Обґрунтування параметрів тришарових перегородок з мінераловатними плитами для будівель та споруд

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО УКРАЇНИ З ПИТАНЬ НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЙ ТА У СПРАВАХ ЗАХИСТУ НАСЕЛЕННЯ ВІД НАСЛІДКІВ ЧОРНОБИЛЬСЬКОЇ КАТАСТРОФИ

УКРАЇНСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ ПОЖЕЖНОЇ БЕЗПЕКИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

21.06.02 - пожежна безпека

Обґрунтування параметрів тришарових перегородок з мінераловатними плитами для будівель та споруд

ВИКОНАВ КАЧКАР ЄВГЕН ВОЛОДИМИРОВИЧ

Київ - 2009

АНОТАЦІЯ

Качкар Є.В. Обґрунтування параметрів тришарових перегородок з мінераловатними плитами для будівель та споруд - рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.02 - пожежна безпека. Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки МНС України, Київ, 2009.

Робота присвячена вирішенню актуальної науково-технічної задачі - виявлення взаємозв'язку між параметрами тришарових перегородок з мінераловатними плитами та їх вогнестійкістю, як наукового підґрунтя їх застосування в будівництві, з урахуванням вимог пожежної безпеки.

Здійснено порівняльний аналіз існуючих методів визначення вогнестійкості будівельних конструкцій. Сформульоване поняття, необхідність та розроблене методичне забезпечення застосування розрахунково-експериментального методу для визначення характеристики вогнестійкості будівельних конструкцій. Розроблена практична методика визначення характеристики вогнестійкості тришарових перегородок з мінераловатними плитами, яка порівняно з існуючим суто експериментальним методом є менш вартісною та може широко застосовуватися для вирішення задач пошуку оптимального конструктивного рішення із забезпечення необхідної вогнестійкості будівель і споруд.

Ключові слова: вогнестійкість, методичне забезпечення, параметри, тришарові перегородки, вогневі випробування, моделювання.



1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Щороку на території України виникає близько 50 тис. пожеж, 3/4 з яких - в будівлях та спорудах різного призначення. При цьому кількість загиблих на таких об'єктах перевищує 3 тис. осіб на рік. Однією з причин такого стану є використання матеріалів із невідомими показниками пожежної небезпеки, а також будівельних конструкцій (у т.ч. перегородок) із межею вогнестійкості, які не відповідають нормативним вимогам пожежної безпеки.

Останнім часом налагоджено виробництво і набуває поширення у будівництві тришарові перегородки з мінераловатними плитами. З точки зору покращання стану пожежної безпеки будівель і споруд ефективне застосування зазначених конструкцій можливе лише за умов урахування їхньої вогнестійкості, а також зменшення проміжку часу та матеріальних витрат на її визначення. Існуючий метод визначення межі вогнестійкості перегородок, що регламентується вимогами ДСТУ Б.В.1.1-15-2007 «Захист від пожежі. Перегородки. Метод випробування на вогнестійкість. Загальні вимоги», потребує значних витрат коштів (вартість одного випробування становить 15-25 тис. грн.) та часу на проведення вогневих випробувань. Крім того, цей метод обмежений в застосуванні у будівництві внаслідок недостатньо розвиненої випробувальної бази в Україні. Існуючі розрахунково-експериментальні методи визначення меж вогнестійкості будівельних конструкцій, запропоновані, зокрема Кошмаровим Ю.А., Страховим В.Л., Круковським П.Г. та ін., не використовувались для оцінки вогнестійкості перегородок, у зв'язку з обмеженістю теоретичного та експериментального обґрунтування взаємозв'язку між параметрами огороджувальних конструкцій та їх вогнестійкістю.

Вищезазначене зумовило актуальність вирішення науково-технічної задачі виявлення взаємозв'язку параметрів тришарових перегородок з мінераловатними плитами з їх вогнестійкістю, як наукового підґрунтя для їх застосування в будівництві, з урахуванням вимог пожежної безпеки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилися в рамках «Програми забезпечення пожежної безпеки на період до 2010 року», затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України від 1 липня 2002 року № 870, під час виконання науково-дослідної роботи за темою: «Провести дослідження та розробити експериментально-розрахунковий метод оцінювання вогнестійкості будівельних конструкцій на основі польових моделей «Вогнестійкість - метод оцінювання»», що виконується в УкрНДІПБ МНС України (п.1.4.5 плану НД та ДКР, протокол НТР № 10 від 28.08.2008 р.), в якій здобувач розробив методичне забезпечення щодо застосування розрахунково-експериментального методу для визначення вогнестійкості перегородок та виявив взаємозв'язок між параметрами тришарових перегородок із мінераловатними плитами та їх вогнестійкістю.

Мета й задачі дослідження. Метою роботи є розробка методичного забезпечення щодо застосування розрахунково-експериментального методу для визначення параметрів тришарових перегородок з мінераловатними плитами з урахуванням їх вогнестійкості.

Для досягнення цієї мети необхідно вирішити такі задачі:

1. Провести аналіз статистики пожеж та виявити фактори і параметри, що впливають на оцінку вогнестійкості будівель та споруд.

