4.2.7 GB/T4797.7 环境条件分类 自然环境条件 地震振动和冲击

本部分给出了关于天然地震振动和冲击下的环境条件。

其目的是定义地震的一些基本特性和特征量，以给在贮存和使用过程中可能会遭受这些条件的产品提供背景材料。仅给出了地面条件的加速度，对结构条件有所提及，但是仅限于一般条件的描述。

1、概述

地震带来的影响是振动，而振动可以通过随机过程模拟。该振动会对产品产生影响，并对产品产生多种方式的应力。

本部分旨在提供地震的信息，以及产品在地震期间的动力学性能。本部分给出的数值都是典型示例，不应作为标准值。

1.1）地震振动的起源和传播

当应力积累到足以导致破坏地壳的程度时，就会产生地震。这些不稳定因素存在于地震活跃区，这些地区跟一些地理因素相关，如海槽、海脊、山脊、火山、海沟、构造断层等。

突然断裂释放出的势能会从震源以三种速度的基波形式向外传播：

——纵波，在传播方向上使岩石挤压或者扩张；

——横波，垂直于传播方向上使岩石受扭转剪切；

——面波，是前面两种波的组合，受地面条件限制。

1.2）地震振动的特性

地震产生随机地面运动，该运动具有同时发生但统计意义上相互独立的水平和竖向两部分分量的特点。中等的地震可以持续15s~30s，强烈的可以持续60s~120s，一般来说，具有最大地面加速度的强度可达10s。典型的宽带随机振动在频率1Hz~35Hz内具有最大能量，频率在1Hz~10Hz的地震对产品更具破坏性。通常假定，在3.5Hz以下地面运动的竖向分量为水平运动的67%~100%，在3.5Hz以上等于水平运动。

注：最大加速度通常用于描述针对特定场地的地震强度。

1.3）地基上的产品

描述地面运动的典型宽带谱以多频激励为主。对于安装在地基上的产品，地面运动（包括水平和竖向）的振动有可能放大。对于任何给定的地面运动，放大程度取决于系统（土壤、基础和产品）振动的特征频率以及阻尼特性。

1.4）建筑和结构内的产品

地面运动（主要是水平运动）可通过作为中间的建筑结构而被过滤或放大以产生楼面的变幅正弦振动。描述建筑物楼面运动的典型窄带谱以单频激励为主。安装于建筑物楼面上产品的加速度可能会达到地面加速度的若干倍，这取决于系统的阻尼比以及振动的特征频率。放大程度和带宽取决于每个建筑物以及产品结构的动力学特性。对频率为5Hz~8Hz的振动敏感的产品最易受影响。

2、地震等级

按地震学，地震按照其烈度或震级不同进行分级。

地震烈度【例如，修正的MSK震级或者MERCALLI-CANNCANI-SIEBERG（麦加利震级）等级】都是根据经验确定的，按其影响来划分地震烈度等级（参考表1）。

地震震级（例如里氏震级）基于记录的数据进行确定，并用以评定震源释放的地震能量。

这些等级可大体对应地面加速度的某些数值，由此而得到的试验数据是有限的。

里氏（RICHTER）震级跟地面加速度的近似关系在表1中给出。表1中给出的加速度量值是针对地面条件。考虑以下因素，产品的加速度量值跟里氏震级之间只能给出近似关系：

——土壤和岩石条件（包括饱和水）；

——离震中的距离；

——结构或产品基础的情况。

地震烈度跟地震震级之间的近似关系如表2所示，表中列出了里氏震级且跟表1对齐。应注意该关系会受到以下因素的影响：

——场地的土壤和岩石条件；

——震源深度；

——地震作用持续时间。

3、用响应谱对地震环境的描述

3.1）响应谱

响应谱法是普遍接受的专门用于试验对地震环境的设计描述方法。在响应谱中，某一族振荡器的最大响应（每个振荡器都有其对应的单一自由度和固定的粘滞阻尼），以振动的特征频率的函数表达，而这些振荡是由地震引起的地面运动加速度造成的（可以看出，响应谱不是真正意义上地面振动的谱）。

图1中给出了一真实地震的加速度记录例子（自然时间历程）。

图2表示响应谱的模型。它记录了在固定特征频率f_ti（i=1~n）和常阻尼的振荡器的初始振幅的响应。在特征频率激励更长和更强下，该振荡器振幅会更大。

3.2）基本响应谱

如果记录了在地震中某处和其附近地面运动时间历程数据，就用它来建立响应谱。通过控制形状变化，来导出反应地震激励的基本响应谱。

从不同地震中确定的大量有代表性的基本响应谱可以描述某区域或地区预期地震应力。

3.3）规定响应谱

基本响应谱的包络曲线定义为规定响应谱，因为它标志着某一给定地点或区域发生地震时规定的振动极限。某一场地上产品的不同安装方法可能会导致需要对响应谱进行不同的修正，该修正取决于它们的支撑物（建筑物、楼板、机壳等等）。该谱（图4）表示了试验中频率、幅值（位移、速度或加速度）和阻尼之间的关系。

