Противопожарные завесы: модели теплопередачи в композитных материалах

• 1    Введение / Introduction

Пожар в зданиях и сооружениях обычно происходит в закрытой среде, что позволяет опасным факторам пожара (ОФП) быстро распространяться, тем самым, блокируя эвакуационные пути [1]. На распространение ОФП влияет конструктивное исполнение и объемно-планировочные решения зданий и сооружений, использование противодымной вентиляции и средств механической и естественной вытяжной противодымной вентиляции [2]. В качестве конструктивного исполнения для защиты дверных проемов в пожарных отсеках и использовании пожарного отсека в здании любого функционального назначения применяют трансформируемые противопожарные преграды в виде занавес (штор) [3]. Противопожарные шторы при пожаре выполняют две функции: создают барьер для предотвращения распространения ОФП в другие помещения и предотвращают поступление кислорода в помещение с развивающимся очагом пожара, что приводит к постепенному затуханию пожара внутри данного помещения. Противопожарные шторы используются для защиты вертикальных и горизонтальных проёмов, тоннельных сооружений и станционных комплексов метрополитена. благодаря универсальности и эффективности в работе при возникновении пожара [4], [5].

Характерной конструктивной особенностью противопожарных штор является исполнение ограждающей части (рабочего полотна) в виде эластичного плоского элемента из термостойких материалов с высокой теплоизолирующей способностью [6] и использование легких материалов, обеспечивающих сворачиваемость в рулон в условиях эксплуатации и отсутствия пожара и разворачиваемость в виде полотна при пожаре [7]. Полотно шторы представляет собой многослойное изделие, чаще всего с двух сторон закрываемое кремнеземной, керамической, кварцевой, базальтовой или стеклянной тканью, основным критерием которых является возможность эксплуатации при температуре в интервале от 650 ºС до 1000 ºС [8]. При прокаливании термостойких материалов в условиях повышенных температур происходит потеря прочностных свойств волокон, следовательно, снижается разрывная нагрузка. В связи с этим повышается вероятность обрыва шторы с вала и появление трещин и щелей в полотне (потеря целостности «Е»).

Согласно российскому государственному стандарту ГОСТ Р 53307-2009 [9], шторы классифицируются по огнестойкости по предельным состояниям EI (E – предельное состояние по потери целостности, I – предельное состояние по потери теплоизолирующей способности): EI60, EI120, E60, E120, E180 – как правило, с использованием орошения; ЕI 30 и Е60 – без орошения. Сохранение целостности полотна шторы (параметр по пределу огнестойкости E) является первоочередной задачей, поскольку образование трещин и разрывов не позволят дальше использовать конструкцию противопожарной шторы в качестве барьера для предотвращения распространения пламени, теплового потока и дыма в соседние помещения.

Согласно российскому Федеральному закону ФЗ-123 [10], при эксплуатации противопожарных штор в открытом положении, они должны быть оборудованы устройствами, обеспечивающими их автоматическое закрывание при пожаре, а также данная противопожарная конструкция должна сохранять работоспособность в условиях пожара в течение времени, необходимого для эвакуации людей в безопасную зону и раскрытия противопожарной шторы для предотвращения распространения ОФП. Шторы оснащаются электронной автоматической системой, которая присоединяется к центральной пожарной сигнализации, дымовым извещателям и другим системам оповещения и защиты [11].

Противопожарная штора c пределами огнестойкости Е 60, EI 60/EI 30 наиболее распространена [12]. Конкретный выбор шторы зависит от требуемого предела огнестойкости конструкции по потере целостности и по потере теплоизолирующей способности, и от типа изделия. Типовое устройство шторы и трансформируемого полотна представлено на Рисунке 1.

