Исследования пожарной опасности конструкций фасадов зданий с теплоизоляционным материалом ПИР

Настоящей статьей мы продолжаем серию публикаций с докладами о результатах исследований пожарной опасности строительных конструкций с теплоизоляционными материалами на основе модификаций пенополиизоцианурата.

8-9 декабря, в Москве, состоялось знаковое событие отрасли противопожарных систем и технологий — Всероссийский форум FIRE STOP MOSCOW 2015.

Компания ООО «Международный противопожарный центр» выступила в качестве участника данного мероприятия с докладом, подготовленным совместно с ЗАО «АРИАДА» и ЗАО «Торговый дом «АРИАДА».

В этой статье мы публикуем данный доклад. Использование материалов доклада (текста и изображений) без письменного разрешения ООО «МПЦ» и ЗАО «АРИАДА» и без ссылки на источник запрещено.

Все замечания, пожелания и предложения просим направлять на info@firecenter.ru

Тема доклада:

«Конструкции из сэндвич-панелей, фасадные системы, средства объективного контроля пожарной опасности»

Авторы доклада:

ООО «Международный противопожарный центр»:
Мельников Владимир Семенович
Кириллов Сергей Владимирович
Потемкин Сергей Александрович

ЗАО «АРИАДА»:
Васильев Виктор Григорьевич
Ванин Сергей Александрович

Содержание доклада:

Преимущество современных конструкций, в том числе, фасадных систем, в сравнении с верно служившими веками каменными и армокаменными в первую очередь связано с поиском новых архитектурных решений. При этом обеспечение требований безопасности осуществляется за счёт эффективного сочетания свойств материалов при их конструктивно-технологическом объединении, обоснованном сочетании, а безопасность в наибольшей степени зависит от целостности. Незавершённость строительства или повреждение в ходе эксплуатации любого элемента могут перевести строительную конструкцию и всё здание из безопасного в опасное состояние. Полезным является пример поэлементной сборки навесных вентилируемых фасадов, при котором нормативно высокие темпы облицовки на практике оборачиваются месяцами и даже годами простоя зданий в незавершённом и опасном виде (пожароопасном и (или) опасном по санитарно-химическим показателям). Это происходит повсеместно по обыденным (рабочим) причинам, из-за прерывания финансирования, отсутствия нестандартных (доборных) элементов, временных технологических разрывов облицовки и т.д.

Считаем, что моделировать пожары и испытывать конструкции необходимо в этих (усложненных) условиях, т.к. безопасность должна быть обеспечена на всех этапах жизненного цикла. В связи с этим, рассмотрим более подробно факторы и сценарии возможных ситуаций.

Во-первых, будем учитывать возможную незавершённость (нецелостность) строительных объектов.

Во-вторых, то что внешний пожар (фасадный или кровельный), как правило, отличается высокой кратностью воздухообмена, т.е. здесь обеспечивается доступ кислорода воздуха к горючим материалам, а также эффективный теплоперенос. И то, и другое может усиливаться восходящими потоками воздуха и ветром. Горизонтальная и вертикальная скорости (Vx, Vy) могут быть очень большими, например, для Москвы — 30 м/сек (1800 м/мин). Заметим, что это существенно выше скоростей распространения пожара при отсутствии ветра — 10 м/мин – по вертикали и 1 м/мин — по горизонтали. Указанная горизонтальная составляющая скорости зависит от ветра и формы здания, а вертикальная составляющая может быть обусловлена как существенным перепадом температур, так и формами конструктивных элементов (их аэродинамическими характеристиками).

В солнечную погоду существенное влияние на пожарную опасность может оказать и прогрев конструкций (материалов) до температуры 80⁰С и выше. Заметим, что при такой экспозиции наравне с пожарно-техническими характеристиками резко снижаются и санитарно-химические показатели.

В зависимости от места расположения источника пожара возможно несколько сценариев, показанных на следующем слайде: возгорание внутри здания с выходом пламени из проёмов, возгорания на балконах или строительных лесах, возгорание снаружи здания (например, строительного мусора, газопровода или транспортного средства). Важным является отличие температур огневого и теплового воздействия.

В качестве пограничного значения температуры наиболее целесообразно выбрать значение температуры плавления алюминия (Т_плAl = 660⁰C), поскольку этот материал часто применяется для изготовления облицовки, например, алюминий-композитной (АЛК), а также в виде фольги на теплоизоляционных материалах. Температура плавления алюминия показана на графике ниже вместе со стандартными зависимостями температур основных пожарно-технических испытаний строительных конструкций.

При возгорании внутри здания или на балконах из-за относительно небольшой пожарной нагрузки температура у стен не превышает температуру плавления алюминия. При существенной пожарной нагрузке с внешней стороны температура может существенно превышать температуру плавления алюминия.

