Вопросы защиты убежищ от теплового воздействия массовых пожаров в военное время Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

&

УДК 351.86

ВОПРОСЫ ЗАЩИТЫ УБЕЖИЩ ОТ ТЕПЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ МАССОВЫХ ПОЖАРОВ В ВОЕННОЕ ВРЕМЯ

Рассмотрен один из поражающих факторов массовых пожаров —тепловое воздействие и его влияние на убежища; предложены меры, выполнение которых приведет к снижению негативного теплового воздействия на ограждающие конструкции убежища. Кроме того, представлен порядок проведения расчета теплового воздействия на ограждающие конструкции убежища, что позволит выбрать рациональный способ его защиты. Ключевые слова: убежище, гражданская оборона, тепловое воздействие, массовый пожар.

В. А. Седнев

д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой Академии Государственной противопожарной службы МЧС РФ, г. Москва, Россия

И. А. Лысенко

доцент Академии Государственной противопожарной службы МЧС РФ, г. Москва, Россия

Анализ военно-политических концепций стран — членов НАТО указывает на то, что в мире сохраняются предпосылки, способствующие развязыванию военных действий против Российской Федерации, в том числе с применением ядерного оружия. Один из основных способов защиты населения в военное время — укрытие в защитных сооружениях гражданской обороны. Неизбежным спутником ведения боевых действий является возникновение массовых пожаров в городской застройке. Проверки защитных сооружений гражданской обороны (ЗСГО), проводимые надзорными органами МЧС, выявили недостаточное внимание, уделяемое должностными лицами, отвечающими за содержание убежищ, вопросам, связанным с защитой от поражающих факторов пожаров.

Пожары, которые неизбежно возникнут в очаге поражения в результате применения как ядерного оружия, так и обычных средств поражения, представляют серьезную опасность для людей, укрывающихся в защитных сооружениях. Здесь можно вспомнить бомбардировки авиацией союзников во время Второй мировой войны Дрездена, Токио и т. д., в результате которых количество погибших было сопоставимо с числом жертв атомных бомбардировок в Хиросиме и Нагасаки. При этом установлено, что значительная часть населения погибла от поражающих факторов возникших массовых пожаров.

Опыт Второй мировой войны и исследований, проводившихся в послевоенный период, свидетельствует о том, что непосредственно в зоне пожаров зданий температура может достигать 300-1000 °С [1, 2, 4]. При массовых пожарах произойдет прогрев

ограждающих конструкций, что приведет к резкому повышению температуры внутри защитного сооружения. Здесь хотелось бы отметить, что при нахождении в убежище людей температура воздуха внутри помещения и без того может достигать 30 °С [1-3], дальнейшее же ее повышение может привести к тепловому удару и даже гибели людей.

Ограждающие конструкции защитных сооружений при массовых пожарах, возникающих в результате ЧС военного времени, могут испытывать следующие тепловые воздействия: кратковременное воздействие (КВ) продолжительностью до 12 ч непосредственно от очага пожара и нагретого воздуха; длительное воздействие (ДВ) продолжительностью более 12 ч от прогретого завала, образовавшегося в здании в результате обрушения междуэтажных перекрытий и перегородок при наступлении предела их огнестойкости [5].

Допустимые тепловлажностные параметры воздуха в убежищах при ограниченной воздухоподаче поддерживаются в основном за счет аккумуляции тепла, выделяемого людьми и оборудованием, ограждающими конструкциями.

В условиях теплового воздействия массового пожара отвод тепла из сооружения ухудшится, а при недостаточной толщине ограждений будет наблюдаться приток тепла извне, что несомненно ухудшит защитные свойства убежища. В связи с этим ограждения и входные устройства защитных сооружений должны быть соответствующим образом теплоизолированы, что достигается увеличением толщины несущей конструкции или устройством теплоизолирующего слоя, экранов и продухов.

Теплоизолирующий слой может устраиваться как на наружной, так и на внутренней поверхности ограждения. Наружная теплоизоляция изготовляется из несгораемых материалов с низким коэффициентом температуропроводности (шлака, песка, керамзитового гороха, пемзы, шлакобетона и др.). Для устройства внутренней теплоизоляции используются специальные теплоизоляционные маты, плиты, скорлупы, панели, листовые материалы.

Экраны, предназначенные для защиты людей от лучистого тепла, исходящего от нагретой внутренней поверхности ограждения, изготовляются из листовых строительных материалов (металла, асбо-шифера, фанеры и др.) и устанавливаются на внутренней поверхности ограждающих конструкций в местах постоянного пребывания людей. Наибольший эффект достигается при двойных экранах, установленных на расстоянии 10-15 мм от внутренней поверхности ограждения и друг от друга.

Для снижения тепловой нагрузки, действующей на перекрытие защитного сооружения, и уменьшения необходимой защитной толщи могут устраиваться продухи. Они представляют собой открытые сверху (или закрытые какой-либо сгораемой конструкцией) каналы, расположенные перпендикулярно длине здания. Ширина и шаг продухов (расстояние между их осями) должны быть не более 0,4 м, глубина — не менее 0,3 м. В зданиях, междуэтажные перекрытия которых изготовляются из железобетонных панелей, ширина продухов может быть увеличена до 1 м. Продухи целесообразно устраивать на перекрытиях встроенных защитных сооружений, расположенных в зданиях, междуэтажные перекрытия которых при наступлении предела огнестойкости обрушаются.

Задача расчета ограждений на прогрев заключается в определении температуры их внутренних поверхностей. Искомая температура в общем виде может быть представлена как функция многих параметров:

г = Г(г • к а- Б- Н• гогр- ггр ■ а ■ а

1 J \гвн.в> > гнач> гнач> ^ н> ^ вн'

.), (1)

где 1:внв — внешнее тепловое воздействие;

к — толщина рассчитываемой конструкции; а — коэффициент температуропроводности материала ограждения; Б — ширина защитного сооружения; Н — высота защитного сооружения;

огр

начальная температура рассчитываемого

ограждения;

гр

начальная температура грунта, окружа-

ющего защитное сооружение; ан, авн — коэффициент теплообмена соответственно на наружной и внутренней поверхностях ограждения.

Расчет ограждающих конструкций на кратковременное тепловое воздействие проводится из условия

^макс — ^предо (2)

где гмакс — максимальная температура на внутренней поверхности конструкции сооружения, °С; гпред — предельная температура на внутренней поверхности конструкции сооружения, °С; для убежищ принимается равной 30 °С (при устройстве у внутренней поверхности ограждения двойных экранов значение гпред увеличивается на 10 °С).

Величина гмакс определяется по формуле

г макс = А( а1,3 / к 2) — + гнач, (3)

ФУ

где А — коэффициент, характеризующий общее количество тепла, действующего на ограждение; принимается по таблице в зависимости от типа расчетного теплового воздействия; к — полная толщина рассчитываемой конструкции, м,

к = £ к,; ,=1

(4)

к1 — толщина отдельных слоев многослойной конструкции, м; т — число слоев;

а — коэффициент температуропроводности конструкции, м2/ч;

2

т 1, т

а =|Е к, j /Ц^ £ ег у ,к,\;

л=1^, ,=1

(5)

Х1, у1, с, — коэффициент теплопроводности, объемная масса и теплоемкость 1-го слоя, принимаемые в соответствии со СНиП П-А.7-62; Ф — коэффициент, учитывающий влияние размера сооружения на температуру внутренней поверхности конструкции; при расчете стен защитного сооружения коэффициент Ф во всех случаях принимается равным единице, а при расчете перекрытия определяется по формуле

5,46 - Б/Н

Ф = 1 +

т м,45

макс

(6)

Б — ширина помещения (расстояние между наружными стенами, примыкающими к грунту,

Таблица коэффициентов А и К

Коэффи- Тепловое воздействие

циент КВ-1 КВ-11 КВ-Ш КВ-ГУ КВ-У

А ■ 10-3 16,7 11,8 11 7,2 13,9

К • 10-3 13,0 17,2 17,8 21,0 15,4

г

или внутренними бетонными стенами толщиной не менее 0,4 м), м;

Н — высота помещения (расстояние от поверхности пола до высшей точки внутренней поверхности перекрытия), м;

тмакс — время наступления максимальной температуры на внутренней поверхности конструкции сооружения при кратковременном тепловом воздействии, сут;

Тмакс = 0,15 при т< 0,15; Тмакс = т при т >0,15; (7)

= К к 7 с

0,5

(8)

К—коэффициент, характеризующий общее количество тепла, действующего на ограждение; принимается по таблице в зависимости от типа расчетного теплового воздействия; у — коэффициент, учитывающий влияние величины теплообмена на температуру внутренней поверхности ограждения;

у = 1 - (тм^/з,31)(1 - 0,1а); (9)

а — коэффициент теплообмена на внутренней поверхности ограждения, ккал/(м2-ч-°С); гнач — начальная температура рассчитываемой конструкции, принимаемая равной максимальной температуре грунта для данной местности, но не менее 15 °С.

При расчете ограждения с внутренней теплоизоляцией предельная температура материала теплоизоляции должна быть выше температуры внутренней, соприкасающейся с теплоизолирующим слоем поверхности ограждения, определяемой по формуле (3) при условии, что а = 0, а ф = 1. Расчет теплоизоляции наружной двери защитного сооружения (например, в тамбур-шлюзе) производится в соответствии с изложенным методом теплового расчета перекрытий; разница состоит лишь в том, что при определении коэффициента ф за Н принимается не высота помещения, как при расчете перекрытия, а длина тамбура; величина В соответственно равна высоте тамбура. В сооружениях, где теплопритоком через входные устройства можно пренебречь, расчет теплоизоляции наружной двери не выполняется.

Расчет перекрытий на длительное тепловое воздействие производится также из условия выполнения неравенства (1), в котором гмакс — наибольшая температура нижней поверхности перекрытия, °С, достигаемая за время пребывания людей в сооружении:

гмакс =/(т экс ) при тэкс < тпред;

(10)

макс =/(Тпред) при Тэкс > Тпред,

где тпред — предельное время пребывания людей в сооружении, сут;

тэкс — время достижения на нижней поверхности перекрытия максимального (экстремального) значения температуры, сут; определяется по графику функции/(т);

/(т) — функция изменения температуры на нижней поверхности перекрытия в зависимости от времени т;

230 е ~Ч8

г = /(т) =-+ гнач при 0,5 < т < 10 сут; (11)

фу

т — время с момента начала пожара, сут; ¡, 5 — эмпирические коэффициенты;

¡5 = 1,11 + 5к + 0,05^- - 0,25;

п т а °>66

5 = 0,112к/а0,41 ;

(12)

п — этажность здания, расположенного над защитным сооружением;

к, а — параметры, вычисляемые по формулам (4) и (5);

ф, у — коэффициенты, определяемые по формулам (6) и (9) для любого момента времени в пределах от 0,5 до 10 сут;

и

начальная температура рассчитываемой

конструкции, определяемая так же, как и при расчете на кратковременное тепловое воздействие. При устройстве внутренней теплоизоляции температура поверхности ограждения, соприкасающейся с теплоизолирующим слоем, так же как и при кратковременном тепловом воздействии, не должна превышать предельную температуру выбранного теплоизоляционного материала в соответствии со СНиП 1-В.26-62. Температура внутренней поверхности ограждения, соприкасающейся с теплоизолирующим слоем, определяется по формуле (11) при условии, что а = 0, а ф = 1. Тепловое воздействие массовых пожаров не только является причиной нагрева ограждающих конструкций, но и приводит в ряде случаев к значительному снижению их расчетной несущей способности и нарушению герметичности сооружения.

Особую опасность прогрев представляет для перекрытия защитного сооружения как наиболее нагруженной конструкции, поэтому несущая способность перекрытия должна определяться не только по силовому воздействию, но и по тепловой нагрузке [5]. При расчете перекрытий принимается:

1) несущая способность перекрытия до прогрева ^ соответствует расчетной эквивалентной статической нагрузке для данного защитного сооружения;

2) несущая способность перекрытия после расчетного теплового воздействия пожара q2 не должна быть менее 0,15 кгс/см2 в зданиях высотой до трех этажей и 0,3 кгс/см2 — выше трех этажей, поскольку основной нагрузкой на перекрытия встроенных

защитных сооружений при массовом пожаре является нагрузка от обрушивающихся конструкций;

3) влияние ударной волны при определении величины q2 не учитывается, так как возникновение массовых пожаров возможно только при давлении на фронте ударной волны не более 0,5 кгс/см2, при котором ограждающие конструкции защитного сооружения не достигают расчетных предельных состояний.

Величина q2 в пределах точности инженерных расчетов может быть определена из условия, что сжатый слой бетона к1, температура которого достигла 500 °С и выше, в работе сечения не участвует. Поэтому расчет несущей способности перекрытий с учетом тепловой нагрузки должен производиться при тепловых воздействиях, при которых наружная температура может превышать 500 °С. В других случаях влиянием прогрева на несущую способность перекрытий можно пренебречь.

Порядок расчета перекрытия с учетом его прогрева при пожаре можно рассмотреть на примере однопролетной балки. Для однопролетной железобетонной конструкции q2 определяется по формуле

q 2 =

8 А—к111 -и —^

—

'(Ы2),

(13)

где А,—площадь поперечного сечения арматуры, см2; ——расчетное сопротивление арматуры, кгс/см2;

к

0 — рабочая высота сечения после нагрева конструкции, см;

—и — расчетное сопротивление бетона, сжатого при изгибе, кгс/см2; Ь — ширина сечения, см; I — расчетный пролет конструкции, см; и — коэффициент армирования;

и = А,/( Ьк 0);

к0 = к 1 - к1; к1 = 652а0,65; (14)

к0 — рабочая высота сечения до нагрева конструкции, см;

к1 — высота слоя бетона с температурой 500 °С и более, см.

При наличии над перекрытием слоя теплоизоляции киз толщина слоя к1из, прогретого до 500 °С,

находится по формуле (14) после подстановки в нее вместо коэффициента температуропроводности железобетона коэффициента температуропровод-

ности теплоизоляции. Если

проверка

способности перекрытия не производится; если к и > киз, величина к и рассчитывается заново с коэффициентом температуропроводности, найденным по формуле (5), после чего по формуле (13) определяется величина q2, которая не должна быть меньше указанной в настоящем разделе.

Для того чтобы предотвратить нарушение герметичности сооружения, необходимо предусматривать защиту герметизирующих материалов тепло-изолующим слоем, обеспечивающим сохранение их свойств при нагреве ограждений во время пожаров. В связи с тем что предельная температура для герметизирующего материала, как правило, значительно ниже 500 °С, расчет защитного теплоизолирующего слоя следует производить при воздействии практически любой тепловой нагрузки. В тех случаях, когда защитный теплоизолирующий слой рассчитан из условия поддержания на поверхности герметизирующего материала температуры ниже 500 °С, дополнительная проверка несущей способности ограждений по тепловой нагрузке может не производиться.

Существенное влияние на общую герметичность сооружения может оказать также прогрев входных устройств, в частности их резиновых герметизирующих прокладок. В особенности это относится к наружной двери сооружения, герметизирующие прокладки которой при тепловом воздействии в случае массовых пожаров прогорают. Прокладки внутренней герметической двери при этом сохраняются, поскольку при нормативных размерах тамбура температура нагрева внутренней двери во время пожара не превышает 100 °С.

Применение для изготовления герметизирующих прокладок термостойкой резины или других подходящих для этой цели материалов (например, асбестового шнура) позволит предотвратить снижение герметичности сооружения при массовых пожарах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. СНиП 11-11-77*. Защитные сооружения гражданской обороны : утв. Госстрой СССР 13 октября 1977 г. ; ввод, в действие 1 июля 1978 г. — М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1987.

2. Креммерер, Ю. Ю. Защитные сооружения гражданской обороны : учебное пособие. — М. : Энерго-атомиздат, 1986. — 248 с.

3. Справочник по противопожарной службе гражданской обороны. — М. : Воениздат, 1982. — 144 с.

4. Шульгин, В. Н. Особенности расчета защитных сооружений гражданской обороны при воздействии обычных средств поражения и в особыхусловиях : учебное пособие. — Новогорск, 2000.

5. Шульгин, В. Н. Защитные сооружения гражданской обороны : науч.-практ. труд. — Калуга, 2007.

Материал поступил в редакцию29 октября 2009 г. © Седнев В. А., Лысенко И. А., 2010 г. (е-таИ: [email protected])