Пожарная безопосность при конструировании здания

        Содержание 

        ВВЕДЕНИЕ

        Пожары и взрывы причиняют большой материальный и социальный ущерб, нередко они  сопровождаются тяжелыми травмами и  человеческими жертвами. Для развитых стран ежегодный ущерб оценивается  в 1-1,25% ВВП, пострадавшие здания восстанавливаются в среднем три года, косвенные убытки в три раза превышают прямой ущерб. Наибольшее число пожаров происходит в жилом секторе.

        Ущерб от пожаров  и взрывов в решающей степени  обусловлен конструктивно-планировочным  решением здания и насыщением его  противопожарным инженерным оборудованием. Выбор материалов и конструкций, площадь и этажность объекта определяют масштаб пожара и сроки восстановления здания,  эффективность эвакуационных путей и систем сигнализации, дымоудаления и тушения огня влияет на количество пострадавших.

        Задачи строителя-проектировщика в сфере пожарной безопасности состоит  в том, чтобы построенное здание обладало огнестойкостью, адекватной его взрывной и пожарной опасности  – чем выше риск возникновения  пожара или взрыва, тем выше требования к конструктивно-планировочным особенностям такого здания. Уменьшить масштаб и ущерб от пожара или взрыва, снизить сроки восстановления здания – основная задача инженера-строителя при проектировании.

        Целью курсовой работы является закрепление необходимых для практической работы теоретических знаний и приобретение практических навыков, направленных на обеспечение противопожарной защиты зданий, сооружений и объектов при проектировке.

        Задачи: изучить

• методику определения степени соответствия конструктивных, объемно-планировочных и инженерно-технических решений зданий и сооружений требованиям действующих нормативных документов по вопросам инженерной защиты зданий и сооружений при пожаре;
• современные методы расчетной оценки инженерно-технических решений, направленных на обеспечение безопасности людей при пожаре, противопожарной защиты зданий и сооружений;
• основные требования, предъявляемые системой нормативно-технических документов в строительстве к производственным, складским, сельскохозяйственным, общественным и жилым зданиям и сооружениям, инженерным системам при их проектировании, строительстве, реконструкции и техническом перевооружении;
• устройство, принцип действия и требования, предъявляемые нормативными документами к системам отопления, вентиляции.

        1.2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЦЕССЕ ГОРЕНИЯ 

        Горением называется сложный физико-химический процесс  взаимодействия горючего вещества с  окислителем, он сопровождается выделением большого количества тепла и света. Реакция может проходить в  виде горения или в виде взрыва, если  химическая активность горючего вещества высока.

        Для возникновения  и развития процесса горения необходима « триединая система »:

ГОРЮЧЕЕ ВЕЩЕСТВО  +   ОКИСЛИТЕЛЬ  +  ИСТОЧНИК ПОДЖИГНИЯ                                                                                                                                 

- горючие газы                     - кислород воздуха       - достаточная температура

- горючие  жидкости                    ( содержание              - определенный запас 

- пылевоздушные  смеси                    21% )                       энергии

-твердые  вещества

        Горючие вещества представлены горючими газами и жидкостями, а  также пылевоздушными смесями и  твердыми веществами. Горение происходит, как правило, в газовой среде, поэтому жидкие и твердые вещества при нагревании подвергаются испарению  и разложению, чтобы пары и газы вступили в реакцию горения. Обычно в качестве окислителя участвует кислород, который содержится в воздухе в количестве 21%. Источник поджигания должен иметь достаточную температуру и определенный запас энергии, чтобы разогреть горючую смесь.

        Очень важным для  горения является соотношение между  горючим и окислителем в горючей  смеси. Диапазон концентраций, в котором  происходит горение, имеет границы  в виде нижнего и верхнего предела  воспламенения – НКПВ и ВКПВ ( рисунок 1 ), а сам диапазон представляет область воспламенения. 

        Рисунок 1 Пределы  воспламенения 

        Если при сгорании все молекулы горючего и окислителя прореагировали без остатка, то в  исходном состоянии компоненты горючей  смеси находились в стехиометрическом  соотношении ( рисунок 2 ). Если после реакции в избытке ока зался окислитель, то в исходном состоянии смесь была бедной, а при избытке горючего – богатой.

