СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ОБУГЛИВАНИЯ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЯ Российский патент 2006 года по МПК G01N25/00 

Изобретение относится к области пожарной безопасности, к исследованию параметров горения твердых веществ, строительных материалов и деревянных конструкций, в частности к определению скорости обугливания деревянных конструкций в условиях пожара в здании.

Необходимость определения показателей возгораемости деревянных конструкций возникает при их проектировании, эксплуатации в соответствии с требованиями пожарной безопасности строительных норм и правил, при их работе в условиях огневого воздействия и внешней нагрузки и/или после пожара. Необходимость оценки величины линейной скорости выгорания (обугливания) деревянных конструкций возникает при определении фактических (проектных) пределов пожароустойчивости деревянных конструкций, при проведении пожарно-технической и/или строительной экспертизы состояния безопасности деревянных конструкций после пожара.

Известен способ определения скорости выгорания твердых материалов в муфельной печи при t=920±10°C, в котором испытуемый образец древесины размером 150×60×30 мм сначала взвешивают и затем укладывают на фарфоровые салазки, прикрепленные кронштейном к торговым весам. При опыте фиксируют момент воспламенения образца и моменты потери образцом каждые (5-10) г массы до прекращения пламенного горения. Получив еще 5÷10 точек по потере массы при тлении образца, опыт прекращают. Полученные результаты обрабатывают; по ним строят график выгорания образца и рассчитывают среднюю скорость выгорания образца за фиксированный промежуток времени υ_m, кг/(м²·с). Среднюю скорость обгорания (обугливания) поперечного сечения образца деревянных конструкций - υ₀, см/мин, можно приближенно вычислить по формуле (1)

где υm - средняя скорость выгорания образца за фиксированный промежуток времени, кг/(м²·с); ρ - плотность древесины образца, г/см³ [1].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе скорость обугливания поперечного сечения образца деревянных конструкций можно определить косвенным путем, приближенно; при этом невозможно определить показатели обгорания натурных деревянных конструкций, имеющих другие геометрические размеры, при этом не учитываются фактические (проектные) прочность, плотность и влажность древесины, массивность сечения деревянных конструкций и условия обогрева деревянных конструкций при пожаре в здании.

Известен способ определения скорости выгорания твердых материалов, в котором опытный образец изготовляют в виде цилиндра длиной 150 мм, диаметром 15 мм, и укрепляют на валу вращающегося механизма. Затем образец воспламеняют в среде окислителя в реакционной камере, вращая его в процессе горения вокруг своей оси с заданной скоростью.

По результатам регистрации изменения диаметра и массы образца во времени его горения рассчитывают скорость выгорания материала. При этом предполагается повышение точности определения искомого параметра выгорания материала, υ_m, (кг/м²с). Скорость обугливания поперечного сечения образца можно приближенно вычислить по формуле (1) [2].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе скорость обугливания поперечного сечения образца деревянных конструкций можно определить косвенным путем, приближенно; при этом невозможно определить показатели обгорания натурных деревянных конструкций, имеющих другие геометрические размеры, при этом не учитываются фактические (проектные) прочность, плотность и влажность древесины, массивность сечения деревянных конструкций и условия обогрева деревянных конструкций при пожаре в здании.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ определения скорости обугливания деревянных конструкций путем неразрушающего испытания, включающего проведение технического осмотра, выявление схемы обогрева поперечных сечений деревянных конструкций в условиях пожара в здании, установление вида древесины и определение скорости обугливания деревянных конструкций в зависимости от расчетного сопротивления древесины на изгиб и сжатие (R, МПа) длительности огневого воздействия (мин) и глубины обугливания древесины посередине стороны прямоугольного сечения балки (х₁, мм) или по радиусу закругления углов сечения (х₂, мм) [3] - принят за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе оценку скорости обугливания деревянных конструкций производят приближенно, при ограниченном (два из шести возможных) числе единичных показателя качества (R, МПа; τ, мин); при этом длительность огневого испытания деревянных конструкций принимают равной длительности исследуемого натурного пожара, τ, мин, в ограниченных пределах -(10÷120) мин; в качестве одного из показателей качества деревянных конструкций в известном способе принято расчетное сопротивление древесины сжатию R, МПа, при котором не учитываются особенности сопротивления древесины деревянных конструкций термосиловому воздействию в условиях пожара в здании; в известном способе не учтено влияние плотности ρ, г/см³, и влажности W, %, древесины, массивности сечения деревянных конструкций (B_min, см) и расположения элементов деревянных конструкций в пространстве здания (ψ₀); следовательно, экономические затраты в известном способе возрастают за счет проведения дополнительных огневых испытаний, уточняющих фактические показатели возгораемости деревянных конструкций здания.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, состоит в установлении показателей пожарной опасности здания в части его пожароустойчивости, гарантированной длительности сопротивления деревянных конструкций в условиях пожара, в оценке фактических пределов пожароустойчивости несущих элементов деревянных конструкций при проектировании, при строительстве, при эксплуатации и/или при пожаре; в снижении экономических затрат при испытании деревянных конструкций на пожароустойчивость.

