Использование сэндвич-панелей в качестве эффективных легкосбрасываемых конструкций при внутренних взрывах в промышленных зданиях Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВ

В. А. Горев

д-р физ.-мат. наук, профессор Московского государственного строительного университета, г. Москва, Россия

Е. Ю. Салымова

студентка V курса Московского государственного строительного университета, г. Москва, Россия

УДК 614.841.343

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЭНДВИЧ-ПАНЕЛЕЙ В КАЧЕСТВЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ЛЕГКОСБРАСЫВАЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ВНУТРЕННИХ ВЗРЫВАХ В ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЯХ

Рассматривается новый метод обеспечения взрывоустойчивости промышленных зданий при внутренних взрывах—путем использования в качестве ограждающих и легкосбрасываемых конструкций сэндвич-панелей. Показаны достоинства этого метода при проектировании и реконструкции зданий.

Ключевые слова: взрывоопасное помещение, легкосбрасываемые конструкции, внутренний взрыв, ограждающие конструкции, избыточное давление.

В соответствии с СП 12.13130.2009 [1] к взрывоопасным помещениям относятся такие, в объеме которых может выделиться столько горючего вещества в газообразном, парообразном или пылеобразном состоянии, что при его сгорании уровень избыточного давления АР превысит 5 кПа. В пересчете на стехиометрический состав при полной загазованности максимальное давление взрыва составляет АРу « 750 кПа для большинства углеводородных горючих. Используя такие плохо контролируемые параметры, как коэффициент участия горючего во взрыве и негерметичность помещения, удается снизить уровень давления взрыва примерно в 5-6 раз [1]. Это значит, что при загазованности выше 3,5-4,0 % в пересчете на стехиометрию — 100 помещения будут взрывоопасными. Однако если не принимать во внимание негерметичность помещения и коэффициент участия горючего во взрыве, то предельный уровень загазованности снизится до 0,5-0,6 %.

Здания со взрывоопасными помещениями должны быть обеспечены легкосбрасываемыми конструкциями (ЛСК). Площадь проемов, перекрываемых ЛСК, согласно СНиП 31-03-2001 [2] определяется расчетом или назначается из условия 0,05 У0 — для категории А и 0,03 У0 — для категории Б (где У0 — объем помещения, м3). В [2] предъявляются также требования к конструкции ЛСК, в частности к остеклению.

Остекление относится к безынерционным ЛСК, так как время его разрушения и отлета мало по срав-

нению со временем протекания взрыва для помещений объемом более 10 м3. Неразрушаемые ЛСК, такие как облегченные панели, освобождают площадь для истечения газов из помещения, где происходит взрыв, по мере их перемещения под действием избыточного давления взрыва. Время полного освобождения площади истечения для таких ЛСК в значительной мере зависит от их массы и является мерой их эффективности. Если время открытия площади проема, перекрываемого ЛСК, меньше времени достижения допускаемого давления взрыва АРд, то ЛСК являются эффективными и их теоретический коэффициент вскрытия равен 1.

Примем боковую площадь, занимаемую перемещающимися ЛСК, 5д, а фактическую площадь перекрываемого проема £ф. Тогда коэффициент вскрытия данной ЛСК Квскр определяется как:

Квскр

При Квскр > 1 его значение принимают равным 1, тогда площадь истечения ограничивается величиной £ф. При Квскр < 1 площадь проемов, перекрываемых ЛСК, увеличивается в 1/Квскр раз по сравнению с требуемой площадью открытых проемов.

В последнее время в качестве ограждающих конструкций для промышленных зданий с успехом применяются трехслойные теплоизолирующие сэндвич-панели, и особенно перспективно их использование в условиях холодного климата.

Цель настоящего исследования — показать эффективность сэндвич-панелей как ЛСК, которые,

отрываясь от места крепления, открывают проемы для истечения газов из помещения при внутреннем взрыве.

Отличие сэндвич-панелей, используемых в качестве ЛСК, от обычных ограждающих заключается в способе их крепления — саморезами меньшего размера или с использованием меньшего их количества. Однако специальное крепление нисколько не ухудшает эксплуатационных характеристик стены здания (т. е. стена по-прежнему выдерживает ветровые и снеговые нагрузки).

За счет своей небольшой массы, высокой частоты колебания и коэффициента динамичности, равного 1, нагрузку на сэндвич-панели при взрыве можно рассматривать как квазистатическую. Это существенно облегчает расчет этих панелей.

Из рис. 1 видно, что, если облицовочная панель будет терять устойчивость при давлении выше 3 кПа, ее будет легче защитить с помощью ЛСК, чем панель, которая будет терять устойчивость при давлении менее 3 кПа (так как в этом случае придется увеличивать площадь ЛСК или добиваться того, чтобы ЛСК-панели вскрывались прежде, чем облицовочные панели потеряют несущую способность).

Проведем анализ вскрытия ЛСК-панелей при внутреннем взрыве в помещении, ограждающими конструкциями в котором являются те же панели, только лучше закрепленные или имеющие меньшую длину.

Известно, что допускаемое давление взрыва определяется несущей способностью ограждающих панелей. Задача об изменении давления в помещении при внутреннем взрыве в нем решается в следующей постановке:

1) давление во время взрыва в помещении зависит только от времени и одинаково по объему как при закрытых, так и при открывающихся проемах;

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 Длина пролета панели, м

Рис. 1. Зависимость длины пролета панели от допустимого давления взрыва, определяемого по несущей способности панелей толщиной: 1 — 200 мм; 2 — 150 мм; 3 — 100 мм; пунктир — предел защиты

2) истечение газа из помещения носит квазистационарный характер и определяется давлением в помещении (волновые эффекты отсутствуют);

3) перемещение ЛСК определяется их инерционными свойствами и давлением внутри помещения;

4) перемещение ЛСК начинается при достижении давлением значения давления вскрытия АРвскр (зависит от характера крепления);

5) на начальной стадии развития взрыва, сразу после вскрытия ЛСК, происходит истечение холодных газов, а по мере развития взрыва истечение холодной исходной смеси сменяется на истечение горячих продуктов горения.

В герметичном объеме до вскрытия ЛСК давление изменяется в зависимости от доли выгоревшего вещества X:

(Р^) - P0)/(Pmax - P0) = X = M (Л/ M 0 ; (1)

dM (0/dt = p (t)UzA (t). (2)

Из выражений (1) и (2) следует:

dAP/dt = APmax (P (t)U2 A (t) )/M0 . (3)

Здесь Р^ — избыточное давление взрыва в момент времени t;

Р0 — начальное давление;

Pmax — максимальное избыточное давление

взрыва;

M(t) — масса сгоревшего вещества за время t;

M0 — общая масса горючей смеси при полной

загазованности; M0 = p0V0;

p0 — плотность горючей смеси;

V0 — объем горючей смеси;

P(t) — плотность исходной смеси во время взрыва;

P(t) = p 0(P(t)/P0)1/т;

иг — скорость горения при взрыве; иг = аин; а — показатель интенсификации горения при взрыве;

ин — нормальная скорость горения; A(t) — площадь поверхности пламени; АР — уровень избыточного давления; АРтах — максимальное избыточное давление при взрыве в герметичном объеме. Если предположить, что на начальной стадии горения (взрыва) очаг горения имеет форму сферы или ее части (Р), то

A

(t)

= 4 %PUг212 а2

(4)

и интегрирование (3) с учетом (4) до момента начала вскрытия tв выражается уравнением

г в = (ДРвскр/ДРтх)1'3 V«1'3 К 1/3)/(иг а2/3). (5)

Здесь а — степень расширения при горении; а = Р(г) /Р2;

ISSN 0869-7493 ООЖАРООЗРЫООБЕЗООАСНОСТЬ 2010 ТОМ 19 №2

2

а = а0 — при взрыве на начальной стадии и вообще для избыточных давлений (АР = 20 кПа); р2 — плотность продуктов горения;

АР

вскр

давление начала вскрытия;

для

К 0 = 3/(4яР);

Р = 1 — для сферического очага; Р =1/2

полусферического и т. д.