        В механизме процесса горения можно выделить несколько  этапов:

        1 этап – источник  поджигания разогревает горючую  смесь, повышается химическая активность компонентов;

        Рисунок 2 Стехиометрическое  отношение

        2 этап – источник  поджигания продолжает нагревать  смесь, горючее и окислитель  начинают взаимодействовать в  виде реакции горения. Этап характеризуется температурой горения;

        3 этап – источник  продолжает нагревать смесь, скорость  реакции возрастает, появляется  пламя. Этап характеризуется температурой  воспламенения;

        4 этап – с появлением  пламени скорость реакции резко  возрастает, при этом выделяется тепло. Процесс  переходит в стадию самопотдерживающей  реакции горения , для которой уже не нужен источник поджигания. Этап характеризуется температурой самовоспламенения;

        5 этап – ускоряющийся  процесс переходит в стадию  цепной реакции горения, он характеризуется максимальной скоростью окисления.

        В зависимости от скорости реакции процесс горения  может быть дефляграционным ( скорость несколько м / с ), взрывным ( скорость до сотен м / с ) и детонационным ( скорость тысячи м / с ). В реальных пожарах процесс дефляграционный. Наибольшая скорость горения наблюдается в чистом кислороде, наименьшая  - при концентрации в воздухе 14-15% кислорода.

        Горение прекращается, если исключить один из компонентов  триединой системы                                                                                         

         ГОРЮЧЕЕ В-ВО + ОКИСЛИТЕЛЬ + ИСТОЧНИК ПОДЖИГАНИЯ

        На этом основаны все способы тушения пожара. Например, при тушении горючей жидкости пенами прекращается поступление паров  в зону горения. При тушении дерева водой резко понижается температура зоны горения.

      1.3 Взрывопожароопасные  свойства горючих  веществ 

      Строительные  решения зданий или помещений  в максимально возможной степени  должны зависеть от взрывопожарных свойств  используемых в них горючих веществ, которые характеризуют условия для возникновения и развития реакции горения. Рассмотрим основные параметры четырех типов горючих веществ.

      Горючие газы. Смесь горючих газов и окислителя можно зажечь лишь в определенных пределах концентрации компонентов между нижним и верхним пределами воспламенения или взрываемости ( рисунок 3). В нормах величина

      Горючие жидкости. При нагревании над поверхностью жидкости образуются пары, которые вступают в реакцию горения. Концентрация паров зависит от температуры жидкости и, чтобы получить концентрацию паров, равную НКПВ, необходима определенная температура жидкости, называемая температурой вспышки (рисунок 4 ). Это минимальная температура жидкости, при которой над её поверхностью образуется паровоздушная смесь, способная воспламенится от внешнего источника поджигания. Устойчивого горения при этом не происходит, пары вспыхивают и гаснут из-за своей низкой концентрации. Температура вспышки – аналог НКПВ, принят в качестве основного показателя взрывопожароопасности горючих жидкостей.

0% горючего                                                                          100% горючего

                                   область воспламенения         

                100 %               t                                       ВКПВ       0% окислителя

      окислителя 

       Рисунок 4 температура вспышки 

      По  величине Т жидкости разделяются на легковоспламеняющиеся (ацетон, спирт, бензин ) с Т 61 С и горючие ( мазут, масла и др.) с

      Т 61 С.

        Пылевоздушные смеси. Процесс горения пылей малопредсказуем из-за больших неопределенностей создания опасных концентраций аэровзвеси, что создает дополнительный риск при их эксплуатации. Взрывопожароопасность пылевоздушных смесей устанавливается по величине нижнего концентрационного предела воспламенения или взрываемости НКПВ(Вз). В зависимости от величины НКПВ(Вз) пыли делятся на взрывоопасные ( сера, сахар, мука и др. ) и пожароопасные ( древесная, табачная пыль и пр. ), каждая из них разделяется на два класса.

                                  ПЫЛЕВОЗДУШНЫЕ   СМЕСИ

             ВЗРЫВООПАСНЫЕ                          ПОЖАРООПАСНЫЕ

                 НКПВз 65 г / м                                НКПВ > 65  г / м             

       I   КЛАСС                II  КЛАСС                 III  КЛАСС                    IV  КЛАСС

         НКПВз 15г/м          НКПВз 15г/м               НКПВ 250 С      НКПВ 250 С            

      Для некоторых пылей другой параметр – величина ВКПВз существует лишь в расчетах, на практике его невозможно реализовать. Например, для торфяной пыли он составляет 2200 г/ м , для сахарной пудры 13500 г/ м .

      Твердые вещества. Взрывопожароопасность твердых веществ зависит

                                                            Рисунок 5

от несколькими  параметрами, а не одного. При нагревании они частично разлагаются, образуя  летучую часть, которая горит  как горючие газы  (рисунок 5). В коксовом остатке реакция идет под тепловым воздействием, и характеризуются  температурами горения, самовоспламенения и воспламенения, а также распространением горения по поверхности материала.