Технический результат - испытание строительной древесины деревянных конструкций здания без огневого воздействия, неразрушающими методами, по комплексу единичных показателей качества; снижение трудоемкости определения показателей возгораемости деревянных конструкций; расширение технологических возможностей оценки фактической скорости обугливания деревянных конструкций любой толщины, имеющих различное напряженное состояние и различно расположенных в пространстве; использование полипараметрической номограммы для определения скорости обугливания деревянных конструкций, получение возможности решения обратных задач при оценке показателей возгораемости деревянных конструкций; повышение точности и экспрессивности испытания, повышение достоверности контроля качества строительных деревянных конструкций и неразрушающих испытаний; снижение экономических затрат на испытание.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе определения скорости обугливания деревянных конструкций здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, выявления расположения деревянных конструкций в пространстве здания и схемы обогрева поперечных сечений деревянных конструкций в условиях пожара, установление вида - породы древесины и определение скорости обугливания деревянных конструкций, особенность заключается в том, что испытание деревянных конструкций производят без огневого воздействия не разрушаемыми методами по комплексу единичных показателей качества, технический осмотр дополняют инструментальными измерениями геометрических размеров деревянных конструкций, выявляя массивность опасных (расчетных) сечений деревянных конструкций, определяют число и место расположения участков, в которых определяют единичные показатели качества деревянных конструкций, экспериментально определяют показатели плотности и влажности древесины в естественном состоянии, находят нормативное сопротивление сортовой древесины на сжатие или на изгиб, и, используя полученные единичные показатели, - наименьший размер поперечного сечения деревянных конструкций, влажность древесины, нормативное сопротивление древесины на сжатие, показатель условий расположения обогреваемых граней деревянных конструкций в пространстве здания при пожаре, плотность древесины, посредством использования построенной параметрической номограммы определяют среднюю скорость обугливания деревянных конструкций здания.

Следующей особенностью способа является то, что показатели условий расположения обогреваемых граней деревянных конструкций в пространстве здания при пожаре принимают равными:

ψ₀₁=1 - для граней балочных деревянных конструкций;

ψ₀₂=1,2 - для граней вертикально расположенных деревянных конструкций (стойки, колонны);

ψ₀₃=1,33 - для нижних граней балочных деревянных конструкций (балки дощатые, клееные, составные, ригели рам, арки, пояса стропильных ферм).

Особенностью способа является то, что определение скорости обугливания деревянных конструкций ведут при положительной и отрицательной температурах воздуха.

Кроме этого, особенность способа заключается в том, что дополнительно определяют среднюю скорость обугливания υ₀, мм/мин, поперечных сечений деревянных конструкций определяют по формуле (2):

где υ_ex и υ_я - соответственно скорости обугливания поверхности и ядра поперечного сечения деревянных конструкций, мм/мин.

Следующая особенность предложенного способа заключается в том, что дополнительно определяют скорость обугливания поверхности деревянных конструкций υ_ех, мм/мин, по формуле (3):

где ψ₀ - показатель условий расположения обогреваемых граней деревянных конструкций в пространстве здания (в пределах 1-1,33);

ρ - плотность древесины, г/см³ или m/м³.

Особенностью способа является то, что дополнительно определяют скорость обугливания ядра поперечного сечения деревянной конструкции υ_я, мм/мин, по формуле (4):

где ξ_r; ξ_ω; ξ_δ; ξ_в - соответственно показатели условий обгораний деревянных конструкций в зависимости от прочности R, МПа, влажности ω, %, глубины обугливания δ, мм, и массивности поперечного сечения В_min, мм;

υ_ex - скорость обугливания древесины на поверхности деревянных конструкций в начале огневого испытания, мм/мин.