Если взрывное давление инициируется в заранее разгерметизированном объеме, то изменение давления будет контролироваться двумя процессами:

• горением (давление повышается);

• истечением газов через открытые проемы (давление снижается).

Рассмотрим задачу в более реальной обстановке.

В начальный момент взрыва все ограждающие конструкции целые. По мере развития взрыва ограждающие легкосбрасываемые конструкции начинают вскрываться, т. е. начинают открываться проемы, которые они закрывали.

Вскрытие, т. е. увеличение площади, через которую истекают газы из помещения, происходит постепенно, в зависимости от свойств ЛСК, величины давления вскрытия АРвскр и интенсивности взрывного горения.

На первом этапе будем рассматривать однотипные ЛСК, которые характеризуются: давлением вскрытия АРвскр (кПа), площадью перекрываемого проема аЬ (м2), массой панели ЛСК М (кг).

Характер изменения давления при взрыве в замкнутых объемах с различной степенью герметичности представлен на рис. 2.

Из анализа рис. 2 видно, что максимальное давление взрыва АРу и 800 кПа, а допустимое давление, т. е. давление, которое не должно быть превышено во время взрыва, АРд и 5 кПа. Это значит, что защита зданий с помощью ЛСК может достигнуть цели только в том случае, если вскрытие ЛСК будет начинаться рано (АРвскр < АРд) и происходить быстро (АР1 < АРд), а площадь вскрытых проемов будет достаточной, чтобы выполнялось условие: АР2 < АРд (АР2' и АР2", но не АР2*).

При допускаемом давлении АРд < 60 кПа максимумы давления во время взрыва в замкнутом объеме с изменяющейся площадью разгерметизации Зх описываются выражением

иг(а- 1) А - АхлДА^Р! К,

(6)

где иг — скорость горения, м/с;

А — площадь поверхности пламени, м2; К,и — коэффициент истечения; I =1 — для первого пика, I = 2 — для второго пика. Выражение (6) описывает условие реализации максимума давления в зависимости от изменяющейся площади истечения и скорости взрывного

Рис. 2. Изменение давления при взрыве в замкнутых объемах с различной степенью герметичности: АРу — максимальное давление взрыва в полностью загазованном и герметичном объеме, равное и 800 кПа; АР1 — максимальное давление во время вскрытия ЛСК (первый пик); АР2 — максимальное давление взрыва в разгерметизированном объеме, достигаемое при максимальной площади пламени; АР2д — допустимое давление взрыва, при котором несущие конструкции теряют устойчивость, обычно равное и 5 кПа

сгорания. Площадь истечения Зх определяется из уравнений:

'SX = X • 2( а + Ь)

8х = аЬ

при X < аЬ/[2( а + Ь)]; при X > аЬ/[2(а + Ь)],

(7)

где X — путь, пройденный плоской ЛСК при поступательном движении ЛСК вдоль линии, нормальной к ее поверхности.

При квадратной форме вскрывающегося проема (а = Ь) увеличение площади истечения происходит до X = а/4.

Уравнение перемещения ЛСК под действием сил давления, действующих со стороны движущихся газов, имеет вид:

М (й2X|dt2) = АРаЬ.

(8)

Уравнение (8) тем точнее описывает перемещение ЛСК, чем меньше ее скорость по сравнению со скоростью истекающего газа. Для материалов, применяемых в строительстве, это условие выполняется.

В окрестности второго пика (см. рис. 2) площадь поверхности пламени максимальна, а условие максимума давления дает возможность определить необходимую площадь открытых проемов £он, при

которой обеспечивается сохранность защищаемых конструкций (ДР < ДРд):

5о.н = [иг (а - 1)Атах7Р1]/[72Др~Кг.,и], (9)

где ^тах — максимальная площадь поверхности пламени во время взрыва; определяется геометрической формой объема, в котором происходит взрыв, и положением вскрывающихся ЛСК. Во время истечения газов из объема может сложиться ситуация, при которой через одну часть проемов истекает исходная холодная смесь, а через другую — горячие продукты сгорания. Этот факт учитывается коэффициентом истечения

K 2, и = [(1 -S) а + ^]

1/2

(10)

где ^ — доля площади, через которую истекают холодные газы.

Используя коэффициент вскрытия для определения фактической площади проемов, перекрываемых ЛСК рассматриваемого типа, выражение (6) с учетом (8) и (9) можно преобразовать к виду:

A г U г( а- 1) -

П(ab)nAPc At2 (2AP

MK

вскр

p1

K,и, (11)

где ДРС — среднее избыточное давление, действующее на ЛСК с момента начала вскрытия до его завершения;

Дг1 — время перемещения ЛСК с момента начала вскрытия до достижения соответствующего пика. Полагая, что аЬ (п) = 5он, получим выражение для коэффициента вскрытия:

K = (a + b)Uг2 APA п2 к1,и 2 вскрг = UTiMAпг. K2и .

(12)

Наложим условие непревышения давлением на пиках значения допускаемого давления ДРд и примем среднее давление равным среднеарифметическому между давлением вскрытия и допускаемым давлением. В результате получим значение коэффициента вскрытия: • для второго пика

(a + b)APfl(1 + APB^/ APJV2

K л = -

вскр.2

2 MUг2а2

Kф2, (13)

где Кф — коэффициент, учитывающий влияние геометрической формы объема и расположения ДСК на время достижения второго пика Дг2:

At2 = K¿Ж^А^а - 1)]);

-ф2

Кф2 — коэффициент, увеличивающийся по мере отклонения формы объема от кубической; для кубического помещения Кф2 « (0,75^1); для первого пика

K = K

вскр.1 — вскр.2

Uг2 K 1,и A

п2 AtГ

U Г1 K

2,и A п1 At 2

(14)

Отношение скоростей горения на втором и первом пиках (иг2/иг1) обычно больше единицы (« 2), так как после вскрытия ЛСК происходит возмущение пламени. Отношение коэффициентов истечения (К1и/К2 и), как правило, меньше единицы (« 0,4), а отношение (Ап2/Ап1)(Д^2/Дг|) незначительно больше единицы.

В результате различие коэффициентов вскрытия на первом и втором пиках трудно установить, поэтому разумно принять:

K

вскр.1

= K

вскр.2

(a + b) AP_(1 + AP,

вскр

/APд) V

2/3

2 MU j2 а2

K

ф1,2.

(15)

Подстановка в (14) данных для трехслойных панелей: а = 1м, Ь = 3 м, ДРд = 3 кПа, ДРвскр =1,5 кПа, V« = (100^1000) м3, М = 75 кг, а2 = 50 — дает чрезвычайно высокие значения коэффициентов вскрытия — порядка 102, что соответствует высокой эффективности трехслойных панелей при использовании их в качестве ЛСК.

Из проведенного анализа следует, что:

• при условии иг1 >> иг2 эффективность ЛСК определяется условиями на втором пике, за исключением тех случаев, когда имеет место инициирование горения источником с высокой энергией (струями горячих газов);

• при условиях на втором пике, ранее проанализированных в [3], получено выражение для Квскр 2, которое совпадает с (15), если в выражение для Квскр 2 из [3] подставить (9) для 5о н.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. СП 12.13130.2009. Системы противопожарной защиты. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности. — М. : ООО "Издательство "Пожнаука", 2009. — 618 с.

2. СНиП 31-03-2001. Производственные здания : утв. Госстроем России 19 марта 2001 г. ; ввод. в действие 1 января 2002 г. — М.: ГУП ЦПП, 2001.

3. Пилюгин, Л. П. Обеспечение взрывоустойчивости зданий с помощью предохранительных конструкций / Л. П. Пилюгин. — М. : Пожнаука, 2000. — 224 с.

Материал поступил в редакцию 01.02.2010 г.

© Горев В. А., Салымова Е. Ю., 2010 г. (e-mail: izdat_pozhnauka@mail.ru).

44

ISSN 0869-7493 ПОЖАРООЗРЫООБЕЗОПАСНОСТЬ 2010 ТОМ 19 №2