СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ОБУГЛИВАНИЯ ДЕРЕВЯННОГО ИЗГИБАЕМОГО ЭЛЕМЕНТА
METHOD FOR DETERMINING THE RATE OF CHARRING OF A WOOD BENT ELEMENT

Изобретение относится к области пожарной безопасности, к исследованию параметров горения твердых веществ, строительных материалов и деревянных конструкций, в частности к определению скорости обугливания деревянных изгибаемых элементов, в условиях пожара в здании.
Необходимость определения показателей возгораемости деревянных изгибаемых элементов при их проектировании, эксплуатации в соответствии с требованиями пожарной безопасности, при их работе в условиях огневого воздействия и испытательной нагрузки или после пожара. Необходимость оценки величины скорости обугливания (выгорания) деревянных изгибаемых элементов возникает при определении временного показателя пожароустойчивости деревянных изгибаемых элементов конструкции, при проведении пожарно - технической или строительной экспертизы состояния безопасности деревянных изгибаемых элементов после пожара.
2
Известен способ определения скорости выгорания твердых материалов в муфельной печи при высокой 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. В процессе опыта фиксируют время воспламенения образца и время 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  кг/(м⋅с). / 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 деревянного изгибаемого элемента конструкции можно определить косвенным путем, приближенно; при этом невозможно определить показатели обугливания деревянного изгибаемого элемента конструкции, имеющего другие геометрические размеры, не учитываются фактические показатели: прочность, плотность и влажность древесины, массивность сечения деревянного изгибаемого элемента конструкции и условия обогрева деревянного изгибаемого элемента 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 поперечных сечений деревянных конструкций в условиях пожара в здании, установление породы 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 плотности и влажности древесины в естественном состоянии, находят нормативное сопротивление сортовой древесины на сжатие или на изгиб, 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, и, посредством использования построений параметрической номограммы определяют среднюю скорость обугливания деревянных конструкций. / 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 изгибаемого 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 заключается в установлении показателей пожарной опасности деревянных изгибаемых элементов конструкции здания в части их пожароустойчивости, гарантированной длительности сопротивления деревянных изгибаемых элементов в условиях пожара, в определении скорости обугливания древесины, в оценке фактического временного показателя пожароустойчивости деревянных изгибаемых элементов при проектировании, строительстве, эксплуатации или при пожаре; в снижении экономических затрат при испытании деревянного изгибаемого элемента на пожароустойчивость; расширение технологических возможностей оценки фактической скорости обугливания деревянного изгибаемого элемента любой толщины, имеющих различное напряженное состояние и различно расположенного в пространстве.
Технический результат - исключение огневых испытаний при определении скорости обугливания деревянного изгибаемого элемента здания; снижение трудоемкости определения показателей возгораемости деревянного изгибаемого элемента; повышение точности и оперативности испытания, повышение достоверности контроля качества деревянного изгибаемого элемента; снижение экономических затрат на испытание.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе определения скорости обугливания деревянной конструкции здания путем испытания, включающем проведение технического осмотра, выявление схемы обогрева поперечных сечений деревянной конструкции в условиях пожара, установление вида и породы древесины, при этом испытание деревянной конструкции производят без огневого воздействия неразрушающими методами по комплексу единичных показателей качества, при техническом осмотре проводят инструментальные измерения геометрических размеров деревянной конструкции, выявляя массивность опасных расчетных сечений, число и место расположения участков, в которых определяют единичные показатели качества деревянной конструкции, экспериментально определяют показатели средней плотности и влажности древесины в естественном состоянии, находят нормативное сопротивление сортовой древесины на изгиб, наименьший размер поперечного сечения деревянной конструкции, нормативное сопротивление древесины на изгиб, показатель условий расположения обогреваемых граней деревянной конструкции в пространстве здания при пожаре, особенностью является то, что определяют скорость обугливания деревянного изгибаемого элемента, при этом среднюю скорость обугливания сечения (см/мин) деревянного изгибаемого элемента определяют, используя аналитическое уравнение (1):
02
3
где ψ=1,33 - показатель условия обугливания нижней грани деревянного изгибаемого элемента; С - интегральный показатель условий обугливания граней сечения деревянного изгибаемого элемента; е=2,72 - натуральное число; ρ - средняя плотность древесины в естественном состоянии, г/см.
Интегральный показатель условий обугливания сечения деревянного изгибаемого элемента вычисляют по уравнению (2):
cr
где В - ширина сечения изгибаемого элемента, см;  - нормативное сопротивление древесины изгибу, МПа; ω - влажность древесины в естественном состоянии, %; S - критическая толщина обугливания опасного сечения деревянного сжатого элемента, см.
cr
Критическую толщину обугливания опасного сечения деревянного изгибаемого элемента (S, см) вычисляют по уравнению (3):
0
o
где В и Н - ширина и высота сечения деревянного изгибаемого элемента, см; g - погонная испытательная нагрузка на изгибаемый элемент, кН/пог.м; L - расчетный пролет изгибаемого элемента, м;  - сопротивление древесины на изгиб, МПа.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных 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 скорости обугливания различно нагруженных 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 изгибаемых деревянных конструкций. Следовательно, условия испытания строительных конструкций на возгораемость и пожароустойчивость значительно упрощены и экономически целесообразны.
Математическое описание процесса обугливания деревянного изгибаемого элемента взамен стандартного огневого воздействия повышает точность и оперативность оценки скорости их обугливания.
