Podziemna eksploatacja górnicza powoduje wstrząsy górnicze, a także deformacje powierzchni terenu, które w praktyce inżynierskiej opisuje się jako nieckę obniżeń. Jednym z istotnych wskaźników tej deformacji są odkształcenia poziome, które niejednokrotnie przyczyniają się do powstania uszkodzeń budynków murowanych na powierzchni. Dotychczas nie opracowano skutecznego i uniwersalnego narzędzia umożliwiającego ocenę ryzyka powstania uszkodzeń takich budynków.

Metody wykorzystujące inteligencję obliczeniową pozwalają na symulację skomplikowanych zjawisk w wielu dziedzinach nauki. Spośród dostępnych metod wybrano te, które dają sposobność na uzyskanie wyników ze wskazaniem prawdopodobieństwa wystąpienia zdarzenia. Takie prawdopodobieństwo można interpretować jako ocenę ryzyka zdarzenia, którym w niniejszej monografii jest powstawanie uszkodzeń budynków.

Opisano kryteria wyboru grupy 207 budynków wytypowanych do przeprowadzenia badań. Utworzona baza danych o budynkach oraz wpływach eksploatacji górniczej zawiera 26 zmiennych oraz 594 przypadki.

Przeprowadzono analizę danych z wykorzystaniem czterech metod inteligencji obliczeniowej. Najlepsze wyniki do zaproponowanych autorskich kryteriów oceny uzyskano dla modelu utworzonego z wykorzystaniem sieci Bayesa (BN). Zaprezentowano struktury działania różnych sieci BN oraz analizę wpływu zmiennych wejściowych na dokładność klasyfikacji uszkodzeń. Przeprowadzono symulację wykorzystania utworzonego modelu w trzech wariantach: prognozie powstania uszkodzeń w budynku, diagnozowaniu przyczyn uszkodzeń oraz przypadku dysponowania niepełną bazą danych.

W podsumowaniu przedstawiono informacje uzyskane za pomocą stworzonego modelu, podkreślono możliwość jego wykorzystania w ocenie ryzyka uszkodzeń budynków murowanych poddanych wpływom eksploatacji górniczej, a także zaproponowano kierunki dalszych badań.

Właściwości ogniowe kabli elektrycznych stosowanych w budynkach

W obiektach budowlanych stosuje się kable wykonane z użyciem różnych materiałów konstrukcyjnych polimerowych, co zwiększa ich obciążenie ogniowe, a zatem znacząco wpływa na bezpieczeństwo pożarowe budynków. Kable elektryczne i wykonane z nich instalacje elektryczne, pomimo że są istotnymi elementami bezpieczeństwa pożarowego obiektów budowlanych, nie są brane pod uwagę w ogólnej analizie bezpieczeństwa pożarowego i zwykle nie podlegają ocenie pod kątem potencjalnego zagrożenia pożarem.

Tymczasem jednym z zadań w zakresie przeciwdziałania zagrożeniom pożarowym w budynkach powinno być zmniejszenie ryzyka pożarów wywołanych zwarciami w instalacjach elektrycznych. Natomiast, w przypadku wystąpienia pożaru, należy mieć na uwadze proces rozprzestrzeniania się ognia z udziałem kabli elektrycznych, który - ze względu na sposób instalacji kabli w budynkach - może przenosić ogień na duże odległości od miejsca zainicjowania pożaru oraz pomiędzy kondygnacjami budynku (poprzez szyby instalacyjne).

Problem naukowy niniejszej rozprawy stanowi określenie wpływu istotnych parametrów konstrukcyjno-materiałowych kabli na ich właściwości ogniowe poprzez ustalenie zależności jakościowych, a w miarę możliwości również ilościowych, między tymi wielkościami.

Celem niniejszej monografii jest wyodrębnienie istotnych czynników związanych z konstrukcją kabli elektrycznych, wpływających na określone właściwości pożarowe, takie jak: wydzielanie ciepła, wytwarzanie dymu, długość zniszczenia i ilość toksycznych produktów spalania w różnych warunkach wentylacji pomieszczeń. Zgodnie z najlepszą wiedzą autorki takie systematyczne badania nie zostały dotychczas opublikowane. Przedstawione badania są oryginalne i wypełniają lukę badawczą w aspekcie rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych kabli i przewodów elektrycznych, wpływających na ich właściwości ogniowe.

