Общие сведения о возникновении и развитии пожара в помещении и в здании

Пожар, опасные факторы пожара. Пожар – неконтролируемое горение, причиняющее материальный ущерб, вред жизни и здоровью граждан, интересам общества и государства (ст. 1 [3]).

Опасные факторы пожара – факторы пожара, воздействие которых может привести к травме, отравлению или гибели человека и (или) к материальному ущербу (ч. 17 ст. 2 [2]).

В табл. 1.1 приведены ориентировочные критические значения количественных показателей опасных факторов пожара, при этом они могут меняться в зависимости от степени последствий для здоровья и жизни человека и времени воздействия.

Таблица 1.1

Опасные факторы пожара

Опасные факторы пожара (ч. 1 ст. 9 [2])	Количественное значение [27]
Пламя и искры	-
Тепловой поток	более 500 Вт/м2
Повышенная температура окружающей среды	более 70°С
Повышенная концентрация токсичных продуктов горения и термического разложения	оксида углерода СО – более 0,1%; диоксида углерода СО2 – более 6%
Пониженная концентрация кислорода	менее 17%
Снижение видимости в дыму	ослабление света 2,38 на ед. длины

 

Опасность для людей и имущества представляют также сопутствующие проявления опасных факторов пожара – осколки, части разрушившихся зданий, технологических установок и оборудования; опасные вещества, попавшие в окружающую среду из разрушенного оборудования; воздействие огнетушащих веществ и др. (ч. 2 ст. 9 [2]).

Статистика показывает, что в 50…80% случаев причиной гибели людей при пожаре является отравление окисью углерода и недостаток кислорода. Обрушение конструкций при пожаре происходит при более высоких температурах, чем может выдержать человеческий организм, поэтому приводит к гибели людей только в случаях, когда после обрушения отдельных конструкций наступает прогрессирующее обрушение всей несущей системы здания.

Условия возникновения пожара. Для возникновения пожара необходимо наличие в определённом количественном соотношении трёх составляющих: источника зажигания, горючей среды и окислителя.

Источник зажигания – средство энергетического воздействия, инициирующее возникновение горения (открытый огонь, искры механические и электрические, излучение нагретых поверхностей и т.д.). Горючей средой считается среда, способная воспламеняться при воздействии источника зажигания. Окислителем обычно является кислород воздуха, но горение может начаться и при контакте горючего вещества с другими более сильными окислителями (концентрированная серная кислота и др.).

Для возникновения пожара источник зажигания должен нагреть некоторый объём горючей среды до критической температуры, при которой скорость тепловыделения (за счёт реакции в горючей среде) станет равна скорости теплоотвода из зоны реакции; при этом мощность и длительность теплового действия источника должны обеспечить поддержание критических условий в течение времени, необходимого для развития реакции с формированием фронта пламени, способного к дальнейшему самопроизвольному распространению.

При воздействии теплового потока от первоначального источника тепла на материал часть тепла поглощается массой материала и распределяется по его толщине, при этом в наибольшей степени нагревается поверхностной слой. При достижении определённой температуры начинается термическая деструкция материала с образованием газообразных продуктов и твердых пористых частиц исходного вещества. При достижении некоторых условий газообразные продукты начинают выходить на поверхность и воспламеняться, способствуя тем самым возникновению и развитию горения.

Например, при нагревании древесины открытым пламенем газообразные продукты её разложения воспламеняются при температуре 300°С, при отсутствии пламени древесину необходимо нагревать почти до 500°С, чтобы произошло самопроизвольное воспламенение горючих газов.

Динамика развития пожара [25]. Процесс устойчивого горения горючего материала начинается, когда скорость термического разложения будет не меньше скорости их термоокисления во фронте горения. При этом источником тепловой энергии становится горение продуктов термической деструкции материала.

Место первоначального возникновения неконтролируемого горения называется очагом пожара. Если тепловой энергии источника очага пожара недостаточно для воспламенения расположенных рядом сгораемых материалов, то пожар не развивается дальше. В противном случае происходит развитие пожара.