2. Провести порівняльний аналіз існуючих методів оцінювання вогнестійкості будівельних конструкцій, зокрема, тришарових перегородок з мінераловатними плитами.

3. Сформулювати поняття та необхідність розробки методичного забезпечення застосування розрахунково-експериментального методу для визначення вогнестійкості будівельних конструкцій, зокрема тришарових перегородок із мінераловатними плитами.

4. Розробити методичне забезпечення щодо застосування розрахунково-експериментального методу для визначення характеристики вогнестійкості тришарових перегородок з мінераловатними плитами, основними складовими якого є:

- вибір математичної моделі теплових процесів у тришарових перегородках в умовах вогневих випробувань;

- визначення переліку та функціонального виду параметрів, які необхідно розраховувати за допомогою обернених задач за даними вогневих випробувань;

- визначення мінімально необхідної кількості зразків для вогневих випробувань перегородок, яка забезпечує достовірність розрахунків залежності мінімальної товщини перегородки від необхідної межі вогнестійкості.

5. Провести аналіз залежності теплофізичних характеристик мінераловатних плит тришарових перегородок від температури в діапазоні 20-1000 ^оС, що пов'язано з фізико-хімічними процесами, які відбуваються в цих плитах.

6. Провести апробацію застосування розрахунково-експериментального методу при визначені залежності товщини від межі вогнестійкості тришарових перегородок з мінераловатними плитами SANDWICHROCK фірми ROCKWOOL густиною 117 кг/м³ та ITALPANNELLI S.r.l. густиною 100 кг/м³.

Об'єктом досліджень є вогнестійкість тришарових перегородок з мінераловатними плитами, що застосовуються при будівництві будівель і споруд.

Предметом досліджень є методи оцінювання вогнестійкості будівельних конструкцій, а також вплив параметрів й факторів на вогнестійкість тришарових перегородок з мінераловатними плитами.

Методи дослідження. Для досягнення мети й вирішення задач, що поставлені в дисертаційній роботі, використаний комплексний підхід, який включав аналіз статистики пожеж та вимог нормативних документів щодо вогнестійкості будівельних конструкцій та методів її оцінювання. Для визначення межі вогнестійкості тришарових перегородок з мінераловатними плитами використані експериментальні методи дослідження поведінки зразків при нагріванні, що регламентовані вимогами ДСТУ Б В.1.1-15-2007. Теплофізичні властивості внутрішнього заповнення перегородок визначено шляхом застосування методів математичного моделювання (розв'язок прямих та обернених задач теплопровідності) на підставі апробованих диференційних рівнянь теплообміну.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше теоретично та експериментально встановлено залежності мінімальної товщини (b_{c min}) вогнезахисного теплоізоляційного внутрішнього шару з густиною 100 кг/м³ та 117 кг/м³ від необхідної межі вогнестійкості (t_fr) тришарових перегородок з мінераловатними плитами, які описуються рівняннями:

b_{c min (100 кг/м}³₎ = 6·10^-5· t_fr³ - 0,0155·t_fr² + 1,8374·t_fr + 1,8288,

b_{c min (117 кг/м}³₎ = 8·10^-5· t_fr³ - 0,0224·t_fr²+ 2,6122·t_fr - 3,9159.

2. Набуло подальшого розвитку використання розрахунково-експериментальних методів оцінювання вогнестійкості будівельних конструкцій шляхом адаптування такого методу до визначення вогнестійкості тришарових перегородок з мінераловатними плитами і вперше запропоновано методичне забезпечення його застосування.

3. Вперше науково обґрунтовано параметри тришарових перегородок з мінераловатними плитами (теплопровідність, питома об'ємна теплоємність та граничні умови теплообміну поверхні перегородки, що не обігрівається), які забезпечують нормовані вимогами пожежної безпеки значення меж вогнестійкості 15 хв, 30 хв, 60 хв, 75 хв, 120 хв, 150 хв та 180 хв таких перегородок.

Практичне значення отриманих результатів полягає в застосуванні запропонованої методики для оцінювання вогнестійкості тришарових перегородок з мінераловатними плитами, які використовуються в будівництві та використанні отриманих результатів при розробці відповідної нормативної документації, для визначення нормованих вимогами пожежної безпеки меж вогнестійкості, що в порівнянні з існуючим методом є менш вартісним, оскільки потребує значень температурних вимірювань при випробуванні 1-го зразка, та може широко застосовуватися для вирішення задач пошуку оптимального конструктивного рішення щодо забезпечення необхідної вогнестійкості будівель і споруд. Розроблене методичне забезпечення щодо застосування розрахунково-експериментального методу для визначення вогнестійкості тришарових перегородок з мінераловатними плитами впроваджені в навчальний процес Академії пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля МНС України, при вивченні дисциплін: «Будівлі й споруди та їх поведінка в умовах пожежі» та «Пожежна профілактика в населених пунктах», апробовані на ТОВ «Черкасархпроект».

Особистий внесок здобувача - визначення мети і завдань досліджень, аналіз літературних джерел, розробка методичного забезпечення щодо застосування розрахунково-експериментального методу визначення межі вогнестійкості тришарових перегородок з мінераловатними плитами. Проведення дослідження впливу параметрів тришарових перегородок на їх вогнестійкість, визначення теплофізичних характеристик мінераловатних базальтоволокнистих матеріалів і визначення залежностей мінімальної товщини перегородки від необхідної межі вогнестійкості, аналіз отриманих результатів досліджень, впровадження результатів роботи. Підготовка матеріалів до опублікування в наукових виданнях.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційних досліджень доповідалися автором на міжнародній науково-практичній конференції «Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация», - Мінськ, Республіка Білорусь, 2007; 15-й Ювілейній міжнародній науково-практичній конференції науково-педагогічного складу «Предупреждение. Спасение. Помощь», - Хімки, Російська Федерація, 2007; Міжнародній науково-практичній конференції «Пожежна безпека-2007», - Черкаси, 2007; Науково-практичній конференції «Актуальные проблемы пожарной безопасности», - Балашиха, Російська Федерація, 2008; V Міжнародній науково-практичній конференції «Чрезвычайные ситуации: Предупреждение и ликвидация», - Мінськ, Республіка Білорусь; Міжнародній науково-практичній конференції ад'юнктів, курсантів та студентів «Пожежна безпека та охорона праці» - Черкаси, 2009; науково-практичному семінарі «Актуальні проблеми у сфері забезпечення пожежної безпеки та проведення аварійно-рятувальних робіт і пожежогасіння» в рамках VI міжнародної спеціалізованої виставки «ПОЖЕКСПО-2009», - Київ, 2009; науково-практичному семінарі в рамках проведення VIII Міжнародного виставкового форуму «Технології захисту-2009», - Київ.

мінераловатний будівельний безпечність вогнестійкість

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У ВСТУПІ наведено аналіз статистики пожеж, обґрунтовано вибір й актуальність теми дослідження, сформульовано мету роботи, задачі досліджень, наукову новизну, особистий внесок здобувача й практичне значення роботи.

У ПЕРШОМУ РОЗДІЛІ наведено аналіз вимог нормативних документів, який показав, що для визначення вогнестійкості будівельних конструкцій пріоритетними є натурні вогневі випробування. Однак, їх застосування має обмеження, обумовлене високою вартістю, трудомісткістю й складністю проведення експериментів. Показано, що існуючий, суто експериментальний метод визначення меж вогнестійкості багатошарових перегородок, що викладений у ДСТУ Б В.1.1-15-2007, не може широко застосовуватися для вирішення задач пошуку оптимальних конструкцій щодо забезпечення необхідної вогнестійкості будівель та споруд.

У наукових працях Ройтмана В.М., Мілованова А.Ф., Кошмарова Ю.А., Страхова В.Л., Крутова А.М., Круковського П.Г., Харченка І.А., Новака С.В., Демчини Б.Г., Яковлєва А.І. та ін. розглянуто застосування розрахунково-експериментального методу визначення меж вогнестійкості й характеристик вогнезахисної здатності різних видів будівельних конструкцій й їх елементів. Цей підхід набув розвитку і застосування для визначення характеристик вогнезахисної здатності вогнезахисних покриттів на металевих конструкціях (у роботах Круковського П.Г., Новака С.В. та Цвіркуна С.В.); умов застосування гіпсокартонних плит як вогнезахисних оздоблювальних матеріалів будівельних конструкцій (у роботі Довбиша С.В.); у роботі Новака С.В. також вирішені завдання теплового проектування вогнестійких сейфів та аварійних реєстраторів польотних даних. Фактично для кожного конкретного об'єкта дослідження в кожній із перерахованих вище робіт розроблялося своє методичне забезпечення щодо застосування розрахунково-експериментального методу для визначення вогнестійкості будівельних конструкцій.

В існуючих на сьогодні роботах розглядаються моделі, що описують процеси теплообміну різних вогнезахисних будівельних конструкцій та часто враховують граничні умови, які вважаються незмінними упродовж всього вогневого впливу. Такий підхід є занадто наближеним й може призводити до значних похибок при розрахунках.

Проведений аналіз дозволив сформулювати мету й перелік задач, виконання яких дозволить застосувати розрахунково-експериментальний метод для визначення залежності товщини тришарових перегородок від необхідної межі вогнестійкості.

У ДРУГОМУ РОЗДІЛІ представлені схеми розрахунково-експериментального методу і методичного забезпечення його застосування. Розрахунково-експериментальний метод (РЕМ) є сукупність експериментальних і розрахункових процедур, які дозволяють визначати необхідні характеристики об'єкту, що досліджується, зокрема залежності товщини тришарових перегородок від необхідної межі вогнестійкості. Як зазначалося вище, РЕМ потенційно є потужним і точним методом порівняно з суто експериментальними або розрахунковими методами. Як видно з 1, у загальному плані РЕМ має такі основні складові, як проведення випробувань (експериментальна частина РЕМ), так і вибір математичної моделі фізичних процесів, які відбуваються в об'єкті, що досліджується, а також процедури визначення параметрів моделі шляхом розв'язання обернених задач і визначення характеристики вогнестійкості шляхом розв'язання прямих задач (розрахункова частина РЕМ).

Зазначені процедури, що входять до складу розрахунково-експериментального методу, можуть мати ряд особливостей, як в експериментальній, так і в розрахунковій частині. При застосуванні розрахунково-експериментального методу актуальним стає питання щодо необхідності уточнення та дослідження особливостей для об'єктів, що досліджуються. Процес уточнення таких особливостей назвемо розробкою методичного забезпечення щодо застосування розрахунково-експериментального методу для визначення характеристики вогнестійкості досліджуваного об'єкта.

Тому, в роботі вперше розглядається питання щодо необхідності розробки поняття методичного забезпечення, яке можна сформулювати наступним чином. Методичне забезпечення (МЗ) застосування розрахунково-експериментального методу - це сукупність всіх складових експериментальних і розрахункових процедур, що дозволяють із необхідною точністю визначити характеристику досліджуваного об'єкта з урахуванням особливостей проведення вогневих випробувань і фізичних процесів, що протікають в об'єкті дослідження.

Розробка методичного забезпечення застосування РЕМ передбачає правильний вибір складової математичної моделі процесів тепломасообміну, що відбуваються в перегородках, науково обґрунтований вибір кількості зразків, необхідних для достовірного визначення характеристики вогнестійкості конструкцій, що досліджуються, а також правильно обрані метод і алгоритм розв'язання обернених задач для визначення теплофізичних характеристик внутрішнього теплоізоляційного шару в перегородках та інших параметрів математичної моделі, які є недостатньо відомими.

У роботі запропоновано алгоритм розробки методичного забезпечення розрахунково-експериментального методу для визначення залежності товщини перегородок від межі вогнестійкості, реалізація якого можлива на основі розв'язання методичних (тестових) задач, в яких натурний експеримент (випробування) замінюється обчислювальним експериментом, за допомогою якого видається можливим провести дослідження й знайти всі складові процедури застосування РЕМ до об'єктів дослідження.

ТРЕТІЙ РОЗДІЛ присвячений розробці всіх вищезазначених складових методичного забезпечення щодо розрахунково-експериментального методу для визначення залежності товщини перегородок від межі вогнестійкості на засаді теоретичних досліджень, а саме розв'язання методичних (тестових) задач за допомогою математичної моделі теплових процесів, що відбуваються у тришарових перегородках, й аналізу ідентифікованості її параметрів. Фізична модель включає в себе геометрію перегородки, яка складається з шарів товщиною д1, д2, д3 (рис. 2). Зовнішні металеві шари однакової товщини д1= д3 = 0,5 мм. Загальна товщина перегородки Х=д1+д2+д3. При вогневому випробуванні ліва поверхня перегородки (x=0) нагрівається конвективно-радіаційним теплообміном від гарячих газів у печі з температурою Т_С1, близької до стандартного температурного режиму. Права поверхня (x=Х) охолоджується в навколишнє середовище з температурою Т_С2. Усередині перегородки тепло передається теплопровідністю від лівого металевого листа до мінераловатної плити й далі від неї через правий металевий лист у навколишнє середовище. Приймається умова ідеального теплового контакту між шарами перегородки. При випробуванні таких перегородок вимірюється температура на границі x=Х.

Методичне забезпечення щодо застосування РЕМ було розроблено за наступним алгоритмом.

1. Спочатку на основі окресленої вище фізичної моделі та експериментальних даних була обрана та вдосконалена математична модель теплових процесів, що відбуваються у тришарових перегородках.

Обрана математична модель складається з рівняння теплопровідності (1) та умов однозначності (2-9) і має такий вигляд:

(1)

, (2)

, (3)

, (4)

, (5)

, (6)

, (7)

, (8)

_с2=1,66·(Т(Х,t) -Т_с2+60·v_в²/h)^0.33+·C₀[(Т(Х,t)/100)⁴-Т_с2/100)⁴]/( Т(Х,t) -Т_с2), (9)

де с_V - питома об'ємна теплоємність, - коефіцієнт теплопровідності, T - температура, t - час, x - координата, _с1 - коефіцієнт тепловіддачі від гарячих газів до металевої поверхні, що нагрівається, _с2 - коефіцієнт тепловіддачі від металевої поверхні, що необігрівається, C₀ - випромінювальна здатність абсолютно чорного тіла, - коефіцієнт теплового випромінювання поверхні металевого листа перегородки; T_с1 - температура гарячих газів у печі при випробуванні, Т₀ - початкова температура перегородки перед випробуванням. Індекси «М», «І» визначають, що розглянуті параметри відносяться до шару металу й теплоізоляційного шару відповідно.

Вдосконалення математичної моделі (1) - (8) було запропоновано в частині вибору коефіцієнта тепловіддачі у вигляді залежності (9), згідно з якою коефіцієнт тепловіддачі б_с2 від металевого оцинкованого листа у навколишнє середовище враховує також радіаційну складову теплообміну. В (9) A=1,66 - емпіричний коефіцієнт для тепловіддачі від вертикальних поверхонь; V_в- швидкість повітря біля поверхні перегородки (для умов випробувальних лабораторій - в діапазоні 0,5-2 м/с); h - характерний розмір перегородок (у даному випадку - 3,2 м). Слід відзначити, що тільки з цією, знайденою в літературі емпіричною формулою (запропонованою В.М. Богословським), з'явилася можливість ефективного застосування РЕМ для визначення залежності мінімальної товщини перегородки від межі вогнестійкості.

Коефіцієнт теплопровідності _І та питома об'ємна теплоємність c_VІ для теплоізоляційного шару в рівняннях (4) та (5) є функції температури і апроксимуються сплайн-функціями 3-го порядку з кількістю вузлів 4 при температурах 0, 300, 600 та 1000 ^оС

Система рівнянь математичної моделі (1) - (9) розв'язується чисельним методом кінцевих різниць із застосуванням неявної чотирьохточкової схеми апроксимації.

2. Далі було обрано метод та алгоритм розв'язання обернених задач теплопровідності для розрахунку необхідних параметрів моделі за даними вогневих випробувань. Як найбільш загальний метод розв'язання обернених задач теплопровідності був обраний екстремальний метод, згідно з яким знаходяться такі значення параметрів Р, для яких величина середньоквадратичного відхилення F розрахункових Т_М,i і експериментальних Т_Е,i значень температур на необігрівній поверхні перегородки в місцях розташування термопар (точка x = Х) буде мінімальною

, (10)

де n - кількість експериментальних значень температури в часі.

3. Далі на основі аналізу чутливості параметрів обраної математичної моделі був знайдений перелік параметрів моделі, які необхідно визначати (ідентифікувати) розв'язанням обернених задач теплопровідності, оскільки точність розрахунку теплового режиму перегородок та залежності мінімальної товщини перегородки від межі вогнестійкості значною мірою визначається точністю завдання цих параметрів моделі, яка описує реальні процеси теплообміну при вогневих випробуваннях.

Для визначення ступеня впливу параметрів моделі на залежність товщини перегородки від межі вогнестійкості був проведений аналіз чутливості температури в точці х=Х до параметрів моделі, що наведені в табл. 1. Процес визначення ступеня впливу параметрів моделі на вихідний результат (в даному випадку на залежність товщини перегородки від необхідної межі вогнестійкості) називається параметричним аналізом чутливості.

В якості коефіцієнта чутливості F обране відношення величини середньоквадратичного відхилення Ф (10) температур в точці х=Х (див. 2) до відносного значення зміни параметра моделі Р_і

, (11)



де ДР_і - величина відхилення і-го параметра від його початкового значення Р_і.

Методика аналізу чутливості полягає в послідовному збуренні параметрів моделі та розв'язанні прямих задач теплопровідності для одержання значень середньоквадратичного відхилення температури в часі та безпосередньому розрахунку коефіцієнтів чутливості F.

Результати проведеного аналізу чутливості (табл.1) показали, що на залежність товщини перегородки від межі вогнестійкості найбільше впливають коефіцієнт теплопровідності внутрішнього шару тришарової перегородки , коефіцієнт тепловіддачі поверхні перегородки, що не обігрівається _с2 та питома об'ємна теплоємність внутрішнього шару перегородки c_V, які й треба буде розраховувати (ідентифікувати) за допомогою обернених задач теплопровідності за даними випробувань.

Таблиця 1. Таблиця чутливості значень температури в точці х=Х до параметрів моделі (1) - (9)

Назва параметра моделі	Значення Fi
Коефіцієнт теплопровідності внутрішнього заповнення перегородки	92,9
Коефіцієнт тепловіддачі с2 від поверхні перегородки, що не обігрівається	82,2
Питома об'ємна теплоємність сV	33,0
Коефіцієнт теплового випромінювання металевого листа перегородки з боку печі	2,3
Коефіцієнт тепловіддачі від гарячих газів печі до металевої поверхні с1, що обігрівається	0,8
Товщина теплоізоляційного матеріалу перегородки L	0,2

4. Після визначення переліку параметрів, які необхідно ідентифікувати, важливим є визначення принципової можливості ідентифікації цих параметрів (так звана ідентифікованість параметрів) та можливих похибок їх одержання, що є наступним етапом розробки методичного забезпечення РЕМ. Аналіз ідентифікованості параметрів моделі проводився за допомогою розв'язання тестових задач, у яких значення температур визначаються з обчислювального експерименту (розрахунку температур при заданих параметрах моделі) розв'язанням прямих задач теплопровідності. Далі одержані з обчислювального експерименту значення температур на поверхні перегородки, що не обігрівається, використовувались для розрахунку (ідентифікації) означених вище параметрів моделі. При цьому у значення температур вводилися похибки випадкового характеру, які імітували похибки вимірювань температур. Максимальною випадковою похибкою збурення температур було обрано похибку у 10 %.

На 3 представлені графіки залежностей коефіцієнта теплопровідності та питомої об'ємної теплоємності, які використовувались для розрахункового експерименту (криві 1), та знайдені оберненими задачами (криві 2) з похибкою збурення температур 10 %. При цьому критерій (10) середньоквадратичного відхилення розрахункових температур від експериментальних (розрахунковий експеримент) склав 4,8 ^оС. Аналіз кривих показує, по-перше, що досить складні залежності коефіцієнта теплопровідності й питомої об'ємної теплоємності від температури можливо розраховувати оберненими задачами, і, по-друге, вони знаходяться з задовільною точністю (з максимальною похибкою при максимальних температурах до 50 %). Показана ідентифікованість коефіцієнта тепловіддачі _с2 на поверхні перегородки, що не обігрівається.

5. Останнім і надзвичайно важливим етапом методичного забезпечення РЕМ є визначення мінімальної кількості зразків для випробування у вогневих печах, яких буде достатньо для розрахунку залежності товщини перегородки від межі вогнестійкості. Ця процедура теж виконувалась за допомогою тестових задач за такою схемою.

Ці дослідження показали, що для достовірного (в межах 13 %) визначення залежності мінімальної товщини перегородки від межі вогнестійкості в діапазоні 15-180 хв достатньо результатів температурного вимірювання одного зразка перегородки. Використання результатів випробовувань двох перегородок з різною товщиною дає підвищення точності розрахунків на 5 %.

Таким чином, можна констатувати, що наведені вище підетапи налічують всі етапи (процедури) застосування РЕМ для визначення залежності мінімальної товщини перегородки від межі вогнестійкості і складають методичне забезпечення, розробка якого є основною метою роботи.

У ЧЕТВЕРТОМУ РОЗДІЛІ наведені результати застосування розробленого методичного забезпечення для визначення залежності мінімальної товщини перегородки від межі вогнестійкості для тришарових перегородок з мінераловатними плитами SANDWICHROCK фірми ROCKWOOL густиною 117 кг/м³ та ITALPANNELLI S.r.l. густиною 100 кг/м³ за даними випробувань на вогнестійкість.

На шляху визначення цих залежностей є етап розрахунку функцій теплопровідності та питомої об'ємної теплоємності від температури для цих матеріалів плит, що становлять самостійний науковий і практичний інтерес. Використовуючи температурні дані вогневих випробувань тришарових перегородок із різною товщиною внутрішнього теплоізоляційного шару, були розраховані їх теплофізичні характеристики, що є необхідними для визначення залежності товщини перегородки від необхідної межі вогнестійкості.

Залежності теплопровідності шару мінераловатних плит від температури можна пояснити наступним чином. Так, зменшення коефіцієнту теплопровідності в діапазоні температур від початкової до 150-250 ^оС пояснюється тим, що відбувається деформація металевого листа з боку печі, що приводить до його відставання від шару внутрішнього заповнення перегородки (спостерігається при випробуваннях). Поява повітряних зазорів між металевим листом і мінеральною ватою призводить до зниження теплопровідності. Далі в діапазоні 200-500 ^оС теплопровідність збільшується внаслідок виходу із вати газів, які виділяються при початковому розкладі компонентів вати, а в діапазоні 500-750 ^оС відбувається згоряння в'яжучого компоненту (фенол-формальдегідних смол), що супроводжується виділенням продуктів горіння. У діапазоні 700-1000 ^оС теплопровідність спадає внаслідок спікання мінераловатних волокон і збільшення відстаней між ними. Значення температур в екстремумах були враховані при виборі вузлів сплайн-апроксимації функціональних залежностей ТФХ при постановці та розв'язанні прямих і обернених задач теплопровідності.

За результатами отриманих ТФХ з наступним розв'язанням прямих задач теплопровідності визначалися залежності мінімальної товщини перегородки для різних значень межі вогнестійкості. Критерієм досягнення граничного стану з вогнестійкості перегородок за ознакою втрати теплоізолювальною здатністю, було прийнято досягнення значення 160 ^оС критичної температури на границі x=Х. Діапазон товщини тришарових перегородок був обраний від 30 до 200 мм в зв'язку з тим, що більшість мінераловатних плит, які використовуються при виготовленні сендвіч-панелей, виконуються саме за такими розмірами.

Для експрес-визначення мінімальної товщини зазначених вище перегородок для різних значень вогнестійкості нижче наведені поліномінальні апроксимації кривих, зображених на 6, а саме для мінераловатних плит SANDWІCHROCK фірми ROCKWOOL густиною 117 кг/м³ апроксимація:

b_{c min (117 кг/м}³₎ = 8·10^-5· t_fr³ - 0,0224·t_fr²+ 2,6122·t_fr - 3,9159,

а для мінераловатних плит ІTALPANNELLІ S.r.l. густиною 100 кг/м³апроксимація:

b_{c min (100 кг/м}³₎ = 6·10^-5· t_fr³ - 0,0155·t_fr² + 1,8374·t_fr + 1,8288.

В табл. 2 наведені експериментальні і розрахункові значення межі вогнестійкості тришарових перегородок.

Порівняння результатів випробувань та розрахунків, що наведені в табл. 2, свідчить про їх задовільну збіжність, при цьому середнє відхилення складає близько 6,7 %.