W celu wyodrębnienia parametrów konstrukcyjnych kabli, które istotnie zmieniają ich właściwości ogniowe, poddano analizie osiemdziesiąt trzy kable elektryczne (osiemdziesiąt dziewięć próbek kabli) o różnej konstrukcji i zastosowanych materiałach. Zbadano je, stosując między innymi standardową metodę badawczą opisaną w normie EN 50399. Dobór próbek kabli uwzględniał obecność jednej determinującej cechy konstrukcyjno-materiałowej. Wnioski z wykonanych badań były następujące: (1) konstrukcja, liczba żył roboczych i obecność pancerza lub metalicznej żyły koncentrycznej poprawiają właściwości ogniowe przez wytworzenie bariery przed przenikaniem płomienia w głąb wewnętrznych warstw kabla; (2) zastosowanie żył roboczych miedzianych powoduje obniżenie parametrów ogniowych w porównaniu z kablami z żyłami aluminiowymi (uzyskano do czterech razy niższą wartość maksymalnej średniej szybkości wydzielania ciepła dla kabla z żyłami miedzianymi); (3) materiał konstrukcyjny na bazie plastyfikowanego poli(chlorku winylu) znacznie pogarsza właściwości ogniowe kabli w stosunku do materiałów bezhalogenowych (maksymalna średnia szybkość wydzielania ciepła była ponad siedemnaście razy wyższa dla kabla na bazie materiałów halogenowych), co wynika z procesu dekompozycji termicznej tworzywa; (4) nie stwierdzono wyraźnego związku między parametrami związanymi z właściwościami ogniowymi kabli elektrycznych a standardowym parametrem kablowym c, poprawiającym monotoniczność uzyskanych wyników badań ogniowych kabli i stosowanym dotychczas w doborze próbek do badań w obrębie tej samej rodziny kablowej.

W związku z faktem, iż przeprowadzone badania wykazały znaczny wpływ liczby żył roboczych, jako barier metalicznych dla penetracji płomienia do warstw wewnętrznych kabli elektrycznych i objętości części niemetalicznych na właściwości ogniowe kabli, zaproponowano parametr Omega związany z efektywną objętością elementów niemetalicznych palnych. Parametr Omega zależy od stosunku objętości elementów niepalnych niemetalicznych do objętości elementów palnych niemetalicznych kabla oraz efektywnej powierzchni wymiany ciepła w obrębie budowy kabla. Znacznie wyższe bezwzględne współczynniki korelacji Pearsona (bliskie -1) uzyskano dla całkowitego wydzielonego ciepła i całkowitego wytworzonego dymu w funkcji parametru Omega niż parametru X.

W celu ilościowego oznaczenia ilości gazów uzyskanych w warunkach kontrolowanych wentylacją, badaniom poddano prosty przewód elektryczny z izolacją na bazie poli(chlorku winylu) stosowany powszechnie w budownictwie oraz - jako próbkę referencyjną - czysty nieplastyfikowany poli(chlorek winylu) oraz polietylen o niskiej gęstości (najprostszy z polimerów) zgodnie z metodą badawczą o nazwie Steady State Tube Furnace. Trzykrotnie niższe wydajności dwutlenku węgla w różnych warunkach wentylacji uzyskano dla badanego kabla w porównaniu z referencyjnym czystym nieplastyfikowanym poli(chlorkiem winylu) oraz dwukrotnie niższe w zestawieniu z czystym polietylenem, co potwierdza nieznaczny wpływ efektu hiperwentylacji na człowieka podczas palenia się kabli. Natomiast w przypadku wydzielania tlenku węgla, uzyskano czterokrotnie wyższe wartości wydajności dla badanego kabla w porównaniu z czystymi polimerami. Maksymalną wartość wydajności powstawania tlenku węgla (0,57 g/g) uzyskano w przypadku przepływu powietrza wynoszącego 5 l/min i wartość ta zmniejszała się wraz ze wzrostem stopnia wentylacji. Zmierzone wydajności węglowodorów były podobne do wartości referencyjnych, z wyjątkiem współczynnika równoważności f = 0,27. Wydzielanie żrącego i toksycznego chlorowodoru podczas spalania kabla elektrycznego jest niezależne od warunków wentylacyjnych. Reakcja korozji między miedzią i chlorowodorem oraz między wypełniaczami nieorganicznymi i chlorowodorem zmniejszyła zawartość tego gazu w wydzielanym dymie.

