CC BY
23Казиев М. М., Зубкова Е. В.
алгоритм защиты огнестойких светопрозрачных конструкций при пожаре
В статье дан анализ теорий разрушения светопрозрачных конструкций. Отмечены особенности поведения стекла при пожаре и основные критерии разрушения. Выведены особенности расчёта по-жароустойчивости огнестойкого светопрозрачного заполнения. Представлены результаты испытаний по определению коэффициента теплопроводности геля, входящего в состав огнестойкого стекла. Разработан алгоритм защиты светопрозрачных конструкций от пожара.
Ключевые слова: огнестойкость, пожаро-устойчивость, многослойное стекло, разность температур, тепловой поток, коэффициент теплопроводности, светопрозрачные конструкции, водяное орошение.
Светопрозрачные конструкции (СПК) подвержены хрупкому разрушению при тепловых и механических воздействиях. Сам процесс разрушения стекла (при нормальных условиях) на сегодняшний день достаточно исследован. Малоизученными остаются условия, запускающие процесс разрушения при тепловом воздействии в условиях пожара. Выявление условий и критериев теплового разрушения позволит разработать методику расчёта времени разрушения СПК при пожаре, а также обосновывать способы и приёмы их огнезащиты для обеспечения необходимой и достаточной пожароустойчивости.
На данный момент в мире существует несколько теорий разрушения стекла во время пожара, которые основаны на таких критериях разрушения как перепад температуры по толщине стекла [1, 2]; разность температур между открытой и закрытой рамой частью стекла [3-5].
Чаще всего стекло разрушается из-за неравномерности прогрева защищён-ного и незащищённого рамой стекла.
Современные СПК фасадных систем, внутренних перегородок, как правило, цель-ностеклянные, следовательно, во время пожара стекло будет прогреваться равномерно (без учёта градиента по высоте). Это не означает, что стекло не разрушится во время пожара, ведь при достижении критических показателей произойдёт растрескивание и выпадение фрагментов. Следует учесть тот факт, что в строительстве чаще всего используются многослойные стекла, состоящие из одного или нескольких слоёв листового стекла, между которыми может находиться ге-левый слой, полимерная пленка или воздушный зазор. Динамика их прогрева недостаточно изучена для прогнозирования поведения при пожаре и расчёта времени разрушения.
От вида и характеристик многослойного стекла зависит способность конструкций сохранять целостность и выполнять функции противопожарной преграды в течение определённого времени при пожаре. Для многослойных конструкций пожароу-стойчивость считается обеспеченной, если при послойном разрушении сохраняется целостность последнего стекла с необо-греваемой стороны (рис. 1). В соответствии с ГОСТ Р 53308-2009, все предельные состояния по огнестойкости для СПК отслеживаются по состоянию наружного (необогреваемого) стекла [6]. Поэтому при решении задач по повышению пожа-роустойчивости или повышению предела огнестойкости многослойной конструкции все мероприятия и способы защиты должны быть направлены на предотвращение разрушения последнего стекла с необогреваемой стороны. Модель огнезащиты и обеспечения пожароустойчиво-сти СПК представлена на рисунке 1.
3+
*
г
Рисунок 1. Модель огнезащиты стекла водяным орошением: 1 - незащищаемое стекло; 2 - защитный слой в виде геля или плёнки; 3 - водяное орошение; 4 - защищаемое стекло
При таком подходе методология расчёта разрушения СПК будет состоять из нескольких этапов:
- расчёт динамики развития пожара [7];
- расчёт динамики теплового воздействия на СПК;
- расчёт динамики прогрева и роста температуры защищаемого стекла;
- расчёт фактической пожароустой-чивости, то есть времени наступления предельного состояния для СПК, при котором конструкция теряет огнепреграждающую способность;
- определение эффективности различных способов и средств огнезащиты, включая водяное орошение, предотвращающих прогрев и повышающих пожароу-стойчивость СПК.
В этом случае сущность расчёта по-жароустойчивости СПК можно представить в виде следующего соотношения:
Тп/уст
трс +
(1)
где тп/уст - фактическая пожароустойчи-вость СПК, мин.; трс - время прогрева за-
щищаемого стекла СПК до критической температуры (Ткр , °С) или достижения критического значения теплового потока (д, кВт/м2), мин.; Дтэсз - эффективность способа или средства огнезащиты СПК, мин.
Эффективность способов или средств огнезащиты в каждом случае может определяться временем, на которое увеличивается пожароустойчивость СПК.
Достоверность расчёта пожаро-устойчивости СПК во многом определяется обоснованностью критериев разрушения защищаемого стекла - критической температуры или критического теплового потока, воздействующего на СПК или защищаемое стекло.