Рис. 1 - Типовое устройство трансформируемой противопожарной шторы

Fig. 1 - Typical construction of a transformable fire curtain

В работе [13] рассмотрена противопожарная штора с двумя слоями теплоизолирующего материала на основе фольгированного базальтового волокна (16 мм) и жидкостекольной композиции в виде клея для предотвращения распространения пламени, теплового потока и дыма и для обеспечения безопасной эвакуации людей. По результатам исследования получено, что при общей толщине слоя 30 мм и размере полотна 2000х2000 мм, время достижения предельного состояния по теплоизолирующей способности составляет 31 минуту и по потере целостности 60 минут. В исследовании [14] получено, что при прокаливании кремнеземных материалов в условиях предельных температур (при пожаре) они теряют прочностные свойства волокон, снижается разрывная нагрузка. В связи с этим повышается вероятность обрыва шторы с вала Gravit, M.; Nedryshkin, O.; Shabunina, D.; Shcheglov, N.; Shinkareva, M.

Fire curtains: models of heat transfer in composite materials;

(потеря целостности Е). Таким образом, в работе [14] предложено многослойное полотно трансформируемой противопожарной преграды, по результатам экспериментального исследования которой получен предел огнестойкости E60.

Целью работы является получение полотна трансформируемой противопожарной шторы с пределами огнестойкости E60 (по потере целостности) и I30 (по потере теплоизолирующей способности).

Для достижения цели решены следующие задачи исследования: определены материалы для полотна противопожарной шторы, составлены восемь прототипов штор, в основе которых применены наиболее широко распространенные теплоизоляционные материалы, методом моделирования получены значения теплоизолирующего параметра (I) на необогреваемых сторонах противопожарной трансформируемой преграды, проведены маломасштабные испытания образцов полотен для подтверждения результатов моделирования.

• 2    Материалы и методы / Materials and Methods

  2.1.    Состав слоев полотна трансформируемой шторы / Composition of the fabric layers of a transformable curtain

2.2. Моделирование в ПК Elcut / Simulation in SP Elcut

В качестве образцов использовались различные композиции полотен, обшитые термоусаженной тканью марки КТ-Э-115-ТО (ООО ТД «СпецТехТрейд», Москва, Россия). На основе патентного поиска и анализа научной литературы [15]–[18], составлено восемь образцов, имеющих в своем составе различные материалы (таблица 1).

Таблица 1. Состав противопожарных штор Table 1. Composition of fire curtains

№ образца	Состав слоев полотна	δ, м
Образец №1	Интумесцентный состав	0.005
Образец №2	Интумесцентный состав (с добавлением TiO 2 и 2О 3 )	0.005
Образец №3	Термостойкий силикон, интумесцентный состав	0.011
Образец №4	Интумесцентный состав, карбоновая ткань, фольгированный материал	0.016
Образец №5	Интумесцентный состав, базальтовое волокно, фольгированный материал	0.012
Образец №6	Стекловолокно, сетка с интумесцентным составом, фольгированный материал	0.012
Образец №7	Слой аэрогеля Alison Aerogel GR10 (EcPlaza, Guangdong, China)	0.012
Образец №8	Слой аэрогеля Alison Aerogel GR10 толщиной 12 мм и слой керамического холста Ceraterm Blanket толщиной 12 мм	0.024

В качестве инструмента моделирования применялся программный комплекс (ПК) Elcut, позволяющий задать источники тепла в блоках, рёбрах или отдельных вершинах модели методом конечных элементов.

При моделировании задачи прогрева в ПК Elcut используется уравнение теплопроводности, определяемое зависимостью (1) [19]:

д Г д T 1 д —I A x — 1 + — д x v 5 x J д y

L д T } v ^{y д} y J

д T

- q - c p- . , д t

где T - температура, °C; t - время, с; Л - компоненты тензора теплопроводности, Вт/(м•К); q -удельная мощность тепловыделения, Вт/м³; с - удельная теплоемкость, Дж/(кпК); р - плотность, кг/м³.

