теплоизоляционных и гидроизоляционных кровельных материалов; в результате обработки экспериментальных данных определены виды функции Я =/(г)- зависимости безразмерного расстояния распространения фронта пламени по поверхности КМ образцов конструкций покрытий от безразмерного времени; разработана новая классификация конструкций покрытий по пожарной опасности; разработана схема противопожарного нормирования применения КМ и конструкций покрытий в зданиях, в основу которой взят принцип предотвращения пожара и ограничения материального ущерба; разработаны предложения по применению КМ и конструкций покрытий в жилых, административных, общественных зданий в зависимости от их этажности, вида застройки и вида чердачного помещения, а также от показателей пожарной опасности КМ и конструкций покрытий. Практическая ценность работы.

Решены научно-технические вопросы оценки пожарной опасности конструкций кровельных покрытий зданий с учетом условий их эксплуатации, усдовий огневого воздействия, приближенных к условиям реального пожара, показателей пожарной опасности КМ.

Разработан крупномасштабный метод оценки и прогнозирования пожарной опасности конструкций кровельных покрытий, позволяющий их классифицировать ;

Разработана математическая модель распространения пламени по наклонной поверхности ТГМ с набегающим потоком воздуха. С помощью выявленных безразмерных параметров математической модели установлены зависимости вида функции = / (г), позволяющие прогнозировать без проведения испытаний величины расстояний распространения пламени по поверхности КМ, аналогичных (или близких) по структуре, теплофизическим характеристикам.

Результаты работы могут быть использованы при определении области применения КМ в конструкциях покрытий зданий различного функционального назначения.

На защиту выносятся: математическая модель распространения фронта пламени по наклонной поверхности ТГМ с набегающим потоком воздуха; расчетный метод прогнозирования расстояния распространения фронта пламени по поверхности КМ образцов конструкций кровельных покрытий; экспериментальный крупномасштабный метод определения и прогнозирования пожарной опасности конструкций кровельных покрытий; результаты экспериментальных крупномасштабных исследований по определению способности образцов конструкций кровельных покрытий распространять пламя по поверхности; результаты экспериментальных лабораторных исследований пожарной опасности кровельных и теплоизоляционных материалов; классификация конструкций кровельных покрытий по пожарной опасности; схема противопожарного нормирования и предложения по применению КМ и конструкций покрытий жилых, общественных и административных зданиях.

Пракгичекое внедрение. На основании результатов исследований разработаны и изданы:

Техническая информация (в помощь инспектору Государственной противопожарной службы).- М.: ВНИИПО, 1995,- 26 е.;

Техническая информация (в помощь инспектору Государственной противопожарной службы).- М.: ВНИИПО, 1997.- 31 е.;

Справочник по огнестойкости и пожарной опасности строительных конструкций, пожарной опасности строительных материалов и огнестойкости инженерного оборудования зданий (в помощь инспектору Государственной противопожарной службы).- М.: ВНИИПО, 1999.- 63 е.;

НПБ "Покрытия зданий. Метод определения пожарной опасности" (окончательная редакция);

Результаты исследований используются в лекциях УЦ ФГУ ВНИИПО МЧС России по программе "Огнезащита".

Апробация работы. Результаты работы, основные ее положения и выводы докладывались и обсуждались на XIII Всероссийской научно-практической конференции "Пожарная безопасность-95" (Москва, 1995), Научно-технической конференции молодых ученых ВНИИПО и ВИПТШ МВД России (Москва, 1995), XVIII Научно-практической конференции "Снижение риска гибели людей при пожарах" (Москва, 2003).

Публикации и личный вклад автора. По теме диссертационной работы опубликовано 7 научных публикаций (5,6,7,8,9,10,11). В диссертации обобщены результаты многолетней самостоятельной работы, а также совместно с коллегами: И.С.Молчадским, Н.В.Смирновым, Р.А.Яйлияном, К.НХольцовым, А.А.Меркуловым, В.В.Пономаревым. В совместных работах автор определял направления исследований, принимал участие в разработке математической модели, методик, экспериментах; осуществлял обработку, анализ и обобщение полученных экспериментальных данных; принимал участие в формулировке выводов и внедрении в практику.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы, приложений и насчитывает 206 страниц текста, иллюстрированного 43 рисунками, имеет 18 таблиц, 97 наименований цитируемой литературы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основании проведенного анализа зарубежных и отечественных требований по противопожарному нормированию применения кровельных материалов и конструкций покрытий установлена зависимость области их применения в зданиях различного функционального назначения от следующих факторов: степени огнестойкости зданий, классов их конструктивной и функциональной пожарной опасности, этажности и вида застройки; конструктивных решений элементов покрытий и фасадов зданий; показателей пожарной опасности КМ: групп горючести и воспламеняемости, критической поверхностной плотности теплового потока распространения пламени по поверхности; показателей пожарной опасности конструкций покрытий: способности КМ распространять пламя по поверхности, степени проникновения пламени в подстилающий слой.

