Исследование огнебезопасности металлических

Исследование огнебезопасности
металлических соединительных пластин ферм
Государственный институт стандартов и технологий (ГИСТ)
торговый департамент США, управление технологий
Исследование огнебезопасности
металлических соединительных пластин ферм
Харман К.А.
Лоусон Дж.Р
подразделение исследований огнебезопасности
лаборатория исследований строительства и огнебезопасности
Январь 2007 года
торговый департамент США
Карлос М. Гутьерес, секретарь
Администрация технологий
Роберт Кресанти, заместитель министра торговли и технологий
Государственный институт стандартов и технологий
Уильям Джеффри, директор
Содержание
СПИСОК РИСУНКОВ.....................................................................................................................................ii
СПИСОК ТАБЛИЦ...........................................................................................................................................ii
Обзор..................................................................................................................................................................1
Введение.............................................................................................................................................................2
Метод..................................................................................................................................................................4
Результаты и дискуссия................................................................................................................................... 7
Выводы.............................................................................................................................................................14
Подтверждения................................................................................................................................................15
Использованная литература...........................................................................................................................16
Список рисунков
Рисунок 1 — легкая деревянная конструкция
Рисунок 2 — размещение образцов
Рисунок 3 — размещение термопар А, В, С и D
Рисунок 4 — размещение поверхностных термопар С и Е
Рисунок 5 — аппарат тестирования
Рисунок 6 — одна минута после возгорания
Рисунок 7 — тридцать минут после возгорания
Рисунок 8 — пример: измерения термопары при тестировании нормального образца
Рисунок 9 — пример: измерения термопары при тестировании образца 1/32 дюйма с
зазором древесина/пластина
Рисунок 10 зазором стыка
пример: измерения термопары при тестировании образца 1/8 дюйма с
Рисунок 11 — через 10 минут тестирования пластина по-прежнему блестит
Рисунок 12 — через 40 минут тестирования пластина утратила свой блеск
Рисунок 13 — образец с зазором в 1/8 дюйма после обгорания
Рисунок 14 - образец с зазором древесина/пластина 1/32 дюйма после обгорания
Рисунок 15 — нормальный образец после обгорания
Рисунок 16 – структура обугливания на левой стороне пластины
Список таблиц
Таблица 1. Диапазон глубины обугливания
Исследование огнебезопасности
металлических соединительных пластин ферм
Авторы:
Келли А. Харман и Джеймс Р. Лоусон
Обзор
Скрепляемые пластинами из легкого металла деревянные фермы становятся все
более
популярными
благодаря
своей
эффективности,
многостороннему
применению и легкой установке. Строительство такого рода вызывает опасения у
пожарных, так как во время тушения пожаров из-за обрушения конструкций они
получают тяжелые ранения, известны даже случаи гибели. Чтобы определить
реакцию соединительных пластин деревянных ферм на воздействие огня, ГИСТ
провел 12 экспериментов (с использованием измерительных инструментов), в
которых одна из сторон тестового образца была подвергнута воздействию жара. В
этих тестах не измерялась несущая способность металлических креплений ферм.
Целью тестов было установить, переносится ли жар между металлическими
пластинами и древесиной. Результаты тестов демонстрируют, что металлические
пластины помогают защищать находящуюся под ними древесину. Однако
необходима дополнительная работа, чтобы получить более подробную
информацию.
Ключевые слова: обрушение здания, тесты на огнебезопасность, металлическая пластина,
деревянная ферма
Введение
Скрепляемые пластинами из легкого металла деревянные фермы становятся все
более
популярными
благодаря
своей
эффективности,
многостороннему
применению и легкой установке. Конструкции, представленные на рисунке 1,
обычно строятся из 2-4 компонентов, которые скрепляются соединениями из
легкого металла. Такие конструкции вызывают опасения у пожарных. Многие
считают, что столь легкие конструкции не обеспечивают достаточной
огнеупорности, которая присуща цельным деревянным брусам и балкам. За
последние 20 лет многие пожарные были ранены и более 180 погибли в
результате обрушения конструкций [2]1. Нужно, однако, отметить, что в этих
данных не содержится сведений о том, в зданиях каких видов произошли
несчастные случаи.