      Возможно  самовозгорание твердых веществ  по химическим (например, пролив азотной кислоты на дерево ) или микробиологическим процессам (торф, опилки, хлопок и пр.). Микробиологическое разложение вызывает небольшое повышение внутренней температуры, которое оказывается достаточным, чтобы материалы с большой пористостью начали реакцию горения.

      1.4. Оценка пожарной  опасности объектов  

      Определение уровня пожарной опасности здания позволяет  сформировать требования к его конструктивно-планировочному решению и к системам противопожарного оборудования. В зависимости от назначения здания и помещения разделяются по функциональной пожарной опасности на 5 классов:

      - класс Ф1 включает объекты для  постоянного и временного проживания  людей;

      - класс Ф2 содержит здания культурно-просветительского  назначения;

      - класс Ф3 представлен зданиями  с предприятиями по обслуживанию  населения;

      - класс Ф4 включает производственные  объекты, которые, в свою очередь,  подразделяются на категории  по взрывопожароопасности.

      Строительные  конструкции здания в условиях пожара могут повышать или понижать пожарную опасность здания. В зависимости от конструктивной опасности здания делятся на 4 класса: С0, С1, С2 и С3. На класс конструктивной опасности здания влияет пожарная опасность  строительных конструкций, имеющих также четыре класса: К0 ( непожароопасные ), К1 ( малопожароопасные ), К2 ( умеренноопасные ) и К3 ( пожароопасные ).

      Для строительных материалов оценка пожарной опасности выполняется по пяти характеристикам: горючести ( см. 4.6 ), воспламеняемости, по распространению пламени по поверхности, дымообразующей способности и токсичности продуктов горения.

      Таким образом, оценка пожарной опасности  объекта осуществляется комплексным  способом и определяется соответствующими характеристиками для материалов, конструкций  и здания в целом. 

      1.5 Категорирование  производственных  помещений и зданий  по взрывопожароопасности     

      Категорирование производственных помещений и зданий по взрывопожароопасности ( ВПО ) является основой строительного противопожарного нормирования промышленных объектов. ВПО, с одной стороны, определяет условия для возникновения опасных факторов пожара или взрыва. За эту часть отвечает администрация предприятия. С другой стороны, ВПО показывает возможные масштабы и последствия инцидента, которое зависит от конструктивно-планировочного решения здания ( рисунок 6)

      Нормы пожарной безопасности НПБ 105-03 разделяют  производственные помещения и здания на 5 категорий по взрывопожароопасности:

      категория А – взрывопожароопасная. В неё включены производства сероводорода, ацетона, эфира и др. веществ с высокой химической активностью, способных и гореть и взрываться с давлением взрыва более 5кПа; 

      Рис.4.6. 

      категория Б – взрывопожароопасная. Вещества в этих помещениях также могут и гореть и взрываться с избыточным давлением взрыва выше 5кПа, однако химическая активность горючих газов, жидкостей и пылей ниже, чем в категории А;

      категории В1-В4 – пожароопасные. В зависимости от удельной пожарной нагрузки помещения разделяются на категории В1, В2, В3 и В4. Под пожарной нагрузкой понимается энергия, выделяемая при сгорании горючих материалов, находящихся на площади 1м пола помещения. Наиболее опасная категория В1, для которой пожарная нагрузка более 2200МДж/ м , у категории В4 она не превышает 180 МДж /м . К В1-В4 относят деревообрабатывающие производства, насосные для перекачки горючих жидкостей, кабельные сооружения и др;

      категория Г – без названия. В данных помещениях негорючие материалы находятся в расплавленном состоянии, либо горючие вещества используются в качестве топлива. Это металлургические и литейные производства, а также котельные, реакторные отделения и машзалы ТЭС и АЭС;

      категория Д – без названия. В помещениях этой категории негорючие материалы находятся в холодном состоянии. Таких рабочих участков на промпредприятиях большинство.

      Как правило, под одной крышей располагаются  помещения с разной категорией, Согласно НПБ 105-03, если площадь помещений высокой категории занимает более 5% площади всех помещений, то всему зданию устанавливают эту высокую категорию. При наличии систем автоматического пожаротушения величина нормы повышается до 25% площади всех помещений.

      Ошибки  в назначении категории влекут за собой серьезный экономический  ущерб, особенно при занижении риска  возникновения взрыва или пожара. В этом случае подбор материалов, выбор  конструкций и планировочного решения  оказывался неадекватным взрывопожароопасности здания и приводил к повышенному масштабу пожара или взрыва.

      Назначение  категории осуществляются в проектной  организации на основании отраслевого  Перечня помещений. Для новых, нетиповых  производств категорию здания или  помещения определяют специальными расчетами. 