2. В результате проведенного анализа зарубежных и отечественных лабораторных методов огневых испытаний по определению показателей пожарной опасности КМ, а также зарубежных средне- и крупномасштабных методов огневых испытаний по определению пожарной опасности конструкций кровельных покрытий зданий установлено следующее: а) перечень лабораторных методов испытаний весьма ограничен и сводится в основном к определению горючести и воспламеняемости КМ; б) все существующие лабораторные методы оценки пожарной опасности КМ, разработаны таким образом, что они не учитывают условия их эксплуатации в конструкциях покрытий зданий при тепловых воздействиях режимов реальных пожаров. Поэтому эти методы можно отнести к сравнительным методам, позволяющим оценить пожароопасные свойства КМ по принципу сравнения между собой или с "реперными" материалами. При использовании такого принципа оценки возникают трудности в прогнозировании поведения КМ в конструкциях покрытий в реальных условиях эксплуатации и развития пожара; в) основными показателями в зарубежных методах определения пожарной опасности конструкций кровельных покрытий зданий являются: способность, применяемых в них КМ, распространять пламя по поверхности; степень проникновения пламени в подстилающий слой.

3. Разработана математическая модель распространения пламени по наклонной поверхности ТГМ с набегающим потоком воздуха. Выявлены безразмерные параметры, описывающие процесс распространения пламени по поверхности ТГМ и позволяющие прогнозировать показатели распространения пламени, при известных значениях теплофизических характеристик ТГМ и газовой среды.

4. Разработан метод крупномасштабных исследований по определению пожарной опасности конструкций покрытий с точки зрения определения способности, применяемых в них КМ, воспламеняться и распространять пламя по поверхности.

5. Создана испытательная крупномасштабная установка, позволяющая имитировать условия огневого воздействия факела пламени на поверхность образцов конструкций покрытий для определения их пожарной опасности, приближенные к условиям реального пожара и с учетом условий их эксплуатации.

6. В результате проведенных крупномасштабных исследований по определению пожарной опасности конструкций покрытий определены: расстояния, пройденные фронтом пламени по поверхностям /- х участков КМ образцов конструкций покрытий за время ti, с; критическая плотность теплового потока прекращения распространения пламени по поверхности , кВт/м2; изменения во времени температур в контролируемых точках на поверхности образцов конструкций покрытий - Т„ =/(/) и между КМ и подложками конструкций покрытий - Т=/(*); изменения пути, проходимого фронтом пламени по поверхностям испытываемых образцов конструкций покрытий во времени - S =/(/); виды функции S - / (г) - зависимости безразмерного пути распространения фронта пламени по поверхности КМ конструкций покрытий от безразмерного времени.

7. Разработана классификация конструкций покрытий по пожарной опасности.

8. Определены показатели пожарной опасности широко применяемых в конструкциях покрытий кровельных и теплоизоляционных материалов: группы горючести и воспламеняемости, критическая поверхностная плотность теплового потока распространения пламени, температуры воспламенения и самовоспламенения.

9. Разработана схема противопожарного нормирования применения КМ и конструкций покрытий в зданиях, в основе которой заложены качественные критерии нормирования, предотвращающие воспламенения КМ при условии ч1Р > <7тах и распространение фронта пламени по поверхности конструкций покрытий при условиях Lpn < , (L) > q^ (L).

10. Разработаны предложения по применению КМ и конструкций покрытий в жилых, административных и общественных зданиях в зависимости от этажности, вида застройки и чердачных помещений, конструктивного исполнения, групп горючести и воспламеняемости КМ, класса пожарной опасности конструкций покрытий.

1. Натурные огневые испытания блоков покрытий со стальным настилом и легким пенополистирольным утеплителем вида ПСБ-с. М.: ВНИИПО, 1974.-61 с.

2. СНиП 21-01-97*. Пожарная безопасность зданий и сооружений.3. СНиП П-26-76. Кровли.

