Динамика развития пожаров в высотных зданиях Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ДИНЬ КОНГ ХЫНГ, аспирант кафедры комплексной безопасности в строительстве Московского государственного строительного университета, г. Москва, Россия О. О. ВОРОГУШИН, аспирант кафедры комплексной безопасности в строительстве Московского государственного строительного университета, г. Москва, Россия А. Я. КОРОЛЬЧЕНКО, д-р техн. наук, профессор, академик МАНЭБ, профессор кафедры комплексной безопасности в строительстве Московского государственного строительного университета, г. Москва, Россия

УДК 614.841.3

ДИНАМИКА РАЗВИТИЯ ПОЖАРОВ В ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЯХ

Анализ пожаров в высотных зданиях, построенных в XX веке, показал, что трагическое развитие событий при возникновении пожаров обусловлено: низкой огнестойкостью строительных конструкций и инженерного оборудования; наличием внутренних объемов, не разделенных противопожарными преградами; наличием многочисленных проходов в стенах и перекрытиях для кондиционирования, электрооборудования и других технологических нужд; большим количеством горючего оборудования, мебели, облицовок. Показана возможность обеспечения пожарной безопасности высотных зданий конструктивными методами — делением зданий по вертикали на противопожарные отсеки по функциональным признакам помещений, что позволит локализовать возникший пожар и предотвратить его распространение на все здание.

Ключевые слова: деление на отсеки; пожар; высотное здание; динамика; пожарная нагрузка.

Интенсивное строительство высотных зданий выдвигает повышенные требования к обеспечению их пожарной безопасности. Как показывает практика эксплуатации уже построенных зданий, распространение пожара в высотном здании происходит со скоростью до десятков метров в минуту

Для решения задачи обеспечения пожарной безопасности высотных зданий разделим здание по вертикали противопожарными перекрытиями на несколько отсеков. Для 26-этажного здания (рис. 1) выделим четыре отсека:

• первый (подземный) — стоянка автомобилей:

3 этажа площадью 2150 м2 каждый;

• второй (надземный) — торговые помещения:

4 этажа площадью 1300 м2 каждый;

Рис. 1. Деление высотного здания по вертикали на пожарные отсеки: 1 — стоянка автомобилей; 2 — торговые помещения; 3 — офисные помещения; 4 —жилые помещения

• третий (надземный) — офисные помещения:

9 этажей площадью 1500 м2 каждый;

• четвертый (надземный) — жилые помещения:

10 этажей площадью 960 м2 каждый. Полагаем, что возникший в здании пожар будет

остановлен в пределах пожарного отсека.

Для оценки динамики развития пожара оценим величину пожарной нагрузки в выделенных противопожарных отсеках.

Оценку горючей нагрузки Q (МДж) в противопожарных отсеках здания произведем по формуле

Q = ^, 1=1

где Qi — пожарная нагрузка 1-го элемента сгораемого содержимого помещения (имущество, отделка, сгораемые конструкции и т. д.), МДж. Удельную пожарную нагрузку g (МДж/м2) определим из соотношения

g = Q/S,

где 5 — площадь, занимаемая пожарной нагрузкой, м2.

Распределение пожарной нагрузки на этажах здания по пожарным отсекам показано на рис. 2-5.

На рис. 2 дан пример распределения пожарной нагрузки на этаже первого (подземного) отсека. На одном этаже находится 30 автомобилей и 800 мотоциклов

© Динь Конг Хынг, Ворогушин О. О., Корольченко А. Я., 2012

ISSN 0869-7493 ПOЖAPOBЗPЫBOБEЗOПACHOCTЬ 2012 TOM 21 №12

61

Ж

□ТО

3 4

гстпта ИЕЦзта иЕвта [ж.

№

ВТО

[жввга ж.

№

,500

ВТО

□ □ А □ □

гт япсс

□ □ Щ □ □

□ □ ^ □ □

□ □ м □ □

□ Ы В

□ и □

□ Ы В

1 II

_

ф. №

Ф. Ш зр

№

№ №

Рис. 3. Схема распределения пожарной нагрузки на примере мебельного магазина площадью 100 м2:1 — кровать; 2 — кресло, стол, стул; 3 — кровать одноместная; 4 — кровать двухместная; 5 — шкаф; 6 — тумбочка

(при средней площади, занимаемой машиной, 5 м2, мотоциклом — 2,35 м2).

