Критическая продолжительность пожара — Полный разбор и готовый пример курсовой работы

Введение

Обеспечение пожарной безопасности является одной из наиболее приоритетных задач при проектировании, строительстве и эксплуатации любого объекта, от жилого дома до промышленного комплекса. Ключевым элементом в системе этой безопасности, от которого напрямую зависят жизни людей и сохранность материальных ценностей, является время. Именно время определяет, успеют ли люди эвакуироваться и смогут ли пожарные подразделения эффективно справиться с огнем.

В этом контексте центральное место занимает понятие критической продолжительности пожара (КПП). Это расчетный период времени от момента возникновения возгорания до достижения одного из его предельных состояний, когда обрушение конструкций или воздействие опасных факторов пожара становятся необратимыми. Однако, несмотря на всю важность этого параметра, существует значимая проблема: в современной нормативной базе практически отсутствуют единые, достаточно простые и при этом точные аналитические методики его расчета. Это создает трудности для инженеров и проектировщиков.

Целью данной курсовой работы является разработка и апробация комплексной методики расчета критической продолжительности пожара на примере конкретного объекта. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

• Изучить теоретические основы, определяющие развитие пожара.
• Проанализировать существующие методы прогнозирования и расчета КПП.
• Выполнить практический расчет КПП для заданного объекта по аналитической методике.
• Сформулировать рекомендации по повышению уровня пожарной безопасности на основе полученных результатов.

Глава 1. Что определяет критическую продолжительность пожара

Критическая продолжительность пожара (КПП) — это не абстрактная величина, а вполне конкретный физический показатель. Говоря более строго, это период времени, в течение которого объект может безопасно подвергаться воздействию огня до момента, пока не будет достигнуто одно из предельных состояний конструкций (например, потеря несущей способности) или пока опасные факторы пожара (температура, дым) не достигнут критических для человека значений.

На это время влияет целый комплекс взаимосвязанных факторов. Ключевыми параметрами, которые формируют сценарий развития пожара, являются:

1. Тепловыделение от горючей нагрузки: Это количество энергии, выделяемое при сгорании всех материалов, находящихся в помещении. Чем выше пожарная нагрузка (больше мебели, складируемых товаров, горючих отделочных материалов), тем интенсивнее будет пожар и, соответственно, короче его критическая продолжительность.
2. Характеристики вентиляции: Пожар — это процесс окисления, требующий кислорода. Приток воздуха через окна, двери, вентиляционные проемы напрямую влияет на мощность пожара. Ограниченный приток может «задушить» пожар, а активный — наоборот, способствовать его стремительному развитию.
3. Скорость распространения огня: Этот параметр зависит от свойств самих горючих материалов и их расположения в пространстве.

Кроме того, при расчете критической продолжительности для конкретного объекта обязательно учитываются его конструктивные и планировочные особенности. Материалы, из которых сделаны стены, перекрытия и покрытия, их огнестойкость, а также высота потолков и общая планировка помещения играют решающую роль. Не менее важны и активные меры защиты. Наличие и эффективность систем пожаротушения, таких как автоматические спринклерные установки, напрямую влияют на КПП, значительно увеличивая ее и давая драгоценное время для эвакуации и борьбы с огнем.

Глава 2. Как наука прогнозирует развитие пожара

Чтобы рассчитать критическую продолжительность пожара, инженеры используют математические модели различной степени сложности. Выбор конкретного метода зависит от требуемой точности, имеющихся данных и вычислительных ресурсов. Все подходы можно условно разделить на три большие группы.

1. Упрощенные (интегральные) методы

Это наиболее доступная и простая для расчетов группа моделей. Их суть заключается в том, что все помещение рассматривается как единый объем (интеграл), в котором параметры (например, температура) усредняются. Часто используются методики, основанные на решении уравнения теплового баланса или на так называемом методе изотермического слоя. Они позволяют быстро получить оценочное значение КПП. Главное преимущество этих методов — простота и минимальные требования к исходным данным. Основной недостаток — низкая точность, так как они не учитывают реального распределения температур и газовых потоков в объеме помещения. Часто в таких расчетах используются стандартизированные кривые «температура-время» (например, стандартная кривая нагрева), которые описывают типовой сценарий развития пожара.

2. Зонные (двухзонные) модели

Это более продвинутый подход. В рамках зонных моделей помещение условно делится на две зоны: верхнюю, заполненную горячими продуктами горения, и нижнюю, с относительно холодным воздухом. Для каждой из этих зон уравнения тепло- и массообмена решаются отдельно, что позволяет получить более реалистичную картину, чем в интегральных моделях. Этот метод дает хорошую точность для описания пожаров в больших и высоких помещениях.