Использование металлических соединительных пластин — один из самых
обсуждаемых аспектов в связи с легкими деревянными фермами. Некоторые
считают, что эти соединения служат проводниками тепла и быстрее ослабляют
древесину, однако другие полагают, что
именно металлические пластины
отражают жар, тем самым защищая расположенную за ними древесину. Менни [3]
сомневается в отражающих качествах объятой дымом и покрытой сажей
металлической пластины. Следует также упомянуть, что большая часть шипов
металлической пластины находится в древесине на глубине лишь 0,38 дюйма (9,5
мм), и в случае длительного воздействия огня древесина в более глубоких слоях
может обуглиться. Так как стабильность конструкции фермы зависит от
целостности всех ее частей, недержание даже одной соединительной пластины
из-за значительного обугливания древесины представляет угрозу для всей
конструкции [1].
Информация о такого рода соединениях очень ограничена. Хотя тесты
проводились из разных соображений, исследования, проведенные лабораторией
продуктов леса сельскохозяйственного департамента США (ASVLD), дают
первоначальное представление об огнебезопасности металлических пластин.[5].
К этим результатам мы вернемся в последующих разделах.
Соединительные пластины изготовляются, как правило, из листов оцинкованной
стали размера 16, 18 или 20 [соответственно 0,062 дюйма (1,6мм), 0,05 дюйма
(0.9 мм) и 0,038 дюйма (0,9мм) толщиной], на одной их стороне расположены
вштампованные
шипы.
Во
время
изготовления
ферм
эти
пластины
впрессовываются в древесину при помощи гидравлического пресса или катка так,
чтобы шипы встали на место. Согласно ANSI/TPI -2002 [7], деревянные
компоненты не должны быть абсолютно на одном уровне по отношению друг к
другу. Согласно разделу 3.7.6.1 главы 3, допустимый промежуток в смычках
деревянных деталей ферм крыш составляет 1/8 дюйма (3,2 мм). Полное
углубление шипов металлических пластин также только желательно, но не
обязательно. Эти допуски рассматриваются далее в тексте.
Чтобы установить, защищают ли металлические пластины расположенную внизу
древесину от дальнейшего разрушения, и повторить результаты тестов,
опубликованных
лабораторией
лесного
хозяйства
сельскохозяйственного
департамента США (ASVLD), лаборатория строительства и огнебезопасности ГИСТ
провела 12 тестов. В ходе этих тестов не анализировалась устойчивость ферм и
деревянных компонентов. Анализировался перенос жара между металлической
пластиной и древесиной.
Метод
Для этого исследования было подготовлено три разных образца, во всех
использованы одинаковые пиломатериалы стандартного размера. Пиломатериалы
стандартного размера оценивались по классу нагрузок. Пиломатериалы размера
1 Из всех дел (за исключением Всемирного торгового центра
2х4 и больше помещены в классы 1,2,3 и в самый высокий класс «структурный
отбор». Они часто включаются в комбинации 2-го и более высоких классов (№ 2
& BTR) или № 3 & BTR[6]. Применялась древесина с такими параметрами: ЕльСосна-Пихта (Е-Р-В), класс № 2 & BTR, поперечное сечение 1,5 дюйма (38 мм) х
3,5 дюйма (89 мм), (далее в тексте 2х4), содержание влаги 11,5 процента и
средняя плотность 490 кг/куб.м. Содержание влаги измерялось с использованием
промышленно изготовленного, автоматического, точного термогравиметрического
анализатора влажности. Каждый образец состоял из двух компонентов 2х4
длиной один фут (0,30 м), которые соединены двумя пластинами для ферм из
оцинкованной стали размера 20 (0,95 мм) (размеры: 3 дюйма (7,6мм) х 5 дюймов
(152 мм)), со вштампованными шипами (примерно 0.31 дюйма (7,9 мм) длиной),
на каждой стороне по одной пластине. На рисунке 2 показано расположение
образцов. Образцы не подвергались нагрузке до и после тестирования, а также во
время тестирования.