Общая масса горючих материалов для одного легкого автомобиля составляет 276,3 кг, из них мас-сарезины— 118,4 кг; дизельного топлива— 120 кг; смазочных масел — 18 кг; пенополиуретана — 4 кг; полиэтилена — 1,8 кг; полихлорвинила — 2,6 кг; картона — 2,5 кг; искусственной кожи — 9 кг. Теплота сгорания составляет: смазочного масла — 41,87 МДж/кг; резины — 33,52 МДж/кг; дизельного топлива — 43,59 МДж/кг; пенополиуретана — 24,3 МДж/кг; полиэтилена — 47,14 МДж/кг; полихлорвинила — 14,31 МДж/кг; картона — 13,4 МДж/кг; искусственной кожи — 17,76 МДж/кг. Пожарная нагрузка для одного легкового автомобиля ( = 10365 МДж.

Общая масса горючих материалов для одного мотоцикла составляет 20 кг, из них масса резины — 4 кг; бензина — 3 кг; смазочных масел — 1 кг; полимера — 7 кг; искусственной кожи — 3 кг. Пожарная нагрузка для одного мотоцикла будет равна 665 МДж.

Тогда общая пожарная нагрузка на каждом этаже составит:

2 = 10365-30 + 665-800 = 842950 МДж.

Удельная пожарная нагрузка для этажа £ = 2/5 = 842950/2150 = 392 МДж/м2.

На рис. 3 и в табл. 1 приведен пример распределения пожарной нагрузки в магазине мебели площадью 100 м2 во втором отсеке.

Таблица 1. Пожарная нагрузка торгового этажа (магазина мебели)

Пожарная нагрузка Масса пожарной нагрузки, кг Теплота сгорания, МДж/кг Величина пожарной нагрузки, МДж

Дерево 10000 13,8 138000

Другая 50 26 1300

Общая 139300

Удельная пожарная нагрузка для магазина мебели составит: £ = (/5 = 139300/100 = 1392 МДж/м2.

Нарис. 4ивтабл. 2представлен пример распределения пожарной нагрузки на офисном этаже третьего отсека.

Удельная пожарная нагрузка для офисного этажа составит: £ = (/5 = 16842/35 = 478 МДж/м2.

Нарис. 5 и в табл. 3 приведен пример распределения пожарной нагрузки в квартире площадью 94 м2 в четвертом отсеке.

Таблица 2. Пожарная нагрузка на офисном этаже

Пожарная нагрузка Масса пожарной нагрузки, кг Теплота сгорания, МДж/кг Величина пожарной нагрузки, МДж

Обивочный материал 90 29,3 2636

Дерево 520 13,8 7176

Пластмасса 150 38 5700

Другая 50 26 1330

Общая 16842

® №

□ □ □

□ □ □

□ Ь а □

□ й я □

□ "в

tl

□ (В а □ □ в а □ п в ал п п ив я п

и ив а и □ в а □ □ в в □ п в л п

и ив л и □ в а □ □ в я □ □ в я □

п ив а п п ив л п п в ai п п в a п п в л п п в л п

О в 01 □ □ в я □ □ в л □ □ в л □ о в л □ О в л □

О в л □ □ в л □ □ в л □ □ в л □ □ в л □ □ в л □

□

□

Рис. 4. Схема распределения пожарной нагрузки для офисного этажа: 1 — стол; 2 — стул; 3 — компьютер; 4 — шкаф; 5 — принтер; 6 — бумага

Рис. 5. Схема распределения пожарной нагрузки на жилых этажах: 1 — стол; 2 — стул; 3 — кресло; 4 — кровать; 5—тумбочка; 6 — тумба под телевизор; 7 — матрас; 8 — шкаф для посуды; 9 — шкаф

Таблица 3. Пожарная нагрузка в жилой квартире

Удельная пожарная нагрузка для квартиры составит: g = Q/S = 52474/94 = 562 МДж/м2.

Обобщив приведенные выше данные, получим удельную пожарную нагрузку в помещениях по отсекам здания (табл. 4).

Для расчета динамики развития пожаров в помещении используем программы модели FDS (Fire Dynamic Simulation). FDS позволяет реализовать вычислительную гидродинамическую модель теп-ломассопереносапри горении [1], атакже численно решить уравнения Навье - Стокса для низкоско-

Пожарная нагрузка Масса пожарной нагрузки, кг Теплота сгорания, мДж/кг Величина пожарной нагрузки, МДж

Обивочный материал 580 29,3 16994

Дерево 1600 13,8 22080

Пластмасса 250 38 9500

Другая 150 26 3900

Общая 52474

Таблица 4. Удельная пожарная нагрузка по отсекам здания

Отсек Вид пожарной нагрузки Удельная пожарная нагрузка, МДж/м2

Первый Подвальный этаж Машины, мотоциклы 392

Второй Торговый этаж Мебель, другая 1382

Третий Офисная часть Мебель, бумага 478

Четвертый Жилая часть Мебель, пластик, одежда 562

ростныхтемпературно-зависимых потоков. Особое внимание в ней уделяется распространению дыма и теплопередаче при пожаре. Модель представляет собой систему уравнений в частных производных, включающую уравнения сохранения массы, момента и энергии, и решается на трехмерной регулярной сетке. Тепловое излучение рассчитывается методом конечных объемов на этой же сетке. Для моделирования движения дыма, спринклеров и распыления топлива используются лагранжевы частицы.

В настоящее время приблизительно половина приложений модели служит для проектирования систем дымоудаления и для изучения активации спринклеров и детекторов. Другая половина служит для восстановления картины пожара в жилых и промышленных помещениях. Основной целью модели на протяжении ее развития было, с одной стороны, решение прикладных задач пожаробезопасности, а с другой — обеспечение специалистов инструментом для изучения фундаментальных процессов при пожаре.

включает следующие приложения:

• РугоБт — графический интерфейс программы ЕББ, разработанный компанией ТЪипёегЬеаё. Программа упрощает ввод и анализ исходных данных и облегчает процесс построения модели;

• Smokeview — программа для визуализации данных расчета FDS. Она позволяет наглядно увидеть распространение дыма, пламени, полей температур и других параметров.

Системой нестационарных уравнений в FDS являются выражения фундаментальных законов физики — сохранения массы, импульса и энергии [2].

Уравнение сохранения массы газовой смеси имеет следующий вид:

др д , ч д , ч д , ч „ дТ + — (Р ) + — (р ) + — (р ^) = 0,

дт дх

дг

(1)

где р — плотность, кг/м т — время, с;

х, у, г — координатные оси вдоль длины, ширины и высоты помещения соответственно, м;

wy, wz — проекции скорости на соответствующие оси, м/с.

Уравнения сохранения количества движения в скалярном виде распадаются на три уравнения движения вдоль координатных осей с учетом коэффициента турбулентной вязкости.

Уравнение сохранения энергии является математическим выражением закона сохранения и превращения энергии.

Уравнение оптической плотности дыма:

дВп

дВп

дВп

дВп

дт

дт

дт

дт

= Чп > (2)

где Попт — оптическая плотность дыма, Нп/м; Чп — интенсивность внутренних источников оптической плотности дыма, образующегося при горении, Нп/(с-м).

Модель горения, применяемая нами в FDS, учитывает одноступенчатую химическую реакцию. Рассчитываются два компонента смеси — массовые доли несгоревшего и сгоревшего топлива.

Лучистый теплообмен в процессе развития пожара учитывается посредством переноса излучения для серого газа.

В модели пожара в программном комплексе FDS система уравнений аппроксимирована на линейной сетке. Горючие материалы и строительные конструкции заданы теплофизическими характеристиками и информацией об их пожарной опасности. Использованы четыре типа тепловых граничных условий: твердая поверхность заданной температуры; твердая поверхность, подвергающаяся воздействию конвективного теплового потока; термически толстая и термически тонкая твердые поверхности.

Скорость тепловыделения является исходной величиной при прогнозировании развития пожара в здании. Фундаментальное уравнение, связывающее ее со скоростью выгорания, имеет вид:

Qпож = у^н,

(3)

где у — удельная массовая скорость выгорания материала, кг/(м2-с);

^ — коэффициент полноты сгорания;

Qн — теплота сгорания, Дж/кг.

Исходные данные для расчета динамики развития пожара приведены в табл. 5.

Результаты вычисления температуры в помещениях отсеков показаны на рис. 6-9.

Из рис. 6 видно, что температура при пожаре изменяется от 20 до 869 °С. По мере выгорания пожарной нагрузки (машины) температура снижается до температуры окружающей среды.

Таблица 5. Данные расчета динамики пожара

Справочные данные Рассчитанные данные для FDS

Hf V ¥ Dm Lb Асо2 LCO HRR V X Y Z Cl Ys YCO

36 0,018 0,01 850 299 0,42 0,015 375 0,018 0,9 34,4 2,6 0 0,1 0,04

14,4 0,0154 0,0135 84,1 1,288 1,55 0,0367 181 0,0154 3,2 6,8 2,6 0,009 0,01 0,004

14 0,042 0,01 53 1,16 0,64 0,032 168 0,042 1,4 14,4 3,5 0 0,01 0

13,8 0,0108 0,0145 270 1,03 0,203 0,0022 186 0,0108 0,4 17,6 4,0 0,035 0,031 0,012

Источник пожара

В гараже: бензин, полимеры

В магазине: мебель, другие

В офисе: бумага, мебель

В квартире: мебель, одежда, пластмасса

Обозначения [3]:

Щ —низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг; V — линейная скорость распространения пламени, м/с; Бт — дымообразующая способность, Нп-м2/кг; ¿О— потребление кислорода, кг/кг; ¿СОг, ¿СО — выделение диоксида и оксида углерода, кг/кг; НИЛ — мощность тепловыделения с 1 м2 источника, кВт/м2; НИЛ = Щ ■ 1000; X, У, Z, С1 — количество атомов соответственно углерода, водорода, кислорода и хлора в химической формуле; Уъ, УСО — количество топлива, идущее на производство сажи и угарного газа соответственно, кг/кг.

1000 900 800 700 К 600 » 500 § 400

3 300 ^ 200 100 0

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600

Время, с

Рис. 6. Изменение температуры при развитии пожара в первом (подземном) отсеке

1 TT

1 ^.JiaxM^.P?

á i Ш iü á m

a

Ш X Щ i

S s

4 щ «

В щ « as m m m m m m ш m m m

mя Ш w¡ 'Ш ш 4444 Ж

pr ШШ

U

о св"

1400

Рис.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600

Время, с

7. Изменение температуры при пожаре во втором отсеке (торговые площади)

1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0'

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600

Время, с

Рис. 8. Изменение температуры при пожаре в третьем отсеке (офисная часть)

Л Q f)

U

о св"

В № и С S

£

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600

Время, с

Рис. 9. Изменение температуры при пожаре на этаже в жилом отсеке

График рис. 7 показывает, что температура свободно развивающегося пожара изменяется от 20 до 1263 °С.

Из графика рис. 8 видно, что температура в условиях свободно развивающегося пожара достигает 903 °С.

Рис. 9 показывает, что температура при пожаре повышается до 989 °С, но падает по мере выгорания пожарной нагрузки — мебели и одежды.

Воздействие таких высоких температур на конструкции высотного здания при пожаре может приводить к потере прочности бетона и в конечном счете — к разрушению здания.

Выводы

Таким образом, расчеты показали, что температуры в условиях свободно развивающегося пожара достигают:

• в помещениях подземного гаража — 869 °С;

• в помещениях торгового центра — 1263 °С;

• в помещениях офисной части здания—903 °С;

• в жилых помещениях — 989 °С. Недопустимость таких высоких температур в высотных зданиях с несущими стенами из бетона требует разработки новых, эффективных мер, направленных на обеспечение безопасности зданий, в рамках специальных технических условий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Рекомендации по использованию программы FDS с применением программ PyroSim 2010-12 и SmokeView. — Екатеринбург : Ситис, 2011. — 176 с.

2. Кэвин М., Клейн Б., Хостикка С., Флойд Д. Руководство пользователя "Программа FDS — версия 5" // Национальный институт стандартов и технологии США. — 2007. — 201 с.

3. Кошмаров Ю. А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении : учебное пособие. — М. : Академия ГПС МВД России, 2000. — 118 с.

Материал поступил в редакцию 14 октября 2012 г. Электронный адрес авторов: [email protected].

Из пожарно-технического энциклопедического словаря

ПОЖАРНАЯ НАГРУЗКА — количество теплоты, которое может выделиться в помещение (здание) при пожаре. Величина пожарной нагрузки используется при расчете эквивалентной продолжительности пожара, среднеобъемной температуры в помещении при пожаре. Значение пожарной нагрузки, отнесенное к площади находящихся в помещении горючих веществ, называется удельной пожарной нагрузкой, которая лежит в основе определения категории помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности.

ПОЖАРНЫЙ ОТСЕК — часть здания, сооружения или строения, выделенная противопожарными стенами и противопожарными перекрытиями или покрытиями, с пределами огнестойкости конструкции, обеспечивающими нераспространение пожара за границы пожарного отсека в течение всей продолжительности пожара.