РОЗРАХУНКОВИЙ МЕТОД ОЦІНЮВАННЯ ВОГНЕЗАХИСНОЇ ЗДАТНОСТІ ВОГНЕСТІЙКОЇ ФАНЕРИ ДЛЯ ДЕРЕВ'ЯНИХ БАЛОК

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 261 – Пожежна безпека. ‒ Черкаський інститут пожежної безпеки імені Героїв Чорнобиля НУЦЗ України, Черкаси, 2022. Актуальність теми. Щороку в Україні, виникає велика кількість пожеж і прослідковується тенденція до збільшення їх кількості у будівлях з використанням дерев'яних несучих конструкцій. Найбільш розповсюдженими несучими конструкціями даних будівель є дерев'яні балки. Оскільки в усьому світі використовується не цільна, а клеєна деревина і все частіше використовуються продукти деревини у вигляді фанери та OSB плити, дослідження цих матеріалів стає дедалі актуальнішим. Зважаючи на той факт, що Державні будівельні норми України корелюються з Єврокодами, виникає необхідність створення нормативно-правової бази міжнародного стандарту. Через обвуглювання дерев'яних балок у результаті дії високих температур при пожежі зменшується їх робочий переріз, в результаті чого, збільшується напруження в конструкції, робоче навантаження на несучу конструкцію стає більшим за нормативне, як наслідок при досягненні межі міцності деревини виконуються умови втрати несучої здатності і конструкція руйнується. Тому для досягнення нормативної межі вогнестійкості дерев'яних констукцій їх необхідно піддавати вогнезахисному оброблянню, або облицюванню. Ідея роботи полягає у вирішенні актуального науково-технічного завдання – розробка розрахункового методу оцінювання вогнезахисної здатності вогнестійкої фанери для дерев'яних балок, залежно від закономірностей зміни геометричних параметрів зони обвуглювання та з урахуванням впливу стандартного температурного режиму пожежі, як наукового підґрунтя для доповнення існуючої нормативної бази щодо визначення межі вогнестійкості дерев’яних балок з вогнезахисним облицюванням на основі просоченої фанери, що в свою чергу дозволяє забезпечувати вимоги пожежної безпеки до будівель із дерев'яними балками даного типу вогнезахисту. Останнім часом все більш широкого поширення в будівництві набувають клеєні дерев’яні конструкції і деталі з деревини у вигляді балок прямокутного перерізу. Проте, досягнення негорючості і важкогорючості, низької димоутворювальної здатності таких дерев’яних конструкції залишається актуальним завданням. Ефективним засобом забезпечення проектної вогнестійкості дерев’яних конструкцій залишається застосування вогнезахисного облицювання. Перспективним матеріалом є вогнезахисне облицювання на основі просоченої фанери, що зберігає свою актуальність у застосуванні не тільки на автомобільному, залізничному, авіатранспорті, суднобудуванні, а і під час будівництва висотних будівель, які мають підвищений рівень небезпеки. Тому, для забезпечення нормованої межі вогнестійкості дерев’яної балки, було застосовано вогнезахисне облицювання на основі просоченої фанери. Об’єкт роботи ‒ методи розрахункового оцінювання вогнезахисної здатності вогнестійкої фанери для дерев’яних балок прямокутного перерізу. Предметом дослідження є вплив конструктивних параметрів дерев'яних балок з вогнезахисним облицюванням на основі просоченої фанери та часу впливу стандартного температурного режиму пожежі на їх вогнестійкість. Мета проведення досліджень в даній роботі полягає у розкритті закономірностей залежності конфігурації зони обвуглювання дерев'яних балок прямокутного перерізу з вогнезахисним облицюванням на основі просоченої фанери від конструктивних параметрів несучої конструкції та часу експонування за стандартним температурним режимом, що є підгрунтям для створення ієрархії методів з метою прогнозування поведінки дерев'яних балок такого типу, як частини сучасної нормативної бази щодо забезпечення пожежної безпеки будівель із дерев'яними конструкціями. Для досягнення поставлених цілей були сформовані такі завдання: - провести аналіз статистичних даних щодо пожеж в Україні за останні роки, а також аналіз вимог нормативної бази України щодо вогнестійкості