Рисунок 2 — размещение образцов
Первые шесть образцов для тестирования были расположены так, чтобы шипы
пластины полностью погружались в древесину и между деревянными деталями не
было зазоров. Далее в тексте эти образцы будут именоваться «нормальными».
Остальные шесть образцов для тестирования были созданы следующим образом:
три образца с зазором стыка между краями смычки деревянных деталей 1/8
дюйма (3,2 мм) (пластины полностью углублены) и три образца с зазором 1/32
дюйма (0,8 мм) между плоскостью металлической пластины и поверхностью
древесины, что охватывает все производственные допуски, упомянутые в
ANSI/TPI -2002 [7]. Согласно разделу 3.7.6.1 главы 3, в стыках деревянных
деталей ферм допустим зазор 1/8 дюйма (3,2 мм). Нужно отметить, что только
зазор шириной 1/16 дюйма (1,6мм) допустим в фермах полов, и данный случай не
тестируется.
В разделе 3.7.5 допускается зазор 1/32 дюйма (0,8 мм) между деревом и
металлической пластиной. Эти образцы далее в тексте будут именоваться
соответственно образцами «зазор стыка 1/8 дюйма» и «зазор древесина/пластина
1/32 дюйма». Влияние на структурную стабильность обугленной древесины за
соединительной пластиной (там, где имеется зазор между металлом и древесиной
и где пластины могут быть неправильно установлены) тщательно не
документировалось
[8].
Для
присоединения
пластин
и
обеспечения
равномерности
углубления
шипов
использовался
гидравлический
пресс
промышленного производства. Температура измерялась в различных местах
образцов К-образными термопарами (диаметр 0,01 дюйма (0,25 мм)).
Первые три образца были оснащены термопарами (А,В, С и D). Это было сделано,
чтобы видеть, защищает ли металлическая пластина в верхней части
расположенную рядом древесину. Первая термопара «А» была установлена на
деревянной поверхности прямо под металлической пластиной, была отцентрована
на ширину 2х4, примерно 1,75 дюйма (44 мм) от верхнего и нижнего краев.
Термопара «В» была размещена в центре образцов 2х4, непосредственно за «А».
Это было сделано путем просверливания в древесине отверстия немногим больше
диаметра термопары. Отверстие находилось в центре верхней поверхности
древесины, на расстоянии 0,75 дюйма (19 мм) от края. Отверстие было
высверлено на глубину 1,75 дюйма (44 мм), термопара помещена в нем до конца,
непосредственно за термопарой «А».
Термопары «С» и «D» были установлены сходным способом — на расстоянии 5 мм
от края металлической пластины. Термопара «С» была установлена на
поверхности древесины, термопара «D» установлена подобно «В», так, как
описано ранее. Это размещение см. на рисунке 3.
рис. 3 — размещение термопар А,В, С и D
Пятая термопара «Е», которая в тестах использовалась для всех 12 образцов,
была помещена на расстоянии 20 мм от края металлической пластины. Это
расположение можно видеть на рис. 4.
рис. 4 — размещение поверхностных термопар С и Е
Тесты были проведены с использованием работающей на газе термальной
лучеиспускающей панели, калиброванной так, чтобы подвергать древесину
равномерному облучению 20 kW/кв.м. Такая ситуация симулирует начальное
перекаливание во время горения. По достижении температуры перекаливания все
находившиеся в помещении воспламеняемые предметы начали гореть почти
одновременно, создавая стремительное выделение тепла и повышение
температуры. После перекаливания обычно говорят, что огонь «полностью
развился» [9]. Использованный при тестировании аппарат см. на рис. 5.