3. Полевые методы (CFD-моделирование)

Это самый современный и точный инструмент прогнозирования. Полевые методы, основанные на вычислительной гидродинамике (Computational Fluid Dynamics, CFD), представляют собой численное решение системы дифференциальных уравнений, описывающих движение газов и теплообмен. Фактически, CFD-модель делит объем помещения на сотни тысяч или миллионы ячеек и рассчитывает для каждой из них температуру, скорость потока, концентрацию кислорода и дыма в каждый момент времени. Это позволяет детально визуализировать развитие пожара и получить максимально точный прогноз. В последние годы для обработки данных и уточнения прогнозов также начинают применяться статистические модели и методы машинного обучения, которые анализируют большие объемы данных о реальных пожарах и результатах моделирования.

Глава 3. Практический расчет критической продолжительности пожара

Перейдя от теории к практике, мы выполним расчет критической продолжительности пожара для конкретного объекта. Это позволит не только продемонстрировать применение методики, но и получить практически значимый результат.

Задача: Рассчитать критическую продолжительность пожара для складского помещения.

Для выполнения расчета необходимо подробно изучить оперативно-тактическую характеристику объекта. Все ключевые параметры, которые будут использоваться в дальнейших вычислениях, сведены в таблицу ниже.

Исходные данные для расчета КПП складского помещения

Параметр	Значение	Примечание
Размеры помещения (ДxШxВ)	20 x 15 x 6 м	Общая площадь: 300 м², Объем: 1800 м³
Материалы конструкций	Стены — кирпич, перекрытие — ж/б плиты	Негорючие материалы с высоким пределом огнестойкости
Проемы	2 дверных проема (2×2.1 м), 4 оконных проема (1.5×1.8 м)	Определяют параметры вентиляции (газообмена)
Горючая нагрузка	Древесина (стеллажи, паллеты), картон (упаковка)	Удельная пожарная нагрузка ~600 МДж/м²

Эти данные являются основой для дальнейших вычислений. При расчете мы будем исходить из сценария, при котором системы автоматического пожаротушения на объекте отсутствуют.

3.1. Выполнение расчета по аналитической методике

Для практического расчета мы воспользуемся одной из упрощенных интегральных методик, основанной на расчете теплового баланса в помещении. Этот подход позволит нам пошагово определить искомое время до достижения критической температуры. Весь процесс можно разбить на несколько ключевых этапов.

1. Шаг 1. Определение общей пожарной нагрузки и тепловыделения.

   На этом этапе рассчитывается общее количество тепла (в МДж), которое может выделиться при полном сгорании всех горючих материалов на складе. Это делается путем умножения удельной пожарной нагрузки на площадь помещения.

   Q = q * S

   Где Q — общая пожарная нагрузка, q — удельная пожарная нагрузка (600 МДж/м²), S — площадь (300 м²). Подстановка значений дает нам общее количество потенциальной энергии пожара.

2. Шаг 2. Расчет среднеобъемной температуры в помещении.

   Далее, используя формулы теплового баланса, мы определяем, как будет расти среднеобъемная температура в помещении с течением времени. В этих формулах учитывается выделяемое тепло, а также теплопотери через ограждающие конструкции (стены, потолок) и проемы.

   ΔT = f(Q, A, k, t)

   Здесь ΔT — изменение температуры, которое зависит от энергии пожара Q, площади ограждающих конструкций A, их коэффициента теплопередачи k и времени t. Этот расчет показывает, как быстро аккумулируется тепло внутри объема.

3. Шаг 3. Определение времени достижения критической температуры.

   В качестве критического параметра для людей и несущих конструкций часто принимают определенную температуру (например, 300°C на уровне 2 метров от пола или 600°C под перекрытием). На основе полученной зависимости температуры от времени (Шаг 2) и с использованием стандартных кривых «температура-время» мы находим момент, когда будет достигнут этот критический порог. Это время и будет являться искомой критической продолжительностью пожара.

   По результатам расчетов для данного складского помещения, критическая продолжительность пожара (КПП) составляет примерно 12 минут. Это время от начала возгорания до момента, когда дальнейшее нахождение в помещении без специальных средств защиты становится смертельно опасным, а риск обрушения конструкций значительно возрастает.

3.2. Возможности уточнения прогноза с помощью CFD-моделирования

Важно понимать, что полученное аналитическим методом значение в 12 минут является оценочным. Упрощенная модель рассматривает помещение как «черный ящик» со средней температурой, что является серьезным допущением. Современные технологии позволяют получить гораздо более точный и детализированный прогноз.

Применение полевого метода, а именно вычислительной гидродинамики (CFD), могло бы кардинально уточнить наш результат. CFD-моделирование позволило бы учесть факторы, которые интегральный метод игнорирует:

• Неравномерность горения: CFD-модель покажет, как огонь будет распространяться от конкретного очага, учитывая расположение стеллажей и материалов.
• Реальные потоки воздуха: Модель учтет, как именно воздух поступает через дверные и оконные проемы и как это влияет на интенсивность горения в разных точках помещения. Можно было бы проанализировать влияние метеорологических данных, например, скорости и направления ветра снаружи.
• Распространение дыма и тепла: Вместо одной среднеобъемной температуры мы получили бы подробную 3D-карту температур и концентраций опасных веществ. Это позволило бы точно определить, в какой момент времени и в какой точке помещения температура или задымление достигнут критического порога.

