Организация деятельности пожарной охраны / Puchkov - Pozharnaya bezopasnost 2014

«Определение площади легкосбрасываемых конструкций» в настоящее время отсутствует официально утвержденная методика по определению площади таких конструкций. При этом нужно представлять, что к одной и той же категории могут относиться разные вещества с разной нормальной скоростью горения, которая является характеристикой вещества. Так, для водорода эта скорость составляет 2,67 м/с и для пропана 0,46 м/с, а величина площади легкосбрасываемых конструкций определяется для этих веществ из соотношения для категории «А» по взрывопожароопасности, что приводит в случае с водородовоздушными смесями при аварийных взрывах к разрушениям производственных зданий, оборудованных нормативной площадью легкосбрасываемых конструкций.

Наиболее эффективно применение ЛСК (ПК) при сравнительно небольших скоростях распространения пламени (до р 30-50 м/с), когда процесс изменения давления во взрывопожароопасном помещении при взрывном горении ГС может считаться квазистатическим [29,31], при котором наблюдается дефлаграционное горение (дефлаграционное горение - реакция горения протекает в результате нагрева прилегающих к фронту пламени слоев холодной, непрореагировавшей взрывоопасной смеси до температуры воспламенения вследствие теплопроводности).

При дефлаграционном горении связь между нормальной скоростью пламени н (нормальная скорость пламени - скорость распространения пламени по отношению к несгоревшей смеси вдоль нормали к его фронту, она является основной характеристикой смеси) и скоростью распространения пламени р относительно места воспламенения взрывоопасной смеси определяется соотношением

где р – степень теплового расширения продуктов горения при постоянном давлении определяется как

где и – соответственно число молей продуктов горения и исходной смеси до реакции горения;

р и н – соответственно, теоретическая температура горения взрывоопасной смеси стехиометрической концентрации и начальная температура до реакции горения, К;

0,85 - коэффициент, учитывающий уменьшение теоретической температуры горения за счет потерь тепла излучением на нагрев ограждающих конструкций и соседних с горящим слоев взрывоопасной смеси.

При 30 м/с < р 65 м/с необходимо иметь в виду, что нагрузка на некоторые конструкции от действия взрывных волн (давление отражения),

321

возникающих при распространении пламени, может быть больше Рдоп, а допущение о квазистатичности процесса может использоваться для определения среднего по объему взрывопожароопасного помещения избыточного давления.

При больших скоростях распространения пламени ( р > 65 м/с) возникают довольно сильные взрывные волны (волны сжатия, а иногда и ударные волны), которые обычно определяют величину и характер нагрузок, действующих на строительные конструкции. В этом случае конструкции подвергаются непосредственному действию детонационной волны, а применение ЛСК (ПК) в этих условиях становится нецелесообразно, поскольку вскрытие ЛСК (ПК) практически не сказывается на интенсивности взрывных волн, действующих на строительные конструкции.

Нужно помнить, что предохранительные конструкции практически не снижают максимального давления, действующего на строительные конструкции, при взрывах взрывчатых веществ и при детонационном горении взрывоопасных смесей, когда число Маха (основная характеристика течения газа, равная отношению скорости течения к скорости звука в той же точке потока)

где р – скорость распространения пламени, м/с,0 – скорость звука в непрореагировавшей части смеси, м/с.

Фундаментальные исследования по обеспечению взрывоустойчивости зданий, определению взрывных нагрузок, необходимых для расчета строительных конструкций на действие внутреннего аварийного взрыва газо-, пароили пыле-воздушных смесей, и анализ причин разрушений строительных конструкций при таких взрывах проводились академиком Шаталовым А. А., д.т.н., академиком Мишуевым А. В., д.т.н., профессором Расторгуевым Б. С., д.т.н., профессорами Пилюгиным Л. П., Горевым В. А., Орловым Г. Г., к.т.н., доцентом Комаровым А. А.