Граничные условия, описываемые температурой, тепловым потоком, конвекцией и радиацией, задаются на внешних и внутренних границах расчетной схемы. Значение Т ₀ задается в виде линейной функции координат. Тепловой поток описывается соотношениями (2) и (3) [19]:

F n = - q s - на внешних границах,

Fn - F_n = — q s — на внутренних границах,                         (3)

где F_n нормальная компонента вектора плотности теплового потока, индексы "+" и "-" означают "слева от границы" и "справа от границы" соответственно, Вт/м²; q_s - поверхностная мощность источника для внутренней границы, для внешней - известное значение теплового потока через границу, Вт/м².

Конвективный теплообмен определяется согласно выражению (4) [20]:

F n = а- (Т - T , ) ,                                         (4)

где а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(Юм 2 ); Т₀ - температура окружающей среды, К.

Условие радиации задается на внешней границе модели, радиационный теплообмен определяется уравнением (5) [19]:

F . = k_S B ' в ' (T 4 — Т ,⁴ )                                      ⁽⁵⁾

где k_SB - константа Стефана-Больцмана, Вт/(м 2 .К⁴); ^ - коэффициент поглощения поверхности; Т ₀ – температура поглощающей среды, К.

Исходные характеристики интумесцентного состава, аэрогеля, фольгированного базальтового волокна и других компонентов взяты из справочника программы и научных работ [21–23] (Таблица 2). В качестве допущения принято, что значение плотности в процессе нагрева не изменяется.

Таблица 2. Теплофизические характеристики материалов

Table 2. Thermophysical characteristics of materials

Материал	Плотность, кг/м3	λ, Вт/(м·К) при T, °C			C p , Дж/(кг·К), при T, °C
		20	100	300	20	100	300
Интумесцентный состав	500	0.3	0.3	-	1000	1000	-
Пенококс	30	-	-	0.02	-	-	700
Термостойкий силикон	1100	0.133	0.116	0.073	2060	2150	2550
Фольгированное базальтовое волокно	110	0.035	0.052	0.090	800	900	1000
Стекловолокно	200	0.045	0.050	0.070	840	865	882
Аэрогель	200	0.020	0.025	0.039	700	700	700
Шамотный кирпич	1850	0.85	0.9	1.02	931	1135	1645

Граничные условия представлены в таблице 3.

Таблица 3. Граничные условия, заданные в ПК Elcut

Table 3. Boundary conditions defined in SP Elcut

Наименование величины	Значение величины	Источник информации
Коэффициент теплоотдачи конвекцией при стандартном температурном режиме, Вт/(м2˖К)	25	[20]
Коэффициент поглощения поверхности	0.5	[20]
Начальная температура окружающей среды, °C*	20	-
Шаг времени расчета температурного градиента конструкции, с	60	-

На рисунках 2–4 представлено задание граничных условий на необогреваемой и обогреваемой сторонах и задание основных теплофизических свойств аэрогеля и керамического холста ПК Elcut.

Рис. 2 - Задание граничных условий в ПК Elcut

Fig. 2 - Setting boundary conditions in SP Elcut

Edge Label Properties - Heated

General

I? temperature: T ■ TJ

To= |M5M№WW

Г” Heat Flux: Fn = -q (AFn= -q) : q= 0

• I^-    Convection: F _n = a (T-T q)

01- 0

To= 0

Г Radiation: F_n- Ил^Т*- ’5

P= 0

t₀- |o                             I ra

О Equal Temperature: T = const

• I^-    Even Periodic: T|= Tg

Г Odd Periodic: Tf = ■ T2

] га

] (wM

И

] (W/Ктп2)

] (*q

OK | Отмена Справка

Рис. 3 - Задание теплофизических свойств для аэрогеля в ПК Elcut

Fig. 3 - Setting thermophysical properties for aerogel in SP Elcut

Рис. 4 - Задание теплофизических свойств для керамического холста в ПК Elcut

Fig. 4 - Setting thermophysical properties for ceramic canvas in SP Elcut

Моделирование прогрева восьми прототипов полотен трансформируемых противопожарных штор выполнено для прогнозирования значений температуры полотна с необогреваемой стороны и определения оптимальных составов противопожарных штор. Примеры расчетных схем для образцов №6 и №7 представлены на рисунке 5.