Таблиця 2. Порівняння експериментальних і розрахункових значень межі вогнестійкості тришарових перегородок з мінераловатними плитами

Товщина тришарової перегородки, мм	Фактична межа вогнестійкості, хв	Розрахункова межа вогнестійкості, хв
	SANDWICHROCK ROCKWOOL (с=117 кг/м3)	ITALPANNELLI S.r.l. (с=100 кг/м3)	SANDWICHROCK ROCKWOOL (с=117 кг/м3)	ITALPANNELLI S.r.l. (с=100 кг/м3)
60	36	-	33	-
80	53	-	49	-
100	-	125	-	116
150	153	-	147	-

Таблиця 3. Результати розрахункової та рекомендованої товщини тришарових перегородок для необхідних меж вогнестійкості

Необхідна межа вогнестійкості (tfr), хв	Розрахункові значення мінімальної товщини сендвіч-панелі з мінераловатними плитами, мм	Рекомендовані значення товщини сендвіч-панелі з мінераловатними плитами, мм
	SANDWICHROCK ROCKWOOL (с=117 кг/м3)	ITALPANNELLI S.r.l. (с=100 кг/м3)	SANDWICHROCK ROCKWOOL (с=117 кг/м3)	ITALPANNELLI S.r.l. (с=100 кг/м3)
			для поділу суміжних приміщень	для зовнішніх не несучих стін	для поділу суміжних приміщень	для зовнішніх не несучих стін
15	30	26	30	-	30	-
30	56	45	60	60	50	60
60	89	69	-	90	-	70
75	100	78	-	100	-	80
120	125	103	-	130	-	110
150	154	131	-	160	-	140
180	203	178	-	210	-	180

Значення розрахункової та рекомендованої товщини тришарових перегородок для необхідних значень вогнестійкості наведено в таблиці 3.

П'ЯТИЙ РОЗДІЛ присвячений практичній реалізації результатів дисертаційної роботи. Використовуючи результати досліджень попередніх розділів роботи, сформульована формалізована (придатна для включення в ДСТУ Б В.1.1-15-2007) послідовність операцій розробленого методичного забезпечення щодо застосування РЕМ для визначення межі вогнестійкості тришарових перегородок з мінераловатними плитами, яка розширено наведена в розділі 3.

Розроблена практична методика визначення характеристики вогнестійкості тришарових перегородок з мінераловатними плитами що в порівнянні з існуючим суто експериментальним методом, є менш вартісною, оскільки потребує результатів температурних вимірювань випробувань 1-го зразка та може широко застосовуватися для розв'язання задач пошуку оптимального конструктивного рішення із забезпеченням необхідної вогнестійкості будівель і споруд.



ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі, що є завершеною науково-дослідною роботою, вирішена актуальна науково-технічна задача, в якій обґрунтовано взаємозв'язок між параметрами тришарових перегородок з мінераловатними плитами та їх вогнестійкістю, як наукового підґрунтя для їх застосування в будівництві, що дозволить забезпечити нормовані вимоги пожежної безпеки будівель і споруд із використанням зазначених конструкцій, а також призведе до покращання основних показників статистики пожеж та їх наслідків в Україні.

Під час виконання роботи були отримані такі результати:

1. На основі проведеного аналізу статистики пожеж у будівлях та спорудах, з урахуванням факторів, які впливають на визначення межі вогнестійкості огороджувальних будівельних конструкцій, запропоновано шляхи підвищення ефективності забезпечення вимог пожежної безпеки щодо їх застосування.

2. Порівняльний аналіз існуючих методів оцінювання вогнестійкості будівельних конструкцій показав, що найбільш ефективним методом для визначення характеристики вогнестійкості тришарових перегородок з мінераловатними плитами є розрахунково-експериментальний метод.

3. Сформульовані поняття та необхідність розробки методичного забезпечення щодо застосування розрахунково-експериментального методу визначення характеристики вогнестійкості тришарових перегородок з мінераловатними плитами.

4. Розроблено методичне забезпечення щодо застосування розрахунково-експериментального методу визначення характеристики вогнестійкості тришарових перегородок з мінераловатними плитами, складові якого науково обґрунтовані та полягають у:

- необхідності застосування удосконаленої математичної моделі теплових процесів у тришарових перегородках в умовах вогневих випробувань, яка враховує конвективно-радіаційний теплообмін поверхні тришарової перегородки, що не обігрівається, з навколишнім середовищем;

- визначенні переліку параметрів, що мають більший вплив на межу вогнестійкості тришарових перегородок з мінераловатними плитами, до яких віднесено коефіцієнт теплопровідності внутрішнього шару тришарової перегородки, коефіцієнт тепловіддачі від поверхні перегородки, що не обігрівається, та питома об'ємна теплоємність внутрішнього шару перегородки;

- достатності результатів випробування одного зразка перегородки для визначення залежності мінімальної товщини перегородки від межі вогнестійкості в діапазоні 15-180 хв.

5. За допомогою розробленого методичного забезпечення вперше визначені залежності теплофізичних характеристик від температури та проведено їх аналіз для стінових панелей SANDWІCHROCK фірми ROCKWOOL товщиною 60, 80, 150 мм густиною 117 кг/м³ й ІTALPANNELLІ S.r.l. густиною 100 кг/м³ товщиною 100 мм.