Особенностью предложенного способа является то, что показатель условий обгорания деревянных конструкций в зависимости от величины нормативного сопротивления сортовой древесины сжатию или изгибу, R, МПа определяют по формуле (5):

Особенностью способа является то, что показатель условий обгорания деревянных конструкций в зависимости от влажности древесины ω, %, определяют по формуле (6):

Особенностью способа является то, что показатель условий обгорания деревянных конструкций в зависимости от массивности сечения в, мм, определяют по формуле (7):

где В - наименьший размер поперечного сечения деревянных конструкций, мм.

Особенностью способа является то, что устанавливают критическую или предельную толщину слоя обугливания опасного сечения деревянных конструкций и определяют показатель условий обгорания деревянных конструкций в зависимости от критической (предельной) толщины слоя обугливания δ₀, мм, по формуле (8):

Особенностью способа является то, что определяют интенсивность напряжений от рабочей нормативной нагрузки при пожаре, а критическую толщину слоя обугливания поперечного сечения деревянных конструкций δ_cr, мм, определяют по формуле (9):

где В - наименьший размер сечения деревянных конструкций, мм;

J_σo - интенсивность напряжений от рабочей нормативной нагрузки при пожаре (в пределах 0,1-0,95).

Особенностью способа является то, что интенсивность напряжений от рабочей нормативной нагрузки при пожаре (J_σo) для сжатых деревянных конструкций определяют по формуле (10):

где J_н=0,625 - нормативная интенсивность напряжений при коэффициенте запаса по прочности деревянных конструкций n₃=1/0,625=1,6;

k₃ - коэффициент условий закрепления концов деревянных конструкций.

Особенностью способа является то, что коэффициент условий закрепления концов сжатых деревянных конструкций определяют по формуле (11):

где μ - коэффициент расчетной длины сжатых деревянных конструкций (принимают по нормам проектирования деревянных конструкций в пределах 0,65-2,2).

Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом заключена в следующем: устранение огневых испытаний в существующем здании и замена их на неразрушающие испытания снижает трудоемкость оценки показателей возгораемости строительных материалов и конструкций, расширяет технологические возможности определения фактической скорости обугливания различно напряженных деревянных конструкций любых размеров в условиях эксплуатации здания без нарушения его функционального процесса, а также сопоставления полученных результатов со стандартными огневыми испытаниями аналогичных деревянных конструкций. Следовательно, условия испытания строительных конструкций на возгораемость и пожароустойчивость значительно упрощены и экономически целесообразны.

Применение математического описания процесса обгорания несущих сжатых и подвергание изгибаемых деревянных конструкций стандартному огневому воздействию и использование построенной параметрической номограммы повышает точность и экспрессивность оценки скорости их обугливания.

Применение номограммы удобно вследствие ее простоты, наглядности, возможности решения обратных задач для оценки параметров возгораемости деревянных конструкций и применения метода подбора переменных значений единичных показателей их качества. Определение скорости обугливания деревянных конструкций только по одному показателю качества, например, по прочности древесины, приводит, как правило, к существенной ее недооценке. Вследствие этого в предложенном способе оценку скорости обугливания деревянных конструкций предусматривают не по одному показателю, а по комплексу единичных показателей их качества. Это повышает точность оценки ее фактического значения. Уточнен комплекс единичных показателей качества сжатых и изгибаемых деревянных конструкций, влияющих на скорость обугливания, определяемых неразрушающими испытаниями.

На чертеже проведена параметрическая номограмма для оценки скорости обугливания деревянных конструкций, обогрев снизу. Приведенная номограмма сетчатого типа. Внутри сеток нанесены наклонные линии. На каждом пучке линий или лучах нанесена стрелка, которая показывает направление возрастания переменного параметра. Наименование параметра в буквенном выражении и в единицах измерения поставлены на стрелке. Слева и справа от стрелки на лучах поставлены значения переменного параметра.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного выше технического результата.