Рис. 5 - Расчетные схемы образца №6 (слева) и образца №7 (справа) Fig. 5 - Calculation schemes of Sample No. 6 (left) and Sample No. 7 (right)

2.3.    Маломасштабное испытание / Small-scale testing

Согласно российскому государственному стандарту ГОСТ Р 53307-2009 [9], достижение предельного состояния по потери целостности (Е) происходит в результате образования в конструкции сквозных трещин или отверстий, через которые проникают продукты горения или пламя, а именно:

• -    появление устойчивого пламени на необогреваемой поверхности опытного образца длительностью 10 секунд и более;

• -    воспламенение или возникновение тления со свечением ватного тампона в результате воздействия огня или горячих газов, в течение 10 секунд после поднесения к образцу;

• -    образование в конструкции опытного образца сквозных отверстий (щелей) с размерами, позволяющими щупу диаметром 6 мм проникать и перемещаться вдоль отверстия (щели) на расстояние не менее 150 мм или щупу диаметром 25 мм беспрепятственно проникать в сквозные отверстия;

• -    выпадение полотна образца из коробки или же самой коробки из ограждающей конструкции.

Достижение предельного состояния по потери теплоизолирующей способности (I) происходит вследствие повышения температуры на необогреваемой поверхности образцов в среднем более чем на 140 °С в сравнении температурой поверхности опытного образца (с учетом температуры начала испытания) до испытания на дымо- и газопроницаемость.

Для валидации модели проведены маломасштабные испытания образцов, для которых использовалась малогабаритная печь производства ООО «НПК ПРОМИЗОЛ» (Москва, Россия) из шамотного кирпича с габаритными размерами: 790х790х965 мм., в которой дизельным топливом (две горелки) регулировалась температура в печи по стандартному температурному режиму согласно междунродному ISO 834-75 [24], основные положение которого гармонизированы ссс российским государственным стандартом ГОСТ 30247.0-94 [25] (рисунок 6). Габариты исследуемых противопожарных трансформируемым преград – 1000х1000 мм.

Рис. 6 - Печь для проведения маломасштабного испытания

Fig. 6 - Furnace for small-scale testing

Температура в огневой камере печи во время проведения испытаний поддерживалась в соответствии с требованиями российского государственного стандарта ГОСТ 30247.0-94 [25]. Продолжительность проведения экспериментального исследования - 60 минут.

3 Результаты и обсуждение / Results and Discussion

3.1.    Результаты моделирования и получение наиболее предпочтительных составов полотен противопожарных штор / Results of simulation and obtaining the most preferable compositions of fire curtain fabrics

В результате моделирования получены визуализации прогрева конструкций противопожарных штор. В качестве примера на рисунке 7–8 приведены результаты прогрева для

17.2        110.0       202.8      295.6       388.4       481.1       573.9      666.7       759.5      852.3       945.1

Рис. 7 - Визуализация прогрева образца №7

Fig. 7 - Heating visualization of Sample No.7

образца №7 и образца №8.

Рис. 8 - Визуализация прогрева образца №8

Fig. 8 - Heating visualization of Sample No.8

Получены расчетные зависимости температуры от времени в точке расположения термопар на необогреваемой поверхности трансформируемых противопожарных штор (рисунок 9).

