Учёные механико-математического факультета Томского госуниверситета разработали алгоритм, позволяющий бесконтактно и с высокой точностью оценивать глубину обугливания древесных конструкций при пожаре. Проще говоря, разработка ММФ поможет строителям точнее рассчитывать огнестойкость дерева.

Роспатент зарегистрировал программу для ЭВМ «CharDepth». Она автоматически обрабатывает данные инфракрасной съёмки и переводит их в объективные показатели повреждения материалов. Это один из этапов масштабного проекта лаборатории моделирования и прогноза катастроф ММФ ТГУ, поддержанного грантом Российского научного фонда.

Исследователи не просто фиксируют последствия горения, а изучают физику процесса: как горящие и тлеющие частицы, разлетающиеся от фронта природного пожара, поджигают здания и сооружения.

Антипирены, которыми обрабатывают древесину, не всегда эффективны в защите от огня, а иногда могут даже усугубить ситуацию. Данные учёных ММФ и «CharDepth» в конечном счёте помогут усовершенствовать методы испытаний стройматериалов при оценке пожарной опасности.

Крупные природные пожары всё чаще подходят вплотную к населённым пунктам. Угрозу несут не только пламя и выбросы токсичных продуктов горения в атмосферу, но также горящие и тлеющие частицы. Образование горящих частиц – это процесс, в результате которого во время пожара горючие материалы (кустарники, деревья и строительные материалы) нагреваются и разделяются на более мелкие горящие частички.

Впоследствии частицы переносятся далеко от природного пожара и становятся причиной возгорания построек. Понимание того, как горящие и тлеющие частицы разной формы и размера взаимодействуют с древесиной, необходимо для прогноза огнестойкости зданий.

- Мы сосредоточились на исследовании влияния горящих и тлеющих частиц, которые образуются в результате крупномасштабных пожаров. Изучаем, как при этом ведут себя различные конструкции из материалов на основе древесины вследствие внешнего теплового воздействия.

Разработанная программа – это алгоритм обработки и интерпретации данных, который позволяет судить о том, насколько материал обуглился. Обугливание материала можно рассматривать как признак термического разложения, ведущего к потере эксплуатационных характеристик.

Такие расчёты могут быть использованы при оценке несущей способности конструкций при пожаре, так как наши результаты являются входными данными при расчёте огнестойкости, – рассказывает руководитель проекта, доцент кафедры физической и вычислительной механики, заведующий лабораторией моделирования и прогноза катастроф ММФ ТГУ, кандидат физико-математических наук Денис Касымов. Уникальность разработки – в бесконтактном методе сбора данных и их точной математической интерпретации.

Ранее инженеры оценивали обугливание «на глаз» или с помощью прямых механических замеров, что возможно только постфактум. «CharDepth» работает иначе: она считывает данные, полученные при тепловизионном исследовании контрольного образца древесного материала, экспортированные из программного обеспечения «Altair». Оператор задаёт рабочее окно, и алгоритм покадрово анализирует динамику изменения степени обугливания по торцу исследуемого образца.

- Сейчас для оценки глубины обугливания повсеместно используются дифференциальные модели или приближенные формулы, они рассчитаны на основе серий стандартизированных экспериментов. У такого подхода есть минусы.

Во-первых, во время расчёта глубины обугливания деревянных конструкций при воздействии пожара скорость обугливания древесины принимается постоянной. Затем идёт расчёт такого параметра, как время обугливания, и он затруднителен из-за сложности с учётом влияния множества факторов, влияющих на скорость обугливания.

Во­вторых, принятые расчётные формулы не учитывают нестационарное тепловое воздействие, имеющее место при реальном пожаре, – отмечает Денис Касымов.

Разработчики «CharDepth» полагают, что результаты их исследований и алгоритм могут служить хорошим инструментом верификации расчётных моделей. Это актуально, поскольку в настоящее время в мире активно развиваются программные комплексы для моделирования опасных факторов пожара: Fire Dynamic Simulator (США), FireFOAM (Великобритания), Сигма ПБ (Россия).

Кроме того, при поддержке гранта РНФ (проект № 24­-71-­10029) и предыдущих грантов учёные ММФ комплексно исследуют причины и характеристики природных пожаров. Отдельный цикл лабораторных экспериментов был посвящён термическому воздействию лучистого теплового потока (30 кВт/кв. м) на образцы ДСП, ОСП и фанеры, в том числе обработанные огнезащитными составами.

С помощью уникальной ИК-­камеры научного класса JADE J530SB с набором узкополосных оптических фильтров исследователям удалось в деталях проследить, как меняется температура внутри материалов. Установлено, что химические реакции разложения запускаются при 380–660°C (652–933 К), а окислительные реакции, сопровождающиеся выделением тепла, – при 640-­680°C (913–954 К).

- Эти данные позволили сделать важный вывод: влияние огнезащитных составов на глубину протекания реакций неоднозначно. Некоторые антипирены не предотвращают горение, а лишь замедляют скорость движения фронта экзотермических реакций.

Более того, в отдельных случаях пропитка может сыграть отрицательную роль, способствуя увеличению глубины термического разрушения материалов. Это означает, что огнезащита требует не просто нанесения состава, а осмысленного подхода к выбору способа защиты с учётом теплофизических свойств, – комментирует один из авторов исследования, заведующий кафедрой физической и вычислительной механики ММФ, доктор физико-математических наук ТГУ Егор Лобода.

На следующем этапе исследователи планируют изучить эффект увеличения теплопроводности обработанной древесины и испытать устойчивость реальных строительных конст­рукций к потоку горящих частиц. Результаты должны лечь в основу новых методик сертификации строительных материалов и контроля пожарной безопасности.

Такой подход позволит не просто констатировать факт возгорания, а прогнозировать его наступление ещё на этапе проектирования здания.

Томский госуниверситет.

Опубликовано в "Лесной Регион" №05(376)