Розвиток наукових основ запобігання поширення пожежі зовнішніми огороджувальними конструкціями будівель

Abstract

Дисертація присвячена розв’язанню актуальної науково-прикладної проблеми у сфері пожежної безпеки – розкриття закономірностей впливу конструктивних параметрів зовнішніх огороджувальних конструкцій будівель та фасадних протипожежних перешкод на процеси поширення пожежі по їх поверхні, як теоретична база для можливості запобігання поширення пожежі по негорючим фасадам будівель. Це дозволило створити науково-методичний апарат, який об’єднує створений метод натурних випробувань, спрощений метод розрахунку температури полум’я вздовж висоти фасаду, а також табличний метод визначення температури полум’я вздовж висоти фасаду, що спільно з обґрунтованими критеріями, які характеризують умови поширення пожежі по фасаду, дозволяє визначити умови запобігання поширення пожежі зовнішніми огороджувальними конструкціями будівель з негорючим облицюванням та реалізувати параметричний метод нормування вимог пожежної безпеки до будівель. Значна кількість пожеж поширюється між поверхами будівлі ззовні по її фасаду, з подальшим поширенням в середину приміщення через руйнування зовнішніх огороджувальних конструкцій або через руйнування світлових прорізів, в тому числі вікон. При цьому, в низці випадків фасадні системи або їх облицювання було виконано із негорючих матеріалів. Запобігання поширення пожежі по зовнішнім будівельним конструкціям є однією із основних вимог та показників безпеки будівель і споруд, пов’язаних із їх суттєвими експлуатаційними характеристиками, а також впливає на забезпечення вимог по обмеженню поширення вогню на сусідні будівлі і споруди та поширення вогню і диму всередині об’єкту. Аналіз існуючих методів визначення ефективності обмеження поширення пожежі по зовнішнім огороджувальним конструкціям будівлі та обґрунтування безпечності застосування матеріалів для облицювання фасадів показав, що на сьогоднішній день в світі існує близько 14 методик, включаючи вітчизняний ДСТУ 9072:2021, які стандартизовані та використовуються в 29 країнах Європи 6 країнах Азії, а також в США та Австралії. Існуючі методики та відповідне випробувальні установки відрізняються як за масштабом так і за конструктивним виконанням, що значно впливає на точність результатів випробувань фасадних систем щодо пожежної небезпеки, при цьому застосовність даних методів в ряді науково-дослідних робіт є предметом дискусії, що обумовлює їх постійний процес удосконалення. Аналіз існуючих методів дослідження ефективності обмеження поширення пожежі по фасадам будівель показав наступні їх недоліки: - існуючі методи оцінювання пожежної небезпеки фасадних систем не передбачають можливість дослідження фасадних систем комбінованого типу виконання та не враховують їх конструктивні параметри; - відсутня можливість врахування умов поширення пожежі для різних кутів прилягання суміжних площин фасадів; - досліджувані фрагменти фасадної системи не в змозі змінювати кут площини фасаду відносно вертикалі для імітації кутів нахилу фасадів будівель; - відсутня можливість досліджувати ефективність фасадних протипожежних перешкод різного типу для обмеження поширення пожежі. Під час розроблення науково-методичної та експериментальної бази щодо можливості запобігання поширення пожежі зовнішніми огороджувальними конструкціями будівель та здійснення оцінювання ефективності заходів щодо її обмеження визначено перелік наступних найбільш впливових чинників: - конструктивні параметри міжповерхових віконних простінків; - коефіцієнт прорізів у зовнішніх огороджувальних конструкціях; - величина пожежного навантаження; - кути нахилу фасаду; - кути прилягання суміжного фасаду; - тривалість опромінення вище розташованого поверху; - наявність фасадних протипожежних перешкод. Можливість дослідження взаємного впливу зазначених критеріїв на закономірності зміни температур на поверхні зовнішніх огороджувальних конструкцій під час пожежі можна реалізувати використовуючи математичні моделі теплообміну між джерелом пожежі та об’єктом опромінення за методами газодинаміки та математичної моделі процесів теплообміну між факелом пожежі та досліджуваними об’єктами у сукупності із рівнянням променистого теплообміну. Дані методи дають змогу точно враховувати величину пожежної навантаги у будинку, параметри світлових прорізів у зовнішніх огороджувальних конструкціях, конструктивні параметри фасадів (кути ухилу, нахилу та прилягання суміжних площин в разі їх наявності) та фасадні протипожежні перешкоди. На основі проведених розрахункових дій з урахуванням найбільш несприятливих сполучень чинників впливу показана висока ефективність газо-гідродинамічних моделей, які дозволяють прогнозувати обмеження поширення пожежі зовнішніми огороджувальними конструкціями будівель протипожежними перешкодами на прикладі моделі із зовнішнім джерелом пожежі, внутрішнім джерелом пожежі та при наявності активних та пасивних фасадних протипожежних перешкод. При цьому доведено, що визначені параметри, а саме коефіцієнт прорізів у зовнішніх огороджувальних конструкціях, величина пожежного навантаження, кути нахилу фасаду, кути прилягання суміжного фасаду та наявність фасадних протипожежних перешкод впливають на значення температури на поверхні фасадів будівель та відповідно на процеси поширення пожежі зовнішніми огороджувальними конструкціями. На основі вищенаведеного, зроблено припущення про можливість використання удосконаленого підходу з визначення температури полум’я біля поверхні зовнішніх огороджувальних конструкцій заснованого на застосуванні уточнюючих емпіричних коефіцієнтів, що дозволять більш точно та комплексно прогнозувати можливість поширення пожежі по фасадам будівель та здійснювати оцінку ефективності інтегрованих фасадних протипожежних перешкод. На основі розробленої програми експериментальних досліджень прогнозування запобігання поширення пожежі по зовнішнім огороджувальним конструкціям запропоновано новий підхід, який ґрунтується на відтворенні конструктивних параметрів фрагменту фасадної системи та найбільш несприятливих умов розвитку пожежі, а не адаптації фасадних систем та будівельних матеріалів їх облицювання до існуючих стандартизованих стендів, установк та фрагментів будинків для проведення імітаційних випробувань. Даний підхід обумовлений тим, що використання негорючих матеріалів в конструкції зовнішніх вертикальних огороджувальних конструкцій не може забезпечити обмеження поширення пожежі на вище розташовані поверхи, і є лише вторинним чинником, який в більшій мірі впливає лише на швидкість можливого поширення пожежі на вище розташовані поверхи. Проведено експериментальне дослідження процесів теплового впливу пожежі, яким є модельне вогнище пожежі класу В з пожежною навантагою до 2290 МДж/м2 на фрагмент негорючого фрагменту фасаду будинку при умові коли опромінювання відбувається через віконний проріз на вище розташований фасад будівлі на висоті влаштування термопар 0 мм, 400 мм, 800 мм та 1400 мм. Встановлено, що на рівні віконного прорізу (1400 мм від рівня верхнього краю вогневої камери) у фрагменті фасаду розміщеного під кутом нахилу 0о відносно вертикалі у продовж 30 хвилинного впливу модельного вогнища пожежі класу В з пожежною навантагою до 2290 МДж/м2 на досліджуваний зразок зовнішніх огороджувальних конструкцій значення температури становить в межах 375-400 оС в момент пікових значень температурного режиму у вогневій камері, а саме з 500 по 1500 секунди. В цей же час, для тих самих термопар, які розташовуються у фрагменті фасаду розміщеного під кутом нахилу +20о відносно вертикалі значення температури в момент пікових значень температурного режиму у вогневій камері складає в межах 550-600 оС. Для фрагменту фасаду розміщеного під кутом -20о відносно вертикалі значення температури складає в межах 180-210 оС. Отримані дані дозволяють зробити висновок, що нахил досліджуваного фрагменту фасадної системи значно впливає на процеси поширення пожежі, а саме, зміна температури на поверхні фасаду в залежності від кута нахилу чи схилу може змінюватися фактично 2,5-2,9 рази, як в сторону збільшення так і зменшення. Експериментально доведено, що наявність зовнішньої протипожежної перешкоди, а саме протипожежного карнизу із мінімальною шириною виступу 300 мм забезпечує зниження значення температури на поверхні фасаду розміщеного під кутом 0о відносно вертикалі на рівні 400 мм від рівня верхнього краю вікна нижче розташованого поверху з 680-820 оС до 390-420 оС. Визначено, що окрім нахилу площини фасадної системи значний вплив на процеси поширення пожежі створюють суміжні площини фасадів, які під певним кутом прилягають до основної площини, а саме прилегла частина фасаду розміщена під кутом 90о відносно основної площини впливає на збільшення температури на поверхні фасаду до 2 разів у порівнянні із випадком коли прилегла частина фасаду розміщена під кутом 180о відносно основної площини. Отримані залежності описується поліноміальною залежністю зміни температури вздовж осі фасаду та виражаються формулою Tz=(Tw–T0)[1-0,4725(Lfwt/Q)]+T0, (К) із застосуванням отриманих емпіричних коефіцієнтів, що враховують вплив конструктивних параметрів зовнішніх огороджувальних конструкцій на процеси зміни температурних біля поверхні вище розташованої зовнішньої огороджувальної конструкції. Розроблено газо-гідродинамічну модель установки для прогнозування поширення пожежі по зовнішнім вертикальним огороджувальним конструкціям будівлі від теплового впливу факела пожежі, яким є модельне вогнище пожежі класу В з пожежною навантагою 2290 МДж/м2. За результатом оцінки її адекватності визначено, що абсолютні відхилення між результатами математичного моделювання та усередненими експериментальними дослідженнями не перевищують 38,2 °С, що відсоткових показниках не перевищує 11,7 %, середньоквадратичні відхилення становлять в межах 3÷8 °С, що вказує на те, що дані математичного моделювання максимально наближені до усереднених даних експерименту, що підтверджує загальну збіжність створеної математичної моделі та кожного окремого експериментального дослідження Розроблено методичне забезпечення для розрахункового обґрунтування конструктивних параметрів безпеки зовнішніх огороджувальних конструкцій в частині забезпечення обмеження поширення по ним пожежі в основу якої покладено виконання умови безпеки, при якій розрахункова температура, яка утворюється біля нижнього краю вікна не повинна перевищувати 250 оС для суцільних або комбінованих світлопрозорих фасадних систем та 350 оС для будівель в конструкції зовнішніх огороджувальних конструкцій яких є міжповерхові віконні простінки на кожному поверсі. Умови безпеки можуть бути виконані як за рахунок зміни параметрів міжповерхових віконних простінків так і за допомогою застосування фасадних протипожежних перешкод, а саме протипожежних карнизів, протипожежних віконних карнизів та систем пожежогасіння або інших систем стримування поширення вогню. Розроблений науково-методичний апарат об’єднує створений метод натурних випробувань, спрощений метод розрахунку температури полум’я вздовж висоти фасаду, а також табличний метод визначення температури полум’я вздовж висоти фасаду, що спільно з обґрунтованими критеріями, які характеризують умови поширення пожежі по фасаду, дозволяє визначити умови запобігання поширення пожежі зовнішніми огороджувальними конструкціями будівель з негорючим облицюванням та реалізувати параметричний метод нормування вимог пожежної безпеки до будівель. Результати досліджень стали теоретичною та практичною основою під час розроблення ДБН В.2.2-41:2019 «Висотні будівлі. Основні положення» та ДСТУ 9192:2022 «Пожежна безпека. Проєктування висотних громадських будівель з умовною висотою від 100 м до 150 м». Також результати роботи реалізовані в ДСТУ 9222:2023 «Пожежна безпека. Протипожежний захист систем зарядки електромобілів. Основні положення» в частині обґрунтування параметрів безпеки під час влаштування зарядних станцій для електромобілів на фасадах будівель. За результатом оцінювання економічного ефекту, який можливо досягти при використанні розробленого науково-методичного апарата, що реалізує параметричний метод нормування у будівництві для розрахункової оцінки поширення пожежі зовнішніми огороджувальними конструкціями будівель, встановлено, що для висотної будівлі, яка повинна бути обладнана фасадною протипожежною перешкодою, прогнозовану суму збитків від пожежі, яка поширюється фасадом будівлі, у відсотковому еквіваленті, можливо зменшити до 25% порівняно із застосуванням розпорядчого методу нормування у будівництві. В результаті проведених досліджень вирішена актуальна науково-прикладна проблема у сфері пожежної безпеки, а саме розкриття закономірностей впливу конструктивних параметрів зовнішніх огороджувальних конструкцій будівель на процеси зміни температур на їх поверхні під час пожежі як теоретична база для прогнозування запобігання поширення пожежі по негорючим фасадам будівель. Це дозволило розробити методичне забезпечення для розрахункової оцінки поширення пожежі зовнішніми огороджувальними конструкціями та здійснення комплексного оцінювання ефективності систем перешкоджання поширення вогню.