МІНІСТЕРСТВО УКРАЇНИ З ПИТАНЬ НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЙ

ТА У СПРАВАХ ЗАХИСТУ НАСЕЛЕННЯ ВІД НАСЛІДКІВ

ЧОРНОБИЛЬСЬКОЇ КАТАСТРОФИ

УКРАЇНСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ ПОЖЕЖНОЇ БЕЗПЕКИ

ЗГУРЯ В‘ЯЧЕСЛАВ ІВАНОВИЧ

УДК 614.841.332/.34

Удосконалення системи визначення

пожежонебезпечних властивостей речовин,

матеріалів та будівельних конструкцій

21.06.02 – пожежна безпека

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському науково-дослідному інституті пожежної безпеки (УкрНДІПБ) МНС України (м. Київ).

Науковий керівник: | кандидат технічн кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Харченко Ігор Олександрович, Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки МНС України, провідний науковий співробітник науково-дослідного центру управління якістю досліджень та випробувань.

Офіційні опоненти:    | доктор технічних наук, професор Круковський Павло Григорович, Інститут технічної теплофізики НАН України, завідувач відділом моделювання процесів тепломасообміну;

кандидат технічних наук, доцент Юзьків Тарас Богданович, Львівський державний університет безпеки життєдіяльності МНС України, начальник факультету пожежної та техногенної безпеки.

Захист відбудеться “14” грудня 2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.720.01 в Українському науково-дослідному інституті пожежної безпеки (УкрНДІПБ) МНС України за адресою: 01011, м. Київ, вул. Рибальська,18.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Українського науково-дослідного інституту пожежної безпеки (УкрНДІПБ) МНС України за адресою: 01011, м. Київ, вул. Рибальська, 18.

Автореферат розісланий “12” листопада 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

к.т.н., с.н.с. А.В. Антонов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Статистичні дані про пожежі та їх наслідки свідчать, що за період з січня 1991 року до вересня 2007 року в Україні виникло 344270 пожеж, внаслідок яких загинуло 46629 осіб. Щорічна загибель людей на пожежах у порівнянні з 1970 роком зросла у 15 разів і у розрахунку на 1 млн. населення в Україні перевищує такий же показник у провідних країнах світу в 2-8 разів. Такий стан з пожежами обумовлює необхідність пошуку адекватних дій, в першу чергу спрямованих на зменшення кількості загиблих на пожежах. Аналіз пожеж показує, що причинами багатьох з них є вироби, які в Україні раніше не використовувалися, в тому числі і закордонного виробництва. Через використання недосконалих методів та отримання невірогідних результатів випробувань пожежонебезпечні вироби потрапляють на ринок України і відповідно стають причинами виникнення пожеж.

Законом України “Про пожежну безпеку” (ст. 10) встановлено заборону щодо застосування в будівництві та виробництві матеріалів і речовин, на які немає даних щодо їх пожежної небезпеки. Впровадження в Україні Законів “Про підтвердження відповідності”, “Про акредитацію органів з оцінки відповідності”, “Про стандарти, технічні регламенти та процедури підтвердження відповідності”, а також державних будівельних норм ДБН В.1.1-7-2002 Пожежна безпека об’єктів будівництва створило передумови для функціонування системи визначення пожежонебезпечних властивостей речовин, матеріалів, вогнестійкості будівельних конструкцій, а також показників якості продукції протипожежного призначення (далі – Система). Ця Система базується на трьох складових - вимогах та критеріях застосування виробів та матеріалів, що викладені в національних і міждержавних стандартах (ДСТУ та ГОСТ), державних будівельних нормах (ДБН та СНиП), правилах пожежної безпеки тощо; методах визначення (випробувань), що викладені в національних і міждержавних стандартах (ДСТУ та ГОСТ); комплексі науково-технічних та організаційних заходів, методів і засобів, що спрямовані на забезпечення єдності випробувань.

Через недосконалість Системи, коли під час випробувань одних і тих же об‘єктів (речовин, матеріалів, виробів, будівельних конструкцій тощо) будуть встановлюватися різні класифікаційні характеристики або будуть робитися протилежні висновки щодо їх відповідності вимогам нормативних документів, ефективність її функціонування різко знижується, що негативно впливає на стан пожежної безпеки.

Удосконалення таких складових Системи, як методи випробувань, управління якістю їх проведення, а також забезпечення єдності випробувань у сфері пожежної безпеки є актуальною науково-технічною задачею, розв‘язання якої сприятиме підвищенню ефективності протипожежного захисту об‘єктів в Україні.

Зв‘язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилися в рамках Державної програми забезпечення пожежної безпеки на період до 2010 року, затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України від 01.06. 2002 року № 870, під час виконання науково-дослідних робіт за такими темами:

- “Провести дослідження та розробити методичні рекомендації щодо розрахунку невизначеності вимірювань за методиками випробувань, що впроваджені в УкрНДІПБ, відповідно до вимог ДСТУ ISO/IEC 17025-2001” (державний реєстраційний №0106U004660).

- “Провести дослідження методичних підходів до організації і проведення міжлабораторних порівняльних випробувань та розробити проект методичних рекомендацій щодо їх проведення у сфері пожежної безпеки” (державний реєстраційний № 0105U003608).

- “Розробити проект державного стандарту України Захист від пожежі. Балки. Метод випробування на вогнестійкість” (державний реєстраційний № 0103U005847).