6. Вперше визначена залежність мінімальної товщини перегородок від необхідної межі вогнестійкості для стінових панелей SANDWІCHROCK фірми ROCKWOOL густиною 117 кг/м³ й ІTALPANNELLІ S.r.l. густиною 100 кг/м³ у діапазоні вогнестійкості 15-180 хв.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Григорьян Б.Б., Поздеев С.В., Качкар Е.В. Анализ состояния вопроса об использовании минераловатных изделий в качестве огнезащиты для строительных конструкций. Проблемы ПБ.- Харьков: УГЗУ, 2007.- Вып. 21. - С.58-65.

2. Григорьян Б.Б., Цвиркун С.В., Качкар Е.В. Определение теплофизических характеристик теплоизоляционных материалов. Пожежна безпека.- Львів: ЛДУБЖД, 2008. Вип. 12. - С.144-150.

3. Григорьян Б.Б., Зайвый В.В., Качкар Е.В. Зависимость физико-химических свойств теплоизоляционных материалов от способа их получения. Пожежна безпека: теорія і практика. - Черкаси: АПБУ, 2008. Вип. 1. - С.-33-35.

4. Качкар Е.В., Григорян Б.Б. К вопросу определения минимальной толщины огнезащитного слоя теплоизоляционного материала от требуемого предела огнестойкости конструкции. Науковий вісник УкрНДІПБ №1 (17), 2008. - С. 63-72.

5. Круковський П.Г., Цвіркун С.В., Качкар Є.В., Визначення теплофізичних характеристик теплоізоляційного мінераловатного матеріалу за даними вогневих випробувань. Пожежна безпека: теорія і практика.- Черкаси: АПБУ, 2008. Вип. 2. - С.29-32.

6. Качкар Е.В. Определение теплофизических характеристик внутреннего заполнения трехслойных перегородок с минераловатными плитами. Проблемы ПБ.- Харьков: УГЗУ, 2009.- Вып. 25. - С.50-58.

7. Круковский П.Г., Цвиркун С.В., Качкар Е.В., Григорьян Н.Б. Определение характеристики огнестойкости многослойных перегородок с минераловатными плитами. Науковий вісник УкрНДІПБ №1 (19), 2009. - С. 56-62.

8. Круковський П.Г., Качкар Є.В. Розробка й апробація методичного забезпечення застосування розрахунково-експериментального підходу для визначення залежності товщини перегородок від межі вогнестійкості. Пожежна безпека: теорія і практика.- Черкаси: АПБУ, 2009. Вип. 3. - С. 98-111.

9. Григорьян Б.Б., Поздеев С.В., Качкар Е.В. Анализ состояния вопроса об использовании минераловатных изделий в качестве огнезащиты для строительных конструкций // Материалы IV Международной научно-практической конференции «Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация», - Минск, Республика Белорусь. - 2007. - С. 276-278.

10. Цвиркун С.В., Качкар Е.В. Определение теплофизических характеристик минераловатных плит в несущих стеновых панелях // Материалы 15 Юбилейной международной научно-практической конференции научно-педагогического состава «Предупреждение. Спасение. Помощь». - Химки, Российская Федерация. - 2007.- С. 288-292.

11. Цвиркун С.В., Качкар Е.В., Григорьян Б.Б. Определение теплофизических характеристик минераловатных плит по результатам огневых испытаний в несущих стеновых панелях // Матеріали Міжнародної науково-практичної конференції «Пожежна безпека-2007». - Черкаси, 2007. - С. 221-223.

12. Григорьян Б.Б., Качкар Е.В. К вопросу определения оптимальной толщины огнезащитного слоя теплоизоляционного материала от предела огнестойкости конструкции // Матеріали ІІ Міжнародної науково-практичної конференції «Природничі науки та їх застосування в діяльності цивільного захисту». - Черкаси: АПБ ім. Героїв Чорнобиля, 2008.- С. 108-112.

13. Григорьян Б.Б., Цвиркун С.В., Качкар Е.В. Инженерный подход к пределению огнезащитной способности многослойных перегородок с теплоизоляционным материалом из минераловатных плит. // Матеріали ІІ Міжвузівської науково-практичної конференції «Актуальні проблеми технічних та природничих наук у забезпеченні цивільного захисту» - Черкаси: АПБ ім. Героїв Чорнобиля, 2009.- С.68-71.

14. Григорьян Б.Б., Качкар Е.В. Оценка огнезащитной способности минераловатных плит на основе огневых испытаний // Матеріали міжнародної науково-практичної конференції ад'юнктів, курсантів та студентів «Пожежна безпека та охорона праці» - Черкаси: АПБ ім. Героїв Чорнобиля, 2009. - С.55-57.

15. Круковский П.Г., Цвиркун С.В., Качкар Е.В. Определение характеристики огнестойкости многослойных перегородок с минераловатными плитами // Материалы V Международной научно-практической конференции «Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация». - Минск. - Том.2. - 2009. - С.111-113.

Размещено на Allbest.ru