дерев’яних балок з вогнезахисними системами та без них; - розробити методику експериментальних досліджень на основі вогневих випробувань фрагментів дерев'яних балок з вогнезахисним облицюванням на основі просоченої фанери та без нього в умовах теплового впливу стандартного температурного режиму пожежі протягом часу в межах діапазону стандартних класів вогнестійкості для даного типу балок; - на основі проведених експериментальних досліджень розробити методику інтерполяцій обвугленої зони в перерізах дерев'яних балок із вогнезахисним облицюванням на основі просоченої фанери із використанням узагальненого математичного опису за допомогою ліній Без'є; - дослідити закономірності залежності геометричних параметрів обвугленої зони та межі вогнестійкості дерев'яних балок прямокутного перерізу із вогнезахисним облицюванням на основі просоченої фанери від конструктивних параметрів балок та часу теплового впливу стандартного температурного режиму пожежі; - розробити ієрархічну систему методів розрахункової оцінки вогнестійкості дерев'яних балок, облицьованих вогнезахисною фанерою, на основі створених довідникових таблиць, номограм та математичного опису геометрії обвугленої зони цих балок. Наукова новизна дисертації полягає у вирішенні актуального науково-технічного завдання щодо розкриття закономірностей залежності геометричних характеристик обвугленої зони та межі вогнестійкості дерев’яних балок прямокутного перерізу, захищених вогнезахисним облицюванням на основі просоченої фанери, від їх конструктивних параметрів та часу теплового впливу стандартного температурного режиму пожежі, що дозволяє суттєво розширити номенклатуру вогнезахисних матеріалів для забезпечення пожежної безпеки дерев’яних балок. При цьому отримані такі основні наукові результати: - вперше запропоновано метод описання обвугленої зони в перерізах дерев’яних балок із вогнезахисним облицюванням на основі просоченої фанери, що дозволяє встановлювати належність дерев’яних балок із вогнезахистом даного типу до того чи іншого класу вогнестійкості; - визначено торцеву та бічну швидкості обвуглювання дерев'яних балок із вогнезахистом на основі просоченої фанери, що склали відповідно 0.96 мм/хв та 0.31 мм/хв, а також час затримки початку обвуглювання, що складає в залежності від товщини облицювання від 11 хв до 20 хв на торці перерізу та від 15 хв до 25 хв на бічній стороні перерізу, що використовується як частина початкових даних для реалізації розробленого методу оцінювання вогнезахисної здатності вогнезахисного облицювання для дерев’яних балок; - встановлено закономірність залежності вогнестійкості від найбільш значущих параметрів: відношення площі обігрівної поверхні балки до її об’єму (Ab/V), товщини облицювання (d), коефіцієнту навантаження (fi) що має вигляд: Ufi = 286.99 – 5914.7Ab/V – 2.57 d – 196.99fi + 206.25Ab/V d + + 170.45Ab/V fi + 0.261 d fi – 17.045Ab/V d fi; - запропоновано ієрархічну систему методів розрахункової оцінки вогнестійкості дерев’яних балок різної конфігурації, що захищені вогнезахисним облицюванням на основі просоченої фанери, за допомогою створених довідникових таблиць, номограм та запропонованого алгоритму реалізації уточненого методу оцінювання класу вогнестійкості даних конструкцій, що є основою визначення кінцевих елементів для оцінки межі вогнестійкості із врахуванням реальної конфігурації обвугленої зони балки; - набуло подальшого розвитку використання системи методів оцінки вогнестійкості дерев'яних балок із вогнезахисними системами на основі просоченої фанери; - удосконалено експериментальну та розрахункову базу забезпечення необхідних вимог щодо вогнестійкості дерев’яних балок прямокутного перерізу із вогнезахисним облицюванням. Практичне значення отриманих результатів та впровадження результатів роботи полягає у розробленні методу підвищеної точності для розрахунку і оцінювання вогнезахисної здатності вогнестійкої фанери для дерев'яних балок, захищених шляхом облицювання вогнезахисною фанерою, за умов впливу стандартного