      1.6 Горючесть строительных  материалов

      В последние годы к традиционным строительным материалам прибавилось огромное количество тепло- и звукоизоляционных и  декоративных материалов с неизвестными горючими характеристиками. Поэтому  испытание новых материалов обладает повышенной актуальностью.

      Согласно  ГОСТу все строительные материалы  разделяются на негорючие ( НГ ) и  горючие ( Г ), имеющие четыре группы: Г1 – слабогорючие, Г2 – умеренногорючие, Г3 – нормальногорючие и Г4 – сильногорючие.

      Испытания начинают с определения негорючести, образец 5 5 5 см  нагревают в печи при температуре 835 С в течении 30 минут. Материал считается негорючим, если:

      - прирост температуры в печи 50 С;

      - потеря массы образца  50%;

      - продолжительность пламени  10с.

      К негорючим материалам относятся  все неорганические строительные материалы – бетон, кирпич, металл, цемент т др.

      При несоответствии хотя бы одному условию  материал считается горючим и  для него проводятся новые испытания  в другой печи и другим размером образца на определении группы горючести. Образец 7 19  100 см помещают в газовую шахтную печь и нагревают пламенем газовой горелки. При испытании замеряют температуру дымовых газов, степень повреждения по длине и по массе, а также продолжительность пламени. На основании этих данных определяют группу горючести – у Г1 повреждения минимальные, у Г4 – максимальные.

      К группам Г3 и Г4 относят почти  все органические строительные материалы, в группу Г1 и Г2 входят композиции из неорганических ( заполнитель ) и органических ( вяжущее ) материалов – минераловатные плиты на битуме, асфальтобетон, а также древесина, пропитанная антиперенами. 

      1.7 Огнестойкость строительных  конструкций 

      Огнестойкость строительных конструкций является основой всей системы противопожарной защиты здания и означает их способность сопротивляться воздействию огня и выполнять при этом свои эксплуатационные функции – несущую, ограждающую и теплоизоляционную. Огнестойкость конструкции характеризуется пределом огнестойкости и обозначает время в минутах от начала огневых испытаний до возникновения в конструкции следующих признаков:

      1) обрушение или недопустимый прогиб; означает потерю несущей способности,  обозначается  R ;

      2) образование в конструкции сквозных  трещин, через которые проникает дым и продукты горения. Означает потерю ограждающей способности, обозначается  E ;

      3) повышение температуры на необогреваемой  поверхности в среднем на 160 С больше, чем до пожара. Означает потерю теплоизоляционной способности и обозначается  Y .

        Например, надпись  R120  указывает на то , что предел огнестойкости конструкции по несущей способности составляет не менее 120 мин. Или надпись REY30 означает предел огнестойкости в 30 мин, независимо от того, какое предельное состояние наступило первым.

      Огнестойкость строительных конструкций устанавливают  опытным и расчетным путем. Экспериментальные  испытания огнестойкости проводятся в специальной огневой печи в  условиях реального воздействия  открытого пламени – колонна нагревается с четырех сторон, плита перекрытия – с нижней поверхности (рисунок 7). Температура в печи изменяется по усредненным данным для реального пожара в жилых зданиях. В огневую печь помещается конструкция в натуральную величину, она находится под реальной нагрузкой, аналогичной  рабочей.  
 
 

      Рисунок 7 

      Расчетный способ определения огнестойкости  основан на данных по изменению прочности  материала при нагревании и по изменению температуры по сечению  конструкции. Для каждого материала  существует так называемая критическая температура, при ней прочность материала уменьшается в два раза.

      Многочисленные  испытания позволили создать  каталог справочных данных по пределам огнестойкости основных строительных конструкций. Наибольшим пределом обладают каменные и кирпичные конструкции, их огнестойкость зависит только от толщины элемента. Железобетонные конструкции обладают средними значениями предела, минимальная огнестойкость отмечена у металлических и деревянных конструкций. 

     1.8 Огнестойкость зданий  и сооружений 

     Огнестойкость зданий означает его способность  сохранять свои эксплуатационные функции  в условиях пожара. В соответствии со СНиП 21-01-97 здания разделяются на пять степеней огнестойкости - I, II, III, IV и V. Назначение той или иной степени огнестойкости зависит от типа здания – жилое, общественное или производственное, его высоты или числа этажей, а также класса конструктивной пожарной опасности. Задачей проектировщика является уменьшение ущерба от пожара, с этой целью зданиям с низкой огнестойкостью устанавливают ограничения по размеру этажа и высоте здания.

     Например, для производственных зданий категории  Г требуемая степень огнестойкости назначается из следующих параметров ( из СНиП 31-03-2001).                                     

     Таблица 1