Рисунок 5 — аппарат тестирования
Соединение древесина-металлическая пластина было подвержено возгоранию с
использованием источника открытого огня, чтобы во время тестирования
подводить огонь на разных его этапах. В использованном ГИСТ методе
тестирования жар и пламя подводились только с одной
стороны, в ходе
тестирования ASVLD образцы накаливались в печи при максимальной
температуре 325 градусов Цельсия, причем теплота подводилась со всех сторон,
пламя вообще не зажигалось. Метод тестирования ГИСТ показан на рис. 6 и 7.
Тесты проводились в течение 60 минут, температуры считывались каждую
секунду с использованием компьютеризированного устройства.
Рисунок 6 — одна минута после возгорания
Рисунок 7 — тридцать минут после возгорания
Результаты и дискуссии
Результаты 12 тестов были сходны, что доказывает, что изменчивые параметры и
случайность тестов значения не имели.
На рис. 8 показаны измеренные термопарами температуры, обобщенные по
тестам с шестью «нормальными» образцами. Внезапное повышение температуры
примерно на 200 градусов произошло из-за воспламенения древесины. Термопара
«А», которая была размещена непосредственно под металлической пластиной,
зафиксировала более низкие температуры, чем термопара «С», находившаяся на
поверхности рядом с пластиной. Это показывает, что металлическая пластина
создает известную защиту для древесины, которая находится непосредственно
под ней. Термопара «В» также показала более низкую температуру, чем рядом
расположенная «D». Это отличается от тестов ASVLD. Тесты, проведенные ГИСТ,
показали,
что
металлическая
пластина
защищает
древесину,
которая
расположена под ней, а тесты ASVLD - что металлические шипы фермы проводят
тепло глубже в древесину [5]. Различия в тестах могут быть связаны с различием
методов (напомним, что тесты ASVLD производились в печи, где образец
подвергался воздействию жара со всех сторон) и разницы температур,
используемых в тестах. Было также установлено, что в тестах ГИСТ температура
на поверхности на расстоянии 0,79 дюйма (20 мм) от края пластины была выше,
чем на расстоянии 0,20 дюйма (5 мм). Это не рассматривалось в тестах ASVLD, и,
вероятно, связано с процессом горения древесины.
Нормальный
vertikali: температура (градусы °С)
ВРЕМЯ (секунды)
рис. 8 - пример: измерения термопары при тестировании нормального образца
Зазор 1/32 дюйма
vertikali: температура (градусы °С)
ВРЕМЯ (секунды)
Рисунок 9 — пример: измерения термопары при тестировании образца 1/32
дюйма с зазором древесина/пластина
Зазор 1/8 дюйма
vertikali: температура (градусы °С)
ВРЕМЯ (секунды)
Рисунок 10 - пример: измерения термопары при тестировании образца 1/8 дюйма
с зазором стыка
(учитывайте, что термопары «С» и «Е» потеряли контакт с поверхностью
примерно через 1700 секунд). Во время теста самая высокая достигнутая
температура во время возгорания и горения составила 1007°С, самая низкая 605
°С. Эти различия связаны с различным развитием пламени, разницей в
размещении термопар и равномерностью древесины. Несмотря на то, что образцы
древесины взяты из одного и того же компонента и тестирующий аппарат был
откалиброван, каждая часть горела по-разному. На рис. 9 и 10 видны измеренные
(в среднем для каждых трех тестов) температуры для образцов с зазором
древесина/пластина 1/32 дюйма (0,8 мм) и образцов с зазором 1/8 дюйма (3,2 мм)
соответственно. Зазор между пластиной и древесиной привел к значительно
более высоким температурам под пластиной, которые зафиксировала термопара
«А» (см. рис. 9). Для образца с зазором стыка термопара «А» также
зафиксировала более высокие температуры по сравнению с нормальными
образцами. С точки зрения качества тенденции остальных термопар сходны.