Как видно из графиков, условия низких температур (до 660⁰С) могут моделироваться при испытании на пожарную опасность (ГОСТ 30403, ГОСТ 31251), а условия более высоких температур — при испытании на огнестойкость (ГОСТ 30247.0).

Следует отметить, что стандартные методы испытаний материалов и строительных конструкций не в полной мере отражают моделируемые процессы. Имеют место только восходящие потоки воздуха, скорость которых намного меньше реальных, также в лабораторных условиях существенно понижается содержание кислорода.

В общем, известно, что лабораторные установки и стенды применяются для сравнения поведения материалов в стандартных условиях, но не для моделирования реальных пожаров.

Помимо условий испытаний далее мы хотели обратить внимание на выбор теплоизоляционных материалов. Широко известно испытание (опубликованное в интернете), которое было проведено во ВНИИПО МЧС России для сравнения фасадных систем с теплоизоляционным слоем из пенополистирола и с частичной защитой пенополистирола минеральной ватой. В этом демонстрационном опыте незащищённый пенополимер вокруг проёма был полностью повреждён. В итоге была сформулирована рекомендация: защищать проём минеральной ватой на ширину 1…2 м. В общем это делает применение пенополимеров на фасадах бессмысленным, т.к. при большом числе проёмов все стены между ними необходимо утеплять минеральной ватой.

С другой стороны, наши испытания на горючесть и пожарную опасность показывают, что никакой критической разницы повреждений минеральной ваты и других пенополимеров, например, пенополиизоциануратов, нет.

Определённые модификации пенополиизоцианурата относятся к группе горючести Г1 и к группе воспламеняемости В1, а строительные конструкции, в состав которых входят эти строительные материалы, имеют высокий класс пожарной опасности.

Сегодня с учётом перечисленных условий фасадных пожаров, а также известных пожарно-технических характеристик пенополимеров, для полной оценки реальной опасности применения тех или иных конструктивно-технологических решений можно рекомендовать только 2 стандарта. Это ГОСТ Р 53309-2009 «Здания и фрагменты зданий. Метод натурных огневых испытаний. Общие требования» и ГОСТ Р 56076-2014 «Конструкции строительные. Конструкции из панелей с металлическими обшивками. Методы испытаний на огнестойкость и пожарную опасность».

Для экономически эффективного применения последнего предложено проводить натурные испытания на моделях, состоящих из стандартных модулей, из которых в сжатые сроки на полигонах могут быть построены фрагменты зданий любой высоты и любой протяжённости.

В приведённом на слайде примере мы сравнивали динамику пожара и повреждения конструкций фрагмента из двухэтажной огневой секции и приставного модуля. При этом ограждающие конструкции первой модели были выполнены из сэндвич–панелей с минеральной ватой (МВ, горючесть Г1), а во второй модели в качестве теплоизоляционного материала применялся пенополиизоцианурат (ПИР, горючесть Г3). С подробным докладом об этих испытаниях можно ознакомиться здесь.

Особое внимание обращаем на отсутствие распространения горения из двухэтажной огневой секции в приставной модуль, хотя разница температур между смежными помещениями достигала 700°С.

Вскрытие конструкций показало, что в приставных модулях нет никакого повреждения теплоизоляционных материалов. В то время, как теплоизоляция в огневых секциях была повреждена полностью, в приставных модулях ни минеральная вата, ни пенополиизоцианурат не имели даже следов повреждений, начиная от стыка смежных конструкций.

Динамику пожара изучали методом термографирования. Так было установлено, что огнестойкость испытанных конструкций практически одинакова для выбранных теплоизоляционных материалов.

Рассмотрим проведённые испытания с точки зрения фасадной части пожара более подробно.

Для двухэтажной секции из сэндвич-панелей с минеральной ватой (ракурс наблюдения приведён на правой нижней фотографии следующего слайда) термограмма показывает наличие разницы температур между стеной и центром пламени. Около стен вблизи верхнего и нижнего проёмов температура была на 200…300°С ниже температуры пламени. Это также видно на графиках зависимости температур от времени и по профилям температур (по зависимостям от расстояния до стены).

С целью сравнения временные графики совмещены со стандартными по ГОСТ 31251-2008 «Стены наружные с внешней стороны. Метод испытаний на пожарную опасность».

Следует отметить, что в естественных условиях температура внешнего воздействия у стен не превышала температуру плавления алюминия — 660°С. Кроме того, огневое и тепловое воздействие в каждой точке стены протекает при существенных колебаниях температур, имеет место амплитудная модуляция теплоотдачи. Показанный градиент температур может быть зафиксирован и при измерении большим числом термопар, но амплитудная модуляция во всех точках наблюдаемой поверхности модели видна только при применении бесконтактного и безынерционного метода – термографии.

