Исследования эффективности огнезащиты деревоклееных конструкций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Исследования эффективности огнезащиты деревоклееных конструкций

Общая характеристика работы

пожарный опасность огнезащита деревянный

Актуальность. Деревянные клееные конструкции (ДКК) традиционны для отечественной строительной отрасли, что обусловлено богатыми лесосырьевыми 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 которых требует меньших энергозатрат, а монтаж на объектах более технологичен по сравнению с конструкциями из железобетона и стали.

В СНиП 21-01-97* содержатся требования 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 класс пожарной опасности конструкций, 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 вспучивающиеся покрытия (лаки), 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 огнезащитой 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, относительно 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 пожарной 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. Определение характеристик, необходимых для проведения теплотехнических расчетов, для неисследованных ранее вспучивающихся лаков.

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 видов 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 по рациональным средствам и толщинам огнезащиты ДКК и стальных элементов узлов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые получены экспериментальные данные о динамике прогрева и вспучивания современных огнезащитных покрытий для древесины при высокотемпературном воздействии в огневой печи при исследованиях класса пожарной опасности ДКК, а также на установке лучистого нагрева.

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 характеристик огнезащитных 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 для 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 которых 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 результатов расчетов прогрева конструкций данным крупномасштабных испытаний ДКК в огневых печах.

На защиту выносятся следующие положения 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 III 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 «Городской строительный комплекс и безопасность жизнеобеспечения граждан», Москва, 2005; научно-практической конференции «Пожарная безопасность зданий и сооружений-2006», Москва, 2006.

Внедрение результатов работы. Основные результаты научных исследований внедрены при подготовке и проведении крупномасштабных огневых испытаний ДКК, при подготовке «Рекомендаций по огнезащите деревоклееных конструкций» и выборе средств огнезащиты 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 исследований, научная и практическая значимость полученных в диссертации результатов. Указаны объекты исследований и основные положения диссертации, которые выносятся на защиту.

В первой главе проведен анализ литературных источников по методам и результатам исследований огнезащиты и определения показателей пожарной 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 отсутствии огнезащиты по ГОСТ 30247.0-94 и ГОСТ 30247.1-94. Установлено, что в литературных источниках содержится ограниченная информация по результатам таких исследований. Наиболее представительными являются данные огневых испытаний по оценке огнестойкости деревоклееных балок, приведенные в кандидатской диссертации В.С. Харитонова. Заслуживают 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 в большинстве случаев температурное поле в ДКК не рассчитывается, а решение теплотехнической задачи учитывается при определении фактического предела огнестойкости ДКК по зависимости:

П_Ф = ₀ + _{КР; КР} = (_КР - )/V, (1)

где 0 - время от начала теплового воздействия на древесину до начала обугливания, а КР - время от начала обугливания древесины до наступления предельного состояния при пожаре; V=0,6-0,7 мм/мин - скорость обугливания клееной древесины; =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 рассматривается эффективность для ДКК типичных представителей всех современных видов огнезащиты. Основной объект исследований - вспучивающиеся лаки ПРОТЕРМ 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 огнезащитой на установке лучистого нагрева, которой представлена на рис. 2. Испытания проводили по методике, разработанной Страховым В.Л. и Гаращенко А.Н. и используемой для исследований различных средств 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 ПРОТЕРМ 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 термопарных измерений представлены на рис. 3. Они, в частности, свидетельствует о том, что вспучивание исследуемых покрытий начинается при уровне температур 120-140С (приблизительно на 100 градусов меньше, чем для большинства 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 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 деревоклееные панели стандартного размера. Схема установки для проведения испытаний представлена на рис. 4.

Тепловое воздействие на конструкцию происходит в обеих камерах, причем в огневой камере задается стандартный температурный режим, а в тепловой должен реализовываться режим, задаваемый зависимостью:

T_f = T₀ + 200 lоg (8t + 1), (2)

где Т_f, Т₀ - 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 наличие недопустимого размера повреждения образца (древесины) в контрольной зоне. Дополнительно к измерительным средствам, предусмотренным ГОСТ 30403, в различных зонах панели были установлены термопары в соответствии со схемой, представленной на рис. 5. Они позволяют получить дополнительную информацию по прогреву образцов и проводить более объективный анализ полученных результатов. В качестве контрольного параметра рассматривалось время достижения температуры 300С (температура обугливания древесины) на глубине 2 мм от поверхности панели в зоне тепловой камеры на различном расстоянии от плиты перекрытия огневой камеры. Для показателя К0, согласно ГОСТ 30403, это расстояние не должно превышать 50 мм.

По ГОСТ 30403 были проведены два огневых испытания деревоклееных 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 (толщина 1,1 мм) и укрывной лак Proterm Wood top A1 с расходом 0,05 кг/м².

В ходе первого испытания установлено, что в результате значительного вспучивания покрытия ПРОТЕРМ ВУД через 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 время 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, т.е. ниже порогового значения, предусмотрено го ГОСТ 30403 для получение показателя К0. С учетом показателей пожарной опасности огнезащищенной древесины сделан вывод о том, что исследуемая 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 пожарной опасности К1 (45), поскольку длина зоны обугливания за время огневого воздействия, равное 45 мин, оказалась более 50, но менее 400 мм, т.е. ниже порогового значения, предусмотренного ГОСТ 30403 для получения показателя К1.

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. 7б. 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 для снижения класса пожарной опасности ДКК, но и для повышения пределов их огнестойкости.

В третьей главе проведено обоснование и продемонстрированы возможности применения для конструкций из древесины методик и программных комплексов (ПК) 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 водосодержащей огнезащитой на неорганической основе (ОГНЕЗАЩИТА. Версия ВН.1);

- ПК для расчетов двумерных НТП 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 тепломассопереноса 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:

; (3)

; ; ; (4)

; (5)

; . (6)

В приведенных зависимостях приняты следующие условные обозначения: Т - температура; t - время; х - поперечная координата; - эффективная (суммарная) теплопроводность; - пористость; , _о - плотность и исходное значение плотности; с, с_p - теплоемкость; - степень завершенности процесса термического разложения; K - массовая доля конденсированного остатка в продуктах полного термического разложения; m - масса; - массовая скорость фильтрации газообразных продуктов термического разложения; Q - суммарный 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 () и параметр уноса (выгорания) вспученного слоя покрытия (). Определение величин и 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 исследованных ранее минераловатных плит CONLIT-150.

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