Экспериментальные исследования разрушения стекла при пожаре позволили установить, что оно происходит при достижении определённой температуры и зависит от толщины и геометрических размеров стекла [8]. Испытания также показали, что фактор масштабности оказывает существенное влияние на критерии разрушения стекла [4]. Анализ результатов испытаний позволил установить, что в качестве усреднённого критерия разрушения может быть принят прогрев стекла до 100 °С и падающий тепловой поток 16 кВт/м2 [9]. При этих значениях температуры и теплового потока, как правило, происходило растрескивание и прогрессирующее обрушение светопрозрачного заполнения СПК. Было установлено также, что при постоянном тепловом потоке не более 4 кВт/м2 стекло не разрушается.
При известных параметрах развития пожара и с использованием дополнительных формул к интегральной модели пожара представляется возможным рассчитать динамику и величину теплового потока, воздействующего на СПК во время пожара. При известных же значениях теплофизиче-ских характеристик СПК становится возможным рассчитать время, когда величина теплового потока достигнет своего критического значения и защищаемое стекло может разрушиться. В случае, если это время не будет соответствовать требованиям [6],
будет необходимым поиск и применение соответствующих способов и средств огнезащиты по обеспечению требуемой пожа-роустойчивости СПК.
Наиболее экономичным способом огнезащиты СПК, широко применяемым на практике, является водяное орошение. Как свидетельствуют результаты проведённых испытаний, водяное орошение может рассматриваться как способ повышения пожароустойчивости огнестойкого стекла, триплекса, закалённого и обычного листового стекла [10].
Для выявления эффективности водяного орошения при защите СПК от теплового воздействия при пожаре были проведены испытания на малой огневой печи. Анализ полученных результатов позволил определить величину снижения теплового воздействия при пожаре на стекло в условиях определенной интенсивности водяного орошения:
Aqз = 0,11557т + 16,5849,
где Aqз - разность тепловых потоков с орошением и без него, кВт/м2; т - время, мин.
Результаты, полученные с помощью формулы (2), позволят осуществить подбор соответствующего вида светопрозрач-ного заполнения (огнестойкое, триплекс,
закалённое, специальное), с учётом его поведения при пожаре.
Водяное орошение не может полностью снизить температуру падающего теплового потока, следовательно, даже при использовании орошения стекло будет прогреваться. Спрогнозировать критический прогрев многослойного стекла возможно, используя формулу теплопроводности плоской многослойной стенки, учитывая критерий разрушения стекла по температуре на поверхности:
я.
аГ
(3)
(4)
(2)
где tх - температура в плоскости х от обогреваемой поверхности, °С; t1 - температура поверхности обогреваемой стороны, °С; Q - падающий тепловой поток, Вт/м2;
Еж 5.
—— сумма термических сопротивле-X,
ний всех слоёв стенки до плоскости x;
- температура среды, °С; а - коэффициент теплообмена, Вт/(м2-°С).
Используя формулу (2) возможно рассчитать температуру на защищаемом стекле - ^ (рис. 2 а). Испытания огнестойкого стекла показали, что на 5 минуте
12 3
2__3
а б
Рисунок2. Модель прогрева многослойной светопрозрачной конструкции:
а - до разрушения обогреваемого стекла; б - после разрушения; 1 - стекло; 2 - гель
1
t
t
2
3
5
t
ср
пожара (по стандартной кривой) происходит растрескивание первого стекла и гель вспучивается в сторону нагрева, тем самым защищая второе стекло от разрушения и нагрева. Следовательно, при расчёте многослойной стенки первый слой можно исключить, так как оно не защищает гель от теплового потока (рис. 2 б). Таким образом, преобразуем формулу (2) для огнестойкого стекла, состоящего из компонентов «стекло - гель - стекло»:
у X
V гель стекло У
(5)
где ^ - температура поверхности защищаемого стекла, °С; ^ - температура геля, °С; Р - падающий тепловой поток, кВт/м2; X - толщина, м; 5 - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С).
В формуле (5) нам неизвестен коэффициент теплопроводности для геля; анализ литературы позволил сделать вывод о том, что формул для его расчёта нет. Для определения величины коэффициента теплопроводности были проведены испытания на стандартной установке по определению параметров воспламеняемости строительных материалов (ГОСТ 30402-96). В процессе испытаний варьировалась величина падающего лучистого теплового потока и измерялась температура на обогреваемой и необогреваемой стороне образца.
