УДК 614.841.41

Кузнецова Любовь Владимировна, младший инспектор Воронежского института ГПС МЧС России, Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский институт Государственной противопожарной службы Министерства  Российской Федерации по делам гражданской обороны чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий», м. тел.: (920) 4646008.

Сотникова Ольга Анатольевна, доктор техн. наук, профессор кафедры теплогазоснабжения Воронежского государственного архитектурно-строительного университета Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежский государственный архитектурно-строительный университет, тел.: (473) 2715321.

 

 

Л.В. Кузнецова, О.А. Сотникова

 

огнестойкие наружные ограждения зданий защита от неконтролируемых экстремальных ситуаций

 

В настоящее время на ряду с широко применяемыми классическими строительными материалами все большую популярность набирают такие высокотехнологичные изделия стройиндустрии как сэндвич-панели, позволяющие свести к минимуму затраты на возведение и эксплуатацию зданий и сооружений различного назначения. Конструкция сэндвич-панелей предполагает использование наполнителя, размещенного между двумя профильными стальными листами [1]. Наполнитель представляет собой сердечник из лучших высокоэффективных теплоизолирующих материалов (негорючих минераловатных плит с перпендикулярно-ориентированными волокнами на основе базальтовых пород или самозатухающих марок пенополистирола). Толщина этого слоя утеплителя варьируется в зависимости от назначения и климатических условий, в которых будет эксплуатироваться изделие [2]. Выбирая огнестойкие стеновые и кровельные сэндвич-панели можно легко обеспечить достаточную тепло- и звукоизоляцию помещений.

Базальтовое волокно наиболее эффективный из экологически чистых утеплителей, применяемых в современном строительстве. Обладая низкой теплопроводностью, данный материал сочетает в себе высокий уровень механической прочности с легкостью, а экологическую безопасность с химической стойкостью. Важнейшим элементом панели, определяющим качество и надежную службу всей конструкции, является замок - место соединения панелей при монтаже.

Сэндвич-панели находят все более широкое применение при строительстве объектов производственного назначения, в том числе и складов повышенной пожароопасности, так как обладают рядом преимуществ:

·        их небольшая масса минимально нагружает фундамент здания и способствует существенному сокращению сроков возведения сооружений;

·        характеризуются влагостойкостью и не допускают проникновения влаги, как с внешней, так и с внутренней стороны;

·        по теплотехническим параметрам сэндвич-панели до 15 раз превосходят традиционные строительные материалы (кирпич, бетон и пр.);

·        их идеальная поверхность не требует отделки как снаружи, так и внутри помещения;

·        стоимость возведения стен из сэндвич-панелей существенно ниже, чем из любого вида каменных материалов.

В качестве наполнителей производимых панелей чаще применяется пенополистирол плотностью 15,1-25,0 кг/м3. В целях пожарной безопасности также используется базальтовая минеральная вата плотностью 35-120 кг/м3. В этом случае наполнителем является негорючая минераловатная плита на базальтовой основе с поперечно-ориентированным расположением волокон производства фирм "ROCKWOOL", "IZOVOL" и "NOBASIL". Толщина утеплителя состаляет от 50 до 250 мм.

При выборе для строительства сэндвич-панелей первоочередным является определение толщины слоя утеплителя для конкретного климатического района  в соответствии с требованиями экономии ресурсов на энергообеспечение объекта. Решение данной проблемы для стационарной задачи даже при сложном конструктивном исполнении здания с успехом реализуется с помощью различных модификаций метода сеток. По-другому дело обстоит с нестационарными задачами, к которым также относится определение температурного режима в случае огневого воздействия на строительные конструкции при чрезвычайных обстоятельствах. Это приобретает все большую актуальность в связи с ежегодным возрастанием количества возгораний и возникновением метеоусловий, способствующих высокой скорости их распространения. Особенно важно учитывать негативную статистику в прогнозировании возможных последствий особенно при проектировании промышленных зданий и складских помещений, относящихся к пожаровзрывоопасной категории.

Рассмотрим влияние огневого воздействия на температурный режим наружного ограждения, выполненного из сэндвич-панелей. В этом случае стена состоит из одного слоя теплоизоляционного материала и двух тонких металлических покрытий (рис. 1, а) высокого качества, не предполагающего дополнительную отделку стен помещений. Металлические листы выполняют защитную функцию от воздействия внешней и внутренней среды, а также обладают значительным коэффициентом теплопроводности, что позволяет ими пренебречь и провести расчет для однослойной конструкции (рис. 1, б).

а                                                            б

Рис. 1. Схема наружного ограждения, состоящего из сэндвич-панелей: а - с учетом толщины металлических листов δм; б – с учетом принятых условий протекания рассматриваемого теплового процесса

 

Введем ось координат 0х с началом  на внешней поверхности теплоизоляционного слоя (рис. 1, б). Учитывая, что в условиях сухой и жаркой погоды при порывах ветра пламя может распространяться со скоростью до 70 км/ч, огневому воздействию будет подвержена внешняя поверхность рассматриваемого слоя. Тогда на границе этого слоя в соответствии с [3, 4, 5] интенсивный тепловой поток при пожаре вызовет возрастание температуры поверхности наружного ограждения по времени, то есть . При этом на противоположной поверхности строительной конструкции будет происходить теплообмен с окружающей средой с коэффициентом теплоотдачи α.

Уравнение, которому подчиняется распределение температуры в рассматриваемом ограждении, имеет вид [3, 4, 6]

,                                                                             (1)

где аПР – приведенный коэффициент температуропроводности [4, 5], определенный для средних параметров материала конструкции при высокотемпературном его нагреве, м2/с;  - время, с.

Для исследования температурного режима, возникающего в минеральном утеплителе при огневом воздействии, уравнение теплопроводности (1) целесообразно записать в следующей форме [6]

,                                                                                (2)

где q - разность температур между переменной T и некоторой средней величиной на поверхности To, отдающей тепловой поток во внутреннюю среду, оС.

Тогда начальные и граничные условия будут иметь вид

при  τ=0,   ;                                                                                    (3)

при  х=0,   ;                                                                                (4)

при  х=δ,   ,                                                                       (5)

где δ – толщина теплоизоляционного слоя, м; α – коэффициент теплоотдачи от поверхности ограждения к внутреннему воздуху, Вт/(м2∙оС); - коэффициент теплопроводности материала,  Вт/(м∙оС).

Запишем граничное условие (4), рекомендуемое для решения задач огневого воздействия [4], с учетом экспоненциального приближения в изменениях температуры по времени на внешней поверхности строительной конструкции в следующей форме:

,                                                                         (7)

где b0, b2, m – коэффициенты и темп режима нагревания.

Представленное приближение (7) возможно по двум обоснованиям: экспоненциальная зависимость часто используется для описания физических процессов, и она также рекомендуется для решения некоторых задач нагревания [6].

С учетом имеющихся сведений [4, 5, 7] стандартные условия пожара повышают температуру нагреваемой поверхности, которую можно аппроксимировать предложенной функцией (7)

.                                                          (8)

Выражение (8) соответствует стадии развития пожара и более адекватно описывает характер изменений при достижении его стабильной фазы (10 мин).

Представим решение уравнения теплопроводности (2) в следующей форме:

.                                                                 (9)

Выражение (9) позволяет с достаточной точностью анализировать развитие возможной экстремальной ситуации и принимать решения по утеплению конструкций с учетом факторов риска. Дифференцирование уравнения (9) по двум переменным:   ;    ,   показывает, что выражение (9) является решением (2) при параметре b равным   .

Используя граничное условие (5), для коэффициента b1 получим

.                                                     (10)

С учетом начального условия (3) выражение (10) принимает вид

.                                                          (11)

Результаты расчетов, выполненные по зависимости (9) для базальтовой минеральной ваты толщиной 100 мм с коэффициентом теплопроводности 0,036 Вт/(м2∙оС) и плотностью 100 кг/м3, показывают, что сэндвич-панели с указанным утеплителем являются эффективным сдерживающим препятствием в развитии пожара. Приведенные на рис. 2 данные позволяют заключить, что основное затухание высокотемпературного возмущения происходит в 2/3 толщины наполнителя.

Рис. 2. Изменение температуры в слое утеплителя при развитии пожара: 1 – на поверхности, подвергаемой огневому воздействию; 2 – на противоположной поверхности при общей толщине панели δ=100 мм; 3 – в центре панели при х=50 мм

 

Использование в сэндвич-панелях более дорогих базальтовые теплоизоляционных материалов приводит не только к повышению огнестойкости строительных конструкций и созданию надежной преграды распространению пламени, но и к существенному сокращению энергозатрат при эксплуатации сооружений. Теплозащитные свойства базальтовых утеплителей сэндвич-панелей толщиной даже в 100 мм превышают требуемые значения сопротивления теплопередачи (2,44 (м∙оС)/Вт) в 1,2 раза для общественных, административных и производственных зданий для климатических условий Воронежской области. Это, несомненно, подтверждает перспективу их применения для объектов, отвечающих требованиям повышенной пожарной безопасности и соответствия энергосберегающей эксплуатации при средней толщине применяемых панелей.

 

Библиографический список

1.     http://www.sandwich-panel-ufa.ru/sandwich_info.php.

2.     Кузнецова Л.В., Сотникова О.А. Энергосберегающая эксплуатация сооружений при эффективной пассивной защите строительных конструкций// Безопасность жизнедеятельности, 2009, №10. – С.9-11.

3.     Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. -М.: Наука, 1964 – 488 с.

4.     Шорин С.Н. Теплопередача. М., Л.: Государственное издательство литературы по строительству и архитектуре, 1952. – 339 с.

5.     Ройтман В.М. Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируемых зданий. – М.: Ассоциация «Пожарная безопасность и наука», 2001. – 382 с.

6.     Еналеев Р.Ш., Теляков Э.Ш., Тучкова О.А., Харитонова О.Ю., Качалкин В.А. Огнестойкость элементов строительных конструкций при высокоинтенсивном нагреве// Пожаровзрывобезопасность, 2010, т. 19, № 5. – С. 48 – 53.

7.     Еналеев Р.Ш., Барбин Н.М., Теляков Э.Ш., Тучкова О.А., Качалкин В.А. Критерии огнестойкости элементов строительных конструкций на пожаровзрывоопасных объектах// Пожаровзрывобезопасность, 2011, т. 20, № 1. – С. 33 – 51.

 

Кузнецова Л.В., Сотникова О.А. Огнестойкие наружные ограждения зданий защита от неконтролируемых экстремальных ситуаций.

Технологичность сэндвич-панелей и их эксплуатационные показатели в перспективе  обеспечат их более широкое применение в строительстве объектов различного назначения. Учитывая статистику последствий экстремальных ситуаций, следует для сэндвич-панелей применять более дорогие базальтовые наполнители, которые при возникновении пожара предотвратят его дальнейшее развитие. Для исследования изменений температурного режима в строительной конструкции при огневом воздействии предложено решение уравнения нестационарной теплопроводности. Расчеты показали значительное снижение температуры по толщине наполнителя при интенсивном развитии пожара.