СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ОБУГЛИВАНИЯ ДЕРЕВЯННОГО СЖАТОГО ЭЛЕМЕНТА
METHOD FOR DETERMINING THE RATE OF CHARRING OF A WOODEN COMPRESSED ELEMENT

Изобретение относится к области пожарной безопасности, к исследованию параметров горения твердых веществ, строительных материалов и деревянных конструкций, в частности к определению скорости обугливания деревянного сжатого элемента в условиях пожара в здании.
Известен способ определения скорости выгорания твердых материалов в муфельной печи при температуре t=920±10°С, 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 . / Монахов В.Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. - М.: Химия, 1972. - С. 288-290/ [1].
К недостаткам известного способа относится то, что в известном способе скорость обугливания сечения образца деревянной конструкции можно определить косвенным путем, приближенно, и невозможно определить показатели обугливания натурной деревянной конструкции, имеющей другие геометрические размеры, при этом не учитываются фактические показатели прочности, плотность и влажность древесины, массивность сечения деревянной конструкции и условия обогрева деревянной конструкции при пожаре в здании.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ определения скорости обугливания деревянных конструкций путем испытания, включающего проведение технического осмотра, выявление схемы обогрева сечения деревянных конструкций в условиях пожара в здании, установление породы и сорта древесины, при этом 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 деревянных конструкций, определяют число и место расположения участков, в которых определяют единичные показатели качества деревянных конструкций, экспериментально определяют показатели средней плотности и влажности древесины в естественном состоянии, находят нормативное сопротивление сортовой древесины на сжатие, 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. / Патент 2282179 RU, МПК, G01N 25/50 Способ определения скорости обугливания деревянных конструкций здания / Ильин Н.А., Козлито К.П., Ильина В.Н., Ковалевский А.С, заяв. СГАСУ: 06.09.04, опуб. 20.08.06. Бюл. №23 [2], - принят за прототип.
К недостаткам известного способа, принятого за прототип, относится то, что использование громоздкой полипараметрической номограммы для определения скорости обугливания деревянных конструкций дает результаты расчета с большей погрешностью; в ряде случаев требуется дополнительное построение графиков номограммы; кроме этого при построении полипараметрической номограммы не учитываются показатели надежности деревянного сжатого элемента по назначению (уровню ответственности здания), а так же не учитываются особенности условий обугливания опасного сечения деревянных конструкций и коэффициент их продольного изгиба; использование полипараметрической номограммы не позволяет производить составление эффективных программ расчета искомых величин на ЭВМ вследствие увеличения требуемого объема оперативной памяти компьютера.
Сущность изобретения состоит в установлении показателей пожарной опасности здания в части его пожароустойчивости, гарантированной длительности сопротивления деревянных сжатых элементов конструкций в условиях пожара, в определении скорости обугливания древесины и в оценке фактических показателей пожароустойчивости деревянных сжатых элементов конструкций здания при проектировании, строительстве, эксплуатации и/или при пожаре; в снижении экономических затрат при испытании деревянного сжатого элемента на пожароустойчивость, расширение технологических возможностей оценки фактической скорости обугливания деревянного сжатого элемента любой толщины, имеющих различное напряженное состояние и различно расположенного в пространстве.
Технический результат - исключение огневых испытаний при определении скорости обугливания деревянного сжатого элемента; снижение трудоемкости и упрощение процесса определения показателей возгораемости деревянного сжатого элемента; повышение точности и оперативности определения скорости обугливания деревянного сжатого элемента; снижение экономических затрат на испытание.
0, cж
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе определения скорости обугливания деревянной конструкции путем испытания, включающем проведение технического осмотра, выявление схемы обогрева сечения деревянной конструкции в условиях пожара, установление вида, породы и сорта древесины, при этом испытание производят без огневого воздействия неразрушающими методами по комплексу единичных показателей качества, при техническом осмотре выполняют инструментальные измерения геометрических размеров деревянной конструкции, выявляя массивность опасных расчетных сечений, а также определяют число и место расположения участков, в которых определяют единичные показатели качества деревянной конструкции, определяют показатели средней плотности и влажности древесины в естественном состоянии, находят нормативное сопротивление сортовой древесины на сжатие и единичные показатели ее качества, наименьший размер поперечного сечения деревянной конструкции, показатель условий расположения обогреваемых граней в пространстве здания при пожаре особенность заключается в том, что в качестве деревянной конструкции принимают деревянный сжатый элемент, а среднюю скорость обугливания сечения (ν, см/мин) деревянного сжатого элемента определяют, используя аналитическое уравнение (1):
01
01
3
где ψ - показатель расположения граней деревянного сжатого элемента в пространстве здания: ψ=1,2 - для граней колонны, стойки; е=2,72 - натуральное число; С - интегральный показатель условий обугливания граней сечения деревянного сжатого сечения; ρ - средняя плотность древесины в естественном состоянии, г/см.
Интегральный показатель условий обогрева сечения (С) деревянного сжатого элемента вычисляют, используя аналитическое уравнение (2):
H
сч
где В - ширина сечения сжатого элемента, см; R - нормативное сопротивление древесины сжатию, МПа; ω - влажность древесины, %; S - критическая толщина обугливания опасного сечения деревянного сжатого элемента, см.
сч
Критическую толщину обугливания опасного сечения деревянного сжатого элемента (S, cм) выявляют, используя аналитическое уравнение (3):
0
oc
в
где В и H - ширина и высота сечения деревянного сжатого элемента, см; λ - расчетная длина деревянного сжатого элемента, см; N - усилие на сжатие от испытательной нагрузки, кН; Е - модуль упругости древесины вдоль волокон, МПа.
0
Скорость обугливания υ, см/мин, сечения деревянного сжатого элемента ведут при положительной и отрицательной температуре воздуха.
Причинно-следственная связь между совокупностью признаков и техническим результатом заключена в следующем: исключение огневых испытаний в существующем здании и замена их на неразрушающие испытания снижает трудоемкость оценки показателей возгораемости строительных материалов и деревянных 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 дает возможность сопоставления полученных результатов со стандартными огневыми испытаниями аналогичных сжатых деревянных конструкций. Следовательно, условия испытания строительных конструкций на возгораемость и пожароустойчивость значительно упрощены и экономически целесообразны.
Использование математического описания процесса обугливания деревянного сжатого элемента взамен стандартному огневому воздействию повышает точность и оперативность определения скорости их обугливания.
Определение скорости обугливания деревянного сжатого элемента только по одному показателю качества, например, по прочности древесины, приводит, как правило, к существенной ее недооценке. Вследствие этого в предложенном способе оценку скорости обугливания деревянного сжатого элемента предусматривают не по одному показателю, а по комплексу единичных показателей их качества. Это повышает точность оценки ее фактического значения. В предложенном способе уточнен комплекс единичных показателей качества деревянного сжатого элемента, влияющих на скорость его обугливания, определяемых неразрушающими испытаниями.
oc
0
На фиг. 1 и 2 изображена расчетная схема деревянного сжатого элемента (фиг. 1); 1 - сжатый элемент; 2 - опора защемленная; 3 - опора шарнирная; 4 - центрально приложенная нагрузка; 5 - тепловое воздействие стандартного испытания, ; N - усилие на сжатие от испытательной нагрузки;  - расчетная длина сжатого элемента, см; расчетное сечение А-А (фиг. 2) деревянного сжатого элемента с размерами сечения В×Н, см, в условиях четырехстороннего огневого воздействия: δ - предельная толщина обугливания, см.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного выше технического результата.
Последовательность действий осуществления способа определения скорости обугливания деревянных сжатых элементов конструкций. 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 деревянных сжатых элементов конструкций, влияющих на скорость ее обугливания. Вычисляют число испытаний единичного показателя качества конструкции в зависимости от его статистической изменчивости. Затем определяют единичные показатели качества деревянного сжатого элемента конструкции и их интегральные параметры и, по ним находят скорость обугливания испытуемых деревянных конструкций. Под визуальным осмотром понимают проверку состояния деревянных конструкций, включающую выявление условий опирания отдельных сжатых элементов конструкций, определение породы и сорта древесины.
