Эффективность применения водяного орошения светопрозрачного заполнения

Вскрытие проемов оказывает решающее влияние на динамику развития пожара. При разрушении стекла в помещение начинает интенсивно поступать воздух, что способствует быстрому распространению пожара. Можно предположить, что если, каким-то образом, предотвратить вскрытие проемов, то пожар вскоре потухнет из-за нехватки окислителя. Таким образом, необходимо предотвратить вскрытие проемов, как минимум в течение 15 минут от момента начала пожара, чтобы пожарные подразделения успели прибыть и приступить к его тушению, предотвратив тем самым его дальнейшее распространение. 

Наиболее эффективным способом предотвращения преждевременного разрушения и обеспечения необходимой пожароустойчивости светопрозрачных конструкций, является использование водяного орошения как части системы АУП (автоматические установки пожаротушения)

Целью работы являлось изучить поведение при нагреве огнестойкого светопрозрачного заполнения строительных конструкций и установить влияние водяного орошения на его пожароустойчивость.

Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: 

- разработать методику расчета времени разрушения светопрозрачных конструкций при пожаре; 

- установить критерии разрушения светопрозрачного заполнения строительных конструкций; 

- установить критерии и параметры огнезащиты огнестойких и ламинированных светопрозрачных конструкций водяным орошением; 

- разработать нормативные требования пожарной безопасности по применению водяного орошения для огнезащиты светопрозрачного заполнения строительных конструкций. 

Определим, в какой момент времени развития пожара происходит вскрытие проемов. Из литературы известно, что существует 7 фаз пожара (Рисунок 1). Примерно на 7 минуте, при температуре газовой среды в помещении 300 °С, наступает III фаза пожара и происходит разрушение остекления. После вскрытия проемов резко изменяется интенсивность газообмена: она резко возрастает, интенсифицируется процесс оттока горячих продуктов горения и приток свежего воздуха в зону горения. При изменении условий газообмена возрастают такие параметры пожара, как полнота сгорания, скорость выгорания и скорость распространения процесса горения. Соответственно резко возрастает удельное и общее тепловыделение на пожаре. Температура достигает 800-900 °С, это происходит на IV фазе пожара. На V-VII фазах пожара происходит стабилизация горения и интенсивность пожара постепенно снижается вплоть до прекращения горения.

Рисунок 1. Фазы пожара. Изменение основных параметров пожара во времени.

Можно сделать вывод, что если на III фазе пожара не произойдет вскрытия проемов (разрушения остекления), то развитие пожара перейдёт сразу же на VI и VII фазу пожара, минуя наиболее опасные IV-V фазы пожара, где происходит интенсивное горение при высокой температуре. Следовательно, исключается возможность перехода пожара на другой этаж или в другое помещение.

В настоящее время в строительстве, для заполнения проемов в светопрозрачных конструкциях, все чаще применяется триплекс, имеющий, в отличие от закалённого стекла, высокую ударопрочность. Это весьма важно, так как СПК имеют большую площадь и часто используются на наружных фасадных системах. Триплекс состоит из двух листов стекла, склеенных между собой с помощью высокопрочной полимерной пленки или полимерной композиции, которая обладает повышенной механической прочностью и защитой от УФ-излучения.

Рассмотрим несколько способов повышения пожароустойчивости светопрозрачных конструкций.

1) Конструктивный:

- усиление конструкции с помощью добавления дополнительного слоя (стекло, стекло + плёнка). На уже имеющейся стеклопакет наклеивается плёнка или монтируется еще одно стекло.

- использование огнестойкого стекла с гелевым заполнением. Замена уже существующего стекла в конструкции на огнестойкое

2) Применение противопожарных штор.

- установка противопожарных штор на всей протяжённости светопрозрачных конструкций.

3) Применение дренчерных завес.

- размещение дренчерной завесы по всей длине светопрозрачной конструкции. Дренчерная завеса обеспечивает отсечение "стеной огнетушащего вещества" помещения, где возникло возгорание, от других помещений здания и устанавливается в дверные или иные проёмы.

4) Применение водяного орошения светопрозрачного заполнения.

Орошение водой светопрозрачного заполнения строительных конструкций с помощью спринклерных (дренчерных) оросителей. Суть способа заключается в размещении спринклерных (дренчерных) оросителей в непосредственной близости от защищаемого светопрозрачного заполнения. Снижение прочности стекла начинается уже при +100 °С и продолжается с ростом температуры. При орошении водой, поверхность стекла охлаждается, вследствие чего прочность стекла остается неизменной. Водяное орошение не даёт стеклу прогреться до критической температуры разрушения. Водяное орошение является самым распространённым способом защиты СПК, так как этот способ является наиболее экономически выгодным и технически простым.

Стекло и конструкции, в которое оно входит в качестве заполнения, являются негорючими, но стекло обладает низкой прочностью, а значит, не может служить серьезным препятствием для огня, дыма и токсичных продуктов горения, выделяющихся при пожаре. Например, при воздействии высоких температур, обычное листовое стекло разрушается уже на 3-5 минуте пожара. У этого вида стекла отсутствует предел огнестойкости, так как оно не способно сопротивляться воздействию пожара и распространению его опасных факторов. Следовательно, разрушение светопрозрачного заполнения строительных конструкций является одной из главных причин распространения пожара в здании. 

На данный момент, нет четко определенных критериев разрушения СПК. Многие факторы, такие как размер окна, тип профиля, толщина стекла, дефекты стекла, вертикальный перепад температур и плотности теплового потока, прямо или косвенно влияют на время разрушения. С учетом отсутствия постоянных величин, становится невозможным моделирование разрушения стекла во время пожара.

Методика расчета разрушения СПК состоит из нескольких этапов: 

– расчет динамики развития пожара; 

– расчет динамики теплового воздействия на CПК; 

– расчет динамики прогрева и роста температуры защищаемого стекла; 

– расчет фактической пожароустойчивости, т.е. времени наступления предельного состояния для СПК, при котором конструкция теряет огнепреграждающую способность; 

– определение эффективности различных способов и средств огнезащиты, включая водяное орошение, которые защищают от прогрева и повышают пожароустойчивость СПК.

Определение критериев разрушения строительного стекла при тепловом воздействии

При воздействии высоких температур стекло разрушается на 3-5 минуте от начала огневого воздействия. Разрушение может произойти гораздо раньше, в зависимости от температуры окружающей среды и вида светопрозрачного заполнения. Наличие большого количества критериев разрушения для разнообразных видов стекла не позволяет точно ответить на вопрос: когда произойдёт разрушение СПК. В связи с этим были проведены испытания с целью уточнения критериев разрушения при пожаре. Испытания проводились на образцах листового стекла, наиболее распространенного в нашей стране. В результате данных испытаний также определялось влияние перепада температур на обогреваемой и необогреваемой сторонах стекла на время разрушения образца.

При проведении испытаний с различной динамикой нарастания плотности теплового потока, разрушение происходило при плотности теплового потока 10 кВт/м² и температуре на необогреваемой поверхности 116 °С (Рисунок 2). Отличие заключается во времени разрушения: при более интенсивной динамике нагрева разрушение происходит на 6 минуте испытания, при медленной динамике нагрева – на 9 минуте.

Результаты испытаний подтвердили зависимость времени разрушения листового стекла от динамики нарастания падающего теплового потока, которая имеет высокую вероятность в условиях реального пожара. Можно предположить, что, при различных режимах теплового воздействия, стекло начинает разрушаться при достижении температуры поверхности в диапазоне 80 - 100 °С.

Рисунок 2. Динамика нагрева листового стекла 3 мм при медленном и быстром нарастании плотности теплового потока 

Также результаты экспериментов дают основание полагать, что критериями разрушения стекла могут служить следующие факторы: 

- плотность падающего теплового потока на поверхность стекла, кВт/м²; 

- скорость роста температуры поверхности стекла, °С/с; 

- достижение поверхностью стекла критической температуры. 

Испытания триплекса без орошения проводились при стандартном температурном режиме пожара. Эксперимент показал, что триплекс 3.3.1 имеет предел огнестойкости Е30. Во время испытания на 5-й минуте, пленка загорается и выгорает, в среднем, за 6 минут. При этом, горение происходит с выделением большого количества едкого дыма. Температура на поверхности на 20-й минуте испытания превышает 350 °С (рисунок 3, а). Такая температура может спровоцировать дальнейшее распространение пожара из-за лучистого излучения, от которого триплекс не защищает.

При испытаниях с водяным орошением подача воды осуществлялась с помощью медной перфорированной трубки с расходом 0,05 л/с. Расход подбирался из условия равномерности орошения образца. Испытания показали, что предельные значения показателей Е, I и W не достигаются на протяжении 45 минут, независимо от того, на какую сторону подается вода для орошения (обогреваемую или необогреваемую). Это происходит, в первую очередь, в результате того, что вода препятствует выгоранию пленки (рисунок 3, б) и образец сохраняет свою целостность. На 16-й минуте испытания, при орошении водой с обогреваемой стороны, температура на необогреваемой поверхности образца не превышает 200 °С, а при орошении с необогреваемой стороны — 70 °С.

Данный вывод хорошо подтверждается снимками тепловизора, которые были сделаны в ходе экспериментов (Рисунок 4).Рисунок 4 – Поля температур на необогреваемой стороне образца (45 минута испытания): а) без водяного орошения; б) с водяным орошением

Наиболее эффективным способом водяного орошения является применение спринклерных оросителей, так как они расходуют меньший объем воды по сравнению с другими системами пожаротушения, что актуально для высотных зданий. Спринклерная система запускается после того, как происходит разрушение термического замка при достижении критической температуры, на которую рассчитан ороситель.

Для того, чтобы определить наиболее эффективную схему защиты СПК при помощи водяного орошения, был проведен натурный эксперимент. При проведении натурного эксперимента применялся стенд с применением дренчерных оросителей 3 типов. Наиболее эффективным способом защиты светопрозрачного заполнения строительных конструкций являлась защита при помощи дренчерного оросителя типа ДВН-12. Это связано с наибольшей площадью защищаемой поверхности стекла и комплексным эффектом охлаждения защищаемой конструкции. Также следует отметь, что данный тип дренчерных оросителей наиболее часто применяется при монтаже АУП в общественных зданиях в настоящее время.

На основании проведенных экспериментальных и теоретических исследований были установлены, критерии разрушения стекла при пожаре: 

- плотность теплового потока более 4 кВт/м²; 

- при статическом нагреве – достижение температуры стекла 80-100 °С; 

- при динамическом нагреве - достижение температуры стекла 110-120 °С. 

Установлено, что равномерное водяное орошение обогреваемой стороны триплекса и огнестойкого стекла (с нерастворимым в воде огнезащитным слоем) позволяет повысить их пожароустойчивость более чем в 2 раза. Так, при орошении c расходом 0,14 л/см пожароустойчивость СПК с пределом огнестойкости EIW 15 возрастает более чем на 30 минут.

Обоснованы требования к размещению водяных оросителей для огнезащиты СПК:

- оросители должны обеспечивать равномерное орошение всей поверхности конструкции; 

- между оросителями и защищаемой поверхностью не должно быть препятствий (шторы, жалюзи и т.п.); 

- не допускается орошение водой огнестойких светопрозрачных конструкций с водорастворимым огнезащитным слоем; 

- огнезащиту ламинированного стекла (триплекса) равномерным водяным орошением следует предусматривать со стороны огневого воздействия.