Последовательность действия способа определения скорости обугливания деревянных конструкций состоит в следующем. Сначала проводят визуальный осмотр здания. Затем определяют группу однотипных конструкций и их общее число в ней. Вычисляют величину выборки однотипных конструкций. Назначают комплекс единичных показателей качества конструкций, влияющих на скорость ее обугливания. Вычисляют число испытаний единичного показателя качества конструкции в зависимости от его статистической изменчивости. Затем определяют единичные показатели качества конструкции и их интегральные параметры и, наконец, по ним находят скорость обугливания испытуемых конструкций. Под визуальным осмотром понимают проверку состояния конструкций, включающую выявление условий опирания отдельных конструкций, определение породы и сорта древесины.

Схемы обогрева поперечных сечений деревянных конструкций в условиях пожара определяют в зависимости от фактического расположения элементов частей здания, устройства подвесных потолков, укладки смежных конструкций, уменьшающих число сторон обогрева.

Число и место расположения участков, в которых определяют показатели качества конструкций, определяют так. В изгибаемых конструкциях, имеющих одно опасное сечение, участки располагают только в этом сечении. В конструкциях, имеющих несколько опасных сечений, участки располагают равномерно по поверхности с обязательным расположением части участков в опасных сечениях.

К основным единичным показателям качества деревянных конструкций относятся: геометрические размеры опасного сечения конструкции; степень напряжения и предел прочности древесины на сжатие или изгиб, влажность и плотность ее в естественных условиях.

Число испытаний единичного показателя качества конструкций, при вероятности результата, равной 0,95, и показателе точности 5%, определяют по формуле (12);

при этом коэффициент вариации выборки υ=±100·σ/М;

среднее арифметическое М=(l/n)·∑m_i,

среднее квадратическое отклонение от среднего

σ=±[(1/(n-1))·∑(x_i)²]⁰⁵;

средняя ошибка ΔМ=±σ/(2·n)^0,5;

здесь m_i - результат i-го испытания; ∑(х_i)² - сумма квадратов всех отклонений от среднего.

В случае, когда все единичные показатели качества конструкции при М более 9, находятся в контрольных пределах, минимальное целое число конструкций в выборке по плану сокращенных испытаний М_с, шт, назначают из условия (13):

где М - число однотипных конструкций в здании, шт.

В случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества конструкций выходит за границы контрольных пределов, минимальное число конструкций в выборе по норме испытаний М_н, шт, назначают из условия (14):

В случае, когда хотя бы один из единичных показателей качества конструкций выходит за границы допустимых пределов или М≤5 шт, испытанию подвергают все однотипные конструкции здания поштучно.

Проверяемыми геометрическими размерами являются: для конструкций плит сплошного сечения - высота его; для балок - ширина и высота сечения.

Опасные сечения у деревянных балочных конструкций назначают в местах наибольших моментов от действия нормативной нагрузки. Так, в двускатных балках наиболее опасное сечение назначают не в середине пролета, а на расстоянии от опоры, равном 0,4 пролета.

Для статически неопределимых балочных конструкций опасные сечения назначают в пролетах и на опорах. Опасные сечения при этом находят по наибольшим ординатам огибающей эпюры моментов.

Размеры конструкции проверяют с точностью ±1 мм.

Проверку прочности древесины конструкций при выборочных контрольных испытаниях определяют по ГОСТ 18321 и ГОСТ 20736. Прочность древесины брусьев и круглых лесоматериалов в полевых условиях оценивают визуально по сортообразующим признакам и дополнительным требованиям к древесине по СНиП II-25-80*, приложение 1.

Для экспресс-оценки свойств и качеств материалов и изделий из строительной древесины используют справочное пособие [4].

Используя полученные единичные показатели: наименьший размер поперечного сечения деревянной конструкции в, мм, влажность древесины ω, %, нормативное сопротивление древесины сжатию R, МПа, показатель условий расположения в пространстве здания ψ₀, плотность древесины, ρ, г/см³, по приведенной номограмме (см. фиг.1) находят скорость обугливания деревянных конструкций.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного способа следующей совокупности условий:

а) средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использовании в строительной промышленности, а именно в классификации деревянных конструкций зданий по показателям сопротивления их воздействию пожара;

б) для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов;

в) предложенный способ применен при натурном осмотре деревянных конструкций складского блока площадью 1100 м² здания в г.Самаре.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленно применимо».

Источники информации

1. Монахов В.Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. - М.: Химия, 1972. - С.288-290.