Практически к тем же выводам приходим при рассмотрении фасадной части пожара двухэтажной секции из сэндвич-панелей с пенополиизоциануратом (группа горючести Г3). Отличие заключалось в несколько большей скорости развития пожара. Изменение температур во времени здесь больше совпадает со стандартными зависимостями по ГОСТ 31251-2008. Однако также имеет место амплитудная модуляция теплоотдачи и перепад температур между стенами и пламенем.

Исходя из результатов натурных испытаний, были проведены предварительные исследования фасадных конструкций сборок, в которых теплоизоляцию из пенополиизоцианурата размещали за АЛК-облицовками на определённых расстояниях (25…100 мм) при вентилируемом и невентилируемом зазоре. Огневое воздействие здесь обеспечивало среднюю температуру на облицовке в диапазоне 600…660°С.

Установлено, что пенополиизоцианурат за АЛК-облицовкой не получает никаких повреждений даже при невентилируемом зазоре в 25 мм.

Также при времени испытания 45 минут показано, что тепломассообменные процессы приходят в квазистационарное состояние, и развития опасные факторы пожара не имеют, т.е. подобный фасадный пожар может длится сколь угодно долго без вреда для теплоизоляционного слоя.

Другая серия испытаний совмещала испытания на огнестойкость и на распространение горения (термического повреждения). В этих испытаниях по ГОСТ Р 56076-2014 на обогреваемой стороне фрагментов из сэндвич-панелей устанавливали экраны размером 500х500 мм. За счёт них при температуре огневого воздействия на выделенных участках (участках за экранами) температура понижалась на 400…600°С даже тогда, когда температура огневого воздействия была больше 660°С. Обшивки сэндвич-панелей здесь были стальными и поэтому сохранили целостность.

Аналогичные испытания с экранами проведены и для стен, и для покрытий, т.е. имитировались условия как фасадных, так и кровельных пожаров.

Результаты испытаний показали, что теплоизоляционный материал из пенополиизоцианурата внутри экранированных зон повреждений не получал. Из этого был сделан вывод, что в случае, если на фасаде или на кровле будет иметь место высокотемпературное воздействие на теплоизоляционный слой из пенополиизоцианурата, то повреждения не распространятся за пределы зоны прямого высокотемпературного воздействия. Можно также сказать, что это испытание дополнило результат натурных испытаний, представленный выше.

В совокупности установленные закономерности были проверены при испытании по ГОСТ 31251-2008 сконструированной совместно с ООО «Алюком» навесной фасадной системы с АЛК-облицовкой и теплоизоляционным материалом из фольгированного пенополиизоцианурата, выпускаемого ЗАО «Ариада» под названием «Арианит» (группа горючести Г1, группа воспламеняемости – В1).

Термограммы, полученные по ГОСТ 56076-2014, подтвердили совпадение термодинамической картины и температур с результатами натурных испытаний. Температуры облицовки не превысили температуру плавления алюминия, также наблюдалась показанная выше амплитудная модуляция теплового излучения по всей поверхности фасада.

Усреднённые температуры, измеренные термографом и температуры, измеренные термопарами, в разных точках модели практически совпадают. Различия вызваны в основном отсутствием инерционности первого метода. При этом термографирование показывает динамику процесса по всей наблюдаемой поверхности, а измерение температур с помощью термопар – только несколько фиксированных точек.

Вскрытие конструкции после испытаний показало отсутствие каких-либо повреждений, как кассет облицовки, так и теплоизоляционного материала. По ГОСТ 31251-2008 конструкции присвоен класс пожарной опасности К0.

Выводы

1. Показано, что условия фасадных пожаров необходимо моделировать при натурных огневых испытаниях высотных и протяжённых фрагментов зданий. Такие фрагменты предложено выполнять из стандартных модулей. Приведены примеры высокой информативности термографов в качестве средств объективного контроля натурных испытаний фасадных систем.
2. Огневые испытания экранированных теплоизоляционных материалов выявили реакции, которые обуславливают перспективы применения пенополиизоциануратов (ПИР) в фасадных системах.
3. Установлено, что теплоизоляционный материал на основе пенополиизоцианурата — «Арианит» (из группы горючести Г1 и группы воспламеняемости – В1) хорошо сочетается с алюминий-композитной облицовкой, при этом испытанная конструкция фасадной системы имеет класс пожарной опасности — К0, т.е. допускается её применение на зданиях с классом конструктивной пожарной опасности – С0.

Все замечания, пожелания и предложения просим направлять на info@firecenter.ru.