Диссертация (1172918), страница 16

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 16)

В указанном случае был использованполиизоциануратный пенопласт, производимой английской фирмой Kingspan подмаркой Thermawall TW55. При толщине 60 мм значения приведенноготермического сопротивления этого материалапри 150 мм будет= 2,70, при 100 мм= 4,5, а= 0,15/0,022=6,82. Однако пенополиизоциануратные ТИМявляются самыми дорогими материалами. При термическом разложениивыделяют очень токсичные газы, в том числе цианистый водород и другиепроизводныецианидов.теплоизолирующиеКаксвойстваприизменяетсяповышенииихформоустойчивость,температуры,механизмимакрокинетические параметры пиролиза и ТОД не известно. Разрешение этихвопросов требует дополнительного изучения.

В этом плане, относительнодешевый, отечественный полимерный пенокомпозит «PENOCOM» имеет большепреимуществпотепло,огнезащитнойэффективностииэкологическойбезопасности. Перспективность его применения в строительстве представляетсянесомненной.104ГЛАВА 6. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОГНЕСТОЙКОСТИОГРАЖДАЮЩИХ ЛЕГКИХ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙС ПОЛИМЕРНОЙ ТЕЛПОИЗОЛЯЦИЕЙМощным современным средством исследования состояния строительныхконструкций в условиях самых разнообразных внешних воздействий являетсяматематическое моделирование.

За последние два десятилетия были разработаныразныемоделиипрограммныекомплексырасчетадляпредсказанияогнестойкости деревянных легких каркасных конструкций с несущими иограждающими функциями. В этих моделях в той или иной степени учитывалисьразличные физико-химические и термомеханические явления, определяющиеповедениедеревянныхконструкцийприпожаре.Численныйрасчетразработанных моделей основан на решении дифференциальных уравненийтепломассопереноса с применением ряда упрощающих допущений [80]. Длярасчета были созданы различные программные комплексы на базе методаконечных разностей (по явной или неявной схеме) или метода конечныхэлементов (МКЭ) [81-85].

Показаны возможности применения для расчетаогнестойкости деревянных конструкций программных отечественных комплексовсерии «Огнезащита» [40], которые были созданы для теплотехнических расчетовконструкций из стали и железобетона [41]. Широкую известность и популярностьв мировом инженерном сообществе получила программная система американскойкомпании АNSYS Inc., использующая МКЭ и многоцелевые расчетныекомплексы для разных типов анализа реальных процессов в рассматриваемыхматериальных объектах.Как уже ранее было отмечено при расчетах огнестойкости многослойныхЛДКрК можно использовать аддитивный метод с учетом свойств элементов, входящих в конструкции (Component Additive Method - CAM). Метод разработан105Национальным исследовательским комитетом Канады. По этому методу пределогнестойкости определяют как сумму временных вкладов каждого элемента системы (облицовочных слоев, каркаса, ТИМ, узлов соединения).

При этом учитывают (с использованием соответствующих коэффициентов) взаимное расположение и типы элементов конструкции, в том числе узлы соединения. Численное моделирование огнестойкости несущих и ограждающих деревянных каркасных конструкций помогает сэкономить трудо – и энергозатраты на проведение огневыхиспытаний строительных конструкций. Таким образом, можно осуществить рациональный, быстрый подбор элементов конструкций и оптимизацию их размеров(толщины).Результаты мало- и крупномасштабных испытаний различных систем и элементов легких деревянных каркасных конструкций, подкрепленные анализом результатов математического моделирования, легли в основу стандарта EN 1995 – 1– 2, Eurocode 5 и более поздней рекомендации [18] для проектирования деревянных каркасных сооружений с требуемым уровнем пожарной безопасности.В этой главе диссертации представлена модель и результаты расчетов нестационарного прогрева ограждающих деревянных легких каркасных конструкций соблицовочными плитами и ТИМ нового поколения: стекломагнезитовыми плитами и полимерным пенокомпозитом «PENOCOM» Для теплотехнического расчетаогнестойкости ограждающих конструкций использован программный комплекс―ANSYS Mechanical‖.Он позволяет решить спектр задач механики деформируемого твердого тела и теплообмена с учетом нелинейных свойств материалов, пластичности и контактного взаимодействия элементов конструкции.

Представлялоинтерес сравнить результаты теплотехнического расчета огнестойкости ограждающих конструкций при использовании пенокомпозита «PENOCOM» и неорганической теплоизоляции Rockwool Light. Кроме того важно было сравнить результаты расчета с экспериментально полученными при испытании образцов в маломасштабной печи по стандартному режиму пожара.106Для математического моделирования теплопередачи были выбраны ограждающие конструкции IV – VII системы. Типичная схема теплопередачи черезограждающую каркасную конструкцию показана на рисунке 6.1.Рисунок 6.1 – Схема теплопередачи.

1,2 - облицовочные плиты со стороны огневого воздействия; 3 – деревянные стойки; 4 - теплоизоляция; 5 - облицовочная плита на обратной сторонеконструкции;- локация спаев термопар Тn (точки расчета прогрева)В общем случае для учета обугливания деревянных элементов каркасаматематически теплопередача в системе ограждающей конструкции должна бытьпредставлена в двумерной постановке задачи:Cp∂ T/∂t) = ∂/∂x (∂T/∂x) + ∂/∂y(∂T/∂y) ± Q(6.1),где Сp - удельная теплоемкость,  - плотность, Т – температура, t – время , x,y –пространственные координаты,  - теплопроводность, Q – изменениевнутренней тепловой энергии, обусловленной протекающими в материалеэлемента конструкции физико-химическими процессами.

Указанные показателизависимы от температуры. Начальные и граничные условия рассматриваются покаждому элементу конструкции.Однако, для анализа теплопередачи в изучаемых нами ограждающихконструкциях с целью оценки их огнестойкости по признакам целостности итеплоизолирующейспособности(EI)достаточноиспользовать107дифференциальные уравнения сохранения энергии и массы в системе впредположении переноса тепла и продуктов разложения в одном направлении.Рассмотрим возможные физико-химические процессы, протекающие в отдельных элементах изучаемых ограждающих деревянных каркасных конструкциях.

Первый слой СМЛ со стороны огневого воздействия является высоко термостойким. Можно полагать, что он не подвергается термическому разложению. Вслое минеральной теплоизоляции могут протекать реакции дегидратации и процессы, влияющие на теплопередачу: испарение воды и конденсация, массоперенос пара и воды через пористый материал. Слой полимерной теплоизоляции принагревании выше определенной температуры (Тнр) претерпевает разложение с выделением газообразных летучих продуктов и образованием карбонизованногоостатка.

В этом случае можно рассматривать два варианта расчета теплопередачичерез теплоизоляцию:1. Твердая матрица мгновенно пиролизуется при достижении Т нр вне зависимости от скорости нагрева. Образующийся кокс не влияет на транспорт продуктовразложения (принцип постоянства давления в к-фазе).2. Пиролиз твердой матрицы является многостадийным с соответствующимикинетическими параметрами стадий. Выход продуктов пиролиза зависит от давления в пористой среде. Из-за усадки ТИМ разной природы (в результате плавления или «выгорания»), пространство между элементами конструкции и теплоизоляцией становится частично незаполненным, что сказывается на процессе теплопередачи.

Усиление переноса тепла через этот слой за счет теплопроводности,конвекции и лучистой энергии должно в принципе снижать огнестойкость ограждающей конструкции в целом. Результирующий лучистый теплообмен в полостимежду поверхностями элементов конструкции зависит от угловых коэффициентовизлучения [41].В качестве контролирующего параметра обугливания органических элементов ограждающей конструкции (древесины, пенокомпозита ―PENOCOM‖, OSB)принята температура 270оС [18].

Максимальная температура 180оС на не обогре-108ваемой стороне конструкции использована как реперная точка потери еѐ теплоизолирующей способности.Уменьшение массы в результате термического разложения полимерногопенокомпозита ―PENOCOM‖ при сохранении его объема означает уменьшениеплотности и изменение пористости ТИМ на этом этапе теплового воздействия.Последующая усадка ТИМ в результате пиролиза (выгорания) пенококсаприводит к дальнейшему снижению его плотности и пористости.

Текущуюпористость пенокомпозита с учетом степени превращения при разложении (α),количества образующегося коксового остатка (К) и усадки (γ) можно определитьпо формуле:o‘[1 -  K)](1-o)}/ ‘(1-(6.2),где и‘ - начальные значения пористости и плотности каркаса пенокомпозита. Таккакначальнаяплотностьпенокомпозитаравна‘;текущаяплотностьпенокомпозита соответствует уравнению:‘ = K)/ ((6.3)Математическая модель тепломассопереноса в ограждающих деревянныхлегких каркасных конструкциях с указанными выше элементами и полимернымТИМ включает в себя следующие дифференциальные уравнения:Уравнение сохранения энергии:(1-‘cp ∂ T/∂t = ∂ /∂x(  ∂T/∂x) + m‖cp‖∂T/∂x - LvR(6.4)Уравнение массопереноса продуктов термического разложения ТИМ:Cm∂p/∂t =∂/∂x(m∂p/∂x) + ∂/∂x(KD∂p/∂x) + R(6.5)Начальные условия для уравнения сохранения энергии (4) для всехэлементов конструкции и уравнения (5):(6.6)T|t=0 = T0; p|t=0 = p0Граничноеусловиенаобогреваемойповерхностиограждающейконструкции:- (∂T/∂x) = f(Tf –Tсмл) + (Tf4 – Tсмл4)(6.7)109Граничное условие на необогреваемой стороне ограждающей конструкции:-∂∂x) = e(Tx – Te) +(Tx4 – Te4)Приотсутствииусадочныхявленийиплотном(6.8)соприкосновенииповерхности элементов ограждающей конструкции условия на границах междуотдельными слоями отвечают равенству температур и плотности тепловыхпотоков:Т|хгр -0= Т|х гр+0(6.9)∂∂x) |x гр-0 = - (∂T/∂x)|x гр+0(6.10)При усадке теплоизоляции и возникновении пустого пространства междуСМЛ и теплоизоляцией со стороны огневого воздействия должны быть включеныусловия на границе СМЛ и полости, а также на границе полости и поверхноститеплоизоляции с учетом угловых коэффициентов излучения поверхностей,ограждающих полость.В этом случае условие на границе поверхности СМЛ и полости может бытьописано уравнением:-∂T/∂x) = c(Tcмл – Tc) + F12 Tсмл4 - Ттим4)(6.11)Соответственно, условие на границе полости и поверхности теплоизоляции:∂T/∂x) = c(Tc – Tтим) –F21тим4 – Tсмл4)(6.12)Рассматриваемой системе ограждающей конструкции присуще свойство взаимности обмена излучением поверхностей с учетом угловых коэффициентов: F21= F12 и свойство замкнутости.

Характеристики

Список файлов диссертации