Схему обогрева сечений деревянных сжатых элементов конструкций в условиях пожара определяют в зависимости от фактического расположения элементов в конструкции здания, устройства подвесных потолков, укладки смежных строительных конструкций, уменьшающих число сторон обогрева.
Число и место расположения участков, в которых определяют показатели качества деревянных сжатых элементов конструкций, определяют следующим образом. В сжатых деревянных конструкциях, имеющих одно опасное сечение, участки располагают только в этом сечении. В деревянных конструкциях, имеющих несколько опасных сечений, участки располагают равномерно по поверхности с обязательным расположением части участков в опасных сечениях.
К основным единичным показателям качества деревянного сжатого элемента относятся: геометрические размеры опасного сечения; предел прочности древесины на сжатие, влажность и плотность древесины в естественных условиях.
Проверяемыми геометрическими размерами являются: для конструкций стоек и колонн сплошного сечения - ширина и высота сечения.
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 СП 64.13330.2011 «СНиП II-25-80* Деревянные конструкции».
Для экспресс-оценки свойств и качеств материалов и изделий из строительной древесины используют справочное пособие.
H
0
3
Используя полученные единичные показатели: наименьший размер поперечного сечения деревянного сжатого элемента конструкции В, мм, влажность древесины ω, %, нормативное сопротивление древесины сжатию R, МПа, показатель условий расположения деревянного элемента в пространстве здания ψ, плотность древесины, ρ, г/см, по приведенному аналитическому уравнению (1) находят скорость обугливания деревянного сжатого элемента.
н
0
Пример: Дано: деревянный (без огнезащиты) сжатый элемент - стойка: уровень ответственности конструкции здания - пониженный (γ=0,8); расчетная длина (высота) стойки λ=390 см; усилие на центральное сжатие от испытательной нормативной нагрузки ; расчетное усилие на сжатие:
3
H
в
Древесина хвойной породы (ель) средней плотности ρ=0,43 г/см; естественная влажность ω=8,7%; нормативное сопротивление древесины сжатия R=25 МПа; поперечное сечение стойки В×Н=20×20 см; модуль упругости древесины Е=10000 МПа, обогрев сечения стойки четырехсторонний. Требуется определить скорость обугливания сечения деревянного сжатого элемента.
cч
Решение: 1. Критическую толщину обугливания опасного сечения деревянного сжатого элемента (S, cм) выявляют, используя аналитическое уравнение (4):
0
оc
в
где В и Н - ширина и высота сечения деревянного сжатого элемента, см; λ - расчетная длина деревянного сжатого элемента, см; N - усилие на сжатие от испытательной нагрузки, кН; Е - модуль упругости древесины вдоль волокон, МПа
2. Интегральный показатель условия обгорания сечения деревянного сжатого элемента вычисляют, используя аналитическое уравнение (3):
H
сч
где В - ширина сечения сжатого элемента, см; R - нормативное сопротивление древесины сжатию, МПа; ω - влажность древесины, %; S - критическая толщина обугливания опасного сечения деревянного сжатого элемента, см.
0,сж
3. Среднюю скорость обугливания сечения (υ, см/мин) деревянного сжатого элемента определяют, используя аналитическое уравнение (2):
01
01
3
где ψ - показатель расположения граней деревянного сжатого элемента в пространстве здания: ψ=1,2 - для граней колонны, стойки; е=2,72 - натуральное число; С - интегральный показатель условий обугливания граней сечения деревянного сжатого сечения; ρ - средняя плотность древесины в естественном состоянии, г/см.
2
Предложенный способ применен при натурном осмотре деревянных сжатых элементов конструкций складского блока площадью 1100 м здания в г. Самаре.
Источники информации
1. Монахов В.Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. - М.: Химия, 1972. - С. 288-290.
2. Патент 2282179 RU, МПК - 7 G01/N 25/50 Способ определения скорости обугливания деревянных конструкций здания / Ильин Н.А., Козлито К.П., Ильина В.Н., Ковалевский А.С, заяв. СГАСУ: 06.09.04, опубл. 20.08.06. Бюл. №23.