Огнестойкость противопожарных дверей => 9. расчет огнестойкости противопожарных дверей на эвм. 9.1. методы расчета огнестойкости дверей. 9.1.1. исходные...

9. РАСЧЕТ ОГНЕСТОЙКОСТИ ПРОТИВОПОЖАРНЫХ ДВЕРЕЙ НА ЭВМ

 

В СССР и за рубежом пределы огнестойкости противопожарных дверей определяют методом огневых испытании опытных образцов в условиях стандартного пожара. Такие эксперименты требуют значительных материальных затрат и связаны с длительной подготовкой, что не позволяет быстро выбирать экономически выгодные теплоизоляционные материалы. В связи с этим усилия исследователей направлены на разработку расчетных методов определения пределов огнестойкости конструкций по признаку их прогрева до нормативной температуры.

При пожаре температура в толще конструкции изменяется по законам нестационарной теплопроводности, для которой характерны довольно сложные условия теплопередачи. Кроме того, в данной задаче необходимо учитывать теплофизические константы - коэффициент теплопроводности l и удельной теплоемкости С, которые изменяются при нагреве.

При отмеченных условиях аналитическое решение задачи теплопроводности является весьма сложной математической задачей. Поэтому для ее решения в инженерной практике обычно используют приближенные методы. К последним относятся методы численного интегрирования дифференциального уравнения Фурье, метод конечных разностей Шмидта и метод элементарных тепловых балансов академика А.П. Ваничева /20/.

Первый метод используется в случае, когда l и С не изменяются при нагреве, второй - когда эти показатели зависят от температуры. Более точный расчет прогрева конструкций (в частности противопожарных дверей) в условиях нестационарного процессе, изменения в зависимости от температуры коэффициентов теплопроводности изоляционных материалов, влияния металлической обшивки и влажности изоляции разработан под руководством д-ра техн. наук, профессора А.И. Яковлева на основе применения метода элементарных тепловых балансов. Данный метод может быть использован для расчета огнестойкости как однослойных, так и многослойных полотен дверей. Достоинством этого метода является также то, что он позволяет отказаться от громоздких ручных расчетов и использовать электронно-вычислительную технику, благодаря чему широко используется при проектировании противопожарных дверей.

 

9.1. Методы расчета огнестойкости дверей

 

9.1.1. Исходные предпосылки

1. При определении огнестойкости дверей расчетным путем рекомендуется исходить из следующих предпосылок:

а) в качестве начальной температуры среды и конструкции принимается 20 °С, если нет обоснования для другой величины;

б) расчет предела огнестойкости дверей производится по признаку прогрева необогреваемой поверхности до температуры 160 °С + t_н, т.е. 180 °С при одномерном потоке тепла;

в) поверхностная и глубокая обработка древесины антипиренами или огнезащитными составами практически не влияет на скорость ее переугливания, а только переводит в группу трудносгораемых материалов;

г) тонкие горючие материалы, применяемые для облицовки и обшивки конструкций, в расчете не учитываются, так как при высокой температуре они не оказывают существенного влияния на прогрев конструкций вследствие быстрого прогрева и разрушения;

д) при расчете конструкций с металлической обшивкой, которая не разрушается при пожаре, учитывается только теплоемкость металла, так как распределение температуры по толщине листа принимается равномерным в связи с большой его температуропроводностью;

е) влияние влажности изоляции на прогрев дверного полотна учитывается введением в правую часть уравнений тепловых балансов добавочного члена моделирующего замедление прогрева в результате расхода тепла на испарение воды при 100 °С. Принимается, что испарение воды происходит последовательно от слоя к слою и влагосодержание последующих слоев не изменяется в процессе нагрева;

ж) теплофизические характеристики теплоизоляционных материалов, изменяющиеся в процессе нагрева, принимаются из литературных источников или по данным лабораторных исследований;

з) расчет не учитывает конструкцию дверных коробок и узлов примыкания полотна к коробке, так как в этом случае нормативная огнестойкость достигается конструктивными мерами (заделкой коробки в стену, установкой уплотняющих или вспучивающихся прокладок, препятствующих проникновению огня через притвор двери).