3. НПБ-244-97. "Материалы строительные. Декоративно-отделочные и облицовочные материалы. Материалы для покрытия полов. Кровельные, гидроизоляционные и теплоизоляционные материалы. Показатели пожарной опасности".

4. И.С.Молчадский, A.B.Павловский, В.В.Пономарев. Методы испытаний покрытий кровель//Пожаровзрывобезопасность. 1993. - Т. 2, №4. - С. 4853.

5. A.B.Павловский. Методология оценки и вопросы прогнозирования пожарной опасности теплогидроизоляционных материалов покрытий зданий // Материалы научно-технической конференции молодых ученых ВНИИПО и ВИПТШ МВД России. М.: ВНИИПО, 1995. - С. 53-55.

6. А.В.Павловский, Н.В.Смирнов, В.В.Пономарев. Оценка пожарной опасности кровельных материалов и конструкций покрытий зданий и сооружений // Пожарная безопасность. -1999. №1. С. 53-60.

7. А.В.Павловский. Противопожарное нормирование применения кровельных материалов в конструкциях покрытий зданий // Пожарная безопасность. 2002. №3. - С. 109-117.

8. Р.А.Яйлиян, А.В.Павловский, Н.В.Смирнов. Математическая модель распространения горения по наклонной поверхности твердого топлива // Пожарная безопасность 2003. №3.- С. 79-88.

9. Пожарная безопасность №1. Научно-технический журнал. М.: ВНИЙПО, 2000. - 234 с

10. Рекомендации по повышению пожарной эксплуатируемых производственных зданий со сгораемым утеплителем. Отчет по теме Т30.11/93.- М.: ЦНИИпромзданий, 1993 г. 59 с.

11. Исследовать вопросы проектирования, устройства и эксплуатации покрытий промышленных зданий с различными пенопластовыми утеплителями и рулонной кровлей (отчет), М.: ЦНИИпромзданий, 1975.-74 с.

12. Пожарная безопасность №1. Научно-технический журнал. М.: ВНИИПО, 1999.-204 с.

13. Législation et réglementation generales. Immeubles de grande hauteur. Bâtiments d'habitation.

14. Sécurité contre Г incendie. Bâtiments d'habitation. Texte reglementataire avec illustrastions // Journal officiel de la République Française. 1989. - a. 1603. -163 p.

15. Sécurité contre Г incendie. Immeubles de grande hauteur. 1990. - 41 p.

16. Règlement de sécurité contre Г incendie relatif aux établissements recevan du public. Dispositions generales et commentaires officiais. 1990. ,- 35 p.

17. Protection contre Г incendie dans les bâtiments. Bâtiments elevés et bâtiments moyens. Conditions générales. 1980. - 51 p.

18. Rakenteelinen paloturyalisuus Helsinki; Sisaasiainministerio. Suomen ra-kentamismaarayskokoelma. - 1981. -19 s.

19. Danish Standard DS 1065.1. Fire classification. // Building materials -Class A and class В materials. 1989. - 3 p.

20. Danish Standard DS 1065.2. Fire classification. // Coverings Class 1 and class 2 coverings. - 1989. - 3 p.

21. DS/INSTA 411. Fire testing Coverings - Fire protection ability.

22. BS 476: Part 7. Fire test on building materials and structures. Surface spread of flame tests for materials. 1971.

23. BS 476: Part 3. Fire test on building materials and structures. External fire exposure roof test. 1975 - 22 p.

24. Building codes. Fire safety. Chapter B4-Fire propagation outside the building. Environment Protection Ministry and Wales departament. 1991. - 15 p.

25. ГОСТ 30244-94. Материалы строительные. Метод испытания на горючесть.

26. ГОСТ 30402-96. Материалы строительные. Метод испытания на воспламеняемость.

27. ГОСТ Р 51032-97. Материалы строительные. Метод испытания на распространение пламени.

28. ГОСТ 30403-96. Конструкции строительные. Метод определения пожарной опасности.

29. СНиП 31-03-2001. Производственные здания.

30. МГСН 4.04.94. Многофункциональные здания и комплексы.

31. СНиП 2.08-89*. Жилые здания.

32. А.Н.Баратов, Р.А.Андрианов, А.Я.Корольченко и др. Пожарная опасность строительных материалов. М.: Стройиздат, 1988. - 380 с.