Как известно, гель, входящий в состав огнестойкого стекла, во время нагре-
ва меняет свои физические свойства и из прозрачного гелевого вещества превращается в твёрдый пористый материал. Время вспучивания составляет, в среднем, одну минуту. Начало помутнения состава происходит при температуре 50-60 °С на не-обогреваемой стороне образца, при 100 °С состав полностью вспучивается.
Таким образом, с изменением структуры геля меняется и его коэффициент теплопроводности. Как показали эксперименты:
- коэффициент теплопроводности прозрачного геля (до вспучивания и помутнения) при 90 °С равен 0,011 Вт/(м-°С);
- коэффициент теплопроводности помутневшего и вспучивающегося геля при 250 °С равен 0,113 Вт/(м-°С);
- коэффициент теплопроводности вспученного геля ЛвС (толщина геля 0,017 м), в зависимости от температуры, приведён в табл. 1;
- коэффициент теплопроводности вспученного геля О^ТгозеИ (толщина геля - 0,01 м), в зависимости от температуры, приведён в табл. 2.
При использовании водяного орошения теплопроводность геля меняется, так как вода впитывается в поры и увеличивает значения данного коэффициента (коэффициент теплопроводности воды при 90 °С равен 68 Вт/(м-°С)), после испарения воды значения коэффициента возвращаются к исходным (табл. 3).
Следует учесть, что при водяном орошении вода в образце постоянно обновляется, то есть температура на необогреваемой
Таблица 1
Таблица 2
коэффициент теплопроводности для вспученного геля AGC
Температура среды, °С Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С)
90 0,035
102 0,086
210 0,095
коэффициент теплопроводности для вспученного геля GlasTrбsch
Температура среды, °С Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С)
90 0,12
102 0,294
210 0,309
Таблица 3
коэффициент теплопроводности для вспученного увлажненного геля фирм AGC, GlasTrбsch
X, Вт/(м-°С) без воды X, Вт/(м-°С) с водой*
Производитель Г , °С сР ' Начало эксперимента Окончание эксперимента
лее 90 0.35 0,07 0,035
ИаБТгбБеЬ 90 0,12 0,3 0,13
Примечание. В образце Лее - 19 мл воды; в образце ИаБТгбБеЬ - 2,29 мл воды.
поверхности снижается за счёт отвода тепла водяным орошением, при этом коэффициент теплопроводности геля возрастает.
Данный расчёт позволяет выявить степень защиты СПК от воздействия пожара с учётом применения водяного орошения и без него. Зная величины тепловых потоков и температуры на защищаемом
стекле, с использованием интегральной или полевой модели пожара, возможно рассчитать время разрушения стекла и исходя из этого определить тип защиты СПК.
Исходя из вышесказанного, авторы предлагают алгоритм защиты СПК от пожара, применимый ко всем видам СПК (рис. 3).
Рисунок 3. Алгоритм пожаробезопасного применения светопрозрачного заполнения и защиты водяным орошением
По мнению авторов, что в числе мероприятий по повышению пожароустойчи-вости и защите светопрозрачных конструкций от пожара должны быть следующие:
1 ) использование огнестойкого све-топрозрачного заполнения строительных конструкций;
2) использование закалённого стекла;
3) использование различных комбинаций стекол в одном стеклопакете (закалённое, триплекс, листовое, огнестойкое);
4) применение водяного орошения для огнестойкого стекла, триплекса и других видов стекла.
Данный алгоритм позволит, с учётом требуемого предела огнестойкости и типа конструкции [6], подобрать вид заполнения строительной конструкции (огнестойкое стекло, триплекс), которое сохранит свою пожароустойчивость в течение необходимого времени, независимо от того, будет применяться водяное орошение или нет.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лицкевич В. В., Хасанов И. Р. Моделирование процесса разрушения остекления при пожаре // Мат-лы Междунар. науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы пожарной безопасности». - М.: ВНИИПО МЧС России. - 2008. - Ч. 1. - С.141-143.
2. Святкин Г. К. Расчётная модель разрушения остекления в виде тонкой свободной пластины при тепловом воздействии пожара // Пожаровзры-вобезопасность. - 1994. - № 4. - С.76-77.
3. Keski-Rahkonen O. Breaking of Window Glass Close to Fire // Fire and materials, 1988, vol. 12, pp. 61-69.
4. Pagni P. J., Joshi A. A. Glass Breaking in Fires // Proc. 3rd Int. Science Symp. "Fire Safety". -London, Elsevier Applied Science, 1991, pp. 791-802.
5. Казиев М. М, Дудунов А. В. Поведение остекления окон при пожаре // Жилищное строительство. - 2009. - № 3. - С. 37-39.
6. Федеральный закон от 22 июня 2008 г. № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».