 

9.1.2. Условия расчета

Расчет прогрева производится при граничных условиях 3-го рода. Уравнение изменения температуры нагревавшей среды (режим "стандартного" пожара) имеет вид /16/

t_в = 3lg(8t + 1) + t_н, (1)

Начальные условия расчета при t = 0 принимаются следующими: температура во всех точках по сечению конструкции одинакова и равна температуре окружающей среды t_н;

температура нагревающей среды t_в в начальный момент определяется по формуле /21/

. (2)

Коэффициент теплоотдачи a от нагревающей среды (огневой камеры печи) с температурой t_в к поверхности конструкции с температурой t_о вычисляется из уравнения

a = a_к + a_л = 25 + 4,96S_пр, (3)

где a_к - коэффициент передачи тепла конвекцией, принимается постоянным /22/, равным 25 ккал×м^-2 ч^-1×°С^-1;

4,96 - коэффициент излучения абсолютно черного тепа, ккал×м^-2 ч^-1×°С^-1.

Приведенную степень черноты системы нагревающая среда - поверхность дверного полотна находим по формуле

, (4)

где S = 0,85 - степень черноты нагревающей среды;

S₁ - степень черноты материала нагреваемой поверхности дверного полотна.

Величина расчетного интервала времени Dt (шаг программы для ЭВМ) выбирается такой, чтобы она целое число раз укладывалась в интервале машинной записи результатов расчета. При этом выбранная величина Dt не должна превышать значений, вычисляемых по формуле /23/

. (5)

Коэффициент a₁ передачи тепла от необогреваемой поверхности полотна двери с температурой t_x в окружающую среду определяется из уравнения

, (6)

где K = 1,3 - коэффициент, характеризующий интенсивность передачи тепла конвекцией от необогреваемой поверхности в окружающую среду, ккал×м^-2 ч^-1×°С^-1 /16/;

S₂ - степень черноты материала необогреваемой поверхности полотна двери.

При наличии в дверном полотне воздушной прослойки коэффициент теплопередачи a₂ от внутренней (горячей) ее поверхности с температурой t_к к противолежащей (холодной) поверхности с температурой t_i вычисляется по формулам:

для вентилируемой воздушной прослойки

; (7)

для замкнутой (невентилируемой)

, (8)

где S₃ и S₄ - степени черноты внутренних поверхностей, ограничивающих воздушную прослойку;

K₂ - коэффициент, зависящий от условий конвективного теплообмена.

В технических расчетах, исходя из опытных данных, для вентилируемой воздушной прослойки К₂ принимается равным 1,0, для невентилируемой - 0,55.

 

9.1.3. Сущность метода расчета

По методу элементарных тепловых балансов прогрев дверного полотна рассчитывается следующим образом. Теплоизоляция дверного полотна разбивается на ряд элементарных слоев Dх с одинаковой толщиной в пределах одного материала. Расчетные точки будут лежать на границе элементарных слоев, а также на поверхностях, ограничивающих конструкцию.

Решением задачи является определение температуры во всех расчетных точках сечения конструкции в последующие моменты Dt до достижения нормативной температуры t_х,Dt на необогреваемой поверхности полотна двери. Для решения необходимо составить уравнение теплового баланса элементарных слоев, в центре которых находится расчетная точка. Смысл уравнений теплового баланса заключается в том, что тепло, поступающее в слой, расходуется на увеличение его теплосодержания. Решая уравнения относительно неизвестной температуры, получим расчетные формулы для определения ее значений в выбранных точках в последующие моменты. Формулы, выведенные из уравнений теплового баланса, будут являться алгоритмами для расчета прогрева дверных полотен до нормативной температуры.

Ниже приводятся расчетные формулы (алгоритмы) для вычисления с помощью ЭВМ прогрева различных конструктивных вариантов дверных полотен.

 

9.2. Расчет прогрева дверных полотен из несгораемых конструкционных плит

 

Алгоритм для расчета огнестойкости двери по признаку прогрева полотна, имеющего сплошное сечение из негорючего однородного конструкционного материала (рис. 20, а) - плит "Термакс", "Асбосилит" - состоит из следующих формул:

для температуры t_о,Dt нагреваемой поверхности полотна

; (9)

для температуры t_n,Dt в средних слоях сечения полотна

t_n,Dt = ; (10)

 

 

Рис. 20. Расчетные схемы конструкций противопожарных дверей:

а - полотно из несгораемых конструкционных плит; б - коробчатое металлическое полотно с заполнением; в - двухрядное полотно с воздушной прослойкой; г - однорядное одностороннее полотно с воздушной прослойкой

 

для температуры t_x,Dt на необогреваемой поверхности полотна двери

t_x,Dt = , (11)

где r = 539 ккал×кг - скрытая теплота парообразования воды при температуре 100 °С.