2. А.с. 1434963, МКИ-5, G 01 N 25/50 «Способ определения скорости выгорания твердых безгазовых и газифицирующихся при горении материалов» // А.С.Штейнберг, В.Н.Воробьев, Н.А.Халтурянский и др. - Опубл. Бюл. №1 от 07.01.1991 г.

3. Ильин Н.А. Техническая экспертиза зданий, поврежденных пожаром. - М.: Строиздат, 1983. - С.101-103.

4. Определение свойств и качеств строительных материалов в полевых условиях. / Марцинчик А.Б., Шубенкин П.Ф. - М.: Стройиздат, 1983. - С.88-100.

Изобретение относится к области пожарной безопасности. В способе определяют положение деревянных конструкций в пространстве здания, геометрические размеры деревянных конструкций, условия обогрева опасных (расчетных) сечений деревянных конструкций в условиях пожара, предельную или критическую толщину слоя обугливания, плотность, прочность и влажность древесины в естественном состоянии. Искомую величину скорости обугливания поперечных сечений деревянных конструкций определяют по номограмме. Технический результат - возможность определения скорости обугливания поперечных сечений деревянных конструкций без огневых испытаний, повышение достоверности контроля качества строительной древесины, деревянных конструкций и неразрушающих испытаний, снижение экономических затрат на испытание. 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения скорости обугливания деревянных конструкций здания путем испытания, включающего проведение технического осмотра, выявление расположения деревянных конструкций в пространстве здания и схемы обогрева поперечных сечений деревянных конструкций в условиях пожара, установление вида - породы древесины и определение скорости обугливания деревянных конструкций, отличающийся тем, что испытание деревянных конструкций производят без огневого воздействия неразрушающими методами по комплексу единичных показателей качества, технический осмотр дополняют инструментальными измерениями геометрических размеров деревянных конструкций, выявляя массивность опасных расчетных сечений, определяют число и место расположения участков, в которых определяют единичные показатели качества деревянных конструкций, экспериментально определяют показатели плотности и влажности древесины в естественном состоянии, находят нормативное сопротивление сортовой древесины на сжатие или на изгиб и, используя полученные единичные показатели - наименьший размер поперечного сечения деревянной конструкции, влажность древесины, нормативное сопротивление древесины на сжатие, показатель условий расположения обогреваемых граней деревянных конструкций в пространстве здания при пожаре, плотность древесины, посредством использования построенной параметрической номограммы определяют среднюю скорость обугливания деревянных конструкций здания.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что показатели условий расположения обогреваемых граней деревянных конструкций в пространстве здания при пожаре принимают равными

ψ₀₁=1 - для граней балочных деревянных конструкций;

ψ₀₂=1,2 - для граней вертикально расположенных деревянных конструкций (стойки, колонны);

ψ₀₃=1,33 - для нижних граней балочных деревянных конструкций.

υ₀=0,5·(υ_ех+U_я),

где υ_ex и υ_я - соответственно скорости обугливания поверхности и ядра поперечного сечения деревянных конструкций, мм/мин.

где ψ₀ - показатели условий расположения обогреваемых граней деревянных конструкций в пространстве здания (в пределах 1-1,33);

ρ - плотности древесины, г/см³ или m/м³.

υ_я=ξ_r·ξ_ω·ξ_δ·ξ_в·υ_ех,

где ξ_r; ξ_ω; ξ_δ; ξ_в - соответственно показатели условий обгораний деревянных конструкций в зависимости от нормативной прочности R, МПа, влажности ω, %, глубины обугливания δ, мм, и массивности поперечного сечения в_min, мм;

υ_ex - скорость обугливания древесины на поверхности деревянных конструкций в начале огневого испытания, мм/мин.

где в - наименьший размер поперечного сечения деревянных конструкций, мм.

δ_cr=в·(1-J_σo ^0,5)/2,

где в - наименьший размер сечения деревянных конструкций, мм;

j_σo - интенсивность напряжений от рабочей нормативной нагрузки при пожаре (в пределах 0,1-0,95).

J_σo=J_н·k₃,

где J_н=0,625 - нормативная интенсивность напряжений при коэффициенте запаса по прочности деревянных конструкций n₃=1/0,625=1,6;

k₃ - коэффициент условий закрепления концов деревянных конструкций.

k₃=μ^0,5,

где μ - коэффициент расчетной длины сжатых деревянных конструкций (принимают по нормам проектирования деревянных конструкций в пределах 0,65-2,2).