- “Розробити проект державного стандарту України Захист від пожежі. Колони. Метод випробування на вогнестійкість” (державний реєстраційний № 0104U000544).

- “Розробити проект державного стандарту України Захист від пожежі. Вогнезахисні покриття для будівельних несучих металевих конструкцій. Метод визначення вогнезахисної здатності” (державний реєстраційний № U008593).

Мета роботи – удосконалення системи визначення пожежонебезпечних властивостей речовин, матеріалів, вогнестійкості будівельних конструкцій, показників якості продукції протипожежного призначення шляхом забезпечення єдності випробувань за рахунок поліпшення методології проведення та оцінювання результатів випробувань у сфері пожежної безпеки.

Задачі дослідження. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

- провести аналіз системи визначення пожежонебезпечних властивостей речовин, матеріалів, вогнестійкості будівельних конструкцій, показників якості продукції протипожежного призначення в Україні, методів оцінювання результатів порівняльних випробувань, критеріїв однорідності зразків, невизначеності вимірювань, забезпечення єдності випробувань та виявити шляхи удосконалення цієї Системи;

- розробити програму та експериментально визначити групу горючості твердих матеріалів, вогнестійкість будівельних конструкцій в різних лабораторіях та провести порівняльний аналіз їх результатів із застосуванням методів оцінювання, передбачених діючими у Системі нормативними документами;

- оцінити придатність застосування статистичних характеристик та критеріїв, передбачених міжнародними нормативними документами (ISO/IEC Guide 43-1; ISO 5725-2), для порівняння отриманих результатів з визначення різними лабораторіями групи горючості твердих речовин і матеріалів та межі вогнестійкості будівельних конструкцій;

- провести теоретичні дослідження щодо коректності застосування критерію Граббса для виявлення викидів або квазівикидів за результатами випробувань трьох однорідних зразків;

- на підставі теоретичних та експериментальних досліджень оцінити невизначеність результатів випробувань з визначення індексу поширення полум‘я горючих твердих матеріалів, визначення маси погонного метра напірного пожежного рукава, запропонувати критерії оцінки однорідності зразків за показниками якості та пожежної небезпеки, а також розробити алгоритми їх визначення;

- розробити узагальнений алгоритм і методику оцінювання результатів порівняльних випробувань;

- за результатами теоретичних та експериментальних досліджень удосконалити систему визначення пожежонебезпечних властивостей речовин, матеріалів, вогнестійкості будівельних конструкцій, показників якості продукції протипожежного призначення шляхом впровадження в нормативні документи вимог щодо методології проведення і оцінювання результатів порівняльних випробувань, а також методів випробувань у сфері пожежної безпеки.

Ідея роботи полягає у підвищенні ефективності протипожежного захисту об‘єктів в Україні шляхом удосконалення таких складових системи визначення пожежонебезпечних властивостей речовин, матеріалів, вогнестійкості будівельних конструкцій, показників якості продукції протипожежного призначення, як методи випробувань, методологія проведення та оцінювання результатів порівняльних випробувань, а також забезпечення єдності випробувань у сфері пожежної безпеки.

Об‘єктом досліджень є система визначення пожежонебезпечних властивостей речовин, матеріалів, вогнестійкості будівельних конструкцій, показників якості продукції протипожежного призначення.

Предметом досліджень є вплив методології проведення випробувань та оцінювання їх результатів на ефективність функціонування системи визначення пожежонебезпечних властивостей речовин, матеріалів, вогнестійкості будівельних конструкцій, показників якості продукції протипожежного призначення.

Методи досліджень. У роботі використано комплексний метод дослідження, що включав аналіз існуючої нормативної бази і літературних джерел щодо випробувань у сфері пожежної безпеки, експериментальні визначення показників пожежної небезпеки твердих горючих матеріалів, будівельних конструкцій (група горючості, індекс поширення полум‘я, коефіцієнт димоутворення, вогнестійкість) та показників якості пожежних напірних рукавів, пожежних сповіщувачів із застосуванням стандартизованих методів випробувань, чисельний моделюючий експеримент, а також застосування статистичних характеристик та критеріїв для оцінювання результатів випробувань.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується застосуванням методів теорії математичної статистики для оброблення і аналізу результатів експериментів, використанням методів випробувань, що регламентуються чинними в Україні стандартами, необхідним обсягом експериментальних досліджень, використанням атестованого випробувального обладнання та повірених засобів вимірювальної техніки, а також апробацією і практичним впровадженням отриманих результатів.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Набула подальшого розвитку методологічна база системи визначення пожежонебезпечних властивостей речовин, матеріалів, вогнестійкості будівельних конструкцій, показників якості продукції протипожежного призначення щодо забезпечення єдності випробувань у сфері пожежної безпеки, яка полягає в удосконаленні оцінювання результатів порівняльних випробувань у сфері пожежної безпеки під час проведення руйнівних випробувань, за відсутності стандартних зразків з приписаними значеннями, із застосуванням статистичних критеріїв Граббса, Фішера та Стьюдента. При цьому вперше визначено особливість застосування критерію Граббса для виявлення викидів і квазівикидів за результатами випробувань трьох зразків.

2. Вперше на підставі експериментальних результатів з визначення індексу поширення полум’я твердих горючих матеріалів (лінолеуми, пластики, покриття для підлоги, деревина, вогнезахищена деревина тощо) оцінено невизначеність результатів випробувань і визначено критерії однорідності зразків у сфері пожежної безпеки, а також розроблено алгоритми її оцінки. При цьому зразки визнають однорідними за умови uCA/uCB?1/2 або за умови несуттєвого розходження як дисперсій, так і середніх значень результатів повторних випробувань для матеріалів з найменшим значенням відношення uCA/x.

3. Вперше за результатами експериментальних досліджень з визначення індексу поширення полум’я, групи горючості та коефіцієнтів димоутворення твердих горючих матеріалів встановлено, що зразки, однорідні за одним показником пожежної небезпеки, можуть бути неоднорідними за іншими показниками. Це обумовлює обов‘язковість застосування процедури оцінювання однорідності зразків за кожним показником пожежної небезпеки, що унеможливить прийняття помилкових рішень при класифікації продукції.

Практичне значення отриманих результатів полягало у їх використанні під час розроблення і впровадження трьох національних стандартів ДСТУ Б В.1.1-13-2007 (EN 1365-3: 1999, NEQ) Захист від пожежі. Балки. Метод випробування на вогнестійкість, затверджений наказом Мінрегіонбуду 22 червня 2007 року за № 64; ДСТУ Б В.1.1-14-2007 (EN 1365-4: 1999, NEQ) Захист від пожежі. Колони. Метод випробування на вогнестійкість, затверджений наказом Мінрегіонбуду 22 червня 2007 року за № 63; ДСТУ Б В.1.1-17-2007 (EN 13381-4: 2002, NEQ) Захист від пожежі. Вогнезахисні покриття для будівельних несучих металевих конструкцій. Метод визначення вогнезахисної здатності, затверджений наказом Мінрегіонбуду 22 червня 2007 року за № 65 та Інструкції з проведення міжлабораторних порівняльних випробувань у сфері пожежної безпеки, що затверджена наказом МНС України від 27 серпня 2007 року за № 581 і погоджена з Національним агентством з акредитації України (лист від 08 серпня 2007 р. за № 1-10/2-838).

Особистий внесок здобувача полягав у визначенні мети і завдання досліджень, аналізуванні літературних джерел, проведенні теоретичних та експериментальних досліджень з експериментального визначення показників пожежної небезпеки горючих твердих речовин і матеріалів, а також вогнестійкості будівельних конструкцій, встановленні придатності статистичних характеристик та критеріїв для оцінювання результатів випробувань, аналізуванні отриманих результатів досліджень, виявленні критеріїв однорідності зразків, розробленні інструкції та участі у розробленні трьох національних стандартів.

Апробація результатів досліджень. Основні результати дисертаційних досліджень доповідалися на:

- V Міжнародній науково-практичній конференції “Пожежна безпека - 2001” (Львівський інститут пожежної безпеки МВС України, м. Львів, 2001 р.);

- ІІІ Міжнародній науково-практичній конференції “Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация” (м. Мінськ, 2005 р.);

-ІІІ Науково-практичній конференції рятувальників “Проблеми зниження ризику виникнення надзвичайних ситуацій в Україні” (м. Київ, 2006 р.);

- ІV Міжнародному симпозіумі “Исследования и сертификация в противопожарной охране в странах Центральной и Восточной Европы” (CNBOP, м. Юзефов (Польща), 2006 р.);

- Міжнародній науково-практичній конференції “Безпекотворення: питання теорії і практики та правові аспекти” (Європейський Університет, м. Київ, 2007р.);

- VІ Міжнародній науково-методичній конференції “Безпека життя і діяльність людини – освіта, наука, практика” (Національний авіаційний університет, м. Київ, 2007 р.);

- Міжнародній науково-практичній конференції “Комп‘ютерні системи в автоматизації виробничих процесів” (Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, 2007 р.);

- ІV Міжнародній науково-практичній конференції “Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация” (м. Мінськ, 2007 р.);

- науково-технічному семінарі “Невизначеність вимірювань: наукові, прикладні, нормативні та методичні аспекти” (Харківський національний університет радіоелектроніки, ННЦ “Інститут метрології”, ДП “Харківстандартметрологія”, м. Харків, 2007 р.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 15 наукових робіт, із яких 10 у виданнях, що внесені до переліку ВАК України, та тези 5 доповідей на науково-практичних конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п‘яти розділів і загальних висновків, списку використаних літературних джерел з 127 найменувань, містить 245 сторінок друкованого тексту, 19 таблиць, 116 ілюстрацій та 3 додатки.

У ВСТУПІ обґрунтовано вибір та актуальність теми дослідження, сформульовано мету роботи, задачі досліджень, визначено наукову новизну, особистий внесок здобувача та практичне значення роботи, надано відомості про апробацію та публікації результатів досліджень.

У першому розділі надано аналіз літературних даних і нормативних документів, що стосуються Системи визначення пожежонебезпечних властивостей речовин, матеріалів, вогнестійкості будівельних конструкцій та показників якості продукції протипожежного призначення. Показано, що Система базується на трьох складових - вимогах та критеріях застосування виробів та матеріалів, що викладені в національних і міждержавних стандартах (ДСТУ та ГОСТ), державних будівельних нормах (ДБН та СНиП), правилах пожежної безпеки тощо; методах визначення (випробувань), що викладені в національних і міждержавних стандартах (ДСТУ та ГОСТ); комплексі науково-технічних та організаційних заходів, методів і засобів, що спрямовані на забезпечення єдності випробувань.

Показано, що удосконалення Системи повинно бути спрямовано на зменшення ймовірності виникнення пожеж та загибелі людей на них. В основі цього удосконалення може бути концепція щодо зменшення ризиків пожеж шляхом встановлення науково-обґрунтованих вимог до матеріалів, виробів, будівельних конструкцій, продукції протипожежного призначення та критеріїв їх застосування, а також удосконалення методів визначення показників та забезпечення єдності випробувань у сфері пожежної безпеки. На прикладі функціонування Системи для забезпечення пожежної безпеки пасажирських вагонів показано, що для застосування в них матеріалів необхідно визначити групу горючості; коефіцієнт димоутворення; індекс поширення полум’я; показник токсичності газоподібних продуктів горіння; групу поширення полум’я. Одним із критеріїв використання матеріалів у вагонах є заборона застосувати горючі матеріали. Дозволяється застосовувати тільки важкогорючі і негорючі матеріали. Проаналізовано небезпеки, які виникають при помилковій класифікації матеріалів. Показано, що Система не буде функціонувати за умов, коли не забезпечується відтворюваність результатів випробувань і можлива помилкова класифікація матеріалів.

Одним із інструментів забезпечення єдності випробувань і відповідно підтвердження точності, відтворюваності і (чи) вірогідності результатів випробувань, є міжлабораторні порівняння. Узагальнені вимоги щодо їх організації та проведення полягають у визначені схеми проведення випробувань, документуванні підтвердження однорідності зразків; наявності та врахуванні заявлених кожною залученою лабораторією невизначеності вимірювань, застосуванні процедури перевірки результатів на наявність викидів, застосуванні статистичних методів для оцінювання результатів, залучення експертів тощо.

Показано, що для оцінювання результатів міжлабораторних порівнянь можуть бути застосовані такі статистичні характеристики та критерії:

- різниця: xi-X, (1)

де xi – результат -го учасника;

X – приписане значення;

- процентна різниця: ((xi-X)/X)100%; (2)

- показник z: z=(xi-X)/S, (3)

де  – приписане значення оцінки середньоквадратичного відхилення;

- числа En: En= (x-X)/ (U2lab + U2lref )1/2, (4)

де Ulab – невизначеність результату учасника;

Uref – невизначеність приписаного значення базової лабораторії;

- критерій Кохрена: , (5)

де  – найбільше з порівнюваних значень оцінок дисперсій результатів випробувань у всіх лабораторіях;  – 

значення оцінки дисперсії результатів випробувань -ої лабораторії.

- критерій Граббса: Gmax=(Xmax-x)/S та Gmin=(Xmin-x)/S, (6)

де Xmax та Xmin – відповідно найбільше та найменше значення результатів -ої лабораторії;

x – середнє значення -ої лабораторії;

S – значення оцінки середньоквадратичного відхилення результатів випробувань -ої лабораторії.

- критерій Фішера: F=S2max/ S2min, (7)

де S2max та S2min – відповідно найбільше та найменше значення з порівнюваних оцінок дисперсій лабораторій;

- критерій Стьюдента: (8)

або , (9)

де n – кількість випробувань.

Вирази (1-4) наведено у настанові ISO/IEC Guide 43-1:1997, вирази (5, 6) у ISO 5725-2:1997 та вирази (7-9) у літературних джерелах.

Виявлено, що система може бути удосконалена за результатами досліджень з визначення придатності статистичних методів для оцінювання результатів випробувань, критеріїв однорідності зразків, невизначеності вимірювань, удосконалення методів випробування та якості їх проведення.

Проведений аналіз дозволив сформулювати мету та задачі досліджень дисертаційної роботи.

У ДРУГОМУ розділі проведено оцінювання придатності статистичних характеристик та критеріїв для міжлабораторних порівнянь на прикладі досліджень з визначення групи горючості, межі вогнестійкості будівельних конструкцій, визначення маси погонного метра пожежного рукава та індексу поширення полум’я. В дослідженнях з визначення групи горючості пластифікованої плівки для пасажирських вагонів приймало участь 12 лабораторій. Базовою була лабораторія 5.

Відповідно до п.4.3 ГОСТ 12.1.044-89 при проведенні випробувань визначають максимальний приріст температури газоподібних продуктів горіння (ДT), втрату маси зразка(Дm) та час досягнення максимальної температури газоподібних продуктів горіння (t). За результатами випробувань матеріали класифікують як: важкогорючі – ДT <60°С та Дm <60%; горючі – ДT °С чи Дm?60% . Горючі матеріали поділяють в залежності від t на: важкозаймисті – t>240 с; середньої займистості – 30?t?240с; легкозаймисті – t<30с. На рис. 1-3 наведено результати, які отримано учасниками міжлабораторних порівняльних випробувань.

Рис. . Результати визначення різними лабораторіями максимальної температури газоподібних продуктів горіння пластифікованої плівки.

Рис. . Результати визначення різними лабораторіями втрати маси зразків пластифікованої плівки.

Рис. . Результати класифікації пластифікованої плівки учасниками міжлабораторних порівняльних випробувань.

Діапазон зміни максимальної температури газоподібних продуктів горіння (рис. 1) становить від 170 °С до 320 °С. Перевищення критичної температури газоподібних продуктів горіння 260 °С отримали чотири учасники міжлабораторних порівняльних випробувань (учасники , , 11, 12).

Найменша втрата маси зразка (рис. 2) складає – 20,5%; найбільша – 80,7%.

Результати класифікації пластифікованої плівки, відповідно до отриманих результатів за максимальною температурою газоподібних продуктів горіння, втратою маси зразків та за досягненням максимальної температури, наведено на рис. .

Таким чином, серед 8-ми лабораторій, у яких за результатами випробувань ДT<60°С, 5 лабораторій класифікували плівку як важкогорючий матеріал (критерії ДT<60°С і Дm<60°С %), 2 лабораторії – як горючий легкозаймистий (критерії Дm>60%, t<30с) і 1 лабораторія – як горючий важкозаймистий (критерії Дm>60%%, t>240с).

У 4-х лабораторіях (№№ 9–12) під час випробувань температура перевищила 260°С (ДT>60°С) і вони класифікували плівку як горючий легкозаймистий матеріал (критерії ДT>60°С, t>30с). Наведені на рис. дані свідчать про суттєву відмінність між результатами випробувань, що підтверджується результатами застосування статистичних характеристик та критеріїв (табл. ).

Таблиця 1

Зведені результати учасників випробувань пластифікованої плівки та оцінка їх з застосуванням статистичних характеристик і критеріїв

Назва характерис-тики або критерію | Номер лабораторії | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | різниця | ДTєC | -46,7 | -35,0 | -26,7 | -5 | базова лабораторія | 0,3 | 8.3 | 16,3 | 55,7 | 63,7 | 71,7 | 83,3 | Дm% | -26,1 | -29,2 | 4,1 | 4,6 | -25,3 | -15,9 | -39,5 | 5,3 | 0,6 | -50,2 | -10,8

процентна різниця | ДTєC | -20,7 | -0,2 | -11,8 | -2,2 | 0,1 | 3,7 | 7,2 | 24,7 | 28,3 | 31,8 | 37,0 | Дm% | -56,1 | -62,6 | 8,8 | 9,9 | -54,4 | -34,2 | -84,7 | 11,4 | 1,4 | -68,2 | -23,.2 | критерій С | ДTєC | - | - | - | - | - | - | - | - | - | + | - | Дm% | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | критерій G | ДTєC | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | Дm% | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | показник z | ДTєC | + | + | + | - | - | + | + | + | + | + | + | Дm% | + | + | + | + | + | + | + | + | - | + | + | критерій F | ДTєC | - | - | - | - | - | - | + | - | - | + | - | Дm% | + | + | - | - | - | - | - | - | - | - | - | критерій t | ДTєC | + | + | + | - | - | - | - | + | + | + | + | Дm% | + | - | - | - | - | - | + | - | - | + | + | Примітка: “+” - результати лабораторії суттєво відрізняються від результатів базової лабораторії; “-” - результати лабораторії суттєво не відрізняються від результатів базової лабораторії.

Дослідження вогнестійкості будівельних конструкцій за ДСТУ Б В.1.1__* проведено в трьох лабораторіях. Об’єктом дослідження були сталеві колони, облицьовані п’ятьма шарами гіпсокартону (середня товщина вогнезахисту – 70 мм). У кожній лабораторії випробовувалось по три зразки, які виготовлені за однією технологією та однією організацією. Переріз зразка зображено на рис. .

У лабораторії №1 (базовій) проводилися послідовно випробування двох та одного зразка, у лабораторії №2 проводилися три випробування по одному зразку і у лабораторії №3 одне випробування з трьома зразками одночасно. З формальних позицій усі три лабораторії забезпечили стандартний температурний
режим у вогневих печах (рис. 5 а та 6 а), який визначається залежністю:

Ts=345lg(8t+1)+20,

де: t – час, що відраховується від початку випробування, хв;

Ts – температура, яка відповідає часу t, °C.

На рис. 5 б та 6 б наведено залежності значень температур від часу за даними окремих термопар.

Граничним станом за ознакою втрати несучої здатності сталевих конструкцій є перевищення середньої температури металевого елемента зразка конструкції над його початковою температурою на 480 °С.

Рис. . Температурний режим в печі під час випробування у лабораторії 2 зразка № 1.

а) залежність середньої температури у вогневій печі від тривалості випробування;

б) залежності температур за даними кожної термопари від тривалості випробування;

1 – стандартний температурний режим; 2 – мінімальна допустима межа;

3 – максимальна допустима межа; 4 – середня температура в печі під час випробувань.

Рис. . Температурний режим в печі під час випробування у лабораторії 3 зразків № 1, № 2 та № 3. (Позначення відповідають рис. ).

Рис. . Залежності температури металевих елементів зразків від тривалості випробувань.

а) – дані лабораторії 1; б) – дані лабораторії 3.

Номерами вказані залежності відповідних зразків;

1 – середня температура металевого елемента зразка; 2 – критична температура;
3 – час досягнення критичної температури зразка (tmes); 4 – початок ізотермічної ділянки (tп);
5 – закінчення ізотермічної ділянки (tk); 6 – найменший час досягнення критичної температури.

Результати, які отримано учасниками міжлабораторних порівняльних випробувань, наведено на рис. .

Рис. . Значення часу досягнення критичної температури (tmes) однаковими зразками сталевих колон, отриманих різними лабораторіями.

За результатами застосування статистичних критеріїв було виявлено суттєву розбіжність за критерієм Фішера між результатами 1 і 3 та 2 і 3 лабораторій. За критерієм Стьюдента суттєво відрізняються результати 1 і 2 та 1 і 3 лабораторій.

Для ілюстрації відмінностей між отриманими результатами випробувань на рис. 9 представлені змодельовані (табл. ) залежності розподілів густини ймовірностей для кожної лабораторії.

На прикладі визначення маси погонного метра m пожежного рукава за ДСТУ 3810-98 та індексу поширення полум’я I за ГОСТ 12.1.044-89 проаналізовано можливість застосування критерію (4) для аналізування результатів міжлабораторних порівнянь. Якщо припустити, що обидві лабораторії мають однакову невизначеність результатів випробування, то за умови En<1 отримаємо, що максимальна різниця між результатами повинна становити: m1-m2? та I1_I2?U0,95(I)

Таблиця 2

Основні параметри розподілів густини ймовірностей результатів випробувань

Параметр, хв | Лабораторія

1 (базова) | 2 | 3

tmes | 154,667 | 168 | 190,333

S | 2,887 | 1 | 15,011

tmes -2S | 148,893 | 166 | 160,311

tmes +2S | 160,440 | 170 | 220,356

tmes -3S | 146,006 | 165 | 145,300

tmes +3S | 163,327 | 171 | 235,367

Розширена невизначеність маси погонного метра рукава U0,95(m) для рівня довіри p=0,95 визначається як , де u(L) та u(M) – стандартні невизначеності результатів вимірювання довжини та маси рукава.

Сумарна стандартна невизначеність результату випробування з визначення індексу поширення полум’я, обумовлена одночасним впливом всіх факторів, оцінюється за виразом , а розширена невизначеність для рівня довіри p=0,95 може бути розрахована як , де – ефективне число ступенів свободи. Сумарна стандартна невизначеність за типом А – , за типом В – . Коефіцієнти впливу визначалися як часткові похідні.

Встановлено, що для маси погонного метра кг/м і відповідно кг/м. Для індексу поширення полум’я встановлено, що U0,95(I) зростає зі збільшенням I (рис. 10) і відповідно зростає максимально допустима різниця між результатами випробувань двох лабораторій (табл. 3).

Таблиця. 3.

I | 2,01 | 19,1 | 47,6 | 62 | 84 | 119

I1-I2 | 0,57 | 1,84 | 5,52 | 17,0 | 18,4 | 36,8

Трудомісткість розрахунку невизначеності результатів вимірювання та випробування типу В, а отже і повної невизначеності, ускладнюють використання критерію En. Для ряду методик в сфері пожежної безпеки U0,95 неможливо визначити (EN :1999).

Результати застосування критеріїв “різниця”, “процентна різниця” та z-критерій можуть бути використані експертами як додаткова інформація. Показана принципова можливість застосування критерію En для аналізування результатів міжлабораторних порівнянь у випадках, коли може бути оцінена невизначеність U0,95 результатів випробувань. Критерії Фішера та Стьюдента виявилися найбільш чутливими для оцінювання результатів порівняльних випробувань і можуть застосовуватись за відсутності стандартних зразків з приписаними значеннями. За результатами застосування критерію Граббса для внутрішньолабораторної перевірки результатів випробувань виявлено викиди у двох лабораторіях, які визначали групу горючості, та в одній лабораторії - за результатами випробувань на вогнестійкість. В усіх трьох випадках критерій Граббса визначав одне значення як викид, коли два інших значення з трьох були однакові.

У ТРЕТЬОМУ РОЗДІЛІ наведено результати чисельного моделювання з визначення викидів і квазівикидів за трьома (n = 3) результатами випробувань з застосуванням критерія Граббса. Практика застосування критерію Граббса показала, що для однієї сукупності наявних даних критерій “не реагував” на перевищення температури по відношенню до початкової в сотні градусів, а в інших випадках при незначних перевищеннях температури “реагував” як на викид. За абсолютними значеннями температури, отриманими під час випробувань, матеріал відносять до відповідної групи горючості. Тому важливо, щоб рішення, які приймаються за критерієм Граббса, відповідали фізичному сенсу і не приводили до хибної класифікації матеріалу.

Для аналізу механізму визначення викидів за критерієм Граббса представимо вираз (6) таким чином:

?та?, (10)

де і  – критичні значення температури, за якими результат визнається як викид або квазівикид. Критичні значення Gкр для 1_го (викид) і 5_го (квазівикид) рівня статистичної значущості однакові та дорівнюють 1,155.

Значення температури газоподібних продуктів горіння (у нашому випадку це один з критеріїв класифікації матеріалу), які можуть бути визнані викидом, залежать від середнього значення температури (Tср), середньоквадратичного відхилення (S) та кількості наявних результатів випробувань (n). Для 3-х результатів випробувань .

У якості вихідних даних за результат випробувань було взято такі значення температур: T1=252°С; T2=254°С; T3=253°С, для яких розраховано Gmax=1,0; Gmin=1,0; (Gmax<Gкр, 1,000 ,155). Тобто результати випробувань не містять викидів.

При проведенні моделюючого експеримента було зафіксовано значення T1 та T3, а T2 збільшували з кроком 1°С до тих пір, поки розрахований поточний коефіцієнт Граббса Gmax не досягне Gкр. Було встановлено, що при значенні T2=299°С та зафіксованих значеннях T1=252°С; T3=253°С розраховане поточне значення Gmax досягне Gкр=1,155.

Для оцінки чутливості було введено показник , як різницю значень та найменшого значення у вибірці T1, який характеризує розмах значень у вибірці.

Подальше дослідження проводилось за умови незмінного фіксованого значення T1=252°С і збільшені при кожному і-ому моделюючому експерименті різниці між T3 та T1. Отримані результати представлені на рис. 11. Тут та середнє значення та середньоквадратичне відхилення для і-го моделюючого експерименту, обчислені при , коли Gmax,i=Gкр.

Аналіз отриманих даних дозволив зробити висновок, що введений параметр є більш чутливим до наявних викидів та квазівикидів – має більшу крутизну залежності. Більше того, існують константи: та , де .

Встановлено співвідношення та , які схематично відображені на рис.12.

Як видно з наведених залежностей та їх графічного представлення (рис. 12), чутливість критерію Граббса залежить від абсолютної різниці температур між значеннями, які не відносяться до викиду. Чим більше ця різниця, тим більше при фіксованому T1 критичне значення максимального елементу, при якому критерій Граббса виявить наявність викиду. Крім того, існує закономірність, яка зв’язує різницю між крайніми елементами вибірки T1 і та різницю між сусідніми елементами T1 і . або .

Дійсно, наприклад, при °С (і ) різниця між °С та T1=252°С становить °С. При і °С, а °С і критичне значення, при якому критерій Граббса визнає викид, буде , хоча за фізичним сенсом викид можливо було виявити і раніше. Інший висновок буде у випадку, коли два значення рівні, тобто T1=T3. Тоді маємо, що R0 T3,0 – T1 і критерій Граббса будь-яке третє значення T2 , яке буде відмінне від T1 T3,0 , буде приймати за викид.

У ЧЕТВЕРТОМУ РОЗДІЛІ розглядається питання дослідження однорідності зразків у випадку як неруйнівних, так і руйнівних випробувань. Перевірка зразків на однорідність у випадку неруйнівних випробувань може бути проведена в одній лабораторії з використанням методів однофакторного дисперсійного аналізу. Для кожного із відібраних випадковим чином зразків визначається значення характеристики і одержують Nj результатів xij (де i = 1, , N  кількість зразків, j = 1, , J  кількість вимірювань кожного зразка).

Необхідно роздільно оцінити розсіяння, обумовлені неоднорідністю і випадковою похибкою вимірювань. Спочатку визначаються середні арифметичні значення для кожного зразка, тобто , i  1, …,Після цього знаходять загальне середнє, яке приймають за найкращу оцінку вимірюваної величини: .

Сума квадратів відхилень “між зразками” Q1, характеризує ступінь розходження між зразками, тобто їх неоднорідність (це так зване “розсіяння за досліджуваним фактором”): . На основі цієї суми розраховують оцінку (дисперсію) розходжень між зразками: . Ця оцінка має f1 – ) ступенів свободи.

Сума квадратів відхилень Q2 характеризує “остаточне розсіяння” випадкових похибок досліджень для окремого зразка, обумовлених впливом випадковостей при проведенні дослідження: . На основі цієї суми оцінюється дисперсія впливу випадкових похибок: . Ця оцінка має f2 – ) ступенів свободи.

Порівняння двох дисперсій S21 та S22 проводять на основі F-розподілу з допомогою критерію Фішера (7).

У випадку руйнівних випробувань така методика оцінювання однорідності не може бути застосована, оскільки повторні вимірювання на одному зразку неможливі. Неоднорідність зразків, котрі використовуються під час проведення випробування, є одним із факторів, що призводять до мінливості результатів, а отже дають внесок в невизначеність результатів випробування. Невизначеність вимірювання є параметром, який несе інформацію про неоднорідність зразків. Виходячи з цього, за критерій однорідності запропоновано відношення uCA/uCB, де (uC, вип..  невизначеність, обумовлена випадковими впливами, uсн - складова, обумовлена неоднорідністю зразків). Слід зазначити, що невизначеність вимірювання типу В (uCB) не містить інформації про неоднорідність зразків.

Сумарна стандартна невизначеність оцінюється як .

Для того, щоб неоднорідність досліджуваних зразків (разом із випадковими впливами) могла не братись до уваги, необхідно виконання умови – . З цієї умови було отримано, що uCA?0,458 uCB, тобто критерій однорідності матиме такий вигляд: uCA/uCB?1/2.

Цей критерій є достатньо жорстким. Експериментальні дослідження з визначення індексу поширення полум’я показали, що з 22 матеріалів тільки 5 відповідають цій умові (рис. 13).

Застосування цього критерію є доволі трудомістким, оскільки оцінювання стандартної невизначеності типу В є складною процедурою, а для ряду методик в галузі пожежної безпеки взагалі неможливе. В зв’язку з цим на прикладі індексу поширення полум’я були проведені дослідження інших характеристик розсіяння, які могли б бути критеріями однорідності зразків, таких як uCA(I) та uCA(I)/I. Методами кореляційного аналізу було виявлено, що таким параметром є uCA(I)/I, та встановлено його критичне значення для індексу поширення полум’я – 0,03.

На прикладі дослідження матеріалів з визначення індексу поширення полум’я, групи горючості та коефіцієнтів димоутворення за ГОСТ 12.1.044-89 було показано, що однорідні зразки за одним показником можуть бути неоднорідними за іншими показниками пожежної небезпеки, що ілюструє рис. , де наведені криві нормального розподілу, змодельовані за результатами експериментальних досліджень індексу поширення полум’я (І) та коефіцієнту димоутворення (D).

На підставі проведених досліджень були розроблені алгоритми оцінювання однорідності зразків, придатних як для неруйнівних, так і руйнівних випробувань.

Алгоритм дослідження однорідності зразків для випадку руйнівних випробувань за відомими значеннями невизначеності типу В полягає у тому, що із кожної групи виробів, однорідність зразків яких планується дослідити, випадковим чином відбирається не менше 3-х зразків. Проводять випробування, отримують результати для кожного зразка і визначають середнє значення результатів випробувань. Визначають невизначеність результатів випробування uCA за типом А і невизначеність результатів випробування uCB за типом В. Зразки визнають однорідними за умови uCA/uCB?1/2.

Рис. 14. Змодельовані криві нормального розподілу результатів випробувань з визначення індексу поширення полум’я (а) та коефіцієнту димоутворення (б) матеріалів (Номерами від 1 до 7 позначено відповідні матеріали).

Алгоритм дослідження однорідності зразків в умовах, коли неможливо оцінити невизначеність типу В, полягає у тому, що аналогічно до попереднього випадку відбираються зразки, проводяться випробування, визначаються середні значення результатів випробування, дисперсія, середньоквадратичне відхилення (S) або невизначеність типу А, обчислюють співвідношення S/x або uCA/x і за даними обчислень ранжують вироби. Для виробів, у яких співвідношення S/x або uCA/x найменше проводять повторні випробування. Результати повторних випробувань порівнюють з попередніми результатами за критерієм Фішера та Стьюдента і зразки визнають однорідними за умови виконання двох вимог, а саме: несуттєвого розходження як їх дисперсій, так і їх середніх значень.

У п’ятОМУ розділі представлені дані реалізації результатів досліджень щодо удосконалення методів визначення межі вогнестійкості, інерційності максимальних теплових пожежних сповіщувачів, методології проведення та оцінювання результатів порівняльних випробувань.

Удосконалення методів визначення межі вогнестійкості базується на дослідженнях якості температурного режиму у вогневих печах та дослідженнях з невизначеності вимірювань. За результатами дослідження температурних полів у вогневих печах було встановлено їх нерівномірність. На рис. 15 представлені в координатах (Tf-Ts)=f(t) залежності середніх температур в печах (рис. а, б) та даних вимірювань окремими термопарами (рис. в, г), які показують можливість реалізації середньої температури в печі за умов суттєвого розкиду (R) або середньоквадратичних відхилень (S) температур. Комплексними характеристиками рівномірності температурного поля у вогневих печах є інтегральні характеристики (11) розкиду A(R) та середньоквадратичного відхилення A(S).

Рис. 5. Залежність відхилення середньої температури в печі під час випробування №1 у лабораторії (а) та випробування №1 у лабораторії (б), та температури за даними термопар №3 (в) та №6 (г) від стандартного температурного режиму під час випробування №1 у лабораторії .

1 – залежність відхилення температури; 2 та 3 – максимальна та мінімальна допустимі межі відхилення середньої температури в печі відповідно; 4 – час досягнення критичної температури металевого елемента зразка; 5 – межа часу неконтрольованої середньої температури; 6 – час, починаючи з якого контролюється відхилення температури на окремих термопарах.

Подвійною стрілкою () вказані моменти часу виходу середньої температури за допустимі межі.

Величини A(R) та A(S) (11) є додатковими критеріями якості випробувань на вогнестійкість. Розраховані значення коефіцієнту кореляції Пірсона для A(R) та A(S), представлених на рис. , склало 0,9995, що підтверджує пряму кореляцію між ними.

а) б)

Рис. 16. Інтегральні суми розкидів температур (а) та середньоквадратичних відхилень температур (б) у печах протягом випробувань.

Інтегральними характеристиками A(R) та A(S) (11) були проаналізовані температури металевих елементів зразків.

, °C·хв; ?та?, °C·хв. (11)

Було виявлено, що найбільших значень R та S приймають в момент досягнення критичної температури (tmes), тобто саме в той час, коли приймається рішення про закінчення випробування. Таким чином, рішення про досягнення критичної температури приймається за умов недосконалого вимірювання температурного поля металевих елементів зразків. Зроблено висновок, що для підвищення точності визначення часу досягнення критичної температури tmes необхідно збільшити кількість термопар на зразках.

Результати дисертаційних досліджень впроваджено у трьох національних стандартах України на методи випробувань будівельних конструкцій щодо визначення межі вогнестійкості, а саме: ДСТУ Б В.1.1-13-2007 (EN 1365-3: 1999, NEQ); ДСТУ Б В.1.1-14-2007 (EN 1365-4: 1999, NEQ) та ДСТУ Б В.1.1-17-2007 (EN 13381-4: 2002, NEQ).

На прикладах визначення межі вогнестійкості та інерційності максимальних теплових пожежних сповіщувачів показано, що за результатами отриманих значень розширеної невизначеності вимірювання температури лабораторії можуть удосконалити процедуру випробувань у сфері пожежної безпеки. Вірогідність результатів випробувань збільшується за умов, коли допустимі відхилення температур, що діють на зразок, корегують на значення розширеної невизначеності