 

9.3. Расчет прогрева металлических дверных полотен

 

Прогрев противопожарной металлической двери с коробчатым полотном из листовой стали, заполненным негорючим теплоизоляционным материалом (рис. 20, б) - асбестом, вермикулитом, минеральной ватой, определяется с помощью алгоритма /24/, состоящего из следующих расчетных формул:

для температуры t_о,Dt нагреваемой поверхности

; (12)

для температуры t_n,Dt в средних слоях теплоизоляционного материала - формула (10);

для температуры t_x,Dt на необогреваемой поверхности двери

. (13)

 

9.4. Расчет прогрева дверных полотен двухрядной конструкции с воздушной прослойкой

 

Алгоритм для расчета прогрева двери, изготовленной из двух конструкционных плит (рис. 20, в) - асбосилита, ЦСП - с воздушной прослойкой, включает в себя следующие формулы:

для температуры t_о,Dt обогреваемой поверхности полотна - формула (9);

для температуры t_к,Dt на внутренней поверхности первой плиты

t_к,Dt = ; (14)

для температуры t_i,Dt на внутренней поверхности второй плита

t_i,Dt = ; (15)

для температуры t_х,Dt на необогреваемой поверхности полотна - формула (11).

 

9.5. Расчет прогрева дверных полотен двухрядной конструкции с теплоизоляционным материалом

 

Алгоритм для расчета прогрева дверного полотна, изготовленного из двух конструкционных плит (асбосилита), воздушная прослойка которых заполняется теплоизоляционным материалом, состоит из формул:

для температуры t_о,Dt обогреваемой поверхности - формула (9);

для температуры в средних слоях теплоизоляции и обшивок - формула (10);

для температуры на границе обшивок из конструкционных плит с теплоизоляцией

(16)

для температуры на необогреваемой поверхности полотна двери - формула (11).

 

9.6. Расчет прогрева дверных полотен однорядной односторонней конструкции

 

Алгоритм расчета однорядной односторонней конструкции (рис. 20, г) для случая, когда изоляция отделена воздушной прослойкой от стальной обшивки, включает в себя следующие формулы:

а) при воздействии пожара на металлическую обшивку:

, (17)

для температуры t_i,Dt внутренней поверхности изоляции

t_i,Dt = ; (18)

для температуры в слоях изоляции t_n,Dt - формула (10);

для температуры необогреваемой поверхности полотна двери t_х,Dt - формула (11);

б) при воздействии пожара на изоляцию:

для температуры t_о,Dt обогреваемой поверхности - формула (9);

для температуры t_n,Dt средних слоев изоляции - формула (10);

для температуры t_i,Dt на внутренней поверхности изоляции - формула (18), где t_о заменяется на t_x;

для температуры t_х,Dt необогреваемой поверхности

. (19)

 

9.7. Расчет времени сквозного прогорания деревянных дверей

 

Время сквозного прогорания дверного полотна по сплошному сечению можно рассчитывать по скорости переугливания древесины, которая остается практически постоянной в течение теплового воздействия. Зависимость глубины обугливания от продолжительности теплового воздействия имеет линейный характер, что может служить основой для прогнозирования времени прогорания и времени прогрева дверных полотен.

По экспериментальным денным, скорость переугливания древесины для полотен толщиной 40-60 мм составляет 0,8-1,0 мм. Время прогорания полотна двери t можно выразить зависимостью

t = t₁ + a, (20)

где t₁ - время до начала возгорания обогреваемой поверхности полотна (по данным опыта в среднем t₁ = 3 мин);

d - суммарная толщина древесины, мм;

V - скорость переугливания, мм×мин^-1;

a - коэффициент, зависящий от конструкции полотна и возможности его местного прогорания.

Для дверей со сплошным полотном из деревянных брусков или древесно-стружечных плит с фанерной облицовкой a = 0,75, для полотен без фанерной облицовки со стыкованием брусков (досок) в четверть или в шпунт a = 0,5.

Скорость переугливания огнезащитной древесины (по экспериментальным данным) при толщине слоев 10-60 мм составляет 0,78 мм×мин^-1.

 

 

 

9.8. Расчет времени прогрева деревянных дверей

 

Время прогрева необогреваемой поверхности деревянного дверного полотна определяется по формуле

t = t₁ + a, (21)

где V - скорость переугливания, равная 0,8-1,0 мм×мин^-1 для обычной древесины и 0,78 мм×мин^-1 для огнезащищенной древесины;

a - коэффициент, зависящий от конструкции полотна, a = 0,75 и a = 0,5 (см. выше);

d - суммарная толщина древесины, мм;

Dd - оставшийся (непереуглившийся) слой древесины, мм, при котором температура необогреваемой поверхности достигает нормативной величины. По экспериментальным данным, Dd = 6 мм;

t₁ - время до начала возгорания обогреваемой поверхности полотна, мин.