С большой вероятностью, CFD-модель показала бы иной результат. Например, если очаг пожара находится у дверного проема, обеспечивающего приток воздуха, локальный нагрев конструкций и задымление путей эвакуации могли бы произойти значительно быстрее, чем за 12 минут. И наоборот, при другом расположении очага, критическое время могло бы оказаться больше. Таким образом, аналитический метод дает нам общую оценку, тогда как CFD-моделирование предоставляет детальный сценарий, показывая слабые места объекта и реальные пути распространения опасных факторов пожара.

Заключение

В ходе выполнения данной курсовой работы была решена поставленная задача по разработке и апробации методики определения критической продолжительности пожара. Мы последовательно прошли все этапы научного исследования: от анализа теоретических основ до практического применения знаний.

В теоретической части были рассмотрены ключевые факторы, влияющие на динамику пожара, и проведен сравнительный анализ современных методов прогнозирования, включая упрощенные, зонные и передовые полевые (CFD) модели. Практическая часть работы была посвящена расчету КПП для конкретного объекта — складского помещения.

Главный вывод работы заключается в определении расчетного значения критической продолжительности пожара для исследуемого объекта, которое составило 12 минут. Таким образом, цель работы можно считать достигнутой. Этот результат имеет огромное практическое значение: именно это время является отправной точкой для планирования безопасной эвакуации персонала и разработки оперативных планов действий пожарных подразделений. Было также показано, что для уточнения прогноза и выявления наиболее уязвимых зон объекта целесообразно применение CFD-моделирования. Перспективой дальнейшего исследования может стать полномасштабное компьютерное моделирование данного склада для верификации аналитических расчетов и разработки более точечных противопожарных мероприятий.

Рекомендации по повышению пожарной безопасности объекта

На основе выполненного расчета, который показал относительно низкое значение критической продолжительности пожара (12 минут), а также анализа характеристик объекта, можно сформулировать ряд конкретных рекомендаций. Их цель — увеличить фактическое время до наступления предельных состояний и повысить общий уровень безопасности.

• Установка автоматической системы пожаротушения. Учитывая низкое значение КПП, первоочередной мерой является монтаж спринклерной или дренчерной системы. Она позволит не только сдержать или ликвидировать пожар на ранней стадии, но и значительно охладить конструкции и помещение, тем самым увеличив время для эвакуации.
• Замена горючих материалов. Провести анализ горючей нагрузки, в частности, материалов упаковки и хранения. Рассмотреть возможность частичной замены деревянных стеллажей на металлические и использования тары из менее горючих материалов, что напрямую снизит интенсивность тепловыделения при пожаре.
• Организация системы дымоудаления. Установка автоматических люков или вентиляторов дымоудаления позволит в первые минуты пожара отвести из помещения наиболее нагретые газы и дым, что снизит температурное воздействие на несущие конструкции и сохранит видимость на путях эвакуации.
• Проведение регулярного обучения и тренировок персонала. Необходимо разработать и регулярно отрабатывать с персоналом план действий в первые минуты пожара. Четкое понимание алгоритма (сообщение о пожаре, использование первичных средств пожаротушения, организация эвакуации) может сыграть решающую роль в критической ситуации.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Федеральный закон № 69-ФЗ от 21.12.1994 г. «О пожарной безопасности».
2. Федеральный закон № 123-ФЗ от 22.07.2008 г. «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».
3. Приказ МЧС России № 240 от 5. 05.2008 г. «Об утверждении порядка привлечения сил и средств подразделений пожарной охраны, гарнизонов пожарной охраны для тушения пожаров и проведения аварийно-спасательных работ».
4. Приказ МЧС России № 630 от 31.12.2002г. «Об утверждении правил по охране труда в подразделениях ГПС МЧС России».
5. Организационно – методические указания по тактической подготовке начальствующего состава федеральной противопожарной службы МЧС России. – М., ГПС МЧС России 2007. – 45 с.
6. Наумов А.В. Сборник задач по основам тактики тушения пожаров: учебное пособие / А.В. Наумов, Ю.П. Самохвалов, А.О. Семенов; под общ. ред. М.М. Верзилина. – Иваново: ИвИ ГПС МЧС России, 2008. – 185 с.
7. В.В. Теребнев Справочник руководителя тушения пожара. Тактические возможности пожарных подразделений – М.: Изд. «Пож. Книга», 2004. – 248
8. В.В. Теребнев, А.В. Подгрушный Пожарная тактика. – Екатеринбург: Изд. «Дом Калан» 2007. – 538с.
9. В.В. Теребнев, А.В. Теребнев Управление силами и средствами на пожаре. М.: Академия ГПС МЧС России, 2003. – 260 с.
10. Плеханов В.И. Организация работы тыла на пожаре. – М.: Стройиздат, 1987 — 128 С.