Sample No.1                         Sample No.2                         Sample No.3

Sample No.4                        Sample No.5                        Sample No.6

Sample No.7                          Sample No.8                          Temperature limit value

Рис. 9 - Расчетные температурные кривые рассматриваемых образцов при воздействии стандартного температурного режима

Fig. 9 - Calculated temperature curves of the samples under standard temperature conditions

Как видно из рисунка 9, графики для образцов №1, №2, № 4 и № 5, содержащие в основе интумесцентные составы, растут с большей скоростью в первые минуты огневого воздействия, в то время как образец №3, дополнительно имеющий термостойкий силикон, показывают лучшие значения по температуре на необогреваемой поверхности трансформируемого полотна. Модели с интумесцентными составами, несмотря на отрицательные результаты по сравнению с другими образцами, остаются перспективными для последующего исследования из-за их возможности к расширению и образованию пенококса с низкой теплопроводностью и экономического потенциала. В среднем при увеличении толщины прототипа можно достичь снижения температуры с необогреваемой стороны на 40 %. При этом в условиях реальной эксплуатации трансформируемые противопожарные шторы толщиной 20–50 мм функционально не отличаются от рулонных ворот, в связи такое инженерное решение нецелесообразно.

Как видно из рисунка 9, образцы №6–№8 показали предпочтительные результаты для их изготовления и проведения огневых испытаний. Образец №8, демонстрирующий наименьшие значения температур, имеет толщину противопожарной шторы 0.024 м. В связи с большей технологичностью и большей сворачиваемостью огнестойкого полотна в рулон при изготовлении изделия, целесообразно использовать противопожарные шторы от 5 до 12 мм.

3.2.    Результаты маломасштабного испытания / Results of a small-scale testing

По результатам моделирования прогрева противопожарных трансформируемых преград выбраны образцы №6 и №7 для проведения маломасштабных испытаний.

Для образца №6 огневое маломасштабное испытание прекращено на 61 минуте по заданию технического заказчика. Достижение предельного состояния по потере теплоизолирующей способности (увеличение температуры на необогреваемой поверхности конструкции в среднем более чем на 140 °C) зафиксировано на 33-й минуте проведения экспериментального исследования. По результатам испытания не наблюдалось проникновение дыма и пламени на необогреваемую сторону, сохранена целостность образца. Установлено, что образец №6, состоящий из стекловолокна, сетки с интумесцентным составом и фольгированного материала (суммарная толщина 12 мм), обладает пределом огнестойкости в условиях воздействия стандартного температурного режима E60 (по потере целостности) и I30 (по потере теплоизолирующей способности).

На протяжении экспериментального исследования образца №6 дополнительно определялись температуры с использованием термограммы (Рисунок 10).

Первая минута проведения экспериментального исследования The first minute of the experimental study

Двадцатая минута проведения экспериментального исследования The twentieth minute of the experimental study

Рис. 10 - Термограммы и визуальное отображение образца №6 во время огневого испытания

Fig. 10 - Thermograms and visualization of Sample No.6 during the fire test

Для образца №7 огневое маломасштабное испытание прекращено на 29-й минуте по причине достижения потери целостности образца на 28-й минуте огневого воздействия. По результатам испытания наблюдались пробои в противопожарном полотне и выход сажи на необогреваемую поверхность. Таким образом, целостность образца №7 нарушена (Рисунок 11).

Установлено, что образец №7, состоящий из слоя аэрогеля толщиной 12 мм, обладает пределом огнестойкости в условиях воздействия стандартного температурного режима E15 (по потере целостности) и I15 (по потере теплоизолирующей способности).

Рис. 11 - Появление пробоев на образце № 7 при проведении огневого испытания

Fig. 11 - Appearance of breakdowns on Sample No. 7 during the fire test

Результаты распределения температуры на необогреваемой стороне противопожарных полотен образцов №6 и №7 представлены на Рисунке 12 (для каждого образца представлено среднее значение температуры по установленным на образце пяти термопар). Различное расположение термопар по сечению образцов представлено на рисунке 6. По результатам моделирования получена отличная корреляция результатов (расхождение значений – не более 5–10%).

Experimental study of Sample No.7

Experimental study of Sample No.6

Temperature limit value

Рис. 12 - Экспериментальные и расчетные температурные кривые образцов №6 и №7 при воздействии стандартного температурного режима

Fig. 12 - Experimental and calculated temperature curves of Samples No.6 and No.7 under standard temperature conditions

Согласно рисунку 12 и результатам экспериментального исследования, получено, что образец №6 является предпочтительным образцом по причине лучшей эластичности, Gravit, M.; Nedryshkin, O.; Shabunina, D.; Shcheglov, N.; Shinkareva, M.

Fire curtains: models of heat transfer in composite materials;

способности сворачиваться и разворачиваться в рулон при эксплуатации и обеспечении предела огнестойкости по потере теплоизолирующей способности (I) 30 минут, по потере целостности (E) 60 минут. Образец №7, состоящий из одного слоя аэрогеля толщиной 12 мм, теряет теплоизолирующую способность за 28 минут, по потере целостности (E) 60 минут, при этом полотно не сворачивается в рулон, не эластичное и жесткое.

3.3.    Обсуждение / Discussion

При моделировании рассматриваемых образцов противопожарной преграды (образец №1– образец №8) выбраны два перспективных образца для проведения мелкогабаритного исследования – образец №6, содержащий стекловолокно, сетку с интумесцентным составом, фольгированный материал и термоусаженную ткань по краям, образец №7, состоящий из 1 слоя аэрогеля и термоусаженной ткани по краям. Данные образцы выбраны по температурным зависимостям на необогреваемым сторонах образцов, полученных методом моделирования и демонстрирующие предполагаемые пределы огнестойкости E60 (по потере целостности) и I30 (по потере теплоизолирующей способности).

Маломасштабные испытания для образцов №6 и №7 показали хорошую корреляцию с температурными кривыми, полученными методом моделирования, и подтвердили предел огнестойкости E60 и I30 для образца №6. Образец №7, состоящий из одного слоя аэрогеля толщиной 12 мм, потерял целостность (параметр Е) на 28-й минуте огневого испытания.

При проведении маломасштабного испытания выявлено, что при разработке крупногабаритного образца необходимо отдавать предпочтение более эластичному образцу для улучшения возможности сворачиваться и разворачиваться в рулон при эксплуатации.

• 4    Заключение / Conclusions

Разработка противопожарных преград в зданиях и сооружениях требует решения ряда задач: создание негорючих, термостойких материалов с высокими прочностными свойствами, разработка инженерных решений для достижения конструкциями с такими материалами необходимого предела огнестойкости.

На основе результатов моделирования и маломасштабных экспериментов сделаны следующие выводы:

• 1.    В условиях реальной эксплуатации трансформируемые противопожарные шторы по типу штор, толщиной 20–50 мм функционально не отличаются от рулонных ворот, в связи с чем встает вопрос о целесообразности такого инженерного решения. Реальным интересом со стороны рынка пользуются прототипы толщиной полотна 5–10 мм, но модели, построенные по их образу в ПК Elcut не обладают потенциалом для испытаний на EI 60.

• 2.    Перспективно рассматривать полотна с композицией из материалов с очень низкой теплопроводностью и применением терморасширяющегося слоя, который геометрически увеличит толщину теплоизоляции при огневом воздействии. При этом, такое полотно не будет являться негорючим.

• 3.    Маломасштабные испытания для образцов с интумесцентным составом и аэрогелем показали хорошую корреляцию с температурными кривыми, полученные методом моделирования и подтвердили предел огнестойкости E60 и I30 для образца с терморасширяющимся слоем (образец №6). Полотно, состоящее из одного слоя аэрогеля толщиной 12 мм, потеряло целостность на 28-й минуте огневого испытания, возможно, такой результат зависит от некачественного образца, поскольку теплоизоляционные характеристики аэрогеля достаточно высоки. Тем не менее, его также не стоит рассматривать как слой полотна ввиду его малой сжимаемости и неэластичности.

• 5    Финансирование / Fundings

  Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23–29-00618, https://rscf.ru/project/23-29-00618/.

The research was funded by the Russian Science Foundation (RSF) under Grant No. 23-29-00618,