 

9.9. Расчет времени прогрева дверных полотен, обшитых кровельной сталью

по асбестовому картону

 

В результате испытаний установлено, что время прогрева необогреваемой поверхности дверей рассматриваемого типа до нормативной температуры определяется толщиной слоя древесины; толщиной слоя и видом теплоизоляционного материала; конструктивным решением обшивки (с предохранительными отверстиями; глухой в одинарный или двойной фальц).

Расчетные формулы имеет вид /16/:

при обшивке с предохранительными отверстиями

t = 4,5z + 0,74x; (22)

при глухой обшивке в двойной или одинарный фальц

t = 2,5z + 0,17x; (23)

где x - суммарная толщина древесины, мм;

z - толщина асбестового картона, мм.

Для практического использования последние две формулы представлены в виде номограмм (рис. 21).

 

 

Рис. 21. Номограммы для определения времени прогрева деревянного полотна двери, обшитого сталью по асбестовому картону:

1 - дверные полотна с предохранительными отверстиями; 2 - дверные полотна с глухой обшивкой; z - толщина асбестового картона, мм

 

10. НОМОГРАММЫ ДЛЯ РАСЧЕТА

 

По алгоритмам, приведенным в предыдущих разделах, были рассчитаны на ЭВМ температуры необогреваемой поверхности полотен дверей различных конструктивных вариантов и с различными видами теплоизоляционных материалов.

Теплотехнические характеристики А, В, С, Д, g , S, Р материалов, применяемых в качестве противопожарной изоляции, принимается по табл. 1 и 2.

 

 

Рис. 22. Зависимость предела огнестойкости по признаку прогрева полотна двери от толщины изоляции:

а: 1 - асбестоперлитовые плиты; 2 - асбестовермикулитовые плиты; 3 - асбестоцементная напыляемая противопожарная изоляция; 4 - асбестовый картон; 5 - базальтовый картон;

б: 1 - вата каолинового состава; 2 - базальтовое ультрасупертонкое волокно;

3 - минераловатные плиты; 4 - теплозвукоизоляционный материал АТИМСС

 

 

 

Рис. 23. Зависимость предела огнестойкости от толщины конструкционных плит:

1 - цементно-стружечные плиты; 2 - плиты асбосилита; 3 - плиты "Термакс"

 

По температурным кривым прогрева конструкции до нормативной температуры (160 °С + t_н) построены графики зависимости пределов огнестойкости от толщины и вида изоляции (рис. 22, 23). По этим графикам определяется минимальная толщина изоляции в соответствии с требуемым пределом огнестойкости.

Погрешность расчетов не превышает 10%.

 

11. МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ ДВЕРЕЙ НА ОГНЕСТОЙКОСТЬ

 

11.1. Организация испытаний

11.1.1. Стандартные испытания на огнестойкость дверей, применяемых в зданиях и сооружениях жилищного, общественного, промышленного и специального назначения, проводятся на основании координационных планов Госстроя СССР, заявок министерств и ведомств и договоров с заинтересованными организациями.

В планах должно быть предусмотрено участие ВНИИПО в качестве соисполнителя работ, выполняемых организациями-заказчиками на этапах исследования и внедрения, а в договорах - долевое участие института в экономическом эффекте от реализации совместных разработок в процентном и стоимостном выражениях.

11.1.2. Образцы дверей испытывают на огнестойкость в соответствии с графиком, составляемым ежеквартально в течение года на основании утвержденного плана тематических работ ВНИИПО. В графике указываются наименование, назначение, размеры, количество, сроки доставки на полигон и даты проведения испытаний образцов, а также наименования организаций-заказчиков.

Внеплановые испытания дверей на огнестойкость могут быть проведены, как исключение, по специальному запросу министерств, ведомств, организаций Внешторга по указанию руководства МВД или ВНИИПО.

11.1.3. При составлении графиков испытаний следует учитывать технические возможности и производительность экспериментальной базы ВНИИПО.

Необходимо принять к сведению следующие обстоятельства:

на огневой установке ВНИИПО в течение одного рабочего дня может быть испытан только один образец двери;

в месяц (в среднем при 22 рабочих днях) с учетом всех необходимых вспомогательных работ проводится семь опытов.