температурного режиму пожежі. Даний метод та існуюча база методів визначення глибини обвуглювання дерев'яних балок з вогнезахисним облицюванням дозволяє спрогнозувати точну геометричну конфігурацію не обвугленої частини балки та визначити її реальну несучу здатність. Відповідно до цього можна вибудувати ієрархію системи методів розрахункової оцінки вогнестійкості дерев’яних балок захищених шляхом вогнезахисного облицювання на основі просоченої фанери, звертаючись до створених довідникових таблиць, номограм та математичного опису геометрії обвугленої зони цих балок. Розрахунковий метод оцінювання вогнезахисної здатності вогнестійкої фанери для дерев’яних балок може бути використаний для удосконалення і доповнення існуючої нормативно-правової бази України. Результати виконаних теоретичних і експериментальних досліджень реалізовані у новому технічному рішенні ‒ вогнезахисний спосіб на основі просоченої фанери, що захищено патентом на корисну модель України №143304. Розроблено та запропоновано розрахунковий метод оцінки межі вогнестійкості дерев’яних балок прямокутного перерізу з вогнезахисним облицюванням на основі просоченої фанери, що дозволяє доповнити нормативно правову базу з урахуванням запропонованих нововведень, які дозволяють значно підвищити межу вогнестійкості дерев’яних балок із вогнезахисним облицюванням вогнезахисною фанерою за рахунок врахування конфігурації зони обвуглювання та зменшення вартості проведення випробувань і обсягу робіт. Результати виконаних досліджень впроваджено у діяльність Інституту державного управління та наукових досліджень з цивільного захисту під час виконання науково дослідних робіт та розробки нормативно-правових актів (м. Київ). Теоретичні і практичні результати отримані у дисертаційному дослідженні, зокрема, результати досліджень обвуглювання дерев’яних балок із різними вогнезахисними системами, глибини обвуглювання зразків фрагментів дерев’яних балок, що облицьовані вогнезахисною фанерою та положення «Методики оцінки вогнестійкості дерев’яних балок із вогнезахисним облицюванням на основі просоченої фанери» завдяки яким інженери та науковці, які працюють у цій галузі, матимуть можливість підвищити якість та ефективність випробувальних робіт під час оцінювання параметрів вогнестійкості несучих та огороджувальних конструкцій з деревини. Результати виконаних досліджень прийнято до впровадження у Випробувальному центрі ТОВ «ТЕСТ» (м.Київ). Теоретичні та практичні результати, отримані в дисертаційному дослідженні впроваджені в освітній процес на кафедрі безпеки об’єктів будівництва та охорони праці Черкаського інституту пожежної безпеки імені Героїв Чорнобиля НУЦЗ України, при підготовці фахівців освітнього ступеню «бакалавр» за спеціальністю 261 «Пожежна безпека» при викладанні дисципліни «Стійкість будівель і споруд при пожежі» в розділі теми «Способи підвищення вогнестійкості дерев’яних конструкцій». Також при підготовці фахівців освітнього ступеню «бакалавр» за спеціальністю 263 «Цивільна безпека» при викладанні дисципліни «Стійкість будівель та споруд в умовах надзвичайних ситуацій» в розділі таких тем «Визначення вогнестійкості дерев’яних конструкцій» та «Вогнестійкість дерев’яних конструкцій та способи її підвищення». Методи дослідження. Для розроблення методики розрахунку застосовувалися експериментальні, табличні і теплофізичні методи дослідження температурних розподілів всередині перерізу дерев’яної балки з вогнезахисним облицюванням на основі просоченої фанери та для побудови ліній контурів зони обвуглювання, доповненням яких було математичне моделювання. Для перевірки достовірності та адекватності отриманих результатів експерименту та математичного описання зони обвуглювання дерев’яних балок з вогнезахисним облицюванням на основі просоченої фанери застосовувалися методи математичної статистики. У вступі наведена загальна характеристика роботи, обґрунтовано актуальність теми досліджень, розкритий зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами, сформульована мета, завдання, об’єкт та предмет дослідження, вказана наукова новизна та практичне значення одержаних результатів, визначений особистий внесок здобувача, наведені дані про апробацію, публікації, структуру та обсяг роботи. У першому розділі було проаналізовано нормативну базу та наукові розробки для визначення меж вогнестійкості дерев'яних балок із вогнезахисним облицюванням, проведено моніторинг статистичних даних щодо пожеж, які виникли на території держави. Завдяки проведеному аналізу виявлено, що швидкому поширенню вогню сприяє використання незахищених дерев'яних конструкцій, а це відповідно призводить до більшої кількості жертв при пожежі. Для забезпечення вогнестійкості дерев'яних будівельних конструкцій у відповідності з вимогами чинних будівельних норм України пріоритетними являються питання методик, які надають можливість прогнозувати та оцінювати вогнестійкість конструкцій для будівель, що проектуються, а також для вже збудованих об’єктів. На основі прогнозованих даних застосовуються технологічні способи з метою підвищення вогнестійкості конструкцій будівлі та зменшення значення межі поширення полум'я. До основних технологічних систем, що використовуються з даною метою, належить також і вогнезахисне облицювання, а з огляду на ряд переваг дані технології становлять значний інтерес. Слід зазначити, що вплив облицювання на основі просоченої фанери на вогнестійкість дерев'яних балок вивчений недостатньо. Зазначені обставини, що входять в систему стандартів і являються чинними в Україні (EN 1995-1-2:2004 Eurocode 5: Design of timber structures – Part 1-2), вплинули на систему розрахункових методів оцінювання вогнестійкості дерев'яних конструкцій. Результати аналізу літературних джерел і патентного огляду дали можливість сформулювати мету та завдання для її досягнення. У другому розділі сформовано номенклатуру зразків фрагментів дерев’яних балок із вогнезахисним облицюванням просоченою фанерою та без нього для проведення вогневих випробувань з метою дослідження їх поведінки за умов впливу стандартного температурного режиму пожежі. Описано експериментальне обладнання та матеріали для виготовлення зразків-фрагментів дерев’яних балок. Описана методика виготовлення зразків-фрагментів дерев’яних балок захищених шляхом облицювання просоченою фанерою, з обґрунтуванням їх конструктивних параметрів та кількості, що забезпечує достовірність випробувань. Описана методика досліджень поведінки випробувальних зразківфрагментів дерев’яних балок не захищених та захищених шляхом їх вогнезахисного облицювання на основі просоченої фанери. У третьому розділі проведено дослідження закономірностей зміни температури у внутрішніх шарах зразків-фрагментів дерев’яних балок облицьованих вогнезахисним облицюванням на основі просоченої фанери, що залежить від часу випробування в умовах стандартного температурного режиму пожежі. Виявлено закономірності зміни торцевої та бокової глибини обвуглювання експериментальних зразків у залежності від часу їх експонування за стандартним температурним режимом пожежі та встановлено відповідні регресійні залежності, що описуються за допомогою коефіцієнтів регресії типу 𝑑(𝑡) = 𝑏1 + 𝑏2 𝑡 + 𝑏3𝑡2 + 𝑏4𝑡3. Встановлено швидкості обвуглювання бічної і торцевої сторін перерізу зразків-фрагментів дерев’яної балки з облицюванням вогнезахисною фанерою залежно від часу їх експонування в умовах стандартного температурного режиму пожежі, що відповідно становлять 0,31 мм/хв та 0,96 мм/хв. Також встановлено час затримки початку обвуглювання дерев’яної балки з вогнезахисним облицюванням, що складає, в залежності від товщини облицювання, від 11 хв до 20 хв з торцевої сторони перерізу та від 15 хв до 25 хв з бічної сторони перерізу. Виявлено закономірності температурних розподілів у різних часових інтервалах вогневого впливу за стандартним температурним режимом, що становлять 15 хв, 30 хв, 60 хв для зразків-фрагментів дерев’яних балок з товщиною облицювання вогнезахисною фанерою в діапазоні від 0 мм до 20 мм. При 60 хв вогневих випробуваннях температурні показники першої термопари склали для зразків з товщиною захисту 0 мм ‒ 599 ⁰С, 10 мм ‒ 248 ⁰С, 20 мм ‒ 219 ⁰С, що підтверджує залежність глибини обвуглювання від товщини вогнезахисного облицювання. Проаналізовані результати експериментів щодо процесу нагрівання та обвуглювання захищених дерев’яних балок шляхом облицювання вогнезахисною фанерою та не захищених дерев’яних балок, що визначає адекватність отриманих результатів. У четвертому розділі дисертації описано математичну модель прогнозування геометричної форми перерізу вогнезахищених дерев'яних балок в умовах пожежі. Використовуючи розроблений математичний апарат, були побудовані контури обвугленої зони для різних дерев’яних балок без вогнезахисту та з вогнезахисним облицюванням різної товщини. Відповідно визначених параметрів t0s та t0е – час затримки процесу обвуглювання на бічній та торцевій стороні перерізу дерев’яної балки. Час затримки процесу обвуглювання на сторонах перерізу балки визначається за узагальненими експериментальними даними, наведеними у попередньому розділі даної роботи. Дані розрахунки були проведені для визначення конфігурації ліній Бєз’є, що можуть бути визначені за допомогою 5-ти характерних точок, які зафіксовані на ізотермах із критичною температурою. Параметризація функцій кривих Бєз’є базується на припущенні, що параметр r визначається за найбільшим габаритним розміром перерізу балки у безрозмірному відносному представленні у вигляді параметричної функції r = f(yc/h). Такий запис потрібний для опису перерізів з іншими габаритними розмірами, та різними їх співвідношеннями. Для того, щоб проаналізувати величину імовірної похибки при моделюванні обвугленої зони перерізу дерев’яних балок із вогнезахисним облицюванням на основі просоченої фанери та без нього за запропонованим нами методом, був використаний метод збурень. Результати проведених розрахунків за даними параметрами із «збуренням» порівнюються із результатами, отриманими за початковими даними без «збурення». Такий порівняльний аналіз дозволяє оцінити достовірність методу з огляду на чутливість його похибки до експериментальної похибки проведених дослідів, що складає не більше 14 % та вкладається у ієрархічну схему методів рекомендованих нормативними документами. У п’ятому розділі застосовувався метод прогнозування несучої здатності дерев'яних балок прямокутного перерізу із вогнезахисним облицюванням на основі просоченої фанери в умовах пожежі. З урахуванням результатів, отриманих у попередньому розділі, було запропоновано послідовність процедур для розрахункового методу прогнозування несучої здатності дерев’яних балок прямокутного перерізу із вогнезахисним облицюванням на основі просоченої фанери в умовах пожежі із стандартним температурним режимом, який ґрунтується на спрощених алгоритмах. Одним із таких алгоритмів є використання спеціальних номограм. Вказані номограми можуть бути побудовані на основі отриманої регресії наявних даних щодо товщин вогнезахисного покриття на основі просоченої фанери для дерев’яних балок прямокутного перерізу при забезпеченні стандартних класів вогнестійкості. Таким чином, отримані результати дозволяють визначити послідовність процедур для реалізації методики прогнозування несучої здатності дерев’яних балок прямокутного перерізу із вогнезахисним облицюванням на основі просоченої фанери в умовах пожежі із стандартним температурним режимом. Також запропоновано послідовність процедур при застосуванні даного методу. Завдяки проведеним дослідженям було обґрунтовано та запропоновано розрахунковий метод оцінювання вогнезахисної здатності вогнестійкої фанери для дерев'яних балок. Шляхом математичного моделювання, номограм та таблиць для оцінки класу вогнестійкості дерев’яних балок з вогнезахисним облицюванням на основі просоченої фанери побудовано ієрархію методів, які дозволяють спрогнозувати точну геометричну конфігурацію необвугленої частини перерізу дерев’яної балки та визначити її реальну несучу здатність.