33. BS 476: Part 4: 1970. Fire Tests on building Materials and structures. Noncombustibility test for materials.

34. ASTM E 136-72. Standart Metod of Test for Noncombustibility of Elometary Materials.

35. DS 1058.1-76. Brandteknisk provning materials Beklaedninger og over-flader antaendelighted.

36. AS 1530.2-1973. Fire tests on Building Materials and structures.

37. ISO 5657-86. Огневые испытания. Реакция на огонь. Воспламеняемость строительных материалов.

38. BS 476: Part 13: 1987. Метод определения воспламеняемости материалов и изделий, подвергающихся тепловому облучению.

39. ASTM Е 162-94. Стандарт. Метод испытаний материалов на воспламенение с использованием источника радиационного тепла.

40. ИСО/ПМС 9239.2. "Основные испытания Реакция на огонь -Распространение пламени по горизонтальной поверхности покрытий пола под действием радиационного теплового источника зажигания".

41. ГОСТ 30247.0-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования.

42. ГОСТ 30247.1-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции.

43. ГОСТ 30403-96. Конструкции строительные. Метод определения пожарной опасности.

44. Романенков И.Г., Загерн-Корн В.Н. Огнестойкость строительных конструкций из эффективных материалов. М.: Стройиздат, 1984. - 240 с.

45. BS 476: Part 6: 1968. Fire test on Building materials and structures. Fire propagation test for materials.

46. Tsuchida Y. Metods of determining heat release rate // State of the Fire Safety Journal. 1988. - Vol 5, №1 - 49-57 p.

47. ISO 5660.1-93. Огневые испытания. Скорость тепловыделения при горении строительных изделий. Метод конического калориметра.

48. Rapport de la lere de 1' ISO/TC92/RG13. Essai au de toiture. Budapecht.1977.

49. ANSI/NFPA 256. 1986/ Fire test of roof coverings.

50. BS 476: Part 3: 1975. Fire test on building materials and structures. External fire exposure roof test.

51. Rapport de la lere reunion de ГISO/TC92/RG13. Les risques resultant des couvertures en cas d'incendie. Protection des bâtiments contre d'incendie, sécurité et sauvegarde des personnes cas d'incendie. Paris, 1976.

52. DIN 4102: Tell 7/03/87. Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen. Budachungen. Begriffen, Anforderungen und Pruefungen.

53. NT Fire 006. Roofings: Fire spread.w

54. PrEN 1187-2. External fire exposure to roof Part 2: Method of test simulating fire exposure to burning brands, with wind and supplementary radiant heat.

55. Рыбанин С.С. В кн.: Химическая физика процессов горения и взрыва. Горение гетерогенных и газовых систем. Черноголовка: Ред. - изд. отдел ОИХФ АН СССР 1977, с. 3-7.

56. Рыбанин С.С. Структура, скорость и пределы распространения диффузионного пламени по поверхности горючего материала. Докл. АН СССР, 1977, т. 255, с. 5.

57. A.I. Karpov and V.K. Bulgakov. Prediction of the Steady of Flame Spread Over Combustible Materials. FIRE SAFETY SCIENCE-PROCEEDINGS OF THE FOURTH SYMPOZIUM.

58. Лейпуновский О.И., Зенин A.A., Пучков B.M. Материалы Ш Всероссийского симпозиума по горению М.: Наука 1972. с. 74-77.m

59. Астапенко В.М., Кошмаров Ю.А., Молчадский И.С., Шевляков А.Н. Термодинамика пожаров в помещениях; под ред. Кошмарова Ю.А. М.: Стройиздат, 1988.-488 с.

60. Корчагин П.Г., Молчадский И.О. Распространение пламени по поверхности облицовочных материалов в условиях пожара. Безопасность людей при пожарах в зданиях и сооружениях: Сб. науч. тр. М.: ВНИИПО, 1987. - с. 39-44.

61. Разработать математическую модель распространения пламени по горизонтально и вертикально расположенным термически тонким и термически толстым слоям твердого горючего материала, (отчет), М., ВНИИПО, 1984, тема П.ВЦ.Н.ООЗ.81. Рук. Яйлиян P.A.

62. Яйлиян P.A., Наумов С.П. Модель распространения пламени по поверхности твердого горючего: Сб. науч. тр. М., ВНИИПО 1988. - с. 72-78.

63. Провести исследования и разработать математическую модель процессов распространения пламени (отчет), М., ВНИИПО, 1990, тема П.4.1.Н.001.86 (4.1/2.2). Рук. Яйлиян P.A.