11.1.4. Проектирование и изготовление дверей, предназначенных для испытаний на огнестойкость, осуществляют заинтересованные организации в соответствии с положениями настоящего руководства.

11.1.5. Доставку изготовленных образцов дверей на экспериментальную базу ВНИИПО производят организации-заказчики не позднее, чем за 20 дней до начала испытаний, срок проведения которых установлен планом-графиком. В противном случае дата проведения испытаний назначается по усмотрению непосредственных исполнителей, за которыми также остается право переносить испытания на следующий месяц или квартал.

11.1.6. Устранение всех дефектов, обнаруженных в образцах после их доставки на экспериментальную базу ВНИИПО (например, отклонения от рабочих чертежей, различные механические повреждения, повышенная влажность материалов и др.), производится силами организаций-заказчиков.

Вызов представителей организаций-заказчиков дня устранения обнаруженных дефектов в образцах или признания их непригодными для испытаний осуществляется ВНИИПО телеграммой (телефонограммой).

В случае неприбытия представителей в семидневный срок некачественные образцы, подлежащие освидетельствованию, снимаются с испытания.

11.1.7. Установка термопар на образцы производится силами ВНИИПО непосредственно перед опытами.

11.1.8. На испытаниях образцов дверей могут присутствовать представители организаций-заказчиков и соисполнители.

На испытания дверей принципиально новой конструкции или с новыми эффективными видами изоляционных материалов приглашаются представители ГУПО, ВИПТШ, а также заинтересованных министерств и ведомств.

Вызов представителей осуществляется ВНИИПО телеграммой (телефонограммой) за 2-3 дня до начала испытаний.

11.1.9. Положительные результаты испытаний на огнестойкость образцов дверей на полигоне ВНИИПО не дают основания организациям-заказчикам применять их в строительстве без предварительного согласования данного вопроса с местными органами госпожнадзора или ГУПО.

 

11.2. Требования к проектной документации

 

На каждую серию однотипных дверей, предназначенных для испытания на огнестойкость, организации-заказчики должны представлять соответствующие рабочие чертежи, в которых указываются:

наименование, марка и назначение изделия;

фактические условия закрепления образца по контуру;

сторона нагрева;

размеры дверного полотна, коробки основных узлов и деталей, включая толщину каждого составляющего слоя (в том числе изоляции, облицовки);

способы крепления отдельных слоев изоляции, месторасположение и конструкция стыков или сопряжений составных элементов образцов;

спецификация используемых в двери материалов с указанием соответствующей нормативно-технической документации (ГОСТ, ТУ, МРТУ, инструкции и т.п.).

 

Примечание. По усмотрению исполнителей направление нагрева образца двери, указанное организацией-заказчиком, может быть изменено. Принятое изменение с его обоснованием должно быть отражено в протоколе испытания.

 

11.3. Требования к материалам

 

11.3.1. Материалы, идущие на изготовление противопожарных дверей, не должны содержать компонентов, способствующих значительному дымообразованию и выделению газообразных токсичных продуктов при термическом разложении под действием высоких температур в условиях пожара.

11.3.2. С целью определения в лаборатории ВНИИПО теплофизических характеристик новых изоляционных материалов в условиях повышенных температур, что необходимо для расчета огнестойкости двери, организация-заказчик по предварительному согласованию с ВНИИПО должна изготовить соответствующее количество контрольных образцов требуемой формы и размеров. При этом контрольные образцы материалов должны изготавливаться по той же технологии, что и опытные конструкции.

 

11.4. Требования к опытным образцам и их деталям

 

11.4.1. Образцы для испытаний должны представлять собой дверной блок, выполненный в соответствии с технической документацией и оснащенный фиксирующими и удерживающими механизмами, с учетом реальных условий эксплуатации. Если размеры конструкции больше тех, на которые рассчитана печь, испытуемый образец должен иметь размеры, соответствующие проему печи.

11.4.2. Часть стены, в которой установлен образец, должна иметь предел огнестойкости значительно выше, чем испытываемый образец.

11.4.3. Влажность материала образца должна быть динамически уравновешенной с окружающей средой, имеющей относительную влажность (60±15)% и температуру (20±10) °С.

11.4.4. После изготовления на опытные образцы дверей наносится маркировка - в одном из углов несмывающейся краской по трафарету размером 200´400 мм. На трафарете указывается номер чертежа (или шифр), по которому изготовлен образец, сторона нагрева, дата изготовления и завод-изготовитель.