Analiza z wykorzystaniem teorii Quintiere'a wykazała, iż metoda kalorymetru stożkowego może być użyta w modelowaniu numerycznym procesu spalania kabli, a jej zastosowanie może znacznie ułatwić i zmniejszyć liczbę badań ogniowych kabli, bez negatywnego wpływu na wyniki końcowe. Jednakże kable w tym przypadku należy traktować jako materiały stałe kompozytowe.

Reasumując, analiza wpływu budowy kabli jest istotnym elementem z punktu widzenia bezpieczeństwa pożarowego obiektów budowlanych. W toku pracy nad monografią stwierdzono, iż: czynniki, takie jak ilość, kształt i materiał, z którego wykonane są żyły robocze oraz rodzaje materiałów, z których wykonane są elementy niemetaliczne kabli, a także obecność pancerza lub żyły koncentrycznej w kablach, istotnie wpływają na właściwości ogniowe, na przykład wydzielanie ciepła, wytwarzanie dymu, długość zniszczenia oraz wydzielanie toksycznych produktów spalania. Przeprowadzone eksperymenty umożliwiły opracowanie nowego parametru Omega, który okazał się być lepszym wskaźnikiem predykcyjnym palności kabli niż znormalizowany i szeroko stosowany obecnie parametr X. Ponadto ustalono, iż możliwe jest zastąpienie metod badawczych prowadzonych w dużej skali geometrycznej prostszą metodą kalorymetru stożkowego poprzez zastosowanie teorii Quintiere'a dla kabli elektrycznych.

Praca dotyczy zagadnień związanych z odpornością ogniową przeszklonych ścian działowych. Wewnętrzne ściany budynku, które nie stanowią jego konstrukcji, czyli nie mają właściwości nośnych, nazywane są ścianami działowymi. Głównym zadaniem elementów tego typu jest wydzielenie pomieszczeń w budynku, dlatego też powinny być one zaprojektowane i wykonane w taki sposób, aby zapewnić między innymi spełnienie wymagań dotyczących odporności ogniowej. Badanie odporności ogniowej ma na celu ocenę zachowania próbki elementu konstrukcji budowlanej poddanej określonym warunkom nagrzewania i ciśnienia. Pozwala to na ilościową ocenę zdolności elementu do wytrzymania oddziaływania wysokiej temperatury poprzez ustalenie kryteriów, za pomocą których można między innymi ocenić funkcje nośności, zdolności do powstrzymywania ognia (szczelności) i przenoszenia ciepła (izolacyjności).

Metodologia przeprowadzonych badań oparta jest na procedurach badawczych obowiązujących powszechnie w Europie. Określają one minimalne wymiary elementów próbnych, na których należy przeprowadzić badanie. Badania elementów próbnych o minimalnych wymiarach pozwalają na ocenę odporności ogniowej elementów o rozmiarach nieznacznie większych. Nie rozwiązuje to jednak realnego problemu stosowania odpornych ogniowo przeszklonych oddzieleń o wysokości znacznie przewyższającej wymiary ścian zweryfikowanych badawczo. Oznacza to, że w wielu obiektach, głównie użyteczności publicznej, stosowane są rozwiązania, których skuteczność ochrony przed działaniem ognia nie została potwierdzona badaniami.