Виды и конструктивное исполнение легкосбрасываемых (предохранительных) конструкций

Предохранительное противовзрывное устройство – устройство в виде специальных окон, остекления или легкосбрасываемых конструкций, раскрывающих на ранней стадии взрыва газо-, паро-, пылевоздушных смесей сбросные проемы в ограждающих конструкциях здания и обеспечивающих за счет истечения газов через вскрывающиеся проемы в атмосферу безопасное давление внутри здания (помещения).

В качестве легкосбрасываемых (предохранительных) конструкций должны использоваться расположенные в наружном ограждении помещений взрывопожароопасных производств остекление в оконных проемах

322

и в фонарях как с неоткрывающимися (рис. 4.5.1), так и открывающимися створками (рис. 4.5.2–4.5.5), а при недостаточной площади остекления - различные виды легкосбрасываемых стеновых панелей (рис. 4.5.7) и конструкции покрытия с эффективным утеплителем (рис. 4.5.6).

Как уже отмечалось ранее, эффективность снижения нагрузок, возникающих при взрывном горении взрывоопасных смесей внутри взрывопожароопасного помещения, зависит, в том числе от избыточного давления, при котором вскрываются легкосбрасываемые (предохранительные) конструкции. Чем меньше величина избыточного давления, при которой вскрываются предохранительные конструкции, тем эффективнее они будут работать при прочих равных условиях.

Эффективность вскрытия ЛСК (ПК) i-го типа* характеризуется коэффициентом Квскр.i, который показывает, какая доля проема, перекрываемого ЛСК (ПК) i-го типа, при ее вскрытии используется для истечения

(ПК) i-го типа не вскрываются, а при Квскр.i = 1 площадь проемов в наружном ограждении взрывопожароопасного помещения, перекрываемых ЛСК

(ПК) i-го типа, используется полностью для истечения газа из взрывопожароопасного помещения в атмосферу. Величина Квскр.i должна вычисляться в зависимости от вида и типа ЛСК (ПК).

* К разным типам ЛСК (ПК) относятся: застекленные проемы, отличающиеся размерами, толщиной, условиями закрепления и количеством используемых для их застекления стекол; оконные переплеты, отличающиеся количеством и типами выполняемых в них застекленных проемов; стеновые облегченные панели; облегченные плиты покрытия.

Классификация ЛСК (ПК)

Исходя из роли массы в закономерностях вскрытия ЛСК (ПК), они могут быть условно разделены на инерционные и безинерционные.

К инерционным целесообразно относить такие ЛСК (ПК), масса которых влияет на закономерности их вскрытия и потому должна учитываться при расчетах. Если влияние массы на закономерности вскрытия ЛСК (ПК) настолько незначительно, что этим влиянием можно пренебречь, то такие ЛСК (ПК) можно считать безинерционными. Вскрытие безинерционного ЛСК (ПК), например, стекол в глухих оконных проемах (рис. 4.5.1), происходит в результате их разрушения. Вскрытие инерционных ЛСК (ПК) достигается, как правило, в результате их смещения, например, смещение облегченных стеновых панелей (рис. 4.5.4), поворот створок оконных переплетов (рис. 4.5.2–4.5.3), смещение плит покрытия (рис. 4.4.5).

Следует различать вертикальные, наклонные и горизонтальные ЛСК (ПК), так как на закономерности вскрытия инерционного ЛСК (ПК) может существенно влиять их положение в ограждающих конструкциях по отношению к поверхности земли.

323

По характеру вскрытия ЛСК (ПК) могут быть разделены на разрушающиеся, например, стекла в оконных переплетах, и неразрушающиеся, вскрытие которых происходит в результате срабатывания специальных крепежных устройств, например, облегченные стеновые панели (рис. 4.4.33), открывающиеся створки оконных проемов (рис. 4.5.4–4.5.6).

Неразрушающиеся ЛСК (ПК), в свою очередь, могут быть разделены на вращающиеся, если образование проема в наружном ограждении происходит в результате поворота ЛСК (ПК), например, оконные переплеты с открывающимися створками (рис. 4.5.2–4.5.3), и смещающиеся, если образование проема в наружном ограждении происходит в результате поступательного движения ЛСК (ПК), например, плиты покрытия (рис. 4.5.6).

Остекление – как один из видов ЛСК (ПК)

Очень широкое применение в качестве легкосбрасываемых (предохранительных) конструкций получило остекление помещений взрывопожароопасных производств, выполняемых в виде стекол в глухих (неоткрываемых) переплетах (рис. 4.4.30) и открывающихся створок оконных переплетов (рис. 4.5.2–4.5.6), так как устройство легкосбрасываемых (предохранительных) конструкций в виде стеновых панелей и плит покрытия приводит к увеличению капитальных и эксплуатационных затрат, а в ряде случаев не обеспечивает эффективного снижения нагрузок при взрывном горении в помещении, а остекление в виде оконных проемов или световых фонарей имеется практически в каждом производственном (складском) помещении исходя из санитарно-гигиенических нормативов и оно может разрушаться при определенных условиях при меньших давлениях, чем ЛСК (ПК) других видов.

Рис. 4.5.2. Фасад здания:

а– без оконных проемов; б – с неоткрывающимися оконными проемами;

в– с неоткрывающимися оконными проемами в ленточном остеклении

324

г)

Рис. 4.5.3. Открывающиеся оконные переплеты в остеклении здания:

а– с верхним горизонтальным шарниром; б – с нижним горизонтальным шарниром;

в– со средним горизонтальным шарниром;

г– условное обозначение открывающихся переплетов

Рис. 4.5.4. Открывающиеся оконные переплеты в светоаэрационном фонаре:

1 - фонарная рама; 2 – фонарная панель; 3 – стеновая панель нижнего ряда; 4 – стеновая панель верхнего ряда; 5 - открывающийся оконный переплет с верхним горизонтальным шарниром; 6 – покрытие фонаря; 7 – основное покрытие здания

∆Pвзр

3

Рис. 4.5.5. Разрез оконной рамы с открывающимся переплетом

свертикальным шарниром:

1– открывающаяся створка; 2 – замок, удерживающий створку в закрытом положении; 3 – неподвижные элементы оконной рамы; 4 – стекло; 5 – вертикальный шарнир

325

Рис. 4.5.6. Разрез оконной рамы с открывающимся переплетом

сверхним горизонтальным шарниром:

а– при одинарном остеклении и б – при двойном остеклении (спаренный переплет); 1 – открывающаяся створка; 2 – неподвижные элементы оконной рамы;

3 – верхний горизонтальный шарнир; 4 – замок, удерживающий створку в закрытом положении; 5 – стекло; 6 – крепление стекла металлическими штапиками с резиновым уплотнителем; 7 – шарнир, используемый при раскрытии спаренных створок для их чистки внутри; 8 – замок, соединяющий спаренные створки в сомкнутом состоянии

Внастоящее время в СП 4 [20] указывается, что стекло, заключенное

вглухие оконные переплеты, относится к легкосбрасываемым конструкциям при его толщине 3, 4 и 5 мм и площади соответственно не менее 0,8; 1,0 и 1,5 м2, а армированное стекло не относится к легкосбрасываемым. Эти нормативные требования никак не увязываются с давлениями, при которых стекло таких размеров и толщины может разрушиться, а также не связаны с возможностью применения двойного или тройного остекления.

Образование проемов в неоткрывающихся оконных переплетах (рис. 4.5.6) зданий происходит в результате разрушения стекол под действием избыточного давления, возникающего в помещении при взрывном горении взрывоопасной смеси.

Закономерности вскрытия остекления в значительной мере зависят от размеров стекол и их толщины, условий закрепления и вида остекления (одинарное, двойное или тройное, стеклопакет), то есть зависят от прочностных характеристик и от особенностей их разрушения.

Известно, что из-за наличия на поверхности и внутри стекла большого количества микротрещин значения прочности его имеют большой разброс. И это несмотря на одинаковые исходные условия при испытаниях одинаковых стекол, поэтому можно сказать, что прочность стекла является случайной величиной, а наиболее полную характеристику случайной величины дают законы ее распределения.

326

Чтобы узнать, при каких нагрузках разрушается тот или иной вид остекления, необходимо проведение значительного количества экспериментов. Для этого использовалась экспериментальная установка (рис. 4.5.7, 4.5.8), смонтированная в лаборатории взрывобезопасности МГСУ (бывший МИСИ им. В. В.Куйбышева), в которой возможно создание условий временного нагружения стекол нагрузкой при помощи сжатого воздуха, аналогичных условиям при взрывном горении взрывоопасных смесей в помещении.

После проведения серии испытаний (в среднем не менее 100 испытаний с каждым типом стекла) строятся гистограмма (частности разрушения стекла в определенном интервале нагрузок – рис. 4.5.9, а) и функция распределения разрушающей нагрузки (накопленные частности – рис. 4.5.9, б). Как видно по гистограмме (рис. 4.5.9, а) 17 стекол разрушается в интервале от 9 до 10 кПа, а по графику функции распределения (рис. 4.5.9, б) при q = 12 кПа разрушается до 80 % стекол данного размера и толщины. Кроме всего прочего, при различной нагрузке освобождается не весь оконный проем, а только его часть (рис. 4.5.10). При этом полностью от стекла оконный проем никогда не освобождается, а до 10–15% площади стекла остается в осколках. Для стекол, закрепленных в оконном переплете по всему контуру, вначале (при небольшой нагрузке) максимальное напряжение возникает в центре пластины стекла. По мере увеличения нагрузки максимальное напряжение смещается по диагоналям от центра стекла к его углам. При нагрузках, близких к разрушающим, значительные напряжения возникают на краях стекла. Несмотря на то, что эти напряжения меньше максимальных напряжений в углах стекла, в ряде случаев они являются причиной разрушения последнего. Повреждения на кромках стекла, образующиеся при его резке, также сказываются на его общей прочности.

Рис. 4.5.7 Внешний вид экспериментальной установки по определению нагрузки, разрушающей стекла

327

Рис. 4.5.8. Схема экспериментальной установки по определению нагрузки, разрушающей стекла:

1 – камера; 2 – стекло; 3 – рассекатель струи воздуха; 4 – датчик давления; 5 – манометр воздушный; 6, 7 – краны подачи воздуха; 8 – кран выпуска воздуха

в атмосферу; 9 – перекрывной кран; 10 – основание установки; 11 – система упоров установки; 12 – измерительные приборы (условно не показаны); 13 – трубопровод подачи воздуха в камеру; 14 – ресивер; 15 – предохранительный клапан; 16 – компрессор; 18 – трубопровод подачи воздуха в ресивер; 19 – нагревательные элементы;

20 – термопары

Рис. 4.5.9, а – гистограмма (частости разрушения стекол в определенном интервале нагрузок) и б – функция распределения разрушающей нагрузки (накопленные частости)

328

Проведенные испытания позволили также выявить зависимость площади разрушающегося оконного проема от величины нагрузки, при этом наблюдается тенденция увеличения площади, освобождаемой от стекла, при увеличении разрушающей стекло нагрузки (рис. 4.5.10). Как видно из приведенного графика, при разрушении стекол в застекленных им проемах всегда остаются осколки, что также не учитывается в современных нормативных документах.

На основании теоретических исследований и большого количества экспериментальных данных [31, 32, 33] была выявлена зависимость между ожидаемой относительной площадью вскрывающегося остекления вскр и величиной разрушающего избыточного давления (рис. 4.5.10) при = ∆ доп, т. е. были связаны вид остекления, размеры стекол и их толщина с нагрузка-

ми, которые вызывают их разрушение. Например, при = ∆ доп = 4 кПа вскрывается 60% площади стекол размером 1,2×1,5 м при толщине 4 мм и

только 25 % площади стекол с толщиной 5 мм, а при одной и той же нагрузке= ∆ доп = 4 кПа и толщине стекла 4 мм вскрывается 60% площади стекол размером 1,2×1,5 м и около 15% площади стекол размером 1,2×1,2 м.

Рис. 4.5.10. Характер разрушения стекол, закрепленных в металлической раме металлическими уголками с резиновым уплотнителем

329