Исследование огнестойкости светопрозрачной композитной фасадной системы

Исследование огнестойкости светопрозрачной композитной фасадной системы

Аннотация.

В статье описано исследование огнестойкости прототипа фасадной системы «Техноком» (тип Alucobond А2). Проведены экспериментальные и теоретические исследования фасадной системы пожарной безопасности. Задачи исследования заключаются в определении соответствия специальным техническим требованиям. Рассмотрены проблемы снижения пожарной опасности фасадной системы. Применяется разработанный метод компенсационных мероприятий.

1.     Введение

В настоящее время мы наблюдаем быстрый рост строительства зданий, в том числе фасадных систем. За последние 10 лет светопрозрачные и композитные фасадные системы эксплуатируются в России более чем на 4 млн м2[1, 2].

Технические регламенты о требованиях пожарной безопасности, пределов огнестойкости конструкции определяют в условиях стандартных испытаний. Однако динамику горения не всегда удается стандартизировать из-за разнообразия архитектурных, объемно-планировочных и строительных решений. Требования различаются в зависимости от классов зданий по пожарной функциональной опасности [3-12].

В научных работах [1, 2, 13-15] рассматривается естественная вентиляция зданий и выделяются светопрозрачные вентилируемые фасады. Проблема предложена для обсуждения противопожарных стеклянных конструкций в работах [3-13], ориентированных на различные методы математического моделирования [10, 12, 16-18].

Действующие нормативные требования не распространяются на метод испытаний наружных ненесущих стен фасадной системы здания. Действующие российские стандарты по методам огневых испытаний не регламентируют конкретные конструктивные решения наружных ненесущих стен со светопрозрачными элементами и связанные с ними возможные сценарии пожара, а также направленность теплового воздействия на такую конструкцию [3, 4].

Цели:

— провести исследование огнестойкости светопрозрачных комбинированных фасадных систем «Техноком» типа Alucobond A2, проектируемых на объекте «41-этажное административное здание» в г. Москве;

— определить возможную систему снижения пожарной опасности фасадной системы «Техноком».

Блок стеклопакета изготовлен из светопрозрачного однокамерного стеклопакета толщиной 38 мм. Схема исполнения: наружное стекло триплекс 6.6.2 Stopsol Supersilver Clear (SSC) (производства фирмы «Glaverbel» Бельгия), дистанционное расстояние 16 мм, внутреннее прозрачное стекло «Pilkington» 10М1 закаленное. Каркас построен из блоков алюминиевых профилей HUEK (производство «Eduard Huek & co. KG GmbH», Германия).

Светопрозрачный заполняющий декоративный элемент выполняется по следующей схеме:

— сэндвич-панель типа Alucobond A2 толщиной 4 мм;

— листовая оцинкованная сталь толщиной 0,55 мм;

— минеральные плиты Rockwool, толщиной 150 мм, плотностью 45 кг/м3.

Резину укладывают по длине стыкового соединения образцов блоков.

2.     Методы

Такая конфигурация системы позволила сформулировать программу определения целесообразности применения исследуемых светопрозрачных и комбинированных фасадных систем в здании и установить их соответствие требованиям технических условий [18]. Работа включала в себя следующие основные этапы:

  1. Исследуются пределы огнестойкости и механизм разрушения конструкции в условиях стандартных испытаний;
  2. Применение компенсационных мер, устанавливается:

— устройство для окропления водой стеклопакета светопрозрачной конструкции изнутри на этаже у очага возгорания;

— алюминиевый профиль, облицовка для огнезащиты креплений фасада и снижения температуры наружного пламени (рис. 1);

— устройство во внутренних полостях декоративных элементов огнезащитных поясов и огнезащитная обработка полостей с целью предотвращения распространения пламени;

  1. Проводятся огневые испытания фрагментов фасадной системы с компенсирующими мероприятиями и определением возможности применения исследуемой системы.
  2. Выявить возможность распространения огня по этажам здания.

Рис. 1. Алюминиевая подконструкция для снижения влияния высоких температур горения на фасадные системы.

Огневые испытания дают экспериментальные данные о пределе огнестойкости светопрозрачных конструкций.

Целью огневого испытания является установление времени от начала воздействия огня до предельного состояния (нарушения целостности).

Предполагалось, что нарушена целостность фасадного стеклопакета на этаже, где произошел пожар, и фасад верхних этажей подвергся огневому воздействию. Исследована огнестойкость фасадной системы в режиме внешнего пожара. Цель — исследовать пути распространения огня с этажа на этаж.

Фрагмент фасада, повернутого лицевой стороной навстречу огню. После начала испытаний температурный режим рассчитывался по уравнению [3-5]:

где: Т — температура в печи, соответствующая времени t,°С;

t — время, отсчитываемое от начала испытания, мин.

3.     Полученные результаты

По результатам огневых испытаний определяют, что собственный предел огнестойкости светопрозрачной фасадной конструкции по признаку разгерметизации при внешнем возгорании без применения компенсирующих мероприятий должен быть Е9. Предельное состояние (потеря несущей способности) элементов стоечно-ригельных конструкций не наступает.

Исходя из соотношения наружных температур и нормативного жара при пожаре внутри здания, предел огнестойкости конструкций по признаку разгерметизации будет не более Е4…Е6 [3]. Результаты дают право полагать, что огонь способен распространяться по фасаду здания со скоростью не менее 1 этажа за 13-15 минут.

Назначение устройства обрызгивания стекла изнутри при пожаре: уменьшить тепловой поток, воздействующий на конструкцию, повысить предел прочности фасадной системы за счет снижения температуры в помещении. После разрушения стеклопакета на этаже пожара продолжающееся разбрызгивание воды снижает температуру пламени, воздействуя на верхний этаж.

Для испытания на огнестойкость применялся керосин. В топке установлены 5 горелок, подключаемых поэтапно для увеличения температуры. Расчет показал, что конвективный поток через проем с учетом распыления воды равен 328,4°С (показаны на рис. 2). Полученные данные не противоречат расчетам, выполненным другими методами [16, 17]. Температура пламени внешнего пожара, воздействующего на перекрытия фасадных блоков выше пожарного этажа, принята максимальной и равной 328,4 °С.

 Количество теплоты, выделяющееся при сгорании керосина (КО-30):

где: q – низшая теплота сгорания, МДж/кг;

m – расход керосина, кг/с.

Количество тепла от пламени в единицу времени с учетом тепловых потерь, приходящихся на облицовочные конструкции (стены, пол, потолок).

где: Q – количество тепла, Дж;

aст,пол,пот – средние коэффициенты теплоотдачи, Вт/м2 °С;

tср – средняя температура газовой среды в помещении, °С;

tст,пол,пот – средняя температура поверхностей соответственно стен, пола и потолка, °С.

где: Gr – число Грасгофа;

Pr – число Прандтля;

N – аналог числа Кирпичева, характеризующий радиационно-кондуктивный теплообмен в пограничном слое;

λ – коэффициент теплопроводности, Вт/мК.

При распрыскивании воды на этаже с расходом 0,9…1,1 л/с (90 % площади поверхности):

где: σ = 5,7*10-8 – коэффициент абсолютно черного тела, Вт/(м2К4);

В – аналог числа Бугера, характеризующего эффективную оптическую плотность в пограничном слое;

r – расстояние от фронтальной точки на поверхности плиты, м;

Re – число Рейнольдса (Re = 2350).

 Температура поверхности ровной плоской стенки:

где: λ – коэффициент теплопроводности, при предположении, что плоская стена состоит из смеси воды и воздуха, Вт/м·К;

τ – время, необходимое для расчета, с;

σ – толщина плоской стенки, м;

tст1 – повышенная температура в помещении при пожаре, °С;

Qсвета – количество теплоты, пришедшее посредством света, Дж;

F – условная площадь плоской стены, умноженная на общую площадь поверхности капель воды, подаваемых на полив, м2.

где: Sсвета – площадь света, м2;

ΣSкапель – суммарная площадь поверхности капель воды, подаваемых на орошение оконного проема, м2;

Vводы – объем воды, подаваемой на орошение в единицу времени, с;

Vкапли – объем одной капли воды, м3;

Qсвета – количество тепла, переносимого светом в единицу времени, Дж/с*м2 [3].

Таким образом:

— температура пламени стеклопакета на верхнем этаже здания после разрушения стеклопакета на этаже пожара не превысит 328,4 °С.

— при проведении испытаний температура на всей поверхности испытуемого фрагмента (в топочной камере испытательной печи) принята наивысшей (равной температуре на дне) – 330 ±5 °С.

Огнестойкость равна 65 Е, при распылении на этаж с расходом воды 0,9…1,1 л/с. Это согласно спецификациям.

Расчет показал, что применение штатного стеклопакета с распыляющим устройством позволяет снизить температуру пламени возгорания, воздействующего на верхнее перекрытие стеклопакета, до величины, меньшей, чем потеря несущей способности алюминиевых стоечно-ригельных конструкций.

Безотказность работы распылителя должна быть не менее 0,99 [3]. Для компенсации риска нерабочего состояния спринклеров и снижения температуры пламени над проемом на этаже пожаротушения, рекомендуется устанавливать в перекрытиях противопожарный барьер для каждого этажа. В этом случае расчетное распределение температуры вблизи проема с разрушенным стеклопакетом, при нарушениях в работе спринклерных распылительных систем, представлено на рисунке 2. В качестве огнезащитного покрытия был выбран состав вспучивающегося типа. Толщина слоя огнезащитного покрытия должна обеспечивать заполнение закоксованным пористым материалом зазора, образующегося в результате деформаций и перевод материала декоративного элемента в группу, не распространяющую пламя по поверхности (RP 1) [3]. 

Рис. 2. Распределение температуры конвективного потока вблизи дверного проема с разрушенным стеклопакетом.

4.     Обсуждение

Представленные на огневые испытания образцы светопрозрачных фасадных конструкций не соответствуют техническим условиям по следующим причинам:

1) собственный предел огнестойкости конструкции по результатам огневых испытаний при внешнем возгорании – Е 9, при пожаре внутри помещения Е 4 – Е 6, т.е. с одного этажа здания на другой огонь может распространяться в течение 13-15 мин;

2) собственный предел огнестойкости металлических креплений фасадных конструкций составляет R 14, что может привести к обрушению стоечно-ригельных конструкций;

3) отделка фасада может служить источником распространения пламени по скрытым полостям, что затрудняет тушение пожара и способствует его распространению по фасаду.

Для обеспечения выполнения требований технических условий, разработаны следующие компенсирующие мероприятия:

1) орошение не менее 90 % поверхности дверного проема на каждом этаже водой из автоматической оросительной системы с расходом 0,9…1,1 л/с;

2) устройство в припотолочной части пожарного отсека шириной не менее 500 мм, предел огнестойкости должен быть не менее значения REI 60;

3) обеспечение предела огнестойкости узла примыкания к перекрытиям фасадной системы здания не ниже REI 60;

4) обеспечение предела огнестойкости элементов крепления фасадной системы не менее R 60;

5) устройство внутри огнеизолированного листа из стали толщиной 0,55 мм, покрытой слоем краски с вспучивающимся огнезащитным составом толщиной 1 мм.

5.     Выводы

Исследование светопрозрачных комбинированных фасадных систем «Техноком» с компенсационными мероприятиями показало, что выполнение этих мероприятий обеспечивает соблюдение нормативных требований к фасадным системам.

Использованная литература

  1. Ю.В. Никитин, В. Мургул, Н. Ватин, В. Пухкал, АММ, 680, 481-485 (2014)
  2. Немова Д., Мургул В., Голик А., Чижов Е., Пухкал В., Ватин Н., ЖАЭС, 12(1), 37-44 (2014)
  3. О. Ламкин, М. Гравит, О. Недрышкин, Журнал «Строительство уникальных зданий и сооружений», 2015, 11(38), 42-58.
  4. М. Гравит, В. Гуменюк, О. Недрышкин, Procedia Engineering, 117, 114-118 (2015)
  5. Кривцов А., Казакова В., Мингалимов И., Богданов П., Ница И., Журнал «Строительство уникальных зданий и сооружений», 6(33), 34-46 (2015)
  6. Казиев М., Зубкова Е., Безбородов В., Технологии техносферной безопасности, 6 (58) (2014)
  7. А. Гусев, В. Зигерн-Корн, И. Молчадский, Технологии строительства, 4 (59), 20-24 (2008).
  8. И. Хасанов, И. Молчадский, К. Гольцов, А. Пожарная безопасность, 5, 36-47 (2006)
  9. М. Гравит, Пожаровзрывобезопасность, 11, 42-45 (2014).
  10. М. Хейнисуо, М. Лаасонен, Дж. Оутинен, Дж. Хиетаниеми, Применение структурных противопожарных конструкций, 405-410 (2011)
  11. Лазаревская М., Цветковская М., Кнежевич М., Гаврилоска А., Миланович М., Мургул В., Ватин Н. Прикладная механика и материалы, 627, 276-282 (2014).
  12. Романенков И., Зигерн-Корн В. Огнестойкость строительных конструкций из эффективных материалов, (Москва, 1984).
  13. Дж. Хана, Л. Линь, Дж. Пенга, Ю. Хунсин, Энергетика и здания, 204–209 (2013).
  14. Л. Гайяр, С. Жиру-Жюльен, К. Менезо, Х. Пабиу, Журнал основ возобновляемой энергии и приложений, 5 (2012).
  15. Н. Ватин, А. Горшков, Д. Немова, А. Старицына, Д. Тарасова, АМР, 941 – 944, 905-920 (2014)
  16. С. Пузач, А. Смагин, О. Лебедченко, Е. Абакумов. Новые представления о расчете необходимого времени эвакуации людей и эффективности применения переносных фильтрационных самоспасателей при эвакуации пожаров. Монография, (Москва, 2007)
  17. Ю.В. Кошмаров, М. Башкирцев. Термодинамика и теплообмен при пожаре, (Москва, 1987)
  18. О. Халявин, М. Гравит, А. Пряникова, Материаловедение с международным участием, 34, 22-25 (2015)