64. Марголин А.Д., Крупкин В.Г. Об условиях гашения диффузионного пламени. Докл. АН СССР, 1978, т. 242, №6, с. 1326-1329.

65. Марголин А.Д., Крупкин В.Г. В кн.: Химическая физика процессов горения и взрыва. Горение гетерогенных и газовых систем. Черноголовка, 1977, с. 11-17.

66. Сполдинг Д.Б. Основы теории горения. Пер. с англ. M.-JI.: Госэнер-гоиздат, 1959. 320 с.

67. Ris J. de. In: 12th Symposium (Intern.) on Combustion. Pittsburgh: Combust. Inst., 1969, p. 241-255.

68. Lastrina F.A., Magge R.S., McAlevy R.F. Ш. In: 13th Symposium (Intern.) on Combustion. Pittsburgh: Combust. Inst., 1971, p. 935-946.

69. Magge, R.S., McAlevy, R.F. The mechanism of flame spread. J. Fire and Flammability, 1972,2,271-297.

70. Fernandez-Pello, A.C., Williams, F.A. In: 15th Symposium (Intern.) on Combustion. Pittsburg: Comust. Inst., 1974, p. 217-231.

71. Hirano, Т., and Tazawa, S.E., Waterman, Т.Е. Postulations of flame spread mechanisms. Combustion and Flame, 1974,22,353-363.

72. Rasbach D.T. Combust. And Flame, 1976, vol. 26, №3, p. 411-420.

73. Williams F.A. In: 16th Symposium on Combustion. Pittsburgh: Combust. Inst., 1976, p. 1281-1294.

74. Wichman, I.S. Combustion and Flame 50, p. 287 (1983).

75. Wichman, I.S., Williams, F.A. A simplified model of flame spread in an opposed flow along flat surface of a semi-infinite solid. J. Combustion Science & Technology. 1983. - Vol. 32. - P. 163-192.

76. Quintiere I.G. The application of flame spread theory to material performance. Proceeding of a joint one day meeting of the Combustion Physics Group and the Polymer Physics Group with The Combustion Institute (British Section), 14h April 1987, LONDON.

77. В.Л.Векслер, Н.П.Копылов, И.С.Молчадский, С.В.Горшков. Динамика пожаров в жилых зданиях. М.: ЦНИИЭПжилища, 1984. 62 с.

78. Провести исследования и разработать математические модели температурных режимов в помещениях, смежных с очагом пожара (отчет), М., ВНИИПО, 1990, тема П 4.1.Н.001.86 (4.1/4). Рук. Молчадский И.С. 334 с.

79. Исследовать вопросы проектирования, устройства и эксплуатации покрытий промышленных зданий с различными пенопластовыми утеплителями и рулонной кровлей (отчет), М.: ЦНИИпромзданий, 1974, тема 376-36-73. Рук. Кутухтин Е.Г.- 54 с.

80. Cordina К. Temperature fields in front of a multistorey building temperatures on the surface of an outside column determined in a full scale fire test. ISO/NC92/WG11. -1972.

81. Г. Дж. Ленгдон-Томас. Пожарная безопасность в строительстве. Теория и практика. Пер. с англ. М.: Стройиздат, 1977, с. 266.

82. Ashton L.A., Malhotra H.L. External walls of buildigs Part 1. The protection of openings against spread of fire trom storey to storey. - JointFire Research Organization/ Fire Research Note 436/1960.

83. ГОСТ 31251-2003 Конструкции строительные. Методы определения пожарной опасности. Стены наружные с внешней стороны.

84. М.Я.Ройтман. Пожарная профилактика в строительном деле. М.: ВИПТШ МВД СССР, 1975, с. 525.

85. ТСН КР-97 МО Кровли. Технические требования и правила приемки.

86. Проект НПБ ГПС "Покрытия зданий. Метод определения пожарной опасности",-М.: ВНИИПО, 1995.

87. СТ СЭВ 5987-87 "Степень распространения горения по кровлям. Метод определения".

88. ГОСТ 12.1.004-91 "Пожарная безопасность. Общие требования".

89. X. Карслоу, Д. Егер. Операционные методы в прикладной математике. М.: Иностранная литература, 1948, с. 291.

90. Техническая информация (в помощь инспектору Государственной противопожарной службы).- М.: ВНИИПО, 1995,- 26 с.

91. Техническая информация (в помощь инспектору Государственной противопожарной службы).- М.: ВНИИПО, 1997.- 31 с.