Через некоторое время металлическая пластина ( как это видно на рис. 11 и 12)
начала покрываться копотью и утратила свой блеск. Температура в термопарах
под пластиной возрастала равномерно. Хотя утрата блеска пластины стала
причиной того, что изменились ее теплоотражающие способности, неясно, в какой
мере это повлияло на дальнейшую теплопроводность. На рис. 11 видно, что
древесина под пластиной сохранила свой первоначальный цвет. На рис. 12
видно, что через 30 минут пластина утратила цвет, также древесина под
пластиной начала обугливаться.
Рисунок 11 — через 10 минут тестирования пластина по-прежнему блестит
Рисунок 12 — через 40 минут тестирования пластина утратила свой блеск
В каждом из проведенных тестов термопара «А» зафиксировала более низкие
температуры, чем термопара «С», средняя температура была на 215 °С ниже. Это
в основном происходило в первой половине теста. Сходные результаты были у
термопар «В» и «D», со средней разницей 110 °С.
Рисунок 13 — образец с зазором в 1/8 дюйма после обгорания
Рисунок 14 - образец с зазором древесина/пластина 1/32 дюйма после обгорания
Рисунок 15 — нормальный образец после обгорания
Было два случая, когда термопара «В» достигла более высокой температуры, тем
термопара «D». Это произошло в образце с зазором стыка 1/8 дюйма (3,2 мм).
Огонь имел возможность проникнуть между деревянными частями и опалить
большую зону за металлической пластиной. Это можно видеть на рис. 13.
В начальной части теста после возгорания термопара «С» зафиксировала
температуру на 45°С выше, чем термопара «Е».
Были некоторые очевидные различия между образцами с производственными
допусками. В образцах с зазором стыка 1/8 дюйма (3,2 мм) термопара «В»,
находясь в середине древесины под пластиной, зафиксировала температуры на
40°С выше ( чем в случае с нормальным образцом). Это произошло потому, что
огонь легко мог проникнуть между двумя деревянными деталями под пластиной.
Поэтому большая часть древесины сгорела или обуглилась за пластиной, обнажив
несколько металлических шипов.
Это хорошо видно при сравнении рис. 13 и рис. 15. В среднем обугливание,
которое происходило в зоне между краями образцов с зазором стыка 1/8 дюйма
(3,2 мм), начиналось с начальной точки 0,15 дюйма (3,8 мм) и распространялось
до ширины 0,57 дюйма (14,5 мм). В то же время в нормальных образцах вообще
не обгорала или только немного обугливалась зона между ними. В образцах с
зазором стыка 1/8 дюйма (3,2 мм) была зафиксирована наибольшая глубина
обугливания; в образцах с зазором 1/32 (3,2 мм) (древесина/пластина) (см. рис.
14) и только в одном нормальном образце (рис. 15) была зафиксирована
достаточно большая глубина обугливания, чтобы полностью обнажился нижний
ряд металлических шипов.
Измерения глубины обугливания показаны в таблице 1. Измерения глубины
обугливания производились с использованием точного штангенциркуля,
результаты считывались со шкалы. Все измерения обугливания (между
деревянными деталями и под пластиной) производились в местах вдоль края
металлической пластины. Глубина обугливания между деревянными деталями
измерялась на пограничной поверхности дерево/металл и перепендикулярно
зазору древесины или поперек него. Глубина обугливания за металлической
пластиной
измерялась
на
пограничной
поверхности
дерево/металл
и
перпендикулярно металлической пластине или в направлении шипов.