На развитие пожара оказывают влияние три основных фактора:

· пожарная (тепловая) нагрузка, обусловленная наличием горючих материалов в помещении;

· воздухообмен, обеспечивающий приток кислорода к очагу горения; интенсивность воздухообмена зависит от наличия проёмов в ограждениях, высоты здания и влияния ветра, размеров и конфигурации помещения;

· теплофизические свойства материалов несущих и ограждающих конструкций помещения, определяющие их изолирующую, излучающую и поглощающую способность, а в случае применения горючих материалов – повышение пожарной нагрузки.

В развитии пожара в помещении можно выделить четыре стадии.

Начальная стадия пожара (НСП) (участок О-А на рис. 1.1) включает в себя время от момента возгорания до момента, когда помещение полностью охвачено пламенем.

Для начальной стадии характерно преимущественно линейное распространение огня по поверхности горючего материала. Горение сопровождается сильным дымовыделением, затрудняющим эвакуацию людей и обнаружение очага пожара. Нагретые продукты горения концентрируются в верхней части помещения. Приток воздуха в помещение сначала увеличивается, затем медленно снижается. Температура во фронте горения намного превышает среднюю температуру газов, наполняющих помещение. Вследствие этого в помещении возникают интенсивные конвективные потоки нагретого газа, передающие тепло к поверхности потолка, стен и предметов.

Продолжительность начальной стадии t_НСП зависит от количества, расположения вида и пожарной нагрузки, мощности источника зажигания, конструктивно-планировочных характеристик помещения, состоянием проёмов (открыты или закрыты) и может меняться в широких пределах (10…50 мин). Среднеобъёмная температура в помещении в конце начальной стадии может достигать 200°С. Начальная стадия важна для обеспечения безопасной эвакуации и спасения людей, обнаружения и тушения пожара. Автоматические системы пожарной сигнализации и пожаротушения должны срабатывать, пока пожар находится в начальной стадии.

В начальной стадии пожар является локальным с переменной площадью горения. После разрушения остекления приток воздуха резко увеличивает развитие пожара, и он становится объёмным.

Переход локального пожара в объёмный (от начальной стадии к развивающейся) определяется характером пожарной нагрузки и условиями газообмена. В ряде случаев этот переход может сопровождаться явлением объёмного распространения горения («flash fire»), сопровождающимся резким увеличением давления в очаге пожара и, как следствие, дальнейшим вскрытием проёмов. Причина «объёмной вспышки» вызвана накоплением в объёме помещения горючих газов, образующихся при неполном сгорании полимерных материалов. При смешении этих газов с воздухом образуется горючая газовоздушная смесь, контакт которой с пламенем приводит к воспламенению. В этот период важно обеспечить изоляцию горящего помещения от наружного воздуха (не рекомендуется открывать окна или двери). При достаточной герметичности помещения может произойти «самотушение» вследствие недостатка кислорода.

		б)
	а)
			пожарная нагрузка g = const
		проёмность П = const

tв

tв

вспышка

П < Пcr (ПРВ)

D

П = Пcr

С

В

А

D

С

В

А

вспышки нет

время, t

время, t

tп

tНСП

tНСП

tп

g < gcr (ПРН)

g = gcr

g > gcr (ПРВ)

П > Пcr (ПРН)

 

Рис. 1.1. Температурные режимы «реальных» пожаров: ПРН – пожар, регулируемый нагрузкой; ПРВ – пожар, регулируемый воздухообменом

 

время t

Развивающаяся стадия пожара (участок А-В) включает в себя период от полного охвата пламенем поверхности пожарной нагрузки до достижения максимальной скорости выгорания материалов пожарной нагрузки. Эта стадия характеризуется резким увеличением скорости тепловыделения и интенсивным повышением температуры в помещении. С повышением температуры меняется цвет пламени: при 900°С пламя вишнево-красное, при 1100°С – оранжевое, свыше 1400°С – белое. Распространение пламени происходит уже не поверхностно, а дистанционно (через воздушные разрывы); преобладает передача тепла излучением. В развивающейся стадии пожара строительные конструкции подвергаются быстро нарастающему интенсивному тепловому воздействию.

Развитая стадия пожара (участок В-С) соответствует продолжительности времени, в течение которого все параметры, характеризующие развитие пожара (скорость выгорания, газообмен, концентрация продуктов сгорания, температура, тепловые потоки), имеют максимальные и практически постоянные значения. Развитая стадия характеризуется достаточно однородным распределением термодинами­ческих параметров по объёму помещения (в связи с сильной степенью перемеши­вания), незначительным отли­чием локальных характеристик от среднеобъёмных, что позволяет характеризовать её развитие интегральными параметрами.

В этот период сгорает 80-90% объёмной массы горючих материалов. Максимальная температура в помещении может достигать 900…1200°С в жилых и административных зданиях, 1400…1500°С – в промышленных и складских.

Затухающая стадия пожара (участок С-D) начинается с момента уменьшения скорости выгорания пожарной нагрузки и заканчивается моментом достижения исходного значения среднеобъемной температуры. Тепловыделение и средняя температура газовой среды в очаге пожара уменьшаются, однако в начале этой стадии остаются ещё достаточно высокими и оказывают значительное тепловое воздействие на конструкции. На конечной стадии завершается процесс горения (в виде медленного тления) и постепенно снижается температура. По причине инерционности прогрева железобетонные конструкции (прежде всего, колонны) иногда исчерпывают огнестойкость именно в затухающей стадии пожара.

Продолжительность объёмного пожара t_п – интервал времени от начала развивающейся стадии пожара до момента, когда скорость выгорания пожарной нагрузки начинает уменьшаться (до начала затухающей стадии пожара). Статистика показывает, что в общественных зданиях t_п ≈ 0,3 ч; в жилых t_п ≈ 0,5 ч; в административных t_п = 0,5…0,75 ч; в складских помещениях t_п = 0,75…1 ч, а иногда и более.

Продолжительность и максимальная температура объёмного пожара зависит от условий горения пожарной нагрузки, в зависимости от которых объёмные пожары подразделяются на пожары, регулируемые нагрузкой (ПРН) и пожары, регулируемые воздухообменом (ПРВ).

В условиях ПРН горение происходит при достаточном количестве (вернее, избытке) воздуха (окислителя) и скорость выгорания главным образом зави­сит от вида, расположения и количества пожарной нагрузки, в меньшей степени – от характера газообмена очага пожара с окружающей средой, и пропорциональна площади горе­ния. Для ПРН характерно горение преимущественно в объ­ёме помещения. Температура интенсивно растёт в стадии развития и сравнительно быстро снижается в стадии затухания. Максимальная температура среды оказывается достаточно высокой, но продолжительность пожара t_п невелика.

В условиях ПРВ горение пожарной нагрузки происходит при недостатке воздуха, а скорость выго­рания пропорциональна количеству поступающего в объём помещения окислителя. При недостатке окислителя в очаге пожара возможно догорание продуктов горения за предела­ми помещения. Ограниченный воздухообмен приводит к уменьшению скорости развития и затухания пожара, снижению максимальной температуры среды и увеличению продолжительности пожара t_п.

Вид объёмного пожара зависит от объёма помещения, отношения площади проёмов к площади пола, вида и количества пожарной нагрузки. Если величина пожарной нагрузки не превышает некоторое критическое значение для данного помещения, то в нём следует ожидать ПРН, если превышает, то ПРВ. Каждому виду пожара соответствует свой закон изменения скорости выгорания пожарной нагрузки.

При сохранении постоянного значения площади проёмов в помещении, но уменьшении пожарной нагрузки продолжительность пожара и его максимальная температура будут уменьшаться, ПРВ перейдёт в ПРН, а при достижении пожарной нагрузки некоторого минимального количества её станет недостаточным для перехода локального пожара в объёмный (рис. 1.1, а). Если в помещении с заданной величиной пожарной нагрузки уменьшать площадь проёмов, то продолжительность пожара будет увеличиваться, а его максимальная температура – снижаться, ПРН постепенно перейдёт в ПРВ (рис. 1.1, б).

В поме­щениях небольших размеров продолжительность НСП t_НСП оказывается намного меньше продолжительности объёмного пожара t_п. К таким по­мещениям в первую очередь относятся помещения жилых, админист­ративно-хозяйственных зданий, помещения лечебных учреждений, гостиничных комплексов и им подобных объёмом менее 10⁴ м ³. Для огнестойкости конструкций в этих помещениях существенным является объёмный пожар.

В помещениях больших объёмов (зальные помещения общественных зданий, производствен­ные цеха и т.д.) продолжительность НСП t_НСП, как правило, сопоставима с продолжительностью объёмного пожара t_п, и вопрос об огнестойкости конструкций может решаться как на стадии объёмного пожара, так и на НСП.

Распространение пожара. Развитие пожара в помещении происходит в результате постепенного распространения огня по конструкциям, материалам отделки и оборудованию, находящимся в помещении. Определяющую роль в этом процессе играют воспламеняемость материалов и их способность распространять пламя по поверхности. По непрерывной поверхности горючего материала распространение пламени происходит с конечной скоростью, которая определяется скоростью нагрева ещё не горящих участков поверхности и интенсивностью выделения сгораемых продуктов процесса термического разложения материалов.

Теплообмен между фронтом горения и поверхностью материалов осуществляется всеми тремя механизмами передачи тепловой энергии: конвекцией, излучением и теплопроводностью. Если нагреваемые предметы выполнены из горючих материалов, то при нагреве их поверхности до температуры самовоспламенения происходит распространение огня по предметам, находящимся на некотором расстоянии друг от друга. При этом образуются изолированные очаги, непосредственно не связанные с основной зоной горения.

Распространение пожара в здании (рис. 1.2) может происходить при переходе пламени и продуктов горения через проёмы (оконные, дверные, технологические); по коммуникациям, шахтам; по поверхностям, распространяющим пламя; в результате исчерпания огнестойкости конструкций; по пустотам в конструкциях, местам некачественной заделки стыков и трещинам; по фасаду здания.

 

е)

г)

д)

в)

б)

а)

 

 

Рис. 1.2. Варианты возможного распространения пожара в здании [17]: а – через дверные проёмы, б – через наружные проёмы, в – в результате прогрева конструкций или появления в них трещин, г – по стыкам и коммуникациям, д – по горючему утеплителю и пустотам в конструкциях, е – в результате обрушения конструкций

 

Распространение пожара между зданиями может происходить в результате взрыва, теплового излучения пламени горящего здания, переброса на значительные расстояния искр и горящих конструктивных элементов.

Пожарные риски

Все здания и сооружения обладают некоторой пожарной опасностью, характеризуемой возможностью возникновения и развития пожара, а также воздействия на людей и имущество опасных факторов пожара (ч. 22 ст. 2 [2]).

Пожарная безопасность объекта защиты(зданий, имущества) ­– состояние объекта защиты, характеризуемое возможностью предотвращения возникновения и развития пожара, а также воздействия на людей и имущество опасных факторов пожара (ч. 20 ст. 2 [2]).

Обеспечение пожарной безопасности является одной из важнейших функций государства [3].

Количественной характеристикой возможности реализации пожарной опасности и ее последствий для людей и материальных ценностей является пожарный риск (ч. 28 ст. 2 [2]).

Обеспечить абсолютную безопасность невозможно, но риск можно уменьшить до некоторого приемлемого (допустимого) уровня, обоснованного исходя из социально-экономических условий. Обеспечение безопасности в этом случае рассматривается как управление рисками. Каждый из аспектов пожарной опасности характеризуется соответствующим значением пожарного риска. Различают риски возникновения пожаров, их развития, перерастания в крупные (или катастрофические) пожары и риски различных последствий пожаров – гибель и травмирование людей, уничтожение материальных и культурных ценностей[1].

Индивидуальный пожарный риск – пожарный риск, который может привести к гибели человека в результате воздействия опасных факторов пожара (ч. 9 ст. 2 [2]).

Социальный пожарный риск ­– степень опасности, ведущей к гибели группы людей в результате воздействия опасных факторов пожара (ч. 43 ст. 2 [2]).

Как показывает мировая пожарная статистика, в России риск гибели человека при пожаре выше, чем в других странах (табл. 1.2, 7-я колонка).

Таблица 1.2

Мировая пожарная статистика (2002-2006 г.) [2]

№	Страна	Население, тыс. чел.	Среднее число пожаров	Среднее число жертв
в год	на 1000 чел. в год	в год	на 100 000 чел. в год	на 100 пожаров в год
	Китай	1 321 852	251 786	0,19	2 206	0,17	0,18
	Индия	1 129 866	200 000	0,18	8 500	0,75	4,25
	США	301 140	1 613 400	5,36	3 625	1,2	1,2
	Россия	141 378	236 698	1,67	18 759	13,27	13,16
	Япония	127 434	*	*	2 217	1,74	3,41
	Филиппины	91 077	9 877	0,11		0,27	2,5
	Вьетнам	85 262	2 154	0,03		0,11	0,11
	Германия	82 401	184 485	2,24		0,58	0,26
	Турция	71 159	59 618	0,84		0,48	0,48
	Франция	63 714		5,61		0,71	0,13
	Великобритания	60 776	489 942	8,06		0,87	0,11
	Италия	58 148	211 504	3,64		0,19	0,05
	Украина	46 300	53 546	1,16	3 909	8,44	7,3
	Южная Африка	42 880	51 620	1.20	1 817	4,24	3,52
	Польша	38 518	179 815	4,67		1,3	0,28
	Перу	28 675	7 445	0,26	*	*	*
	Узбекистан	27 780	15 295	0, 55		0,66	1,2
	Малайзия	24 821	27 012	1,09		0,25	0,23
	Тайвань		7 590	0,33		0,74	2,23
	Румыния	21 537	11 957	0,56		1,01	1,88
	Австралия	20 434	113 442	5,55		0,6	0,6
	Нидерланды	16 571	*	*		0,35	0,05
	Казахстан	15 285	17 340	1,13		3,43	3,03
	Греция	10 706	27 391	2,56		0,66	0,26
	Португалия	10 643	64 560	6,07		0,87	0,14
	Чехия	10 229	19 369	1,89		1,0	0,53
	Сербия	10 150	16 334	1,61		0,14	0,09
	Венгрия	9 956	24 897	2,50		1,55	0,62
	Беларусь	9 725	11 916	1,23	1 222	12,57	10,25
	Швеция	9 031	26 772	2,96		1,16	0,39
	Австрия	8 200	32 204	3,93		0,51	0,13
	Швейцария	7 555	15 126	2,00		0,45	0,22
	Болгария	7 323	12 585	3,08		1,41	0,46
	Таджикистан	7 077	1 272	0,18		0,48	2,67
	Лаос	6 522		0,02		0,12	6,78
	Иордания	6 053	9 867	1,63		0,62	0,37
	Дания	5 468	16 626	3,04		1,5	0,49
	Словакия	5 448	11 978	2,20		0,96	0,43
	Финляндия	5 239	14 757	2,82		2,01	0,72
	Норвегия	4 628	12 826	2,77		1,28	0,46
	Сингапур	4 553	4 828	1,06		0,05	0,04
	Хорватия	4 493	8 039	1,79		0,82	0,49
	Молдова	4 321	2 623	0,61		4,23	7,62
	Коста-Рика	4 134	10 126	2,45	*	*	*
	Новая Зеландия	4 116	22 524	5,47		0,84	0,15
	Ирландия	4 109	31 051	7,56		0,96	0,13
	Албания	3 601	1 827	0,51		0,37	0,71
	Литва	3 575	18 983	5,31		7,42	1,4
	Монголия	2 952	2 112	0,72		1,72	2,41
	Кувейт	2 506	4 775	1,91		0,24	0,13
	Латвия	2 260	12 050	5,33		10,58	1,98

* - данные не представлены, т.к. в рейтинг включены только первые 50 стран

 

Фактическое значение индивидуального пожарного риска определяется делением числа жертв пожара в течение года на численность населения страны; для нашей страны

, или 13,27 на 100 000 чел. в год,

что более чем в 100 раз превышает значение допустимого (приемлемого) индивидуального пожарного риска, который составляет, согласно ч. 1 ст. 79 [2], 1·10^-4 в течение года.