7. Зайцев А. М, Болгов В. А. Особенности учёта начальной стадии пожара при расчете прогрева строительных конструкций // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. - 2015. -№ 2. - С. 7-14.
8. Shields T. J, Silcock G. W. H, Flood M. Performance of a Single Glazing Assembly Exposed to a Fire in the Centre of an Enclosure // Fire and Materials, 2002, vol. 26, pp. 61-75.
9. Mowrer F. W. Window Breakage Induced by Exterior Fires // Proc. 2nd Int. Conf. On Fire Research and Engineering. - Bethesda MD, Society of Fire Protection Engineers, 1998, pp. 404-415.
10. Казиев М. М. Зубкова Е. В. Влияние водяного орошения на огнестойкость светопроз-рачных строительных конструкций // Природные и техногенные риски. Безопасность сооружений. -2014. - № 1. - С. 28-33.
Kaziev M., Zubkova E.
PROTECTION ALGORITHM FOR FIRE-RESISTANT TRANSLUCENT STRUCTURES IN CASE OF A FIRE
ABSTRACT
Purpose. The authors have analyzed the theories of translucent structure breakage. The paper presents the features of glass behavior in case of a fire and the basic breakage criteria: features of fire resistance calculations of fire-resistant translucent filling-in, the results of tests to determine the coefficient of thermal conductivity of the gel included as a component of fireproof glass, the algorithm for the protection of translucent structures from a fire have been defined.
Methods. In order to understand the need for further research in this field materials of foreign and domestic scientists' work have been analyzed. The numerical value of thermal conductivity of the gel has been obtained experimentally using the test system "Flammability".
Findings. The coefficient of thermal conductivity of the gel included as a component of fireproof glass has been obtained for the first time at different
temperatures and different states of aggregation. A new concept of calculating the time of fire-resistant glass breakage has been proposed.
Research application field. The results of the study make it possible to understand the mechanism of fire-resistant glass breakage better and to predict it in case of a fire. The algorithm helps choose the proper structure protection depending on the required fire resistance.
Conclusions. The developed algorithm makes it possible to choose the appropriate type of filling-in for a building construction which is capable to retain its fire resistance within the required time.
Key words: fire resistance, laminated glass, temperature difference, heat flow, thermal conductivity, translucent structures, water irrigation.
REFERENCES
1. Litskevich V.V., Khasanov I.R. Modeling of fracture process of glazing in a fire. Mat-Iy Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. "Aktual'nye problemy pozharnoi bezopasnosti" [Proc. Int. Sci.-Pract. Conf. "Actual problems of fire safety"]. Moscow, All-Russian Research Institute on Problems of Civil Defense and Emergencies of Ministry of Internal Affairs of Russia Publ., 2008, part 1, pp. 141-143. (in Russ.)
2. Svyatkin G.K. Calculation model of fracture of glazing in the form of a thin free plate under the thermal influence of fire. Pozharovzryvobezopasnost', 1994, no. 4, pp. 76-77. (in Russ.)
3. Keski-Rahkonen O. Breaking of Window Glass Close to Fire. Fire and materials, 1988, vol. 12, pp. 61-69.
4. Pagni P.J., Joshi A.A. Glass Breaking in Fires. Proc. 3rd Int. Science Symp. "Fire Safety". London, Elsevier Applied Science, 1991, pp. 791-802.
5. Kaziev M.M., Dudunov A.V. The behavior of the glazing of the windows in the fire. Zhilishchnoe stroitelstvo, 2009, no. 3, pp. 37-39.
6. Federal law of the Russian Federation on June 22, 2008, No. 123 "Technical regulations on fire safety requirements".
7. Zaitsev A.M., Bolgov V.A. Features into account the initial stage of a fire warming in calculating construction. Vestnik Voronezhskogo instituta GPS MChSRossii, 2015, no. 2, pp. 7-14.
8. Shields T.J., Silcock G.W.H., Flood M. Performance of a Single Glazing Assembly Exposed to a Fire in the Centre of an Enclosure. Fire and Materials, 2002, vol. 26, pp. 61-75.
9. Mowrer F. W. Window Breakage Induced by Exterior Fires. Proc. 2nd Int. Conf. On Fire Research and Engineering. Bethesda MD, Society of Fire Protection Engineers, 1998, pp. 404-415.
10. Kaziev M.M., Zubkova E.V. The influence of water irrigation on the fire resistance of translucent building structures. Prirodnye i tekhnogennye riski. Bezopasnost' sooruzhenii, 2014, no. 1, pp. 28-33. (in Russ.)
MAKHACH KAZiEV Elena Zubkova
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia
