自动喷水冷却系统保护下钢化玻璃作为防火分隔物可行性试验研究

倪照鹏,路世昌,赖建燕,黄益良,郭 伟,薛 岗

(1.公安部天津消防研究所,天津,300381;2.万达商业规划研究院有限公司,北京,100022)

自动喷水冷却系统保护下钢化玻璃作为防火分隔物可行性试验研究

倪照鹏1,路世昌1,赖建燕2,黄益良1,郭 伟1,薛 岗1

(1.公安部天津消防研究所,天津,300381;2.万达商业规划研究院有限公司,北京,100022)

针对目前大型综合性商业建筑拟采用钢化玻璃作为防火分隔物的使用需求,通过建立实体试验模型研究在自动喷水冷却系统保护下钢化玻璃作为防火分隔物有效性,并进而提出可行的自动喷水冷却系统保护方案。研究结果表明:快速响应型洒水喷头在高温烟气作用下可及时启动并对玻璃进行冷却保护,使钢化玻璃完整性未受到破坏,且玻璃背火面温度和热辐射强度均小于无水系统冷却保护的情况。

自动喷水冷却系统;钢化玻璃;防火分隔物;耐火完整性;试验研究

0 引言

近十多年,我国不少城市建设了一批大型综合性商业建筑。这类建筑以万达商业广场(第三代店)为典型代表,由室内步行街将一组建筑连接在一起,形成一个集商业零售、餐饮、娱乐、休闲等于一体,建筑空间体量巨大,功能复杂。由于室内步行街贯通多层,连接建筑两侧的商铺,为常规中庭的变形。根据我国现行有关消防技术规范的规定,在室内步行街及其上部空间与两侧的商业空间之间应进行防火分隔或划分防火分区[1]。如采用耐火墙体进行分隔,则很难满足建筑的功能要求;如采用防火卷帘进行分隔,则需要采用大量大跨度的防火卷帘,但实际情况表明,防火卷帘的可靠性较低,火灾中难以有效发挥作用[2,3]。实际工程中,此类建筑有采用钢化玻璃进行防火分隔的,见图1所示。

图1 钢化玻璃用作防火隔墙的应用实例Fig.1 Examples of using toughened glass as fire barrier

但钢化玻璃作为防火分隔物时,在火灾中可能存在以下问题[4,5]:

(1)钢化玻璃作为安全玻璃的一种,在一定温度下能在一定时间内阻隔火灾直接蔓延和火灾烟气扩散,但不能有效阻隔热量向其背火面传播,可能引燃玻璃背火面附近的可燃物,导致火灾蔓延。

(2)在高温作用下,如玻璃与框架之间的间隙防火封堵不严或两者热胀系数不一致,可能导致玻璃破碎或框架变形而出现透火现象。

(3)钢化玻璃用于防火分隔时,其耐火时间不能满足国家现行有关消防技术规范的要求。

而采用钢化玻璃进行防火隔墙的可行性研究尚不多见,且不系统,给建筑的防火设计和消防监督审核、带来一定困难。

本文将在实体火灾模拟试验研究的基础上,通过研究钢化玻璃在火灾中的行为来论证其用于室内步行街两侧商铺相关部位防火分隔的可行性,并为完善相关国家标准提供依据。

1 全尺寸火灾试验研究

1.1 建立实体试验模型

1.1.1 试验房间

万达商业广场(第三代店)为典型的商业综合体建筑,本文采用该建筑内步行街两侧完成装修后的典型商铺各部位的实际尺寸建立试验房间。房间采用砖混结构,除面向步行街侧采用钢化玻璃外,其他部位采用粘土砖填充,屋顶采用混凝土预制板和彩板布面打胶防水,见图2。

图2 试验房间示意图及照片Fig.2 The photos and schemes of test room

1.1.2 钢化玻璃的选型及安装

钢化玻璃按形状分为平面钢化玻璃和曲面钢化玻璃。其中,平面钢化玻璃厚度有 4mm、5mm、6mm、8mm、10mm、12mm、15mm 和 19mm 八种;曲面钢化玻璃厚度有5mm、6mm和8mm三种[6]。建筑工程中通用厚度为10mm的平面钢化玻璃。考虑到试验的花费,本文也采用此规格的玻璃进行试验。

根据工程实际和制造商的生产能力,试验选取具有较好代表性的单片钢化玻璃,每块尺寸为2.4m(高)×2.0m(宽)。玻璃采用落地式安装,上边框距地2.4m,与上方屋顶形成的空隙采用防火材料进行封堵,不同玻璃之间采用不锈钢框架固定,如图3所示。

图3 玻璃试件安装立面图Fig.3 Glass installation vertical view

1.1.3 自动喷水冷却系统的安装[7]

对于玻璃冷却保护,本试验选用普通边墙型侧式喷头。其中,K-80边墙型侧式喷头的喷水强度为0.5L/s·m,公称动作温度为68℃。喷头安装间距为2m,每块玻璃均由一个洒水喷头保护,共布置6个喷头,如图4所示。其中,喷头溅水盘与玻璃框顶板的垂直距离为0mm～100mm,与钢化玻璃的水平距离为200mm。

1.2 试验参数测量

1.2.1 温度测量

试验过程中的特征点温度,采用 K型铠装镍铬-镍硅热电偶测量。试验中沿玻璃中心线紧贴玻璃在钢化玻璃试件两侧各布置了一支温度测试柱,即迎火面温度测试柱和背火面温度测试柱,分别测试玻璃迎火面和背火面的温度,共布置了36支热电偶。每支测试柱由三个温度测试点组成,分别距地面0.5m、1.1m和2.2m,如图5所示。

1.2.2 热辐射强度测量

在距地面1.2m,水平距每片钢化玻璃3m处及6m处布置热流计,共布置12支;同时在距地面1.1m及2.2m,水平距火源2m处布置热流计2支,如图6所示。

图4 试验房间喷头布置示意图Fig.4 Nozzle schemes of test room

图5 玻璃迎、背火面温度测点布置图Fig.5 Measurement layout of glass back and front surface temperatures

图6 热流计测点布置图Fig.6 Measurement layout of heat flux

1.3 火源设置及最大热释放速率的确定

考虑到商店可燃物种类较多,发生火灾的类型可能有多种,本试验拟以A类木垛火和B类油池火两种类型的火灾来进行研究,验证不同火灾类型下水冷却系统对玻璃的保护效果。

对于商铺火灾,考虑到店铺内布置了自动喷水灭火系统,采用DETACT-DET12对喷头的热敏性能进行分析,模拟计算条件如下:(1)火灾为自由发展的t2快速火灾;(2)顶棚距火源高度:3.5m;(3)快速喷头响应时间指数RTI=50m1/2s1/2,喷头动作温度为68℃,喷头间距3.6m,喷头距火源最远水平距离为2.5m;(4)环境温度20℃。根据计算结果,喷头在178.8s时动作,此时火灾热释放速率为1.5MW。因此,试验采用火源的最大火灾热释放速率为1.5MW。

木垛参照国家标准《推车式灭火器》(GB8109-2005)的规定制作:木垛的尺寸为1.3m×0.5m×0.56m。根据公安部天津消防研究所的有关试验数据,木垛燃烧时最大热释放速率约为1.1MW[8]。同时,引燃装置油盘的火源最大热释放速率可达到0.4MW,故本次试验的火源可达到的最大热释放速率约为1.5MW。

油池火采用长宽为0.8m,高0.4m的油盘置于距待测钢化玻璃旁,油盘内先倒入约5cm高的清水,再将40kg重油倒入油盘内。在工程上,当液池直径较大时,通常近似把重油燃烧速度取为3.3mm/min[9],则1min可燃烧2.11L的重油。重油密度可近似取为895kg/m3,热值约为40MJ/kg[10],故可计算出1min燃烧产生的热量为75.61MJ,故其热释放速率约为75.61MJ/60s=1.26MW。

1.4 试验工况设计

实体火灾试验共进行了6次,其中包括不同火源形式热烟试验2次、无水系统冷却保护破坏性试验2次和水系统延迟启动冷脆破坏性试验2次。

表1 实体火灾试验工况统计Table 1 Fire tests statistics

2 试验结果及分析

2.1 不同火源形式热烟试验

在不同火源形式下(1.5MW木垛火和1.26MW油池火),如自动喷水冷却系统正常启动,均能对钢化玻璃门和窗进行有效保护,可阻止玻璃因过热发生炸裂失去其完整性。有关试验现象图7所示:

图7 试验过程相关照片Fig.7 Test process photos

从试验现象可以看出,当喷头溅水盘低于玻璃上檐时,水流呈一定角度的伞状到达玻璃后顺玻璃流下,因此玻璃上边缘左右两侧角落处均有一定的区域未能被完全保护。根据布水的效果可将玻璃分为三个区域,上侧角落处存在一定的干燥区,该区域基本无水到达,可称为盲区;喷头下中间一定区域水到玻璃达后形成水帘向下流,该区域保护效果最好,可称为水流区;介于盲区和水流区中间有部分区域虽然有一定的水到达,但是由于水流较小,不能形成明显的向下水流,该区可称为湿润区,湿润区的保护效果较水流区差,且在火灾高温下靠近盲区侧可能由于蒸发等因素而转化为盲区。而当喷头溅水盘与玻璃上檐平齐时,或增大普通边墙型喷头安装密度、工作压力可有效减少自动喷水冷却系统保护中的死角范围。

采用水系统对玻璃进行冷却保护时,喷头会在90s左右启动,此时玻璃上方温度较高,迎火面温度从89℃迅速降低至60℃,背火面温度从75℃迅速降低至56℃;玻璃中下方温度较低,迎火面最高温度达到58℃,背火面最高温度54℃。有关试验数据曲线图8所示:

图8 玻璃内外侧温度曲线Fig.8 Glass inside and outside temperatures

2.2 无水系统冷却保护热烟破坏性试验

在不同火源形式下(1.5MW木垛火和1.26 MW油池火),如自动喷水冷却系统未启动,10mm厚钢化玻璃会在8min～12min之间破裂或破碎。其中,玻璃破碎时间取决于火灾规模、火源与玻璃的距离及玻璃厚度,加大火灾规模、减小火源与玻璃的距离或降低玻璃厚度时,会使玻璃的破碎时间大大提前。

钢化玻璃门窗固定采用钢框架,密封采用防火胶条,在玻璃破碎前,在300℃～400℃时钢框架强度下降,发生严重变形。同时防火胶条出现膨胀、软化和脱落,导致烟气透过玻璃与钢框之间缝隙溢出和透火情况发生。有关试验现象图9所示:

图9 试验过程相关照片Fig.9 Test process

在不同火源形式下(1.5MW木垛火和1.26 MW油池火),虽然玻璃破碎时间略有不同,但各次试验中同样规格玻璃破碎时的温度范围大致相同,10mm厚的钢化玻璃窗的破碎温度在 300℃～350℃之间。

当火源(1.5MW木垛火)充分燃烧后,其辐射热流强度也趋于稳定,火源附近2m处的热流强度在10 kW/m2～16kW/m2之间。而玻璃背火面的热流强度随着火源功率、自动喷水冷却系统保护情况以及玻璃表面的温度变化而变化。在自动喷水冷却系统未启动时,玻璃表面的温度较高,背火面距离玻璃3m处的热流强度在4.5kW/m2左右;当自动喷水冷却系统有效时,玻璃表面的温度较低,背火面距离玻璃3m处的热流强度在2kW/m2左右。因此,可知有水系统保护时,距离玻璃背火面3m处的热流强度比无自动喷水冷却系统保护时降低了40%～60%,说明自动喷水冷却系统形成的水帘可有效阻隔热量向玻璃背火面的传播,大大降低玻璃背火面的温度和辐射热通量。有关试验数据曲线图10所示:

图10 相关试验数据曲线Fig.10 Test data

2.3 水系统延迟启动冷脆破坏性试验

如自动喷水冷却系统延时启动(滞后2min左右启动),即当火源(1.26MW油池火)燃烧一段时间后,玻璃受火源热作用局部温度达到200℃以上时会产生一定的变形,此时进行喷水保护,会造成玻璃迅速冷脆炸裂,从而失去完整性。因此,一旦自动喷水冷却系统未及时启动,并造成玻璃表面与冷却水之间温差较大(两者温差在150℃以上)时,玻璃会发生冷脆炸裂现象。因此,为避免以上现象的发生,自动喷水冷却系统宜采用快速响应喷头以确保其及时启动对玻璃进行保护。有关试验现象图11所示。

图11 试验过程相关照片Fig.11 Test process

就玻璃形式而言,双层夹胶玻璃较单片玻璃安全性要高一些,主要是夹胶玻璃中间层的胶膜坚韧且附着力强,受冲击破损后不易被贯穿,碎片不会脱落,与胶膜紧紧地粘合在一起。因此,在外层玻璃未碎情况下,即使内层玻璃因水冷却系统延时启动破碎也不会失去其完整性,故玻璃构件宜采用钢化夹胶玻璃,可避免其早期破碎失去完整性。

3 结论

通过对钢化玻璃作防火分隔物的现场实体试验验证[11-13],可以得知,合理的自动喷水冷却系统设计可以改善钢化玻璃在耐火完整性、隔热性和热辐射照度方面的性能,在一定程度上可作为有效的防火分隔措施。

(1)自动喷水冷却系统保护的可行方案:对于高度不超过4m的玻璃构件,为降低其背火面的辐射强度和温升可采用闭式快速响应喷头保护。喷头工作压力应经计算确定,最不利点压力不应小于0.1MPa(喷水强度不应小于0.5L/s.m),喷头溅水盘宜与玻璃上檐平齐,喷头间距不大于2m,且与玻璃的水平距离不大于0.3m,持续喷水时间不小于构件按规范要求所需的耐火极限[7]。

(2)关于喷头的选择:与窗玻璃喷头相比,普通边墙型喷头的优点是在保护玻璃的同时对其下方一定范围内火源兼具灭火功能,缺点是所保护玻璃上边缘左右两侧存在盲区,不能对玻璃进行完全保护。综上,笔者认为对于玻璃分隔构件可采用窗玻璃喷头或普通边墙型喷头进行冷却保护。同时,可考虑增大普通边墙型喷头安装密度和工作压力来减少自动喷水冷却系统保护中的死角范围。

(3)关于开式及闭式系统的选择:从现场试验来看,闭式系统喷头均可在100s内启动对玻璃进行冷却保护,控制玻璃温度升高,保证玻璃完整性。考虑到开式系统需要加装火灾报警联动系统,且因管道充水存在一定的喷水延时,另外用水量较大等因素,故宜优先选用闭式系统。

(4)关于玻璃形式的选择:就耐热性能而言,采用钢框固定10mm厚的平面钢化玻璃的破碎温度在300℃～350℃之间。但考虑到一旦自动喷水冷却系统延时启动,单片钢化玻璃存在冷脆炸裂的情况,故宜采用钢化夹胶玻璃可避免以上情况的发生。

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Experimental study on the effect of toughened glass protected by water sprinkler as fire barrier

NI Zhao-peng1,LU Shi-chang1,LAI Jian-yan2HUANG Yi-liang1,GUO Wei1,XUE Gang1

(1.Tianjin Fire Research Institute of Ministry of Public Security,Tianjin,300381,China;2.Wanda Commercial Planning Institute CO.L TD,Beijin,100022,China)

Aiming at use requirement on toughened glass as fire barrier in the large-scale comprehensive commercial buildings,full scale fire tests were conducted to check the effect of toughened glass protected by water sprinkler as fire barrier,thereby a feasible sprinkler cooling system protection scheme was proposed.Based on the results,it was found that fast response sprinkler in high temperature smoke can timely start and cool glass to prevent the damage of the toughened glass integrity,and the temperature and thermal radiation intensity of glass back-fire surface were descreased as compared to the cases without sprinkler cooling system.

Water sprinkler;Toughened glass;Fire barrier;Fire integrity;Experimental study

X932

A

1004-5309(2011)-0125-08

2011-03-14;修改日期:2011-07-01

公安部应用创新计划项目资助(项目编号:2010yycxTJXF134)

倪照鹏(1966-),男,江苏泗洪人,公安部天津消防研究所规范研究室主任,研究员,主要从事建筑防火与消防安全工程、建筑消防技术标准化的研究。