Таблица 1. Диапазон глубины обугливания
Тестовый образец
Величина диапазона,
глубина обугливания
между деревянными
деталями (мм)
Величина диапазона,
глубина обугливания за
пластиной (мм)
Нормальный
0-2
2-26
Зазор
1/32
дюйма
(древесина/пластина)
3-6
Зазор стыка 1/8 дюйма
3-23
0-15
7-27
Хотя в нормальных образцах и образцах 1/32 дюйма (3,2 мм) древесина/пластина
снизу все детали обгорали сходным образом, однако по зазору 1/32 дюйма (3,2
мм) древесина/пластина огонь имел возможность проникнуть в древесину под
пластину и обуглить ее непосредственно за пластиной. По этой причине были
обнажены шипы не только в нижних рядах.
Во всех образцах структура обугливания была сходной, во всех максимальная
поверхность обугливания наблюдалась на расстоянии 0,79 дюйма (20 мм) или
больше от края металлической пластины слева и на расстоянии 0,55 дюйма (14
мм) от края металлической пластины справа. Это можно видеть на рис. 16. Уже
ранее отмечалось, что более высокие температуры были зафиксированы в местах,
расположенных дальше от металлической пластины, в результате наблюдалась
следующая структура.
Рис. 16 - структура обугливания на левой стороне пластины
Места измерений глубины обугливания менялись в зависимости от того, где на
поверхности древесины больше было сконцентрированного пламени. Средняя
глубина обугливания
поверхности
0,75 дюйма (19 мм) была измерена на
расстоянии в среднем 1,54 дюйма (39 мм) от левого края металлической
пластины, а от правого края металлической пластины средняя глубина
обугливания 0,47 дюйма (12 мм) была измерена на расстоянии в среднем 1,22
дюйма (31 мм).
Выводы
Из результатов этих тестов видно, что металлические пластины дают известную
защиту древесине, которая находится под пластиной, а также древесине, которая
находится в непосредственной близости от края пластины, если нет вообще или
есть небольшой зазор между пластиной и древесиной. Когда горение происходило
на деревянной поверхности за металлической пластиной с зазором, шипы на
пограничной поверхности обугливание/древесина обнажались примерно на 80%.
Важно отметить, что эти эксперименты проводились с накаливанием и
воздействием огня только с одной стороны образца, не применялись никакие
внешние нагрузки, чтобы оценить несущую способность структурной системы.
Чтобы лучше понять значение горения вокруг металлических пластин, эти
эксперименты следовало бы повторить при различных нагрузках и условиях
горения. В дальнейших тестах следовало бы рассмотреть количество и
размещение термопар, а также разнообразие в размещении древесины.
Древесина будет гореть иначе, если ее разместить вертикально по отношению к
лучеиспускающей панели.
С учетом небольшого количества информации о воздействии огня на
металлические соединительные пластины ферм, а также того, что легкие
деревянные фермы используются все шире, следует провести дальнейшее
исследовании о реакции древесины на воздействие огня.
Подтверждения:
д-р Уильям Дэвис
г-н Майк Селепак
г-н Джей МакЭлрой
г-н Лоурен де Лотер 84 Ламбер
д-р Стив Крамер
Американский совет деревянных ферм:
Кирк Грундал
Райан Декстер
Уилл Уорлик
Институт деревянных пластин:
Майк Кесседи
Данное исследование было проведено по распоряжению департамента
внутренней безопасности США (IDD), в рамках Программы стипендий IDD и
Программы содружества, программу администрировал Институт образования и
науки Окриджа (OZII) согласно межведомственному соглашению с департаментом
энергетики США (ED). OZII управляет Ассоциированными университетами
Окриджа согласно договору № DE-AС05-ООR22750. Мнение, выраженное в
данном исследовании, является мнением автора и может не отражать мнения и
взгляды департамента внутренней безопасности США (IDD),
департамента
энергетики США (ED) и Института образования и науки Окриджа (OZII).
Примечание: ГИСТ фиксирует измерения в метрической системе, однако целевая
аудитория данного исследования пользуется стандартными единицами измерения США.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА