Особенности огнезащиты конструкций из древесины вспучивающимися покрытиями

Огнезащита

УДК 614.841.332:620.197.6

ОСОБЕННОСТИ ОГНЕЗАЩИТЫ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ ВСПУЧИВАЮЩИМИСЯ ПОКРЫТИЯМИ

Корольченко Александр Яковлевич

Гаращенко Никита Александрович

А. Я. Корольченко

доктор технических наук, профессор, академик МАНЭБ, заведующий кафедрой прикладной химии и пожарной безопасности МГСУ, директор Института инженерной безопасности в строительстве

Н. А. Гаращенко

аспирант Московского государственного строительного университета

Представлены данные, свидетельствующие о возможности обеспечения эффективной огнезащиты конструкций из древесины, включая клееные деревянные конструкции, и отмечена перспективность использования для этой цели вспучивающихся покрытий. На примере покрытия ПРОТЕРМ ВУД показана необходимость определения всего комплекса показателей пожарной опасности огнезащищен-ной древесины, а также класса конструктивной пожарной опасности. Доказана целесообразность совершенствования методов теплотехнических расчетов для оценки огнестойкости и определения толщин огнезащиты конструкций из древесины и узлов.

Строительные конструкции из древесины относятся к числу традиционных для отечественной строительной отрасли. По целому ряду показателей их применение является более предпочтительным по сравнению с конструкциями из железобетона и металла. Деревянные клееные конструкции (ДКК), например, эффективны при строительстве большепролетных сооружений на важных объектах различного назначения. Однако объем применения конструкций из древесины в настоящее время явно не соответствует потребностям и потенциальным возможностям. Сложилась парадоксальная ситуация: относительная доля подобных конструкций в нашей стране значительно ниже, чем в других странах, не располагающих такими лесными ресурсами и возможностями для их переработки.

Анализ состояния данной проблемы позволяет отметить, что в значительной степени это связано с недостаточным объемом исследований влияния современных средств огнезащиты на показатели пожарной опасности древесины, конструкций из нее, а также на их огнестойкость. Многие требования, содержащиеся в отечественных нормативных доку-

ментах и регламентирующие возможность применения конструкций из древесины в строительстве, являются более жесткими, чем в странах с большим опытом их исследований и практического использования.

Для применения несущих и ограждающих конструкций из древесины проектировщикам приходится компенсировать повышение пожарной опасности здания, вызванное использованием горючих материалов (древесины), архитектурно-планировочными решениями. Это влечет за собой необходимость разработки в соответствии со СНиП 21-01-97* [1] технических условий (ТУ), отражающих специфику противопожарной защиты объекта, включая комплекс дополнительных инженерно-технических и организационных мероприятий. Указанные ТУ должны быть согласованы с УГПС и Госстроем России и утверждены заказчиком.

Кроме необходимости разработки и согласования ТУ сдерживающим фактором развития применения конструкций из древесины является отсутствие у проектировщиков достаточного объема ин-

пожаровзрывобезопасность 1 '2005

формации о современных средствах огнезащиты и их влиянии на показатели пожарной опасности и огнестойкость указанных конструкций. Как правило, производители материалов ограничиваются подтверждением получения 1-й группы огнезащитной эффективности древесины по НПБ 251-98 [2] и не уделяют должного внимания исследованиям других показателей пожарной опасности. В то же время количество и эффективность средств огнезащиты для древесины постоянно растет, причем на рынок поступает все большее количество материалов отечественного производства. Весьма перспективным представляется использование в качестве огнезащиты вспучивающихся покрытий. Нанесение таких покрытий технологично, они обеспечивают выполнение самых взыскательных эстетических требований, предъявляемым к рассматриваемым конструкциям.

Рассмотрим предписанный СНиП [1] объем показателей пожарной опасности огнезащищенной древесины и конструкций из нее, соответствие которым способствовало бы более активному применению данных материалов и конструкций. Эти показатели целесообразно рассматривать на примере материала, для которого в настоящее время в наиболее полном объеме проведены необходимые исследования.

Анализ имеющихся на рынке отечественных и зарубежных средств огнезащиты показал, что наибольший объем исследований по пожарной опасности проведен для краски огнезащитной ПРОТЕРМ ВУД, предназначенной для конструкций из древесины и выпускаемой фирмой "А+В". Покрытие может быть белого цвета или прозрачным. В большинстве случаев для конструкций из древесины более предпочтительным является использование прозрачной краски. В соответствии с информацией, предоставленной фирмой-производителем, в ходе сертификационных исследований в испытательном центре "Антип" получен следующий набор показателей пожарной опасности древесины, защищенной покрытием ПРОТЕРМ ВУД.

В результате испытаний по НПБ [2] (ГОСТ 16363-98) получена 1-я группа огнезащитной эффективности древесины. Средняя потеря массы составила 5% при расходе 350 г/м2 для покрытия белого цвета и 6% при расходе 390 г/м2 для прозрачного, что существенно ниже порогового значения (9%).

В результате испытаний по ГОСТ 30244-94 [3] установлено, что древесина с нанесенным на нее прозрачным покрытием с расходом 390 г/м2 и наружным слоем из прозрачного лака ПРОТЕРМ ВУД А1 ТОП с расходом 50-70 г/м2 относится к группе Г1 и согласно СНиП [1] является слабогорючим

Параметры горючести древесины после наружной огнезащиты лаком ПРОТЕРМ ВУД А1 ТОП

Параметры горючести

Группа горючести Температура Степень повреждения, % Продолжительность

материалов дымовых самостоя-

газов Т, °С по по длине массе тельного горения, с

Требования Г1 < 135 <65 <20 0

Результаты Г1 98 49 1,2 0

испытании

строительным материалом. При этом получены параметры горючести, представленные в таблице.

В свою очередь, испытания по ГОСТ 30402-96 [4] показали, что защищенная вышеуказанным образом древесина относится к группе В1 и является трудновоспламеняемым материалом. Получена величина критической поверхностной плотности теплового потока, равная 50 кВт/м2, что существенно выше порогового значения (35 кВт/м2).

Представленные результаты свидетельствуют о том, что при использовании данного покрытия достигаются наивысшие показатели для такого сравнительно горючего строительного материала, каким является древесина. При этом перечисленные характеристики получены с определенным запасом при указанном расходе покрытия.

В настоящее время готовятся огневые испытания по ГОСТ 30403-96 [5] для определения класса пожарной опасности ДКК с покрытием ПРОТЕРМ ВУД. Следует отметить, что до настоящего времени испытания конструкций из древесины по данному стандарту не проводились, что в определенной степени препятствовало их использованию в строительстве. Испытания по ГОСТ [5] особенно актуальны для клееных деревянных конструкций, поскольку проводимые исследования образцов не отражают их особенности (неравномерность структуры, наличие клеевых прослоек и пр.).

Снижение пожарной опасности древесины и конструкций из нее при использовании покрытия ПРОТЕРМ ВУД можно объяснить тем, что при нагреве огнезащиты образуется вспученный слой значительной толщины. Это увеличивает время до начала интенсивного обугливания древесины и уменьшает скорость обугливания и, соответственно, количество образующихся горючих газообразных продуктов ее разложения. Кроме того, наличие антипиренов в составе покрытия приводит к образованию негорючих газообразных продуктов при его разложении. Все это снижает показатели воспламеняемости и горючести древесины. Перечисленные факторы позволяют достигнуть значительного снижения или исключить распространение пламени по поверхности конструкций.

Огнезащита

Уменьшение скорости обугливания вследствие использования вспучивающейся огнезащиты приводит к росту предела огнестойкости конструкций из древесины. Следует отметить, что самым распространенным в нашей стране путем повышения предела огнестойкости несущих и клееных деревянных конструкций до настоящего времени является увеличение их сечения, но при этом возрастают их масса и пожарная нагрузка на здание. В то же время применение эффективных вспучивающихся покрытий типа ПРОТЕРМ ВУД повышает предел огнестойкости при одновременном снижении показателей пожарной опасности конструкций из древесины.

Проблема состоит в том, что оценить это наиболее наглядным экспериментальным путем затруднительно. Стоимость проведения таких испытаний достаточно велика, и проводиться они могут только для конструкций с относительно небольшими поперечными размерами и длинами. Во многом из-за этого испытания по оценке предела огнестойкости несущих конструкций из древесины не проводились в нашей стране последние 10-15 лет. Вследствие сказанного отсутствуют отечественные экспериментальные данные о влиянии современных средств огнезащиты на уровень пределов огнестойкости таких конструкций.

За рубежом проводится значительное количество огневых испытаний для оценки пределов огнестойкости деревянных и клееных деревянных конструкций, защищенных вспучивающимися огнезащитными покрытиями. Имеются данные по испытаниям таких конструкций с покрытием ПРОТЕРМ ВУД, проведенным в специализированных испытательных центрах в Италии на балках небольших сечений (200-400 мм). Судя по этим результатам, рассматриваемое покрытие существенно повышает предел огнестойкости конструкций. На крупных несущих конструкциях преимущества применения подобных материалов будут не столь очевидны, как на относительно небольших деревянных элементах. На конструкциях больших сечений использование вспучивающихся огнезащитных покрытий необходимо, в основном, для снижения их пожарной опасности. Очень важной для ДКК является проблема обеспечения заданной огнестойкости стальных элементов конструкций и узлов, содержащих металлические элементы и используемых для соединения деревянных конструкций между собой и с другими конструкциями. Учитывая многообразие вариантов конструктивного исполнения узлов, оценка их огнестойкости при огневых испытаниях представляет собой трудноразрешимую задачу.

В связи с тем, что осуществить на практике экспериментальное определение огнестойкости ДКК и узлов в требуемом для проектировщиков объеме представляется нереальным, необходимо использо-

вание расчетных методов ее определения. Определение фактических пределов огнестойкости ДКК и узлов, а также требуемых толщин выбранного средства огнезащиты осуществляется взаимосвязанными теплотехническим и статическим расчетами. Для проведения статических расчетов может применяться, например, методика, изложенная в работе [6]. В то же время, как следует из [6, 7], для конструкций из древесины при использовании вспучивающихся покрытий известные упрощенные методы теплотехнических расчетов малопригодны.