Определение скорости обугливания деревянного изгибаемого 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 изгибаемого элемента предусматривают не по одному показателю, а по комплексу единичных показателей качества. Это повышает точность оценки ее фактического значения. Уточнен комплекс единичных показателей качества деревянных изгибаемых элементов, влияющих на скорость обугливания, определяемых неразрушающими испытаниями.
o
m
а
х
0
На фиг. 1 изображена расчетная схема деревянного изгибаемого элемента; 1 - изгибаемый элемент; 2 - опора; 3 - эпюра момента; L - расчетная длина изгибаемого элемента, м;  - размер опорной части, м; М - максимальный изгибающий момент; g - испытательная нагрузка, кН/пог.м;  - тепловое воздействие, °С.
cr
На фиг. 2 изображено расчетное сечение А-А деревянного изгибаемого элемента в условиях четырехстороннего огневого воздействия: В и Н - ширина и высота сечения элемента, см; S - критическая толщина обугливания, см;  - тепловое воздействие, °С.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного выше технического результата.
При осуществлении способа определения скорости обугливания деревянного изгибаемого элемента сначала проводят визуальный осмотр конструкции здания. Затем определяют группу однотипных изгибаемых элементов и их общее число в ней. Вычисляют величину выборки однотипных деревянных изгибаемых элементов. Назначают комплекс единичных показателей качества деревянных изгибаемых элементов, влияющих на скорость ее обугливания. Вычисляют число испытаний единичного показателя качества деревянного изгибаемого элемента в зависимости от его статистической изменчивости. Затем определяют единичные показатели качества деревянного изгибаемого элемента и их интегральные параметры и по ним, используя уравнение (2), находят скорость обугливания испытуемого элемента. Под визуальным осмотром понимают проверку состояния деревянных изгибаемых элементов, включающую выявление условий опирания отдельных элементов, определение породы и сорта древесины.
Схему обогрева сечения деревянного изгибаемого элемента 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 деревянного изгибаемого элемента, определяют так. В изгибаемых элементах, имеющих одно опасное сечение, участки располагают только в этом сечении. В изгибаемых элементах, имеющих несколько опасных сечений, участки располагают равномерно по поверхности с обязательным расположением части участков в опасных сечениях.
К основным единичным показателям качества деревянного изгибаемого элемента относятся: геометрические размеры опасного сечения элемента; предел прочности древесины на изгиб, влажность и среднюю плотность ее в естественных условиях.
Проверяемыми геометрическими размерами являются: для конструкций балок - ширина и высота сечения.
Опасные сечения у деревянных изгибаемых элементов назначают в местах наибольших моментов от действия испытательной нагрузки. Так, в двускатных балках наиболее опасное сечение назначают не в середине пролета, а на расстоянии от опоры, равном 0,4 пролета.
Для статически неопределимых балочных элементов опасные сечения назначают в пролетах и на опорах. Опасные сечения при этом находят по наибольшим ординатам огибающей эпюры моментов.
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.
Для экспресс-оценки свойств и качеств материалов и изделий из строительной древесины используют справочное пособие / Определение свойств и качеств строительных материалов в полевых условиях / Марцинчик А.Б., Шубенкин П.Ф. - М., Стройиздат, 1983. - с. 88-100.
0
3
Используя полученные единичные показатели: наименьший размер сечения деревянного изгибаемого элемента 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 изгибаемого элемента.
0
н
Пример: Дано: деревянный изгибаемый элемент - балка прямоугольного сечения В×Н=14×66 см, испытательная нагрузка g=0,7×6=4,2 кН/пог.м; пролет здания 12 м, рабочий пролет балки Lo=11,5 м; древесина - сосна первого сорта, нормативное сопротивление при изгибе =30МПа; обогрев сечения балки четырехсторонний; конструкции здания нормального уровня ответственности (γ=1); сопротивление древесины на изгиб при оценке возгораемости балки
3
средняя плотность древесины g=0,45 г/см; естественная влажность ω=9%.
Требуется определить среднюю скорость обугливания сечения деревянного изгибаемого элемента.
cr
Решение: 1. Критическую толщину слоя обугливания опасного сечения деревянного изгибаемого элемента (S, см) выявляют по уравнению (3):
0
0
где В и Н - ширина и высота сечения деревянного изгибаемого элемента, см; g - погонная испытательная нагрузка на изгибаемый элемент, кН/пог.м; L - расчетный пролет изгибаемого элемента, м;  - сопротивление древесины на изгиб, МПа.
2. Интегральный показатель условия обугливания сечения деревянного изгибаемого элемента вычисляют по уравнению (2):
cr
где В - ширина сечения изгибаемого элемента, см;  - нормативное сопротивление древесины изгибу, МПа; ω - влажность древесины в естественном состоянии, %; S - критическая толщина обугливания опасного сечения деревянного сжатого элемента, см.
3. Среднюю скорость обугливания сечения ( см/мин) деревянного изгибаемого элемента определяют, используя аналитическое уравнение (1):
02
3
где ψ=1,33 - показатель условия обугливания нижней грани деревянного изгибаемого элемента; С - интегральный показатель условий обугливания граней сечения деревянного изгибаемого элемента; е=2,72 - натуральное число; 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.К, Ковалевский А.С., заяв. СГАСУ: 06.09.04, опубл. 20.08.06. Бюл. №23.