CC BY
29
В. М. ЖАРТОВСКИЙ, д-р техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники Украины, Академия пожарной безопасности им. Героев Чернобыля МЧС Украины (Украина, 18034, г. Черкассы, ул. Оноприенко, 8)
B. В. НИЖНИК, канд. техн. наук, начальник центра, Украинский научно-исследовательский институт гражданской защиты МЧС Украины (Украина, 01011, г. Киев, ул. Рыбальская, 18)
C. В. ЖАРТОВСКИЙ, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, Украинский научно-исследовательский институт гражданской защиты МЧС Украины (Украина, 01011, г. Киев, ул. Рыбальская, 18, e-mail: zhart20@ukr.net)
А. В. ДОБРОСТАН, заместитель начальника центра, Украинский научно-исследовательский институт гражданской защиты МЧС Украины (Украина, 01011, г. Киев, ул. Рыбальская, 18)
УДК 614.849
ПАССИВНАЯ ПРОТИВОПОЖАРНАЯ ЗАЩИТА ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ КУПОЛОВ ЦЕРКВЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОПИТОЧНЫХ СОСТАВОВ
Приведены результаты натурных испытаний и лабораторных исследований древесины, обработанной различными огнезащитными пропиточными составами, которые могут быть использованы для пассивной противопожарной защиты деревянных конструкций куполов церквей. Предложен критерий оценки качества огнезащитной обработки древесины, в основу которого положен метод определения температуры воспламенения материалов. Выявлена корреляция между предложенным коэффициентом качества огнезащитной обработки древесины и временем огнезащиты при пассивной противопожарной защите деревянных конструкций куполов церквей.
Ключевые слова: пассивная противопожарная защита; пропиточный состав.
Основополагающим нормативным документом в области пожарной безопасности ГОСТ 12.1.004-91* [1] закреплено определение системы обеспечения пожарной безопасности объекта (СОПБО). Согласно ему СОПБО представляет собой сложную систему, которая состоит из трех составляющих (подсистем): подсистемы предупреждения пожара, подсистемы противопожарной защиты и подсистемы организационно-технических мероприятий. Подсистемы тесно взаимосвязаны и взаимообусловлены, поэтому их необходимо рассматривать, с одной стороны, как целостную структуру, а с другой — как отдельные системы, так как в них действует множество разноплановых факторов, приводящих к разным по природе процессам.
Противопожарная защита объекта должна достигаться применением активной и пассивной противопожарной защиты либо их комбинацией. Пассивная противопожарная защита предусматривает нанесение средств огнезащиты на конструкции заблаговременно, что не требует дополнительной мобилизации их во время тушения пожара.
Учитывая конструктивные и архитектурные особенности куполов церквей, а также их труднодос-тупность для подразделений пожарной охраны, при-
оритетным видом противопожарной защиты таких объектов следует признать пассивную противопожарную защиту. Основной функциональной задачей пассивной противопожарной защиты объекта является обеспечение нормативного времени противодействия возникновению пожара или его задержки на начальной стадии до прибытия пожарных подразделений. На Украине такой норматив составляет 5 мин для городов и 12 мин — для сельской местности.
Отсутствие пассивной противопожарной защиты в церквях часто приводит к тяжелым последствиям с многочисленными человеческими жертвами, так как такие объекты относятся к категории объектов с массовым пребыванием людей. Примером может служить пожар большого купола кафедрального Благовещенского собора в Харькове в 1997 г.
Рынок средств для пассивной противопожарной защиты деревянных конструкций охватывает большое количество огнебиозащитных пропиточных составов. Определение огнезащитной эффективности и проведение сертификационных испытаний этих составов осуществляется по методике ГОСТ 16363-98 [2] при воздействии источника горения на испытуемый образец огнезащищенной древесины в тече-
© Мартовский В. М., Нижник В. В., Мартовский С. В., Добростан А. В., 2013
ние 2 мин. Время такого огневого воздействия значительно отличается от времени начальной стадии развития пожара на реальном объекте. Практические и научные данные [3] свидетельствуют об отсутствии должной корреляции результатов сертификационных испытаний пропиточных составов с их реальной эффективностью, которую они способны показать на практике, при применении их для огнезащиты деревянных конструкций на объектах.
Целью данной работы является определение возможности применения пропиточных огнебиозащит-
Рис. 1. Общий вид макета пожарной нагрузки подкупольно-го пространства (слева) и макет купола церкви (справа)
640
ных составов ДСА-2 и "Неомид 450-1" для пассивной противопожарной защиты деревянных конструкций куполов церквей.
Для отработки системы пассивной противопожарной защиты объекта в виде подкупольного пространства церквей использовали следующие пропиточные огнезащитные составы: ДСА-2 (ТУ У 24.632528450-001:2003), состоящий из водного раствора антипиренов и водного раствора полимерного антисептика, и "Неомид 450-1" (ТУ 2499-048-98536873), состоящий из водного раствора антипиренов и целевых добавок. Деревянные элементы обрабатывались поверхностным способом. Макет пожарной нагрузки представлял собой 1/8 часть купола церкви условно параболической формы с радиусом основания 0,8 м и пожарной нагрузкой 8 МДж/м2, что соответствует реальной пожарной нагрузке наиболее распространенного на Украине купола [4]. Макет пожарной нагрузки состоит из деревянных неструганых сосновых брусков с размерами поперечного сечения 50x50 мм, укладываемых на металлический каркас; трех термопар типа ТХА, устанавливаемых в верхней, средней и нижней частях макета, вдоль его центральной оси; прибора 1ВС "Термоконт" для регистрации значений температур в определенных точках; модельного очага пожара класса В для поджога макета пожарной нагрузки (рис. 1 и 2).
В качестве очага класса В был использован модельный очаг типа 21В, который представляет со-
1
Рис. 2. Схема (а) и вид (б) макета пожарной нагрузки для натурных огневых испытаний с целью исследования эффективности пассивной противопожарной защиты: 1, 2, 3 — термопары; 4 — сосновый брус; 5 — металлический каркас; 6 — модельный очаг класса В
Рис. 3. Фрагмент натурных огневых испытаний деревянных брусков макета пожарной нагрузки, обработанных ДСА-2: а, б — вид макета пожарной нагрузки соответственно до и после испытаний; в, г — состояние деревянных брусков макета пожарной нагрузки соответственно после 300 и 720 с воздействия очага класса В
бой металлическое деко с внутренним диаметром й = 900 мм и высотой бортика Н = 150 мм. В деко заливали 7 л воды, к которой добавляли бензин марки А-92:
• 4 л — обеспечивает длительность его горения (300 ± 15) с;
• 10 л — обеспечивает длительность его горения (720 ± 25) с.
Определение эффективности применения огнезащитных средств для деревянных подкупольных конструкций во время проведения натурных огневых испытаний осуществлялось путем расчета потери массы обработанных огнезащитными средствами деревянных брусков после огневого воздействия.
Вначале проводились натурные огневые испытания на макете пожарной нагрузки с деревянными брусками, не обработанными средствами огнезащиты. Было установлено, что скорость потери массы деревянных брусков во время огневого воздействия очага класса В составила 1,5 кг/мин.
В дальнейшем проводились натурные огневые испытания на макете пожарной нагрузки с деревян-
ными брусками, обработанными поверхностным способом огнебиозащитными средствами ДСА-2 и "Неомид 450-1". Испытания показали, что макет с деревянными брусками, обработанными средством ДСА-2, выдерживает огневое воздействие очага класса В: древесина обугливается и не поддерживает горения (рис. 3). Испытания деревянных брусков, обработанных составом "Неомид 450-1", показали, что после выгорания очага класса В в течение 300 с наблюдается наличие небольшого числа источников самостоятельного горения с жаром на поверхности. В дальнейшем, на протяжении 20 мин наблюдения, фиксировалось незначительное распространение пламени по поверхности брусков, которое в итоге самостоятельно затухло. При горении очага класса В в течение 720 с наблюдалось массовое горение брусков, что привело к их сгоранию и разрушению макета (рис. 4).
Обобщенные результаты исследований по определению эффективности пассивной противопожарной защиты подкупольных деревянных конструкций церквей приведены в табл. 1.
Рис. 4. Фрагмент натурных огневых испытаний деревянных брусков макета пожарной нагрузки, обработанных средством "Неомид 450-1": а — начальный вид макета пожарной нагрузки до испытаний; б — вид макета пожарной нагрузки во время горения очага класса В; в — состояние деревянных брусков макета пожарной нагрузки после 300 с воздействия очага класса В
^|_огнезащита
Таблица 1. Обобщенные результаты исследований по определению относительной потери массы деревянных брусков макета пожарной нагрузки, обработанных огнезащитными средствами ДСА-2 и "Неомид 450-1"
Испытуемый образец Время воздействия очага класса В, с Критерий оценки огнезащитной эфе ективности
Максимальные значения температур в точках 1; 2; 3, °С Скорость потери массы макета пожарной нагрузки, кг/мин Глубина обугливания деревянных брусков в точках 1; 2; 3, мм
Необработанные деревянные бруски 300 127; 877; 977 1,50 Полное сгорание
Деревянные бруски, обработанные 300 100; 420; 540 0,75 1,0; 1,5; 2,0
ДСА-2* 720 100; 480; 563 0,75 1,0; 3,0; 5,0
Деревянные бруски, обработанные 300 120; 650; 730 1,10 1,0; 2,0; 3,0
средством "Неомид 450-1"* 720 125; 830; 963 1,30 Полное сгорание
* Обеспечивает I группу огнезащитной эффективности по ГОСТ 16363-98 [2].
Таким образом, экспериментальные исследования показали, что при источнике горения очага класса В с нагрузкой 8 МДж/м2 огнебиозащитный состав "Неомид 450-1" может защитить объект от пожара в течение 5 мин, а огнебиозащитный состав ДСА-2 — в течение 12 мин (а возможно, и более длительное время). При одинаковой эффективности огнезащиты древесины, определяемой на образцах древесины размером 150x60x30 мм по методике ГОСТ 16363-98 [2], была получена различная эффективность противопожарной защиты деревянных конструкций. Это связано с тем, что различные по составу средства по-разному влияют на пожарно-технические характеристики древесины [5].
Важным научно-практическим моментом в пассивной противопожарной защите объекта с использованием огнезащитных пропиточных составов для древесины является вопрос о способе определения качества огнезащитных работ и о сохранении необходимого уровня огнезащиты в процессе эксплуатации огнезащищенной древесины. В настоящее время для этих целей используется метод определения горючести стружки, снятой с огнезащищенной древесины, толщиной до 1 мм. В качестве источника горения используют горящую спичку или прибор ПМП-1 [6]. Однако согласно ГОСТ 30219-95 [7] указанным методом можно верифицировать качество обработки теми огнезащитными пропитками, которые обеспечивают II группу огнезащитной эффективности древесины. Для определения качества огнезащиты древесины, защищенной составами, обеспечивающими I группу огнезащитной эффективности, согласно п. 5.8 [7] следует проводить испытания по методам, установленным стандартами. Однако такие стандарты (методы, методики) так и не были разработаны.
В настоящее время в Российской Федерации дополнительно к основному экспресс-методу (методу "стружки") в качестве арбитражного используют лабораторный метод дифференциального термическо-
го анализа, согласно которому исследуются термические превращения в огнезащищенной древесине в интервале температур воспламенения этого материала. Указанный метод можно использовать даже для идентификации использованных на объекте огнезащитных средств [8]. Однако недостатком этого метода является то, что в нем не используется открытое пламя и, таким образом, не имитируется весь комплекс факторов, оказывающих влияние на огне-защищенную древесину в условиях реальных пожаров.
Считаем, что лучшая имитация влияния факторов пожара на огнезащищенную древесину достигается при определении температуры воспламенения. Суть метода экспериментального определения температуры воспламенения твердых веществ и материалов согласно п. 4.7 ГОСТ 12.1.044-89* [9] заключается в определении минимальной температуры, при которой наблюдается воспламенение и устойчивое горение (в течение более 5 с) образцов материала при их внесении в воздушный поток трубчатой печи с заданной температурой и воздействии на них пламени от источника зажигания. В качестве температуры воспламенения принимается среднее арифметическое двух значений температуры, отличающихся не более чем на 10 °С, при одном из которых наблюдается воспламенение трех образцов, а при другом — три отказа (воспламенение отсутствует).
Для подтверждения данной гипотезы были проведены исследования по определению температуры воспламенения огнезащищенной древесины. Образцы сосновой древесины размером 150x60x30 мм обрабатывались различными огнезащитными средствами согласно инструкциям по их применению. С поверхности обработанных образцов, имеющих различную потерю массы [2], снимали пробы в виде стружки толщиной 1 мм и определяли температуру воспламенения согласно п. 4.7 [9]. Результаты экспериментальных исследований приведены в табл. 2.
Таблица 2. Результаты экспериментальных исследований по определению потери массы и температуры воспламенения образцов сосновой древесины, защищенных различными огнезащитными средствами, и расчетные значения коэффициента качества Кк
Огнезащитный состав Номер группы образцов Способ обработки, число наносимых слоев Расход огнезащитного состава (рабочего раствора), г/м2 Потеря массы образца*, % Группа огнезащитной эффективности* Температура воспламенения, °С Коэффициент качества Кк Температура отходящих газов*, °С
ДСА-2 1 Поверхностный, 3 629 8 I 440 38 220
2 Поверхностный, разбавленный раствор, 3 290 11 II 340 32 260
3 Поверхностный, разбавленный раствор, 3 250 16 II 305 25 290
Неомид 4 Поверхностный, 4 668 8,6 I 275 22 455
450-1 5 Поверхностный, 3 491 15,3 II 265 16 575
6 Поверхностный, 2 205 19 II 260 13 594
* По ГОСТ 16363- 98 [2].
По результатам определения температуры воспламенения образцов огнезащищенной древесины можно построить ряды эффективности или ряды качества огнезащитной обработки. Указанные ряды характерны для каждого отдельного огнезащитного средства в диапазоне температур: для ДСА-2 — от 440 до 305 °С, для состава "Неомид 450-1" — от 275 до 260 °С. Необходимо также обратить внимание на то, что испытание образцов, обработанных средством "Неомид 450-1", показало весьма высокие значения температуры отходящих газов.
На практике более удобно пользоваться относительными величинами, поэтому можно предложить эмпирическую формулу для определения коэффициента качества огнезащитной обработки:
Кк = 100(1- Твнд /Гвод),
где Гвнд, Гвод — температура воспламенения соответственно необработанной и огнезащищенной древесины.
С использованием данной формулы рассчитаны коэффициенты качества огнезащитной обработки при использовании различных средств огнезащиты, которые приведы в табл. 2. Для каждого огнезащитного средства можно определить диапазон значений Кк, который отвечает I или II группе огнезащитной эффективности. Например, для средства ДСА-2 для обеспечения I группы эффективности Кк > 35, а для обеспечения II группы огнезащитной эффективности — Кк = 34^20. Значения Кк для ДСА-2 больше, чем для состава "Неомид 450-1", что указывает на большую эффективность огнезащиты древесины, которую может обеспечить применение ДСА-2. Это подтверждается результатами огневых натурных испытаний деревянных конструкций куполов церквей.
В дальнейшем для достоверной оценки огнезащитных свойств конструкций из древесины (каче-
ства огнезащиты) целесообразно провести дополнительные лабораторные испытания по определению температуры воспламенения древесины, огнезащи-щенной сертифицированными огнезащитными средствами, для составления эталонной базы данных.
Таким образом, в качестве критерия качества огнезащитной обработки деревянных конструкций на объектах можно принять температуру воспламенения верхнего слоя огнезащищенной древесины толщиной 1 мм. Расчеты предложенного коэффициента качества огнезащитной обработки создают основы для разработки экспериментально-расчетного метода определения качества огнезащиты деревянных конструкций на реальных объектах. Указанный метод целесообразно будет использовать в качестве арбитражного (и/или дополнительного) к методам, указанным в пп. 5.7, 5.8 [7].
Выводы
Экспериментальные испытания и исследования показали, что огнебиозащитные пропиточные составы могут обеспечивать пассивную противопожарную защиту деревянных конструкций куполов церквей. В зависимости от эффективности пропиточных составов и величины пожарной нагрузки защитное время на начальной стадии пожара для огнезащитного состава "Неомид 450-1" составляет 5 мин, для ДСА-2 —12 мин. Для определения качества огнезащитной обработки древесины на объектах предложен критерий, в основу которого положен метод определения температуры воспламенения материалов по п. 4.7 ГОСТ 12.1.044-89* [9]. Выявленакор-реляция между предложенным коэффициентом качества огнезащитной обработки древесины и временем огнезащиты при пассивной противопожарной защите деревянных конструкций куполов церквей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 12.1.004-91*. ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования. —Введ. 01.07.92 г. — М. : ИПК Изд-во стандартов, 2002. — 91 c.
2. ГОСТ 16363-98. Средства огнезащитные для древесины. Методы определения огнезащитных свойств. — Введ. 01.07.99 г. — М. : ИПК Изд-во стандартов, 2002. — 7 c.
3. Трушкин Д. В., Корольченко О. Н., Бельцова Т. Г. Горючесть древесины, обработанной огнезащитными составами // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. — Т. 17, № 1. — С. 29-33.
4. Культовые постройки и сооружения различных конфессий. Пособие по проектированию / Под общ. ред. В. В. Куцевича. — Киев : ЗНИИЭП, 2002. — С. 15-24.
5. Корольченко О. Н. Влияние средств огнезащиты на пожарную опасность древесины : дис. ... канд. техн. наук. — М. : МГСУ, 2010. — 221 с.
6. Способы и средства огнезащиты древесины : руководство. 4-е изд., перераб. и доп. — М. : ВНИИПО МЧС России, 2011. — 79 с.
7. ГОСТ 30219-95. Древесина огнезащищенная. Общие технические требования. Методы испытаний. Транспортирование и хранение. — Введ. 01.07.96 г. (в Республике Беларусь); 01.01.98 г. (на Украине). — Минск : Белстандарт, 1995; Киев : Госстандарт Украины, 1997.
8. Смирнов Н. В., Булага С. Н.,ДудеровН. Г. Контроль качества огнезащитных работ // Пожарная безопасность. — 2004. — № 6. — С. 51-56.
9. ГОСТ 12.1.044-89*. ССБТ. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. — Введ. 01.01.91г. — М.: ИПК "Изд-во стандартов", 2001.
Материал поступил в редакцию 19 декабря 2012 г.
— English
PASSIVE FIRE PROTECTION OF WOODEN CONSTRUCTIONS OF CHUR^ES DOMES WITH APPLICATION OF IMPREGNATING COMPOUNDS
ZHARTOVSKIY Vladimir Mikhaylovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Honored Scientist of Ukraine, Academy of Fire Safety named after Chernobyl Heroes, Ministry of Emergencies of Ukra ine (Onoprienkc) St., 8, Cherkassy 18034, Ukraine)
NIZHNIK Vadim Vasilyevich, Candidate of Technical Sciences, Chief of Centre, Ukrainian Scientific-Research Institute of Civil Protection, Ministry of Emergencies of Ukraine (Rybalskaya St., 18, Kiev 01011, Ukraine)
ZHARTOVSKIY Sergey Vladimirovich, Candidate of Technical Sciences, Leading Research Assistant, Ukrainian Scientific-Research Institute of Civil Protection, Ministry of Emergencies of Ukra ine (Rybalskaya St., 18, Kiev 01011, Ukraine; e-mail address: zhart20@ukr.net)
DOBROSTAN Aleksandr Vasilyevich, Deputy Chief of Centre, Ukrainian Scientific-Research Institute of Civil Protection, Ministry of Emergencies of Ukraine (Rybalskaya St., 18, Kiev 01011, Ukraine)
ABSTRACT
Because of constructive and architectural features, domes of churches are remote for firemen divisions. It is necessary to recognize passive fire-prevention protection as a priority kind of fire-prevention protection for domes. Such protection is defined by application of means which are put in advance and do not demand additional mobilization during fire extinguishing.
The basic functional task of passive fire-prevention protection of object is maintenance of a standard time of counteraction to occurrence of a fire or its delay at an initial stage before arrival of firemen divisions. In Ukraine such specification makes 5 minutes for cities and 12 minutes for countryside.
The purpose of the given work is to define a possibility of application of fire-bio-protective impregnating compounds DSA-2 and Neomid 450-1 for passive fire-prevention protection of wooden constructions of churches domes.
Researches were effected on a breadboard model of a dome which made of 1/8 part of its real size with fire loading 8 MJ/m2. Wooden model were impregnated by compounds DSA-2 and Neomid 450-1 in superficial way. As for a fire-centre we used the standard modeling fire-centre of type 21B. As for fuel we used gasoline of mark A-92,4 litres of gasoline were provided with fire-centre burning for (300+15) s, and 10 litres of gasoline were provided with fire-centre burning for (720+25) s. Tests have shown that the breadboard model processed by compounds DSA-2 maintains burning of the fire-centre of a class B during 720 s. Wooden model was charred and further did not support burning. Wooden model processed by Neomid 450-1 maintains burning of the fire-centre of a class B during 300 s, but after 720 s of fire-centre burning we observed mass burning of wooden model that led to model combustion and its total destruction.
As for efficiency criterion of fire protection of wood with application of impregnating compounds it is offered to use ignition temperature of fire-protected wood. Correlation between the offered quality factor of fireproof processing of wood and fire-proving time is revealed at passive fire-prevention protection of wooden constructions of churches domes.
Keywords: passive fire protection; impregnating compound.
REFERENCES
1. GOST 12.1.004-91*. SSBT. Pozharnaya bezopasnost. Obshchiye trebovaniya [State Standard 12.1.004-91*. Occupational safety standards system. Fire safety. General requirements]. Moscow, IPK Izdatelstvo Standartov Publ., 2002. 91 p.
2. GOST 16363-98. Sredstva ognezashchitnyye dlya drevesiny. Metody opredeleniya ognezashchitnykh svoystv [State Standard 16363-98. Fire protective means for wood. Methods for determination of fire protective properties]. Moscow, IPK Izdatelstvo Standartov Publ., 2002. 7 p.
3. TrushkinD.V.,KorolchenkoO.N.,BeltsovaT. G.Goryuchestdrevesiny,obrabotannoy ognezashchit-nymi sostavami [Combustibility of the wood processed by fireproof matters]. Pozharovzryvobezopas-nost — Fire and Explosion Safety, 2008, vol. 17, no. 1, pp. 29-33.
4. Kutsevich V. V. (ed.) Kultovyyepostroyki i sooruzheniya razlichnykh konfessiy. Posobiyepoproektiro-vaniyu [Cult buildings and constructions of various faiths. The grant on designing]. Kiev, Zone Research and Design Institute on Civil Engineering Publ., 2002, pp. 15-24.
5. Korolchenko O. N. Vliyaniye sredstv ognezashchity na pozharnuyu opasnost drevesiny. Dis. kand. tekhn. nauk [Influence of fire retardant compositions on fire danger of wood. Cand of tech. sci. diss.]. Moscow, 2010. 221 p.
6. Sposoby i sredstva ognezashchity drevesiny: rukovodstvo. 4-e izdaniye, pererabotannoe i dopolnennoye [Ways and compositions of fire retardant for wood]. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia Publ., 2011. 79 p.
7. GOST30219-95. Drevesina ognezashchishchennaya. Obshchiye tekhnicheskiye trebovaniya. Metody ispytaniy. Transportirovaniye i khraneniye [State Standard 30219-95. Fire retardant wood. General technical reguirements. Test methods. Transportation and storage]. Minsk, Belstandart Publ., 1995; Kiev, Gosstandart Ukrainy Publ., 1997.
8. Smirnov N. V., Bulaga S. N., Duderov N. G. Kontrol kachestva ognezashchitnykh rabot [Quality assurance of fireproof works]. Pozharnaya bezopasnost — Fire Safety, 2004, no. 6, pp. 51-56.
9. GOST 12.1.044-89*. Pozharovzryvoopasnost veshchestv i materialov. Nomenklatura pokazateley i metody ikh opredeleniya [State Standard 12.1.044-89*. Occupational safety standards system. Fire and explosion hazard of substances and materials. Nomenclature of indices and methods of their determination]. Moscow, IPK Izdatelstvo Standartov Publ., 2001.