W monografii opracowano model umożliwiający, na podstawie badań elementów próbnych o wymiarach 3 × 3 m, ocenę odporności ogniowej pionowych przegród przeszklonych wykonanych z profili aluminiowych o wymiarach znacznie je przewyższających. Model został opracowany na podstawie wyników badań ośmiu elementów próbnych przeszklonych ścian działowych. Do badań wytypowano ścianki najczęściej spotykane na polskim rynku – słupowo-ryglowe przeszklone ściany działowe o aluminiowych profilach trzykomorowych.

Dodatkowo w pracy zostały przedstawione wymagania polskiego prawa budowlanego związane z odpornością ogniową przeszklonych ścian działowych, procedura badania oraz sposób klasyfikacji elementów tego typu, jak również stosowane w nich rozwiązania konstrukcyjne. Ponadto szeroko omówiono literaturę związaną z tematyką monografii.

Najważniejszy wniosek przedstawiony w monografii dotyczy możliwości oszacowania według wyprowadzonych w pracy wzorów oraz badania próbki o minimalnych wymiarach normowych – maksymalnej dopuszczalnej wysokości przeszklonej ściany aluminiowej dla danego przekroju aluminiowego profilu, jak również wyznaczenia minimalnego wymaganego momentu bezwładności przekroju profilu, dla którego ścianka o danej wysokości zachowa swoją odporność ogniową. Na podstawie wymaganego minimalnego przekroju profilu aluminiowego jest możliwe dobranie odpowiednich profili wzmacniających.

Monografia składa się z 7 rozdziałów. Rozdział 1 stanowi wprowadzenie do omawianej tematyki, przedstawia problem naukowy oraz zakres pracy. W rozdziale 2 omówiono stan wiedzy na temat bezpieczeństwa pożarowego przeszklonych ścian działowych. Rozdział 3 poświęcony został analizie dostępnej literatury oraz analizie wybranych raportów z badań w zakresie odporności ogniowej. W rozdziale 4 przedstawiono przyjęte założenia dotyczące badań eksperymentalnych. W rozdziale 5 omówiono wyniki przeprowadzonych badań, natomiast w rozdziale 6 znajduje się rozwiązanie problemu naukowego postawionego na początku pracy. W rozdziale 7 zawarto podsumowanie wraz z wnioskami wynikającymi z przeprowadzonych badań.

Monografia obejmuje zagadnienia związane z niewymuszonym przepływem dymu przez układy przegród budowlanych w wielkokubaturowych obiektach budowlanych, co ma praktyczne znaczenie w projektowaniu systemów wentylacji pożarowej. Skuteczny system wentylacji musi odbierać każdy przepływ dymu mający miejsce w budynku – a zatem istnieje bezpośrednie powiązanie pomiędzy parametrami systemu wentylacji, poziomem bezpieczeństwa w obiekcie budowlanym oraz układem przegród budowlanych, jakie na swojej drodze pokonuje dym. Istniejące modele analityczne przepływu dymu uwzględniają architekturę obiektu jako jeden z warunków brzegowych. Jak pokazują prace walidacyjne, prowadzone również przez Autora, to uwzględnienie jest prawidłowe tylko dla wąskiego zakresu zmienności wymiarów przegród, bliskich konfiguracji eksperymentalnej, będącej odniesieniem dla poszczególnych modeli. Z uwagi na powyższe, w modelach zawarto duże marginesy bezpieczeństwa – często bezzasadne, podnoszące koszty instalacji niewspółmiernie do wpływu tego przewymiarowania na bezpieczeństwo użytkowników budynku.

Rozważania prowadzone w monografii ograniczono do wielkokubaturowego obiektu handlowego, w którym znajdują się lokale handlowe i pasaż handlowy.

Najważniejszym wnioskiem płynącym z badań opisanych w monografii jest możliwość znaczącego podniesienia bezpieczeństwa pożarowego użytkowników lokali handlowych poprzez zwiększenie wymiarów otworów wejściowych do tych lokali. Przeprowadzone badania wskazują, że zwiększenie wejścia generuje mniejszy koszt w odniesieniu do wymiarowania systemu wentylacji, niż wcześniej sugerowano. Wskazuje to na możliwość efektywnego ekonomicznie podniesienia poziomu bezpieczeństwa pożarowego w obiekcie poprzez zmianę sposobu kształtowania przegród budowlanych.