4、地震区划图

表1列出地震活动的不同区域在世界地图上的分布如图5所示。

4.2.8 GB/T4797.8 环境条件分类 自然环境条件 火灾暴露

本部分定性和定量描述了在建筑物内火灾发生、发展、蔓延等的环境条件，主要和固定使用的电工产品相关。

本部分主要考虑了轰燃前的条件，也考虑了轰燃后的条件。

1、概述

在一个空间内，当易燃物得到足够的能量时，就发生着火，例如燃着的香烟或者电气短路引燃材料或者材料自身产生这种能量（自燃）。燃烧过程的决定因素如下（见图1）：

——能量源的特性；

——暴露材料的类型和几何特性；

——热暴露时间。

火在起燃后会产生热量，部分用于维持进一步燃烧，部分通过辐射和对流传递给周围其他材料和产品，这些材料和产品受热也可能会燃烧，导致火灾扩散（见图2）。建筑物内的易燃材料通常是以气态引燃的。

空间内一旦发生着火，火焰的发展和蔓延取决于（见图1）：

——燃料或者燃烧物的位置、体积以及放置情况，燃烧材料在空间内的分布、连续性、多孔性以及燃烧特性；

——空间内的空气动力条件；

——空间的形状和尺寸；

——空间内的热力学特性。

如果安装了消防设备，火焰生长过程会受到消防设备的设计和工作能力（如喷水系统）的影响。

火灾的发展通常包括热力学、空气动力学及化学过程等复杂的相互反应。通常，辐射、对流和火焰蔓延是主要的物理因素。

在火焰生长的阶段，在建筑物的顶部会形成一层热气流。在某些特定条件下，这层热气流可能会引起火势的进一步发展，同时导致全部火灾载荷中的大部分陷入火灾：轰燃产生。

预测轰燃现象可以参考其他标准。其中一种将轰燃定义为：火焰从建筑物内的空旷处开始发生的时刻，这时上层气流中的温度通常在500℃~600℃；还有一种标准就是指临界状态，即在建筑物内或者空间内地面水平面上产生的辐射为20kW/m²。也有其他标准，它们都跟不同的物理条件相关

根据百个以上的实验结果以及对于能量和质量平衡的研究结果，得出的以下等式，可用于计算在规定的房间或者不大于几个立方米的空间内（墙壁和屋顶不可燃）能够避免产生轰燃现象所允许的最大热量释放速率【见式（1）】：

h_c,perm√=19300（a_kA_t A√h）^1/2     。。。。。。。。。。。（1）

式中：

h_c,perm——最大的热量释放速率，单位为瓦（W）；

a_k——房间或者空间结构的有效热传导系数，单位为瓦每平方米每开尔文【W/（m²*K）】；

A_t——房间或者空间内，包括开放区域的所有内表面积，单位为平方米（m²）；

A——开放区域的总面积，单位为平方米（m²）；

h——开孔的高度，，单位为米（m）。

轰燃标志着火灾增长阶段（轰燃前）向火灾充分发展阶段（轰燃后）的转变。

轰燃前的火灾对消防产品的运行和功能具有决定的意义。而这些产品对于保证人员逃生和人员救援有至关重要的作用。探测器、警报器、相关电缆、警示灯等应在该阶段响应。

轰燃后的火灾对于火灾负载结构的火灾表现非常重要，火灾通过隔离物或者通风系统从一个房间蔓延到另一个房间（如图1），从建筑物的一层蔓延到另一层，从一个建筑物蔓延到另一个建筑物。相对于空间来说很小的火灾，很可能在大范围内，足够破坏在轰燃前阶段不恰当保护的结构单元。整个火灾过程——轰燃前和轰燃后，与消防员有重要关系。最后，对轰燃后火灾的认识，是火灾后评估清拆队安全、分析残留状态以及建筑物修复或再使用可能性的首要条件。

2、轰燃前火灾特性

对轰燃前火灾基本特性的描述如下；

——暴露材料和产品的燃烧特性与以下参数产生作用：

    提供的热量；

暴露时间；

火焰或阴燃出现的时间；

地点的几何形状；

热力学数据。

——时间变量：

热释放速率（RHR）；

火焰蔓延速率；

气体温度；

烟及其光学特性；

燃烧产物的组成，特别是腐蚀性的有毒的气体。

主要用于建筑材料和产品的小尺寸的着火反应试验正在制定过程中，见ISO TC 92的相关研究：

建筑材料、零部件以及结构的着火试验，以上都是针对轰燃前火灾的特性。通过设置不同的暴露水平，这些试验可以给出材料和产品在不同火灾形势下的定量反应。

火灾反应试验的相关标准如下：

——GB/T 14523 2007;

——ISO 5658.2:1996;

——ISO 56603:2003;

——ISO/TR 5924:1989;

——ISO 19702:2006。

关于起燃性、热释放速率和火焰蔓延的相关标准，已在实际中应用。作为对小尺寸试验的补充，ISO 9705:1993用于表面产品的简单全尺寸空间墙角试验。烟，尤其是当中的有毒的燃烧产物，对研究小尺寸试验有重要的意义。

图3～图6给出了实际暴露水平与三种不同火灾在轰燃前的基本特性之间的关系。

图3和图4描述了通风条件良好的空间内火灾的情况。图3给出了燃烧速率随时间的变化，表示为失重率，对于以木作为燃料的小尺寸空间着火，主要有氧气、一氧化碳和二氧化碳。

燃烧过程中的各种气体浓度根据Raman谱图方法确定，该方法能够在同一时间内测量着火空间内的所有气体的浓度。

图4给出的是一个全尺寸通风的房间内的着火情况，墙壁是由可燃材料做成的，由墙角的燃气炉引燃，用于模拟着火的废纸篓。给出的变量主要有：热释放速率（RHR）、 天花板下温度、地板上的热流量以及产生的烟， 单位为obscura（模糊度）乘以立方米（１obscura意为每增加1db/m的光吸收，可见光距离缩短10m）。火焰在4.1rain之后产生轰燃现象， 热释放速率为1.25Mw，天花板下的气体温度正好在600℃以下，地板上的热通量为30kw/m²。

图3和图4中的示例代表了通风良好的空间内的轰燃前的着火情况。但是，在不通风或者密闭的空间内的情形更为常见。典型的不通风的着火通常是由阴燃扩大产生的，阴燃也可能发展为火焰而扩展。图5和图6给出了不通风的空间内的着火特性。图5适用于除了 天花板与地板处的缝隙以外都封闭的空间的火焰。图5给出了在空间内发生临界事件烟气产生和轰燃发生时的计算时间。烟气产生的定义为：烟层降低至地板以上1.5m高度时的时间。假定空间安全评估不合理，救火比较危险和困难。图5给出了规定的洒水装置、烟热探测器开始运作的计算时间。

考虑到轰燃时间， 图5还给出了不通风空间内着火和在天花板处通风以释放着火过程中产生的热量和烟的空间内的着火情况的对比。图5表明不通风条件缩短了轰燃的时间， 轰燃发生的时间会随着火焰发展倍增时间的降低而缩短。

为了补充说明图5中表示的不通风的火焰的特性，图6给出了不通风条件下的阴燃的一氧化碳浓度随时间的变化情况：在2.4m高，地板面积为s的房间内由于椅子阴燃产生的CO浓度随时间的变化，数值取自于房间中间高度。火焰是由距离地板一定高度的椅子引起的，且根据地板面积有所不同。这些数据是在试验和理论模型的基础上外推产生的，并且和在房间高度中点上放置的假定的传感器相关。图中给出了并在曲线上标注了时间ｔ₀（表示层界面降低到该点的时间）和时间ｔ^*（超过临界剂量的时间）。

可以通过以下项目的概率来考虑轰燃前火灾形势：

——引燃源的存在；

——产品的存在；

——产品着火特性；

——环境因素；

——人的存在；

——报警和灭火装置的存在和运行；

——逃生的可能性。

特别重要的是，因为这些产品具有高的热含量（软垫家具、塑料制大件家具、床垫）或者是较大的表面积（墙壁和天花装饰，较大的帘子等），产品自身能够将房间内一部分火灾转变为轰燃。

从实用和长期角度来讲，预测火灾危害的小尺寸着火反应试验结果评估，应基于基本性能试验和数学模型方法。图7给出了一种评价试验材料对于火灾安全的贡献的方法纲要。

如果没有小尺寸的数学模型可用，试验结果应与全尺寸试验数据统计直接相关。如果有小尺寸试验的有效数学模型，控制空间火焰发展的重要的材料特性可以量化，该数值可作为全尺寸模型轰燃前火灾数学模型的输入数据。使用这种经过与全尺寸试验支持和验证的数学模型，能够预测在不同环境条件下的空间内着火程度和地点随时问的变化情况。相关的安全措施可从其他部门当前使用的一些对复杂系统的效率、对于扰动的敏感性以及可靠性的评估方法中寻求。