В связи с вышесказанным в настоящее время совершенствуется методика теплотехнических расчетов для конструкций из древесины со вспучивающимися покрытиями. При этом за основу взяты методы, показавшие свою эффективность при расчетах металлических и железобетонных конструкций [8-11]. Из числа математических моделей, представленных в указанных работах и разработанных для материалов, при нагреве которых происходят процессы термического разложения, испарения-конденсации и вспучивания-усадки, наиболее близко отражает особенности поведения конструкций из древесины модель, разработанная для водо-содержащих вспучивающихся огнезащитных покрытий [11]. Она позволяет моделировать термическое разложение, образование и усадку обугленного слоя древесины, испарение воды, фильтрацию пара как к "холодной" зоне, так и к обогреваемой поверхности, конденсацию пара в "холодной" зоне (на каркасе пористой древесины), испарение вторичного конденсата. Наряду с этим учитывается вспучивание огнезащитного покрытия и фильтрация через образующийся пенококс не только газообразных продуктов термического разложения огнезащиты, но и пара, образующегося при нагреве древесины. Особенностью задачи является то, что учитывается соответствующее деформирование расчетной области, а также изменение теплофизи-ческих характеристик материала непосредственно в процессе нагрева, термического разложения, усадки древесины и вспучивания огнезащиты.

Разрабатывается также вариант методики теплотехнических расчетов для узлов, позволяющий моделировать двухмерный прогрев рассматриваемых конструкций, состоящих, например, из пластин и стержней, фиксируемых в ДКК с помощью клея. Предварительные расчеты прогрева узлов с огнезащитой свидетельствуют, в частности, о возможности и перспективности использования вспучивающихся покрытий типа ПРОТЕРМ СТИЛ для обеспечения заданных пределов огнестойкости узлов. Следовательно, уже имеющиеся данные свидетельствуют о том, что требуемые пожарно-техниче-ские характеристики рассматриваемых конструкций могут быть обеспечены при использовании

пожаровзрывобезопасность 1 '2005

близких по составу вспучивающихся покрытий (например, ПРОТЕРМ ВУД для ДКК и ПРОТЕРМ СТИЛ для стальных элементов узлов).

Таким образом, в настоящее время повышаются возможности для обеспечения эффективной огнезащиты ДКК и узлов, что должно способствовать увеличению объема применения конструкций из древесины при строительстве важных объектов и обеспечению требуемого уровня их пожарной безопасности. Для этого необходимо проведение пол-

ного комплекса испытаний по оценке влияния современных средств огнезащиты на горючесть, воспламеняемость древесины и класс пожарной опасности. Кроме того, должны совершенствоваться методы теплотехнических расчетов ДКК и узлов, применение которых представляется перспективным при проектировании огнезащиты и анализе результатов огневых испытаний конструкций с целью обоснованного переноса их результатов на конструкции других размеров и формы.

ЛИТЕРАТУРА

1. СНиП 21-01-97*. Пожарная безопасность зданий и сооружений.

2. НПБ 251-98. Огнезащитные составы и вещества для древесины и материалов на ее основе. Общие требования. Методы испытаний.

3. ГОСТ 30244-94. Материалы строительные. Методы испытаний на горючесть.

4. ГОСТ 30402-96. Материалы строительные. Методы испытаний на воспламеняемость.

5. ГОСТ 30403-96. Конструкции строительные. Метод определения пожарной опасности.

6. Мосалков И. Л., Плюснина Г. Ф., Фролов А. Ю. Огнестойкость строительных конструкций. — М.: Спецтехника, 2001. — 496 с.

7. Ройтман В. М. Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируемых зданий. — М: Пожнаука, 2000. — 382 с.

8. Страхов В. Л., Крутов А. М., Давыдкин Н. Ф. Огнезащита строительных конструкций. — М.: ТИМР, 2000. — 433 с.

9. Страхов В. Л., Гаращенко А. Н., Крутов А. М., Давыдкин Н. Ф. Расчет требуемых толщин огнезащиты по результатам ее огневых испытаний // Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков: Материалы XV Научно-практической конференции. Ч. 3. — М.: ВНИИПО, 2000. С. 75-82.

10. Гаращенко А. Н., Страхов В. Л., Рудзинский В. П., Гаращенко Н. А. Экспериментальные и теоретические исследования особенностей тепломассопереноса во вспучивающейся огнезащите на примере покрытия ПРОТЕРМ СТИЛ //Труды 3-й Российской национальной конференции по теплообмену. — М.: МЭИ, 2002. С. 254-257.

11. Страхов В. Л, Гаращенко А. Н., Рудзинский В. П., Алейник В. А. Математическое моделирование работы водосодержащих вспучивающихся огнезащитных покрытий // Пожаровзрыво-безопасность. 2003. Т. 12.№ 1. С. 39.

Поступила в редакцию 11.11.04.